褶曲附近矿震显现规律在防冲实践中的应用＊

吕亚军 窦林名 张军伟 李 宁 谢 龙

（1.华亭煤业集团，甘肃省华亭县，744100；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008）

褶曲附近矿震显现规律在防冲实践中的应用＊

吕亚军1窦林名2，3张军伟2，3李 宁2，3谢 龙2，3

（1.华亭煤业集团，甘肃省华亭县，744100；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008）

采用SOS微震系统对砚北煤矿250204工作面回采至褶曲区域及250203运输巷掘进至褶曲区域的矿震活动进行监测，分析了矿震活动规律和褶曲附近的应力分布情况，以及褶曲对采掘过程的影响，在此基础上提出了切实有效的防冲技术措施。实践表明，该措施能够有效降低在褶曲附近作业时的冲击矿压危险。

褶曲区域 SOS微震系统 应力集中 矿震规律 防冲措施

冲击矿压是矿井巷道和工作面周围煤岩体中聚集的大量弹性能的瞬间释放导致的爆炸性事故，常伴随有煤岩体抛向采掘空间，造成煤岩体强烈震动和破坏，以及设备损坏和人员伤亡等。研究表明，地质条件是影响冲击矿压发生的重要因素，主要表现为地质条件对原岩应力的影响。原岩应力主要包括岩体重力和构造残余应力。褶曲主要是由水平应力挤压形成的，褶曲带应力场比同深度的没有特殊地质构造区域的应力场大得多。

当采掘工作面在褶曲附近进行回采时，煤岩体应力高，积聚的弹性能较高，易诱发矿震和冲击矿压。微震监测技术可监测和分析矿震的分布规律，并确定冲击危险等级，基于微震监测结果，通过采取针对性防冲措施进行及时解危，可使危险区域冲击危险程度降低到安全水平，以达到冲击矿压防治目的。

1 工作面概况

250204工作面为砚北煤矿2502采区第三个工作面，开采5＃煤层，工作面标高为＋1100～＋1220 m，地面标高为＋1509～＋1603 m，煤层厚度22.08～32.95 m，平均厚度为27.6 m，煤层倾角5～10°，平均8°，其中部过一褶曲区域。南部至2502采区辅运大巷，北部至井田边界砚峡保护煤柱内，西部为250205采空区，东部为250203掘进工作面。工作面为采区式布置，沿煤层走向开采，走向长度1992 m，倾斜长度220 m，区段保护煤柱8 m。工作面采用分层综放开采，分层厚度10～13 m，全部垮落法处理采空区。

2 褶曲附近的矿震规律分析

250204采煤工作面和250203掘进工作面在2012年2月1－4月2日期间共监测到矿震507次。震动能量分级统计见表1，震源及能量分布见图1。

由表1可知，震动能量主要集中在104J以下，104～105J的也占到三分之一，大于104J的矿震次数总共占37.08%，说明这段时间工作面附近矿震活动中大能量事件较多，表明工作面附近微震活动规律总体上变化较剧烈。

表1 2012.2.1－2012.4.2日矿震数据统计

图1 矿震震源及能量分布平面投影（2012.2.1－2012.4.2）

由图1可知，250204和250203工作面在采掘过程中，能级104J以上的微震主要分布在褶皱造成的高应力区域，即250204工作面回采到褶曲附近和250203掘进工作面运输巷掘进褶曲附近。在其它附近区域，较大能量的微震分布较少。

微震活动本质是能量的转化和传播。在微震未发生时，能量以弹性能的形式储存在岩体中；微震发生时，岩体中储存的弹性能转化为机械能以振动波的形式传播出去。褶曲中的岩体应力水平越高，积聚的弹性能越多，产生的104J能级以上微震就越多。因此，104J能级以上微震事件集中分布于褶皱区域。

3 防冲技术分析及现场应用

3.1 巷道防冲机理分析

对于受冲击危险的巷道，根据巷道围岩强弱强结构防冲原理，对巷道围岩采取松散煤岩体的措施，以达到吸波消能的作用，降低煤体的强度、降低煤体的冲击倾向性和振动释放能量，并使巷道围岩的高应力向煤岩体深部转移。依据该原理，使巷道围岩达到抗冲击或减弱冲击的目的，就必须加强巷道支护。巷道从里向外依次为：最里圈，由巷道支护组成的小结构（强结构）；小结构之外，是经过松散解危后的弱结构；在弱结构之外，是没有经过扰动的原岩结构（强结构）。

3.2 防冲技术措施

由于褶曲附近应力分布不均匀，采掘过程中，使该区域顶底板局部形成应力集中，在该区域一定范围内，加强支护密度和锚杆、锚索的支护质量，形成强弱强的小结构；同时通过采取一定的卸压措施，降低煤岩体的应力集中，以形成强弱强的弱结构。这样就可能避免冲击灾害的发生。通过现场经验，主要有顶板深孔爆破、底板卸压爆破、底板大直径钻孔卸压、煤体大直径钻孔卸压、煤体卸压爆破等措施。

通过微震、CRMS冲击在线监测、钻屑量监测采掘工作面前方有冲击危险时，首先采取煤体大直径钻孔卸压，然后再监测前方有无冲击，如果冲击没有有效减弱，那么就采取煤体卸压爆破、顶板卸压爆破和底板卸压爆破，直至确认前方冲击减弱或无冲击时，方可进行其它作业。

3.2.1 250204工作面两巷煤体大直径钻孔卸压设计

受采动影响，回采工作面两帮煤体易积聚弹性应变能，为进一步消弱冲击显现程度，需对煤体加大卸压力度。具体卸压措施如下：

（1）运输巷卸压施工。卸压钻孔直径大于110 mm，巷帮两侧孔深15～20 m，钻孔距巷道底板1.2m，平行煤层方向，呈三花眼布置，卸压范围为工作面前方300m。卸压钻孔布置如图2（a）和图2（b）所示。

（2）材料巷卸压施工。材料巷仅对内帮实施大直径钻孔卸压，由于留设小煤柱护巷，煤柱侧暂不需采取卸压措施。煤壁钻孔参数同运输巷。

图2 运输巷大直径卸压钻孔布置示意图

3.2.2 250203掘进工作面卸压爆破设计

受采动和地质构造应力的影响，掘进工作面两帮与掘进头位置煤体易积聚弹性能，为防止强矿压显现，该区域需要采取一定力度的煤体卸压爆破和大直径深孔卸压爆破措施。

（1）两帮卸压施工。掘进头后方100 m范围，每隔5 m施工一个普通钻孔与一个大直径深孔，相互错距为2.5 m，皆垂直于两帮、距离底板1～1.5 m。

普通钻孔孔径42 mm、孔深10 m，采用2＃煤矿许用炸药，单孔装药量3 kg，导爆索导爆，煤矿许用毫秒电雷管引爆，封泥长度不小于4 m。

大直径深孔孔径65 mm（或使用更大孔径）、孔深24 m，采用2＃煤矿许用炸药，单孔装药量9 kg，导爆索导爆，煤矿许用毫秒电雷管引爆，封泥长度不小于6 m。

（2）掘进头卸压施工。煤体卸压爆破每组3个钻孔，沿掘进方向垂直于煤壁，距离底板1.5 m，孔深及装药参数同两帮卸压钻孔施工中的普通钻孔参数。装药封孔完毕后3个孔串联同时起爆，每掘进5 m实施一组钻孔。若巷道周边破碎，应适当加大钻孔深度。

3.3 卸压效果分析

根据钻屑量与煤体应力状态具有定量的关系，即在其他条件相同的煤体中，当应力状态不同时，其钻孔的煤粉体积或质量也各不相同，当单位长度的排粉量大于或等于钻屑临界值，说明该区域的应力集中程度明显，冲击危险性较高。此外，钻屑过程中的动力效应可以作为该区域冲击倾向的一个重要指标。因此通过钻屑量和其中的动力效应两个指标来检验采取卸压之后的效果分析。表2为砚北矿钻屑量临界值指标。250204工作面运输巷和250203掘进工作面运输巷钻屑孔布置如图3所示。

表2 砚北矿钻屑临界指标

图3 250204工作面运输巷和250203掘进工作面输巷钻屑孔布置图

（1）250204工作面卸压效果分析。在250204工作面运输巷距工作面煤壁50 m开始，每隔20 m布置一个测点，直到距工作面190 m处，共布置8个测点。每个测点进行钻屑量检验，钻屑量结果如图4（a）所示。在钻屑过程中，离工作面90 m、110 m测点处有卡钻等动力现象。

为确保卸压效果，卸压后第二天在250204工作面运输巷距工作面煤壁100 m开始，每隔20 m布置一个测点，直到距工作面240 m处，共布置8个测点。每个测点再次进行钻屑量检验，钻屑量结果如图4（b）所示。在钻屑过程中，离工作面100 m、120 m测点处有卡钻等动力现象。

图4 250204工作面运输巷卸压后钻屑量记录

根据图4钻屑量记录图可知，距250204工作面煤壁100 m和110 m处距煤壁4 m深的钻屑量分别超出和接近临界值2.28 kg/m，90 m和120 m处距煤壁5 m深的钻屑量接近临界值2.44 kg/m，同时伴随有卡钻、跳钻等现象，表明运输巷距工作面煤壁90～120 m范围内还存在应力集中现象，应在这些地方进行其他方式的卸压作业。然后再通过微震进行监测，如果该区域附近的震动有所减少，并通过钻屑量再次进行检验，确认无异常时，方可进行作业。

（2）250203掘进工作面卸压效果分析。在250203运输巷掘进头内、外帮5 m和25 m距离共布置4个测点，连续两天钻屑量检验，钻屑量如图5所示。钻屑过程中，没有发现卡钻等现象。

在对250203运输巷掘进头不同位置进行钻屑量监测后，根据钻屑量的平均值同钻屑量的临界值进行对比可知，卸压之后的钻屑量在临界值之内，并且在钻取煤粉的过程中，没有其他卡钻等现象。通过微震监测，该区域附近的震动多以小能量为主，大能量级震动有较少。表明该区域附近经过卸压之后，该区域的应力集中已向煤体深部转移。

图5 250203工作面运输巷卸压后钻屑量记录

4 结论

（1）通过分析2月1日－4月2日250204工作面和250203掘进工作面的矿震数据，得出微震震源主要集中在各工作面的运输巷侧。由于巷道附近有褶曲地质构造，当在附近进行采掘活动时，使应力重新分布，造成局部的应力集中现象。说明采掘活动在褶曲附近进行作业时，容易诱发冲击矿压的发生。

（2）通过对巷道防冲机理进行力学分析，巷道围岩强弱强的结构能够吸波消能的作用，降低煤体的强度、煤体的冲击倾向性和振动释放的能量，并使巷道围岩的高应力向煤岩体深部转移。当250204工作面和250203掘进工作面有冲击危险时，可以使用煤体大直径钻孔等卸压措施，并加强危险区域的巷道支护，使巷道形成强弱强的结构，以便抵抗冲击的发生。

（3）通过在250204工作面运输巷和250203掘进工作面运输巷进行煤体大直径卸压和煤体卸压爆破后，采用钻屑法进行检验，从而能够在一定程度上检验卸压的效果，为矿井的安全生产提供保障。

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The application of mine seismicity behavior regularity near folds in anti－shock practice

Lv Yajun1，Dou Linming2，3，Zhang Junwei2，3，Li Ning2，3，Xie Long2，3
（1.Huating Coal Industry Group，Huating，Gansu 744100，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Department of Mining Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The SOS micro－system is used to monitor the mine seismicity in Yanbei Mine，when its 250204 mining face reaches the folded area and the 250203 haulage roadway drives there.The paper analyses the mine seismicity regularity，the stress distribution near the folds and the impact of folds on the excavating process.Based on them，the paper puts forward the practicable and effective anti－shock technology measures，which can effectively reduce the risk of rock burst when working near the folded area.

folded area，SOS microseismic monitoring system，stress concentration，mine seismicity regularity，shock countermeasure

TD 324

A

国家重点基础研究专项（973）经费资助项目（2010CB226805）；国家“十二五”科技支撑计划（2012BAK09B01）；国家自然基金和神华集团有限公司联合资助（51174285）；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM10X05）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（SZBF2011－6－B35）

吕亚军（1965－），男，甘肃静宁人，采煤工程师，主要从事煤矿生产技术、冲击地压治理工作。

（责任编辑 张毅玲）