煤矿冲击地压防治的“双低”模式及其实践

2018-05-11张治高刘金海谭文峰

采矿与岩层控制工程学报 2018年2期

张治高，刘金海，徐波，谭文峰

(1.山东新巨龙能源有限责任公司，山东菏泽 274918；2.华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室，河北燕郊 065201)

冲击地压是我国深部开采矿井面临的主要动力灾害之一[1-6]，至2016年，我国冲击地压矿井已接近180处，广泛分布在主要采煤区。新巨龙公司位于巨野煤田中部，主采煤层平均厚8.82m，埋深800～1200m，上覆地层呈现“基岩薄、松散层厚”的特点，煤层与顶板均具有弱冲击倾向，原岩应力以水平应力为主，最大水平主应力为垂直应力1.9倍；受自重应力、残余构造应力、煤岩相变应力、采场支承压力等相互叠加影响，高应力区煤岩体富集弹性能，加上采掘扰动影响，易发生应力耦合型冲击地压。经过多年的实践，新巨龙公司创建了震动场、应力场预警指标体系[7]，提出了低应力开采防治冲击地压的思路[8]，生产过程中将卸压保护和预警前置，坚持“避黄杜红”预警原则和均衡生产原则，形成了低应力、低扰动开采环境，从而实现冲击地压防治和矿井安全高效开采的目标。

本文在总结新巨龙公司冲击地压防治实践经验的基础上，凝练煤矿冲击地压防治的“双低”模式，并结合3301工作面冲击地压防治，介绍“双低”模式的实现途径。

1 压防治的“双低”模式

1.1 冲击地压实时监控预警平台

监测预警是冲击地压防治的重要环节之一。新巨龙公司于2010年11月首次在1301N工作面安装了高精度微震监测系统和应力/冲击地压监测系统，此后按照高端配置、实时监测要求，逐步完善震动场、应力场联合监测预警体系。其中，在震动监测方面，形成了0.1～1500Hz全频段震动监测体系，包括矿区地震监测台网、矿井微震监测系统、区域高精度微震监测系统(用于采掘工作面周围300m范围内的震动事件监测)；在应力监测方面，形成了全矿井重大冲击危险源与采掘工作面应力监测体系，包括矿井T型煤柱应力监测系统、回采工作面应力监测系统(用于回采工作面超前300m范围煤体应力变化趋势监测)、掘进工作面应力监测系统(用于掘进工作面后方300m范围煤体应力变化趋势监测)。

1.2 “双低”模式的内涵

应力监测体系采用“单点预警+过程判断”的方法对冲击地压危险进行预警，可根据现场煤粉量标定结果准确设置红色、黄色预警阈值。新巨龙公司根据现场条件，初设深(13m)、浅(8m)测点的黄色预警阈值分别为10MPa，8MPa；红色预警阈值分别为12MPa，10MPa。现场发现，当监测系统发生预警时，煤体已积聚高应力，彻底消除冲击危险需较长时间，甚至需停产数日，且在高应力区实施解危措施存在冲击伤人的风险。为此，提出低应力预警的理念，将预警和卸压保护措施前置，确保采掘周围煤体始终处于低应力状态。

震动监测体系以震动能量为预警指标，通过对一段时间内的震动能量进行统计分析，设置置信水平，确定置信空间和震动能量上限，进而以震动能量上限作为预警阈值。震动能量是采掘扰动的表征参数，能够反映采掘速度的合理性。现场可根据震动能量变化动态调整采掘速度，从而确保采掘周围煤体始终处于低扰动状态。

“双低”模式的内涵：以营造低应力、低扰动的采掘环境为目标，通过降低冲击地压预警阈值，提升煤体应力危险级别，提前实施卸压措施，从而将卸压保护和预警前置，使周围煤体始终处于低应力状态；通过设置震动能量预警阈值，根据震动能量变化动态调控采掘速度，贯彻均衡生产和均能量释放的理念，使周围煤体始终处于低扰动状态。现场通过实践“双低”模式，实现了“避黄杜红”的预警目标和“避停治灾”的生产目标，并随着“双低”模式实践的深入，现场发展并建立了低应力开采[8]、均能量生产、冲击危险源识别控制、“三不准”施工等冲击地压综合防治管理体系。

1.3 基于“双低”模式的预警指标设定

1.3.1 应力预警指标

低应力预警包括最大值预警和趋势预警等，其中最大值预警是指当冲击地压监测系统的浅、深测点应力值分别持续上升到6.5MPa和7.5MPa时，发出低应力预警；趋势预警是指当冲击地压监测系统测点应力增量在2h内超过1.0MPa时，发出低应力预警。低应力预警后，施工人员对预警区域实施动态卸压，直至消除冲击危险。基于低应力模式设置的冲击地压监测系统各级预警阈值见表1。

表1 基于应力监测的冲击地压预警阈值

1.3.2 震动预警指标

采用由矿区地震监测台网、矿井微震监测系统、区域微震监测系统集成的“全频广域”震动监测技术[9]开展震动监测。通过分析采场震动能量释放规律，运用数理统计方法，分采区建立日释放能量、单位推进度能量等震动能量预警指标体系，分限产、停产二级设置预警阈值(见表2)，确保现场以量定采，均能量生产。

表2 震动能量预警阈值

2 “双低”模式的实现途径

2.1 基于防冲的开拓布局与采掘接续优化

开采强度和采掘相互影响是诱发冲击地压的重要因素。通过优化开拓布局和采掘接续，可从根本上防范冲击地压的发生。如基于防冲要求，新巨龙公司生产布局由初期“一井一面”达产，优化为“一井两面”，降低了采掘强度，减少了采掘扰动，同时坚持2个生产、2个准备采区，4个采区间跳采；利用边界下山系统，将双翼工作面改为单翼工作面，从而避免双翼工作面之间的相互扰动。

2.2 基于冲击模型的冲击危险源监控

基于断层、褶曲、煤层分叉、煤质相变、初次来压与见方、底煤与薄岩柱底板、超前与爆破扰动、过老巷(应力孤岛)、区段煤柱、穿层薄岩柱区、末采煤柱区、应力凸角、采掘近距离扰动、不合理设计等15种冲击模型，确定冲击危险源和重点监控区域，并对重点冲击危险区域进行监测监控。

2.3 基于动-静组合评价的隐蔽冲击危险源排查

采掘施工前，动态分析采掘扰动区域隐蔽冲击危险源，开展冲击危险性评估，划分冲击危险区，明确各区域的冲击危险程度；根据冲击危险性评估结果，编制专项防冲设计，明确分区分级治理方案，按强、中、弱等静态冲击危险区落实卸压保护措施；施工过程中，根据现场监测信息，动态分析施工扰动区域的冲击危险因素，评估冲击危险程度，编制专项治理工程。可见，通过动-静组合评价，有效排查出冲击危险源。

2.4 基于“避轻就重”原则的冲击危险盲区处理

按照“避轻就重”原则，将掘进迎头、巷道开门与贯通段、巷道小角度接近断层阶段、过褶曲阶段、采掘相互影响段、巷道群段、锐角煤柱段、区段煤柱异常段、巷道穿层段、巷道留底煤段等划分为冲击危险区。巷道掘进过程中，通过实施超前煤层钻孔，确保一定宽度的超前卸压保护带；对巷道开门、贯通段实施超前煤层钻孔，改变煤体结构和弱化其冲击倾向性；在巷道小角度接近断层阶段、过褶曲阶段、采掘相互影响段、巷道群段等，采取超前和滞后卸压保护措施；将施工过程中形成的锐角煤柱、异常区段煤柱、巷道穿层段、留底煤段等作为隐患区管理，施工过程中实施卸压处理，从而形成有效保护。

2.5 基于“三不准”施工原则的危险区现场管控

“三不准”施工原则，即现场卸压保护不到位不准施工；监测预警不到位不准施工；预警处置不到位不准施工。为避免现场因施工不到位发生冲击地压灾害，实践“双低”模式，采掘工作面贯彻“三不准”施工原则，确保施工区域得到管控。

3 工程实践

3.1 工程概况

新巨龙公司3301工作面位于-810m水平三采进风上山以北，东侧为2301N采空区，属沿空工作面，走向长1350m，倾斜宽271m，平均采深750m，回采煤层平均厚9.08m，倾角1°～10°，平均5.5°，采用综合机械化放顶煤开采工艺。3301工作面胶带巷沿2301N采空区掘进，其断面为矩形，净宽4.8m，净高4.0m，采用锚网带索支护方式，与2301N采空区之间留设宽4.5m的区段煤柱。经多因素耦合评价，3301工作面存在8处强冲击危险区、5处中等冲击危险区和3处弱冲击危险区(见图1)，胶带巷掘进与工作面回采期间都将受到冲击地压威胁。

图1 3301工作面冲击危险区分布

3.2 胶带巷掘进应力预警及处置

2015年2月9日，3301工作面胶带巷掘进迎头后方91m处的29号测站发生低应力预警(见图2)。该测站于2015年1月31日布置，测点安装深度为13m，初始值为3.2MPa。2月9日中班，测站滞后迎头91m时，应力上升至4.5MPa，增幅超过1.0MPa，发出低应力预警，然后在该区域施工3个煤层钻孔进行解危。前2个钻孔施工过程中，应力值由4.5MPa逐渐增加到5.7MPa；第3个钻孔钻进至10m时发生钻孔内冲击，应力值由5.7MPa上升到11.2MPa，随后迅速升高至19.0MPa，当钻进至15m时应力迅速降至3.7MPa，从而解除了冲击危险。

图2 29号测站应力变化曲线

从此次冲击地压预警与处置过程来看，由于贯彻了低应力理念，将预警与解危保护前置，避免了解危人员在高应力区施工和巷道停止掘进，保障了施工人员安全和掘进速度。

3.3 工作面回采震动预警及处置

2016年3月6日，3301工作面震动能量达到21300J，发出限产预警(见图3)，安排现场作业人员密切关注现场显现，推采速度维持在4.8～5.2m/d，至3月7日，3301工作面震动能量降至19300J；3月8日，3301工作面震动能量达到22600J，再次发出限产预警，要求现场按不超过5m/d，2.4m/班的速度组织生产，此后震动能量回落并趋于平稳。

图3 3301工作面震动能量变化曲线(2月25日～3月14日)

从2016年3月6日～3月14日的震动预警及处置来看，由于贯彻了低扰动理念，及时调整推采速度，避免了震动能量停采预警，从而确保了工作面安全和不间断推采。

3.4 工作面回采期间震动-应力预警及处置

2016年3月19日13:08，3301工作面胶带巷超前范围内发生一次大能量震顶，现场震感强烈，工作面煤壁超前10m范围内胶带巷外帮产生明显位移，多处形成网兜，其中超前5m处胶带巷外帮钢筋网联接处被撕裂，超前40m范围内胶带巷内帮的卸压钻孔闭合。经定位，此次震源位于工作面前方86.2m、胶带巷内侧43.6m、煤层顶板67.5m处，能量为8945J。另外，安装在工作面煤壁前方65.9m处胶带巷内帮的16号应力测站深部测点的应力值由4.10MPa瞬间升至14.91MPa。

图4所示为3301工作面回采期间震动能量变化曲线(3月10日～3月24日)。从图中可以看出，3月17日震动能量已接近限产预警值，3月18日震动能量超过限产预警值，3月19日震动能量达到峰值，且超过停产预警值，此后震动能量下降；3月15日～3月18日工作面推进速度都维持在4.8m/d以上，且推采速度不均衡，而当推采速度降到4.8m/d以下且尽可能维持均衡推进时，震动能量下降，并低于限产预警值。可见，工作面快度不均衡推采是造成此次震动的重要原因。

图4 3301工作面震动能量变化曲线(3月10日～3月24日)

图5所示为布置在3301工作面胶带巷内侧16号测站的应力变化曲线。该测站位于此次震源附近。从图中可以看出，震顶后该测站深部测点的应力值瞬间升高至14.91MPa，达到红色预警值；发出红色预警后，在该测点两侧施工2个卸压钻孔，至15:01应力值降至7.47MPa；此后该测点应力值逐渐升高，并发出黄色预警，再继续施工2个卸压钻孔后，应力值降至4.69MPa；此后该测点又经历多次黄色预警，并在及时施工卸压钻孔后降至预警值以下，直到最后解除冲击危险。