开滦深部工作面冲击地压监测与防治技术应用

孟 磊，张瑞玺，姜耀东

(1.中国矿业的大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

矿业纵横

开滦深部工作面冲击地压监测与防治技术应用

孟 磊1，张瑞玺2，姜耀东1

(1.中国矿业的大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

为了能够实现开滦矿区深部冲击地压的有效监测与防治，本文在掌握开滦矿区发生冲击地压主控因素的基础上，通过总结开滦矿区在冲击地压防治过程中所积累的一些经验并参考国内外先进的冲击地压防治技术，构建了具有信息互馈和持续优化机制的全矿井-采区-工作面-局部的多级冲击地压监测和防治系统；基于开滦的实际地质构造和实际开采情况，提出了适用于开滦矿区深部煤层的冲击地压防治技术，包括优化开采设计和开采保护层的区域性技术措施，以及基于缺陷法原理的局部卸压措施和以改善局部应力环境的支护措施。

深部开采；冲击地压；监测；防治

煤炭作为我国的基础能源，在一次能源构成中约占70%左右，具有长期不可代替性，但随着煤炭资源长期的大规模开采，开采深度逐年递增，我国中东部地区浅部煤炭资源接近枯竭[1-2]，尤其是具有超过百年开采历史的开滦矿区开始全面进入深部开采阶段。随着煤层采深不断增加和赋存条件不断恶化，与浅部煤岩层相比，深部煤岩层的力学特性及力学响应发生了很大变化，深部冲击地压等煤岩动力灾害的发生出现了高能冲击破坏和突发性的新特性，并且深部工作面的大规模开采形成了极为复杂的采动应力场和震动场，极易诱发包括煤炮、矿震、冲击地压等煤岩动力灾害，严重制约着煤炭资源的安全高效开采，并且造成人员伤亡和巷道严重变形破坏[2]。我国目前在冲击地压预警和防治理论研究和设备研发方面开展了大量的工作，并取得了不少创新性的成果，但是存在很多问题诸如多种手段效果平行使用导致的监测效果混乱且参差不齐，没有形成“全局-区域-局部”的监测系统，并且监测手段与防治技术没有形成相互反馈机制。

开滦矿区的主力矿井诸如赵各庄矿、唐山矿、吕家坨矿等矿井的开采深度均已超过800m，其中赵各庄矿最大的开采深度已达1200m，并且以每年8～12m的速度增加。随着开采深度的增加，冲击地压、大面积顶板垮落等煤岩动力灾害的潜在危险性日益突出，给矿区的安全高效开采带来一系列问题。其中煤岩层高应力集中和高能破裂区域等冲击地压前兆信息的捕捉和冲击地压防治是深部资源开采时所面临的主要问题，因而构建并运行覆盖全矿井的深部煤岩层冲击地压监测和防治系统对于保障深部煤层安全高效开采已经迫在眉睫。

1 矿区概况

开滦矿区隶属于开滦集团，位于中国河北省唐山市境内，拥有唐山矿、赵各庄矿、范各庄矿等10对矿井，矿区面积达670多平方公里；开滦矿区煤层主要赋存在包含开平组、上石炭统赵各庄组、大苗庄组及下二叠统唐家庄组的石炭-二叠系之中。矿区的开平煤田位处于一个华北石炭二叠系北东向大型复式含煤向斜构造，包括了开平向斜、车轴山向斜、荆各庄向斜和西缸窑向斜4个含煤构造[3]，其中开平向斜是一个由古生界、中生界和新生界叠合而成的构造盆地，构造极其复杂，具有多期次、多性质、多方向、多级别和多序次的特点，其轴部及其附近区域地应力远高于远离轴部的区域，较高的地应力值为包括瓦斯突出和冲击地压等强烈动力灾害的发生提供了动力条件。

目前开采深度最深的开滦赵各庄矿位于集团东北部，开平向斜轴部的东北边缘；矿井东部与唐家庄矿相邻，南部紧邻林西矿，西南边界与马家沟矿接壤。矿井走向长9050m、面积15.96km2，可采面积31.55km2；目前主要生产十二水平(埋深1002m)和十三水平(埋深1100m)；矿井地质构造较复杂且地应力较高，在高地应力和采动应力的综合作用下，掘进和回采巷动压显现频繁。

2 开滦矿区深部煤层冲击地压监测及防治系统

开滦矿区地质构造较为复杂，冲击地压主要受向斜构造和埋深的影响[4]，且随着埋深的增加，冲击地压显现频次和强度也随之增大，其中在深部和向斜构造轴部所发生的冲击地压往往造成巷道严重破坏、片帮底鼓、支架损坏，以及人员伤亡事故。

开滦集团通过总结开滦矿区在冲击地压监测与防治过程中所积累的一些经验并参考国内外先进的冲击地压防治技术，构建了全矿井-采区-工作面-局部的4级冲击地压监测与防治系统，并实现冲击地压预测与防治的信息互馈和持续优化机制，为今后深部采区冲击地压监测与防治提供理论支撑和技术支持，见图1。

图1 开滦矿区冲击地压监测及防治系统概图

2.1 冲击地压监测及防治系统的搭建

首先利用综合指数法，在煤采区规划设计阶段综合分析采矿地质因素对冲击地压发生的影响，确定危险性指数并且初步划定危险范围，进而优化采区设计；冲击地压实质上是煤岩体变形破坏过程中的非稳定动力破坏[5]，煤岩层出现高应力集中区域和高能量集中破裂区域是冲击地压发生的重要前兆信息，因而通过在具有冲击危险性的采区或工作面尺度布置微震和在线应力系统，获取采区或工作面的“应力场”和“震动场”，可以实现在重点区域冲击地压危险区域的划定；然后在诸如掘进和回采巷道等冲击地压危险区域实施电磁辐射法，以辐射脉冲数和辐射强度参数进一步精确判识煤层冲击地压局部危险区域；在确定了高应力集中和高能量集中破裂的局部冲击危险区域基础上，通过在这些局部危险冲击危险区域实施钻屑法，以钻孔煤粉量、深度和动力效应等指标综合量化不同位置的冲击地压危险程度。

2.2 应用效果分析

以埋深超过1000m的开滦赵各庄矿3137东2工作面为研究对象，考察并分析系统在3137工作面的应用效果，评价煤层冲击地压监测及防治系统的有效性。

在微震监测过程中发现3137东2面上方顶板频繁断裂，能量约为2734～10734J，可以判断工作面上方及下顺槽周围矿压显现明显；进而通过电磁辐射，发现3137东2面靠近副上山60m左右下顺槽危险较大，电磁辐射强度最大值和脉冲数平均值分别达到86mV和765kHz，分别超过和接近临界值(82mV和790kHz)；因此为保证下顺槽安全，在临近副上山的工作面一侧实施长度60m卸压巷道，其中卸压巷距下顺槽7m左右，卸压巷实施之后围岩高应力出现分散和转移，电磁辐射参数和钻屑量均降至临界值以下，见图2所示。

另外，通过电磁辐射法和钻屑量法监测发现工作面切眼前方15～60m的局部位置存在冲击危险性，其中电磁辐射强度最大值和脉冲数平均值均超过临界值，孔深4～7m钻屑量为5.2kg/m超过临界值4kg/m；通过在此局部位置实施爆破卸压措施之后，电磁辐射参数和钻屑量均未再超标，巷道围岩变形量较措施实施之前也有所降低，见图2。

图2 3137东2面冲击地压危险局部及解危措施

3 开滦矿区深部煤层冲击地压防治技术

要实现深部煤层的安全开采，关键在于实施有效的防治措施，开滦矿区发生冲击地压的主控因素是高地应力[2，4]，因而应实施以煤岩层卸压为主要技术措施，主要包括两个方面。一方面是基于采场区域围岩应力场-震动场分布规律，通过合理的开采设计和煤层注水降低围岩高应力集中和弹性能积聚程度，削弱或消除冲击地压发生所需要的动力源和改善围岩冲击特性，进而降低冲击地压发生的可能性并削弱冲击地压发生时的能级。另一方面，通过电磁辐射和钻屑量进一步确定局部危险冲击危险区域和程度，实施卸压巷(导硐卸压)、钻孔卸压、爆破卸压、煤层优化支护以及选用冲击综采支架等措施，改善局部围岩应力环境，均衡能量释放，弱化冲击条件。

3.1 卸压开采

卸压开采技术措施主要包含区域性开采保护层和局部卸压技术。

3.1.1 开采保护层

开采保护层属于区域性防治技术措施，是在采区规划时综合地考虑煤层群的特性，进行合理的开采设计，削弱工作面开采所形成的围岩应力集中和弹性能积聚程度，实现在采区规划和设计阶段从根源上降低动压及动力灾害发生可能性保护层开采主要包括上保护层开采、下保护层开采及综合保护层开采。根据《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》和现场动压现象情况，开滦矿区赵各庄矿十二水平～十四水平的12煤属于3类、强冲击倾向性煤层；而11煤属于无冲击倾向性煤层。因而出于防止动压灾害的角度，选择上保护层开采，实施开采11煤保护12煤，见图3。

图3 上保护层开采及采场位移云图

基于数值计算和现场实践，确定上保护层开采基本参数为：上保护角85°，下保护角70°，走向保护角60°，下保护高度为22～33m，平均22.5m。

3.1.2 局部卸压

开滦矿区使用的局部卸压包括常规卸压措施和基于缺陷原理卸压技术。

3.1.2.1 常规卸压措施

1)爆破卸压：通过实施卸压爆破措施，加速煤层裂隙发育，降低煤岩弹性模量和峰值强度，减少煤岩层积累的弹性变性能，进而削弱局部应力集中程度，破坏动压及动力灾害发生必须的能量条件。

2)钻孔卸压：利用孔径76～500mm的钻孔削弱或消除局部动压显现，当钻孔进入到煤岩高应力区域时，高应力区域所积累的弹性变形能会向钻孔方向释放，甚至出现孔内冲击的现象；高应力区域应力集中程度越高，变形能在钻孔内部释放越猛烈，孔内冲击的频率和能级也会随之增加。能量释放越猛烈，钻孔附近围岩所产生的破碎区域也越大，进而能够消除动压显现及冲击危险性。

3.1.2.2 基于缺陷原理卸压技术措施

由于常规卸压技术措施所采用的钻孔规格和布置影响范围小，在高应力区域往往存在卸压不充分，甚至导致局部应力增加的情况。因而开滦集团在一些高应力集中区域、动压显现频繁及冲击危险性区域，优先采用基于缺陷原理卸压技术措施，也就是导洞卸压技术措施。

地下采矿工程中煤岩层往往具有非连续、非均质性和各向异性的特征，以及陷落柱和断层等缺陷结构。这些缺陷结构的存在，改变了其周围煤岩体本身的结构特性和应力环境，对其周围煤岩体的力学特性和稳定性具有决定性的作用，缺陷会降低煤岩体的连续性和均值程度，并且在局部产生应力集中。因而基于此原理，通过在高应力区域制造“人工缺陷”，降低高应力区域煤岩体均质程度，进而改变高应力区域的应力环境。

3.2 煤层注水

实施煤层预先注水能够改变煤体的力学性质，一方面通过降低煤体的弹性模量和强度，减小煤体脆性，增加煤体塑性，降低煤体积聚的弹性变性能；另一方面煤的强度降低、承载能力减弱，能够增加支承压力区范围，驱使支撑压力峰值位置远离工作面，降低应力集中系数，最终削弱煤层动压显现及冲击地压发生的可能性。此外，注水后煤体在水溶液长时间的湿润作用之下，不仅改变了煤体性质，而且还起到了降尘、降温以及改善劳动条件的作用。

煤层注水孔位置一般基于井下巷道具体条件而定，可以沿煤层倾向布置，也可以沿煤层走向布置；其中对于顶底板起伏较大的煤层，对称布孔是常用的方式。为了保证封孔和注水效果，注水孔一般布置在煤层中的较坚硬分层内；对于长壁工作面，注水孔直径和长度范围分别为45～90mm和20～120m，上下巷的注水孔钻进方向应平行于工作面线，注水孔的间距应能够保证相邻两孔的孔底之间距离小于有效注水半径的2倍。

赵各庄矿通过在具有冲击倾向性的9煤和12煤采煤和掘进工作面实施了煤层注水措施，有效地降低了这些煤层巷道发生动压或冲击地压的可能性。其中9煤和11煤支撑应力峰值超前工作面距离分别从注水前的6m和4.8m，增加至注水后的9.1m和6.9m；9煤和11煤的支撑应力集中系数分别从注水前的2.98和3.56，降低至1.99和2.28。

3.3 巷道支护技术优化

当赵各庄矿开采深度达到并1000m以上时，煤层原始垂向应力达到26MPa，巷道两帮垂向应力均超过30MPa，并且在采动应力叠加作用下，巷道动压显现频繁，围岩压力和变形均较大，顶板出现离层和破碎，支护系统遭受破坏。在高应力的作用下，巷道围岩变形量极大，因此结合冲击地压巷道特点，选择锚杆+锚索+桁架+网+钢带的支护形式。其中对于高宽4.0m×2.8m的巷道，锚杆直径和长度分别为20mm和2000mm，间排距为750mm×700mm，并采用W型高强钢带护顶；锚索直径和长度分别为17.8mm和7500mm，锚索间排距为2.0m×1.6m，每排2根，锚索桁架排距为1.6m，并且锚杆锚索桁架交替布置；顶帮均铺设材料为12#铅丝的菱形网。

图3 冲击巷道支护前后垂向位移云图

通过数值计算发现(图3)，在无支护的情况下，随着巷道的不断开挖，巷道周边均朝向巷道开挖区域产生了很大的变形，其中底臌量最大为1200mm，巷道两侧向巷道内最大位移量为1650mm，在巷道周边出现了大面积塑性流动区，巷道已经发生严重的破坏。锚杆+锚索+桁架+网+钢带的联合支护布置方式可有效控制围岩的变形，提高围岩整体强度，维护围岩稳定，从图3中可以看出巷道底板的底鼓量小于200mm，两帮的移近量小于300mm。

4 主要研究结论

1)通过总结开滦矿区在冲击地压监测和防治过程中所积累的一些经验并参考国内外先进的冲击地压防治技术，构建了全矿井-采区-工作面-局部的多级冲击地压监测和防治系统，经现场实践证明了冲击地压监测与防治系统具有较好的效果以及信息互馈和持续优化机制。

2)针对开滦的实际地质构造和实际开采情况，提出了适用于开滦矿区深部煤层冲击地压防治技术，包括优化开采设计和开采保护层的区域性技术措施，以及基于缺陷法原理的局部卸压措施和以改善局部应力环境的支护措施。

[1] 孟磊.含瓦斯煤体损伤破坏特征及瓦斯运移规律研究[D].北京，中国矿业大学(北京)，2013.

[2] 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗.煤岩冲击动力失稳的机理和实验研究[M]北京：科学出版社，2009.

[3] 韩军，梁冰，张宏伟，等.开滦矿区煤岩动力灾害的构造应力环境[J].煤炭学报，2013，38(7)：1154-1160.

[4] 杨忠东，孟磊，姜耀东，等.开滦矿区深部冲击地压显现特征及其主控因素的探讨[J].煤炭工程，2012(3)：64-66.

[5] 章梦涛，徐曾和，潘一山，等． 冲击地压和突出的统一失稳理论[J].煤炭学报，1991，16( 4) ：48-52．

Application of monitoring and controlling coal bumps techniques in the deep workface of Kailuan mining area

MENG Lei1，ZHANG Rui-xi2，JIANG Yao-dong1

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Faculty of Resource and Safety Engineering，China University of Miningand Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

In order to realize effective monitoring and control of coal bumps in Kailuan mining area，this article constructed multistage mine-panel-working face-local area coal bumps monitoring and control system with information feedback and continuous optimization on the basis of grasping the dominant factors of Kailuan mining area，by summarizing experience in the process of coal bumps control practice in Kailuan mining area and reference of both domestic and foreign advanced coal bumps control technology.And based on the actual geological structure and mining situation of Kailuan mining area，the suitable control technology for Kailuan deep mining coal seams was put forward，including optimization of mining design and the regional technical measures of protective layer mining，combining with local pressure relief measures based on the defects method and supporting measures to improve the local stress environment.

deep mining;coal bumps;monitoring;prevention

2014-08-01

国家重点基础研究发展计划(973)项目资助(编号：2010CB226801)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题资助(编号：SKLCRSM13KFB10)；中国博士后科学基金项目资助(编号：2014M560136)

孟磊(1986-，男，汉，河南鹤壁人，博士后，主要从事含瓦斯煤岩动力灾害防治方面的研究工作。E-mail：tntmlove@163.com。

TD353

A

1004-4051(2015)03-0146-04