陳四樓礦2.4 Mta新井設計含5張CAD圖.zip,陳四樓礦2.4,Mta新井設計含5張CAD圖,陳四樓礦,2.4,Mta,設計,CAD 礦井沖擊礦壓的預測和防治技術 摘要：沖擊礦壓是礦山井巷或采場周圍礦體或圍巖由于變形能的釋放而產生的突然、急 劇、猛烈的破壞為特征的礦山壓力動力現(xiàn)象。本文針對礦井的沖擊礦壓現(xiàn)象提出集中預測 方式和防治技術，建立健全了沖擊地壓災害預測防治體系,為保證深部煤層安全開采奠定了 基礎。 關鍵詞：沖擊礦壓 預測預報 防治技術 引言 沖擊礦壓是威脅煤礦安全生產的嚴重災害之一, 沖擊礦壓現(xiàn)象是一種以急烈, 猛烈破 壞為特征的礦山壓力的動力現(xiàn)象, 常伴有很大的聲響, 巖體震動和沖擊波, 在一定范圍內 可以感到地震; 有時向采空空間拋出大量的碎煤或巖塊, 形成很多煤塵; 有時還釋放出大 量的瓦斯, 常導致巷道支架遭到破壞, 設備移動和空間被堵塞。輕微的沖擊礦壓俗稱放煤 炮。沖擊礦壓具有以下特點: 一般沒有明顯的宏觀前兆, 難于事先準確確定發(fā)生的時間、 地點和強度; 發(fā)生過程短; ! 破壞性很大。隨著煤層開采深度的增加, 這種現(xiàn)象愈來愈多。 發(fā)生沖擊地壓時, 井下巷道、工作面受到突然的強大的沖擊力量, 開始巷道發(fā)出咔咔聲, 緊 接著, 伴隨著強烈的風暴, 吹垮支架, 破壞了通風系統(tǒng), 造成人員傷亡, 對采區(qū)和礦井造成 嚴重破壞。 沖擊礦壓是世界范圍內煤礦礦井中最嚴重的自然災害之一。這種動力災害通 常是在煤巖力學系統(tǒng)達到極限強度時,聚集在煤巖體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形 式釋放,在井巷發(fā)生爆炸性事故,造成煤巖體振動和破壞,動力將煤巖體拋向巷道,同時發(fā)出 強烈聲響,造成支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞、人員傷亡等。自最早發(fā)生在英國南斯塔福 煤礦以來,沖擊礦壓已有 200 多年的歷史,其危害幾乎遍布世界各采礦國家。目前,我國北京、 遼源、大同、開灤、徐州、撫順、大屯等不少煤礦都發(fā)生過沖擊礦壓。且沖擊礦壓發(fā)生條 件極為復雜,除褐煤以外的其他各種煤層均發(fā)生過沖擊礦壓。采深從 200～1 000 m,地質構 造從簡單到復雜,煤層由薄到特厚,傾角由水平到急斜,頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母巖等,都發(fā) 生過沖擊礦壓;在生產技術條件上,不論水采、炮采、機采或是綜采,全部跨落法或水力充填 等各種采煤工藝,還是長壁、短壁,巷柱、傾斜分層、水平分層、倒臺階、房柱式等各種采 煤方法都出現(xiàn)過沖擊礦壓。因此,研究沖擊礦壓預報預測與防治技術,具有重要的現(xiàn)實意義。 1.國內外沖擊礦壓的現(xiàn)狀 1.1 國內沖擊礦壓現(xiàn)狀 我國最早記錄的沖擊礦壓現(xiàn)象于 1933 年發(fā)生在撫順勝利煤礦．當時的開采深度為 200m 左右。從 1949 年以來，已發(fā)生破壞性沖擊礦壓 4000 多次，震級從 0.5~3.8 級，造成 大量巷道破壞和慘重的人員傷亡。近年來，我國一些金屬礦山、水電與鐵路隧道工程也出 現(xiàn)廠巖爆現(xiàn)象。除了褐煤煤層外，我國煤礦的其他各種 煤層均發(fā)生過沖擊礦壓，而且采深從 200~1000m，、煤層厚度從薄到厚．煤層傾角從緩到 急，各種頂板條件如沙巖、頁巖、石灰?guī)r等均發(fā)今過沖擊礦壓。我國煤礦發(fā)生沖擊壓的典 型條件為：初始深度 200~600m，煤的單向抗壓強度 10~30MPa，頂板一般為厚 10~40 m 的 堅硬砂巖，強度 100~600 MPa。我國沖擊礦壓發(fā)生的條件極為復雜。從自然地質條件來看， 除褐煤以外的各煤種都記錄到了沖擊現(xiàn)象，采深從 200~800 m，地質構造從極簡單至極復 雜，煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁巖等都發(fā)牛過； 從生產技術條件來看，水采、水砂充填、綜采、炮采、機采、手采等各種工藝，長壁、短 壁、巷柱、傾斜分層、水平分層、倒臺階、房柱式等各種方法都出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象。 1949年以前我國發(fā)生沖擊礦壓的礦井只有1~2個，50年代增加為7個，60年代為12個， 70年代為22個，目前達50個。而隨著開采深度的增加、開采范圍的擴大，近年來雖然采取 了不少措施，但全國礦井數(shù)和總的沖擊次數(shù)并未減少?？梢?，我國沖擊礦壓的防治工作任 務甚為艱巨，具有現(xiàn)實的迫切性和長遠的重大意義。 1.2 國外沖擊礦壓的研究現(xiàn)狀 沖擊礦壓是世界采礦業(yè)面臨的共同問題。1738 年英國在世界上首先報道了沖擊礦壓現(xiàn) 象。之后，前蘇聯(lián)、南非、德國、波蘭、美國、加拿大、日本、法國、印度、捷克、匈牙 利、保加利亞、奧地利、新西蘭和安哥拉等都記錄了沖擊礦壓。目前，有包括我國在內的 20 多個國家和地區(qū)都有沖擊礦壓，這一事實表明，世界上幾乎所有采礦國家都不同程度地 受到?jīng)_擊礦壓的威脅。煤礦沖擊礦壓災害最嚴重而且防治工作最有成效的國家是前蘇聯(lián)、 波蘭和德國。 1.2.1 前蘇聯(lián) 前蘇聯(lián)的沖擊礦壓最早于 1947 年發(fā)生在古謝羅夫礦區(qū)此后共有 9 個礦區(qū)出現(xiàn)了沖擊 礦壓問題。發(fā)生沖擊礦壓的一般條件是：初始深度為 400~1860 m，煤厚 0.5~20m，在各種 傾角、各個煤種(包括褐煤)中都記錄到?jīng)_擊礦壓現(xiàn)象：多數(shù)情況下頂板為堅硬砂巖．也有 一些煤田是破碎頂板。開采技術條件涉及到刀柱式或長壁式等開采方法；充填或垮落等頂 板管理方法；整層或分層開采情況。 自 1951 年起，全蘇地質力學及礦山測量研究院以及其他研究單位和高等院校等幾十 個單位配合國家技術監(jiān)察部門與生產單位—起著手解決煤礦的沖擊礦壓問題。經(jīng)過 25 年 的努力，基本上形成了一整套防治沖擊礦壓的組織管理系統(tǒng)、并制定了有關技術規(guī)程，發(fā) 展并逐步完善了—整套行之有效的防治措施和預報方法．取得了良好效果，沖擊次數(shù)大為 減少。1955~1977 年沖擊危險礦井數(shù)由 8 個增至 36 個．而年沖擊次數(shù)則由 83 次降至 7 次， 1980 年以后又降至 5~6 次。在前蘇聯(lián)金屬礦，沖擊礦壓的頻度比煤礦要小得多，其主要形 式為巖石彈射、震動和微沖擊，主要發(fā)生在北烏拉爾鋁土礦等 20 余個礦山。開始出現(xiàn)的 深度為 300~700 m．主要巖石種類為輝綠巖、正長巖、花崗巖、凝灰?guī)r以及鐵礦石、鋁土 礦石、銅礦付、鉀鹽礦石等，平均單向抗壓強度 100~250 MPa，最低 25~30 MPa。前蘇聯(lián) 金屬礦防治沖擊礦壓的基本措施原則上同煤礦的沒有差別。 1.2.2 波蘭 波蘭有三個井工開采煤田：上西里西亞、下西里西亞和魯布林。產量的 98%來自上 西里西亞煤田。該煤田中煤的強度為 10~35MPa，煤厚 0.5~20 m (般 1.5~3.5m)，傾角 0°~45°(一般 5°~15°)，平均采深 600m，頂板大都為堅硬砂巖。長壁工作面產量占 99%，其 中 70%為垮落法開采，其余為水砂允填。工作面平均長 150m，日產 1300~1400t 商品煤。 機械化程度 96.2%，其中綜采占 83.7%。 沖擊礦壓是波蘭煤礦重大災害之一，最早記載于 l958 年。目前開采的 400 號、500 號、 600 號、700 號和 800 號煤層組中 45%以上的煤層有沖擊礦壓傾向，其中 500 號煤層組最 為嚴重。開始發(fā)生沖擊礦壓災害的平均采深約為 400 m，隨著采深的增加，沖擊礦壓危險 越來越嚴重。沖擊礦壓強度一般為 105~109J，最大是 1011J。l949~1982 年，共發(fā)生破壞性 沖擊礦壓 3097 次，造成死亡 401 人，并巷破壞 13 萬 m。 波蘭很重視沖擊礦壓問題，早在 20 世紀 60 年代初期就著手大力開展科學研究和防治 工作。煤層的沖擊傾向實驗室測定和井下測定是波蘭學者首先倡導并大力發(fā)展的。此外， 在將巖體聲學以及地震法用于礦山?jīng)_擊危險探測和監(jiān)測方面、居世界領先地位。由于采取 綜合防治措施，保證了安全、促進了生產。 1.2.3 德國 魯爾礦區(qū)是德國的主要產煤區(qū)，也是發(fā)生沖擊礦壓的主要礦區(qū)。1910~1978 年間共記載了 危害性沖擊礦壓 283 次，有沖擊傾向或危險的煤層 20 余個，其中底克班克、陽光和依達 煤層具有最強的沖擊傾向，其抗壓強度 l0~20 MPa，煤種為長焰煤、氣煤和肥煤等。沖擊 礦壓發(fā)生深度 590~1100 m，其中 850~1000 m 沖擊礦壓數(shù)占 75%左右，最大拋出量 2000m3。 發(fā)生沖擊礦壓的煤厚為 1~6m，其中主要為 1.5~2m，傾角 4°~44°。 在德國，產生沖擊礦壓的煤層頂板絕大部分是 5~40 m 較厚的砂巖或其他堅硬巖層， 因而，認為砂巖頂板是沖擊礦壓危險煤層的主要標志。德國是防治沖擊礦壓較有成效的國 家，其主要的工作點在于實用。由德國所發(fā)展的鉆孔卸載法、鉆屑法以及其他方法在國際 上享有較高聲譽。 2.沖擊礦壓 2.1 沖擊礦壓的分類 根據(jù)國內外的分類方法，沖擊礦壓可分為由采礦活動引起的采礦型沖擊礦壓和由構造 活動引起的構造型沖擊礦壓。而采礦型沖擊礦壓可分為壓力型、沖擊型和沖擊壓力型。壓 力型沖擊礦壓是由于巷道周圍煤體中的的壓力由亞穩(wěn)態(tài)增至極限值，其聚集的能量突然釋 放。沖擊型沖擊礦壓是由于煤層頂?shù)装搴駧r層突然破斷或位移引發(fā)的，它與震動脈沖地點 有關，而與事故地點無關。在某種程度上，構造型沖擊礦壓也是沖擊型的。沖擊壓力型沖 擊礦壓則介于上述兩者之間，當煤 層受較大壓力時，在來自周圍巖體內不大的沖擊脈沖作用下發(fā)生的沖擊礦壓。 2.2 沖擊礦壓發(fā)生的機理 圖2-1 沖擊礦壓詳細分類圖 沖擊礦壓發(fā)生的原因是多方面的，但總的來說可以分為三類，即自然地質因素、開采 技術條件和組織管理措施。沖擊礦壓的發(fā)生需要滿足能量條件、剛度條件和沖擊傾向條件。 這些條件可以用煤層和頂?shù)装宓膭偠葋碚f明。 1）當煤層和頂?shù)装宓膭偠染笥诹?，煤巖體穩(wěn)定。 2）當煤層剛度小于零，但煤層和頂?shù)装宓膭偠戎痛笥诨虻扔诹?，煤巖體亞穩(wěn)定或 靜態(tài)破壞。 3）當煤層和頂?shù)装鍎偠戎托∮诹?，煤巖體強烈破壞，發(fā)生沖擊礦壓。煤礦中，煤 層，底板，頂板構成一個平衡系統(tǒng)。其中頂?shù)装宓膹姸染让簩哟?，而且煤層是開采對象， 故在壓力作用下，煤體容易遭受破壞，如果是穩(wěn)定破壞，則表現(xiàn)為煤柱的變形、巷道壓縮 等，如果是非穩(wěn)定、突然破壞，則表現(xiàn)為沖擊礦壓或突出。系統(tǒng)結構模型如圖 2-2 所示。 2.2.1 強度理論 強度理論以“礦體——圍巖”系統(tǒng)為研究對象, 考慮了系統(tǒng)的極限平衡,認為沖擊礦壓 發(fā)生的應力條件是: n ?i=1s i 3 1 R 式中 σ i ——包括自重應力、構造應力、由于開采引起的附加應力、煤體與圍巖交界處的應力 和其它條件(如瓦斯、水和溫度等)引起的應力; R ——煤體與圍巖系統(tǒng)強度。 建立沖擊礦壓力學模型如圖2-2 所示。 圖2-2 系統(tǒng)結構模型 設頂板質量為 m1, 剛度為 K, 煤的質量為 m2, 煤柱中的力是位移和時間的函數(shù) , 即 P2=f(u2,t),則上覆巖層作用在頂部上的力和煤柱中所受力分別為: P2 = f (u2 , t) P1 = m1 2 d u 1 dt 2 + K (u1 + u2 ) 式中 u1——頂板的位移; u2——煤柱的位移 系統(tǒng)平衡時,P1=P2,即: 假設頂板位移為零,煤柱中的位移增加了Δ u2,則: ' f (u2' ,t) + K 3 0 根據(jù)式(1)~式(4)得頂板——煤層——底板系統(tǒng)平衡方程式為: ' f (u2' ,t) + K 3 0 d u 當煤層和頂?shù)装宓膭偠染笥诹銜r,則煤巖體處于穩(wěn)定狀態(tài);當煤層的剛度小于零,但煤 層和頂?shù)装宓膭偠戎痛笥诨虻扔诹?則煤巖體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)或靜態(tài) 破壞狀態(tài);當煤層和頂?shù)装宓膭偠戎托∮诹銜r,煤巖體將產生劇烈破壞,發(fā)生沖擊礦壓。 2 2 若頂板來壓,頂板加速度為 烈。 dt 2 煤層更容易處于不定狀態(tài),更易發(fā)生沖擊礦壓,且強度更猛 如果煤巖體本身強度大于其所受的應力,即應力處于巖體強度曲線ABC這一側,則煤巖體是 穩(wěn)定的(見圖2-3),此一般淺部開采時不易發(fā)生沖擊礦壓現(xiàn)象。 圖2-3 煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài) 20世紀70年代末,強度理論得到進一步發(fā)展,具有代表性的是夾持煤理論,認為煤體處于頂 底板“夾持”之中,夾持特性決定了煤巖體系統(tǒng)的力學特性。在煤體夾持帶所產生的力學效 應是:應力高、并儲存有相當高的彈性能。只要高應力突然加大或系統(tǒng)阻力突然減小,煤體 可產生突然破壞和運動拋向已采空間則形成沖擊礦壓( 見圖2-4) 2.2.2 能量理論 圖2-4 夾持煤體產生高側壓示意圖 20 世紀 50 年代末期前蘇聯(lián)學者 c.T.阿維爾申以及 20 世紀 60 年代末期中期英國學者庫克 等人提出:“礦體——圍巖”系統(tǒng)在其力學平衡狀態(tài)遭到破壞所釋放的能量大于所消耗的能 量時發(fā)生沖擊礦壓。發(fā)生沖擊礦壓的條件是: a d uE 1. b d uE dt dt 3 1 d up dt d u E 式中： dt ——分別是圍巖系統(tǒng)、煤體內的能量釋放速度; d u p dt  ——克服圍巖邊界阻力和煤體破壞時吸收能量的速度; α , β ——分別為圍巖系統(tǒng)、煤體內能量釋放的有效系數(shù)。 當煤柱遭到破壞時,強度突然下降,雖然頂板具有剛度變化率 df (uZ , t) < 0 duZ 而且兩者之和小于零,即: K + df (uZ , t) < 0 duZ 煤巖體釋放的能量為: u = u - u = 1 ( de ) 2 (K + df (u , t)) 2 t s p  2 di  du 2 若頂板來壓,頂板加速度為, 則煤巖體釋放能量為: 1 de df (u 2 , t ) 1 du u = ( ) 2 (K + ) + m ( 1 ) 2 t 2 di du 2 2 1 dt 發(fā)生沖擊礦壓時,破碎巖體將以較大速度 vmin 拋出,vmin 是發(fā)生沖擊礦壓的必要條件,只有 破碎巖體初始速度 du 2 > vmin dt 會發(fā)生沖擊礦壓。 破碎煤巖體的動能為: 2 U = 1 r ( du )2 K 2 dt 式中 ρ ——破碎煤巖體的平均密度 研究表明:當破碎煤巖體的初始速度 du 2 dt  3 10m / s 肯定發(fā)生沖擊礦壓。若取ρ = 2 . 5 31 0 3k g / m 3, 則發(fā)生沖擊礦壓最小動能為 Ukmin=1.253105J/m3。 2.2.3 沖擊傾向性理論 波蘭和前蘇聯(lián)學者提出了沖擊傾向性理論。我國學者在這方面做了大量的工作,提出用 煤樣的動態(tài)破壞時間(Dt)、彈性能指數(shù)(WET)以及沖擊能量指數(shù)(KE)三項指標綜合判別煤 的沖擊傾向的實驗方法。 沖擊能指數(shù) KE——在單軸壓縮狀態(tài)下,煤樣全“應力——應變”曲線峰值 C 前所積聚 的變形能 Es 與峰值后所消耗的變形能 Ex 之比值。如圖 2-5 所示: 圖2-5 軟硬煤的應力應變曲線 由圖可知:煤越軟,煤巖變形越大,CD 段越長,CDFQ 圍成的面積越大,Es/Ex 越小,沖擊能 指數(shù) KE 越小,如曲線 1;反之煤硬脆性越好,煤巖變形越小,CD 段越短,CDFQ 圍成的面積越 小,Es/Ex 越大,沖擊能指數(shù) KE 越大,如曲線 2,從而說明煤的脆性越好,發(fā)生沖擊礦壓的可能性 越大。 彈性能指數(shù) KET——煤樣在單軸壓縮條件下破壞前所積蓄的變形能與產生塑性變形 消耗的能量的比值, 如圖 2-6 所示 1.卸載曲線 2.加載曲線 Φ sp.彈性應變能 Φ st.塑性應變能 圖2-6 彈性指數(shù)WET計算圖 顯然,積蓄的能量愈多而消耗的能量越少,則發(fā)生沖擊礦壓的可能性越大。 (3)動態(tài)破壞時間 Dt——煤樣在常規(guī)單軸壓縮實驗條件下,從極限載荷到完全破壞所經(jīng)歷 的時間,如圖 2-7 所示: 圖2-7 動態(tài)破壞時間曲線 實踐表明:當 KE 和 WET 兩個沖擊傾向指標大于某個值時,就會發(fā)生沖擊礦壓,這一理論稱為 沖擊傾向性理論。至今煤炭部門還在沿用這一指標(見表 2-1),并制定了標準。 表2-1 煤的沖擊傾向鑒定指標 目前,我國沖擊礦壓災害已經(jīng)波及大部分礦區(qū),其中部分深部開采礦井的沖擊礦壓災害 已經(jīng)達到嚴重影響安全生產的程度。由于沖擊礦壓發(fā)生的原因和條件的復雜性和多樣性, 對沖擊礦壓的研究目前尚未建立比較符合實際的沖擊礦壓發(fā)生及破壞過程的理論。強度理 論解釋了沖擊礦壓的一些現(xiàn)象,具有簡單直觀和便于應用的特點,但缺乏充分的理論依據(jù),對 沖擊礦壓動力學特征的描述還不夠;能量理論可以解釋一些現(xiàn)象,但它把巖體看成純彈性的, 不符合沖擊礦壓使煤巖體破壞的事實;沖擊傾向性理論只考慮了巖石的性質,只能提供沖擊 礦壓發(fā)生的一個必要條件,以此理論來判斷沖擊礦壓發(fā)生與否是片面的。為此,我們既要加 強對發(fā)生機理的研究和創(chuàng)新,還要對沖擊礦壓所在礦區(qū)進行地應力場、煤圍巖體中原巖應力 測量與數(shù)值計算方法的研究,針對煤礦采場地質開采條件復雜多變和不斷推進的特點,為工 程現(xiàn)場找到簡單易行的方法, 把沖擊礦壓預測和防治建立在科學基礎之上。 3.沖擊礦壓的預測預報 3.1 鉆屑法監(jiān)測 3.1.1 實施方法 采用手持式煤電鉆或風動鉆機、φ 40 mm 套節(jié)麻花釬子配φ 43 mm 鉆頭打眼, 孔深應 達到應力峰值區(qū)，一般為 3.5 倍采高或巷道高度，鉆孔布置在巷高或采高的中部，方向垂 直巷幫或有不大于 5°仰角。自第 2 m 開始每米收集 1 次煤粉,用彈簧秤稱出鉆出煤粉重量 并做記錄。 3.1.2 沖擊危險指標 每個采區(qū)采掘前先測定該區(qū)域的正常鉆孔煤粉量。正常煤粉量在支承壓力影響帶范圍 以外測得。測定煤層正常鉆孔數(shù)不少于 5 孔，并取各孔煤粉量的平均值。參照判別工作地 點沖擊危險性的鉆粉率指標規(guī)定，制定出鉆屑量臨界指標。當實際煤粉量超過表 3-1 中的 臨界煤粉量，或者在鉆進過程中出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、異響、煤炮增多等動力現(xiàn)象，則可判定 所測地點存在沖擊危險。 表3-1 煤粉量危險指標 3.1.3 監(jiān)測地點與時間 （1）采煤工作面：工作面上下順槽兩幫，孔距 10～30 m，超前支撐應力影響范圍； 工作面孔距 10～15 m，全面監(jiān)測，重點區(qū)域重點監(jiān)測。 （2）掘進工作面：按斷面計算每 10 m2 個孔，巷道兩幫覆蓋應力集中區(qū)域。 一個孔，嚴重沖擊時，可加密至每 5 m2 一 （3）監(jiān)測時間：一般情況下采掘工作面順槽兩幫間隔時間 3～4 d，采煤工作面間隔 時間為 3 個循環(huán)。掘進工作面根據(jù)循環(huán)進尺，保證掘進進度處于監(jiān)測范圍。 3.2 電磁輻射監(jiān)測 3.2.1 監(jiān)測方法 采用 KBD5 型電磁輻射監(jiān)測儀對采掘工作面內沖擊危險區(qū)域進行多點動態(tài)跟蹤監(jiān)測， 每個測點監(jiān)測時間 2 min，平行頂板朝向待測煤體，有效監(jiān)測范圍為 7～22 m。具有沖擊危 險的采煤工作面在上下順槽超前工作面 100 m 范圍內布置監(jiān)測點，間距 10 m，定點觀測， 隨工作面的推進，固定點不變，不斷向外增補測點。 3.2.2 沖擊危險指標 徐州福安科技有限公司分析張雙樓煤礦連續(xù) 3 個月電磁輻射數(shù)據(jù)，出具電磁輻射數(shù)據(jù) 處理報告。張雙樓煤礦根據(jù)沖擊地壓發(fā)生前的煤體應力分布變化規(guī)律和特征及福安科技有 限公司出具的電磁輻射數(shù)據(jù)處理報告，用以下兩種方式判斷沖擊危險：①臨界值法。如果 監(jiān)測數(shù)據(jù)超過數(shù)據(jù)處理報告得出的臨界值，則認為該區(qū)域存在沖擊危險。②動態(tài)趨勢法。 如果監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有超過臨界值，但出現(xiàn)以下情況時，也認為具有沖擊危險：電磁輻射強度 值或脈沖數(shù)隨時間呈現(xiàn)增長趨勢；電磁輻射強度值或脈沖數(shù)先隨時間呈增長趨勢，而后突 然降低，之后又呈增長趨勢。 3.3 微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測 3.3.1 微震信號類型分析 （1） 遠震信號 在井田范圍以外的其他區(qū)域發(fā)生的震動信號為遠震信號。微震監(jiān)測系統(tǒng)時常會收到遠 震信號，但這類震動信號無法做定位分析，并提示為井田外圍。遠震信號的特點是 11 個 監(jiān)測臺站均能接收到信號，臺站彼此初動時差小，振幅小，延時時間長，衰減時間長。典 型遠震信號見圖 3-1。 （2）頂板斷裂信號 圖3-1.典型遠震信號波形圖 在工作面回采過程中，采空區(qū)老塘懸露頂板隨著回采逐步加大，應力隨之增大，頂板 出現(xiàn)微破裂直至斷裂，微震監(jiān)測系統(tǒng)就會記錄下頻繁的震動事件，從數(shù)據(jù)回放可以看出， 信號波峰峰值延續(xù)時間長，衰減較慢，尾波較發(fā)育。典型頂板斷裂信號見圖 3-2。 （3） 爆破信號 圖3-2 典型頂板斷裂信號波形圖 煤礦生產中爆破是最常見的工序之一，爆破所形成的震動事件有 3 ～ 5 個臺站收， 一次爆破炸藥量在 12 ～18kg，接收到震動信號能量一般在 2000 ～ 3000J，采集到的震動 信號初動至峰值躍變快，同時衰減快，尾波不發(fā)育。典型爆破信號見圖 3-3。 圖3-3 典型爆破信號波形圖 （4）沖擊礦壓信號 堅硬頂板在高應力作用下，發(fā)生變形破壞和破斷，釋放大量彈性能，造成頂板型沖擊 礦壓。沖擊產生的震動信號特點在于其振幅較大( 釋放能量大) ，信號持續(xù)時間短，衰減 較慢，尾波較發(fā)育。從沖擊信號波形可見 P 波初動方向均為上。典型沖擊信號見圖 3-4。 圖3-4 典型沖擊信號波形圖 3.3.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)在回采工作面的應用 （1）工作面自然情況 三河尖煤礦 72204 綜采工作面位于南二采區(qū)東翼，是該翼的第二個回采工作面，該面 煤層為二疊系山西組 7 層煤，煤層厚度 2． 0 ～ 3． 6m( 平均 3． 0m) 。產狀: 傾向為 328° ; 傾角 18°。其下方的 72202 工作面已回采結束。該面直接頂為 0 ～ 3m 的砂泥 巖，老頂為 10． 2m 厚的中砂巖。由于古河流沖刷，切眼向外近 90m 直接頂板為 10． 2m 厚的堅硬中砂巖，自 2010 年 2 月 8 日開始回采，老塘一直懸頂，直至 3 月 29 日凌晨垮 落斷裂。 （2）工作面推進情況 2010 年 3 月份 72204 工作面推進趨勢見圖 3-5。 （3）頂板垮落情況 圖3-5 工作面日推進趨勢圖 3 月 12 日，工作面推進至材料道 17．0m、運輸?shù)?14m 時，4 ～ 8 架棚老塘掉落 0．3m 厚一層破碎偽頂。3 月 1 9 日，工作面推進至材料道 2 9 ． 6 m ，運輸?shù)?26． 9m 時， 2 ～ 15 架棚老塘掉落 1m 厚左右破碎直接頂。3 月 20 日，2 ～ 15 架棚老塘掉落厚度 逐步加大到 1． 5～ 2． 0m，之后隨著工作面推進，自 15 架棚向上每天有 2 架左右頂板 垮落，至 3 月 29 日早班工作面推進至材料道 56． 4m，運輸?shù)?51． 8m 時，1 ～ 29 架 棚老塘掉落 2 ～ 3m 厚直接頂，而 3 0 架棚向上老塘頂板只有局部掉落 0 ． 4 ～1． 2m 厚破碎頂板。3 月 29 日 3 時 34 分/4 時 38 分兩個時段，工作面懸頂分時分段垮落，垮 落時產生較大粉塵，距面 450m 處材料道的反向風門被吹開，且有變形。從第一次垮落至 第二次垮落粉塵未完全降下去，第二次垮落后約 1 個小時后，粉塵基本降下。經(jīng)查看: 1 ～ 33 架棚后老塘已掉嚴; 34～ 37 架棚后懸 1 ～ 2m; 38 ～ 46 架棚后 8 ～ 13m 掉 0． 6 ～1． 2m; 57 ～ 67 架棚后 15m 左右頂板彎曲下沉; 68 ～ 73 架棚后有大塊矸石 掉落，懸 5 ～ 15m; 74 ～ 80 架棚懸 2 ～ 4m;運輸?shù)览咸翍翼敱幻奥漤肥涮?，運輸?shù)?向上 10 3 15m 老塘懸頂?shù)?2． 5m 左右厚; 材料道沿空留巷墻體向下 203 30m 老塘懸 頂?shù)?1． 5m 左右厚。45 ～ 50 架斷層處由于支架未前拉，且支架支護狀況不好，使該 處支架前移 0． 6m，溜子擠壓抬起 0． 2m。3 月 30 ～ 31 日部分彎曲下沉的直接頂逐 步垮落，1 ～80 架直接頂基本掉落充實老塘。 （4）微震信號分析 3 月份微震系統(tǒng)非正常采集時段: 3 月 15 日南二七煤絞車房 5 號臺站，絞車供電系 統(tǒng)改造停電 1 天; 3 月 17 日－ 980 組裝硐室 6 號臺站，開窩施工供電改造停電 8h; 3 月 27 日 17: 45 ～ 28 日 10: 20 由于微震監(jiān)測系統(tǒng)上位機系統(tǒng)原因，保存一長跨時無效數(shù)據(jù)， 影響近 17h，其余時段微震監(jiān)測系統(tǒng)能正常采集震動事件。圖 3-6 為 72204 工作面震動能 量和次數(shù)分布趨勢圖。剔除微震系統(tǒng)非正常采集時段影響因素，通過圖 3-7 和圖 3-8 分析 可知，72204 工作面震動事件的能量和次數(shù)與工作面回采、老塘頂板懸露與垮落具有偶合 關系。 圖3-6 工作面震動能量和次數(shù)分布趨勢圖 圖3-7 震動能量和次數(shù)分布趨勢圖 （5）震動事件定位圖 由于定位波速設定與實際波速有誤差，定位結果在圖上顯示出現(xiàn)一定偏差，定位實 際是集中在工作面推進范圍內，通過對震動定位日報表的分析，能夠看出震源點基本是集 中在工作面推進位置后的老塘側，工作面前方震源點較少，說明直接頂、老頂在老塘側活 動頻繁，而未出現(xiàn)老頂在工作面超前位置斷裂的情況。 3.4 地音監(jiān)測法 圖3-8 3.4.1 地音監(jiān)測法介紹 煤巖體失穩(wěn)或應力集中導致其破壞，發(fā)生能量突然釋放。在采礦工程中，通常將煤巖 體的聲發(fā)射稱為地音，是煤巖體破裂釋放的能量以彈性波形式向外傳遞過程中所產生的聲 學效應［2］。瞬時能量釋放產生的彈性波在煤巖體中傳播，由能量釋放源頭傳播到煤巖體 邊緣，該過程被作為地音現(xiàn)象記錄下來。沿裂縫發(fā)生的煤巖體微破裂、破裂及錯位是導致 地音現(xiàn)象發(fā)生的主要形式。地音監(jiān)測就是應用監(jiān)測網(wǎng)絡對某一區(qū)域進行實時監(jiān)測，其監(jiān)測 區(qū)域一般集中在主要生產空間( 主要包括回采工作面和掘進工作面) 。通過提供統(tǒng)計單位 時間監(jiān)測區(qū)域內地音事件的頻度、能率、頻率、延時等一系列地音參量，找出地音活動規(guī) 律，以此來判斷監(jiān)測區(qū)域的煤巖體受力狀態(tài)和破壞程度，評價煤巖體的穩(wěn)定性，預測預報 沖擊礦壓、煤與瓦斯突出、頂板活動與頂板來壓的時刻、來壓強度與位置，以指導煤礦安 全生產［3－4］。根據(jù)此原理，采用煤巖體的地音監(jiān)測方法可以對沖擊礦壓等動力災害的 危險性進行評價并對其進行預測預報。 3.4.2 ARES－5 /E 地音監(jiān)測系統(tǒng)簡介 ARES－5 /E 地音監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測礦井主要采動影響區(qū)域內發(fā)生的煤巖體微觀 破裂現(xiàn)象( 即地音事件) 。系統(tǒng)的主要功能是通過對采煤工作面、掘進工作面小范圍內的 煤巖體狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，獲取連續(xù)的地音數(shù)據(jù); 在對地音數(shù)據(jù)和實際情況進行綜合分析 的基礎上，對監(jiān)測區(qū)域的沖擊礦壓危險性做出及時評價，為在危險區(qū)域采取預防措施、減 少及降低事故危險程度提供了寶貴時間。圖 3-9 為 ARES－5 /E 地音監(jiān)測系統(tǒng)的結構。 圖3-9 ARES－5 /E 地音監(jiān)測系統(tǒng)結構 3.4.3 地音事件加權平均能量值分析方法 （1） 理論基礎 在工作面采動過程中，采動影響區(qū)域內應力分布情況發(fā)生變化，形成局部應力集中。 在應力集中區(qū)內，煤巖體經(jīng)歷“彈性變形－塑性變形－塑性破壞”的演變過程。此時，煤 巖體的破壞過程有 3 種演化可能: 第 1 種: 煤巖體破壞持續(xù)時間較長、過程比較平穩(wěn)，地音事件較多、釋放的總能量多， 但事件平均能量較小，其內部積聚的能量得到釋放，這種破壞過程很可能不會導致微震事 件或沖擊現(xiàn)象發(fā)生。 第 2 種: 地音事件在短時間內集中發(fā)生，事件數(shù)量、能量瞬時增多，煤巖體內積聚的 能量大量釋放，但并沒能實現(xiàn)充分釋放，達到解危的效果，最終很可能只在局部發(fā)生低能 量級別的微震事件。 第 3 種: 地音事件數(shù)量少、平均能量大，但釋放的總能量較少，煤巖體內積聚的能量 得不到釋放，經(jīng)歷短暫的靜默期后，則極有可能發(fā)生大的微震事件甚至沖擊現(xiàn)象。 對比以上 3 種情況可知，地音事件數(shù)量和釋放總能量的瞬間增多，往往不是煤巖體發(fā) 生微震事件或沖擊現(xiàn)象的前兆性信息，因此，簡單研究二者的變化規(guī)律，不能對潛在的沖 擊危險進行有效判斷;事件平均能量值的異常變化，可以更加直觀地反應出煤巖體的破壞情 況，對于預測礦井的沖擊礦壓危險更具有實際意義。地音數(shù)據(jù)后處理分析法正是以研究小 時事件加權平均能量值的變化規(guī)律為手段，達到有效預測礦井沖擊礦壓危險的目的。 （2）分析步驟 1.調取 ARES－5 /E 地音監(jiān)測系統(tǒng)各通道的原始分鐘統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并結合現(xiàn)場實際噪音 情況對其進行降噪處理。ARES－5 /E 地音監(jiān)測系統(tǒng)主要接收高頻率、低能級的微破裂事 件，監(jiān)測區(qū)域內的外部噪音往往會對真實數(shù)據(jù)造成干擾，在分析前需根據(jù)現(xiàn)場的實際情況 盡力剔除。 在降噪處理的基礎上，統(tǒng)計數(shù)據(jù)更接近于現(xiàn)場實際情況，計算出每小時的事件加權平 均能量值，作為該小時的計算結果。 3.將計算出的事件平均能量值按照時間順序繪制成曲線圖，同時將監(jiān)測區(qū)域內發(fā)生的 微震事件、動壓顯現(xiàn)、沖擊礦壓等現(xiàn)象，按照發(fā)生時間標注在曲線圖的相應位置。 4.分析事件加權平均能量值變化趨勢與沖擊現(xiàn)象、微震事件和動壓顯現(xiàn)之間的內在關 系。沖擊現(xiàn)象、微震事件和動壓顯現(xiàn)等現(xiàn)象從本質上來說，都是煤巖體內能量釋放的形式， 同時又都具有各自的特點，不同事件發(fā)生前的前兆性信息也有所不同。因此，在統(tǒng)計分析 時，需要分別研究不同事件發(fā)生前，事件加權平均能量值的變化趨勢，作為后續(xù)研究的重 要參考依據(jù)。 3.5 卸壓槽礦壓觀測 3.5.1 觀測站設置及觀測儀器布置 根據(jù)研究需要，在卸壓槽中每隔 50m 設一個觀測站。觀測站的規(guī)格尺寸為：長3寬 3深=1.5 m30.3 m31.0m，其兩壁與槽底用混凝土抹平，上口中間處固定槽鋼以便測量用， 卸壓槽觀測站布置示意圖如圖 3-10 所示。 圖3-10 卸壓槽觀測站結構示意圖 根據(jù)需要工作面配備三套測試儀器，兩套使用、一套備用。當工作面開采到距測站100m 時開始安裝儀器。安裝方法是在每個卸壓槽觀測站一端布置水平位移測量儀一臺，另一端 水平布置壓力測量儀一臺，在槽鋼下部布置垂直位移測量儀一臺。水平位移計和壓力監(jiān)測 儀必須水平布置、垂直卸壓槽壁并固定牢靠；垂直位移計必須垂直布置，同樣須固定牢靠。 儀器布置如圖3-11所示。 3.5.2 卸壓槽礦壓觀測 圖3-11 觀測站儀器布置示意圖 在每個測站距工作面 100m 處安設水平位移測試儀、垂直位移測試儀和壓力測試儀， 并記錄儀器初始讀數(shù)，然后每天在每個生產班配專人定時進行數(shù)據(jù)采集。通常情況下，在 工作面開采至距測站 50m 時儀器開始顯示數(shù)據(jù)，但水平位移量和垂直位移量均很??；壓 力值基本沒有太大的變化，始終處于正常壓力范圍。部分位移觀測值如表 3-2 所示。 表3-2 水平位移、垂直位移觀測記錄表 4.沖擊礦壓防治技術分析 對沖擊礦壓的防治主要從防御措施、主動解危、檢測和組織管理措施四個方面進行。 4. 1 防御措施 (1)礦井合理開采設計。實踐表明,多數(shù)礦井的沖擊礦壓是由于不合理的開采技術條件 所造成的。在巖體中存在構造應力情況下,主要開拓或準備巷道的方向最好與構造應力作用 方向一致,以使巷道周邊應力分布趨于均勻,避免巷道與構造應力 作用方向垂直分布,出現(xiàn)應力集中。對于開采煤層群時的開拓布置應有利于保護層開采, 要首先開采能夠卸壓的煤層,而且沒有煤的沖擊傾向性或弱沖擊傾向性,并以此作為保護層, 且優(yōu)先開采上保護層,在開采方向和回采順序上,采區(qū)或盤區(qū)的工作面應朝一個方向推進,避 免相向或背向開采,以杜絕應力疊加。在向斜和背斜構造區(qū),應從軸部開始開采;在構造盆地 應從盆底開始開采,開采順序由上而下; 在有斷層或采空區(qū)的條件下,應從斷層或采空區(qū)開始開采;在掘進巷道時,應將巷道布置 在煤層邊緣的低應力區(qū),避免巷道近距離平行布置或交叉布置。采區(qū)或盤區(qū)的采面應朝一個 方向推進,避免相向開采,以免應力疊加。頂板管理應采用全部跨落法,工作面支架要采用具 有整體性和防護能力的可縮性支架。 開采保護層。對于保護層與被保護層的開采安排應遵循以下原則①開采煤層時將無沖 擊礦壓的煤層作為保護層; ②在傾斜賦存條件下,上保護層開采后,同區(qū)段的危險煤體都得 到保護,其工作面可以滯后推進;下保護層開采后超前一個區(qū)段,以使本區(qū)段的危險煤體全部 得到保護,本區(qū)段危險層工作面滯后于下區(qū)段保護層工作面推進; ③危險工作面于保護層 工作面應同向推進,危險層工作面保持滯后距離 30～60 m。滯后距離過小,上下工作面相互 影響,支承壓力疊加;滯后距離過大則容易進入應力恢復區(qū)的還原帶,降低保護效果; ④當相 鄰層都是沖擊危險煤層時,應當首先開采危險性最小或厚度最小的煤層。 4.2 主動解危措施 4.2.1 瓦斯抽放 瓦斯預抽措施是在采區(qū)投產前,在煤巖巷道布置鉆場、鉆孔,向煤層打鉆抽放瓦斯,從而 降低煤體的瓦斯壓力。瓦斯抽放的基本方法 采用專用設備和管路把煤層中的瓦斯抽放出 來的方法叫作瓦斯抽放。瓦斯抽放是防治煤與瓦斯突出，減少煤層瓦斯含量，減少采區(qū)瓦 斯涌出量，防治采掘過程中瓦斯超限的有效方法，是治理瓦斯的核心，是消滅瓦斯事故， 確保煤礦安全生產的根本措施。 瓦斯抽放方法可以分為五類：(1)開采層瓦斯抽放；(2)鄰 近層瓦斯抽放；(3)采空區(qū)瓦斯抽放；(4)圍巖瓦斯抽放；(5) 綜合抽放瓦斯。其中綜合抽放 瓦斯方法是前四類方法中兩種或兩種以上方法的配合使用。 選擇抽放瓦斯的方法時應遵 循如下的原則： 1．選擇的抽放瓦斯方法應適合煤層賦存狀況、開采巷道布置、地質條件 和開采技術條件； 2．抽放方法的選取以瓦斯來源及涌出構成為依據(jù)，如果瓦斯涌出量主 要來自開采層，則應采用開采層抽放，在開采煤層群時，鄰近層的瓦斯涌出量占有很大比 例且威脅工作面的安全生產時，則應采用鄰近層瓦斯抽放，當工作面后方采空區(qū)瓦斯涌出 量較大且威脅工作面安全生產時，則應采用老空區(qū)抽放。對于瓦斯瓦斯較高的煤層，巷道 掘進時，瓦斯涌出量很大，難以用加大風量的辦法稀釋，可采用掘前大面積預抽或邊掘邊 抽。若圍巖瓦斯涌出量大，或者溶洞、裂隙帶儲存有高壓瓦斯并有噴出危險時，應采取圍 巖瓦斯抽放措施。 3．盡可能采用綜合抽放瓦斯方法，以提高抽放瓦斯效果； 4．有利于 減少井巷工程量，實現(xiàn)抽放巷道與開采巷道的結合；有利于抽放巷道的布置與維護； 5．有 利于提高瓦斯抽放效果，降低抽放成本； 6．有利于鉆場、鉆孔的施工、抽放系統(tǒng)管網(wǎng)敷 設，有利于增加抽放鉆孔的瓦斯抽放時間。 4.2.2 卸壓爆破 在采面及上下面巷道,振動爆破能最大限度地釋放聚集在煤體中的彈性能,在采 面附近及巷道兩幫形成卸壓破壞區(qū),使壓力升高區(qū)向煤體深部轉移。 （1）施工方法 采用風動鉆機（煤電鉆）、麻花鉆桿配合φ 43mm 鉆頭施工炮眼。炮眼布置在煤層內， 垂直于煤壁，深度 8~10 m，迎頭炮眼間距不小于 0.6 m，巷幫間距 5~15 m，炮眼距底板約 0.6~1.0 m，如圖 4-1 所示。每次引爆 4~5 個卸壓孔,以提高卸壓效果。 （2）爆破參數(shù) 采用正向爆破，使用煤礦許用乳化炸藥，每孔裝藥 1.5~3 kg、雷管 2~4 發(fā)，采用黃泥、 水炮泥封孔，封孔長度不小于 1 m，孔內、孔間串聯(lián)方式，長腳線連線引爆，每次裝藥炮 孔必須一次連線起爆，放炮器采用 MFB- 200 型放炮器。 4.2.3 高壓注水卸壓 圖4-1 卸壓爆破及煤粉鉆檢孔布置示意圖 （1）煤層注水是在采掘工作前，對煤層進行壓力注水。注水一般是在已掘好的回 采巷道或臨近的巷道內進行。目的是通過壓力水的物理化學作用，改變煤的物理力學性質， 降低煤層沖擊傾向性。 實施煤體高壓注水卸壓，即從改變煤體的物理機械特性入手，對 煤體進行高壓注水達到卸壓的目的。壓力水進入煤體后沿弱面流動，起到壓裂和沖刷作用， 以及水對裂隙尖端的楔入作用(水楔作用)，使煤體擴大了原由裂隙，產生了新的裂隙，破 壞了煤體的整體性，降低了強度。它不僅能消除或減緩沖擊地壓威脅，還可起到消塵、降 溫、改善勞動條件的作用。 煤體注水過程一般都是開始階段泵壓持續(xù)上升，當上升到一定值后( 10-20MPa 左右)， 突然下降( 5-10MPa )，并相對穩(wěn)定在某個泵壓上，這表明煤體被壓裂，裂隙開始擴展。泵 壓最初上升到的最高值稱破裂壓力。 水合某些含陽離子的溶液具有降低煤巖顆粒間表面能的能力。對于煤體中的一些軟弱 結構面水起著潤滑劑的作用，使煤體的抗剪強度降低。實驗室的浸水試驗表明，壓力飽水 煤樣以剪切形式破壞為主，而沒有浸水的自然狀態(tài)煤樣，則以劈裂破壞形式為主。 水對煤巖體內的某些礦物有溶解作用，礦物溶解后形成裂隙，壓力水又可沿裂隙楔入， 形成新的裂隙，循環(huán)往復，使煤巖強度降低。此外，煤和某些軟巖吸水后會膨脹，崩解。 吸水量越多，體積膨脹量越大，表面變形量顯著增加。這種膨脹力是作為一種附加應力作 用于煤巖體上的，使其變形以至破壞。 煤層壓力注水后，經(jīng)過水力壓裂和長時間的濕潤作用，煤體性質發(fā)生了變化，沖擊傾 向性降低，而且起到消塵、降溫和改善勞動條件的作用。 當煤層較厚，煤質堅硬或煤層頂板較堅硬時，可通過鉆孔向煤層或頂板注壓力水，使 堅硬的煤層或頂板改變其物理力學性質，成為可垮落煤層或頂板。 壓力水對煤層或頂板主要有壓裂與軟化兩方面的作用，壓裂作用包括使煤巖體增加裂 隙，擴展裂縫，使層理分離，減小縫隙間粘結力等。煤層通過鉆孔高壓注水使煤體裂縫增 加，可使煤體濕潤，開采時減少煤塵量。 （2）煤層注水方式 1.煤層注水方式是指鉆孔的長度，位置和方向的概念，一般為長孔、短孔、深孔和 巷道注水等四種注水方式。其中長孔，深孔、巷道注水適合高壓注水。 長孔注水的優(yōu)缺點及適用條件： 優(yōu)點： ① 一個鉆孔能濕潤較大區(qū)域的煤體 ② 注水時間長，濕潤均勻 ③ 預注水時，注水與生產無干擾 ④ 經(jīng)濟 缺點： ① 打鉆技術復雜 ② 對地質條件的變化適應性差，易穿頂?shù)装?，不僅難以達到設計長度，而且還影響正常 注水。 ③ 封孔較復雜 適用條件：長孔注水是最先進的注水方式，選擇時應優(yōu)先考慮，特別是回采強度大(如綜機 采煤時)和地質條件好的中厚和厚煤層更宜采用長孔，但在地質條件變化大的煤層，本方式 受到較大的限制。 深孔注水的優(yōu)缺點： 優(yōu)點： ①具有短孔注水的很多優(yōu)點 ②更能適應圍巖的吸水膨脹性質 ③ 較“短孔”鉆孔少，濕潤范圍大而均勻 缺點： ① 因壓力要求高，故設備，技術復雜 ② 較“長孔”鉆數(shù)量大，封孔工序也較頻繁巷道注水優(yōu)缺點及適用條件。 優(yōu)點： ① 鉆孔少，濕潤范圍大 ② 濕潤效果較好 缺點： ① 巖石鉆孔量大 ② 不夠經(jīng)濟 ③ 有時因鄰近層巷道損壞而影響注水工作的正常進行。 適用條件： 采用巷道鉆孔注水的條件是在注水煤層的上、下部有現(xiàn)成的巷道，其它條件適宜時。 2 .注水方式選擇 ① 選擇原則 注水工藝簡單，使用設備、人工盡可能少，濕潤效果能達到預期目的，有利于推廣使用。 ② 選擇依據(jù) 確定煤層注水方式主要根據(jù)煤層厚度、傾角、煤體硬度、透水性、用巖性質、井巷布置、 采煤方法、工作面推進度、作業(yè)方式、注水方式與巖層注水壓力的關系選擇。 （3）施工方法 施工注水鉆孔，注水孔直徑不小于 42 mm。注水時，依次在每一個鉆孔放入能自行注 水注水槍，封孔器在破裂帶以外。注水系統(tǒng)安裝高壓低流量注水泵，注水壓力 6～12 MPa， 要緩慢加壓，每次增壓 0.2 MPa，每次增壓 20 min，逐步增加到規(guī)定壓力。每孔流量控制 在 1.5 m3 /h。 （4）注水孔布置 注水孔垂直煤壁，布置在采高的中部或巷道斷面中心，避免穿過斷層帶及破碎帶。深 孔注水孔深為待注水煤體長度的 2／3 以上；短孔注水孔深為 3.5 倍采高加預定推進度。 注水孔距：煤體透水性較好取 20 m、較差取 10 m，特殊地點的注水孔布置根據(jù)現(xiàn)場實際 情況在措施中明確規(guī)定。 4.2.4 大直徑鉆孔卸壓 （1）鉆孔卸壓的原理 鉆孔卸壓是利用鉆孔方法消除或減緩沖擊地壓危險的解危措施。此法基于施工鉆屑法 鉆孔時產生的鉆孔沖擊現(xiàn)象。鉆進愈接近高應力帶，由于煤體積聚能量愈多，鉆孔沖擊頻 度越高，強度也越大。鉆孔可以起到破裂和軟化煤體的作用。當在煤體內進行卸壓鉆進時， 在鉆孔周圍的高應力作用下，其鉆出的煤粉量較平常有很大的增加，因此每一個鉆孔周圍 形成一個比鉆孔直徑大得多的破碎區(qū)，當這些破碎區(qū)互相連通后，便能使巖體鉆進剖面全 部破裂，支承壓力均衡，向圍巖深部轉移，起到卸壓作用。煤層支承壓力峰值部位鉆孔的 破裂和卸壓作用如圖 4-2 所示。鉆孔卸壓的實質是利用高應力條件下，煤層中積聚的彈性 能來破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險。 圖4-2 在煤層中鉆孔的卸壓作用 2）施工方法 采用風動或液壓鉆機鉆孔，打卸壓孔之前，先施工煤粉監(jiān)測孔，以查清壓力帶的范圍、 狀態(tài)和危險程度。卸壓孔施工完之后，再利用鉆屑法進行效果檢驗。煤層卸壓鉆孔直徑 100~300 mm，孔深應達到高應力區(qū)，一般孔深在 10~15 m。 （3）鉆孔布置 鉆孔垂直于煤壁、平行于頂板，在采高中部或斷面的中心位置?？组g距：回采工作面上或 巷道兩幫孔距 5~10 m；掘進工作面每 10~12 m2 措施規(guī)定。 （4）鉆孔卸壓的應用 斷面一個孔，方向要和煤壁平行或符合 鉆孔卸壓作為防治沖擊地壓的積極措施，正逐漸得到普遍應用。卸壓鉆孔的布置方 式如圖 4-3 所示。經(jīng)驗表明，在多數(shù)情況下煤層鉆孔是防治沖擊地壓的有效方法。 圖4-3 卸壓鉆孔布置方式 鉆孔卸壓在德國等國家被認為是最為實用有效的方法。作為安全措施，是德國唯一得 到國家監(jiān)察局批準的標準措施。德國科研人員還為此研制種新型鉆機和鉆桿，研究了最佳 鉆頭直徑。通過對直徑 95、145、200mm 的試驗認為，由于在高應力帶鉆孔時卡鉆的趨勢 隨鉆頭直徑增大而趨于嚴重，以及考慮到減輕重量、便于操作等原因，一般選用 95mm 直 徑鉆頭。在施工卸壓孔時，德國在《預防沖擊地壓規(guī)程》中規(guī)定：打卸壓孔前一定要用鉆 屑法查明壓力帶的范圍和程度。只允許在低應力區(qū)開始施工卸壓孔，且要由低應力區(qū)向高 應力區(qū)鉆進，并同時記錄每米鉆孔的鉆屑量、高壓特征和特殊情況。卸壓孔必須使用遠距 離操縱的鉆機進行施工。鉆孔的最小直徑為 95mm，孔間距不得超過 10m。鉆孔深度對于 采掘工作面為煤層厚度（采高）的 3 倍，對于巷道側幫為采高的 4 倍鉆孔要求盡可能打在 高壓區(qū)。卸壓孔的布置方式和參數(shù)應根據(jù)具體情況確定。圖 4-4 所示的卸壓孔布置，在平 巷超前 40m 掘進，在掘進工作面扇形布置卸壓孔，孔深 12～15m，在后方巷道兩幫每隔 15～20m 布置卸壓孔，孔深 5～6m，在采煤工作面每隔 15m 打一個 12m 深的卸壓孔，然 后隨工作面每推進 3～4m 再打一排卸壓孔，并要求這些孔與第一排孔錯開 5m 左右，如圖 15b 所示。鉆機和運輸車一起架在輸送機上行走，利用一條鏈子和自移支架撐緊。打完一 個卸壓孔后，由運輸車下面的絞車將鉆機拉到下一個鉆孔位置上。另外，利用自移支架把 鉆架和鉆機吊起，以不妨礙回采工作。 圖4-4 卸壓鉆孔布置方式 前蘇聯(lián)也對鉆孔卸壓進行了大量研究，試驗表明，當鉆孔孔徑為 300mm，孔間距為 1.5～2m 時，煤層卸壓效果好?？组g距 3m 時，卸壓效果降低。并提出單一鉆孔周圍破裂 區(qū)半徑 R 按下式確定（式中β 按圖 4-5 所示的諾謨圖確定）： R＝β a 式中 a——鉆孔半徑 β ——破裂范圍系數(shù)， k——孔壁的松散系數(shù)； S——鉆孔實際鉆屑量與正常鉆屑量之比。 求出 R 值后就可以確定合理的孔間距。不過孔徑大于 250mm 時，鉆進過程中易發(fā)生 鉆孔沖擊等強烈而危險的卸壓現(xiàn)象，鉆屑量達到 1～5t／m，造成鉆進操縱困難等。解決辦 法是對鉆機進行遙控，對鉆孔注水進行排粉。 4.2.5 鉆屑出煤粉卸壓 （1）實施方法 圖4-5 確定β 的諾謨圖 采用手持式風動鉆機（煤電鉆）打煤粉卸壓鉆孔，采用彈簧卡式聯(lián)接的麻花鉆桿，每節(jié)長 1.0 m，φ 43 mm 的鉆頭，出煤粉正常時，由人員直接操作鉆機施工。當施工至應力集中區(qū) 域，鉆桿不進，且一直出煤粉時，即將鉆機固定于頂板或煤壁錨桿上，人員撤至 30 m 以 外的安全地點，控制供風管路操作鉆機。 （2）鉆孔布置 鉆孔直徑 42 mm，孔深 7~10 m，孔口距底板 1.5 m 左右，單排布置，鉆孔方向平行于煤層、 垂直煤壁。 4.2.6 改變巷道支護方式 在沖擊礦壓區(qū)域采取錨網(wǎng)支護和可縮支護,并根據(jù)沖擊礦壓嚴重程度提高支護強度,在 巷道交岔口采用單體液壓支柱或垛式支架加強支護,防止發(fā)生沖擊礦壓造成大面積的巷道 破壞和堵塞安全出口。以躍進煤礦為例： （1）工作面概況 躍進煤礦 25110 工作面是該礦 25 采區(qū)第 1 個綜采放頂煤工作面，地面標高+ 551. 0 ～ + 596. 0 m，煤層標高－ 394. 0 ～ － 451. 7 m，東為 23 采區(qū)保護煤柱，西為 25 采 區(qū)下山保護煤柱，南為 25 采區(qū)下部未開采煤層，北為 25090 工作面( 已采) 。開采中下 侏羅統(tǒng)義馬組 2-1 煤，走向長 865 m，傾斜長 191 m，可采儲量 179. 6 萬 t，煤層傾角 10° ～ 15°，煤層厚度 8. 4 ～ 13. 2 m，采放比 1∶ 2. 92，服務年限 14. 41 個月，采用走向長壁 后退式綜采放頂煤采煤法，一次采全高，自然垮落法控制頂板。工作面采深大，頂板圍巖 易破碎，易底鼓、片幫和冒頂，地壓現(xiàn)象明顯，巷道變形較嚴重，同時伴有沖擊地壓釋放。 根據(jù)中國礦業(yè)大學沖擊傾向性鑒定結論: 2-1、2-3 煤層沖擊傾向性類別為Ⅰ類，強沖擊傾 向，其頂板也具有弱沖擊傾向。掘進過程中運輸巷發(fā)生過 5 次中等以上沖擊地壓，預測回 采過程中具有強沖擊危險，必須加強巷道支護。運輸巷設計全長 1 007 m，斷面為橢圓形， 長軸 6. 2 m，短軸 5 m，凈斷面 24. 5 m2，棚距 0. 7 m，采用錨網(wǎng)索+ 36U“O”型棚復合支 護，巷道方位角 N115°，布置在 2-1 煤層中沿煤層頂板掘進，該巷道作為工作面的膠帶 運輸巷，回采過程中主要向工作面供給新鮮風流。 （2）工作面運輸巷支護形式 為提高沖擊區(qū)域支護強度，減小沖擊地壓危害，在運輸巷安全出口向外 300 m 內進行 超前支護加固，在轉載機段 50 m 安裝 3 排 ZT2 3 4000 /33 /50 型邁步式液壓支架進行 支護。轉載機頭向外 260 m 區(qū)域范圍內，每隔 3 架 36U“O”型棚安裝 1 架型號為 ZD6400 /27 /42G 的“門式”液壓支架進行超前支護，在工作面回采過程中隨著轉載機的拉移，在 轉載機頭處拆除最里面一架支架，運至支架最外面一架處進行安裝，如此循環(huán)。這就是具 有躍進煤礦特色的“錨網(wǎng)索+ 36U‘O’型棚+ 門式支架”的“三級支護、三級讓壓”抗沖 擊