耿村煤矿深部开采冲击地压防治技术研究.pdf

Advances in Geosciences 地球科学前沿地球科学前沿, 2020, 107, 659-668 Published Online July 2020 in Hans. http//www.hanspub.org/journal/ag https//doi.org/10.12677/ag.2020.107065 文章引用文章引用 马智勇. 耿村煤矿深部开采冲击地压防治技术研究[J]. 地球科学前沿, 2020, 107 659-668. DOI 10.12677/ag.2020.107065 Study on Prevention Technology of Rock Burst in Deep Mining of Gengcun Coal Mine Zhiyong Ma1,2 1State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chendu University of Technology, Chengdu Sichuan 2CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing Received Jul. 10th, 2020; accepted Jul. 23rd, 2020; published Jul. 30th, 2020 Abstract Rock burst is one of the major geological hazards in coal mines. Based on the study of rock burst, this paper analyses the variation of rock mass stress and overburden movement under mining in Gengcun Coal Mine by means of numerical simulation, laboratory test and on-site monitoring, and combines various monitoring s. Monitoring and early warning of rock burst in deep min- ing of Gengcun Coal Mine is carried out in order to adopt reasonable prevention and control tech- nology to avoid or reduce the harm caused by rock burst. The research shows that the occurrence of rock burst is closely related to the stress concentration caused by mining, and is affected by the nearby fault F16, which makes the rock burst belong to the roof-floor type impacted under the control of the huge thrust fault F16, with high stress, large scale and region, and its instability mode is floor type instability. The monitoring and prevention system of rock burst in deep mining of Gengcun Coal Mine has been ed. The occurrence of rock burst is predicted under the coop- eration of various monitoring means, and reasonable technology is adopted to prevent and control rock burst, so as to minimize the impact of disasters. Rock burst in deep mining of coal mine is a complex system engineering. The research results of rock burst in deep mining of Gengcun Coal Mine can provide reference for this type of research. Keywords Deep Mining, Rock Burst, Monitoring and Early Warning, Prevention and Control Technology 耿村煤矿深部开采耿村煤矿深部开采冲击地压防治冲击地压防治技术研究技术研究 马智勇马智勇1,2 1成都理工大学，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 2中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 收稿日期2020年7月10日；录用日期2020年7月23日；发布日期2020年7月30日 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 660 地球科学前沿 摘摘 要要 冲击冲击地压是煤矿重大地质灾害之一地压是煤矿重大地质灾害之一。。本文以耿村煤矿本文以耿村煤矿为例为例，，在已有在已有对冲击地压研究对冲击地压研究的的基础上，通过数值基础上，通过数值 模拟模拟、、室内试验以及现场室内试验以及现场监测监测等手段，等手段，分析分析耿村煤矿工作面采动下岩体应力耿村煤矿工作面采动下岩体应力变化变化以及覆岩运动的规律，以及覆岩运动的规律， 并并结合多种监测结合多种监测方法方法对耿村煤矿对耿村煤矿深部深部开采冲击地压进行开采冲击地压进行监测监测预警，采取合理的防治技术来避免或预警，采取合理的防治技术来避免或降低降低冲冲 击地压带来的击地压带来的危害。研究危害。研究表明，耿村煤矿冲击地压的发生表明，耿村煤矿冲击地压的发生与与开采导致应力集中开采导致应力集中有有很大的关系，并且受到很大的关系，并且受到 临近临近F16断层断层的影响，的影响，使得耿村使得耿村煤矿煤矿冲击冲击地压地压属于在属于在F16巨型逆冲断层控制下，高应力、大范围、区域性巨型逆冲断层控制下，高应力、大范围、区域性 的顶底板型冲击，其失稳模式为底板型失稳，形成了的顶底板型冲击，其失稳模式为底板型失稳，形成了对耿村煤矿对耿村煤矿深部开采冲击地压的监测防治系统，深部开采冲击地压的监测防治系统，在在 多种多种监测手段监测手段配合配合的情况下的情况下，，预测冲击地压的发生，并针对此预测冲击地压的发生，并针对此，，采取合理的采取合理的技术技术进行防治，进行防治，将将灾害影响灾害影响 降到最低降到最低。。煤矿煤矿深部深部开采冲击地压开采冲击地压是是一个复杂的系统工程，对耿村煤矿深部开采冲击地压的研究一个复杂的系统工程，对耿村煤矿深部开采冲击地压的研究成果可成果可 以为以为该该类型类型的研究提供的研究提供参考参考。。 关键词关键词 深部开采深部开采，，冲击地压冲击地压，，监测预警监测预警，，防治技术防治技术 Copyright 2020 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License CC BY 4.0. http//creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 1. 引言引言 冲击地压又称岩爆， 是煤矿重大灾害之一， 指煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬间 释放而产生突发性剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体瞬间移动、抛出、巨响以及气浪等[1] [2] [3]。 随着矿井深度和开采强度的不断增加，深部采区的地质构造、应力场特征、煤岩体的破碎性质与动 力响应特征、岩层移动以及能量的积聚释放规律均发生了显著变化，深部矿井动力灾害的致灾机理、触 发条件、演化规律以及显现特征也异于浅部煤矿工程[4]，但目前对深部开采的相关基础研究不够深入系 统，并且深部冲击地压防止难度更大，因此，必须对深部开采煤层应力演化规律变化等特点展开研究， 以开展对深部冲击应力的防治技术研究。 耿村煤矿属义马矿区，是义煤公司主力生产矿井，地质构造总体上为一向南倾斜的单斜构造，地层 倾角 11˚15˚。现主要开采煤层为 23 煤层，生产采区两个，即西二和东三采区。采用走向长壁采煤法， 综采放顶煤工艺，一次采全高，陷落法管理顶板。耿村煤矿属于冲击地压矿井，受巨厚砾岩及 F16 逆冲 断层影响，已发生过多次冲击地压事件，且随采深的增加冲击地压和冲击地压危险区域有严重增加的趋 势[5]。因此，本文对义马煤田耿村煤矿进行深部开采煤层应力演化规律、冲击地压发生特点以及形成机 理进行了研究，形成对煤矿的监测预警，提出相应的防治技术措施，具有十分重要的意义。 2. 耿村煤矿深部耿村煤矿深部开采冲击地压研究开采冲击地压研究 矿井工作面的煤体因开采会产生应力集中，煤体内部分区域形成高应力区或低强度区，其抵抗变形 能力随变形增加而降低，出现应变软化现象，另一部分所受应力未达到其峰值强度，抵抗变形能力则仍 随变形增加而增加， 因而， 煤体–围岩的原有变形系统分成两种不同力学性质的介质所组成的变形系统， 即一种是高应力区或低强度区具有应变软化性质的煤岩介质，另一种是具有弹性性质或应变硬化性质的 煤岩介质。当前者处于非稳定平衡状态，在受到外界微小扰动时，则将破坏初始的平衡状态产生失稳现 Open AccessOpen Access 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 661 地球科学前沿 象，释放能量使煤体破坏、滑移，乃至驱动而发生动态破坏[6] [7]。 影响冲击地压发生的因素分为三大类地质因素、开采技术因素以及组织管理因素[8] [9]，耿村煤矿 主要受到地质因素和开采技术因素影响。地质因素主要包括原岩应力和煤岩力学性质，开采技术主要包 括人为造成高应力集中和采掘爆破引起冲击地压。 耿村煤矿东三采区西翼工作面布置及其井田边界采空区分布如图 1 所示，距离耿村与千秋煤矿的井 田边界煤柱较近在煤柱区边缘进行开采活动， 煤柱右侧煤千秋煤矿 21101、 21121、 21141、 21161、 21181 及 21201 工作面形成的大范围采空区，采空区上覆岩层重量转移至井田境界煤柱上，形成了较高的应力 集中区域。依据采空区分布情况及影响范围可以将井田边界煤柱附近的未采区域沿倾斜向下方向依次可 分为安全区域、危险区域、较危险区域和非常危险区域。 Figure 1. Distribution map of goat area at the boundary of east minefield of Gengcun Coal Mine 图图 1. 耿村煤矿东井田边界采空区分布图 3. 耿村煤矿深部开采煤层覆岩运动及应力演化规律研究耿村煤矿深部开采煤层覆岩运动及应力演化规律研究 3.1. 耿村煤矿东三采取工作面复岩运动规律相似模拟研究耿村煤矿东三采取工作面复岩运动规律相似模拟研究 为研究耿村煤矿东三采区工作面覆岩运动规律，利用与原型力学性质相似的材料来模拟随着开采深 度的增加，煤层、断层的相应变化以及在其影响下工作面上覆岩层运动规律和随着工作面的开采断层煤 柱的形成及其演化规律。 该模型选择石英砂作为骨料， 石灰、 石膏作为胶结物， 通过多次试验选择合适的配比进行模型制作， 最终堆制好的模型如图 2 所示。 然后对模型进行开挖， 并记录在开挖稳定后相应应力以及位移等的变化。 Figure 2. Model panorama 图图 2. 模型全貌图 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 662 地球科学前沿 开采过程中上覆岩层垮落位移监测采用 XJTUSD 三维光学摄影测量系统，模型各个阶段开采后上覆 岩层位移监测点的位移矢量图如图 3 所示， 图中倾斜白色线为开挖煤层位置， 倾斜红色线为 F16 断层线， 规则排列的蓝色小圆点为模型位移监测点，四周不规则布置的蓝色小点为系统中的编码点，图中不同颜 色的射线箭头代表该点的位移方向和大小，右侧的彩色图块中的不同颜色代表监测点的位移数值。 a 13210 工作面开采后位移计算结果 b 13230 工作面开采后位移计算结果 c 13250 工作面第六次开采位移计算结果 d 13250 工作面开采后位移计算结果 e 13270 工作面开挖完第五步位移计算结果 f 模型开采后总位移计算结果 Figure 3. Displacement vector diagram 图图 3. 位移矢量图 工作面开采过程中各个应力测点的垂直应力变化规律如图 4 所示，煤层底板水平应力测点的变化规 律如图 5 所示。 a 13210 工作面附近垂直应力测点变化 b 13230 工作面附近垂直应力测点变化 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 663 地球科学前沿 c 13250 工作面附近垂直力测点变化 d 13270 工作面附近垂直力测点变化 Figure 4. Variation of vertical stress at various measuring points 图图 4. 各测点垂直应力变化规律 a 13210 工作面附近水平力测点变化 b 13230 工作面附近水平力测点变化 c 13250 工作面附近水平力测点变化 d 13270 工作面附近水平力测点变化 Figure 5. Variation of horizontal stress at various measuring points 图图 5. 各测点水平应力变化规律 试验结果分析表明，在开采中，距离 F16 断层较远的 13210、13230 工作面受到断层控制作用效果较 弱，距离断层较近的 13250、13270 工作面受断层影响较大。随着开采区域逐渐接近 F16 断层，各个工作 面开采后产生的倾向支承压力影响范围与应力峰值及其位置呈逐渐增大趋势，其中 13210、13230 工作面 变化较小，应力影响范围为 40 m 左右，峰值位置在煤壁内 10 m 左右，而 13250、13270 工作面开采时， 受 F16 断层影响倾斜应力影响范围增加至 130 m 左右，应力峰值位置在煤壁内 30 m。开采过程中，煤层 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 664 地球科学前沿 中垂直应力与水平应力在变化上表现出同步性，但水平应力相对垂直应力变化较为缓和，对于工作面的 回采巷道来说，在上下掘进过程中水平应力在巷道顶底板形成高应力集中，巷道的两边与顶板采用锚网 支护，底板强度较低且未支护，易成为能量释放的突破口，分析判断耿村煤矿冲击地压属于在 F16 巨型 逆冲断层控制下，高应力、大范围、区域性的顶底板型冲击，其失稳模式为底板型失稳，且距离 F16 断 层越近冲击危险越严重。 3.2. 耿村煤矿东三采区工作面采动应力演化数值模拟分析耿村煤矿东三采区工作面采动应力演化数值模拟分析 为了研究耿村煤矿东区目前开采区域13210工作面及其后接近F16断层工作面的围岩应力分布状态， 采用计算机数值模拟方法，模拟再现东区东翼工作面开采情况，其模型如图 6 所示。 a 模型全貌 b 模型沿煤层倾斜剖面 Figure 6. Numerical simulation model of eastern mining area 图图 6. 东部采区数值模拟模型 图 7 为东区 13170、 13190 工作面开采后煤层底板水平应力分布图， 分析可知， 由于千秋煤矿的开采， 致使开采形成的采空区上覆重量岩层转移至未采空区，使得井田境界煤柱附近形成高水平应力集中区， 积蓄了大量的弹性能，而这些高应力集中区扩展至耿村井田境界约 300 m 左右，13170、13190 工作面开 采后在 13190 工作面倾向下部实体煤层顶底存在高应力集中区域，综合分析可知，在 13120 工作面巷道 掘进过程中发生的冲击地压与该应力集中区域有很大联系。 Figure 7. Horizontal stress distribution of coal seam floor after mining in 13170 and 13190 working faces 图图 7. 13170、13190 工作面开采后煤层底板水平应力分布 图 8 为 13170、13190 工作面开采后煤层顶底板垂直应力分布图，其中采空区上方和下方岩层处于地 应力区，高应力向煤层两侧的煤体转移，在采空区上下两侧煤壁附近形成集中应力区域，且应力集中区 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 665 地球科学前沿 域与应力峰值都相对较小，采区巷道布置与水平主应力近似垂直，分析判断耿村煤矿东区冲击地压属高 水平应力影响下、大范围、区域性的顶底板型冲击，其失稳模式为底板型失稳。 Figure 8. Vertical stress distribution in coal seam inclination direction after mining in 13170 and 13190 working faces 图图 8. 13170、13190 工作面开采后煤层倾斜方向垂直应力分布 目前，耿村煤矿准备开采 13210 工作面，随着工程的推进，开采区域逐渐接近 F16 断层，该模型模 拟开挖了 13210、13230、13250 及 13270 工作面，图 9 分别为各个工作面开采后煤层底板水平应力分布 图，分析可知，随着开采区域接近 F16，采空区增大，高位岩层活动量增大，造成采场上方顶板弯曲弹 性能与底板压缩弹性能增大，采空区倾向下部煤层底板水平应力逐渐增高，巷道危险性增大。 Figure 9. Horizontal stress distribution of coal seam floor after mining in each working face 图图 9. 各工作面开采后煤层底板水平应力分布 各工作面开采后煤层围岩垂直应力分布规律如图 10 所示，分析可知，随着开采进行，采空区应力 降低， 垂直应力转移至采空区两侧煤体上， 在煤壁附近形成应力集中区域。 随着工作面向断层面靠近， 断层下盘岩体向采空区倾斜，断层面被拉伸，断层开始活化，导致应力集中区域面积与应力峰值大小 随工作面向深部发展而增大，增加梯度越来越大。总体来说，随着开采深度增大，巷道受到冲击危险 性更大。 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 666 地球科学前沿 Figure 10. Vertical stress distribution of coal seam inclination direction after mining in each working face 图图 10. 各工作面开采后煤层倾斜方向垂直应力分布 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 667 地球科学前沿 各工作面开采后，F16 断层面所受应力也随之发生改变，断层带岩石由原先的稳定材料变为非稳材 料，而上下盘围岩仍属于稳定材料，因此整个变形系统则由两部分组成，当断层带岩石变形达到一定值 时，变形系统处于非稳定状态，在开采扰动下就会发生失稳而产生断层型错动冲击地压。 4. 耿村煤矿深部开采冲击地压监测预警与耿村煤矿深部开采冲击地压监测预警与防治防治技术研究技术研究 4.1. 耿村耿村煤矿深部开采冲击地压煤矿深部开采冲击地压监测监测预警预警 采用钻屑法、电磁辐射法、微震系统监测对耿村煤矿深部开采冲击地压进行监测预警。使用电磁辐 射法时调整电磁辐射临界值为 55 mV，监测期间监测值均在临界值以下，但由于电磁辐射值有明显的增 加趋势，因此也可能发生冲击事故。耿村煤矿微震事件主要集中在工作面中下部和开切眼附近，随着开 采的推进而前移，当工作面推进速度在 03 m 之间时，工作面的推进速度与的微震频次之间存在着明显 的线性关系，但微震释放能量同开采速度之间呈非线性关系，分布比较均匀，冲击危险受工作面日推进 度影响小。 监测结果表明，耿村煤矿在开采过程中存在冲击地压危险，且有些冲击矿压发生的原因是复杂的， 靠一种监测预测手段还不能完全达到精确预测的目的，必须采取多种手段综合监测，由于煤矿的 23 煤 为特厚的易自燃煤层，确定工作面日进度为 2.5 m 时能够保证工作面不着火同时又能最大限度的降低冲 击危险程度。 4.2. 耿村煤矿深部开采冲击地压防治技术研究耿村煤矿深部开采冲击地压防治技术研究 煤矿冲击地压防治技术主要有大直径钻孔卸压、煤层深孔爆破卸压和煤层注水[9] [10]，对耿村煤矿 冲击地压主要采用大直径钻孔卸压和煤层深孔爆破卸压。 4.2.1. 冲击地压监测防治的技术体系冲击地压监测防治的技术体系 以耿村煤矿 13210 工作面为例进行冲击地压监测防治，具体监测防治体系见图 11。 Figure 11. Monitoring and prevention system of rockburst in 13210 working face of Gengcun Coal Mine 图图 11. 耿村煤矿 13210 工作面冲击地压监测防治体系 马智勇 DOI 10.12677/ag.2020.107065 668 地球科学前沿 4.2.2. 大直径钻孔卸压大直径钻孔卸压 对耿村煤矿 13210 工作面进行钻孔卸压，采用具有较大功率的风钻打眼，插接式麻花钻杆，每节钻 杆长 1.0 m，孔深 20 m，孔间距 1.2 m，距离底板高度约为 1.2 m，孔直径 100 mm。对其进行监测，并结 合对最大钻屑量出现位置和最大钻屑量、钻屑粒度以及钻屑量对比分析可知，打卸压钻孔后单个钻孔使 周围部分煤体变形、破碎，使煤体中的应力发生重分布，但影响范围较小，相邻钻孔之间没有形成连通 的卸压区域，致使煤壁附近支承压力带向煤体深部转移不够明显，钻屑粒度和钻屑量的降低也不明显， 说明当前钻孔卸压参数选择不合理，应在现有基础上，改进施工工艺，缩小卸压孔间距，增大卸压钻孔直 径和钻孔深度，以便使煤层中积聚的应力值降低，使支承压力带往煤体深部转移，达到彻底卸压的效果。 4.2.3. 煤层深孔爆破卸压煤层深孔爆破卸压 对耿村煤矿 13210 工作面进行爆破卸压前后钻屑法检测，分析可知卸压爆破实施后支承压力带往煤 壁深处转移，每米总钻屑量以及单个钻孔的钻屑量和钻屑粒度都有所降低，冲击地压危险性降低。并且 采用电磁辐射法对爆破前后进行检验，分析可知，爆破卸压前，电磁辐射强度值和脉冲数都较高，电磁 辐射强度值普遍在 55 mV 以上，脉冲数也较高，部分超过了报警临界值，脉冲数变化也比较大，爆破卸 压后，电磁辐射强度值和脉冲数都明显降低，强度值一般在 30 mV 左右，脉冲数大多为零。综合两者检 测结果，说明深孔爆破卸压效果较好，所选参数合理。 5. 结论结论 1 耿村煤矿发生冲击地压与应力集中有着密不可分的联系，随着开采区域增大，采空区倾向下部煤 层底板水平应力逐渐增高，巷道危险性增大，并且由于越来越靠近 F16 断层，断层开始活化，导致应力 集中区域面积与应力峰值大小随工作面向深部发展而增大，增加梯度越来越大。 2 随着开采的推进，越靠近断层的工作面产生的倾向支承压力影响范围与应力峰值及其位置增大趋 势相对较大，分析判断，耿村煤矿冲击地压属于在 F16 巨型逆冲断层控制下，高应力、大范围、区域性 的顶底板型冲击，其失稳模式为底板型失稳。 3 对耿村煤矿深部开采冲击地压进行监测，确定在开采过程中存在冲击地压危险，且须采取多种手 段综合监测，对该区域冲击地压形成监测防治系统，并选择合理的参数以及设备实施卸压爆破、大直径 钻孔卸压等局部解危措施。 参考文献参考文献 [1] 姜耀东, 赵毅鑫. 我国煤矿冲击地压的研究现状 机制、预警与控制[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 3411 2188-2204. 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