红阳三矿保护层开采卸压防冲保护效果分析.pdf

红阳三矿保护层开采卸压防冲保护效果分析王庆国，韩大永，包鑫阳，韩 东（沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁 辽阳 111307）摘要：为研究保护层开采对被保护层卸压效果的影响，针对红阳三矿 1208 工作面和 1204-2 工作面实际地质条件，进行有无保护层开采效果防冲效果分析，通过微震数据、微震事件平面与垂向分布特征以及微震事件频次与能量时间序列分析和覆岩动态破断规律对比分析，结果可知：无保护层开采的1208 工作面顶板完整，而保护层开采破坏顶板完整性，大幅度降低了被保护层开采过程中顶板和煤层中微震事件，降低了工作面发生冲击的危险性，同时保护层开采对被保护层的应力有降低作用和卸压作用，且无保护层开采的工作面出现周期性跨段，有保护层开采的工作面不发生周期性跨断，工作面来压小，冲击危险性降低。研究成果为矿区煤层区域化防冲措施选择提供了工程数据基础。关键词：微震监测；保护层开采；卸压防冲；效果分析中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0077-05Analysis on Protection effect of Pressure Relief and impact Prevention in protectivelayer Mining of Hongyang No.3 MineWANG Qingguo，HAN Dayong，BAO Xinyang，HAN Dong（111307,）Abstract：In order to study the influence of protective layer mining on the pressure relief effect of the protected layer,the impact preventioneffect of mining effect with or without protective layer is analyzed according to the actual geological conditions of the 1208 working face and1204-2 working face of Hongyang No.3 Mine.Based on the microseismic data,the plane and vertical distribution characteristics ofmicroseismic events,the time series analysis of the frequency and energy of microseismic events,and the comparative analysis of the dynamicbreaking law of overburden rock,the results show that:The roof of 1208 working face without protective layer mining is complete,while theprotective layer mining damages the roof integrity,greatly reduces the microseismic events in the roof and coal seam during the mining processof the protected layer,and reduces the risk of the impact of the working face.At the same time,the protective layer mining has the effect ofreducing the stress of the protected layer and relieving pressure,and the working face without protective layer mining appears periodic span.There is no periodic break in the working face with protective layer,and the working face is less compressed and the impact risk is reduced.The research results provide engineering data basis for the selection of regional anti-scour measures of coal seam in mining area.Keywords：microseismic monitoring；protective layer mining；pressure relief anti-impact；effect analysis0引言近年来，随着国民经济的快速发展，煤炭资源作为支撑国民经济快速发展的重要能源，需求量越来越大 1。而我国煤炭浅部资源随着开采的不断进行，资源储量急剧下降，我国煤炭资源的开采逐步转向以深部开采的井工煤矿开采。但是，随着煤炭资源开采深度的不断增加，煤炭开采受到高地压、高渗透压、高地温以及频繁的采动应力等多方面影响 2，造成深部煤岩赋存条件复杂多变，使深部煤岩的破坏与浅部出现明显的差异性，最常见的就是冲击变形破坏和延性变形破坏。因此，在煤矿开采过程中，如何有效减少冲击地压对矿井开采的的影响，是实现煤矿安全高效开采的关键因素之一 3。在煤矿冲击地压防治中，大量的实践表明，保护层开采是公认的一种经济有效的卸压防冲技术 4。红阳三矿是受到冲击地压威胁的矿井，且随着采深的不断增加，预计冲击地压灾害会越来越严重。因此，为保证矿井安全高效开采，寻找经济有效的冲击地压防治技术是该矿急需解决的头等问题 5。针对这一现象，红阳三矿以无保护层开采的 1208 工作面和有保护层开采的 1204-2 工作面为研究对象，通过对有无保护层开采防冲效果的对比分析，为该矿后续安全开采提供研究基础。1工作面概况1.1无保护层开采的 1208 工作面概况西二采区 1208 工作面北以 12 煤相变处为界，南以西二采区轨道斜巷为界，东以西二采区 1206 采空区为界，西为西二采区未采区。上部为 7 煤层，距12 煤间距约 60 m，在工作面中部以南为 7 煤采空区，以北未采区（7 煤露头不可采），以西为西三采区2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷77702 采空区，下部为 13 煤层，未采。1208 工作面开切眼长 196 m，开切眼至设计停采线长 1 425 m。综采工作面开采 12-1、12-2 煤，其中 12-1 煤平均厚1.89 m，12-2 煤平均厚 1.33 m，12-1 煤与 12-2 煤间夹矸泥岩，平均厚为 1.07 m。1208 综采工作面开采的 12 煤厚度变化较大，受火成岩床影响，局部 12-1煤层下部变为天然焦。12-1 煤局部含 1 层夹矸，赋存较稳定；12-2 煤局部含 12 层夹矸，赋存较稳定，且该工作面煤、岩层层理发育。1208 工作面回采 12-1 煤、12-2 煤，12-1 煤直接顶板为黑色泥岩，平均厚 11.2 m，其上为粉砂岩，平均厚 3 m；12-2 煤底板为细砂岩，平均厚 1.25 m。另根据 828、922、918、W201、941、916 号钻孔柱状图资料，侏罗系底砾岩不整合接触于煤系地层之上，距1208 工作面最小距离约为 19 m，厚度 2040 m。1.2有保护层开采的 1204-2 工作面概况北三采区 1204-2 工作面位于北三采区 1206 采空区北侧，北三采区胶带巷西侧，北邻北三采区1202 采空区。该工作面开切眼长约 126 m，开切眼至设计停采线长约 1477 m，大部分位于 1204-1 采空区下开采。12 煤为复合煤层，由 12-1 煤和 12-2煤组成。12-1 煤平均厚 1.50 m，该工作面 12-1 煤大部分已采空；夹矸泥岩，平均厚 1.00 m；12-2 煤平均厚 1.40 m。13 煤平均厚度 2.30 m。该范围煤体结构为原生结构。12-1 煤直接顶板为黑色泥岩，平均厚11.20 m；底板为泥岩，平均厚 1.00 m；12-2 煤底板为细砂岩，平均厚 1.40 m；13 煤底板为粘土岩，平均厚 7.40 m。2无保护层开采的 1208 工作面微震数据分析选用 2018 年 5 月至 2019 年 2 月 1208 工作面无保护层开采区域的微震数据进行分析，研究微震事件分布规律，为下文有保护层开采区域的防冲效果分析提供依据。2.1微震事件统计统计时间段内，微震事件共 3717 次，最大能量事件为 1.47e4J，每日平均发生 11.26 次，每日平均能量 44 702 J，在所有微震事件中，位于 102104 J 范围内的微震事件占总事件数的 58%，占比最大。可以看出，无保护层开采的 1208 工作面区域虽然在回采过程中采取了大量的防治措施，但微震事件仍较多，释放能量较大，说明工作面回采区域应力集中程度高、顶板运动活跃 6，见表 1 和图 1。表 1微震数据统计分析图 1微震事件量级分布2.2微震事件平面与垂向分布特征根据 1208 工作面无保护层开采区域下的所有微震数据统计数据分析可知，在开采初期，1208 工作面微震事件较少。查阅开采初期的微震数据，存在一定量的微震事件，但大部分被定位到工作面前方150 m 以外的区域，与该区域地质条件不符，可能是定位误差造成。在其他区域，微震事件密集分布，结合微震事件垂向的分布，1208 无保护层开采区域顶板跨断频繁，产生了大量的微震事件，大部分位于距煤层 50 m 范围内 7，如图 2、图 3 所示。图 2微震事件垂向分布图图 3微震事件距煤层距离分布筛选出该区域 1 000 J 以上的微震事件，绘制了2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷能量分级/J频次占比/%每日平均次数每日平均能量/J0104111111.264470210102913251021031 082291031041 08529 104226678微震事件分布平面图和微震事件垂向分布图。可以看到，1 000 J 微震事件密集分布在煤层顶板 52 m范围内，说明该区域煤层顶板相对坚硬。2.3微震事件频次与能量时间序列分析图 4 和图 5 分别为微震事件日频次和日累计能量分布图。可以看到，开采初期，微震事件相对较少，在 2018 年 7 月进入工作面一次见方影响区域，顶板大范围运动，使得微震事件明显增多，日累计能量增加，工作面在进入二次见方影响区域时的微震事件和日累计能量再次增加。1208 里段区域无保护层开采，顶板完整，因此，顶板发生周期性跨断，产生较多的微震事件。图 4微震事件日频次分布规律图 5微震事件日累计能量分布规律2.4覆岩动态破断规律图 6 微震事件发育高度随推采时间的变化，可以反映覆岩破坏高度。一次平均值表示每天微震事件中标高最大值，二次平均值为每日微震事件标高最大 2 个值的平均值，可剔除偶发微震事件的影响。由图 6 可以看出，微震事件发育高度周期性增大，在升高过后即进入低值区。完整的顶板，随着工作面的推进，在达到极限后即发生跨断，产生微震事件。初次跨断后进入周期性跨断，对于近距离顶板，其周期性跨断步距短，而较高位的顶板的跨断步距大。1208 工作面微震事件发育高度增大处多位于工作面见方处，此时工作面高位顶板达到临界悬空跨度，此时工作面超前影响范围内的应力也增大，因此，该阶段的微震事件频发，通过对比图 5 和图 6 可以看到。在顶板大范围的跨断后，高位顶板再次进入稳定期，微震事件发育高度降低，同时作用在工作面超前影响范围上的载荷降低，那么顶板断裂微震事件和煤体压裂微震事件均减少，如图 7、图 8 所示。顶板周期性跨断，工作面产生周期性来压，在来压过程中冲击危险性增加。图 6微震事件发育高度随时间的变化图 7微震事件量级分布3有保护层开采的 1204-2 工作面微震数据分析1204-2 工作面在 2018 年 1 月至 2018 年 12 月的回采位于保护层开采下，因此选用这一时间段作为研究对象。3.1微震事件统计统计时间段内，微震事件共 396 次，每日平均发生 1.08 次，每日平均能量 4 192 J，在所有微震事件2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷79中，位于 103 J 以内的微震事件占总事件数的 78%。与无保护层开采的 1208 工作面相比，每日平均次数降低 90%，每日平均能量降低 91%，微震事件中频次占比较大的为小能量事件。表 2微震数据统计分析3.2微震事件平面与垂向分布特征根据 1204-2 工作面微震事件垂向分布图（图8）。与 1208 工作面相比，微震事件的分布密度降低，多为小能量事件，且多位于煤层附件，在煤层顶板中较少。保护层开采时，煤层顶板的结构已被破坏，因此，在重复采动下，发生顶板破断的次数降低。同时分布在煤层中的微震事件也降低，这是保护层的开采降低了被保护煤层中的应力。与 1208 工作面相比，微震事件分布密度小，大部分的微震事件发生在工作面前方的实体煤中。该开采区域位于保护层开采的边界处，推采距离短，顶板活动范围小，使得微震事件分布密度小，但由于工作面前方实体煤完整，超前支承压力使得工作面前方煤体微震事件发生，反映了保护层对被保护层中的应力有降低作用。图 81204-2 工作面有保护层开采区域微震事件垂向分布图3.3微震事件频次与能量时间序列分析图 9 和图 10 分别为工作面微震事件频次和能量时序变化。在有保护层开采的初期，微震事件频次较大，但能量很小，进入有保护层开采的后期，微震事件频次增大的同时能量也增大，说明了保护层开采起到了一定的卸压作用 8。3.4覆岩动态破断规律图 11 为 1204-2 工作面微震事件发育高度随时间的变化，可以看到，微震事件发育高度没有明显的周期性增大，多数位于煤层附近，与无保护层开采的1208 工作面明显不同。近距离上保护层开采后，覆岩中顶板已被大量破坏，为不连续顶板，无法积聚大量能量，不产生或产生较少的微震事件。虽然工作面开采后期进入无保护层开采区域，但推采距离短，未造成高位顶板跨断。图 91204-2 工作面微震日频次分布规律图 101204-2 工作面微震日累计能量分布规律图 11微震事件发育高度随时间的变化工作面顶板不产生周期性跨断，工作面的周期性来压也将不明显，工作面超前影响范围内的应力集中程度降低，冲击危险性降低。4结论1）顶板破断释放的能量（微震事件）产生动载，是诱发矿井冲击地压主要动载来源之一；煤体中微2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷能量分级/J频次占比/%每日平均次数每日平均能量/J010116291.084 19210102962410210397251031046216 10425680（上接第 76 页）值（0.06 MPa/m），说明采面开采无突水危险性。5总结通过对工作面底板含水层进行疏水降压以及底板注浆加固相结合的综合水害治理技术措施，彻底消除了底板岩溶水水害的威胁，避免因治理措施不当而造成水害事故的发生。后期又通过物探（复探）验证以及计算工作面突水系数的方法，对底板注浆加固的效果进行检验，确保了采面能够安全回采。参考文献：1 白向东.浅谈矿井常见水害事故及防治对策J.山西焦煤科技，2014，8（3）：54-562 王培荣.浅析矿井水害的防治 J.能源与节能，2015，10（2）：19-203 吴晓明.区域超前综合防治水技术应用及效果J.江西煤炭科技，2019，1（15）：61-634 张文瑞.综合防治水技术的研究与应用J.中小企业管理与科技，2009，10（6）：45-465 吕保民，徐会军，李沛涛.告成煤矿疏水降压防突水技术J.煤矿工程，2004，11（8）：17-196 韩银行、张伟、肖新成.疏水降压在赵家寨煤矿的实践与应用 J.科技信息，2013，35（2）：197-1987 薛宗建.深部开采工作面底板注浆加固防治水技术的应用J.金属矿山，2012，13（2）：46-488 田成东、白海波.龙固煤矿延伸巷掘进防治水及底板注浆加固方案J.煤矿安全，2015，19（5）：40-42作者简介：王菲（1983-）男，河南省禹州市人，本科，2007 年月毕业于河南理工大学地质工程专业，现从事煤矿地质防治水技术管理工作，工程师。（收稿日期：2023-1-31）震事件的多少反映煤体中应力的高低，微震事件越多，煤体中应力越高，冲击的危险性越大。根据无保护层开采的 1208 工作面微震数据与保护层开采下1204-2 工作面微震数据进行对比分析，无保护层开采的 1208 工作面顶板完整，而保护层开采破坏顶板完整性，大幅度降低了被保护层开采过程中顶板和煤层中微震事件，降低了工作面发生冲击的危险性。2）根据微震事件垂向分布图对比分析，有保护层开采的工作面微震事件的分布密度降低，微震事件分布密度小，大部分的微震事件发生在工作面前方的实体煤中，反映了保护层对被保护层中的应力有降低作用，同时在有保护层开采的初期，微震事件频次较大，但能量很小，进入有保护层开采的后期，微震事件频次增大的同时能量也增大，说明了保护层开采起到了一定的卸压作用。3）根据覆岩动态跨断规律分析，无保护层开采的 1208 工作面顶板周期性跨断，而保护层开采后的顶板不发生周期性跨断，工作面来压小，冲击危险性降低。参考文献：1 姜耀东，潘一山，姜福兴，等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治J.煤炭学报，2014，39（2）：205213.2 李春元.深部强扰动底板裂隙岩体破裂机制及模型研究D.北京：中国矿业大学（北京），2018.3 沈荣喜，王恩元，刘贞堂，等.近距离下保护层开采防冲机理及技术研究 J.煤炭学报，2011，36（S1）：63-67.4 潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究 J.岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1844.5 王英伟.远距离保护层开采覆岩破裂规律的相似模拟研究J.煤炭技术，2012，31（3）：97-99.6 杨光宇，姜福兴，王存文.大采深厚表土复杂空间结构孤岛工作面冲击地压防治技术研究 J.岩土工程学报，2014，36（1）：189-194.7 吴向前，等上解放层开采对下煤层卸压作用研究J煤炭科学技术，2012，40（3）：28-318 孙中辉，王怀新，刘瑞举.深井近距离倾斜煤层上行开采技术探讨 J 矿山压力与顶板管理，2002(3）：7071，74.作者简介：王庆国（1979），男，河北省沙河市人，本科，高级工程师，主要从事煤矿开采与安全技术的管理工作。（收稿日期：2023-1-31）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷81