基于浮力定理的煤矿防冲研究与应用

基于浮力定理的煤矿防冲研究与应用

郭帅,尹兵,许士奎

鄂托克前旗长城五号矿业有限公司 内蒙古自治区鄂尔多斯市 016200

摘要：在冲击地压矿井中，大的地质构造对其产生的影响是显而易见的，甚至是主要的。在大范围的地质灾害影响区域，开展冲击地压防治技术的研究对于矿井安全生产有着十分重要的作用。某煤矿是一座地质异常复杂、超千米深的矿井，其防冲工作是当务之急，对其成因进行深入的研究，对其进行防治已成为当务之急。本文从“浮力”原理出发，加深了对矿井防冲的认识，并将其应用于矿井防冲，取得了良好的效果。

关键词：浮力定理；煤矿防冲；应用

引言

冲击地压是矿井开采和矿井开挖过程中的一种动态灾害。目前，对地震成因机制的理解还不够深刻，监测预警水平也比较低，许多矿山由于地质环境的制约，例如断裂等，造成了冲击地压事故。在冲击地压矿井中，大的地质构造对其产生的影响是显而易见的，甚至是主要的。在大范围的地质灾害影响区域，开展冲击地压防治技术的研究对于矿井安全生产有着十分重要的作用。在物理学中，浮力定律是一种基础的理论。浸泡在液态（或气体）中的物体会产生垂直向上的浮力，其浮力与被其排出的液体的引力相等。

一、某矿其冲击危险性的评价分析

第一，由于工作面采用了刀柄结构，因此在工作面上会产生缩水现象，在一定程度上，由于工作面的收缩问题，会在应力较大的区域产生冲击。第二，F15断层是影响D13190工作面实际冲击地压的一个主要原因。第三，工作面的内部也有褶皱结构，这种褶皱结构的真实应力对工作面的冲击和地压的影响有很大的影响。第四，由于该工作面的井型是从D13175工作面上穿过去的，因此，在D13175工作面上段停止开切眼和采线附近的实体煤层时，也会有一些高的真实应力，而且有相当大的可能发生冲击地压[1]。

（二）评价结果分析

通过对工作面的冲击危险指标的分析，对D13190工作面的冲击危险性进行了分析，并对其进行了深入的营销、冲击倾向性的检验和结构的影响。

二、掘进过程中防冲技术对策分析

（一）正前卸压钻孔卸压

一般情况下，D13190工作面、下山巷、下巷各有十五米，孔深25米，卸压孔直径100 mm，与巷道底部相距1.3米，在一定程度上进行了一次循环。

在中度冲击危险区：在掘进工作面的巷道前面，每次作业都要打三个卸压孔，在井眼附近设置井口，井眼在1.3米以内，井眼直径为wei150haomi。从一定程度上来说，卸压钻井需要保证井眼的深度，但不能低于三十米，卸载防护的深度不能低于十五米。

（二）强支护分析

强支护措施主要是针对岩层巷道在不同围岩情况下的支护加固，其中包括由断裂作用而产生的煤岩交界处的巷道与巷道交叉口。

在断裂影响区的巷道分析：在现有的锚网索、拱形钢棚支护基础上，增加单个液压支撑和钢带连接，保证了柱子的承载力，防止柱子在承受较大的压力下发生倒柱。

巷道交叉口的分析：在一定范围内，交叉口悬顶区域较大，应力集中较高。因此，隧道交叉口加强了支护，提高了锚索和锚杆的整体强度。在巷帮部位进行吊顶加铰链式顶梁，可使顶板得到加强，从而强化巷道较差的支撑力。

三、矿井防冲层的研究及应用

（一）冲击地压作用机制

煤矿采掘过程中，由于煤岩体原有的平衡已经被破坏，周围煤岩的压力使采场发生了变形，当变形超过了煤岩本身的弹性变形极限时，其弹力会突然释放，导致煤岩突然破裂，进而产生冲击地压。大采深、采动集中应力、放炮诱发等是影响岩体冲击地压的重要原因。因此，控制矿井的弹性变形是防止矿井发生冲击地压的根本措施。

（二）应用实例1

3307工作面的工作面为+54.1-+55 m，工作面高程为74110.5.1124.2 m。由于地质情况十分复杂，与采空区的工作面之间的距离不到50米，应力集中，腐蚀情况十分严峻。

根据3307工作面地面压力监测资料，尤其是顶板落差（前四个数值是直墙式梯形路面的顶部落差，后三个数值是平顶板中直墙半圆形弧形路面的顶板降差），当路段面积13.44 m²时，直墙段的设置要比直墙半圆形曲线路段的设置大得多。

假定浮力理论适用于固体，则利用浮力原理，将采场巷道围岩的平均密度设为 P，则巷道剖面相同时，各采空体的容积相同，浮力相同。由于巷道底板的受力相同，所以其上面的压力也不相同。直墙半圆弧形断面上表面的应力区比直墙梯形大，在同样的荷载作用下，其压强比直壁梯形小，因此，直墙半圆弧形截面的下沉量小于直壁梯型截面。

一般认为，当巷道断面积固定时，其截面形状应尽量采用最少的支护材料，或最短的周长。但要想有效地控制巷道围岩的变形，必须在满足技术指标的基础上，提高顶面接触面积、减小单位面压力、提高支护密度。如何合理确定最优断面和最优冲刷区域是当前矿井建设中亟待解决的问题[2]。

（三）应用实例2

3302矿井的3302工作面深度超过1200米，3号煤层的冲击倾向较大，在开采时，采取了卸压大孔、卸压爆破等措施，对其进行了预防性卸压。通过比较发现，130 mm的大孔排出效果要优于110 mm的大孔，但是在施工中存在着较多的卡钻现象，从而加大了施工的难度，提高了工程造价。

直径越大，体积越大，受到的浮力越大，在施工大孔洞时，煤粉越多，造成的弱化带越大，周围围岩的高应力向深部移动，使得周围的围岩处在低应力区，对围岩的稳定性和卸压效果都有很大的帮助。

同时，随着巷道截面的增大，其应力集中程度也随之增大。因此，当回采条件允许时，隧道断面越小，抗冲效果越好。

（四）应用实例3

通过对某矿井各回采工作面的观察，发现从掘进到回采结束，两帮位移在500~600 mm之间，即每帮250-300 mm之间，而且由于顶板沉降、底板隆起等原因，导致了巷道断面缩小，各面都向已建好的巷道中央移动。既然这条隧道发生了变化，那就一定是受了外力的影响。假设在施工之前，煤岩体是三相应力均衡的，施工后破坏了其平衡。在某一点上，地应力是固定的，因此，煤岩体应向相同的方向移动；或者，在一个特定的位置上，由于重力的影响，在一个特定的位置，煤层的斜率是一个恒定的，因此，在摩擦力的作用下，它们的相对移动应该是相同的，而巷道的围岩为什么会向相反的方向移动？根据广义的浮力原理，液体存在着引力，因此对底部产生了压力；因此，将浮力理论运用到巷道的变形中，可以很容易地解释出围岩移动的方向[3]。

（五）防治措施

第一，强力支撑。提高巷道支护密度，使其形成稳定的组合拱形结构，可有效降低冲击地震时的巷道变形，防止人身伤害。

第二，严密的监控。要改进监测方法，扩大监测范围，对重点地区进行监测，做到针对性地开展防冲工作。

第三，强行释放压力。在不影响巷道围岩稳定性的前提下，增加卸压强度，并设置防冲环。

第四，材料的稳定性。根据以往的地震灾害经验，发现在冲击地震时，隧道中的材料、机械等会发生变形，造成人员伤亡，并能有效地固定材料、设备，防止冲击地压时材料的位移损伤。

第五，控制好员工。在冲击危险区域，对操作人员进行有效的控制，确保安全通道的畅通。

结语

冲击地压是矿井开采和矿井开挖过程中的一种动态灾害。目前，对地震成因机制的理解还不够深刻，监测预警水平也比较低，许多矿山由于地质环境的制约，例如断裂等，造成了冲击地压事故。把浮力理论运用到井巷防治工作中，能有效地解决围岩移动问题，加深对卸压措施的认识，但它也有其局限性。冲击地压防治从根本上讲就是一种减轻灾害的过程，采取强力支撑、强力监控、强力卸载、材料固定、人力控制等预防措施，尽量降低冲击地压对矿井的安全影响。

参考文献：

[1] 王超. 基于浮力定理的煤矿防冲研究与应用[J]. 山东煤炭科技,2014(6):85-86.

[2] 王炳富. 桃山煤矿防冲击地压技术与管理实践[J]. 科技风,2011(6):117.

[3] 刘晓斌. 煤矿冲击地压地质灾害防治技术质量研究[J]. 中国石油和化工标准与质量,2022,42(11):152-154.