急倾斜厚煤层中分层开采冲击地压发生机理及防治技术_丁小敏.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 急倾斜厚煤层中分层开采冲击地压发生机理 及防治技术 丁小敏 1， 牛佳胜1， 薛再君1， 巩思园2， 沈 威 3， 刘剑啸1， 余 磊 1 （1．甘肃华亭煤电股份有限公司， 甘肃 华亭 744100； 2．中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116； 3．淮阴工学院 建筑工程学院， 江苏 淮安 223003） 摘要 针对东峡煤矿急倾斜厚煤层分层开采的中分层冲击地压频发问题， 采用立体分布的微 震监测台网， 通过震源空间精准定位方法确定了矿震震源集中于底板岩巷和其分布趋势线与最 大水平应力方向垂直的规律， 确定中分层冲击地压是由上分层开采引发最小主应力 （竖向） 减小 使强构造应力下底板岩石达到莫尔剪切破坏极限状态引发， 进而提出了针对底板岩石的爆破防 冲措施。工程实践结果表明 定期采用合理的底板爆破药量， 可有效降低震动频次和能量， 避免 冲击地压的发生。 关键词 急倾斜厚煤层； 冲击地压； 底板岩石； 剪切破断； 构造应力； 底板爆破 中图分类号 TD324文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0089-05 Occurrence Mechanism and Prevention Technology of Rock Burst in Middle Layer Mining of Steeply Inclined Thick Coal Seam DING Xiaomin1, NIU Jiasheng1, XUE Zaijun1, GONG Siyuan2, SHEN Wei3, LIU Jianxiao1, YU Lei1 （1.Gansu Huating Coal Power Co., Ltd., Huating 744100, China;2.School of Mines, China University of Mining 3.Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai’ an 223003, China） Abstract In view of the frequent occurrence of rock burst in the middle layer of the steeply inclined thick coal seam in Dongxia Coal Mine, based on the three-dimensional microseismic monitoring network and the seismic source space precise positioning , the law that the seismic source of mine earthquakes is concentrated in the floor rock roadway and its distribution trend line is perpendicular to the direction of maximum horizontal stress is determined; according to this, it is determined that the coal burst in the middle layer is caused by the decrease of the minimum principal stressvertical direction caused by the mining of the upper layer, which makes the floor rock reach the Mohr shear failure limit state under the strong tectonic stress, and then the blasting anti-rock burst measures for the floor rock is proposed. The result of engineering practice shows that using reasonable blasting amount of floor regularly can effectively reduce vibration frequency and energy and avoid the occurrence of rock burst. Key words steeply inclined thick coal seam; rock burst; floor rock; shear fracture; tectonic stress; floor blasting DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.018 丁小敏，牛佳胜，薛再君，等．急倾斜厚煤层中分层开采冲击地压发生机理及防治技术［J］． 煤矿安全，2020，51（11）89-93. DING Xiaomin, NIU Jiasheng, XUE Zaijun, et al. Occurrence Mechanism and Prevention Technology of Rock Burst in Middle Layer Mining of Steeply Inclined Thick Coal Seam［J］. Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 89-93. 移动扫码阅读 急倾斜煤层开采广泛分布于全国 100 多个生产 矿井，西部急倾斜煤层矿井数量占比更大，如新疆 乌东煤矿、 甘肃窑街三矿。众多学者通过理论分析、 相似模拟试验、数值计算、现场观测等多种手段对 急倾斜煤层开采展开研究。在急倾斜煤层开采覆岩 破断特征、 结构特征及矿压显现规律方面， 学者将研 究重点主要放在顶板侧，认为顶板的破断运动是急 倾斜煤层矿压显现的主要原因[1-4]。 近年来随着急倾斜煤层开采冲击地压问题的出 现，有关的冲击机理和防治研究方法被提出。来兴 基金项目 华能集团总部科技资助项目 （HNKJ20-H31） ； 国家自然 科学基金资助项目 （51874292， 51934007） 89 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 平[5]等研究了急倾斜煤层开采覆岩联动致灾特征， 认为顶板破断周期的加速活跃阶段为灾害孕育期； 鞠文君[6]以华亭矿为例， 提出冲击地压发生的力源 主要是向斜构造应力场与多分层同采导致的叠加应 力场形成的复合应力场， 上覆岩层 “悬臂梁” 结构失 稳导致的冲击载荷是诱发冲击地压发生的结构性动 力因素； 蓝航[7]指出急倾斜煤层的采空区两侧岩柱 对煤体的 “撬杆效应” 是冲击形成的主要原因； 窦林 名、 王正义、 李安宁[8-10]等指出急倾斜煤层两侧顶底 板对煤体的夹持挤压作用致使冲击地压的形成； 杜 涛涛、 于贵良[11-12]等认为急倾斜煤层上采下掘的相 互扰动是冲击地压形成的主要诱因。 综上所述，已有的急倾斜煤层开采冲击地压的 研究针对是倾斜分段开采，而针对于倾斜分层开采 的下分层冲击地压研究鲜有报道。顶板岩层的活动 被看作是冲击地压形成的重要诱因，而东峡煤矿在 上分层开采过程中未发生过冲击地压，冲击事件多 发生在中分层开采过程中，顶板活动的诱因较难解 释这种现象。 1工程概况 东峡煤矿主采 6煤层， 煤层倾角自南部向北部 逐渐增加， 倾角介于 23～42之间。煤层采掘工程平 面图及探头分布图如图 1。 图 1煤层采掘工程平面图及探头分布图 Fig.1The map of coal mining engineering plan and probe distribution 在 1 005 m 水平以浅区域， 采取两翼开采方案， 在暗斜井上方留有保护煤柱，如图 1 中的灰色填充 区域； 在 1 005 m 水平以深区域， 采用跨暗斜井开采 方案， 不留煤柱。 纯煤厚度约为 30 m， 内含有多层夹 矸， 夹矸在不同区域厚度不等， 在北部合并， 南部分 叉撒开成马尾状。煤分 3 层开采， 上分层采厚 8 m， 中分层采厚 11.5 m， 下分层采厚 10.8 m， 上分层和 中分层之间的夹矸厚度在 0～15 m 范围内变化。根 据冲击倾向性鉴定结果，顶板具有弱冲击倾向性、 底板具有强冲击倾向性，底板相较于顶板强度更 高。此外， 煤层南部区域为大向斜构造， 根据该井田 附近的地应力测试结果可知，水平构造应力较高， 最大主方向与测点处构造形态基本一致，水平应力 和垂直应力的比值最小为 1.62， 最大为 1.95。 该矿自 2019 年 1 月安装 SOS 微震监测系统， 经过台网误差分析可知系统在垂向和水平方向的监 测精度均较高， 误差可控制在 20 m 范围之内。根据 微震监测发现，东峡煤矿上分层工作面在采掘期间 未曾发生冲击地压事故 （微震能量＞1.0105J） ， 而在 采空区下方的中分层 37221-1 工作面回风巷掘进过 程中， 出现了多次冲击地压事故， 对工作面的生产带 来较大的安全隐患， 37221-1 工作面冲击地压发生 区为图 1 中标识的椭圆形区域。 2上分层开采震源分布特征 37121-1 工作面 2019 年 812 月期间共回采 400 m， 出现 57 个大能量矿震事件， 其中能量＞1.0 105J 的震动事件出现 2 次，也是回采期间仅有的 2 次能量＞1.0105J 的事件。震动事件主要集中在褶 曲轴部附近，在煤层顶板、煤层和底板均有分布。 37121-1 工作面回采期间的震源分布反映出褶曲的 构造应力是该区域强矿震发生的重要影响因素。 37121-1 工作面在 2020 年 14 月期间共回采 400 m， 出现 284 个大能量矿震事件， 相比较于 8 12 月震动事件急剧增加； 37121-1 工作面在 2020 年 56 月期间共回采 300 m，共出现 34 个大能量矿震 事件。此阶段震源集中分布在煤层底板的暗斜井和 阶段大巷附近位置， 其中暗斜井区域岩石巷较多， 其 矿震数量也远大于其他区域。岩层中交错的暗斜井 和阶段大巷， 破坏了原底板岩石的稳定结构， 使得 90 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 4炮眼布置 Fig.4The blast-hole arrangement plan 图 3极限应力圆和包络线 Fig.3The endurance stress circle and envelope 图 2受力模型图 Fig.2Stress model diagram 底板岩石易破断释放能量； 另一方面， 上阶段采空 区下方仍存在大量震动事件则说明巷道交错造成了 应力集中。震源分布方向线所示，受最大主应力方 向的影响，震源分布同时呈现垂直于煤层倾向线的 特征。 3中分层开采冲击地压机理 东峡矿所在的华亭矿区属于构造应力场类型， 最大水平主应力方向主要集中在 N14.2E～N51E 间，方向与测点处构造形态基本一致。可以推断东 峡矿最大主应力为北偏东方向，大体沿着回风巷、 运输巷走向。37221-1 工作面上方的采空区及 950～ 1 005 m 水平阶段对垂向应力和中间主应力具有较 好的释放作用， 但对最大主应力释放作用较弱。 根据矿井冲击倾向性鉴定结果可知，顶板岩层 冲击倾向性小于底板岩层的冲击倾向性，致使底板 岩层相对于顶板岩层更易存留构造应力， 37121-1 工作面过程中矿震主要集中于底板也验证了底板强 构造应力的影响。 中分层围岩的受力模型图如图 2。σV为最小主 应力， σH为最大主应力。 极限应力圆和包络线如图 3。 图 3 中 σ 为应力， τf为为剪应力， σH为最大主应力， σv0为初始最小主 应力， σv2为破坏极限状态下最小主应力， c 为黏聚 力， φ 为内摩擦角。取底板岩石微小单元展开分析 （如图 2 模型 1） ， 其中最大主应力 σH受采空影响较 小， 可认为其不变； 最小主应力 σV受上层采空区的 卸压作用， 其应力逐渐减小。最大主应力 σH保持不 变，最小主应力受到上覆采空区卸载作用，由初始 σv0减小到 σv2，从而使得底板岩石达到剪切破坏临 界状态。上分层 37221-1 回采过程中未出现冲击地 压，而在中分层掘进时出现冲击地压则验证了这种 破坏形式。 顶底板及煤层形成的大结构受力状态可用图 2 中模型 2 表示， 该结构由 1015-1075 遗留煤柱、 950～ 1 005 m 水平阶段采空区及 37221-1 工作面所在阶 段煤体 3 部分组成。950～1 005 m 水平阶段采空区 与 37221-1 工作面所在阶段煤体形成应力差，易在 此处造成底板的剪切破坏。 4冲击地压防治及效果 综上所述，造成中层煤掘进冲击地压形成的主 要因素是底板岩石的突然破断。为了避免这种能量 的突然释放， 设计采取底板深孔爆破措施， 在底板岩 石中形成裂隙， 避免底板岩石的突然大面积破坏， 同 时释放积聚在底板的弹性能。 炮眼布置如图 4。 爆破 孔参数见表 1。 爆破采用二级煤矿安全许用炸药进行，毫秒延 期电雷管引爆，采用正向装药结构，爆破装药如图 5， 封孔长度不小于孔深的 1/3， 且不得小于 5 m。 2 月 18 日、 3 月 6 日、 3 月 21 日出现 3 次冲击 91 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 6爆破区域能量和频次分布 Fig.6Energy and frequency distribution in blasting area 图 5爆破装药 Fig.5Explosive loading 表 1爆破孔参数 Table 1Blasting hole parameters 地压事件后，开始在 930 回风绕道向煤层底板岩层 施工卸压爆破孔， 4 月 1 日爆破第 1 组爆破孔，13～ 153 个孔同时起爆， 装药量 90 kg， 爆破瞬间诱发的 能量为 6.9104J， 爆破后附近区域的爆破区域能量 和频次分布如图 6。可见， 4 月 1 日爆破前震动能量 和频次均处于较高水平，爆破后震动能量和频次显 著下降， 反映出爆破的有效性。 在 4 月 930 日期间实施了 5 个爆破孔，为单 孔起爆，装药量均 18 kg，爆破瞬间诱发的能量为 140、 454、 690、 1 540、 7 000 J，对岩体的破裂效果较 弱， 虽然每次爆破后释放能量迅速下降， 但在 3 d 左 右时间，震动能量和频次又快速恢复。且此轮爆破 后在 4 月 16 日和 4 月 30 日分别发生了 2 次冲击地 压事件， 反映出此种装药量条件下， 爆破效果不甚 理想。 4 月 30 日冲击地压事件发生后，调整爆破参 数，将剩余孔的装药量均增加到 30 kg。此轮爆破 后， 震动能量和频次长期处于较低水平， 且 37221-1 工作面掘进过程中未再出现冲击地压事件。 5结论 1） 东峡煤矿的强水平构造应力场和顶板冲击倾 向性低于底板的条件决定了其冲击震源主要发生在 底板。 2） 底板的暗斜井、 阶段大巷及石门巷道群破坏 了底板的完整性并造成巷道间应力的集中，为冲击 震源的形成提供了条件。 3） 最大主应力方向为水平向、 最小主应力为垂 直向，上分层采空区不仅对最大主应力弱化作用较 小，反而引起垂向应力的减小，使煤岩体易达到岩 石的剪切破坏极限状态。 4） 采用大药量、 合理的底板爆破措施可以有效 的降低震动频次和能量， 避免冲击地压的发生。 参考文献 ［1］ 姜福兴， 刘懿， 张益超， 等.采场覆岩的 “载荷三带” 结 构模型及其在防冲领域的应用 ［J］ .岩石力学与工程 学报， 2016， 35 （12） 2398-2408. ［2］ Ma L Q, Sun H, Zhang Y, et al. 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