郭屯矿2303工作面冲击地压防控技术研究.pdf

第4 6 卷第9 期2023年9 月采矿与井巷工程郭屯矿2 3 0 3 工作面冲击地压防控技术研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.9Sep.2023张泉，郑义宁（充矿能源集团股份有限公司东滩煤矿，山东济宁2 7 2 0 0 0）摘要：掌握冲击地压防控技术，对煤矿安全高效生产有重要意义。通过分析郭屯煤矿2 3 0 3工作面冲击地压主控因素，提出了针对性的防控措施，并进行了现场应用。得到如下结论：2 3 0 3 工作面冲击灾害主控因素排序为开采深度因素 顶板岩层结构因素 地质构造因素煤岩体力学性质；现场微震监测结果表明调整巷道断面及支护方案后，微震事件总频次有所减少，能量下降趋势明显，微震单个最大能量、总能量大幅度下降；应力监测结果表明两巷在推采过程中应力略呈递增趋势，但总体变化范围较小，符合正常应力传递和演变规律。研究成果对郭屯煤矿冲击地压防控具有重要意义。关键词：冲击地压；微震监测；应力监测；支护方案中图分类号：TD324文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 9-0 0 1 2-0 4Research on rock burst prevention and controltechnology in No.2303 Face of Guotun MineZhang Quan,Zheng Yining(Dongtan Mine,Yankuang Energy Group Co.,Ltd.,Jining 272000,China)Abstract:Mastering the prevention and control technology of rock burst is of great significance to the safe and efficientproduction of coal mines.By analyzing the main control factors of rockburst in No.2303 Face of Guotun Mine,targetedprevention and control measures were put forward,and carried out field application.The following conclusions wereobtained:The order of main control factors of impact disaster in No.2303 Face was:mining depth factorroof rockstructure factorgeological structure factormechanical properties of coal and rock mass;T h e o n-s i t e mi c r o s e i s mi cmonitoring results showed that after adjusting the roadway section and support scheme,the total frequency of microseismicevents had decreased,the energy decline trend was obvious,and the single maximum energy and total energy ofmicroseismic events had decreased significantly;T h e s t r e s s mo n i t o r i n g r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s t r e s s o f t h e t w o r o a d w a y swas slightly increasing in the process of pushing and mining,but the overall change range was small,which conformed tothe normal stress transmission and evolution law.The research results were of great significance to the prevention andcontrol of rock burst in Guotun Mine.Key words:rock burst;microseismic monitoring;stress monitoring;support scheme冲击地压具有复杂性和不确定性，因此有必要对矿0引言井冲击地压危险性进行监测和预防。冲击地压是采掘工作面煤岩体积聚的弹性变形目前诸多专家学者对冲击地压进行了大量的研能突然释放，产生强烈震动，造成煤岩体剧烈破坏究，朱斯陶等5通过理论分析和现场实测对整体失的动力灾害 1-2 。随着我国煤矿开采深度和强度的不稳型冲击地压进行了分类，并给出了防控措施；吴断增大，煤矿面临的冲击地压威胁日益严重 3-4。影学松等间提出了运用建立、完善煤矿矿井冲击地压响煤矿冲击地压的因素众多，发生机理不一，造成防控体系的方法，实现零冲击目标管理，构建了八责任编辑：任伟D0I：1 0.1 9 2 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 9.0 0 3作者简介：张泉（1 9 9 5一），男，山东德州人，助理工程师。引用格式：张泉，郑义宁.郭屯矿2 3 0 3 工作面冲击地压防控技术研究 J.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（9）：1 2 1 5.12张泉等：郭屯矿2 3 0 3 工作面冲击地压防控技术研究管控要点的冲击地压防控体系；曹安业等针对煤矿应用背景构建了反演矩阵，统计分析了矿震破裂机制与震源参量的响应规律。本文以郭屯矿2 3 0 3 工作面为背景，通过分析郭屯煤矿2 3 0 3 工作面冲击地压主控因素，提出了针对性的防控措施，并进行了现场应用。研究成果对于同类型条件下的冲击地压防控具有重要意义。1概况郭屯煤矿2 3 0 3 工作面为二采区第三个工作面，工作面宽约2 6 0 m，回采推进长度约8 4 0 m；地面标高+4 1.6+4 5.4 m，工作面标高-6 7 0-7 7 0 m,最大埋深8 1 5m；煤层厚度5.0 7.9 m，平均厚度6.3m，煤层倾角0 1 8；工作面受埋深大、顶板坚硬、地质构造复杂（断层、褶曲等）、高地应力等因素影响，整体评价为中等冲击危险，工作面布置如图 1 所示。截至2 0 2 2 年1 1 月1 0 日中班，工作面已推采513.4m，剩余 3 2 6.6 m。2 0 2 2.1 1.1 2 0 2 2.1 1.1 0 日累计推进2 3.3 8 m，2 0 2 2.1 1.4 2 0 2 2.1 1.1 0 日累计推进1 7.4 5m，一周内平均推采速度为2.4 9 m/d。工作面轨道顺槽处于中等冲击危险区；胶带顺槽处于弱冲击危险区。工作面受自重应力、采动应力、采空区侧向支承应力、周期来压及工作面双“见方”等因素叠加影响，存在冲击风险。2023年第9 期击深度，具体见式（1）。H,=1.50.ky式中：H,为埋深，m；k n 为应力集中系数；为岩层平均容重。根据郭屯煤矿2 3 0 3 工作面具体条件，带入相关数据，可得工作面发生冲击危险的临界采深为538m，而2 3 0 3 工作面实际开采深度标高为-6 7 0 一-770m。因此，已具备冲击地压发生的深度条件。2.2顶板岩层结构因素郭屯煤矿2 3 0 3 工作面上覆第四系与新近系以松散层为主，厚度在50 0 6 50 m，其下为石盒子组岩层，厚度在1 2 0 2 0 0 m，以泥岩、粉砂岩为主，岩性较为松软。当深厚表土工作面推采距离较短时，由于基岩的承载作用，厚表土层能够独立向工作面前方传递应力；当关键层发生断裂回转下沉时，厚表土层无法继续独立向煤壁前方更远处传递载荷。加之，松散层自身性质无法形成稳定承载结构，此时采场上覆岩层载荷压力作用点分布在底部断裂的基岩上，其上覆岩层形成的倒梯形结构内介质重量将以均载荷的形式作用于断裂基岩上部，导致煤体前方超前支承压力剧烈提升，此时容易诱发冲击地压，如图2 所示。地表厚表土(1)轨道顺槽3工作面0工作面B轨道顺槽图1 2 3 0 3 工作面布置示意Fig.1Layout of No.2303Face22303工作面冲击地压主控因素分析根据2 3 0 3 工作面具体开采条件，深人分析工作面采深、顶板岩层结构、地质构造、煤岩体力学特性等不同影响因素对冲击危险的影响程度。2.1采深因素根据冲击地压发生的应力准则，当煤体中的垂直应力为煤体单轴抗压强度的1.5倍，煤体就具备了发生冲击地压的应力条件，对应的埋深为临界冲2关键层A采空区 传递应力影响区域图2 厚表土应力传递示意Fig.2 Stress transmission of thick topsoil2.3地质构造因素在褶曲、断层以及相变等较为明显的地质构造附近，其构造残余应力一般较大，从而增大了冲击地压发生的风险。2 3 0 3 工作面地处华北板块与鲁西隆起，主要受控于以单斜构造为主导的断裂带。其中，近EW向断裂构造规模较大，以断面平直、延伸远的凸起和凹陷为主体；此外，区域内还大量发育NENNE和EW向褶皱，使得整体构造应力场更为复杂。根据郭屯煤矿二采区的地应力研究结果，其最大主应力大小为3 5.0 2 3 5.0 4 MPa，平均值为3 5.0 3 MPa，约为自重应力的1.7 8 1.8 3 倍，因此，发生冲击地压的可能性较大。132023年第9 期2.4煤岩体的力学特性生产实践和试验研究表明，当煤岩体的强度较小时，引发冲击地压所需应力条件就越高。2 3 0 3工作面的煤体强度在9.8 7 2 8.3 MPa，总体强度较低；加之，部分厚煤层有软弱夹研结构，积聚弹性能的属性相对较弱，因此，该因素影响下发生冲击地压的可能性较小。综上所述，对2 3 0 3 工作面而言，其冲击灾害的主控因素排序为开采深度因素 顶板岩层结构因素 地质构造因素 煤岩体力学性质因素。32303工作面冲击地压防控技术3.12303工作面冲击地压防控原则针对郭屯煤矿2 3 0 3 工作面的冲击地压具体影响因素，提出如下防控原则。（1）加强工作面超前支护强度管理，确保单元支架初撑力不小于1 6 MPa，支护长度不低于1 2 0m；并且严格落实工作面限员管理。（2）合理控制推进速度，中等冲击危险区每天不超过3.2 m/d；加强监测数据分析，发现异常222800高强锚杆钢带800800900900/900/900/9000060060060063006.0006200(a）原断面支护Fig 3 Support scheme adjustment of rock burst prevention of No.2303 Face4王现场监测及分析4.1工作面开采期间微震监测2303工作面在开采期间应用ARAMISM/E微震监测系统进行微震监测，应用本文所提出的防控措施及调整方案后，2 0 2 2.1 1.4 2 0 2 2.1 1.1 0 共监测微震事件2 0 次，总能量3.7 1 0 J，单次微震事件最大能量9.6 1 0 3 J，震源位于2 3 0 1 采空区，事件主要分布在面后3 0 m至面前1 0 0 m内，部分事件定位在相邻采空区内；微震事件离散度较高，原沿空侧聚集性不再明显，如图4 所示。在保证工作面正常生产，整体保持均衡推采的情况下，调整方案后，事件总频次有所减少，能量下降趋势明显；第四周的微震次数、单个最大能量、总能量比前三周14煤炭与化工及时采取有针对性的措施。（3）定期排查超前应力集中区卸压孔塌孔情况，发现连续3 个出现严重塌孔现象，及时进行套孔或二次卸压，提供低应力开采环境。3.22303工作面冲击地压具体防控措施为应对2 3 0 3 工作面的冲击危险，根据上述防控原则，结合具体开采条件提出如下防控措施。防控支护方案如图3 所示。（1）在工作面推进过程中，持续进行冲击危险性监测，主要包括微震监测、应力监测、现场宏观显现、大巷煤柱区域监测等。（2）针对工作面回采期间的巷道变形情况，对2 3 0 3 工作面顺槽提出调整方案。巷道断面由矩形变更为梯形，上底净宽5.0 m，下底净宽5.4 m，净高3.8 m不变，变更后断面为1 9.7 6 m，底板与帮部夹角8 7；帮部锚索梁改为竖向布置，锚索间排距1 6 0 0 mm1800mm；巷道两帮肩窝处锚杆变更为21.8mm3200mm锚索；帮部W钢带由WD275mm2.75mm变更为WD275mm4.75 mm。222000锚索钢带金属护网$224.000锚索钢带22x2.400高强镭样钢带2图3 2 3 0 3 工作面冲击地压防控支护方案调整第4 6 卷228000锚索T型钢带/1 4#槽钢222.800高强锚杆0008008001900/900/9001900/900bogb060o6po6200.300846.4006.600（b）变更后断面支护大幅度下降；仅三、四周对比，第四周监测微震事件2 0 次，比第三周减少2 0 次；第四周总能量3.710J，比第三周减少4.1 1 0 J，如图5所示。图4 2 0 2 2.1 1.4 2 0 2 2.1 1.1 0 日微震事件分布Fig.4 Microseismic event distribution from 11.4 to 11.10钢带2 1.8 x3200锚索$2t.84.200一锚索4批钢槽，竖向布置$222800高强锚杆钢带2 7 54.7 5a00688150100035E顶板岩层结构因素 地质构造因素 煤岩体力学性质因素；针对2 3 0 3 工作面的冲击地压防控方案将巷道断面形状调整为梯形，同时进一步加强工作面支护强度。（2）2 3 0 3 工作面2 0 2 2.1 0.1 1 2 0 2 2.1 1.1 0 的微震监测结果表明，调整巷道断面及支护方案后，微震事件总频次有所减少，能量下降趋势明显，微震单个最大能量、总能量大幅度下降。（3）2 0 2 2.1 1.4 2 0 2 2.1 1.1 0 期间的应力监测结果表明两巷应力在推采过程中略呈递增趋势，但总体较为平稳，变化范围较小，符合正常应力传递和演变规律，说明调整后的防控方案效果较好。参考文献：1窦林名，田鑫元，曹安业，等.我国煤矿冲击地压防控现状与难题 J.煤炭学报，2 0 2 2，4 7（1）：1 52-1 7 1.2朱建波，马斌文，谢和平，等.煤矿矿震与冲击地压的区别与联系及矿震扰动诱冲初探 J1.煤炭学报，2 0 2 2，4 7(9):3 396-3 409.3姜福兴，张翔，朱斯陶.煤矿冲击地压防控体系中的关键问题探讨 J.煤炭科学技术，2 0 2 3（2）：1-1 1.4齐庆新，潘一山，舒龙勇，等.煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构 J.煤炭学报，2 0 1 8，4 3(7):1 801 1810.5朱斯陶，姜福兴，刘金海，等.我国煤矿整体失稳型冲击地压类型、发生机理及防控 J.煤炭学报，2 0 2 0，4 5（1 1）：3 667 3 677.6吴学松，曹安业，买巧利，等.煤矿矿井冲击地压防控体系建设研究 J.煤炭技术，2 0 2 2，4 1（8）：1 4 0-1 4 5.7曹安业，陈凡，刘耀琪，等.冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量响应规律 J1.煤炭学报，2 0 2 2，4 7（2）：722-733.月7日11月9日11月1 0 日64770801046000.75233050101000225153190139036102.252.55960017501270241290960012902.251780307015