平煤集团十二矿冲击型动力现象的成因初探与防治

关键词 冲击型动力现象成因初探防治

内容提要本文主要介绍了对平煤集团十二矿三水平回风下山掘进工作面冲击型动力现象的发生机理的初步认识及防治技术。通过对冲击型动力现象的发生机理进行探讨，从而采取针对性的防治措施，取得了明显的效果，为其它掘进工作面冲击型动力现象的防治提供了技术支持。

冲击型动力现象是指在巷道掘进过程中，承受高压的脆性煤体或岩体极限平衡遭到破坏，向自由空间突然释放能量的动力现象，是一种严重威胁煤矿安全生产的动力灾害，具有突发性和巨大的破坏性。

平煤集团十二矿目前的开采深度已经达到1100m，标高达到-775m，三水平回风下山施工至对应标高为-730m，垂深1100m位置时，发生了一次由冲击地压引起的岩石和煤与瓦斯动力现象，抛出大量的岩石和煤，涌出大量的瓦斯，并且造成巷道断面缩小，镏子发生位移。因此随着开采深度的增加，冲击地压已经严重影响我矿的安全生产，成为又一种新的自然灾害。

1、地质概况

己七三水平回风下山位于己七采区下部，南接二期回风下山下部，北至李口向斜轴部附近。该工作面设计长度2230m，标高－590m—-820m左右，垂深为890m-1200m左右，对应地面标高为180-370m。巷道布置在己15煤层之中，该工作面煤层赋存较稳定。正常煤层为原生结构煤，煤的破坏类型为II-III类，局部为Ⅳ类，煤层节理比较发育。煤层倾角在8-20°左右，平均12O。煤层顶板为深灰色砂质泥岩，底板为黑色泥岩，透气性较差，性脆，煤层干燥，塑性差，不利于瓦斯的释放。煤层瓦斯含量约18-25m3/t，掘进过程中绝对瓦斯涌出量约1.7－4m3/min。该面无大的构造分布。

2、冲击型动力现象的特征

2009年11月29日凌晨3点45分，当三水平回风下山施工到距开口940m时，发生了煤岩与瓦斯突出,突出瓦斯量1600m3，煤岩量80吨，抛出距离7.7m.。

本次动力现象有如下特征：

1）抛出煤岩体充填巷道总长度7.7m，其中前4m为全巷道堆积，后3.7m为半巷道堆积，突出总量约为80t；

2） 抛出物上部为一层破碎岩石块，无分选性，其内部有少量碎煤；

3） 从抛出的煤岩及堆积状态看，无瓦斯通道；

4） 抛出物表面及后部未见浮尘堆积；

5） 经观察，动力源主要来自巷道左侧，巷道右侧见煤壁外鼓0.24m；巷道顶板可见较大的向外冲击力影响而导致的梯形梁及钢筋网的明显变形，锚索锁头松动，直接顶板发生明显不均匀下沉，局部产生台阶错动；两帮梯字梁变形；底板溜子向巷道右帮偏移50，最大推移距离达到0.9m；

3、动力现象机理初步分析

从突出发生前瓦斯及突出危险性效果检验、突出发生过程、突出现场（无）风流痕迹、突出发生后瓦斯涌出量的变化，以及动力现象引起的巷道围岩变形破坏特征表明，本次动力现象不是一次普通的煤与瓦斯突出。

3.1 冲击特征分析

三水平回风下山掘进位置巷道埋深约1100m，巷道处于李口大向斜翼部下段，受构造应力影响严重，根据测算，该处巷道的原岩应力中垂直应力为σt=30MPa，最大水平应力大于σsmax=40MPa（图1）；考虑到巷道开挖后围岩应力重新分布引起的应力集中，巷道周边最大应力可超过80 MPa以上，围岩处于高应力状态。该煤层顶板为厚7.8m的较坚硬致密的砂质泥岩，同时，煤层干燥而呈性脆，巷道掘进过程中围岩可能达到或超过煤岩体的强度极限；脆性的巷道围岩具有冲击倾向性，高应力和硬脆的围岩必然满足冲击地压能量条件。

因此，可以认为，巷道开挖过程中，煤岩体处于极限应力状态。也就是说，该段巷道具有冲击危险性。

3.3 动力现象机理初步分析

为了探讨动力现象发生机理，可以将围岩系统视为顶板、底板、煤层组成的力学体系，其系统结构模型如图2。煤层中开掘的巷道可视为被顶底板夹持弹性体。从极限平衡的意义上来看，煤体夹持出现于高应力作用的掘进头，煤体夹持作用所产生的力学效应是：

——高应力、并在顶板岩层和煤层中储存（积累）有相当高的弹性能；

——高压带和弹性能积聚区位于巷道周边的应力集中带；

——顶底板岩体和煤层处于极限平衡状态；

——煤层系统失稳是由于顶板厚层弯曲断裂释放的弹性能引起。

上述四点表明，在煤体稍有扰动时，就可能导致煤体破裂。在动载荷作用下，煤体内部产生附加应力，并导致系统失稳；

煤体失稳形式主要决定于应力释放类型和强度；从冲击地压的角度分析，若应力大小足以酿成一次冲击地压，则被压缩的煤体将产生冲击式的加速破坏，此时，在煤体中原有的结构弱面处或新破裂面处的强度急剧下降，煤体作为一个内部具有一定程度破裂的整体，在冲击能的作用下，克服煤体与顶板的压剪作用力，煤岩体破坏并快速抛入巷道内。

除了高应力对掘进头产生的夹持压力外，若煤体中若存在较高的瓦斯压力，则瓦斯压力伴随煤体破裂而释放出的瓦斯能则会降低由夹持而发生失稳的临界；能量的叠加将使发生冲击和煤岩突出更加容易、强度会更大。

本次动力现象位置，具备很高的原岩应力，巷道顶板为较坚硬的厚层砂质泥岩，煤层干燥呈脆性；己15煤层瓦斯压力为2.85 MPa；因此，综合上述因素，认为：在高原岩应力作用下，煤岩系统积聚大量弹性能，处在掘进头处的煤体在顶底板岩层的夹持作用下，煤层中的高瓦斯压力使煤岩体三轴强度被消弱，具有高瓦斯压力的煤体，使夹持失稳极限值随之减小，另外，掘进头处，围岩应力状态的改变和抵抗能力的降低，使巷道围岩系统处于极限平衡状态，在爆破动载扰动力作用下，必然导致了本次煤与瓦斯动力现象。在这次动力现象中，可以明显看出，地应力和冲击地压因素起主导作用。

根据上述分析，综合冲击地压和瓦斯两种因素，可将本次动力现象定义为：高应力作用下，以冲击地压为主导，冲击地压和煤与瓦斯共同作用下的复杂矿井动力现象。我们也可将其称为：“冲击地压主导型煤与瓦斯突出”或“冲击主导型突出”，简单的也可以称为“冲击型突出”。

4、冲击型动力现象的防治

为了防治冲击地压带来的灾害，在现有条件下以卸压和改变巷道的应力状态为主。

4.1防治冲击地压的卸压措施

（1）巷道两帮卸压孔措施

巷道左帮每架施工两个卸压孔，一个孔与巷道施工方向夹角450，另一个孔与巷道施工方向夹角300，并且紧跟迎头；巷道右帮每架施工一个卸压孔，与巷道施工方向夹角450，同样紧跟迎头。卸压孔孔深10m，孔径89mm。左帮卸压孔布置：上一个孔开口孔距煤层顶板0.5m，下一个孔开口距煤层顶板1.0m；右帮卸压孔布置：开孔距煤层顶板0.5m。

（2）迎头深孔卸压（前探）钻孔措施：

为了防治迎头前方的冲击地压，同时起到前探孔的作用，进尺前在迎头施工一排3个钻孔，开孔位置为距煤层顶板0.5m。孔深30m，孔径89mm，保留10m超前距。

（3）迎头浅孔卸压孔措施

在打排放钻孔时，在迎头煤岩结合部，距煤层顶板0.2m处，施工一排4个钻孔，孔径89mm，孔深10m，孔间距1m，平行于煤层顶板，与巷道施工方向一致。

（4）高压磨射流割缝措施

有选择地对6个排放钻孔进行高压磨射流割缝，以加快卸压和瓦斯释放速度。在迎头施工完排放钻孔后，对上排的3号、5号孔、中排的12号、14号孔和下排的19号、21号孔实施高压磨射流割缝。超前距5m。

4.2防治冲击地压加强支护措施

（1）锚索由三花布置改为双排布置，滞后迎头距离由原来的5m变为3m，确保顶板支护及时。

（2）顶、底角锚杆严格按设计进行布置，并新配置斜角托盘，以加强顶、底角的支护强度。

（3）及时安装顶板离层仪，要求每天进行观测，看是否有异常情况发生。

5、结束语

通过对冲击型动力现象的成因进行初步分析，制订并采取了一系列针对性的措施，在以后的施工过程中，没有发生过一次动力现象。今后，己七三水平为我矿的主采工作面。随着开采深度的增加，煤层承受上部岩层的压力越来越大，煤层本身的应力越来越高，冲击地压的发生频率也会随之升高。与发生各种灾害的条件均有一定的临界值一样，每个发生冲击地压的矿井都存在着始发临界深度的问题，不同地质与开采条件的冲击地压其临界深度不同，我矿这次发生冲击型动力现象的标高为-730m，可以将这一标高作为我矿三水平掘进工作面发生冲击地压的临界深度。凡三水平-730m标高以下的掘进工作面不但要采取防突措施同时也要采取防冲击地压措施，防突与防冲击地压并重。在实际生产中我们也是这样做的，而且取得了明显的效果。

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