冲击矿压防治的应力控制理论与实践

齐庆新,李宏艳,潘俊锋,雷毅,付东波,季文博,赵善坤

（1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.中国煤炭科工集团科技发展部,北京 100013;4.中国矿业大学 （北京）资源与安全学院,北京 100083;5.煤炭科学研究总院北京建井研究分院,北京 100013;6.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院）,北京 100013）

冲击矿压防治的应力控制理论与实践

齐庆新1,6,李宏艳1,6,潘俊锋2,6,雷毅3,6,付东波2,6,季文博1,4,6,赵善坤1,5,6

（1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.中国煤炭科工集团科技发展部,北京 100013;4.中国矿业大学 （北京）资源与安全学院,北京 100083;5.煤炭科学研究总院北京建井研究分院,北京 100013;6.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院）,北京 100013）

分析了原岩应力和采动应力对冲击矿压发生的影响,通过采用采动应力监测系统直接监测煤岩体的应力和采用微震监测系统间接监测煤岩体应力的方法,分析了采动引起的应力变化,进而对监测区域内煤岩体的冲击危险性进行了评价;通过对具有冲击危险性的煤岩层实施煤层卸载爆破、深孔断顶爆破和深孔断底爆破技术,进一步验证了冲击矿压防治的应力控制理论,取得了良好的实践效果。

冲击矿压;应力控制;冲击危险性;采动应力监测;深孔断顶爆破

随着煤矿开采深度的不断加大,包括冲击矿压、岩爆、矿震、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出、地表突然塌陷等在内的煤岩动力灾害呈显著增加的趋势,已严重影响我国煤矿的安全生产,对人民生命财产和社会稳定构成了重大威胁。仅就冲击矿压而言,根据不完全统计,1985年至今,全国范围内发生冲击矿压的省份由 11个发展到 19个,冲击矿压矿井数量由 32个增加到 100余个,每年发生的破坏性冲击矿压次数由过去的十余次发展到现在的几百次。

对于冲击矿压的防治,国内外学者已开展了不少的研究工作,尤其集中在采用地音、微震和电磁辐射等,间接观测评价煤岩体应力的方法观测煤岩体受力与破坏情况及采用煤层注水、煤岩层爆破等防治方法降低或消除煤岩体的冲击危险性[1-5]。本文主要从直接观测煤岩体应力角度出发,通过使用采动应力监测与微震监测技术,监测分析与评价了监测区域的冲击危险性,并从应力控制角度对煤层和顶板实施了技术措施,从而降低了煤岩层的冲击危险性,实现了煤矿的安全生产。

1 冲击矿压现象分析

冲击矿压通常是在煤岩力学系统达到极限强度时,以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能,导致煤岩层瞬时破坏并伴随煤粉的冲击,造成井巷的破坏及人身伤亡事故[6]。

综合分析我国各主要冲击矿压矿井所发生的冲击矿压现象可以看出,我国冲击矿压通常可分为煤层冲击和岩层冲击 （按参与冲击矿压的岩体类别划分）,重力型、构造型、震动型和综合型 （按应力来源和加载形式划分）,弹射、煤炮、微冲击和强冲击 （按显现强度划分）,轻微冲击、中等冲击和强烈冲击 （按震级及抛出煤量划分）,一般冲击矿压、破坏性冲击矿压、冲击矿压事故 （按冲击矿压的破坏后果划分）等多种类型的冲击矿压,但进一步分析可知,无论是哪种类型的冲击矿压现象,均是应力作用导致煤岩体突然破坏的结果,只不过应力的来源、大小和表现形式等要素的不同而已。因此,研究和防治冲击矿压,重要的是如何监测煤岩体应力的大小与变化,如何控制煤岩体的应力。当然,煤岩体中的应力可概括地分为原岩应力和采动应力,原岩应力不能控制,采动应力可以控制。本文不考虑原岩应力的监测,只研究采动应力的观测、监测与控制。

2 采动应力监测技术

2.1 矿压监测

煤矿开采活动必然会使煤岩体原有的应力平衡状态被打破,导致煤岩体内部的应力重新分布,从而形成采动应力。在采动应力作用下,将导致煤层顶底板垮断与破坏、支架折损、片帮冒顶、底鼓等一般的矿山压力现象,对于具有冲击危险性的煤岩层,也可能导致冲击矿压、顶板大面积来压等煤岩动力灾害的发生。研究一般的矿山压力现象时,只需观测工作面支架工作阻力、顶板离层、锚杆锚索载荷和煤岩体应力等,且通常分析其变化规律就可判断支架的工作状态、来压步距与强度等矿压参量,从而指导生产[7]。

2.2 采动应力监测

对于冲击矿压等煤岩动力灾害而言,仅仅获得上述基本矿压参量是无法实现灾害预测的。为了有效预测和控制冲击矿压等煤岩动力灾害,就必须监测煤岩体的真实应力,但是对煤岩体真实应力的监测存在一定困难,或者是不经济的。为此,通常采用监测煤岩体相对应力的方法来监测采动应力[8-9]。然而,一个点的相对应力值变化无法判断冲击危险性和冲击危险区域,要对采动应力影响区域进行多点连续监测才能了解采动应力场的变化,进而预测冲击危险性。因此,通过比较不同时刻每个测点的相对应力的变化量 （应力梯度）,并通过对这个变化量进行处理,从而形成具有统一标准的应力梯度等值线,比较应力梯度等值线的变化,即可评价冲击危险性和冲击危险区域。这一基本思想可用数学表示为:式中,Δ σn,t为某一时刻 n位置煤体的应力梯度值;σn,t+1为 t+1时刻 n位置煤体的相对应力值;σn,t为t时刻 n位置煤体的相对应力值。

基于上述思想,结合冲击矿压预测与防治的需要,使用自主开发研制的 K MJ-30采动应力监测系统,配合一孔多点钻孔应力计,按图 1所示布置钻孔,实现了对采动应力的监测。如图 2所示为采动应力云图,监测到的应力梯度数据在图 2界面左侧列出,通过“绘制图像”,应力等值线云图则在右侧显示。其中横坐标为采动影响区域的工作面推进距离,纵坐标为工作面长度,图中等值线的单位为MPa。

图1 钻孔应力计布置形式

图2 采动应力云图

2.3 采动应力监测实例分析

图3和图 4为晋城某矿 1301工作面采动应力监测结果 （监测从 2006年 10月 20日到 12月 30日,以 10月 24日为参考值）。由图 3的应力等值线云图可以看出,应力集中区域约超前工作面 20～30m,与支承压力分布规律基本吻合。由图 4的应力等值线云图可以看出随着工作面向前推进,应力集中区域出现在工作面前方 25m处,但应力梯度变化不大。由此表明,尽管前方煤体内应力分布一直都在发生变化,但由于工作面周围不存在断层、煤柱或褶皱等异常区域,采动过程中工作面前方采动影响区范围内煤层的应力梯度变化较小,回采工作面在此期间没有发生破坏性冲击的危险。

图3 11月 5日应力梯度等值线

图4 11月 10日应力梯度等值线

3 应力异常的微震监测技术

对于采动应力的监测,可以采用前述的方法监测回采工作面前方煤岩体在回采过程中的应力变化情况,并以此评价煤岩体的冲击危险性。但是,影响冲击矿压发生的应力不仅仅是回采工作面前方几十米范围内煤岩体的应力,而且还包括整个矿井几到几十平方千米范围内因采动影响引起的大范围的应力变化。对于如此大范围的应力监测,采用直接监测应力的方法是很难实现的。因此,在研究矿井范围内采动应力或岩层结构变化时,往往采用间接方法,如微震监测方法。微震监测方法能够有效地监测矿井范围内煤岩层结构活动和应力变化,可以从更大范围认识引起顶板来压、巷道变形、冲击矿压等原因或影响因素。

3.1 微震监测技术

为了全面掌握煤岩体在采动作用下的破坏及引发的冲击矿压,需要对煤岩体的变形、破坏及应力场分布进行全方位、空间监测,较为理想的手段就是微震监测技术。微震监测技术就是采用微震网络进行现场实时监测,通过提供震源位置和发生时间来确定一个微震事件,并计算释放的能量;进而统计微震活动性的强弱和频率,并结合微震事件分布的位置判断潜在的矿山动力灾害活动 （冲击矿压）规律,通过识别矿山动力灾害活动规律实现危险性评价和预警。

3.2 微震监测实践

我国采用微震监测技术对冲击矿压进行监测始于 20世纪 80年代初。使用便携式地音与微震仪器监测采场周围煤岩体的破坏情况,进而预测冲击危险性。1984年,我国从波兰引进了 SAK地音监测系统和 SYLOK微震监测系统,实现了对煤岩体破坏信息的连续实时监测。2004年,在全面考察国内外微震监测技术的基础上,从波兰引进了 ARAMIS/MA微震监测系统,开始用于新汶华丰煤矿冲击矿压的监测。目前,全国范围内采用微震监测技术监测、预测冲击矿压的矿井已达 20余个。

图5为使用ARAMIS/MA微震监测系统在华丰煤矿 1410工作面 2006年 5月 10日至 20日 （a）和 5月 21日至 30日 （b）发生的微震事件情况[8]。对比图 （a）和 （b）可以看出,在不同开采期间,微震发生的位置明显不同,表明回采工作面上覆岩层应力异常集中区与破坏位置是不同的。

图5 华丰煤矿 1410工作面微震事件与应力异常区

图6为义马千秋煤矿 21141工作面回采过程中,当工作面推进到 340m时发生的微震情况[10]。结合该矿开采实践和发生冲击矿压情况,发现微震事件的 3个高发区域 （Ⅰ区:工作面前方 50～300m;Ⅱ区:工作面距采区胶带下山 600～850m;Ⅲ区:21采区下山煤柱距采区煤仓 550m）与应力异常区对应,是发生冲击矿压的危险区域。

图6 义马千秋煤矿 21141工作面开采过程中微震事件与应力异常区

4 冲击矿压防治的应力控制实践

影响冲击矿压发生的主要因素就是煤岩体的应力条件。在防治冲击矿压的实践中,往往通过改变煤岩体应力状态的方法来达到防治冲击矿压的目的,其中煤层卸载爆破、深孔断顶爆破等技术取得了良好的效果。

4.1 煤层卸载爆破技术

煤层卸载爆破是在已确认具有冲击危险的区域,通过对煤体实施爆破,以达到解除冲击危险的一种冲击矿压防治措施。煤层卸载爆破的实质在于:通过对煤体实施爆破,使钻孔周围一定区域的集中应力得到释放,煤岩体产生裂隙,在一定的范围内形成卸载带,便于应力和能量的释放,消除发生冲击矿压的条件,避免冲击矿压的发生。

图7为使用钻孔应力计监测到的实施煤层卸载爆破后煤层的应力变化情况[6]。从图中可以清楚地看出,实施爆破后,煤层应力显著下降,表明爆破影响区内煤岩体的应力得到了有效控制。

图7 煤层卸载爆破效果的钻孔应力计监测结果

4.2 深孔断顶爆破技术

深孔断顶爆破是针对组成煤岩体的顶板–煤体–底板的高刚度承载系统,采用深孔爆破技术人为地切断顶板,破坏系统的应力分布状态和聚集弹性能的条件,进而促使顶板断裂并采后冒落,削弱采空区与待采区之间的顶板连续性,同时释放顶板中所聚集的能量,减小顶板来压时的强度和冲击性,从而达到防治冲击矿压发生的目的。

如图 8所示为深孔断顶爆破瞬间煤体应力变化[11],从图中可以看出,深孔断顶爆破后,煤体的应力迅速下降。通过连续不断地对顶板实施深孔断顶爆破 （孔深 30～60m、孔间距 4～8m、每孔装药量 15～40kg）,顶板岩层将发生周期性垮断,从而大大降低煤体的应力值,降低了冲击危险性。如图 9所示为采用钻孔应力计监测到的实施 2个月深孔断顶爆破所得到的效果。图中可以清楚地看到在监测期间煤体应力发生了 3次较大的下降,煤岩体的应力在开采过程中不断释放。事实上,在实施深孔断顶爆破过程中,尽管主要监测煤体的应力变化,但从煤体的应力变化可以推测顶板的断裂和结构状态。分析图 9可以进一步发现,每次顶板断裂后,煤岩体的应力均有较大下降,但随后又逐渐增加,顶板断裂呈周期性的变化,总的趋势是应力的逐渐下降。同时也可以认为,大的应力下降是顶板的断裂,小的应力增加是顶板断裂后形成新的稳定承载结构的过程。深孔顶板爆破的这种控制煤岩体应力变化的作用就是降低煤岩体冲击危险性。

图8 深孔断顶爆破瞬间煤体应力变化

图9 深孔爆破断裂顶板效果

5 结论

从理论与实践两方面开展了煤岩体应力控制角度防治冲击矿压问题的研究,使冲击矿压的应力控制技术进一步得到完善。主要结论如下:

（1）冲击矿压的类型多种多样,但无论是哪种类型,均是应力作用下煤岩体突然破坏的结果,采动应力是冲击矿压发生的主要诱发因素。

（2）采动应力在一定范围内是可以控制的,对于煤岩体中应力的控制是防治冲击矿压的重要手段;煤岩体的冲击矿压是可以防治的。

（3）采动应力监测系统能够对回采工作面范围内的煤岩体应力演化规律进行监测,能够实时、准确地评价煤岩体的冲击危险性;微震监测技术能够监测矿井范围内应力演化,对于矿井范围内煤岩介质应力变化及破断位置的监测具有突出优势。

（4）基于采动应力控制理论的爆破卸载防治冲击矿压技术,已经广泛应用于实际矿井,从工程效果来看,采用深孔断顶爆破技术,能够有效破坏煤岩体系统的应力分布状态和聚集弹性能的条件,进而促使顶板断裂,削弱采空区与待采区之间的顶板连续性,同时释放顶板中所聚集的能量,减小顶板来压时的强度和冲击性,从而达到防治冲击矿压发生的目的。

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Stress Control Theory and Practice of Rock-burst Prevention

QIQing-xin1,6,LIHong-yan1,6,PAN Jun-feng2,6,LEI Yi3,6,FU Dong-bo2,6,J IWen-bo1,4,6,ZHAO Shan-kun1,5,6
（1.Mine Safety Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;
2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;
3.Scientific DevelopmentDepartment,China Coal Technology&Engineering Group,Beijing 100013,China;
4.Resources&Safety School,China University ofMining&Technology（Beijing）,Beijing 100083,China;
5.Shaft Construction Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;
6.State KeyLaboratory of Coal Resource High-efficiency&Clean Utilization,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China）

Analyzing influence of geo-stress and mining stress on rock-burst,applyingmining stressmonitoring system and micro-seismic monitoring system to monitoring direct and indirect stress,mining stress variation was analyzed and rock-burst danger of coal and rock body inmonitoring area was evaluated.Applying technology of coal blasting for pressure relief,deep blasting for roof and floor broken,stress control theory of preventing rock-burstwas proved further and good practicable effectmade.

rock-burst;stress control;rock-burst danger;mining stressmonitoring;deep blasting for roof broken

TD324

A

1006-6225（2011）03-0114-05

2011-03-28

国家重点基础研究发展计划 （973）项目 （2010CB226806,2011CB201206）,国家自然科学基金资助项目 （50904033）

齐庆新 （1964-）,男,吉林九台人,满族,研究员,博士,博士生导师,从事采矿工程与煤矿安全科研工作。

[责任编辑:邹正立 ]