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第 22 卷 第 11 期 岩石力学与工程学报 22111866～1869 2003 年 11 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2003 2003 年 4 月 15 日收到初稿，2003 年 6 月 25 日收到修改稿。 * 国家自然科学基金资助项目50074030， 50174055， 59925411、 国家自然科学基金重点资助项目50134040与“十五”科技攻关资助项目2001BA803B0408。 作者 窦林名 简介男，40 岁，博士，1983 年毕业于西安矿业学院采矿工程系，现任教授、博士生导师，主要从事矿山压力、冲击矿压研究方面的 工作。 孤岛工作面冲击矿压危险及其控制孤岛工作面冲击矿压危险及其控制 * * 窦林名 何 烨 张卫东 中国矿业大学能源学院 徐州 221008 济宁二号矿 兖州 272100 摘要摘要 孤岛工作面及其周围巷道附近应力集中程度高，顶板运动剧烈，再加上地质构造的影响，当采深较大时， 冲击危险程度很高，很容易引发冲击矿压。孤岛工作面冲击矿压危险检测预报及控制的技术是先分析冲击危险程 度，确定冲击危险指数，提出早期预报，然后，采用电磁辐射和钻屑法进行及时预报，最后，采用卸压爆破进行 处理，并采用电磁辐射和钻屑法检验防治措施的效果。实践证明，这套技术安全、可靠、有效，能够保证在工作 面进行高效生产。 关键词关键词 矿业工程，孤岛工作面，冲击危险，电磁辐射，预测 分类号分类号 TD 324 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000-6915200311-1866-04 HAZARDS OF ROCK BURST IN ISLAND COAL FACE AND ITS CONTROL Dou Linming1，He Ye1，Zhang Weidong2 1College of Mineral and Energy Resources，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008 China 2Jining No.2 Mine， Yanzhou 272100 China Abstract At the island coal face and its surrounding roadways，the stress concentration is at a very high level， the movement of the roof is also drastic，and the influence of the geological tectonics is significant. The more the mining depth is，the more the hazard degree of rock burst is. So the rock burst can be rendered easily near the island coal face， and monitoring， forecasting and controlling of the hazard are necessary. Firstly， the hazard extent of rock burst is analyzed to determine the index of the hazard of rock burst and to present the incipient forecast. Secondly，the rock burst can be forecasted instantaneously with electromagnetic emission EME and drillings. Finally，the island coal face should be handled with relieving shot，and the effect of control measures can be proved with EME and drillings. The practices prove that the presented technology can assure the safety and high production efficiency of the coal face. Key words mining engineering，island coal face，hazard of rock burst，electromagnetic emission，forecast 1 引引 言言 某矿 2303 工作面为孤岛工作面[1]。 在轨道顺槽 掘进至切眼附近时，曾出现煤岩动力现象，巷道掘 进头的底板在 0.5 h 之内膨胀起 500 mm。该矿区另 一个矿在类似的孤岛工作面条件下，曾发生冲击矿 压，造成人员的伤亡和巷道的破坏。为了保证安全 生产， 对 2303 工作面开展了冲击矿压预报及控制研 究工作。 由于对冲击矿压预测准确、 治理措施得当， 故工作面在开采过程中，没有产生任何煤岩动力显 现，保证了在工作面的安全开采，取得了明显的经 第22卷 第11期 窦林名等. 孤岛工作面冲击矿压危险及其控制 1867 济效益和社会效益。 2 孤岛面冲击矿压预测及控制方案孤岛面冲击矿压预测及控制方案 2.1 冲击矿压影响因素分析冲击矿压影响因素分析 1 随着开采深度的增加，煤层中的自重应力 随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。 2 在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中 的巷道或工作面均有可能发生冲击矿压。煤的强度 越高，冲击倾向性越大，引发冲击矿压所要求的应 力越小，越容易发生冲击矿压。 3 顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬的厚 层砂岩顶板是决定冲击矿压发生的主要因素之一[2 ， 3]。其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量 的弹性能。在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量的 弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型 冲击压力型冲击矿压或顶板型冲击型冲击矿压 发生。 4 煤系地层的动力运动形成的断层、皱曲等 地质构造对煤矿冲击矿压的发生有较大的影响[2 ，3]。 实践证明，冲击矿压经常发生在向斜轴部，特别是 构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层皱 曲、构造应力带。 2.2 预测及控制方案预测及控制方案 孤岛工作面冲击矿压危险性监测预报与控制主 要从分析工作面生产技术条件出发，分析工作面周 围的应力分布状态。在工作面生产过程中，采用电 磁辐射法和钻屑法及时预测冲击矿压危险。在冲击 危险性高的区域和地段，采用卸压爆破的方式，对 危险区域进行解危，并采用电磁辐射法和钻屑法对 防治效果进行检验。如果冲击危险已降低，则可进 行正常生产；如果冲击危险性没有降低，则需进一 步采取措施， 待危险性降低后， 方可进行正常作业。 孤岛面冲击矿压危险性检测预报及控制方案见图 1 所示。 3 孤岛面冲击矿压危险预测孤岛面冲击矿压危险预测 3.1 工作面生产技术条件工作面生产技术条件[1] 2303 工作面标高为－497～－530 m，平均为 －513 m，地面标高为34.4 m。井下位置为东到北 翼大巷，南邻 下 23 02工作面采空区，西距2300工 作面采空区28～58 m，北邻 下 23 04工作面采空区， 见图2所示。该工作面三面为采空区，形成孤岛煤 图 1 孤岛面冲击矿压危险性检测预报及控制 Fig.1 Monitoring，forecasting and controlling of rock burst arround the island coal face 图 2 2303 工作面布置示意图 Fig.2 The sketch of coal face2303 柱，而且在 下 23 03工作面开采初期的轨道顺槽边上 是2300工作面采空区与23下02工作面采空区所夹 的100 m煤柱。 此外， 在轨道顺槽距工作面约100 m 处，还存在着落差为9.0 m的 21 32 F断层。 2303工作面回采 下 3煤层。煤层起伏变化大， 煤层倾角为2 ～10 ， 平均为6 。 煤厚为4.7～7.1 m， 平均为5.97 m。煤层的普氏系数f1.91，为中硬 煤层。根据中国矿业大学测定，该煤层具有中等冲 击倾向性。 煤层顶板为泥岩， 厚度为1 m，f1.5～ 3，直接顶为粉砂岩，厚度为5.4 m，f4.0～7.0， 老顶为中砂岩，厚度为12.0 m，f7.0～13.5。顶 板中存在着厚层的砂岩。 3.2 工作面冲击危险性预测工作面冲击危险性预测 根据支承压力变化及分布规律分析，2303工作 面开采初期的100 m煤柱区域是冲击矿压危险性最 大的区域，该区域内将产生高应力集中现象，故 2303工作面的冲击矿压危险主要集中在工作面的 轨道顺槽； 其次是工作面老顶的初次来压和断层带。 当工作面推进到坚硬顶板初次断裂垮落时，有可能 在顶板下沉过程中引发冲击矿压，造成冲击危险。 1868 岩石力学与工程学报 2003年 通过综合指数法可以预先确定冲击矿压危险指 数[2 ，3]。这主要是通过分析 2303回采工作面周围的 地质条件，确定地质因素影响下的冲击矿压危险指 数； 通过分析2303回采工作面及两条巷道沿走向的 各开采技术条件对冲击矿压危险程度的影响，确定 在开采技术条件影响下的冲击矿压危险指数。 分析结果表明，按地质因素考虑，2303工作面 冲击矿压危险指数 1t W0.58，属于中等冲击危险。 按开采技术条件确定，2303工作面巷道各点的冲击 矿压危险指数 2t W是不同的。在工作面开采初期的 100 m范围内，冲击矿压危险性最大，其危险性指 数达0.67，属于中等偏强的冲击矿压危险，而过了 煤柱区后，冲击矿压危险指数为0.39，属于弱冲击 危险，见图3所示。 图 3 2303 工作面冲击矿压危险区域 Fig.3 The rock burst region of face 2303 通过上述分析， 可以确定2303工作面开采初期 的煤柱区和断层区域，是冲击矿压危险监测和治理 的重点区域。 3.3 电磁辐射和钻屑法及时监测预报电磁辐射和钻屑法及时监测预报 对于2303工作面的冲击矿压危险， 采用电磁辐 射和钻屑法相结合的预测预报方法。 研究表明，受载煤岩体在其变形破坏过程中将 产生电磁辐射， 电磁辐射的强弱与煤岩体受力大小、 变形破裂过程紧密相关[2 ，5～9]。 因此， 电磁辐射可用 来预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现 象。其主要参数是电磁辐射强度和脉冲数，电磁辐 射强度主要反映煤岩体的受载程度及变形破裂强 度，脉冲数主要反映煤岩体变形及微破裂的频次。 关键层的剧烈运动，使得煤体受力变化幅度大，煤 体破裂剧烈，这将引起工作面及其周围巷道内电磁 辐射的全面升高。 电磁辐射监测采用定点监测和普查相结合的方 式，即对轨道顺槽采用定点监测，其余地点如工作 面、巷道及其他区域采用普查的方式。监测时间为 每两个班监测一次，每点测量时间为2 min。监测 指标为电磁辐射幅值最大值、幅值平均值、脉冲数 等三个。 钻屑法主要是在煤层钻孔时依据煤粉量的多少 和钻孔时的动力现象，来判断应力的大小和冲击的 危险性。钻屑法主要监测轨道顺槽两帮煤柱的应力 集中情况。对观测的区域，如果钻屑检测或电磁辐 射已处于临界危险状态，必须将两者检测结果进行 对比， 如果确认处于危险状态则必须采取解危措施。 在2303工作面回采期间， 共发出7次冲击矿压 危险警报， 处理了5次， 保证了工作面的安全生产。 图4为3月3日早班监测的轨道顺槽电磁辐射的变 化情况[1]，由图可见，距切眼50 m，70 m处，电磁 辐射较强，说明此处的冲击矿压危险性较大。 4 冲击矿压危险的控制冲击矿压危险的控制 对冲击矿压危险的控制采用卸压爆破来进行。 根据电磁辐射和钻屑法的监测结果，对监测指标超 过临界值的区域及时采取了卸压爆破措施，并用电 磁辐射及钻屑法对卸压爆破后的解危效果进行了监 测，结果表明解危措施取得了较好的效果，同时也 证明了钻孔布置、爆破参数的选择是合理的。 图 4 某年 3 月 3 日早班轨顺内帮的电磁辐射监测结果 Fig.4 The EME monitoring result inside the airway on 3 March of some year 第22卷 第11期 窦林名等. 孤岛工作面冲击矿压危险及其控制 1869 a 3 月 3 日中班爆破前的电磁辐射 b 3 月 3 日中班爆破后的电磁辐射 图 5 卸压爆破前后轨顺内帮的电磁辐射变化图 Fig.5 The EME change inside the airway before and after unloading blast 图5为卸压爆破前和卸压爆破后5 min内监测 的电磁辐射结果。从这可以看出，卸压爆破后，电 磁辐射变化剧烈，说明爆破后煤体破碎剧烈，卸压 爆破的效果明显。 2303工作面的卸压爆破工作分5次进行。 前三 次为对原煤体进行爆破，第4次是在原煤体爆破后 的基础上，实行二次爆破。从宏观上看，卸压爆破 后，煤壁较完整，没有出现大的煤壁破坏现象，而 爆破后，煤壁有明显的外凸现象，说明爆破起到了 松散煤岩体的效果。 5 孤岛面冲击矿压治理的体会孤岛面冲击矿压治理的体会 孤岛面冲击矿压监测预报和控制的主要体会 是理论分析是冲击矿压防治的基础，要有效控制 冲击矿击必须对冲击矿压发生的机理有充分的认 识，并做好相应的监测治理工作。冲击矿压的发生 是有规律可循，是可以检测到的。一般在冲击矿压 危险性高的区域，电磁辐射值高，钻屑量特别多。 卸压爆破解危措施是一种非常有效的防治冲击矿压 危险的方法，只要爆破威力达到相应要求，就能够 控制冲击矿压的发生。严格按规程和防治措施要求 施工和作业是防治冲击矿压的保障。 通过对孤岛面2303工作面冲击矿压危险的分 析和控制治理，保证了工作面的安全生产，取得了 较好的社会效益和经济效益。工作面安全通过了冲 击矿压危险区和断层带，月推进250 m，创造了月 产37104 t的好成绩， 并且获得了许多宝贵的经验。 参参 考考 文文 献献 1 济宁二号矿， 中国矿业大学. 济宁二号矿 23 下 03 工作面冲击矿压 监测治理总结报告[R]. 2002 2 窦林名，何学秋. 冲击矿压防治理论与技术[M]. 徐州中国矿业 大学出版社，2001，10 3 Dubinski J，Konopko W. Tapnia-Ocena，Prognoza，Zwalczanie[M]. KatowiceGlowny Instytut Gornictwa Press，2000 4 Dou Linming，Drzezla B. Zmodyfikowana kompleksowa metoda oceny stanu zagrozenia tapaniami w kopalniach wegla kamiennego[J]. Przeglad Gorniczy，1998，541120～25 5 何学秋，刘明举. 含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[M]. 徐州中国矿 业大学出版社，1995 6 窦林名. 煤岩突变的声电效应规律及其应用研究[R]. 博士后研究 报告，徐州中国矿业大学，2001 7 窦林名， 曹其伟， 何学秋等. 冲击矿压危险的电磁辐射监测技术[J]. 矿山压力与顶板管理，2002，19489～91 8 窦林名，何学秋，王恩元. 由煤岩变形破坏所产生的电磁辐射[J]. 清华大学学报自然科学版，2001，411286～88 9 Dou Linming，He Xueqiu，Wang Engyuan，et al. Experimental research on the electromagnetic emission of rock and coal burst failure[J]. Zeszyty Naukowe Politechniki Slaskiej，2000246371～ 376