不规则工作面冲击矿压防治技术研究范文

［摘要］对不规则工作面进行多因素耦合的冲击矿压危险性分析，得到了该工作面的冲击危险性，并找出了危险区域。采用数值模拟方法，研究该不规则工作面的应力演化规律，发现断层及拐角煤柱附近应力明显高于其他区域。针对该工作面的不同危险区域及应力分布规律，提出冲击矿压综合防治技术。首先采用微震系统、钻屑法等预警技术对矿井进行整体和局部监测；然后采用煤层注水，大直径深孔卸压，深孔卸压爆破等技术对危险区域进行解危处理，有效地避免了冲击矿压灾害的发生。

［关键词］冲击矿压；危险性分析；危险区域；应力分布；监测与防治

1工作面概况

某煤矿3上1110工作面，位于-600m水平，工作面标高-500.1～-592.1m，为半孤岛工作面。工作面走向长度1614m，倾斜长度108~174m，煤层厚3.6~7.0m，平均5.1m，倾角5°～25°，平均14°，地质条件复杂，揭露断层54条，其中H≥2.0m的断层共27条。工作面伪顶为厚0.5m的泥岩，直接顶为厚6.6m的粉砂岩，老顶为厚79m的中、细粒砂岩。为回避断层影响，采用不规则工作面开采，布置有运输平巷、材料平巷、材料联络巷、联络巷导硐和运输联络巷。

2冲击矿压危险性分析及区域划分

2.1危险性分析3上1110工作面揭露断层较多，地质构造复杂，在回采初期，采取缩短工作面倾向长度的方法规避断层对工作面的影响。使工作面倾向长度在恢复正常的过程中，面临“拐角煤柱”、断层和厚硬顶板耦合作用产生的应力集中的影响，易诱发冲击矿压。对3上1110工作面的地质条件因素和开采技术因素进行综合分析，评定其冲击矿压危险性［1］。其中影响因素主要包括：（1）开采深度的影响。3上1110工作面开采深度在530~630m。据统计，当开采深度为350m＜H＜500m时，在一定程度上，冲击危险程度逐步增加。因此，该工作面具备发生冲击矿压的深度条件。（2）顶板岩层结构特征。3上煤层直接顶岩性为粉细砂岩，厚20.5m左右；老顶为粗、中砂岩，厚约79m；上覆砾岩厚106~198m，平均158m。上覆厚坚硬岩层容易形成悬臂梁，使临近煤体聚积大量弹性能。工作面采掘扰动时，会诱发弹性能突然释放，厚且坚硬岩层发生断裂或滑移而引起矿震，极可能诱发冲击灾害［3］。（3）煤的冲击倾向性。3上煤层冲击矿压倾向性为强冲击倾向，顶板冲击矿压倾向性为弱冲击倾向。（4）构造影响。断层：该工作面揭露断层54条，其中断层H≥2.0m共27条，其中材3、f90、FD3断层在运输巷揭露落差分别为3.6、5.0、2.5~7.0m，FD4断层在材料巷及01探巷揭露落差为8.0~16m，FD1断层、FD2断层、FD1-1断层为面内的隐伏断层在面内延展长度分别为200、800、300m，对回采影响较大。（5）开采因素的影响。3上1110工作面上部为回采完毕的工作面，采空区面积大，地表沉陷基本稳定，大采深、强冲击条件下的采区深部工作面随着采空区的逐渐加大，顶板关键岩层活动强度随之增大，因此开采因素对工作面发生冲击矿压危险的影响比较大。且3上1110属于不规则工作面，工作面的开切眼及停采线等区域不对齐，极易造成局部多倍甚至十几倍的应力集中，冲击危险程度急剧升高［3］。通过计算可得，工作面地质因素及开采技术条件影响下的冲击矿压危险性指数Wt=0.74，具有强冲击危险性，主要影响因素为坚硬厚岩层、开采深度、煤层物理性质［1］。

2.2危险区域划分根据工作面冲击矿压危险性的多因素耦合评价，将3上1110工作面冲击矿压危险区划分为：一般危险区4个，中度危险区2个，高度危险区2个。针对不同危险区域，应采用不同的方法来预防冲击矿压发生［2］。

3工作面应力演化规律

采煤工作面推进距离不同时，覆岩结构特征不同，在其自重压力和采动影响共同作用下，工作面应力分布规律存在差异性。另一方面，工作面受“拐角煤柱”、断层和厚硬顶板的耦合作用，基本顶和直接顶结构特征及受力特点不同，引起工作面应力分布规律不同。采用FLAC3D三维数值模拟软件，对不规则工作面不同推采进度时的应力分布规律进行了模拟研究［4-6］。

4冲击矿压监测及防治技术

该矿具有强冲击危险性，在工作面回采时，需要对矿井进行全方位监测。采用KJ551微震系统进行全局监测，钻屑法进行局部监测，KJ550系统对冲击矿压进行临场监测［7-9］。采用煤层注水，大直径深孔卸压，深孔卸压爆破技术等方法对冲击矿压危险区域进行解危处理，综合防治冲击矿压灾害［10-12］。4.1冲击矿压综合监测系统（1）KJ551微地震监测系统整体监测。系统设备包括高精度（三分量）传感器、SAT微地震监测分站、井下UTC控制单元、KJ551微地震监测主机和数据存储与处理主机等部分。将微地震检波器安装在测区内，接收震动信号，传输至井下微地震监测分站SAT，SAT分站将信号传输至UTC控制器位置，之后传输至地面数据采集主机，最后传输至数据存储及处理主机进行微地震事件的定位分析与多方位展示。（2）钻屑法局部监测。在运输平巷和材料平巷，距离煤层底板1m左右处，垂直于巷道壁、平行于煤层布置42~50mm钻孔。第一个钻孔距离工作面煤壁5m，孔间距5m。钻孔布置如图5所示。通过钻孔时的冲击声响、纯钻进时间变化、钻孔冲击、钻粉率指数等指标，判断是否有发生冲击矿压的危险。（3）KJ550煤矿冲击矿压监测系统。根据3上1110工作面深部冲击危险性评价结果，采区工作面在推采中应布置KJ550煤矿冲击矿压监测系统，进行冲击矿压的临场预报。应力测点在两平巷内自工作面前方30m开始布置，每20m一组，每组2个，埋设深度分别为8、14m，组间2个测点间距1.5~2m。钻孔直径42~45mm，距离巷道底板0.5~1.5m，垂直煤体施工。4.2冲击矿压防治技术（1）煤层注水。注水孔孔间距为15m（根据注水扩散半径确定），孔径50mm，孔的仰俯角按钻孔位置处煤层赋存情况确定。利用静压注水，注水压力不小于2.5MPa。注水超前距离为40m，超前时间为15d；注水后，煤体含水率增加不小于2.66%，煤层总水份不小于4%。（2）大直径深孔卸压技术。当钻孔布置在运输巷下帮时，钻孔俯角沿煤层倾斜向下布置，孔口距底板1.0~1.5m；布置在材料巷上帮时，钻孔仰角沿煤层倾斜向上布置，孔口距底板0.8~1.0m；孔径78~108mm，孔深15m，间距1.5~2.0m。（3）深孔爆破卸压技术［11］。小钻孔卸压爆破时，钻孔布置在运输巷下帮时，钻孔俯角沿煤层倾斜向下布置，孔口距底板0.5~1.0m；钻孔布置在材料巷上帮时，钻孔仰角沿煤层倾斜向上布置，孔口距底板0.8~1.0m；卸压孔深9m，间距5m。当小钻孔卸压不能解除冲击危险时，对预报冲击危险区域可实施顶、底板孔卸压解危。钻孔孔间距1.6m，每组2个孔，顶板孔为仰角+38°，孔深30m；底板孔俯角为-45°，孔深为30m；每次施工5组，共计10个卸压孔。炸药使用二级煤矿许用水胶炸药。在采用上述方法治理后，及时利用煤粉监测孔等监测手段对卸压效果进行检验，当综合分析检验指标符合要求后，工作面方可进行开采，否则继续进行卸压治理，直至消除冲击危险。

5结论

（1）对3上1110不规则工作面的地质条件及开采技术条件进行综合分析，计算出其危险性指数为0.74，属于强冲击危险性矿井，需要提前采取防治措施才能保证安全生产。（2）根据工作面冲击矿压危险性的多因素耦合评价，将3上1110工作面冲击矿压危险区划分为：一般危险区4个，中度危险区2个，高度危险区2个。（3）采用FLAC3D，对3上1110工作面开采过程的应力分布规律进行了数值模拟。结果发现：不规则工作面靠近断层一侧的水平应力明显高于另一侧；“拐角煤柱”一侧出现应力集中，水平应力明显高于运输平巷一侧；工作面下端部受附近断层影响较大，出现应力集中，应力明显高于上端部。（4）为防治冲击矿压灾害，提出了综合防治技术体系。采用KJ551微震系统，钻屑法，KJ550系统对冲击矿压进行整体和局部的监测；采用煤层注水，大直径深孔卸压，深孔卸压爆破技术对冲击矿压危险区域进行解危处理，防止冲击矿压发生。

［参考文献］

［1］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.

［2］窦林名，何学秋.煤矿冲击矿压的分级预测研究［J］.徐州：中国矿业大学学报，2007，36（6）：717-722.

［3］钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010.

［4］郑百生，谢文兵，窦林名，等.不规则煤柱作用下工作面开采的三维数值模拟［J］.煤炭学报，2006，31（2）：137-140.

［5］李志华，窦林名，曹安业，等.采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理［J］.煤炭学报，2011（增刊1）：68-73.

［6］李振雷，窦林名，蔡武，等.深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（2）：333-342.

［7］窦林名，牟宗龙，李振雷，等.煤矿冲击矿压监测预警与防治研究进展［J］.煤矿支护，2015（2）：17-26.

［8］陆菜平，窦林名，吴兴荣，等.煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（3）：519-525.

［9］窦林名，姜耀东，曹安业，等.煤矿冲击矿压动静载的“应力场-震动波场”监测预警技术［J］.岩石力学与工程学报，2017，36（4）：803-811.

［10］陆菜平，刘海顺，刘彪，等.深部高应力异常集中区冲击矿压动态防治实践［J］.煤炭学报，2010，35（12）：1984-1989.

［11］朱广安，窦林名，刘阳，等.深埋复杂不规则孤岛工作面冲击矿压机制研究［J］.采矿与安全工程学报，2016，33（4）：630-635.

［12］陆菜平，窦林名.煤矿冲击矿压强度的弱化控制机理［J］.煤矿支护，2012（2）：8-17.

作者：王长云1；张蓓1；刘伟2 单位：1.山西煤炭进出口集团有限公司，2.中国矿业大学