深部开采工作面冲击地压综合预警方法研究.pdf

2 0 1 4年第 1 1 期 娃蕉 甜枝 7 3 深部开采工作面冲击地压综合预警方法研究 任文涛，王 冲，崔保阁 山东能 源淄矿 集团唐 口煤业公 司 ，山 东 济宁2 7 2 0 5 5 摘要该文以唐 口煤业公司5 3 0 3 工作面为研究对象， 通过对该工作面微震、 煤粉量、 煤体应力、 矿压等数据的综合分析， 得 出 了工作面微震活动规律 、周期来压 、推采 强度及 采空区侧 向支撑压力等 因素与冲击地压危险性的 关系，对 于深部 开采 工作 面冲击地压防治工作的开展 具有指导性意义。 关键词 冲击地压周期来压煤粉量微震活动 中图分 类号T D3 2 4 ． 2 文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ．i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 3 2 Re s e a r c h o n Compr e he ns i ve wa r ni ng m e t ho d o f de e p m i ni ng f o r r o c k bur s t Re n We n - t a o ， W a n g Cho ng ， Cu i Ba o - g e T a n g k o u C o a l Mi n i n g C o r p e r a t i o n ， Z i b o C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p e r a t i o n ， S h a n d o n g J i n i n g 2 7 2 0 5 5 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , T a n k o u C o a l 5 3 0 3 w o r k in g f a c e a s th e r e s e a r c h o b j e c t ， b a s e d o n the wo r k i n g f a c e mi c r o t r e mo r , a m o u n t o f p u l v e r i z e d c o a l ， t h e c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f t h e s t r e s s o f c o a l a n d r o c k p r e s s u r e d a t a ， o b t a i n e d t h e mi c r o s e i s m i c a c t i v i t y r u l e ， p e r i o d i c we i g h t i n g ， p u s h i n g mi n i n g i n t e n s i t y a n d g o a f l a t e r a l s u p p o r t p r e s s u r e a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n the i mp a c t g r o u n d p r e s s u r e h a z a r d ， f o r d e e p mi n i n g wo r k i n g f a c e i mp a c t gro u n d p r e s s ure c o n t r o l wo r k h a s g u i d i n g s i g n i fi c a n c e ． Ke y wo r d s r o c k b u r s t p e ri o d i c we i g h t i n g c o a l q u a n t i t y mi c r o s e i s mi c a c t i v i t y 我 国煤炭资源理深在 1 0 0 0 m以上 的占总储量 的 5 3 ％，国有煤矿平均采深以 1 0 - 2 5 m／ a的速度 向 深部延伸。我国东部矿区都相继进入深部开采， 可 以预见未来我国煤矿深部开采的问题将越来越 突出 。深部开采工作面由于埋深大 ，地压大， 导致其开采过程中冲击地压灾害的发生规律具有 特殊 性 。 唐 口煤矿作为典型的深部开采矿井，一投产就 面临高地压、强冲击的情况 ，随着矿井开采范围不 断扩大 、水平不断延深，冲击危险程度也越来越高。 因此亟需进一步提高冲击地压预测方法及防治措施 的实施力度 ，做到防患于未然。 1 5 3 0 3工作面情况简介 5 3 0 3工作面为大采高小煤柱沿空开采工作面， 可采长度 1 5 0 1 m，面宽 1 9 0 m，沿空煤柱宽 5 m。开 采深度为 9 2 0 ～ 9 8 2 m，煤层厚度平均 4 ． 6 m。该工作 收稿日期2 0 1 4 0 5 2 1 作者简介任文涛 1 9 8 5 一 男，大学本科，助理工程师，毕 业于山东科技大学采矿工程专业，现在山东能源淄矿集团唐 口煤 业公司防 中办工作。 面煤层产状变化不大，其走向在 1 5 5 。 左右 ，倾 向在 6 5 。 左右；煤层倾角较缓，倾角为 1 。 ～ 1 4 。 ，平均 3 。 。 断层 主要有 D F 1 5和 F 5 3 0 3 1 - F 5 3 0 3 6 ，工作面服 务年限为 8 个月 。 2 工作面矿压规律分析 矿压与冲击地压为两个不同的概念，但矿压显 现有 时可作为判断冲击危险程度的依据。通过对 5 3 0 3 工作面开面以来的矿压观测数据及微震事件对 比分析，得出周期来压与微震活动关系，进一步判 断工作面冲击危险程度。 周期来压时工作面超前压力突然升高，顶板活 动剧烈，顶板岩层拉伸断裂导致微震事件频发。根 据微震事件发生频率及释放能量可判断工作面冲击 危险程度。表 1 及图 1 所示为 2 0 1 4年 1 月连续 4次 周期来压期间微震事件的能量及频次与月平均水平 的关系。 表 1 5 3 0 3工作面周期来压与微震活动关系表 周期来压 3日 8日 1 6曰 1 7日 每 日均值 微震事件频 次 ／ 起 6 8 5 4 3 ．5 微震事件能量 ／ J 7 0 0 0 2 5 4 0 0 8 5 l 0 4 6 0 0 2 1 2 0 7 4 童 媳晨 舛披 2 0 14 年 第 1 1 期 ■推进度 m／ d , _来压次数 辫柬压步距 t n 零 3 ． a O 4 2 O 4 2 l 罐H o4 l b E4 - 0 4 t l ／ 1 ．0 L 4 1 4 5 mE B n壤 ∞ 图 2 周期来压期 间的微震活动 3 采空区侧 向支撑压力与 “ 保护带”的关系 通过施工大直径卸压钻孔及煤层注水可降低煤体 冲击危险陛，在煤体外侧形成 “ 卸压保护带”，对冲 击地压起到缓冲作用。关键在于卸压深度的确定。在 5 3 0 3 轨道顺槽生产帮施工深度为 2 0 ,- 4 5 m的卸压钻孔， 统计煤粉量及动力现象，来测定采空区侧向支承压力 分布情况， 合理调整 “ 卸压保护带” 范围。 由图3 可见， 大直径钻孔平均钻进至第 9 m至终孔 2 0 m期间出现动 力异常，考虑煤柱及巷道宽度，可判断 5 3 0 3 采空区 边缘 1 9 m至 3 0 m均处于应力升高区内。根据 4 5 m注 水钻孔实测，平均施工至 3 5 m动力现象最明显，之后 逐渐降低 ，可判定采空区侧向支撑压力的应力峰值为 4 5 m。即防冲工程应达到煤体以里 3 5 m处。图4所示 为 5 3 0 3 工作面侧向煤体应力分布情况。 图3 5 3 0 3工作面钻孔实测图 4 煤粉量监测 钻屑法是通过在煤层中钻一小直径 4 0 ～ 5 0 m m 孔，根据排出的煤粉量和其变化规律以及有关动力 图 4 5 3 0 3工作 面侧 向煤体应 力分布 效应鉴别冲击危险性的一种实用方法 ] 。 图 5 为 5 3 0 3工作面两顺槽超前煤粉量曲线。 由图可见 ，轨道顺槽超前 2 0 m 内平均煤粉量最高， 向外逐渐降低，说 明超前支承压力峰值位于面前 2 0 m内，由峰值区向外压力逐渐降低。 距工作田愿葛 m 图 5 5 3 0 3工作 面两顺槽超前煤粉量 曲线 受采空区侧向支撑压力影响，轨顺超前煤粉量 平均高于皮顺。但 由于轨道顺槽采取大直径钻孔及 煤层注水卸压措施 ，使采空区侧向支撑压力向工作 面深部转移，因此煤粉量增幅较低 ，平均 0 ． 0 8 k g ／ m。 图 6 5 3 0 3轨道顺槽煤粉量与超前 支承压力分布 关系 由图 6 可见 ，煤粉量在超前工作面 2 0 m处达到 峰值 ，与超前支承压力分布规律基本吻合，可以近 似认为超前支承压力峰值在工作面前 2 0 m附近，超 前支承压力影响范围至少 4 0 m。峰值区域附近煤层 压力大，冲击地压危险较大。 5 微震活动规律 微震监测技术用于监测煤矿井下开采引起的围岩 震动。煤矿井下由于开采引起的震动会释放振动波， 微震拾震器会记录这种振动波 ，并通过软件对震动进 行三维定位和释放能量计算，得出震源位置和震源释 放能量大小，进而对冲击地压危险陛做出评价 l J 。 2 0 1 3 年 1 0月 到 2 0 1 4年 1 月 ，5 3 0 3工 作 面 的 微震事件的能量和频次变化如图7 所示 。 在 1 1 月份 ， 2 0 1 4年第 1 1期 媳震 斜技 7 5 微震事件的频次和能量都达到了一个波谷。 - 一能量 一 颤次 3伽} } 0 5 广- 1 _ r r广． T Tr _ 1 l 2 0 2豇} } 0 5 2 ． 0 2 ．0 5 ■】 罐l 5 J O E 0 4 0 删B ∞ l O l l 1 2 1 月份 图7 微震事件能量与频次 一推进度一能量 l 0D 8 0 6 0 4 0 2 0 0 3 , 0 E - 25 E 0 4 2a l j 】 0 4 0 ■ 1 , 0 E 0 4 端 5 ． 0 E 0 3 0 删B 0 o 1 5 1 3 l 7 2 1 2 5 日期 t d 图8 5 3 0 3工作面微震事件能量和与推进度关系 当推采速度保持在较低且匀速的状态时，微震 活动 比较平稳 ，且释放能量维持在较低水平。当推 进度突然增高或降低时，微震活动变化 比较明显 ， 特别是推进度高低反复大幅度变化时，容易发生大 能量微震事件。根据分析结果 ，合理的推进度应保 持在 5 ． 6 m／ d以内。 1 2 月份总体来看 图 9 ，微震事件能量和频 次都比 1 1 月份要高，表明微震活动进入活跃期 ，危 险程度提高。微震事件主要分布在两个断层之间的 区域 ，表明此区域释放能量较大，能量来源为断层 活化以及由于断层的切割作用导致的覆岩不稳定。 ∥ ． ． ． ＼ 砭 一 - 一 ‘ ’ ／ -| 图9 1 2月份微震事件分布 6 结论 1 5 3 0 3 工作面周期来压期间微震活动频繁， 冲击危险程度较高 ，可根据微震频次及释放能量判 定工作面冲击危险程度。 2 超前支承压力峰值在工作面前 2 0 m附近， 超前支承压力影响范围至少 4 0 m。峰值区域附近煤 层压力大，冲击地压危险较大，应加强防范。 3 微震事件活动性与推进度相关，应保持合 理的推进度，使能量均匀释放， 避免造成能量集聚。 4 断层附近微震事件较活跃，是 由于构造 应力与超前应力叠加导致断层活化以及覆岩的不稳 定运动所致。在断层附近组织生产时应特别注意防 冲工作的落实。 【 参考文献 】 [ 1 ] 窦林名 ． 深部开采冲击矿压防治研究 [ J ]． 矿山 压 力与顶板 管理 ，2 0 0 3 S 1 ． [ 2] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等 ． 深部开采岩体力 学研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 l 3 ． [ 3 ] 李铁，蔡美峰，等 ． 深部开采冲击地压与瓦斯的 相 关性探讨 [ J ]． 煤炭 学报 ，2 0 0 5 ，3 0 5 56 2-5 67 ． [ 4] 谢和平，彭苏萍，何满潮 ． 深部开采基础理论与 工程实践 [ M ] ． 北京科学出版社，2 0 0 6 ． [ 5] 陈峰，潘一山，李忠华，等 ． 基于钻屑法的冲击 地压危险性检测研究 [ J ]． 中国地质灾害与防治 学报 ，2 0 1 3 2l 1 6 1 1 9 ． [ 6] 夏永学，潘俊锋，王元杰，等 ． 基于高精度微震 监测的煤岩破裂与应力分布特征研究 [ J ]． 煤炭 学报 ，2 0 1 1 ，3 6 22 3 9 2 4 3 ． [ 7] 姜福兴，杨淑华，成云海，等 ． 煤矿冲击地压的 微地震监测研究[ J ] ． 地球物理学报 ， 2 0 0 6 ， 4 9 5 1 5l1 1 51 6 ． [ 8] 曹安业，窦林名，等 ． 微震监测冲击矿压技 术成 果及其展望 [ J ] ． 煤矿开采，2 0 0 7 ，1 2 1 2 0 2 4 ． 上接 第 7 2页 布置、注重工作面防冲安全评价；降低开采扰动 、 降低开采应力 、降低 围岩密度；加强开采卸压、加 强巷道支护、加强监测预警 、加强个人防护。 1 0 各冲击地压矿井必须建立 “ 开采前进行 冲击地压危险性评价一开采设计方案优化一开采前 的防冲预处理一开采过程中的监测预警一开采过程 中的危险区解危一解危效果检验一冲击地压工作面 的安全管理一冲击地压防治经验的总结”为主要内 容的冲击地压防治技术体系，制定修改完善防冲细 则并严格落实。 8 7 6 5 4 3 2 1 O 一 目一 制秸