冲击矿压综合防治技术体系及应用

蓝 航,毛德兵,潘俊锋,彭永伟,夏永学,王书文

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013）

冲击矿压综合防治技术体系及应用

蓝 航1,2,毛德兵1,2,潘俊锋1,2,彭永伟1,2,夏永学1,2,王书文1,2

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013）

分析了目前在冲击矿压危险评价、监测手段及防治方法研究中存在的问题,提出建立一套冲击矿压综合防治技术体系。该体系建立在以地球物理探测方法为主的实测基础上,以地质构造异常探测、冲击危险源识别和剩余能量消耗为特征,对冲击矿压危险进行分阶段和分区域评价及防治。工程实践表明,该体系能对冲击矿压进行有效预警并能预防和减弱冲击矿压的危害,达到保证人员和设备安全的目的。

冲击矿压;防治体系;地球物理

随着我国经济建设对能源需求的增加,我国煤矿的开采深度和强度也在不断增加。按照 8～12m/a的采深速度,2010年我国国有重点煤矿采深平均将达到 700m,预计未来 10～20a我国煤矿将全面进入深部开采阶段。深部开采具有“三高一扰动”（高地应力、高地温、高岩溶水压及采矿扰动）的复杂力学环境[1]。在深部高地应力 （包括自重应力和构造应力）和采矿扰动条件下,冲击矿压等动力灾害发生的频率及强度都会不断增加,冲击矿压矿井数量还在不断增加,仅 2010年就新增多个冲击矿压矿井。在当前我国冲击矿压防治面临的形势十分严峻的背景下,开展冲击矿压防治技术研究显得十分紧迫和必要。

1 冲击矿压研究现状

目前对冲击矿压的研究主要集中在冲击矿压的发生机理、冲击矿压危险性评价、冲击矿压监测手段及指标和冲击矿压防治方法等 4个方面。

1.1 发生机理

在冲击矿压的发生机理方面,已经提出了多种模型[2],但冲击矿压发生的类型和影响因素众多,还没有一种理论或模型能考虑所有影响因素并对每一种冲击矿压都做出合理解释。比较公认的一种解释是能量失稳理论,即当煤岩体破坏导致矿体与围岩组成的变形力学系统平衡被打破时,释放的能量大于所消耗的能量,剩余能量转化为使煤岩抛出、围岩震动的动能并以猛烈、急剧的方式释放出来。但目前对冲击矿压的能量失稳研究大都还是停留在理论阶段,不能有效指导防冲实践。

1.2 危险性评价

对冲击危险性评价,是在冲击矿压发生机理研究的基础上,从冲击矿压发生的地质条件和开采技术条件出发,将各种地质和开采技术影响因素进行量化并计算给出冲击矿压危险程度。主要有综合指数法[3]、地质动力区划法[4]、数量化理论[5]和模糊数学方法[6]等。

1.3 监测预警方法及指标

目前现场应用最多的冲击矿压监测及预警方法主要有:钻屑法[7]、应力监测法[8]、电磁辐射法[9]、地音及微震法[10-11]。钻屑法和应力监测法都属于接触式探测方法,需要进行钻孔工程,打钻费时费力,而且限于钻孔数量,探测范围十分有限。电磁辐射法和地音及微震法都属于非接触式的地球物理探测方法,可以进行实时在线监测,因此,近年来已逐渐在我国进行应用。电磁辐射法的缺点在于受井下复杂电磁环境干扰较大,而且监测范围也只有数十米。地音和微震的区别在于各自接收震动事件的频率范围和能量大小不同。微震更适合接收低频高能量事件 （如顶板突然断裂）。通过在顶板、煤层和底板中布置探头 （或拾震器）并实时采集煤岩体在应力作用下发生破坏而产生的应力波。微震监测具有远距离接收、动态和三维显示的特点,可实时接收并保存煤岩震动信号,从而为冲击矿压危险预测提供基础数据。

1.4 防治方法

我国对冲击矿压所采取的防治方法可分为 3类:开采设计优化方法、主动解危方法和加强或改善支护方法。

开采设计优化方法通过巷道布置优化和保护层开采等手段可达到消除应力多次叠加产生的应力高度集中的目的。由于在浅部开采中很少碰到冲击矿压问题,因此,很多煤矿在开采设计阶段没有考虑开采中的应力叠加问题,从而造成在开采中出现很多煤柱应力集中的不利局面。

主动解危方法是在已有冲击矿压危险的区域实施包括煤层注水、煤层卸压爆破、断顶断底爆破、钻孔卸压、卸压硐室、定向水力割缝等手段改变煤岩层自身的冲击倾向性质,或将高应力区转移或释放,从而解除该区域的冲击矿压危险。目前这方面的应用研究较多。

加强或改善支护方法通过增大支护强度或改善支护方式以提高支护体抵抗冲击的能力。这是一种被动防护方法,不能减少冲击矿压的发生,但在采用主动解危的条件下,能起到保护人员和设备安全的特殊作用。目前这方面的研究还有待深入。

1.5 存在问题

根据以上对冲击矿压研究现状的分析,发现在以下方面还有待深入研究:

（1）从冲击矿压发生的典型条件看,地质构造是一个主要的影响因素。但目前对地质构造的影响实测研究较少,地应力测试又受到钻孔工程的限制,数据量少。另外,缺乏对工作面隐伏地质构造的探测,这些不明地质构造区往往是应力异常区,一旦与采动应力叠加,将成为潜在的冲击危险源。

（2）虽然对开采过程中的应力变化和煤岩破坏已经有了较好的监测手段,但在实际应用中,由于这些手段各自的监测范围不同,评价指标各异,如何综合处理多源监测数据,做出合理的分析和解释,并达到较准确的短期预警和长期预报的目的,还是一个问题。

（3）在生产阶段对冲击矿压的防治研究要么只采取主动解危的方法,要么只是通过加强支护提高围岩体抵抗冲击的能力。从实践来看,这两种方法在冲击危险程度不大的矿井可能比较奏效,但在强冲击危险矿井,单纯采取主动解危或加强支护的方法还不能取得满意效果。

（4）对冲击矿压的理论研究要么理论性太强,要么系统性太弱,或偏重于对冲击矿压发生机理的解释,与煤矿现场的防冲需求还有一定距离。随着冲击矿压显现的日趋强烈,煤矿迫切需要一种能有效指导现场的防冲理论及相应的技术体系。

2 冲击矿压综合防治技术体系

针对以上问题并根据多年来我国冲击矿压防治的实践经验,解决冲击矿压的首要问题在于分阶段、分区域进行冲击矿压危险判定,然后在此基础上有针对性地采用多种手段进行综合预测预报与防治。为此,本文提出建立基于地球物理探测技术的冲击矿压综合防治体系。该体系的内容包括:采动围岩的能量计算、采前构造异常探测及冲击危险预评价、冲击矿压危险源的层次化辨识和剩余能量消耗防冲实践。该体系的特点如下:

（1）建立在以地球物理探测方法为主的实测基础上,对地质异常分布和煤岩破坏的时空分布进行实测,为冲击矿压的评价、预测和防治提供基础数据。

（2）综合多源监测数据分析结果,识别冲击危险源,从而做到对冲击矿压防治的有的放矢。

（3）实现对冲击矿压危险的分阶段 （采前和采中）和分区域 （采前无、弱、强冲击危险区和采中不同危险源区域）的预测和治理。

（4）从冲击矿压发生的能量机理出发,通过剩余能量的消耗达到防治冲击矿压和保证人员安全的目的。

2.1 采动围岩的能量计算

设采动煤岩体在弹性阶段集聚的弹性应变能为Ee,塑性阶段耗散的塑性应变能为 Ep,则围岩的剩余弹性能可表示为:

可根据现场煤岩层条件和开采条件在数值模拟软件中建立计算模型,并根据式 （1）计算得到各单元的剩余弹性应变能,如果 Er≥0,则具备冲击矿压发生的能量失稳条件。

2.2 采前构造异常探测及危险性预评价

煤岩体由于地质构造形成的不均匀性可通过地震波速反映。为了定量表征地震波速变化,可引入地质异常系数描述冲击矿压地质构造影响程度:

式中,V为煤岩体波速,m/s;V0为应力正常区波速,m/s。

波速异常值为实测煤岩体波速大小与应力正常区的波速大小之差,该值可以为正值,亦可为负值。地质异常系数表示由于地质异常引起的波速变化程度。对于同一岩性而言,若 fv为正值,则表明该处煤岩体可能处于应力集中区;若为负值可解释为应力释放区、顶底板破碎等地质现象。fv的绝对值越大,表明异常程度越大。

煤层的冲击倾向性测定以后,其冲击倾向性是一致的。但是大量的冲击矿压实例表明,冲击倾向性指标相同的同一煤层煤体,在井下不同位置处,受力状态不同,诱发冲击矿压的能力并不相同,即冲击危险性不同。因此,冲击危险性评价应包括采动应力这一因素。在实际开采前,可采用数值模拟方法对不同开采进度条件下的采动应力进行模拟,并采用最大主应力σ1与最小主应力σ3之差与完整岩石单轴抗压强度σc之比作 fs为评价煤体冲击危险性的指标之一。

综合煤体和岩体冲击倾向性、地质异常系数和采动应力指标,定义冲击危险性动态指数为:

式中,μ1和μ2分别为煤层和岩层冲击倾向指标的隶属函数值;μ3为波速异常系数的隶属函数值;μ4为采动应力的隶属函数值。c1,c2,c3和 c4分别为各指标的权重。计算出的冲击危险性动态指数按表 1进行分类。

表1 冲击危险性动态指数分类

2.3 采动过程中冲击危险源的层次化辨识

定义冲击矿压能量积聚至破坏启动的区域为冲击矿压危险源。冲击矿压发生经历 3个阶段:第 1阶段为冲击矿压危险源产生;第 2阶段为源头能量向外瞬间传递扩散过程中,次生冲击矿压危险源不断产生;第 3阶段为冲击矿压在采掘空间的显现。冲击矿压危险源可能产生于围岩近场、远场范围,且冲击矿压危险源的形成始终随着采动煤岩层的时空演化而处于动态变化过程中。采用不同的监测技术对冲击矿压危险源进行层次化辨识,是冲击矿压准确有效防治的基础[12]。局部危险点识别可采用钻屑法或钻孔应力计法,回采和掘进工作面范围危险源可采用电磁辐射或地音监测法进行识别,井田和采区范围的危险源可采用微震法识别。

2.4 剩余能量消耗防冲机理

由式 （2）,动载条件下的能量方程为:

式中,ρ为煤岩介质密度;A为振幅;ω为震动角频率。进一步可得[13]:

式中,A1,A2,ρ1,ρ2,c1,c2分别为介质 1和介质2的振幅、密度和波速。

定义密度和波速的乘积为波阻抗 Z:

由式 （8）,地震波在不同介质中传播时,介质的振幅与其波阻抗的平方根成反比。由式 （7）,振幅又直接与能量和剩余能量相关。由于剩余能量为冲击矿压的能量来源,由此可确定冲击矿压的防治原则为及时有效地将剩余能量消耗掉。

冲击矿压剩余能量消耗防冲机理如图 1。

震源沿某一方向传递的能量为 E震源,该能量分别被卸压区和支护区吸收,由此可得:

由于卸压区和支护区内煤岩体的密度和应力波在其中的波速不同,卸压区的波速和密度均比支护区小,因此,卸压区的波阻抗要大于支护区的波阻抗,由式 （7）、式 （8）,卸压区吸收的能量会远大于到达支护区的能量,由此可得剩余能量消耗防冲机理为:

（1）通过强卸压手段 （爆破、高压注水等）将深部高应力释放和转移,卸压区起到主要吸收剩余能量的作用。

（2）通过可变形强支护手段 （高强度整体组合支护）一方面通过一定的变形量,消耗掉部分剩余能量;另一方面提高巷道围岩的强度和刚度,以抵抗冲击能量。支护区起到次要吸收剩余能量和抵抗剩余能量的作用。

图1 剩余能量消耗防冲机理

3 应用实例

千秋煤矿采用综放开采特厚煤层,其顶板和煤层均有冲击倾向性。目前,开采深度已接近 800m。矿井在 1991年首次发生冲击矿压。近年来,随着矿井开采深度的不断加大,冲击矿压显现开始严重。2008年 7月,开始与科研单位合作开展 21141孤岛煤柱开采冲击矿压防治的研究工作。

通过应用基于地球物理探测的冲击矿压综合防治体系,已取得冲击矿压防治的明显成效,截止到本文成稿时,发生的 11次冲击事件都在可控范围之内,没有人员伤亡,也没有影响正常生产。

图2和图 3分别为静载和动载条件下 21141工作面巷道围岩剩余弹性能分布情况。

图2 静载条件巷道围岩剩余弹性能分布

图3 动载条件巷道围岩剩余弹性能分布

由图 2和图 3,千秋煤矿 21141工作面回采巷道具有发生冲击矿压的能量条件,尤其是在动载作用下,巷道围岩更容易发生冲击矿压。

图4为在距 21141切眼约 1000m,利用 PASAT-M微震探测系统探测出工作面前方的波速分布,并利用式 （3）计算出工作面前方煤岩体内的速度变异指数分布图。

图4 工作面前方煤体内速度变异指数分布

由图 4可见在煤岩体内不存在较大的地质构造,在两巷附近,尤其是下巷附近存在波速增高,波速变化较大区域。

根据现场实测及不同推进距离的数值模拟结果,提取工作面推进不同距离时围岩的主应力,然后按式 （4）和式 （5）进行计算,可确定不同推进距离时的冲击危险性的区域。得到工作面前方100m的冲击危险性影响因素以地质因素、冲击倾向性、工作面巷道开挖时采动应力为主,两巷附近冲击危险性动态指数接近 0.4,冲击危险性为无。当工作面推进距研究区域 50m,10m时,受二次采动影响,两巷附近,尤其下巷,冲击危险性动态指数上升至 0.4～0.6,达到弱冲击危险,需要采取一定的解危措施。

图5为千秋煤矿 21采区范围内 2009-10-3到 2010-6-9之间微震事件的空间分布。

图5 千秋煤矿微震事件三维分布

缺震是指地震活动规律在事件分布上的反映,如果某一地区一定时间内平均最大震级低于该地区长期最大平均震级,那么这个地区在未来一段时间内就应该发生一些较大的地震来缺补,即这个区域就可能发生一些较大微震来补足这个长期平均震级的缺额,缺震就意味着将要发生较大震级的地震。

采用缺震法成功预测了 2010年 5月 27日发生在千秋煤矿 21141工作面应力异常带的 1次冲击事件,见图 6。研究表明缺震这一概念同样适用于地下开采引起的微震活动,即缺震意味着将要发生缺失震级的微震活动趋势。

图6 缺震预测冲击矿压效果

图7为根据剩余能量消耗防冲机理实施的巷道围岩爆破卸压效果图。

图8和图 9分别为采用工字钢支护和 “O”型圈支护在发生冲击后的巷道状况。由图可见,采用可变形强支护手段能够有效抵抗和吸收剩余能量,起到保护人员和设备安全的目的。

图7 巷道围岩爆破卸压效果

图8 工字钢支护条件巷道冲击状况

图9 “O”型圈整体支护条件巷道冲击状况

4 结论

（1）针对目前对冲击矿压研究中存在的问题,提出了建立基于地球物理探测技术的冲击矿压综合防治技术体系。

（2）该体系以地质构造异常探测、冲击危险源识别和剩余能量消耗为特征,实现对冲击矿压危险进行分阶段和分区域评价及防治。

（3）现场实践表明应用该体系能成功预测冲击矿压的发生并有效控制冲击矿压的灾害程度,达到保证人员和设备安全的目的。

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Comprehensive Rock-burst Prevention Technology System and Its Application

LAN Hang1,2,MAO De-bing1,2,PAN Jun-feng1,2,PENG Yong-wei1,2,X IA Yong-xue1,2,WANG Shu-wen1,2
（1.Mining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;
2.Mining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China）

In order to resolve the problems in current research on rock-burst danger evaluation,monitoringmethods and prevention and controlmethods,the paper put forward a comprehensive rock-burst prevention and control system by analyzing typical conditions of rock-burst occurrence.The system characterized by geological tectonic detection,rock-burst danger source identification and residual energy dissipation on the basisof geophysical exploration and other actualobservationmethods.It could realize staging and zoning rock-burst evaluation,prevention and control.Practice showed that the system could effectively predict rock-burst and reduce hazard degree to ensure safety of personnel and equipments.

rock-burst;prevention and control system;geophysics

TD324

A

1006-6225（2011）03-0119-05

2011-04-06

国家重点基础研究发展计划 （973）项目 （2010CB226806）

蓝 航 （1978-）,男,湖北利川人,土家族,博士,高级工程师,从事冲击矿压研究。

[责任编辑:邹正立]