弱冲击倾向性煤层冲击地压监测预警及防治

容宾宾，拜 鹏，郑洪涛

(陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

煤炭是我国的基础能源，且作为我国主体能源在今后的很长时期仍难以改变[1-2]。随着社会经济的发展，对能源需求量的逐年增加，大规模的煤炭开采使浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭资源的开采不断深入到地球深处，以冲击地压为代表的煤矿灾害的发生愈加频繁，严重威胁矿山安全生产[3]。黄陇煤田是中国的大型煤矿生产基地之一，是全国重要能源生产基地，其中，小庄煤矿位于黄陇煤田的彬长矿区，隶属于陕西彬长矿业公司，是其下属的新型大型骨干矿井之一[4]。小庄煤矿位于彬长矿区中部，矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北北缘的彬县，小庄煤矿主采的4号煤层位于延安组下部，埋藏较深，基本全井田分布，4号煤层形成于长期发育的泥岩沼泽中，煤层厚度0～38.66 m，平均厚度15.23 m，属特厚煤层。目前准备开采40205工作面，工作面直接底为铝质泥岩，厚度为3～4 m。直接顶为细砂岩，厚度为1～2 m。老顶为中-粗粒砂岩，厚度约为9～10 m。

根据煤炭科学研究院《小庄煤矿4号煤及其顶底板岩层冲击倾向性鉴定报告》，4号煤层、顶板、底板具有弱冲击倾向性。冲击矿压是典型的煤岩动力灾害，是一种积聚在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放现象，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等[5-6]。目前针对冲击地压问题已经开展了许多有意义的研究，在理论研究方面提出了强度理论、能量理论、冲击倾向性理论、变形失稳理论、冲击启动等理论[7-8]。在监测预警方面有钻屑法、应力监测法、声发射监测法、微震监测法、电磁辐射监测法等监测预警方法[9-10]。在冲击地压防治方面形成了开采布局调整、开采保护层、煤岩层注水/爆破卸压、大孔径钻孔卸压等防治方法[11-12]。因此，分析小庄煤矿井综放开采过程中冲击地压的监测预警及防治，对小庄煤矿的高效生产和安全开采具有重要意义。

1 40205 工作面冲击地压影响因素分析

煤层开采过程中冲击地压的发生需具备3个条件，即开采煤层本身具有冲击倾向性；采掘空间围岩载荷局部化集中，并且达到冲击失稳载荷极限；煤体中高度局部化集中的载荷有释放空间。

1.1 开采深度

随着开采深度的增加，自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。开采深度越大，发生冲击地压的可能性也越大。小庄煤矿40205工作面地表最大标高+1 082.5 m，最低标高+953.0 m，煤层埋深约为570～710 m，开采深度对40205工作面冲击危险性影响程度为中等-较大。井下开采改变了煤岩体赋存空间，巷道、采空区提供了一个应力释放的空间。

1.2 煤岩层冲击倾向性

煤岩冲击倾向性是煤(岩)介质产生动力破坏的固有属性，是发生冲击地压的必要因素之一，而且煤岩层结构特点和煤岩层的组合形式与冲击地压也有密切关系。根据冲击倾向性鉴定结果，小庄煤矿4号煤顶底板及煤层都具有冲击倾向性。

1.3 综合分析

对于40205工作面冲击地压的发生第1和第3个条件已经满足。40205工作面冲击地压防控主要思路是采掘活动中消除或弱化围岩载荷局部化应力集中，避免冲击地压的发生。

2 冲击地压监测及预警

2.1 微震监测

采用KJ551微震监测系统对井下采掘区域微震事件进行监测，井下微震监测台网能覆盖该工作面掘进区域，可有效监测该掘进工作面微震事件。KJ551微震监测系统能通过对井下微震事件进行实时监测，结合微震事件发生的地点、时间、能级等指标，对冲击地压进行预测预报。监测过程中，如果工作面周围的微震能量超过临界值，或微震能量、频次出现异常，或向某个区域集中时，判定存在冲击地压危险，应及时进行解危治理。微震监测及冲击地压的预测预报由防冲办负责，每日监测结果在调度会上进行通报，并根据监测结果及时安排防冲队及施工区队做好卸压解危措施的落实工作，确保安全生产。冲击地压危险等级分为A级-无冲击危险、B级-弱冲击危险、C级-中等冲击危险、D级-强冲击危险，见表1。

表1 冲击地压危险微震能量分级预警指标Table 1 Graded early warning indicators of microseismic energy for rock burst danger

2.2 地音监测预警

地音监测系统的工作原理是通过提供统计地音事件、能量释放率、延时等一系列地音参量，找出地音活动规律，以此判断岩体受力状态和破坏进程，评价岩体的稳定性，进而判断监测区域的冲击危险等级。经过长期监测后，可以在已有数据的基础上，对下一时段内监测区域危险等级进行预测，从而实现对监测区域的危险性评价和预警。目前小庄煤矿已安装ARES-5/E地音监测系统，掘进工作面掘进期间，在后部距掘进工作面40 m、70 m位置布置2个探测器，如图1所示。采煤工作面采煤期间分别在工作面进风巷、运输巷距切眼60 m、110 m位置各布置一个探测器，如图2所示。且各探测器随工作面的推进交替外移，以便更准确有效地接收煤岩层中的地音信号。

图1 掘进期间地音探测器布置示意Fig.1 Layout of geosonic detectors during tunneling

2.3 采动应力监测

目前小庄煤矿已配备KJ649采动应力监测系统，具体监测点方案如图3所示。

图3 危险区域内采动应力监测方案示意Fig.3 Monitoring scheme of mining stress in hazardous area

40205工作面胶带运输顺槽南侧每隔30 m安装一个9 m深单孔应力计；北侧每隔30 m安装一组应力计，每组由一个15 m和一个9 m应力计组成，两孔间距1 m；安装孔径44 mm。应力计安装高度位于1.2～1.5 m，安装方位角0°，垂直水平夹角0°～3°，开口避开锚杆和锚索0.4 m以上，应力计接口外露0.5 m，安装初始压力4 MPa。钻孔黄土封口1.5 m。

3 冲击地压预卸压措施

3.1 不同防治措施分类

通过断顶、断底、煤体钻孔等预卸压措施，对划分的冲击危险区域内采掘工作面高应力集中的削弱，可有效预防冲击地压的发生。如工作面回采期间采取PASAT应力CT扫描，对冲击危险区域进行精细划分，则回采期间可按照CT扫描结果进行不同等级冲击危险区域预卸压，具体防治措施见表2。

表2 不同冲击危险区域防治措施Table 2 Prevention and control measures for different bursting risk areas

3.2 迎头预卸压

掘进工作面每施工40 m巷道，在迎头施工5个80 m深的卸压钻孔，保证40 m处于卸压范围，钻孔采用五花眼布置；直径133 mm，左右间距1.5 m，上下间距0.3 m，方位角270°，钻孔垂直角度与巷道掘进坡度一致。掘进工作面每掘进3天，在迎头施工5个25 m深的卸压钻孔，钻孔采用五花眼布置；直径133 mm，左右间距1.5 m，上下间距0.3 m，方位角270°，钻孔垂直角度与巷道掘进坡度一致。迎头卸压钻孔采取交替施工，具体参数见表3。

表3 钻孔参数Table 3 Drilling parameters

3.3 帮部及底板预卸压

3.3.1 帮部大直径卸压钻孔

使用ZDY3500LP钻机施工大直径卸压钻孔。帮部大直径卸压钻孔直径为133 mm，钻孔布置在巷道高度的中部，单排布置，钻孔距巷道底板1.5 m(尽量避开锚杆、锚索支护位置，避免使支护失效)，孔间距为1.6 m，封孔长度4 m。卸压钻孔参数见表4，布置方式如图4所示。

图4 40205运顺帮部大直径卸压钻孔布置剖面示意Fig.4 Layout section of large-diameter pressure relief drilling holes at the side of 40205 transport roadway

表4 帮部大直径卸压钻孔参数Table 4 Pressure relief parameters of large-diameter drilling holes in the side

3.3.2 底板大直径卸压钻孔

底板施工大孔径卸压钻孔，沿底板底角两侧各施工1组(可适当调节钻孔位置，需保证钻孔施工质量)。钻孔直径133 mm，孔间距为1.6 m，封孔长度2 m，钻孔长度8 m左右(以见底板岩层为准)，卸压钻孔参数见表5，布置方式如图5所示。

图5 底板大孔径卸压钻孔布置示意Fig.5 Layout of large-diameter pressure relief drilling holes in the floor

表5 底板大直径钻孔卸压参数Table 5 Pressure relief parameters of large-diameter drilling holes in the floor

4 结论

(1)小庄煤矿40205工作面冲击地压防控主要思路是采掘活动中消除或弱化围岩载荷局部化应力集中，避免冲击地压的发生。

(2)在冲击地压监测方面，综合运用微震监测、地音监测和采动应力监测，可以满足小庄煤矿冲击地压的预警。

(3)结合工程实践发现，采用预卸压措施对采掘工作面高应力集中区域进行削弱，可有效预防冲击地压的发生。