褶曲附近礦震顯現規律在防沖實踐中的應用＊

呂亞軍 竇林名 張軍偉 李 寧 謝 龍

（1.華亭煤業集團，甘肅省華亭縣，744100；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；3.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221008）

褶曲附近礦震顯現規律在防沖實踐中的應用＊

呂亞軍1竇林名2，3張軍偉2，3李 寧2，3謝 龍2，3

（1.華亭煤業集團，甘肅省華亭縣，744100；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；3.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221008）

采用SOS微震系統對硯北煤礦250204工作面回采至褶曲區域及250203運輸巷掘進至褶曲區域的礦震活動進行監測，分析了礦震活動規律和褶曲附近的應力分布情況，以及褶曲對采掘過程的影響，在此基礎上提出了切實有效的防沖技術措施。實踐表明，該措施能夠有效降低在褶曲附近作業時的沖擊礦壓危險。

褶曲區域 SOS微震系統 應力集中 礦震規律 防沖措施

沖擊礦壓是礦井巷道和工作面周圍煤巖體中聚集的大量彈性能的瞬間釋放導致的爆炸性事故，常伴隨有煤巖體拋向采掘空間，造成煤巖體強烈震動和破壞，以及設備損壞和人員傷亡等。研究表明，地質條件是影響沖擊礦壓發生的重要因素，主要表現為地質條件對原巖應力的影響。原巖應力主要包括巖體重力和構造殘余應力。褶曲主要是由水平應力擠壓形成的，褶曲帶應力場比同深度的沒有特殊地質構造區域的應力場大得多。

當采掘工作面在褶曲附近進行回采時，煤巖體應力高，積聚的彈性能較高，易誘發礦震和沖擊礦壓。微震監測技術可監測和分析礦震的分布規律，并確定沖擊危險等級，基于微震監測結果，通過采取針對性防沖措施進行及時解危，可使危險區域沖擊危險程度降低到安全水平，以達到沖擊礦壓防治目的。

1 工作面概況

250204工作面為硯北煤礦2502采區第三個工作面，開采5＃煤層，工作面標高為＋1100～＋1220 m，地面標高為＋1509～＋1603 m，煤層厚度22.08～32.95 m，平均厚度為27.6 m，煤層傾角5～10°，平均8°，其中部過一褶曲區域。南部至2502采區輔運大巷，北部至井田邊界硯峽保護煤柱內，西部為250205采空區，東部為250203掘進工作面。工作面為采區式布置，沿煤層走向開采，走向長度1992 m，傾斜長度220 m，區段保護煤柱8 m。工作面采用分層綜放開采，分層厚度10～13 m，全部垮落法處理采空區。

2 褶曲附近的礦震規律分析

250204采煤工作面和250203掘進工作面在2012年2月1－4月2日期間共監測到礦震507次。震動能量分級統計見表1，震源及能量分布見圖1。

由表1可知，震動能量主要集中在104J以下，104～105J的也占到三分之一，大于104J的礦震次數總共占37.08%，說明這段時間工作面附近礦震活動中大能量事件較多，表明工作面附近微震活動規律總體上變化較劇烈。

表1 2012.2.1－2012.4.2日礦震數據統計

圖1 礦震震源及能量分布平面投影（2012.2.1－2012.4.2）

由圖1可知，250204和250203工作面在采掘過程中，能級104J以上的微震主要分布在褶皺造成的高應力區域，即250204工作面回采到褶曲附近和250203掘進工作面運輸巷掘進褶曲附近。在其它附近區域，較大能量的微震分布較少。

微震活動本質是能量的轉化和傳播。在微震未發生時，能量以彈性能的形式儲存在巖體中；微震發生時，巖體中儲存的彈性能轉化為機械能以振動波的形式傳播出去。褶曲中的巖體應力水平越高，積聚的彈性能越多，產生的104J能級以上微震就越多。因此，104J能級以上微震事件集中分布于褶皺區域。

3 防沖技術分析及現場應用

3.1 巷道防沖機理分析

對于受沖擊危險的巷道，根據巷道圍巖強弱強結構防沖原理，對巷道圍巖采取松散煤巖體的措施，以達到吸波消能的作用，降低煤體的強度、降低煤體的沖擊傾向性和振動釋放能量，并使巷道圍巖的高應力向煤巖體深部轉移。依據該原理，使巷道圍巖達到抗沖擊或減弱沖擊的目的，就必須加強巷道支護。巷道從里向外依次為：最里圈，由巷道支護組成的小結構（強結構）；小結構之外，是經過松散解危后的弱結構；在弱結構之外，是沒有經過擾動的原巖結構（強結構）。

3.2 防沖技術措施

由于褶曲附近應力分布不均勻，采掘過程中，使該區域頂底板局部形成應力集中，在該區域一定范圍內，加強支護密度和錨桿、錨索的支護質量，形成強弱強的小結構；同時通過采取一定的卸壓措施，降低煤巖體的應力集中，以形成強弱強的弱結構。這樣就可能避免沖擊災害的發生。通過現場經驗，主要有頂板深孔爆破、底板卸壓爆破、底板大直徑鉆孔卸壓、煤體大直徑鉆孔卸壓、煤體卸壓爆破等措施。

通過微震、CRMS沖擊在線監測、鉆屑量監測采掘工作面前方有沖擊危險時，首先采取煤體大直徑鉆孔卸壓，然后再監測前方有無沖擊，如果沖擊沒有有效減弱，那么就采取煤體卸壓爆破、頂板卸壓爆破和底板卸壓爆破，直至確認前方沖擊減弱或無沖擊時，方可進行其它作業。

3.2.1 250204工作面兩巷煤體大直徑鉆孔卸壓設計

受采動影響，回采工作面兩幫煤體易積聚彈性應變能，為進一步消弱沖擊顯現程度，需對煤體加大卸壓力度。具體卸壓措施如下：

（1）運輸巷卸壓施工。卸壓鉆孔直徑大于110 mm，巷幫兩側孔深15～20 m，鉆孔距巷道底板1.2m，平行煤層方向，呈三花眼布置，卸壓范圍為工作面前方300m。卸壓鉆孔布置如圖2（a）和圖2（b）所示。

（2）材料巷卸壓施工。材料巷僅對內幫實施大直徑鉆孔卸壓，由于留設小煤柱護巷，煤柱側暫不需采取卸壓措施。煤壁鉆孔參數同運輸巷。

圖2 運輸巷大直徑卸壓鉆孔布置示意圖

3.2.2 250203掘進工作面卸壓爆破設計

受采動和地質構造應力的影響，掘進工作面兩幫與掘進頭位置煤體易積聚彈性能，為防止強礦壓顯現，該區域需要采取一定力度的煤體卸壓爆破和大直徑深孔卸壓爆破措施。

（1）兩幫卸壓施工。掘進頭后方100 m范圍，每隔5 m施工一個普通鉆孔與一個大直徑深孔，相互錯距為2.5 m，皆垂直于兩幫、距離底板1～1.5 m。

普通鉆孔孔徑42 mm、孔深10 m，采用2＃煤礦許用炸藥，單孔裝藥量3 kg，導爆索導爆，煤礦許用毫秒電雷管引爆，封泥長度不小于4 m。

大直徑深孔孔徑65 mm（或使用更大孔徑）、孔深24 m，采用2＃煤礦許用炸藥，單孔裝藥量9 kg，導爆索導爆，煤礦許用毫秒電雷管引爆，封泥長度不小于6 m。

（2）掘進頭卸壓施工。煤體卸壓爆破每組3個鉆孔，沿掘進方向垂直于煤壁，距離底板1.5 m，孔深及裝藥參數同兩幫卸壓鉆孔施工中的普通鉆孔參數。裝藥封孔完畢后3個孔串聯同時起爆，每掘進5 m實施一組鉆孔。若巷道周邊破碎，應適當加大鉆孔深度。

3.3 卸壓效果分析

根據鉆屑量與煤體應力狀態具有定量的關系，即在其他條件相同的煤體中，當應力狀態不同時，其鉆孔的煤粉體積或質量也各不相同，當單位長度的排粉量大于或等于鉆屑臨界值，說明該區域的應力集中程度明顯，沖擊危險性較高。此外，鉆屑過程中的動力效應可以作為該區域沖擊傾向的一個重要指標。因此通過鉆屑量和其中的動力效應兩個指標來檢驗采取卸壓之后的效果分析。表2為硯北礦鉆屑量臨界值指標。250204工作面運輸巷和250203掘進工作面運輸巷鉆屑孔布置如圖3所示。

表2 硯北礦鉆屑臨界指標

圖3 250204工作面運輸巷和250203掘進工作面輸巷鉆屑孔布置圖

（1）250204工作面卸壓效果分析。在250204工作面運輸巷距工作面煤壁50 m開始，每隔20 m布置一個測點，直到距工作面190 m處，共布置8個測點。每個測點進行鉆屑量檢驗，鉆屑量結果如圖4（a）所示。在鉆屑過程中，離工作面90 m、110 m測點處有卡鉆等動力現象。

為確保卸壓效果，卸壓后第二天在250204工作面運輸巷距工作面煤壁100 m開始，每隔20 m布置一個測點，直到距工作面240 m處，共布置8個測點。每個測點再次進行鉆屑量檢驗，鉆屑量結果如圖4（b）所示。在鉆屑過程中，離工作面100 m、120 m測點處有卡鉆等動力現象。

圖4 250204工作面運輸巷卸壓后鉆屑量記錄

根據圖4鉆屑量記錄圖可知，距250204工作面煤壁100 m和110 m處距煤壁4 m深的鉆屑量分別超出和接近臨界值2.28 kg/m，90 m和120 m處距煤壁5 m深的鉆屑量接近臨界值2.44 kg/m，同時伴隨有卡鉆、跳鉆等現象，表明運輸巷距工作面煤壁90～120 m范圍內還存在應力集中現象，應在這些地方進行其他方式的卸壓作業。然后再通過微震進行監測，如果該區域附近的震動有所減少，并通過鉆屑量再次進行檢驗，確認無異常時，方可進行作業。

（2）250203掘進工作面卸壓效果分析。在250203運輸巷掘進頭內、外幫5 m和25 m距離共布置4個測點，連續兩天鉆屑量檢驗，鉆屑量如圖5所示。鉆屑過程中，沒有發現卡鉆等現象。

在對250203運輸巷掘進頭不同位置進行鉆屑量監測后，根據鉆屑量的平均值同鉆屑量的臨界值進行對比可知，卸壓之后的鉆屑量在臨界值之內，并且在鉆取煤粉的過程中，沒有其他卡鉆等現象。通過微震監測，該區域附近的震動多以小能量為主，大能量級震動有較少。表明該區域附近經過卸壓之后，該區域的應力集中已向煤體深部轉移。

圖5 250203工作面運輸巷卸壓后鉆屑量記錄

4 結論

（1）通過分析2月1日－4月2日250204工作面和250203掘進工作面的礦震數據，得出微震震源主要集中在各工作面的運輸巷側。由于巷道附近有褶曲地質構造，當在附近進行采掘活動時，使應力重新分布，造成局部的應力集中現象。說明采掘活動在褶曲附近進行作業時，容易誘發沖擊礦壓的發生。

（2）通過對巷道防沖機理進行力學分析，巷道圍巖強弱強的結構能夠吸波消能的作用，降低煤體的強度、煤體的沖擊傾向性和振動釋放的能量，并使巷道圍巖的高應力向煤巖體深部轉移。當250204工作面和250203掘進工作面有沖擊危險時，可以使用煤體大直徑鉆孔等卸壓措施，并加強危險區域的巷道支護，使巷道形成強弱強的結構，以便抵抗沖擊的發生。

（3）通過在250204工作面運輸巷和250203掘進工作面運輸巷進行煤體大直徑卸壓和煤體卸壓爆破后，采用鉆屑法進行檢驗，從而能夠在一定程度上檢驗卸壓的效果，為礦井的安全生產提供保障。

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The application of mine seismicity behavior regularity near folds in anti－shock practice

Lv Yajun1，Dou Linming2，3，Zhang Junwei2，3，Li Ning2，3，Xie Long2，3
（1.Huating Coal Industry Group，Huating，Gansu 744100，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Department of Mining Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The SOS micro－system is used to monitor the mine seismicity in Yanbei Mine，when its 250204 mining face reaches the folded area and the 250203 haulage roadway drives there.The paper analyses the mine seismicity regularity，the stress distribution near the folds and the impact of folds on the excavating process.Based on them，the paper puts forward the practicable and effective anti－shock technology measures，which can effectively reduce the risk of rock burst when working near the folded area.

folded area，SOS microseismic monitoring system，stress concentration，mine seismicity regularity，shock countermeasure

TD 324

A

國家重點基礎研究專項（973）經費資助項目（2010CB226805）；國家“十二五”科技支撐計劃（2012BAK09B01）；國家自然基金和神華集團有限公司聯合資助（51174285）；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題（SKLCRSM10X05）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（SZBF2011－6－B35）

呂亞軍（1965－），男，甘肅靜寧人，采煤工程師，主要從事煤礦生產技術、沖擊地壓治理工作。

（責任編輯 張毅玲）