华亭煤矿采掘工作面应力集中区域冲击地压防治技术.pdf

收稿日期：作者简介：吕甲鹏（），男，甘肃静宁人，助理工程师，现从事矿井冲击地压监测与防治工作。华亭煤矿采掘工作面应力集中区域冲击地压防治技术吕甲鹏，林飞，屈英，赵文元，郭敏杰，焦宏强（华亭煤业集团华亭煤矿，甘肃 平凉 ）摘要：华亭煤矿回采的一分层 工作面及掘进的二分层 工作面煤层厚且厚度变化大，向斜、背斜相互交替起伏，冲击地压影响严重。通过自然因素和开采因素进行应力集中区域排查，查找出由褶曲构造、局部煤层分岔、开切眼及停采线外错、上覆遗留煤柱等因素造成的多个应力集中区域，并制定出科学、合理且针对性较强的各个应力集中区域的卸压解危方法，如工作面顶板高低孔组合爆破、巷帮煤体超深孔爆破，有效降低应力集中程度，防止冲击地压灾害发生，确保人员安全及矿井高效生产。关键词：冲击地压；应力集中区域；超前卸压；防治措施；布置参数中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言华亭煤矿转入 采区开采后，自第 个工作面开始，冲击地压灾害凸显，共记录矿震 次，冲击地压显现 次。经冲击倾向性鉴定，判定华亭煤矿煤 层为强冲击倾向性煤层。所以消除或减轻冲击地压灾害是确保人员生命安全和企业持续发展的第一要务。为此，对采掘工作面进行应力集中区域排查，制定有针对性的冲击危险治理方案及管理措施，是降低冲击地压危害的最直接和最有效方法之一，以避免盲目卸压造成人力和物力的浪费 概况南东向展布的“”型不对称向斜构造形态。华亭煤矿目前回采的是 采区一分层的 工作面，掘进的是 采区二分层的 工作面。个工作面均受褶皱构造、夹矸、赋存厚硬顶板等因第 期吕甲鹏林飞屈英等华亭煤矿采掘工作面应力集中区域冲击地压防治技术华亭煤田区域构造为一个大体上呈北北西南 。?图 采区采掘工程平面布置 应力集中区域划分 自然因素造成的应力集中区域 褶曲构造根据华亭煤矿地质资料可知，华亭煤矿内褶皱构造发育，井田内分布有华亭向斜和华亭背斜 条主要的褶曲构造线。大体上呈北北西南南东向展布的“”型构造形态，属于一个东缓西陡、中间宽缓、南北两段收敛的形似纺缍形的复式不对称向斜构造，这种褶皱构造为水平载荷挤压作用下发生缓慢变形的结果，是形成应力集中区域的主要地质构经分析，回采工作面穿华亭背斜，同时工作面开采区域内发育了幅度较小的呈波状起伏的次一级褶皱，受背斜构造、向背斜转折影响，工作面开采区域范围内水平应力较大而形成高应力集中区域，褶曲构造造成的应力集中区域如图 所示。夹矸影响厚煤层工作面开采过程中经常出现煤层夹矸结构，该结构会造成煤层分岔，从而导致采掘工作面发生冲击地压的几率增大，危险性增强，尤其是在褶?图 褶曲构造造成的应力集中区域示意 根据相邻工作面煤层探测及地质钻孔资料分析，运输顺槽 区段，靠近煤层底板 发育有夹矸 层，厚度 ；回风顺槽开口以里 ，靠近煤层底板 发育夹矸 层，厚度 。掘进两顺槽夹矸影响应力集中区域剖面示意如图 所示。?图 掘进两顺槽夹矸影响应力集中区域剖面示意 开采技术因素造成的应力集中区域 切眼位置的影响“刀把”形等不规则工作面、调斜、旋转区域或多个工作面的开切眼及停采线不对齐等，区域附近极易造成局部多倍甚至十几倍的应力集中，冲击危险程度急剧升高。对外错回采空间周围应力分布进行的数值模拟研究表明，靠近采空区附近工作面周围煤岩体的应力集中程度非常高 工作面开采时，开切眼与相邻的 工作面开切眼外错 布置，形成应力集中区域，如图 所示。开切眼与 开切眼外错，同时受上覆遗留煤柱及边界煤柱影响，形成应力集中区域，如图 所示。停采线位置的影响停采线是否对齐或者当前回采工作面停采线外错紧邻工作面是影响停采线附近区域冲击危险程度陕西煤炭 年?素影响，开采条件复杂恶劣，部分区域应力集中程度较高，所以引发冲击地压显现的危险性较高，大大增加了冲击地压防控工作的难度 。采掘工作面布置如图 所示。曲、残留煤柱等应力异常区内，夹矸带的冲击危险性更为严重 。造因素 。的重要因素。当停采线参差不齐或者外错相邻工作面停采线时，停采线附近应力集中程度很高，直接导致冲击危险程度升高。?图 切眼外错影响应力集中区域示意?图 切眼外错及煤柱影响应力集中区域示意 工作面设计停采线外错 工作面停采线 。当 工作面推进至 停采线附近时，可能造成局部应力集中区域，如图 所示。?图 停采线外错影响应力集中区域示意 回风顺槽掘进至 时进入上分层采空区，受 工作面停采线影响造成应力集中区域，如图 所示。运输顺槽掘进至 时进入上分层采空区，受 工作面停采线影响造成应力集中区域，如图 所示。?图 回风顺槽掘进期间受 停采线影响应力集中区域示意?图 运输顺槽掘进期间受 停采线影响应力集中区域示意 运输顺槽掘进至 时进入同分层采空区，受 工作面停采线影响造成应力集中区域，如图 所示。?图 运输顺槽掘进期间受 停采线影响应力集中区域示意 上分层遗留煤柱影响当开采下分层工作面时，上分层遗留煤柱其本身应力集中程度较高，集聚有大量弹性能，同时也对上覆坚硬顶板具有一定的控制作用。当下分层工作第 期吕甲鹏林飞屈英等华亭煤矿采掘工作面应力集中区域冲击地压防治技术?面沿残采煤柱开采时，其采掘扰动影响容易造成残采煤柱超过极限强度而发生失稳破坏，加之其上覆所控厚硬顶板的再运动，形成的冲击动载将十分容易导致工作面冲击地压危险的发生。运输顺槽掘进期间受上覆采空区承载煤柱影响，巷道应力集中区域如图 所示。?图 运输顺槽掘进期间受上分层遗留煤柱影响应力集中区域示意 降低应力集中程度的卸压解危措施 回采工作面两顺槽 褶曲构造为降低褶曲构造形成的高应力集中程度，在 工作面回风顺槽 、，运输顺槽 实施超前分区解危卸压（顶板深孔和巷帮煤体爆破）的基础上，再采用巷帮煤体卸压对地质构造影响区域补强卸压。切眼位置影响为降低 开切眼与边界煤柱间构成的三角煤柱应力集中程度，在 开切眼煤柱侧布置切顶深孔爆破配合煤体爆破卸压。为缩短 工作面初次来压步距，在开切眼上覆顶板煤岩层中进行两轮切顶深孔爆破，形成 宽的斜眼矩形单项掏槽，随后再实施支护松动爆破。停采线位置影响 工作面设计停采线外错 工作面停采线 ，在 回风顺槽推进至 处时，在实施超前分区预卸压措施（顶板深孔和巷帮煤体爆破施工至设计停采线向外 ）的基础上，再采用巷帮煤体爆破降低煤体内应力水平。掘进两顺槽 夹矸影响在 掘进两顺槽煤层分岔影响的 区域实施煤体爆破卸压。两顺槽施工钻孔沿巷道走向与巷道底板呈 夹角，孔间距 ，运输顺槽孔深 ，回风顺槽孔深 。单孔装药量 ，装药长度 ，装药方式为连续不耦合装药，黄泥封孔，封孔长度不小于 ，采用 号煤矿许用炸药（），矿用双导爆索配合 个煤矿许用毫秒延期电雷管正向起爆，爆破网络采用串联由里向外一次起爆，一次最多起爆 孔，采用 型启爆器启爆。切眼位置影响 开切眼及运输顺槽距开切眼 段与 开切眼外错，同时受上覆遗留煤柱及边界煤柱影响，形成应力集中区域，该区段在预卸压措施的基础上，再采取超深孔煤体爆破卸压及顶板深孔爆破卸压来降低该区域应力集中程度。停采线位置影响 回风顺槽掘进至 时进入上分层采空区，受 工作面停采线影响造成应力集中区域，为降低应力集中程度，在 回风顺槽距联络巷口 范围内加密（预卸压措施孔间距由 调整为 ）施工巷帮大直径钻孔。上覆遗留煤柱影响 运输顺槽掘进期间受上覆采空区承载煤柱影响，巷道应力集中。在 运输顺槽实施孔深为 和 的深浅孔煤体爆破卸压措施。通过深爆破孔施工至遗留煤柱正下方，爆破冲击力将上覆煤柱支承应力向煤柱两侧的深部推移，降低峰值，减小应力集中程度，再施工浅孔煤体爆破，将应力向巷道两侧分散转移，再次降低应力集中。卸压解危方法 顶板深孔爆破一组断顶深孔爆破共有 孔，分别命名为 、孔，、钻孔布置在距煤壁侧 的巷顶上，开孔位置倾向间距 ，、钻孔布陕西煤炭 年 运输顺槽掘进至 时进入上分层采空区，受 工作面停采线影响造成应力集中区域，为降低应力集中程度，在 回风顺槽距联络巷口 范围内加密施工煤体爆破卸压。运输顺槽掘进至 时进入同分层采空区，受 工作面停采线影响造成应力集中区域，为降低应力集中程度，在 回风顺槽距联络巷口 范围内加密（预卸压措施孔间距由 调整为 ）施工巷帮大直径钻孔。置在距煤柱侧 的顶板上，开口位置走向间距 ；使用二号煤矿许用炸药（），装药方式为连续不耦合装药，采用黄泥封孔。矿用双导爆索双雷管正向导爆，煤矿许用毫秒电雷管引爆，型启爆器启爆，爆破网络采用串联最多 孔一次起爆，具体参数见表 。表 回风顺槽顶板深孔参数 参数顶板深孔 钻孔长度 倾角（）方位角（）装药量 装药长度 封孔长度 孔径 巷帮煤体爆破每隔 布置一个煤体爆破卸压孔，采用手持式风动钻机取孔，钻孔垂直煤壁，钻孔间距 ，距巷底 ，孔径 ，孔深 ；使用二号煤矿许用炸药（），矿用双导爆索正向导爆，双煤矿许用毫秒延期电雷管正向起爆，型启爆器启爆，单孔装药量 ，装药长度 ，封孔长度不小于 ，爆破网络采用串联 孔一次起爆，巷帮煤体爆破后躲炮时间不得少于 。超深煤体爆破超深煤体爆破卸压孔，采用履带式液压钻机配合 钻头在煤壁侧施工。孔深 ，孔高 ，钻孔方位 ，倾角 ，孔间距 。单孔装药量 ，装药长度 ，装药方式为连续不耦合装药，黄泥封孔，封孔长度 ，采用 号煤矿许用炸药（），矿用双导爆索配合个煤矿许用毫秒延期电雷管正向起爆，爆破网络采用串联由里向外一次起爆，一次最多起爆 孔，型启爆器启爆。应用效果 工作面中回采时发生冲击地压显现次，发生能量大于 的震动 次，应用该防治方法后，工作面未出现过冲击地压显现，发生能量大于 的震动 次。工作面掘进期间未出现过冲击地压显现现象，相较于 工作面掘进期间发生的 次冲击地压显现，效果显著。由此可见，通过对应力集中区域进行排查，并制定具有针对性的卸压解危方法后，无论是震动频次、震动能量还是大能量震动次数，均有显著下降，为采掘工作面安全生产提供保障 结论（）理论分析地质影响因素及开采技术影响因素，分别划分出褶曲构造影响和夹矸影响因素造成的应力集中区域，及切眼位置、停采线位置的影响及上分层遗留煤柱影响因素造成的应力集中区域。（）通过分析不同应力集中区域加之采掘扰动影响下，划分出明确的冲击危险区域，便于指导冲击地压监测预警及综合治理。（）提出具有针对性降低应力集中程度的卸压解危措施，以快速、准确的降低应力集中程度。参考文献：窦林名，牟宗龙，曹安业，等 煤矿冲击地压防治 北京：科学出版社，：潘一山，煤矿冲击地压 北京：科学出版社，：潘俊峰，毛德兵 冲击地压启动理论与成套技术 徐州：中国矿业大学出版社，：张俊文，宋治祥，刘金亮，等 煤矿深部开采冲击地压灾害结构调控技术架构 煤炭科学技术，（）：赵善坤，苏振国，侯煜坤，等 采动巷道矿压显现特征及力构协同防控技术研究 煤炭科学技术，（）：齐庆新，李一哲，赵善坤，等 我国煤矿冲击地压发展 年：理论与技术体系的建立与思考 煤炭科学技术，（）：曹安业，薛成春，吴芸，等 煤矿褶皱构造区冲击地压机理研究及防治实践 煤炭科学技术，（）：井广成，曹安业，窦林名，等 煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制 煤炭学报，（）：井广成 褶皱构造区厚煤层开采应力演化与冲击地压孕育规律研究 徐州：中国矿业大学，温颖远，郭志刚，曹安业，等 基于微震数据评价的顶板深孔爆破卸压效果分析 煤炭科学技术，（）：马斌文，邓志刚，赵善坤，等 钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析 煤炭科学技术，（）：第 期吕甲鹏林飞屈英等华亭煤矿采掘工作面应力集中区域冲击地压防治技术 。