基于缺陷原理的冲击地压矿井合理开采设计

4.1　基于缺陷原理的冲击地压矿井合理开采设计

采用合理的开拓布置和开采方式，对防治冲击地压是至关重要的。国内外大量实践表明，多数矿井的冲击地压是由于不合理的开采技术条件造成的。不合理的开拓方式一经形成就难以改变，只能采取解危措施来治理冲击地压，这不但增加了防治成本，而且效果不很理想。因此，有冲击地压危险的矿井开采设计与一般条件下的煤层的开采设计不同，应以控制采掘空间围岩应力集中程度、在缺陷体内布置巷道与硐室为目标。

4.1.1　巷道布置原则

煤层边缘受到顶板运动作用，煤层发生破坏，属于破碎的缺陷介质，应力低。理论和实践表明，重力型(采动型)冲击地压一般发生在回采工作面或煤柱的应力集中区，其发生形式主要是巷道周围的煤体突然破坏并释放能量，从而给巷道造成严重破坏。因此，根据围岩缺陷分布规律，合理选择巷道位置也是降低冲击危险程度的主要途径之一。显然，将巷道布置在缺陷体内能够有效防治冲击地压的发生。

如图4-1所示，煤体边缘存在着处于破碎状态的低应力区，当巷道位于低应区或采用沿空送巷布置方式时，对煤体支承压力的影响较轻，所引起的围岩应力扰动和支承压力变化较小，巷道的掘进或存在不会导致冲击危险程度的明显上升。当巷道在高应力区掘进时，则会破坏煤体的极限平衡状态，容易诱发冲击地压，同时，也会大幅度降低煤体的支承能力，并引起围岩应力和支承压力的重大变化；巷道集中应力与采空区集中应力想叠加，增加了围岩应力和支承压力的集中程度。因此，集中应力和冲击倾向性构成了冲击地压的必要条件，高应力区巷道构成了冲击地压的充分条件。

1-未掘巷道；2-巷道处于低应力区；3-巷道处于高压力区

图4-1　巷道位置与支承压力分布

唐山矿11水平5287N区发生的32次冲击地压，有12次发生在回采前的高应力区域巷道维修中，3次发生在高应力区新掘巷道时，7次发生在受采动影响的巷道中。

4.1.2　工作面离开断层推进

对于落差较大的断层，由于切断了煤层上部关键的连续岩层，使得岩层运动发生了规律性的改变，不再保持传递力的联系，属于有灾缺陷，深部有灾缺陷控制难度大，需要从工作面布置上进行设计。

如果工作面平行推进，采动影响会使上覆岩层沿断层这一天然的滑动面发生整体运动，运动范围广、动能大，而且断层切割使支承压力很少传递到采空区侧向断块以外的煤体上，主要在工作面前方形成高应力集中区，两巷极易发生冲击地压。陶庄矿曾经在地垒构造上回采，发生一次严重的冲击地压，摧毁巷道70多米，并造成了伤亡事故。

因此，平行断层线推进的工作面是实施解危措施的重点区域。

离开断层推进时，断层煤柱上的应力集中在工作面推进初期比较小，随后逐渐增大，但断层破坏促进了开切眼附近顶板的冒落和沉降，集中应力随之趋向稳定。接近煤层掘进时，工作面应力集中逐渐增大。由于工作面后方覆岩悬空面积较大及集中应力不能向断层以外传递，当工作面逼近断层时，煤壁与断层间的应力集中较高；而且由于断层切割覆岩可能沿断面发生整体运动，使集中应力急剧上升。因此，离开断层推进的冲击危险小，不危及工作地点；接近断层推进的冲击危险大，直接危及工作地点。故一般应离开断层推进。

统计资料表明，工作面接近断层时，冲击地压的频度增加，强度加大。对龙凤矿冲击地压随机抽样(50例)表明，其中与断层有关的36例，占72%。有24次冲击地压发生在工作面接近断层时，7次发生于断层处，只有5次发生于工作面离开断层以后，而且，有34%(17次)的冲击地压发生于工作面接近断层5～20m的范围内。

4.1.3　采用适宜的采煤方法(冲击体成缺陷体)

各种采煤方法的巷道、采空区形状等不同，所产生的围岩应力集中程度和分布特征就不同。一般来说，短壁体系(房柱式、刀柱式、短壁水采等)采煤方法由于开掘的巷道多和在采空区遗留的煤柱多，顶板不能及时充分的冒落，不能形成连续的缺陷体，造成支承压力较高，在工作面前方掘进巷道势必受到叠加压力的影响，增加了危险性。水力采煤法虽然系统简单、高效，但回收率低，遗留的煤垛在采空区形成支撑，顶板不能及时、规律地冒落，又要经常在支承压力带开掘水道和枪眼，加之推进速度快、开采强度大，一次暴露顶板面积过大，会造成大面积悬顶，悬顶周围煤层没有形成缺陷体结构，所以不能解决冲击地压问题。相对而言，长壁式开采方法能使部分顶板冒落，形成缺陷体结构，有利于减小冲击地压的危险，但并不能避免冲击地压的发生。

4.1.4　采空区处理方法(形成无灾缺陷)

顶板管理应尽量采用全部跨落法。工作面支架要采用具体整体性和防护能力的可缩性支架。

我国冲击地压煤层的顶板大多为厚度较大的坚硬岩层，开采时不易冒落。由于顶板断裂时出现不均衡位移，容易引起支承压力分布的急剧改变，同时给煤层和顶板很大的加载速度，导致煤层和顶板接触面上产生很大的剪切应力，而且砂岩等致密岩层顶板都能悬垂很大的面积，可积聚大量变形能，因此，为了消除或减缓冲击地压发生条件，必须采取有力措施，把顶板悬垂面尽可能减小，使工作面和工作空间上方老顶具有最小的挠度。采用注水和爆破等方法，使顶板软化或冒落，人为制造缺陷体，能够减缓冲击地压强度。应避免刀柱法管理顶板，因顶板在刀柱支撑下悬而不冒，属于有灾缺陷，刀柱和工作面前方作用着很高的支承压力，而且邻近煤层(特别是下部煤层)开采时还会出现两层集中应力的进一步叠加。大面积悬顶和遗留煤柱对相邻工作面和邻近煤层开采构成了严重的冲击地压隐患，而且顶板的区域跨落会引起矿震。根据抚顺、阜新等煤矿冲击地压情况，伤亡事故主要由于冲击震动推倒或折断支架造成片帮和冒顶伤人。所以，有冲击危险的工作面必须采取特殊的支护形式，加强支护强度，提高支架的整体性和稳定性。