冲击地压防治关键理论与技术分析-姜福兴

　第４１卷第６期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４１　Ｎｏ􀆰６　　２０１３年６月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ　２０１３　冲击地压防治关键理论与技术分析姜福兴ꎬ魏全德ꎬ姚顺利ꎬ王存文ꎬ曲效成(北京科技大学土木与环境工程学院ꎬ北京　１０００１３)摘　要:基于５０多个煤矿的防冲实践总结ꎬ介绍了１３个冲击地压治理的关键理论和相关技术ꎬ并重点阐述冲击地压治理的成套体系中的开采前危险性评价、开采设计方案优化、开采前危险区的防冲预处理、开采过程中监测预警、开采过程中的危险区解危、解危效果检验、工作面安全管理、防治经验总结等８个重要环节ꎬ并提出在实践方面需要建立防冲的组织体系、技术体系、管理体系和闭环式的工作流程ꎬ且在技术方面需做到在冲击地压危险区进行“强卸压、强监测和强防护”的防冲技术ꎮ关键词:冲击地压ꎻ矿震ꎻ冲击地压防治理论ꎻ冲击地压防治技术ꎻ监测预警中图分类号:ＴＤ３２４　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１３)０６－０００６－０４ＫｅｙＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＭｉｎｅＰｒｅｓｓｕｒｅＢｕｍｐｉｎｇＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＪＩＡＮＧＦｕ￣ｘｉｎｇꎬＷＥＩＱｕａｎ￣ｄｅꎬＹＡＯＳｈｕｎ￣ｌｉꎬＷＡＮＧＣｕｎ￣ｗｅｎꎬＱＵＸｉａｏ￣ｃｈｅｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００８３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓａｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｉｎｏｖｅｒ５０ｍｉｎｅｓꎬｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｋｅｙｔｈｅｏｒｙｏｆ１３ｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔａｔｅｄｔｈｅｅｉｇｈｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｉｎｋｓｏｆｔｈｅｒｉｓｋｅｖａｌ￣ｕａｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎꎬｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｄｅｓｉｇｎｐｌａｎꎬｔｈｅｐｒｅ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｉｓｋｚｏｎｅｂｅｆｏｒｅｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎꎬｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓꎬｄａｎｇｅｒｒｅｌｉｅｖｉｎｇｏｆｔｈｅｒｉｓｋｚｏｎｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓꎬｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄａｎｇｅｒｒｅｌｉｅｖｉｎｇｅｆｆｅｃｔꎬｓａｆｅｔｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｓｅｔｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍꎬｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎬｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｔｏｂｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｆｒｏｍａｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓ.Ａｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｉｎｇꎬｅｎｈａｎｃｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｅｎｈａｎｃｅｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｄａｎｇｅｒｚｏｎｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇꎻｍｉｎｅｓｅｉｓｍｉｃꎻｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙꎻｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｐｒｅｖｅｎ￣ｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ收稿日期:２０１３－０２－１１ꎻ责任编辑:杨正凯基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１２７４０２２ꎬ５１１７４０１６)ꎻ国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目(２０１０ＣＢ２２６８０３)作者简介:姜福兴(１９６２—)ꎬ男ꎬ江苏常州人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｊｉａｎｇｆｕｘｉｎｇ１＠１６３􀆰ｃｏｍ引用格式:姜福兴ꎬ魏全德ꎬ姚顺利ꎬ等.冲击地压防治关键理论与技术分析[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１(６):６－９.０　引　　言　　根据２０１２年国家煤矿生产安全监察局组织的调研结果显示ꎬ截至２０１２年６月ꎬ我国发生冲击地压灾害的国有煤矿１４２个ꎬ主要分布在山东、河南、黑龙江、辽宁、甘肃、湖南、河北、新疆、江苏等省区ꎬ其中ꎬ山东省约占总数的１/３[１－４]ꎮ２０１１年以来ꎬ我国发生了重大冲击地压事故２０多起ꎬ造成２００多人伤亡ꎬ摧毁巷道数千米ꎬ严重影响了安全生产ꎬ随着开采深度的快速增加ꎬ冲击地压灾害呈现“矿井数量增长越来越快、灾害程度越来越严重”的不良局面[４－６]ꎮ总体来看ꎬ我国煤矿冲击地压灾害防治的水平和效果极不平衡ꎬ有些省份和企业已经建立了成套防冲技术和管理体系ꎬ冲击地压灾害基本达到了可控的状态ꎬ而有些省份和企业尽管发生严重的冲击地压灾害ꎬ但没有建立起有效的防控体系[７－１０]ꎮ按照煤矿冲击地压防冲现状ꎬ可以将煤矿分为３类:①第一类是冲击地压显现矿井ꎬ即曾经发生冲击灾６2013-06-2617:33姜福兴等:冲击地压防治关键理论与技术分析２０１３年第６期害、已经构建防冲体系、基本找到防冲方法的矿井(如山东能源集团华丰、古城等煤矿)ꎮ这类矿井防冲的重点为稳定产量的前提下ꎬ密切关注开采条件变化而引起的冲击地压危险的不确定性ꎮ②第二类是临界冲击矿井ꎬ即经常发生煤炮或小冲击、没有构建防冲体系、冲击机理不清、防冲重视程度不够的矿井ꎮ③第三类是老矿井与小矿井ꎬ即虽有冲击危险性ꎬ但由于经济条件和技术力量的限制ꎬ难以开展系统的治理工作ꎮ基于此ꎬ笔者根据我国煤矿冲击地压的发展现状ꎬ结合我国煤矿冲击地压理论技术等实际水平ꎬ分析了冲击地压防治关键理论与技术ꎬ以期达到有效防治冲击地压的目的ꎮ１　冲击地压防治的关键理论　　冲击地压防治难度大的重要原因是未从理论上全面揭示冲击地压发生的地层与开采结构特征、冲击地压发生机理模型、冲击地压治理机理模型、冲击地压监测预警模型和开采条件与防冲措施匹配模型ꎬ理论研究不足导致防治技术的盲目性ꎮ一种倾向是采用所有防冲措施ꎬ导致效率低下、成本增加ꎻ另一种倾向是不可治理论ꎬ不治理或简单应付ꎬ导致生产环境十分危险ꎮ综合近年来冲击地压防治理论的新进展ꎬ提出以下冲击地压防治关键理论ꎮ　　１)明确“矿震与冲击地压”的关系ꎮ尽管矿震与冲击地压的定义已经出现很长时间ꎬ但是ꎬ基于灾害控制的需要ꎬ正确区分“矿震与冲击地压”现象ꎬ是治理矿井动力灾害的前提ꎮ①矿震是指矿区范围内有震感的动力现象ꎬ引起矿震的４个主要原因为厚层坚硬岩层断裂与运动、构造活化、矿柱破裂和采动围岩大范围运动ꎻ②冲击地压是指采场与巷道周围的灾害性动力现象ꎻ③矿震与冲击地压的关系是矿震能够诱发冲击地压、强烈的冲击地压能够引起矿震ꎻ④微震是指采动引起岩体破坏时产生的动力现象ꎮ由上述定义可知ꎬ治理原发性矿震是很困难的ꎬ而治理“采场与巷道周围的灾害性动力现象”即冲击地压ꎬ是可实现的ꎮ正确区分灾害性质后ꎬ可以确定正确的开采设计、卸压措施和监测预警措施ꎮ　　２)采用“上覆岩层的空间结构理论”进行动力灾害区域预测ꎮ进入深部开采后ꎬ决定采场周围应力分布的采场上覆岩层范围ꎬ已经远超出了工作面直接顶和基本顶的范畴ꎬ需要采用“上覆岩层的空间结构理论”ꎬ研究相邻采场的影响、多层结构运动引起的多次冲击和矿震、采空区一次“见方”和多重“见方”等阶段引起的冲击地压等ꎮ　　３)采用“水平应力突变理论”预测矿震及其诱发型冲击地压ꎮ当顶板中存在坚硬厚岩层时ꎬ容易发生矿震及其诱发的冲击地压灾害ꎬ而这类灾害的预测是比较困难的[１１－１３]ꎮ基于厚层坚硬岩层中水平应力突变、水平应力超过岩层强度作为判据ꎬ可以估计矿震发生的位置ꎮ通过在兖矿集团南屯、鲍店等煤矿进行试验ꎬ具有较好的实用价值ꎮ矿震诱发冲击地压的主要原因是关键岩层中水平应力突变引起围岩中垂直应力突变ꎮ根据矿震诱发冲击地压的力学机理ꎬ可以对矿震发生的位置和强度进行预测ꎬ并圈定动力灾害危险区ꎬ采用关键部位断顶和在煤层中打大直径卸压孔等措施ꎬ防止“震—冲”型动力灾害的发生ꎮ　　４)采用“动—静应力场理论”进行工作面巷道的合理布置和评价冲击危险区ꎮ有些矿井是沿空巷道发生冲击地压ꎬ有些矿井是实体煤中的巷道发生冲击地压ꎬ有些矿井是沿空和实体煤巷道都发生冲击地压ꎬ其主要原因为如果沿空巷道处于相邻采空区运动着的岩层结构影响区ꎬ则该工作面开采扰动与该岩层结构运动叠加后ꎬ形成巨大的“交变动应力场”ꎬ从而引起冲击ꎬ因此ꎬ合理的巷道煤柱宽度(避开该动应力场)是防冲的关键参数ꎮ相邻采空区上方的高位岩层能够将地层压力传递到很远的侧向煤体上ꎬ而且该应力场几乎不随该工作面的开采而变化ꎬ因此ꎬ称之为“静应力场”ꎮ如果巷道开口位置的应力达到了冲击临界值ꎬ则在该区域中布置的巷道将存在冲击危险ꎮ由此可见ꎬ冲击地压煤矿区段煤柱宽度和工作面斜长决定了巷道的冲击危险性ꎮ对于两条巷道均发生冲击地压的最典型的布置参数为采深大于６００ｍꎬ区段煤柱宽度１０~２０ｍꎬ工作面斜长７０~１３０ｍꎬ煤层或顶板具有冲击倾向性ꎮ　　５)采用“构造应力与采动应力耦合理论”预测区域性动力灾害ꎮ大量动力灾害是与断层、褶曲和相变构造相关的ꎬ而且是由采动应力“触发”的ꎮ因此ꎬ地质探查是防冲的重要基础工作ꎮ　　６)采用“膨胀冲击理论”指导厚及特厚煤层防冲设计ꎮ在冲击地压治理领域ꎬ厚及特厚煤层、高瓦斯煤层和软煤层冲击地压评估和治理理论还处于起步阶段ꎬ大量观测表明ꎬ厚及特厚煤层破裂后ꎬ体积膨胀产生了“应力均化和应力集中”现象ꎬ这是造成７２０１３年第６期煤炭科学技术第４１卷大体积、大范围冲击的重要原因(如义马煤田冲击地压影响范围达到５００多ｍ)ꎮ根据研究ꎬ如果采用大直径钻孔煤层卸压ꎬ则厚及特厚煤层的卸压钻孔孔间距Ｄ＝πβΦ２/(４ｈΔε)ꎬ其中:β为塌孔程度系数ꎬβ≥１ꎻΦ为卸压孔直径ꎬｍꎻｈ为煤层厚度ꎬｍꎻΔε为煤层的有效卸压应变率ꎮ　　７)底板的“屈曲冲击理论”与防止底板冲击的卸压设计ꎮ底板冲击大致分为２大类:岩石底板的屈曲失稳冲击和厚底煤的剪胀型冲击ꎮ对应的防止底板冲击的卸压措施有２条:①提前切断底板ꎬ即缩小底板宽度ꎬ提前释放应力ꎻ②两帮深孔卸压ꎬ相当于扩大了底板宽度ꎬ增加底板的挠度ꎬ把冲击变形转化为柔性变形ꎮ断底和两帮深孔卸压参数及方式需要结合具体采深、煤厚、底板等情况进行专项设计ꎮ　　８)采用“应力三向化防冲理论”确定卸压孔的合理深度ꎮ通过煤帮深孔大直径钻孔卸压或小药量爆破卸压ꎬ将煤帮附近的高应力向深部转移ꎬ深部煤体处于三向应力状态ꎬ其三向抗压强度是煤帮附近单向状态的２~３倍ꎬ人为造成巷道围岩附近的低应力圈ꎬ实现围岩始终处于“低密度—低强度”状态ꎬ而其外围是三向应力状态煤体上的高应力区ꎮ这种防冲理论称为“应力三向化防冲理论”ꎬ结合煤体强度和厚度、采深ꎬ可以确定卸压孔的合理深度ꎮ　　９)采用“当量采深理论”判断煤柱型采场或煤柱本身的冲击危险性ꎮ近年来发生了多起埋深小于５００ｍ的煤层冲击地压事故ꎬ其中:断层煤柱、孤岛工作面、