基于UWB通信的奇异点降噪分析冲击地压防治技术

赵维国

(双鸭山矿业集团，黑龙江 双鸭山 155100)

基于UWB通信的奇异点降噪分析冲击地压防治技术

赵维国

(双鸭山矿业集团，黑龙江 双鸭山 155100)

针对集贤煤矿采煤过程冲击地压频发的实际情况，分析了3604工作面回采及收尾时发生动力现象的影响因素，结合采面生产的实际，运用钻屑法和电磁辐射法进行观测，确定3604工作面危险等级为三级。在此基础上，制定科学的防冲解危措施。结果表明:采取综合防冲措施后，钻屑法和电磁辐射法指标均在临界值以下，电磁辐射曲线变化幅度明显降低，矿压显现现象明显减少。

冲击地压;采煤工作面;解危措施

0 引言

随着矿井开采深度的增加，矿山压力显现越来越强。采煤工作面前方煤体受支承压力影响会形成高应力集中，在集中应力影响下会造成冲击地压频繁发生。双鸭山集贤煤矿中一下采区3604采煤工作面即连续发生多起冲击地压现象。该采区位于运输上山左侧，开采深度639～663 m，工作面长170～190 m，煤层倾角9～11°，为复合煤层。上分层平均煤厚1.18 m，下分层平均煤厚0.33 m，中间夹矸为0.15 m的细纱岩。上方直接顶为0.7 m细砂岩，无层理完整;老顶为8.1 m细砂岩，坚硬、完整;直接底为8.1 m的细砂岩，波状炭质条纹完整。采煤方法为高档普采，采用DZ1800型单体配合顶帽支护。上巷超前支护长度从工作面煤壁起60 m范围内，采取四排单体支护;60～150 m范围内，采取三排单体支护;下巷超前支护长度为30 m，采用一梁三柱倾向棚子支护，棚距为1.0 m。近两年来，由于发生多起冲击地压现象，严重影响采面的安全生产。针对集贤煤矿采煤过程中发生的动力现象，分析其影响因素，笔者制定防止冲击地压发生的技术措施，并采取相应的监测手段对技术措施效果进行检验。

1 发生冲击地压影响因素分析

1.1 煤岩层冲击倾向性

中一下采区九层煤岩的煤层弹性能和冲击能大，动态破坏时间短，表现为强冲击倾向性。该层的顶板和底板岩层的弯曲能量也较大，表现为中等冲击倾向性。在这种环境下，工作面易发生冲击地压现象［1］。

1.2 围岩性质的影响

采煤达到一定深度以后，如果上覆岩层中存在强度较高的岩层，尤其是厚度较大的坚硬砂岩层，会产生强烈的冲击灾害［2］。中一下采区九层煤的采煤深度约达650 m时，基本顶岩性是厚度较大的细砂岩，并夹杂着中砂岩，属于坚硬岩石。底板为坚硬的细砂岩，很有冲击地压发生的危险。这样判断的原因是，坚硬的顶底板岩层中会聚集大量弹性能，当顶底板岩石遭到破坏时，能量就会释放出来，导致冲击地压的发生。

1.3 地质构造的影响

有学者通过大量实践证明，构造复杂的区域容易发生冲击地压［3］。集贤煤矿中一下采区为一单斜构造，垂直和水平应力均为压应力，易发生冲击地压现象。同时，3604工作面断层较多，在断层附近，地应力增加，压力增大，构造应力和地应力叠加，发生冲击地压的概率更大。

1.4 煤柱的影响

中一下采区由于采用双向布置，所以上下两个面之间留有15～20 m的煤柱。上一个采面回采时，工作面下头三角区冒落不严，造成采空区悬顶。而下一个面回采时，由于回采工作面上头三角区回采后，顶板冒落不严，使采空区大面积悬顶。当工作面推进一定距离后，采空区悬顶达到一定面积，顶板来压时，致应力叠加。因此，在煤柱附近容易发生冲击地压。

2 冲击矿压监测方法

2.1 电磁辐射法

煤矿采掘过程中，会引起应力集中。应力集中状态与电磁辐射程度有关。电磁辐射信号强、频率高时，应力集中程度高，容易发生冲击危害;电磁辐射强度低时，发生冲击灾害的可能性就小。因此，可以利用电磁辐射法对冲击灾害进行预测、预报。集贤矿的冲击地压监测设备采用在线KBD7和便携式KBD5电磁辐射仪。对3604工作面150 m内，上巷两帮和工作面尾以下40 m范围内的硬帮进行监测。通过观测数据可以看出，在区段回风平巷内距煤壁37 m位置处，辐射强度高，平均值在90～160 mV。当采煤工作面向前推进时，辐射强度峰值区也随之向煤体深部推移，且辐射峰值区基本处于工作面前方40 m处。观测曲线如图1所示。

图1 左五采面区段回风平巷上帮辐射强度曲线Fig.1 Radiation intensity curve in wind drift roadway of left five mining face section

图1可见，在区段回风平巷内距离采煤工作面煤壁40～100 m范围内，辐射强度值较稳定，曲线变化不大，辐射强度均值在40～70 mV。在巷道超前支护区域以内，由于集中压力影响，使煤体及岩层破坏，蓄积的弹性能减少。超前支护区域以外50 m处，辐射强度较大，均值范围处在85～110 mV，便反映出在这个位置煤及围岩体形程度较大，蓄积的能量多。在采煤工作面上端头以下40 m范围内，磁辐强度值较低。

2.2 钻屑法

钻屑法是根据钻出煤粉量与煤体应力状态具有的关系，进行对冲击灾害的监测。在相同条件的煤体中，如果煤层的应力集中程度不同，那么在该煤层中钻孔所排出的煤粉量也不同。如果一定范围内钻孔的排粉量变多或者高出标定值时，则说明该区域内应力集中程度高且容易发生冲击危险。按照国家标准，原应力煤层与冲击煤层对比临界值≥1.5倍。在钻进的过程中若出现动力现象，如卡钻、顶钻、孔内冲击、煤粉颗粒变化等，可判断此煤层有冲击危险。

在研究过程中，采用钻屑法对3604工作面进行预测分析，对冲击现场进行实地观测，通过对钻屑量数据处理，可知钻屑量指数超过临界值，并且在钻进过程中经常出现顶钻、卡钻等现象。经过分析，确定了3604工作面冲击危险等级为三级，较为强烈。

3 防冲解危措施

从集贤煤矿3604工作面的现场实际出发，结合相关防冲解危理论，制定并实施了以下措施［4］。

3.1 增加支护强度

采煤工作面处于采空区与实体煤之间，受集中压力影响严重，随着采煤工作面向前推进，集中压力影响范围也向工作面推进方向移动。集中压力峰值区出现在距工作面煤壁10～20 m范围内，在工作面倾斜方向上，压力峰值区出现在距工作面上端头40 m左右。

根据现场实测情况，可以看出在倾斜方向上，应力集中区为采面上端头往下40 m范围内。针对上述情况，采取以下处理方法:

(1)把工作面尾往下40 m范围内的单体液压支柱全部更换为大强度支柱。

(2)区段回风平巷超前支护在距煤壁60～150 m处内，采取三排单体液压支柱支护，柱间距0.5 m;在距工作面60 m范围内，用四排单体液压支柱支护，柱距0.25 m;区段回风平巷超前支护长度为30 m，采用单体液压支柱加顶梁的棚式支护，棚距1 m。

(3)工作面采用“四、五”控顶，排距0.6 m，柱距0.8 m;在上、下巷靠近采空区侧增加斜撑，以提高支护强度及支护稳定性。

(4)采面上端头以下20 m内，第二排及第三排支柱均增加一根，20～40 m处采用对柱支撑。

(5)提高单体液压支柱的初撑力，并对支柱支设质量进行监测。

采取上述方法后，工作面状态明显改善，回采巷道的稳定性得到提高，服务期内巷道变形量不大。应用电磁辐射仪对上述区域进行监测，监测曲线如图2所示。从图2中可以看出，在新支护措施以外的区域，观测曲线峰值比较高，当采用新支护方案以后，辐射强度峰值区会向煤体内部移动，这表明新的支护方法收到理想的效果。

3.2 震动爆破

在采煤工作面，由于超前支承压力影响，使煤体内蓄积了大量能量。释放这些能量的方法是采取震动爆破，导致煤体产生松动破坏区。该区域煤体承载能力降低，其所受压力向煤体深部转移。震动爆破的合理布置及适当的装药量，不仅可以形成煤岩体震动，还可以在一定程度上形成煤体的松动带。这种卸压爆破可能诱发冲击地压，还可以将高的应力集中区转移到煤体深部［5］。

图2 采用新支护方案前后电磁辐射仪监测结果Fig.2 Monitored results of electromagnetic radiation before and after using new support program

现场实践中，3604工作面每推进3～3.6 m，工作面尾往下40 m内就有一次来压的情况，在该面即采用了震动爆破法卸压。具体钻孔布置在煤层中部，垂直工作面煤壁打设，角度和煤层顶板平行。钻孔深4 m，眼距1.5 m。采取爆破卸压后，煤体松动效果显著，比没卸压前多卸压2 m。冲击显现现象减少，取得非常明显的卸压效果。

3.3 切顶爆破

顶板中厚且坚硬的岩层是诱发冲击地压的主要因素之一。可以通过爆破的方法降低顶板强度或者切断顶板，减少坚硬顶板内蓄积的大量弹性能，降低其对煤体和支护物的冲击震动危害。

在3604工作面尾部往下40 m内，实施切顶爆破措施。切顶炮眼布置见图3。在工作面软帮3、4排之间打设放顶眼，眼深为13～15 m，炮眼打设与顶板仰角40°，眼距5 m，使用炮泥封孔，封孔长度不小于2.5 m。切顶爆破沿工作面推进方向每隔10 m进行一次，这可以在很大程度上减少顶板悬露面积。图4是采取切顶措施后，电磁辐射仪对工作面煤体监测的结果。从图4可以看出，煤体上的应力集中程度明显降低，说明切顶爆破措施是解决该工作面冲击问题的一种有效方法。

图3 切顶炮眼布置Fig.3 Borehole layout off top

图4 断顶前后电磁辐射仪监测结果Fig.4 Monitored electromagnetic radiation results off top before and after

3.4 控制采煤机的截割速度

工作面顶板冲击灾害的发生与采煤机的割煤速度有一定的关系。据统计，当采煤机的截割速度v＜1.3 m/min或采煤机的截割速度约3 m/min时，冲击地压发生的次数最少;而当采煤机的截割速度为1.5＜v＜2.5 m/min时，对于防治冲击地压是最不利的。采煤机的截割速度匀速推进对防治冲击矿压是有利的。经研究分析和现场试验，3604工作面采煤机的截割速度确定为1.5 m/min，这个速度对该面的防治冲击地压起到了关键性的作用。

3.5 工作面收尾时的综合防冲措施

用电磁辐射和钻屑法在工作面停采线进行取样，两项结果都表明工作面停采线位置存在冲击地压的显现现象。为了确保采面的安全生产，采取以下措施:

(1)在工作面距离停采线50 m时，按照正常回采时期的冲击地压防治方案，实施煤体震动爆破和断顶爆破，其中断顶爆破的距离由原来的每推进10 m改为每推进8 m进行一次，直至停采线。

(2)在工作面上巷停采线和4109集中皮带道之间(两者间距34 m)，采用φ94 mm的钻头，打设双排卸压眼共11对，眼间距3 m，眼深15～20 m，实施煤体卸压，并进行注水。

(3)停采线设在工作面顶板周期来压后。工作面停采后，在工作面尾往下40 m内，采用φ94 mm钻头，打双排卸压眼共10对，眼间距5 m，眼深10～15 m，防止工作面收尾期间煤体冲出。

(4)工作面尾往下40 m范围内，工作面采取对柱支护。

4 结论

(1)影响集贤矿中一下采区九层深部冲击地压的因素一是地质原因，主要包括煤岩层冲击倾向性、围岩性质、地质构造和煤柱。二是集贤矿的采深已达到650 m，这个数值是冲击地压急剧增加的深度。

(2)运用电磁辐射法和钻屑法对集贤矿冲击地压危害进行监测，两种方法均可有效地对冲击灾害进行预测预报。可以为确定防冲方案提供依据。

(3)在采取综合防冲措施后，监测指标低于临界值，电磁辐射曲线变化幅度明显降低，工作面及巷道矿山压力显现变弱。

［1］郭东明，张 涛，李 耀，等.湖西矿800 m深井冲击倾向性试验及防治对策研究［J］.中国矿业，2008，17(12):50－54.

［2］李 洪.冲击矿压前兆信息的混沌预测及模式识别研究［D］.青岛:山东科技大学，2006.

［3］陈国祥，窦林名，乔中栋，等.褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响［J］.中国矿业大学学报，2008，37(6):751－755.

［4］齐庆新，窦林名.冲击矿压理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［5］齐庆新，陈尚本，王怀新，等.冲击矿压、岩爆、矿震的关系及其数值模拟研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(11):1852－1858.

Prevention technology of rock burst research and application

ZHAO Weiguo
(Shuangyashan Mining Group Heilongjiang，Shuangyashan 155100，China)

Aimed at frequent occurrence of rockburst in the Jixian coal operation，this paper offers an analysis of influencing factors associated with 3604 mining face and ending，and combined with the actual case of the mining face production，describes the use of cuttings method and electromagnetic radiation for observation in order to determine the hazard rate of 3604 face for three.The paper gives the scientific anti-the red solution measures.Results show that the use of comprehensive anti-red measures leaves the cuttings France and electromagnetic radiation indicators below the critical value，with a result of significantly reduced electromagnetic radiation curves and thus markedly reduced mine pressure behavior.

rock burst;workface;problem solution measures

TD324.2

A

1671－0118(2012)04－0420－04

2012－06－25

赵维国(1964－)，男，黑龙江省鸡西人，高级工程师，在读博士，研究方向:井瓦斯综合治理、充填开采技术，E-mail:skjtzgb@163.com。

(编辑 徐 岩)