開灤深部工作面沖擊地壓監測與防治技術應用

孟 磊，張瑞璽，姜耀東

(1.中國礦業的大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京，100083；2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

礦業縱橫

開灤深部工作面沖擊地壓監測與防治技術應用

孟 磊1，張瑞璽2，姜耀東1

(1.中國礦業的大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京，100083；2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

為了能夠實現開灤礦區深部沖擊地壓的有效監測與防治，本文在掌握開灤礦區發生沖擊地壓主控因素的基礎上，通過總結開灤礦區在沖擊地壓防治過程中所積累的一些經驗并參考國內外先進的沖擊地壓防治技術，構建了具有信息互饋和持續優化機制的全礦井-采區-工作面-局部的多級沖擊地壓監測和防治系統；基于開灤的實際地質構造和實際開采情況，提出了適用于開灤礦區深部煤層的沖擊地壓防治技術，包括優化開采設計和開采保護層的區域性技術措施，以及基于缺陷法原理的局部卸壓措施和以改善局部應力環境的支護措施。

深部開采；沖擊地壓；監測；防治

煤炭作為我國的基礎能源，在一次能源構成中約占70%左右，具有長期不可代替性，但隨著煤炭資源長期的大規模開采，開采深度逐年遞增，我國中東部地區淺部煤炭資源接近枯竭[1-2]，尤其是具有超過百年開采歷史的開灤礦區開始全面進入深部開采階段。隨著煤層采深不斷增加和賦存條件不斷惡化，與淺部煤巖層相比，深部煤巖層的力學特性及力學響應發生了很大變化，深部沖擊地壓等煤巖動力災害的發生出現了高能沖擊破壞和突發性的新特性，并且深部工作面的大規模開采形成了極為復雜的采動應力場和震動場，極易誘發包括煤炮、礦震、沖擊地壓等煤巖動力災害，嚴重制約著煤炭資源的安全高效開采，并且造成人員傷亡和巷道嚴重變形破壞[2]。我國目前在沖擊地壓預警和防治理論研究和設備研發方面開展了大量的工作，并取得了不少創新性的成果，但是存在很多問題諸如多種手段效果平行使用導致的監測效果混亂且參差不齊，沒有形成“全局-區域-局部”的監測系統，并且監測手段與防治技術沒有形成相互反饋機制。

開灤礦區的主力礦井諸如趙各莊礦、唐山礦、呂家坨礦等礦井的開采深度均已超過800m，其中趙各莊礦最大的開采深度已達1200m，并且以每年8～12m的速度增加。隨著開采深度的增加，沖擊地壓、大面積頂板垮落等煤巖動力災害的潛在危險性日益突出，給礦區的安全高效開采帶來一系列問題。其中煤巖層高應力集中和高能破裂區域等沖擊地壓前兆信息的捕捉和沖擊地壓防治是深部資源開采時所面臨的主要問題，因而構建并運行覆蓋全礦井的深部煤巖層沖擊地壓監測和防治系統對于保障深部煤層安全高效開采已經迫在眉睫。

1 礦區概況

開灤礦區隸屬于開灤集團，位于中國河北省唐山市境內，擁有唐山礦、趙各莊礦、范各莊礦等10對礦井，礦區面積達670多平方公里；開灤礦區煤層主要賦存在包含開平組、上石炭統趙各莊組、大苗莊組及下二疊統唐家莊組的石炭-二疊系之中。礦區的開平煤田位處于一個華北石炭二疊系北東向大型復式含煤向斜構造，包括了開平向斜、車軸山向斜、荊各莊向斜和西缸窯向斜4個含煤構造[3]，其中開平向斜是一個由古生界、中生界和新生界疊合而成的構造盆地，構造極其復雜，具有多期次、多性質、多方向、多級別和多序次的特點，其軸部及其附近區域地應力遠高于遠離軸部的區域，較高的地應力值為包括瓦斯突出和沖擊地壓等強烈動力災害的發生提供了動力條件。

目前開采深度最深的開灤趙各莊礦位于集團東北部，開平向斜軸部的東北邊緣；礦井東部與唐家莊礦相鄰，南部緊鄰林西礦，西南邊界與馬家溝礦接壤。礦井走向長9050m、面積15.96km2，可采面積31.55km2；目前主要生產十二水平(埋深1002m)和十三水平(埋深1100m)；礦井地質構造較復雜且地應力較高，在高地應力和采動應力的綜合作用下，掘進和回采巷動壓顯現頻繁。

2 開灤礦區深部煤層沖擊地壓監測及防治系統

開灤礦區地質構造較為復雜，沖擊地壓主要受向斜構造和埋深的影響[4]，且隨著埋深的增加，沖擊地壓顯現頻次和強度也隨之增大，其中在深部和向斜構造軸部所發生的沖擊地壓往往造成巷道嚴重破壞、片幫底鼓、支架損壞，以及人員傷亡事故。

開灤集團通過總結開灤礦區在沖擊地壓監測與防治過程中所積累的一些經驗并參考國內外先進的沖擊地壓防治技術，構建了全礦井-采區-工作面-局部的4級沖擊地壓監測與防治系統，并實現沖擊地壓預測與防治的信息互饋和持續優化機制，為今后深部采區沖擊地壓監測與防治提供理論支撐和技術支持，見圖1。

圖1 開灤礦區沖擊地壓監測及防治系統概圖

2.1 沖擊地壓監測及防治系統的搭建

首先利用綜合指數法，在煤采區規劃設計階段綜合分析采礦地質因素對沖擊地壓發生的影響，確定危險性指數并且初步劃定危險范圍，進而優化采區設計；沖擊地壓實質上是煤巖體變形破壞過程中的非穩定動力破壞[5]，煤巖層出現高應力集中區域和高能量集中破裂區域是沖擊地壓發生的重要前兆信息，因而通過在具有沖擊危險性的采區或工作面尺度布置微震和在線應力系統，獲取采區或工作面的“應力場”和“震動場”，可以實現在重點區域沖擊地壓危險區域的劃定；然后在諸如掘進和回采巷道等沖擊地壓危險區域實施電磁輻射法，以輻射脈沖數和輻射強度參數進一步精確判識煤層沖擊地壓局部危險區域；在確定了高應力集中和高能量集中破裂的局部沖擊危險區域基礎上，通過在這些局部危險沖擊危險區域實施鉆屑法，以鉆孔煤粉量、深度和動力效應等指標綜合量化不同位置的沖擊地壓危險程度。

2.2 應用效果分析

以埋深超過1000m的開灤趙各莊礦3137東2工作面為研究對象，考察并分析系統在3137工作面的應用效果，評價煤層沖擊地壓監測及防治系統的有效性。

在微震監測過程中發現3137東2面上方頂板頻繁斷裂，能量約為2734～10734J，可以判斷工作面上方及下順槽周圍礦壓顯現明顯；進而通過電磁輻射，發現3137東2面靠近副上山60m左右下順槽危險較大，電磁輻射強度最大值和脈沖數平均值分別達到86mV和765kHz，分別超過和接近臨界值(82mV和790kHz)；因此為保證下順槽安全，在臨近副上山的工作面一側實施長度60m卸壓巷道，其中卸壓巷距下順槽7m左右，卸壓巷實施之后圍巖高應力出現分散和轉移，電磁輻射參數和鉆屑量均降至臨界值以下，見圖2所示。

另外，通過電磁輻射法和鉆屑量法監測發現工作面切眼前方15～60m的局部位置存在沖擊危險性，其中電磁輻射強度最大值和脈沖數平均值均超過臨界值，孔深4～7m鉆屑量為5.2kg/m超過臨界值4kg/m；通過在此局部位置實施爆破卸壓措施之后，電磁輻射參數和鉆屑量均未再超標，巷道圍巖變形量較措施實施之前也有所降低，見圖2。

圖2 3137東2面沖擊地壓危險局部及解危措施

3 開灤礦區深部煤層沖擊地壓防治技術

要實現深部煤層的安全開采，關鍵在于實施有效的防治措施，開灤礦區發生沖擊地壓的主控因素是高地應力[2，4]，因而應實施以煤巖層卸壓為主要技術措施，主要包括兩個方面。一方面是基于采場區域圍巖應力場-震動場分布規律，通過合理的開采設計和煤層注水降低圍巖高應力集中和彈性能積聚程度，削弱或消除沖擊地壓發生所需要的動力源和改善圍巖沖擊特性，進而降低沖擊地壓發生的可能性并削弱沖擊地壓發生時的能級。另一方面，通過電磁輻射和鉆屑量進一步確定局部危險沖擊危險區域和程度，實施卸壓巷(導硐卸壓)、鉆孔卸壓、爆破卸壓、煤層優化支護以及選用沖擊綜采支架等措施，改善局部圍巖應力環境，均衡能量釋放，弱化沖擊條件。

3.1 卸壓開采

卸壓開采技術措施主要包含區域性開采保護層和局部卸壓技術。

3.1.1 開采保護層

開采保護層屬于區域性防治技術措施，是在采區規劃時綜合地考慮煤層群的特性，進行合理的開采設計，削弱工作面開采所形成的圍巖應力集中和彈性能積聚程度，實現在采區規劃和設計階段從根源上降低動壓及動力災害發生可能性保護層開采主要包括上保護層開采、下保護層開采及綜合保護層開采。根據《煤層沖擊傾向性分類及指數的測定方法》和現場動壓現象情況，開灤礦區趙各莊礦十二水平～十四水平的12煤屬于3類、強沖擊傾向性煤層；而11煤屬于無沖擊傾向性煤層。因而出于防止動壓災害的角度，選擇上保護層開采，實施開采11煤保護12煤，見圖3。

圖3 上保護層開采及采場位移云圖

基于數值計算和現場實踐，確定上保護層開采基本參數為：上保護角85°，下保護角70°，走向保護角60°，下保護高度為22～33m，平均22.5m。

3.1.2 局部卸壓

開灤礦區使用的局部卸壓包括常規卸壓措施和基于缺陷原理卸壓技術。

3.1.2.1 常規卸壓措施

1)爆破卸壓：通過實施卸壓爆破措施，加速煤層裂隙發育，降低煤巖彈性模量和峰值強度，減少煤巖層積累的彈性變性能，進而削弱局部應力集中程度，破壞動壓及動力災害發生必須的能量條件。

2)鉆孔卸壓：利用孔徑76～500mm的鉆孔削弱或消除局部動壓顯現，當鉆孔進入到煤巖高應力區域時，高應力區域所積累的彈性變形能會向鉆孔方向釋放，甚至出現孔內沖擊的現象；高應力區域應力集中程度越高，變形能在鉆孔內部釋放越猛烈，孔內沖擊的頻率和能級也會隨之增加。能量釋放越猛烈，鉆孔附近圍巖所產生的破碎區域也越大，進而能夠消除動壓顯現及沖擊危險性。

3.1.2.2 基于缺陷原理卸壓技術措施

由于常規卸壓技術措施所采用的鉆孔規格和布置影響范圍小，在高應力區域往往存在卸壓不充分，甚至導致局部應力增加的情況。因而開灤集團在一些高應力集中區域、動壓顯現頻繁及沖擊危險性區域，優先采用基于缺陷原理卸壓技術措施，也就是導洞卸壓技術措施。

地下采礦工程中煤巖層往往具有非連續、非均質性和各向異性的特征，以及陷落柱和斷層等缺陷結構。這些缺陷結構的存在，改變了其周圍煤巖體本身的結構特性和應力環境，對其周圍煤巖體的力學特性和穩定性具有決定性的作用，缺陷會降低煤巖體的連續性和均值程度，并且在局部產生應力集中。因而基于此原理，通過在高應力區域制造“人工缺陷”，降低高應力區域煤巖體均質程度，進而改變高應力區域的應力環境。

3.2 煤層注水

實施煤層預先注水能夠改變煤體的力學性質，一方面通過降低煤體的彈性模量和強度，減小煤體脆性，增加煤體塑性，降低煤體積聚的彈性變性能；另一方面煤的強度降低、承載能力減弱，能夠增加支承壓力區范圍，驅使支撐壓力峰值位置遠離工作面，降低應力集中系數，最終削弱煤層動壓顯現及沖擊地壓發生的可能性。此外，注水后煤體在水溶液長時間的濕潤作用之下，不僅改變了煤體性質，而且還起到了降塵、降溫以及改善勞動條件的作用。

煤層注水孔位置一般基于井下巷道具體條件而定，可以沿煤層傾向布置，也可以沿煤層走向布置；其中對于頂底板起伏較大的煤層，對稱布孔是常用的方式。為了保證封孔和注水效果，注水孔一般布置在煤層中的較堅硬分層內；對于長壁工作面，注水孔直徑和長度范圍分別為45～90mm和20～120m，上下巷的注水孔鉆進方向應平行于工作面線，注水孔的間距應能夠保證相鄰兩孔的孔底之間距離小于有效注水半徑的2倍。

趙各莊礦通過在具有沖擊傾向性的9煤和12煤采煤和掘進工作面實施了煤層注水措施，有效地降低了這些煤層巷道發生動壓或沖擊地壓的可能性。其中9煤和11煤支撐應力峰值超前工作面距離分別從注水前的6m和4.8m，增加至注水后的9.1m和6.9m；9煤和11煤的支撐應力集中系數分別從注水前的2.98和3.56，降低至1.99和2.28。

3.3 巷道支護技術優化

當趙各莊礦開采深度達到并1000m以上時，煤層原始垂向應力達到26MPa，巷道兩幫垂向應力均超過30MPa，并且在采動應力疊加作用下，巷道動壓顯現頻繁，圍巖壓力和變形均較大，頂板出現離層和破碎，支護系統遭受破壞。在高應力的作用下，巷道圍巖變形量極大，因此結合沖擊地壓巷道特點，選擇錨桿+錨索+桁架+網+鋼帶的支護形式。其中對于高寬4.0m×2.8m的巷道，錨桿直徑和長度分別為20mm和2000mm，間排距為750mm×700mm，并采用W型高強鋼帶護頂；錨索直徑和長度分別為17.8mm和7500mm，錨索間排距為2.0m×1.6m，每排2根，錨索桁架排距為1.6m，并且錨桿錨索桁架交替布置；頂幫均鋪設材料為12#鉛絲的菱形網。

圖3 沖擊巷道支護前后垂向位移云圖

通過數值計算發現(圖3)，在無支護的情況下，隨著巷道的不斷開挖，巷道周邊均朝向巷道開挖區域產生了很大的變形，其中底臌量最大為1200mm，巷道兩側向巷道內最大位移量為1650mm，在巷道周邊出現了大面積塑性流動區，巷道已經發生嚴重的破壞。錨桿+錨索+桁架+網+鋼帶的聯合支護布置方式可有效控制圍巖的變形，提高圍巖整體強度，維護圍巖穩定，從圖3中可以看出巷道底板的底鼓量小于200mm，兩幫的移近量小于300mm。

4 主要研究結論

1)通過總結開灤礦區在沖擊地壓監測和防治過程中所積累的一些經驗并參考國內外先進的沖擊地壓防治技術，構建了全礦井-采區-工作面-局部的多級沖擊地壓監測和防治系統，經現場實踐證明了沖擊地壓監測與防治系統具有較好的效果以及信息互饋和持續優化機制。

2)針對開灤的實際地質構造和實際開采情況，提出了適用于開灤礦區深部煤層沖擊地壓防治技術，包括優化開采設計和開采保護層的區域性技術措施，以及基于缺陷法原理的局部卸壓措施和以改善局部應力環境的支護措施。

[1] 孟磊.含瓦斯煤體損傷破壞特征及瓦斯運移規律研究[D].北京，中國礦業大學(北京)，2013.

[2] 姜耀東，趙毅鑫，劉文崗.煤巖沖擊動力失穩的機理和實驗研究[M]北京：科學出版社，2009.

[3] 韓軍，梁冰，張宏偉，等.開灤礦區煤巖動力災害的構造應力環境[J].煤炭學報，2013，38(7)：1154-1160.

[4] 楊忠東，孟磊，姜耀東，等.開灤礦區深部沖擊地壓顯現特征及其主控因素的探討[J].煤炭工程，2012(3)：64-66.

[5] 章夢濤，徐曾和，潘一山，等． 沖擊地壓和突出的統一失穩理論[J].煤炭學報，1991，16( 4) ：48-52．

Application of monitoring and controlling coal bumps techniques in the deep workface of Kailuan mining area

MENG Lei1，ZHANG Rui-xi2，JIANG Yao-dong1

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Faculty of Resource and Safety Engineering，China University of Miningand Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

In order to realize effective monitoring and control of coal bumps in Kailuan mining area，this article constructed multistage mine-panel-working face-local area coal bumps monitoring and control system with information feedback and continuous optimization on the basis of grasping the dominant factors of Kailuan mining area，by summarizing experience in the process of coal bumps control practice in Kailuan mining area and reference of both domestic and foreign advanced coal bumps control technology.And based on the actual geological structure and mining situation of Kailuan mining area，the suitable control technology for Kailuan deep mining coal seams was put forward，including optimization of mining design and the regional technical measures of protective layer mining，combining with local pressure relief measures based on the defects method and supporting measures to improve the local stress environment.

deep mining;coal bumps;monitoring;prevention

2014-08-01

國家重點基礎研究發展計劃(973)項目資助(編號：2010CB226801)；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放課題資助(編號：SKLCRSM13KFB10)；中國博士后科學基金項目資助(編號：2014M560136)

孟磊(1986-，男，漢，河南鶴壁人，博士后，主要從事含瓦斯煤巖動力災害防治方面的研究工作。E-mail：tntmlove@163.com。

TD353

A

1004-4051(2015)03-0146-04