1、专题部分高瓦斯煤层冲击地压防治及应用 摘要：针对高瓦斯煤层冲击地压的现象及发生机理，研究了瓦斯煤层冲击的判别准则、预防措施、防止技术及防止方案。通过煤样浸水性试验和验证煤层注水的可行性，在五龙矿进行了煤层注水实验，并取得了良好地效果。关键词：高瓦斯煤层冲击地压，瓦斯煤层冲击地压发生理论，防治技术，防治方案0 引言 经现场调查发现，我国的瓦斯煤层冲击地压矿井已不在少数。如抚顺龙凤矿、阜新王营矿、开滦唐山矿、新汶华丰矿等一些瓦斯矿井都发生不同程度的煤层冲击地压。特别是在阜新五龙矿、王营矿、海州立井和抚顺老虎台矿，瓦斯煤层冲击地压经常发生。 目前对通常的冲击地压的发生机理已经有些基本认识，对其预测与
2、防治已形成一些基本的方法和技术。但是迄今为止很少见到对瓦斯煤层冲击地压发生机理、预测、防治进行系统专门的研究。 由于瓦斯对煤体性质的影响较大，瓦斯煤层冲击地压发生机理更加复杂，预测与防治更加困难，且冲击地压发生时伴有大量瓦斯涌出，易于造成其他安全事故。 虽然过去在一些瓦斯矿井发生过不同程度的煤层冲击地压，但是都没有考虑煤层含有瓦斯而直接沿用一般冲击地压的预测防治措施，也没有考虑煤层瓦斯含量大、压力高等条件，没有对瓦斯煤层冲击地压发生的机理、预测、防治进行专门的研究。所以，研究瓦斯煤层冲击地压发生机理和预测技术具有更重要的理论意义和应用价值。 现有的冲击地压预测与防治措施，绝大多数是针对媒体冲击
3、地压而进行的研究，没有考虑煤层中瓦斯在冲击地压发生中作用和对冲击地压预测、防治的影响。对于低瓦斯煤层，由于瓦斯含量低、压力小，可以忽略瓦斯的作用，视为无瓦斯煤层还是可以适用的。对于高瓦斯煤层冲击地压，冲击地压的研究比较少。 我国解放前及20世纪50年代建设的矿井开采已经接近或超过50年代建设已经接近或超过50年，进入深部开采，原来非瓦斯和低瓦斯煤层也将成为高瓦斯煤层，冲击地压也趋于严重。因此，瓦斯煤层冲击地压发生机理和预测防治技术的研究越来越被人们重视。1 国内外研究现状1.1国内现状 冲击地压的预测对及时采用区域采用区域性防范措施和局部性解危措施十分重要。冲击地压的预测包括时间、地点和规模三
4、个方面。 冲击地压预测技术，除了经验类比法外，大致可以分为两类。一类是以钻屑法为主的局部探测法。第二类是系统监测法，包括地音系统监测法和微震系统监测法，以及其他地球物理方法，如电磁辐射法、地温法、电磁法等。 钻屑法是一种应用最多且简便易行的煤层冲击地压检测方法。电磁辐射法是一种非接触式实时连续的冲击地压检测方法，目前我国正在逐步推广。其他一些方法，虽然在我国很少应用，但也能直接或间接反映煤层应力状况。 潘立友、谭云亮等从讨论声发射与岩石材料损伤关系出发，讨论了用声发射检测冲击地压的科学性。纪洪广等提出并建立了冲击地压预测的“开采扰动势”模型。 以上方法为冲击地压预测技术的普遍方法，瓦斯煤层冲击
5、地压技术尚需进一步研究。防治冲击地压是研究冲击地压的目的。防治技术的研究虽然开始很早，但绝大多数是针对具体矿井提出具体措施。 冲击地压的防治方法由冲击地压危险性评价方法和冲击地压的治理方法组成。冲击地压的治理方法可以分为长期治理和临时解危措施。长期治理方法是从煤层有冲击危险开始，在设计阶段就考虑治理问题。最大限度的使用开采解放层卸压，选择支护方式。临时解危措施有松散煤岩体的放炮方法、注水方法及卸压方法来破坏巷道周围煤岩体结构，形成缓冲带。 潘一山采用分形几何方法研究了煤体在受振后裂隙的变化规律和振动对煤体力学性质的影响，发现受振后煤体的抗压强度弹性模量和降模量降低，且受振时间越长或初应力水平越
6、高，振动对煤体力学性质的影响越明显。应用采煤工作面和巷道冲击地压的分析结果，从理论上证明了煤体受振后煤岩体的稳定性增加。 杨正华等对三河尖煤矿在西二采区的开采过程中发生的冲击地压情况，研究了煤层卸载爆破对防治冲击地压的效果。李志华等66对顶板爆破进行了系统有效的素质模拟分析。 关杰等采用数值模拟方法揭示了急倾斜煤层开采解放层的煤岩层应力场、变形场等物理的变化规律等解放范围以及解放程度。 李国宏通过对高压注水、震动爆破防治冲击地压措施存在问题的分析，提出了卸压钻孔技术，并在实际应用中证明了卸压钻孔技术能够弥补高压注水和震动爆破措施的缺陷。对不同类型的冲击地压采用不同防治方法。 通过改变应力场分布
7、和煤体性质防治煤体压缩型冲击地压。主要方法有开采解放层、采区合理布置、煤层注水、卸压爆破、大钻孔、卸压洞、卸压巷、机械振动方法致生岩体裂隙和大功率超声波方法。 通过改变顶板运动规律防治顶底板断裂型冲击地压，其主要为开采解放层、高压水射流钻孔割缝、留设煤柱。 对于断层错动型冲击地压，采用改变煤体性质和顶板活动规律等方法都不能解决问题，只有通过使开采不接近断层，或通过留设煤柱的办法，避免断层的移动，从而防治这种类型的冲击地压。 章梦涛在分析国内外矿井冲击地压的发生历史及现状的基础上，对冲击地压的预测、防治技术进行综合分析，指出使用电磁脉冲进行预测和水力钻孔割缝进行防治是今后的发展方向。 含瓦斯煤层
8、潜在瓦斯突出危险。为最大限度地降低瓦斯事故，我国的大部分矿井都实施了瓦斯抽风技术。煤层瓦斯抽放后，使大部分吸附瓦斯解吸，改变了煤体的物理力学性质，其结果是造成了冲击地压的发生条件，因此含瓦斯煤层冲击地压不断发生，且有增加的趋势。为防治含瓦斯煤层冲击地压的发生，目前最有效的方法就是煤层注水。我国1952年在大同、开滦矿务局开始采用落差对煤层进行注水。1965年抚顺煤炭科学研究总院、抚顺煤炭科学研究总院在北票矿压采用煤层注水防治瓦斯突出，先后进行了石门、巷道等部位煤层注水的实验研究，于1976年进行了全面的总结，自行研制了胶塞封孔和水泥封孔方法进行封孔。1980年后北京开采所和原阜新矿业学院在抚顺
9、龙凤矿、北京门头沟矿进行了煤层注水预防冲击地压的研究，初步确定了防治冲击地压的煤层注水工艺参数，进行了现场验证。1.2国外现状 现有资料显示，煤层注水首先使用的国家是苏联，为增加煤的含水率，减少扬尘，防治工作面作业人员矽肺病的发生，采用从地面接管线，依靠落差进行注水。在第二次大战后苏联将此方法列入煤炭安全作业规程。 1955年，苏联学者阿维耳申在其专著冲击地压中就已经提到注水可以预防冲击地压，并将其列为冲击地压的主要防治措施之一。为了提高注水率，缩短注水时间，将落差注水改为压力注水。苏联顿巴斯煤田在1946年大量采用煤层注水防治瓦斯突出。在20世纪50年代末，几乎所有发达国家均把煤层注水纳入煤
10、矿安全开采的有关手册中，苏联、波兰等国家在冲击地压煤层开采规程中分别制定了不同用途的专门的煤层注水技术规范。2 高瓦斯煤层冲击地压发生理论2.1高瓦斯煤层冲击地压现象 统计资料表明，在我国一些瓦斯矿井发生过不同程度的煤层冲击地压，如阜新五龙矿、抚顺龙凤矿、开滦唐山矿、新汶华丰矿、重庆砚石台矿等。特别是在阜新五龙矿、王营矿、海州立井和抚顺老虎台矿，瓦斯煤层冲击地压经常发生。 本节对阜新矿区有记载的冲击地压资料进行统计分析，研究瓦斯煤层冲击地压发生的原因，为进一步研究瓦斯煤层冲击地压发生机理及预测与防治技术奠定基础。 阜新矿处于辽宁省西部，辖区内的阜新矿区煤炭开采自1897年至今已有百年余历史，是
11、我国之昂要的煤炭生产基地。阜新矿区主要可采煤层赋存于白垩统沙海组3段及阜新组，共有10个煤层组。阜新煤田长130km，矿区面积为349.3km2。采煤涉及面积为600km2。建国后，阜新矿区生产煤炭已达5.2108t。 阜新矿区已经有近百年的开采历史，曾经在很长的时间内是我国几个最大的煤炭生产基地之一，号称煤都。目前浅部煤炭资源已经枯竭，五龙矿、王营矿、海州立矿，原来就是为开采阜新矿区深部煤层而建立或改建的。目前可采煤层深度都已达或超过800m，随着采深的增加，不仅是矿山压力增加，而且煤层瓦斯含量增加，瓦斯压力增大。21世纪初五龙矿等三个矿井先后经上级主管部门批复为高瓦斯矿井。现在开采及今后开
12、采的煤层均为高瓦斯煤层。 当采深小于500m时，五龙矿为低瓦斯矿井。1972年，发生首个冲击地压。由于当时煤层中瓦斯含量不高，冲击地压发生后，矿井大气中瓦斯浓度只是稍有增加。1988年后，开始发生冲击地压事故。王营矿、海州立井在20世纪八十年代均发生过冲击地压，但是频率不高、强度较低，曾采取了一般的冲击地压防治措施，冲击地压造成的后果不太严重。进入21世纪后，随采深的增加，首先的五龙矿开始连续发生高震级冲击地压，之后五营矿、海州立井冲击地压也多次发生，甚至发生了震级高的冲击地压，造成了事故和灾害。 五龙矿、王营矿、海州立井所发生的冲击地压均在高瓦斯煤层，属于高瓦斯煤层冲击地压。煤层中含有大量瓦
13、斯流体，瓦斯压力大，不能忽略。煤层变形，按太沙基原理及有效应力原理，已经不是只受围压所产生的应力所支配，而且由于煤层对瓦斯具有吸附作用，从而影响煤体变形性质。煤层冲击地压是煤受载荷失稳破坏发生的，与所受载荷和煤的物理力学性质有关，也就是说煤层中瓦斯对煤层受载及物理力学性质等均有影响，也就必然对冲击地压发生产生影响。下面以五龙矿为例： 五龙矿位于阜新西南10km处，阜新煤田中部，地理坐标为经度121038、10、，维度41057、55、。井田边界：东起二号桥东侧保护煤柱线，西至F2段，北起-100m标高，南至-780m标高和各煤层可采边界线，平均走向2.615km，倾斜长4.5km，面积11.7
14、675km2。井田开拓方式：立井多水平分区式开采。 井田内的煤属中灰、特低硫的长焰煤，-515m以下有一部分气煤。均为优质动力煤。现在采取域南至带岩墙及可采边界线，北至-365m水平以下，西至平安二号断层，东至二带岩墙。 煤系地层：侏罗纪上统（沙海组-为薄煤层状粉砂岩、泥岩，阜新组-含水泉、孙家湾、中间、太平、高德五个煤层群）、白垩系下统（孙家湾组为区内含煤地质的盖层。主要为粉砂岩、泥岩、砂砾岩及中粗砾砂岩，厚约400m500m）、第四系（冲击沉积岩为白莹土、亚沙土，冲击砂砾面层）。 煤层发育趋势呈北厚南薄，西厚东薄。富煤带位于王营一高德向斜一带，向斜轴部煤层较厚，轴南急剧分叉，变薄，变厚，尖
15、灭。煤层为单斜构造，走向为N3578。E,倾向S1255，倾角524，平均12。 井田共有七个断层，由西向东依次为平安二号、三号、四号、五号、六号断层。平安二号为井田境界，三、四、五号断层在-365水平以上已尖灭。断层产状见表2-1。表2-1 五龙矿断层产状表名称性质走向倾向落差/m平安二号正N30 40W50 6020 170平安三号正N0 40W55 600 200平安四号正N25 40W55 650 60平安五号正N0 15W55 610 100平安六号正N5 10W55 60510 第三纪玄武岩的侵入对井田煤层破坏严重。主要的侵入岩体有三组：第一组为岩墙，其中三带产生的为NE向支墙；第二组为NEE向岩墙，该组岩墙在煤层中产生次生床；第三组为深部岩床。岩浆岩产状见表2-2。 依据辽煤安字2004103号文件批复，五龙矿定为高瓦斯矿井。瓦斯相对涌出量28.64m3/t,绝对瓦斯涌出量95.3m3/min,瓦斯等级：高级；煤尘爆炸指数为41.73%；自然发火期3个月。瓦斯抽放方法包括老塘埋管、钻孔抽放、尾巷抽放。抽放设备有SK-85型三台（抽放量85m3/m
