煤礦沖擊地壓的解危措施

上圖為沖擊式地壓檢測儀

    在煤層開采中，生產地質條件極為復雜。往往由于人們對沖擊地壓發生條件不能完全掌握，造成開拓布置和開采方式不合理，沒有預先采取防范措施或防范措施不完善，不可避免地形成局部煤層地段的高應力集中和沖擊地壓危險。因此，在煤層開采過程中必須對這些地段進行及時處理，以保證安全生產。這種對已形成沖擊危險或具有潛在沖擊危險地段的處理措施稱為解危措施。它屬于暫時的局部性措施，包括煤層爆破卸壓、鉆孔卸壓和誘發爆破等。
    按照沖擊地壓發生的強度條件和能量條件，工作面附近煤層被頂底板緊緊地夾持著，承受極高的載荷，雖并未破碎，卻積聚大量的變形能。這時煤體和圍巖形成的三軸壓縮應力與礦山壓力處于臨界平衡狀態。采取的各種卸壓解危措施，正是為了減緩這種臨界狀態，把夾持狀態下煤層的側向約束解除掉，使已形成的局部高壓力分散轉移到較廣區域。由于卸壓措施造成煤體局部破裂，降低了強度，應力重新分布，從而釋放或降低了煤巖體中的彈性能，使工作面前方一定范圍內成為安全區。
    1、誘發爆破
    誘發爆破是在監測到有沖擊危險的情況下，利用較多藥量進行爆破，人為地誘發沖擊地壓，使沖擊地壓發生在一定的時間和地點，從而避免更大損害的一種解危措施。
    實行誘發爆破必須慎重行事。作為輔助手段，誘發爆破只有在存在嚴重沖擊危險的情況下，其他方法無效或無法實施時才應用。實施地點多用于煤柱回收時，與鉆屑法檢測孔配合互用。孔距2m～5m，孔深按沖擊危險區范圍確定。可平行走向或傾斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，鉆大量較長的鉆孔直達高應力帶。采用大藥量、集中裝藥和同時引爆的方法，以便使煤巖體強烈震動，誘發沖擊地壓，或造成煤體強烈卸壓、釋放能量，把高應力帶移向煤體深部。集中爆破的藥量越多，誘發沖擊地壓的可能性越大。因為這樣在煤體中造成的動應力就大，動應力疊加在原來存于煤體中的靜應力上的總和越大，超過臨界應力值機會就愈多，就會誘發沖擊地壓。
    實施誘發爆破應按《煤礦安全規程》的有關規定施工。實施前必須采用鉆屑法確定沖擊危險地點，加固支架，掩護或撤出機械設備及電纜工具等。爆破時必須設專人警戒所有通往爆破地點的通道。躲炮半徑不得小于150m，躲炮時間30min以上。
    天池煤礦、門頭溝煤礦等都應用過誘發爆破。天池煤礦在采掘過程中，特別是回收煤柱時，始終堅持以爆破卸壓為主，誘發爆破為輔的措施。誘發爆破參數視具體情況而定。一般孔徑為 50mm～60mm，孔深6m～8m以上，每孔裝藥量2kg～3kg以上，孔間距2m～3m。炮泥封孔，填滿填實。瞬發雷管，同時引爆。門頭溝煤礦1980年開始試驗應用誘發爆破，其鉆孔布置方式在正規煤柱支撐法工作面為平行煤層走向或傾向布置，孔深為煤柱寬度的3/4。在非正規工作面如殘柱式回采，視煤柱尺寸進行布置，但孔深均不超過煤柱寬度的3/4。誘發爆破后要及時回采，不要停留過長時間(不超過一個月)，以防能量重新積聚，產生新的沖擊危險。
    誘發爆破應作為爆破卸壓的輔助手段，用于特殊情況下。其效果是有限的，不能保證按時誘發，有時一小時后才發生沖擊地壓。而且大藥量同時引爆，必然造成一定程度的破壞作用。所以要慎重行事，有限度地使用。
    2、爆破卸壓
    爆破卸壓是指對形成沖擊危險的煤體，用爆破方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。實施爆破卸壓應采取深孔爆破方法，孔深應達到支承壓力峰值區。裝藥位置越靠近峰值區，炸藥威力越大，爆破解除煤層應力的效果越好。該法適用于頂板比較完整的條件下或作為煤層注水時的輔助措施。
    爆破卸壓能同時局部解除沖擊地壓發生的強度條件和能量條件，即在有沖擊地壓危險的工作面卸壓和在近煤壁一定寬度的條帶內破壞煤的結構(但不落煤)，使它不能積聚彈性能或達不到威脅安全的程度。這樣在工作面前方形成一條卸壓保護帶，隔絕了工作空間處于煤層深處的高應力區。顯然，從防治沖擊地壓的角度看，應用盡量多的炸藥爆破出盡量寬的保護帶，但實際上要達到這個目的，目前技術條件還不夠。不過根據多年的觀測實踐證明，如果能保證在工作面前方和巷道兩幫始終保持一個寬5m～10m的保護帶，就能防止沖擊地壓的危害。
    可以采用爆破斷頂的方法進行爆破卸壓，即在待采煤層隔離煤柱一側的老采空區內，對采空區頂板內造成寬約6m、深約 6m～8m的斷溝，用以削弱采空區與待采區之間的頂板連續性、減小待采煤層開采時的應力集中，以消除沖擊地壓危害。
    爆破參數和施工工藝應按《沖擊地壓煤層安全開采暫行規定》確定。
爆破卸壓屬于內部爆破，主要物理作用是使煤層產生大量裂隙。試驗表明，爆破使炮孔周圍形成破碎區和裂隙區，破碎區遠小于裂隙區。徑向裂隙穿過切向裂隙，說明徑向裂隙擴展在前，切向裂隙形成在后。炸藥爆炸后，沖擊波首先使煤體破裂。繼之爆破產生氣體進一步使煤體破裂，在氣體壓力作用下，煤體沿徑向移動，形成切向拉應力，產生徑向拉破裂。隨著裂隙的擴展，氣體通過裂隙擴散到煤體中，與煤體產生熱交換。同時，氣體的體積增大，而溫度和壓力下降。當裂隙前端的應力強度因子小于斷裂韌性時，裂隙停止擴展。當壓力小于臨界值時，因原先受壓貯存于煤體中的彈性能釋放，使煤體向炮孔中心移動，在煤體中產生徑向拉伸作用，導致切向破裂。但徑向裂隙的擴展遠大于切向裂隙。造成煤層性質變化的主要因素是徑向裂隙。
    根據彈塑性理論，把采煤工作面簡化為平面應變的力學模型。以龍風煤礦采煤工作面為例的計算結果表明，爆破卸壓使煤壁前方的支承壓力重新分布，應力梯度變小，峰值壓力移往煤體深部7m以遠屈服區，比爆破前增大近一倍，能量密度明顯減小。
     綜上所述，爆破卸壓在煤體中產生大量裂隙，使煤體的力學性質發生變化，彈性模量減小，強度降低，彈性能減少，破壞了沖擊地壓發生的強度條件和能量條件。由于煤體內裂隙的長度和密度增加，按照失穩理論，還具有致穩作用和止裂作用，防止了沖擊地壓發生。
    實施爆破卸壓前必須先進行鉆屑法檢測，確認有沖擊危險時才進行爆破卸壓，爆破以后還要用鉆屑法檢查卸壓效果。如果在實施范圍內仍有高應力存在，則應進行第二次爆破，直至解除沖擊危險為止。
    為了安全生產，通過爆破卸壓在工作面前方和巷道兩幫形成一個有足夠寬度(大于3倍采高)的卸壓保護帶。所以，對巷道兩幫，爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度；對采煤工作面，爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度加上工作面進度。
    爆破孔的孔深取決于卸壓深度。由于孔深藥量多，為保證殉爆可用導爆索連接加強引爆，使藥卷能裝到孔底，可先把藥卷裝在軟管里或用非金屬材料綁扎后進行裝藥。爆破孔布置方式應根據具體條件確定。通常用煤電鉆打眼，孔徑50mm～55mm，孔間距4m～10m，每孔裝藥量按不超過孔深一半計算，一般為1.5k8～3.5kg。鉆孔不裝藥部分必須填滿水炮泥或黏土炮泥。躲炮距離100m～150m，躲炮時間30min～40min。
    門頭溝煤礦、龍鳳煤礦、天池煤礦等都成功地使用爆破卸壓方法，取得良好的效果。
    天池煤礦的爆破卸壓參數為：孔深4m～8m，孔間距3m～6m，孔徑50mm～55mm(用φ42mm鉆頭)，每孔裝藥量1.0kg～3.5kg,瞬發雷管引爆(6m以上深孔裝兩發雷管)，炮泥封孔。
    龍風煤礦進行爆破卸壓時，用普通煤電鉆打眼，φ42mm鉆頭。按垂直煤壁方式布孔。鉆孔傾向與工作面頂板線一致。孔深4m～６m，孔間距3m～5m。每孔裝藥量1.0kg～1.4kg，黃泥封孔，填滿填實。瞬發雷管起爆，在孔底藥卷中加一段煤礦安全型導爆索，每次起爆二孔(也可多孔起爆)。
    城子煤礦的-250m水平八層西大巷煤柱，由于采取爆破卸壓等措施得當，安全回收全部煤柱，沒有發生沖擊地壓事故。該煤柱在1971年曾回收過，由于沖擊地壓嚴重，并造成人員傷亡事故而被迫停采封閉。時隔近20年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱，再進行回收存在著沖擊地壓和垮頂的嚴重威脅，在回收過程中嚴格執行每循環都進行超前爆破卸壓的措施。開切眼掘進時就開始進行超前爆破卸壓，孔數3個～4個，孔深4m～5m。采煤工作面沿傾向方向每5m布置一個爆破卸壓孔，孔深為循環進度的3倍。每孔裝藥量3個～5個藥卷(0.5kg～1.0kg)。卸壓炮眼與工作面落煤炮眼同時起爆，取得較好效果。
    3、改變煤層的物理力學性能 
    改變煤層的物理力學性能主要有：高壓注水、放松動炮和鉆孔槽卸壓等方法。
    (1)高壓注水是通過注水，人為地在煤巖內部造成一系列的弱面，并使其軟化，以降低煤的強度和增加塑性變形量。注水后，煤的濕度平均增加1.0％～2.2％時，可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3％～14.5％。
    (2)放松動炮，是通過放炮人為地釋放煤體內部集中應力區積聚的能量。在采煤工作面中使用時，一般是在工作面沿走向打 4m～6m深的炮眼，進行松動爆破。它的作用是可以誘發沖擊地壓和在煤壁前方經常保持一個破碎保護帶，使最大支撐壓力轉入煤體深處，隨后即便發生沖擊地壓，對采煤工作面的成脅也大為降低。
    (3)鉆孔槽卸壓是用大直徑鉆孔或切割溝槽使煤體松動，以達到卸壓效果。卸載鉆孔的深度一般應穿過應力增高帶，在掘進石門揭開有沖擊危險的煤層時，應距煤層5m～8m處停止掘進，使鉆孔穿透煤層，進行卸壓。
    此外，還可依靠選擇最佳采煤方法、回采設備、開采參數和工作制度等方法，局部降低煤層邊緣的沖擊危險程度。例如，當開采有沖擊危險的單一煤層時，應采用直線式長壁工作面的前進式采煤方法，并在巷道側不留煤柱。對有沖擊危險的厚煤層，應采用傾斜分層長壁式采煤方法。上分層的開采厚度應當最小。
    開采有沖擊危險的煤層時，無論是在采煤工作面還是在掘進工作面中，都應采用支撐力大的可縮性金屬支架。
綜上所述可以認為，在現有技術水平下對沖擊地壓認真地進行測定和預報工作，并針對具體情況采取有效的防治措施，完全可以消除或大大減少沖擊地壓事故。