神新公司沖擊地壓防治研究與實(shí)踐

李新華1，王洪民1，藍(lán)航2

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

摘要：針對(duì)神新公司沖擊地壓發(fā)生現(xiàn)狀，提出了分階段、分區(qū)域進(jìn)行沖擊地壓綜合防治的思路。基于不同沖擊地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的特點(diǎn)，建立了沖擊地壓層次化綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，有效識(shí)別了沖擊地壓危險(xiǎn)源；通過(guò)采前沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)和開(kāi)采中沖擊地壓危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)劃分出了沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同沖擊地壓危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)區(qū)域制定了卸壓解危處理方案，并采用綜合方法對(duì)解危效果進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)踐表明，神新公司對(duì)沖擊地壓進(jìn)行了有效防治，保證了礦井安全生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓；監(jiān)測(cè)；防治；實(shí)踐

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0208

文章編號(hào)：1672-9315(2015)02-0181-06

收稿日期：*2014-12-20責(zé)任編輯：高佳

通訊作者：李新華(1972-)，寧夏靈武人，工程師，E-mail:4505799@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 324文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

RockburstpreventionandpracticeforShenxincompany

LIXin-hua1，WANGHong-min1，LANHang2

(1.Shenhua Xinjiang Energy Limited Liability Company，Urumqi 830027,China；

2.Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013,China)

Abstract:According to the occurrence situation of rock burst in Shenxin company，comprehensive rockburst prevention idea in stages and regions is put forward.Based on the characteristics of different rockburst monitoring devices，comprehensive monitoring technology of rockburst hierarchical system is established，and the rockburst hazard sources are effective identified.The rockburst danger areas are divided through the pre-mining assessment and during-mining dynamic evaluation for rockburst.The relieving stress treatment scheme is developed according to the different rockburst hazard sources and the danger zones，and using the comprehensive methods to test the controlling effect.Practice shows that Shenxin company effectively prevents rockburst，ensuring the safety production of coal mine with good economic and social benefits.

Key words:rockburst；monitoring；control；practice

0引言

沖擊地壓發(fā)生的影響因素復(fù)雜，任何一種監(jiān)測(cè)手段由于其自身的局限性都不能完全做到精確監(jiān)測(cè)，更不可能通過(guò)某一種監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)[1-3]。合理的監(jiān)測(cè)方法是首先進(jìn)行礦井區(qū)域監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍為整個(gè)礦井的采動(dòng)影響區(qū)域，區(qū)域監(jiān)測(cè)可確定礦井局部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，局部重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)結(jié)果不能確定具體位置時(shí)，可采用點(diǎn)監(jiān)測(cè)確定某個(gè)位置的危險(xiǎn)程度[4-5]。神華新疆能源有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)神新公司)所屬井工煤礦開(kāi)采侏羅系煤層，目前在開(kāi)采緩傾斜厚煤層(寬溝煤礦)和急傾斜特厚煤層(烏東煤礦、堿溝煤礦)中出現(xiàn)了沖擊地壓現(xiàn)象，輕則造成巷道破壞、重則造成人員傷亡，嚴(yán)重威脅了礦井安全生產(chǎn)。隨著采深不斷增加，地應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力水平不斷提高，沖擊地壓危險(xiǎn)持續(xù)上升。為保障開(kāi)采安全并積累深部開(kāi)采期間沖擊地壓防治的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，神新公司從2011年開(kāi)始，針對(duì)不同的煤層賦存條件開(kāi)展了沖擊地壓的系統(tǒng)研究和防治實(shí)踐，取得了較好的效果。

1沖擊地壓防治思路

神新公司沖擊地壓防治的總體原則為：防治結(jié)合、先防后治、以防為主。沖擊地壓防治思路為分階段、分區(qū)域進(jìn)行沖擊地壓防治，即優(yōu)先進(jìn)行沖擊地壓區(qū)域防范設(shè)計(jì)，以沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)評(píng)估為基礎(chǔ)，分階段和分區(qū)域進(jìn)行沖擊地壓的動(dòng)態(tài)防治。總體思路如圖1所示。

圖1　沖擊地壓防治思路 Fig.1　Rockburst control idea

沖擊地壓區(qū)域防范設(shè)計(jì)就是從煤層開(kāi)采順序、煤柱留設(shè)、開(kāi)采方法等方面考慮，設(shè)計(jì)沖擊地壓危險(xiǎn)最小的開(kāi)采方案。沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)就是在采掘工作面開(kāi)工前預(yù)先進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，劃分危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)于評(píng)價(jià)有沖擊地壓危險(xiǎn)的區(qū)域，提前制定沖擊地壓防治預(yù)案。分階段進(jìn)行沖擊地壓防治就是將防治工作分成開(kāi)采設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備和回采3個(gè)階段分別進(jìn)行，在開(kāi)采設(shè)計(jì)階段力求從源頭上消除沖擊地壓危險(xiǎn)；在準(zhǔn)備階段劃分出沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，提前做好沖擊地壓防治預(yù)案；在開(kāi)采階段要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)源并采取解危措施。分區(qū)域進(jìn)行沖擊地壓防治就是根據(jù)預(yù)評(píng)價(jià)結(jié)果將采掘空間劃分為強(qiáng)、弱和無(wú)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，針對(duì)不同沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域采用不同的巷道支護(hù)方案、開(kāi)采推進(jìn)速度、卸壓解危措施等，保證在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的安全。對(duì)沖擊地壓的動(dòng)態(tài)防治就是在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)監(jiān)測(cè)方案、解危措施和參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化并對(duì)解危措施實(shí)行效果檢驗(yàn)，以達(dá)到最有效和最經(jīng)濟(jì)的防治目的。

2沖擊地壓危險(xiǎn)源層次綜合監(jiān)測(cè)體系

根據(jù)沖擊地壓各種監(jiān)測(cè)手段不同的特點(diǎn)和實(shí)用范圍，在神新公司各沖擊地壓礦井從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由點(diǎn)及面，再到體，并結(jié)合常規(guī)礦壓監(jiān)測(cè)手段，逐步建立和完善了“礦井區(qū)域監(jiān)測(cè)-局部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)-點(diǎn)監(jiān)測(cè)”的沖擊地壓危險(xiǎn)源層次綜合監(jiān)測(cè)體系，如圖2所示。

圖2　沖擊地壓監(jiān)測(cè)體系 Fig.2　Monitoring system for rockburst

3沖擊地壓類(lèi)型劃分

采用沖擊地壓危險(xiǎn)源層次化監(jiān)測(cè)技術(shù)，在神新公司沖擊地壓礦井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，根據(jù)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果確定了沖擊地壓致災(zāi)源，將神新公司發(fā)生的沖擊地壓分為3種類(lèi)型。

3.1工作面堅(jiān)硬頂板懸頂型沖擊地壓

寬溝煤礦B4-1煤層上方直接頂為堅(jiān)硬厚層砂巖，不易自行垮落，隨工作面推進(jìn)，頂板在工作面后方形成懸頂，頂板壓力轉(zhuǎn)移到工作面前方煤體中，煤體中積聚了大量的彈性能，在煤體自身為強(qiáng)沖擊傾向性的內(nèi)在因素，并在外加動(dòng)載的擾動(dòng)下造成沖擊地壓[6]。W1143工作面“10.8”沖擊地壓災(zāi)害就是由于頂板處理不及時(shí)，加之開(kāi)采速度過(guò)快，應(yīng)變能急劇增大而來(lái)不及釋放的情況下發(fā)生。

3.2巷道應(yīng)力疊加型沖擊地壓

寬溝煤礦B4-2煤層和B4-1煤層層間距只有15 m,由于B4-2煤層開(kāi)采不完全，B4-1煤層工作面受到B4-2煤層停采線(xiàn)和采空區(qū)的影響，造成應(yīng)力多次疊加，B4-1煤層煤體處于應(yīng)力高度集中和能量積聚狀態(tài)，再受到開(kāi)挖造成應(yīng)變能的進(jìn)一步增加的影響時(shí)，容易出現(xiàn)巷道應(yīng)力疊加型沖擊地壓。E1146下順槽掘進(jìn)工作面“7.2”沖擊地壓顯現(xiàn)就是受到3次開(kāi)挖擾動(dòng)影響。

3.3巖柱撬動(dòng)型沖擊地壓

烏東煤礦南采區(qū)單翼B1+2和B3+6兩層煤同水平同時(shí)開(kāi)采的狀況造成了兩煤層中間的巖柱在兩側(cè)采空條件下，受到巖柱自重和水平構(gòu)造應(yīng)力的聯(lián)合作用，產(chǎn)生了對(duì)B3+6煤層的“撬桿效應(yīng)”，煤層受到“撬動(dòng)力”而產(chǎn)生應(yīng)力集中是沖擊地壓的主要致災(zāi)源。如+500 m水平B3+6工作面“2.27”沖擊地壓就屬于巖柱撬動(dòng)型沖擊地壓。

4沖擊地壓危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)體系

圖3　寬溝煤礦E1148工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分 Fig.3　Rockburst danger area partition for E1148 working face in Kuangou coal mine

4.1沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)

在沖擊地壓礦井采掘工作面進(jìn)行采掘活動(dòng)前，根據(jù)影響沖擊地壓發(fā)生的自然因素和開(kāi)采技術(shù)因素采用動(dòng)態(tài)權(quán)重評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定出工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)，并劃分出沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域。圖3和圖4所示分別為在寬溝煤礦E1148工作面和烏東煤礦南采區(qū)+500B3+6工作面根據(jù)動(dòng)態(tài)權(quán)重評(píng)價(jià)方法劃分出的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域。

圖4　烏東煤礦南采區(qū)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域 Fig.4　Rockburst hazard area in southern mining area of Wudong coal mine

4.2沖擊地壓危險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

針對(duì)已劃分出的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，以進(jìn)一步圈定危險(xiǎn)范圍，并為解危措施的制定提供依據(jù)。圖5為針對(duì)圖3中的危險(xiǎn)區(qū)域Ⅵ(多個(gè)采空區(qū)應(yīng)力疊加影響區(qū))，采用煤層CT探測(cè)技術(shù)對(duì)煤體應(yīng)力異常區(qū)域進(jìn)行了探測(cè)，并根據(jù)應(yīng)力異常分布進(jìn)一步劃分了危險(xiǎn)區(qū)域。沖擊地壓危險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)是在沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，有的放矢地對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行解危，保證了解危措施的經(jīng)濟(jì)和有效。

圖5　沖擊地壓危險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià) Fig.5　Dynamic evaluation of rock burst (a)煤層CT探測(cè)的煤體波速分布結(jié)果 (b)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的進(jìn)一步圈定

5沖擊地壓解危技術(shù)

5.1沖擊地壓解危方法選擇

根據(jù)不同沖擊地壓類(lèi)型的主要致災(zāi)源，必須采取有針對(duì)性的解危措施，并進(jìn)行解危效果檢驗(yàn)，以確保解危到位，危險(xiǎn)消除。針對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板懸頂型沖擊地壓，主要采取：①工作面架間切頂爆破。在寬溝煤礦針對(duì)B4-1煤層堅(jiān)硬厚層頂板條件，及時(shí)切斷頂板，消除懸頂影響(圖6)[7-8]。②工作面端頭頂板預(yù)裂爆破。在寬溝和烏東煤礦對(duì)堅(jiān)硬厚層頂板進(jìn)行提前預(yù)裂，使之能及時(shí)垮落(圖7)。針對(duì)巷道煤體應(yīng)力疊加型沖擊地壓，主要采取：煤層大孔徑鉆孔卸壓。在寬溝煤礦對(duì)煤體應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行卸壓，釋放或轉(zhuǎn)移煤體應(yīng)力(圖8)。針對(duì)急傾斜煤層巖柱撬動(dòng)型沖擊地壓，主要采取：①巖層高壓注水。在烏東煤礦采用巖層高壓注水軟化和預(yù)裂巖體，對(duì)巖柱應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行卸壓(圖9)。②巖柱爆破。在烏東煤礦采用深孔爆破及時(shí)切斷巖柱，消除“撬桿”效應(yīng)(圖10)[9]。

圖6　工作面定期架間爆破處理堅(jiān)硬頂板 Fig.6　Regularly blasting to treatment hard roof between supports in working face

圖7　工作面順槽超前預(yù)裂爆破處理堅(jiān)硬頂板 Fig.7　Working face crossheading advanced hard roof treatment of pre splitting blasting

圖8　順槽掘進(jìn)過(guò)應(yīng)力疊加區(qū)域解危措施 Fig.8　Preventing measures for roadway through stress superposition region

圖9　急傾斜煤層層間巖柱石門(mén)注水孔剖面圖 Fig.9　Injection water hole profile in rock pillar cross-cut between steeply dipping coal seams

5.2沖擊地壓解危效果評(píng)價(jià)

如圖11所示，采用包括巖石力學(xué)法、地球物理法、常規(guī)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法在內(nèi)的沖擊地壓解危效果綜合檢驗(yàn)技術(shù)，對(duì)不同沖擊地壓解危方法的效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，既保證了解危效果的有效性，也為選擇合理的解危方法提供依據(jù)。

圖12為采用煤體CT探測(cè)技術(shù)對(duì)工作面切頂前后的工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力異常區(qū)域進(jìn)行比較，結(jié)果表明切頂有效減小了工作面前方的高應(yīng)力區(qū)，解危措施有效。

圖10　急傾斜煤層層間巖柱石門(mén)爆破孔剖面圖 Fig.10　Blasting hole profile in rock pillar cross-cut between steeply dipping coal seams

圖11　沖擊地壓綜合解危效果檢驗(yàn)體系 Fig.11　Test system of comprehensive settlement risk effect for rockburst

圖13為采用微震監(jiān)測(cè)方法對(duì)巖柱注水過(guò)程中圍巖微震事件頻次及能量進(jìn)行的對(duì)比。結(jié)果表明，巖柱注水后圍巖高能微震事件的頻次顯著降低，而低能微震事件顯著增加，說(shuō)明巖層高壓注水有效降低了圍巖活動(dòng)的劇烈程度，沖擊地壓解危效果良好。

在上述沖擊地壓解危措施的實(shí)施下，神新公司下屬的寬溝煤礦和烏東煤礦沖擊地壓災(zāi)害得到有效控制。寬溝煤礦W1143工作面從2011年3月初開(kāi)始試驗(yàn)推進(jìn)，期間經(jīng)歷了幾次沖擊地壓顯現(xiàn)事件和“雙工作面見(jiàn)方”、“三面孤島”等危險(xiǎn)時(shí)期，2012年3月安全采完本工作面，未發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。自2010年“10.8”沖擊地壓災(zāi)害后，寬溝煤礦已累計(jì)安全推進(jìn)3 800 m，采完4個(gè)工作面。烏東煤礦南采區(qū)從2013年7月開(kāi)始開(kāi)展沖擊地壓的系統(tǒng)防治研究，目前+500水平B3+6工作面已安全經(jīng)過(guò)了多個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，累計(jì)安全推進(jìn)1 200 m.

圖12　W1143工作面切頂效果的CT檢驗(yàn) Fig.12　CT test of the effect of cut roof for W1143 working face (a)切頂前煤體應(yīng)力異常探測(cè)　(b)切頂后煤體應(yīng)力異常探測(cè)

圖13　注水效果的微震檢驗(yàn) Fig.13　Microseismic test for the effect of injection water

6結(jié)論

通過(guò)對(duì)神新公司沖擊地壓防治思路的確立，建立了沖擊地壓層次化綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，準(zhǔn)確識(shí)別了沖擊地壓的類(lèi)型及產(chǎn)生機(jī)理，采用動(dòng)態(tài)權(quán)重評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定出工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)，并劃分出沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域。針對(duì)不同沖擊地壓危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)區(qū)域制定了卸壓解危處理方案，并采用綜合方法對(duì)解危效果進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)踐表明，神新公司對(duì)沖擊地壓進(jìn)行了有效防治，已取得了顯著的階段性效果，保證了礦井安全生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為下一步進(jìn)入深部開(kāi)采的沖擊地壓防治工作奠定了基礎(chǔ)。

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