埋深超千米近距离煤层上行开采防冲技术研究

田厚强，成云海，颜　磊

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；

2.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；3.新矿集团 孙村煤矿，山东 新泰 271233)



埋深超千米近距离煤层上行开采防冲技术研究

田厚强1,2，成云海1,2，颜磊3

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；

2.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；3.新矿集团 孙村煤矿，山东 新泰 271233)

[摘要]孙村煤矿已进入-1100m(埋深1280m)水平开采，在高地应力、无上保护层的情况下，常规下行开采冲击地压难以防治。通过反程序上行开采设计，根据工作面工程地质条件，利用微地震监测反演岩层运动特征，采用冲击地压应力在线监测采动应力场分布，结合钻屑量监测验证，对反程序上行开采的可行程度及下保护层的卸压效应从现场实测结果中进行合理分析。结果表明：经过下保护层采动过程中引发的裂隙卸压作用，二层工作面的采动应力降低幅度较大，微地震能量释放较为平稳，均低于104J(大于105J时，发生冲击危险的机率增大)，并根据钻屑法监测结果可以判定工作面无冲击危险。试验验证了反程序上行开采消除了大埋深、无上保护层、强冲击倾向煤层采场的冲击地压危险。

[关键词]超千米；近距离煤层；上行开采；冲击地压；防治

冲击地压属于一种自然灾害，是煤矿发生地震的一种表现形式[1]。对于冲击倾向煤层的开采，开采保护层能够有效降低被保护煤层的冲击危险，一般采取开采上保护层的开采顺序。煤矿正常开采顺序是下行开采[2]，对无上保护层的冲击倾向煤层开采，开采下保护层、反程序的上行开采有利于降低被保护煤层冲击危险，但存在的工程问题是：上层煤顶、底板整体结构产生破坏且出现台阶错动；增大了上层煤的瓦斯及有害气体涌出危险；加速煤的自然发火过程等[3-5]。

对于深井高应力难采煤层、无上保护层开采，下行开采存在诸多弊端，但是上行开采能够有效解决高地应力、冲击地压、巷道支护等问题[6]。孙村煤矿已进入-1100m水平开采，水平埋深1280m，主采二、四层煤。二层煤平均厚度3.5m，其上方无保护层，距其下方19～22m(平均20m)为平均厚度2.2m的四层煤，二、四层煤属于近距离煤层。二层煤具有强冲击倾向性，其顶板具有中等冲击倾向性；四层煤具有中等冲击倾向，其顶板无冲击倾向。可知，下行开采中二层煤的危险程度大于四层煤。蒋金泉教授针对该矿埋深980m的复合顶板、冲击倾向煤层采场从数值模拟、物理模拟等角度对深井复合顶板煤层上行开采可行程度进行了论证[6]。

本文在前人研究的基础上，针对埋深1030～1280m的开采条件，制定了反程序上行开采防冲方案，并利用微地震监测反演岩层运动特征，采用冲击地压应力在线监测采动应力场分布，结合钻屑量监测验证，对反程序上行开采的可行程度及保护层卸压效应根据现场实测进行合理分析。

1工程地质概况

2224综采工作面位于-1100m水平二采区二层煤第Ⅳ亚阶段，工作面埋深1240m，南侧紧邻2223工作面采空区，其余三侧未开采，下伏2423工作面已开采完毕。工作面走向长948.5m，倾斜宽192.4m，采用走向长壁垮落采煤法，煤层厚3.5m，煤层倾角26.8°，单轴抗压强度27.11MPa，直接顶为1.5m的粉砂岩，抗拉强度为6.38MPa。二层煤为孙村煤矿主采煤层之一，煤层具有强冲击倾向性，顶板具有中等冲击倾向性。2224工作面综合柱状图见图1。

2反程序上行开采方案

比值法、“三带”判别法及围岩平衡法等作为反程序上行开采可行程度评价方法均是围绕层间距和采厚进行的[8]。

(1)比值法根据上下层煤层间距与下层煤采高的比值K评价反程序上行开采的可行程度，其计算公式如下[7]：

K=H/M=20/2=10>7.5

式中，H为二、四层煤层间距，m；M为四层煤采高，m。

我国垮落上行顺序开采的生产实践和研究表明，当比值K>7.5时，下层煤的采动不会影响上层煤正常的采掘活动。二、四层煤满足比值法的基本要求，可以开展上行开采设计。

(2)“三带”判别法主张当上下层煤的层间距小于或等于下层煤的垮落带高度时，上层煤整体结构会发生剧烈变形破坏，无法开展采掘活动[2]。根据覆岩运动特性，垮落带高度Hm可用下式计算：

Hm=(M-SA)/(KA-1)=(2-0.4)/(1.25-1)=6.4(m)

式中，M为四层煤采高，m；SA为基本顶沉降值，m；KA为岩石碎胀系数。

按照上述计算结果，可知二层煤位于四层煤垮落带上方，可以采用上行开采设计。

(3)平衡围岩法必要的层间距H是评价上行开采的一个基本条件，一般通过下式估算：

H>M/(KA-1)+h=2/(1.25-1)+4=12(m)式中，M为下层煤采高，m；KA为岩石碎胀系数；h为平衡岩层本身厚度。

根据煤层柱状图，四层煤顶板上方6.4m的粉砂岩冒落后，其上方为4m的砂岩，可作为平衡岩层。二、四层煤层间距达到平衡围岩法的估算要求，可以开展上行开采设计。

综合以上分析，二、四层煤层间距及岩性达到了反程序上行开采的基本条件，可以进行上行开采。以上评价方法均建立在煤层埋藏较浅的条件上，对于埋深超千米的煤层反程序上行开采评价方法还有待研究。

2224工作面回风巷，埋深1029m，沿煤层布置，净宽4.0m，净高2.8m，断面积11.2m2。为防止上一工作面应力传递集中，通过留设2m的煤柱与2223工作面采空区隔离；运输巷埋深1236m，沿煤层布置，净宽4.5m，净高3.0m，断面积13.2m2。为使四层煤保护效果最优，将2224运输巷布置在2423运输巷保护角范围内，内错60m。工作面巷道布置见图2。

图2　二、四层煤工作面叠加示意

3监测数据分析

冲击地压的发生主要与煤层的冲击属性和支承压力分布特征有关。本文通过现场实测掌握煤层围岩应力动态分布，通过配备微地震监测系统及冲击地压在线监测系统对2224工作面回采期间围岩震动、应力动态进行监测。微地震监测系统能够对围岩破裂点进行定位，展示其分布规律，从而对冲击危险进行区域性预警；冲击地压在线监测系统能够实时监测围岩应力变化，从而对冲击危险进行临场预警；钻屑法能够对冲击危险进行逐点检验。

以2014年7月6日至2014年9月6日期间的微地震、应力和钻屑量数据为基础，反演岩层运动特征，并监测采动应力场分布，对危险区域提前预警，结合钻屑量监测验证，确保工作面安全生产。在该监测期间，2224综采面共进尺90m，各监测系统未出现冲击预警。

3.1微地震监测结果分析

2224工作面由运输巷导线点F21推采至导线点F19时(推采长度为90m)，工作面顶板及底板内发生60个微地震事件，释放能量83.4kJ。其中，0.6～0.9震级事件41个，0.9震级以上事件13个。大于0.9震级(不包括0.9级)的事件见表1。在监测期间，KJ551监测系统检波器收到的事件大部分为低于104J能量的微地震事件(研究认为，大于105J时，发生冲击危险的机率增大[10])，发生大能量微地震事件的机率很小，说明不存在集中破裂区与能量集中释放区。

为研究微地震事件与工作面位置的相对关系，将监测期间采煤工作面固定，之后将所有的微地震事件集中叠加描述，如图3所示。由图可知，微地震事件(圆点)低发区为工作面前方20m范围内，该区域为应力降低区；前方20～240m微地震事件比较集中，为围岩破裂高发区；340m以后无微地震事件。根据煤岩体破裂区总是与最大主应力差区域重合，并接近高应力区[11]，得到高应力区为超前20～240m。

表1　震级大于0.9级的微地震事件

图3　微地震事件与固定工作面相对位置关系

图4为监测期间微地震事件(圆点)相对于固定工作面沿倾斜方向的剖面分布图。工作面覆岩破裂高度在煤层上方60m左右，最大在108m左右，覆岩呈“拱形”破坏，如图4中弧形实线所示。四层煤采动过程中产生的裂隙释放了二层煤中的部分能量，因此，工作面底板中的微地震事件很少发生。根据采场附近岩层“破裂—应力”之间的相应关系[12]，即可分析出工作面倾向上的支承压力，如图4中虚线所示，应力峰值在工作面中部，距离回风巷80m左右。

图4　2224工作面微地震事件倾向剖面

3.2冲击地压在线监测结果分析

发生在局部区域的应力集中、突变主要由以下因素造成：掘进或回采过程中引起的坚硬岩层断裂；构造应力带的影响；断层的活化，而其显现的方式主要为应力增量或应力大小的变化[13]。通过微地震监测结果可知，工作面高应力区为超前20～240m。为提高监测预警的准确性，在超前250m范围内安装冲击地压在线监测系统，对围岩应力的改变进行实时监测。在监测期间，钻孔应力值均未超过警戒值，说明反程序上行开采能够降低被保护层的围岩应力，进而消除冲击危险。

回风巷布置在2223工作面运输巷应力降低区内，其受到的围岩压力较小，故回风巷钻孔应力低于运输巷，如图5所示。根据工作面微地震、冲击地压在线监测可知，围岩应力从8月10日开始持续升高，表现为钻孔应力计读数增高，下位采动造成的采动裂隙持续发育，进而在8月15日引发工作面0.95级微地震，围岩应力随之降低。通过对微地震、应力在线监测数据综合分析，能够得到微地震事件与围岩应力间的变化规律，两监测方法之间进行了相互验证，证实了联合监测工作面的震动场及应力场能够提高对冲击危险预警的准确性。

图5　工作面应力增量与微地震震级关系

3.3钻屑法监测结果分析

钻屑法作为冲击地压的预测预报及危险性检验有效方法之一，其数据的真实可靠性和确定危险的准确性尤为重要。在同一条件下，钻屑量与围岩应力存在着对应关系，即不同围岩应力对应着不同钻屑量[14-16]。当实测钻屑量与危险值持平或更高时，则判定该区域存在冲击危险，必须采取卸压解危措施，之后再次利用钻屑量验证冲击危险性，监测无危险时，才可以继续生产，否则，危险消除后才可停止解危措施。

四层煤开采后，在没有实施防冲措施的情况下，二层煤钻屑量监测指标正常，说明采用反程序上行开采的设计消除了二层煤冲击危险。选取8月11日至8月19日距回风巷、运输巷巷帮各5m处的钻屑监测数据进行分析，日钻屑监测值从8月11日升高(未超过临界值)，至8月15日工作面顶板发生0.95级微震事件后，钻屑量也随之降低，如图6所示，进一步证实了微地震、冲击地压在线监测的准确性，同时验证了应用反程序上行开采后，四层煤采动裂隙、采空区对二层煤围岩应力具有释放、转移的作用，消除了二层煤冲击危险。

图6　回风巷、运输巷煤粉量曲线图

4结论

基于微地震、应力在线和钻屑量监测技术，得到2224工作面震动场、应力场规律，验证了下保护层卸压效果及反程序上行开采的合理性。主要结论如下：

(1)孙村煤矿2224工作面应力降低区为超前20m，高应力区为超前20～240m；覆岩破裂高度在煤层上方60m左右；从工作面倾向分析，距离回风巷80m左右支承应力达到最大。

(2)通过对微地震、应力在线监测数据综合分析，能够得到微地震事件与围岩应力间的变化规律，两监测方法之间进行了相互验证，钻屑法作为冲击危险性检验的一种有效方法，同时证明了微地震、应力在线监测间的对应关系。实践证明，应用多种监测方法能够提高监测预警的准确性。

(3)优先开采保护层后，2224工作面微地震事件大部分为小能量事件，大能量事件发生的概率很小；围岩应力未出现集中和突变区域；每日钻屑量监测结果均未超标。综合上述监测结果，2224综采工作面正常推采期间没有冲击危险。

(4)实践表明，对于孙村煤矿二层煤无上保护层、大埋深、强冲击倾向的特点，反程序上行开

采相对于下行开采，能够显著降低二层煤的危险性。

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[责任编辑：潘俊锋]

Rockburst Prevention in Contiguous Coal Seams with Ascending Mining and Embedded Depth Exceed Kilometer

TIAN Hou-qiang1,2,CHENG Yun-hai1,2，YAN Lei3

(1.Energy & Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China;(2.Education Ministry’s Key Laboratory of Co-constructed by Province and Ministry，Coal Mine Safety and Efficient Mining，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001,China；3.Suncun Coal Mine，Xinwen Mining Group，Xintai 271233，China)

Abstract：The mining level of Suncun coal mine had reached -1100m，rock burst was difficult to control with descending mining way in this mining level，which in high in-situ stress and non top protective layer.Then ascending mining design was applied，based on geological situation of working face，the strata movement characters were back analyzed based on micro seismic monitoring，the mining stress filed distribution was monitored on line，and with the drilling chips，the feasibility of ascending mining and release pressure effect of low protective layer were analyzed based on filed testing.The results showed that mining stress of the second layer working face decreased sharply with fracture pressure relief that induced by low protective layer mining，micro seismic energy released smooth，all of its value smaller than 104J(the rock burst hazard will increased when the value more than 105J)，the conclusion that the working face without rock burst hazard based on drilling chip results was reached.The results of test showed that rock burst hazard that induced by large embedded depth，non top protective layer and mining filed with large rock burst tendency could be avoided by ascending mining.

Keywords：exceed kilometer；contiguous coal seam；ascending mining；rock burst；prevention and cure

[中图分类号]TD324

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0089-04

[作者简介]田厚强(1989-)，男，山东邹城人，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层运动控制。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51174002)；山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地开放基金资助项目(MDPC2012KF02)

[收稿日期]2015-08-12

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.024

[引用格式]田厚强，成云海，颜磊.埋深超千米近距离煤层上行开采防冲技术研究[J].煤矿开采，2016，21(1)：89-92，79.