褶曲附近礦震顯現(xiàn)規(guī)律在防沖實(shí)踐中的應(yīng)用＊

呂亞軍 竇林名 張軍偉 李 寧 謝 龍

（1.華亭煤業(yè)集團(tuán)，甘肅省華亭縣，744100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

褶曲附近礦震顯現(xiàn)規(guī)律在防沖實(shí)踐中的應(yīng)用＊

呂亞軍1竇林名2，3張軍偉2，3李 寧2，3謝 龍2，3

（1.華亭煤業(yè)集團(tuán)，甘肅省華亭縣，744100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

采用SOS微震系統(tǒng)對(duì)硯北煤礦250204工作面回采至褶曲區(qū)域及250203運(yùn)輸巷掘進(jìn)至褶曲區(qū)域的礦震活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了礦震活動(dòng)規(guī)律和褶曲附近的應(yīng)力分布情況，以及褶曲對(duì)采掘過(guò)程的影響，在此基礎(chǔ)上提出了切實(shí)有效的防沖技術(shù)措施。實(shí)踐表明，該措施能夠有效降低在褶曲附近作業(yè)時(shí)的沖擊礦壓危險(xiǎn)。

褶曲區(qū)域 SOS微震系統(tǒng) 應(yīng)力集中 礦震規(guī)律 防沖措施

沖擊礦壓是礦井巷道和工作面周圍煤巖體中聚集的大量彈性能的瞬間釋放導(dǎo)致的爆炸性事故，常伴隨有煤巖體拋向采掘空間，造成煤巖體強(qiáng)烈震動(dòng)和破壞，以及設(shè)備損壞和人員傷亡等。研究表明，地質(zhì)條件是影響沖擊礦壓發(fā)生的重要因素，主要表現(xiàn)為地質(zhì)條件對(duì)原巖應(yīng)力的影響。原巖應(yīng)力主要包括巖體重力和構(gòu)造殘余應(yīng)力。褶曲主要是由水平應(yīng)力擠壓形成的，褶曲帶應(yīng)力場(chǎng)比同深度的沒(méi)有特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)大得多。

當(dāng)采掘工作面在褶曲附近進(jìn)行回采時(shí)，煤巖體應(yīng)力高，積聚的彈性能較高，易誘發(fā)礦震和沖擊礦壓。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可監(jiān)測(cè)和分析礦震的分布規(guī)律，并確定沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)采取針對(duì)性防沖措施進(jìn)行及時(shí)解危，可使危險(xiǎn)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)程度降低到安全水平，以達(dá)到?jīng)_擊礦壓防治目的。

1 工作面概況

250204工作面為硯北煤礦2502采區(qū)第三個(gè)工作面，開(kāi)采5＃煤層，工作面標(biāo)高為＋1100～＋1220 m，地面標(biāo)高為＋1509～＋1603 m，煤層厚度22.08～32.95 m，平均厚度為27.6 m，煤層傾角5～10°，平均8°，其中部過(guò)一褶曲區(qū)域。南部至2502采區(qū)輔運(yùn)大巷，北部至井田邊界硯峽保護(hù)煤柱內(nèi)，西部為250205采空區(qū)，東部為250203掘進(jìn)工作面。工作面為采區(qū)式布置，沿煤層走向開(kāi)采，走向長(zhǎng)度1992 m，傾斜長(zhǎng)度220 m，區(qū)段保護(hù)煤柱8 m。工作面采用分層綜放開(kāi)采，分層厚度10～13 m，全部垮落法處理采空區(qū)。

2 褶曲附近的礦震規(guī)律分析

250204采煤工作面和250203掘進(jìn)工作面在2012年2月1－4月2日期間共監(jiān)測(cè)到礦震507次。震動(dòng)能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，震源及能量分布見(jiàn)圖1。

由表1可知，震動(dòng)能量主要集中在104J以下，104～105J的也占到三分之一，大于104J的礦震次數(shù)總共占37.08%，說(shuō)明這段時(shí)間工作面附近礦震活動(dòng)中大能量事件較多，表明工作面附近微震活動(dòng)規(guī)律總體上變化較劇烈。

表1 2012.2.1－2012.4.2日礦震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖1 礦震震源及能量分布平面投影（2012.2.1－2012.4.2）

由圖1可知，250204和250203工作面在采掘過(guò)程中，能級(jí)104J以上的微震主要分布在褶皺造成的高應(yīng)力區(qū)域，即250204工作面回采到褶曲附近和250203掘進(jìn)工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)褶曲附近。在其它附近區(qū)域，較大能量的微震分布較少。

微震活動(dòng)本質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化和傳播。在微震未發(fā)生時(shí)，能量以彈性能的形式儲(chǔ)存在巖體中；微震發(fā)生時(shí)，巖體中儲(chǔ)存的彈性能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以振動(dòng)波的形式傳播出去。褶曲中的巖體應(yīng)力水平越高，積聚的彈性能越多，產(chǎn)生的104J能級(jí)以上微震就越多。因此，104J能級(jí)以上微震事件集中分布于褶皺區(qū)域。

3 防沖技術(shù)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 巷道防沖機(jī)理分析

對(duì)于受沖擊危險(xiǎn)的巷道，根據(jù)巷道圍巖強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)防沖原理，對(duì)巷道圍巖采取松散煤巖體的措施，以達(dá)到吸波消能的作用，降低煤體的強(qiáng)度、降低煤體的沖擊傾向性和振動(dòng)釋放能量，并使巷道圍巖的高應(yīng)力向煤巖體深部轉(zhuǎn)移。依據(jù)該原理，使巷道圍巖達(dá)到抗沖擊或減弱沖擊的目的，就必須加強(qiáng)巷道支護(hù)。巷道從里向外依次為：最里圈，由巷道支護(hù)組成的小結(jié)構(gòu)（強(qiáng)結(jié)構(gòu)）；小結(jié)構(gòu)之外，是經(jīng)過(guò)松散解危后的弱結(jié)構(gòu)；在弱結(jié)構(gòu)之外，是沒(méi)有經(jīng)過(guò)擾動(dòng)的原巖結(jié)構(gòu)（強(qiáng)結(jié)構(gòu)）。

3.2 防沖技術(shù)措施

由于褶曲附近應(yīng)力分布不均勻，采掘過(guò)程中，使該區(qū)域頂?shù)装寰植啃纬蓱?yīng)力集中，在該區(qū)域一定范圍內(nèi)，加強(qiáng)支護(hù)密度和錨桿、錨索的支護(hù)質(zhì)量，形成強(qiáng)弱強(qiáng)的小結(jié)構(gòu)；同時(shí)通過(guò)采取一定的卸壓措施，降低煤巖體的應(yīng)力集中，以形成強(qiáng)弱強(qiáng)的弱結(jié)構(gòu)。這樣就可能避免沖擊災(zāi)害的發(fā)生。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，主要有頂板深孔爆破、底板卸壓爆破、底板大直徑鉆孔卸壓、煤體大直徑鉆孔卸壓、煤體卸壓爆破等措施。

通過(guò)微震、CRMS沖擊在線監(jiān)測(cè)、鉆屑量監(jiān)測(cè)采掘工作面前方有沖擊危險(xiǎn)時(shí)，首先采取煤體大直徑鉆孔卸壓，然后再監(jiān)測(cè)前方有無(wú)沖擊，如果沖擊沒(méi)有有效減弱，那么就采取煤體卸壓爆破、頂板卸壓爆破和底板卸壓爆破，直至確認(rèn)前方?jīng)_擊減弱或無(wú)沖擊時(shí)，方可進(jìn)行其它作業(yè)。

3.2.1 250204工作面兩巷煤體大直徑鉆孔卸壓設(shè)計(jì)

受采動(dòng)影響，回采工作面兩幫煤體易積聚彈性應(yīng)變能，為進(jìn)一步消弱沖擊顯現(xiàn)程度，需對(duì)煤體加大卸壓力度。具體卸壓措施如下：

（1）運(yùn)輸巷卸壓施工。卸壓鉆孔直徑大于110 mm，巷幫兩側(cè)孔深15～20 m，鉆孔距巷道底板1.2m，平行煤層方向，呈三花眼布置，卸壓范圍為工作面前方300m。卸壓鉆孔布置如圖2（a）和圖2（b）所示。

（2）材料巷卸壓施工。材料巷僅對(duì)內(nèi)幫實(shí)施大直徑鉆孔卸壓，由于留設(shè)小煤柱護(hù)巷，煤柱側(cè)暫不需采取卸壓措施。煤壁鉆孔參數(shù)同運(yùn)輸巷。

圖2 運(yùn)輸巷大直徑卸壓鉆孔布置示意圖

3.2.2 250203掘進(jìn)工作面卸壓爆破設(shè)計(jì)

受采動(dòng)和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響，掘進(jìn)工作面兩幫與掘進(jìn)頭位置煤體易積聚彈性能，為防止強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，該區(qū)域需要采取一定力度的煤體卸壓爆破和大直徑深孔卸壓爆破措施。

（1）兩幫卸壓施工。掘進(jìn)頭后方100 m范圍，每隔5 m施工一個(gè)普通鉆孔與一個(gè)大直徑深孔，相互錯(cuò)距為2.5 m，皆垂直于兩幫、距離底板1～1.5 m。

普通鉆孔孔徑42 mm、孔深10 m，采用2＃煤礦許用炸藥，單孔裝藥量3 kg，導(dǎo)爆索導(dǎo)爆，煤礦許用毫秒電雷管引爆，封泥長(zhǎng)度不小于4 m。

大直徑深孔孔徑65 mm（或使用更大孔徑）、孔深24 m，采用2＃煤礦許用炸藥，單孔裝藥量9 kg，導(dǎo)爆索導(dǎo)爆，煤礦許用毫秒電雷管引爆，封泥長(zhǎng)度不小于6 m。

（2）掘進(jìn)頭卸壓施工。煤體卸壓爆破每組3個(gè)鉆孔，沿掘進(jìn)方向垂直于煤壁，距離底板1.5 m，孔深及裝藥參數(shù)同兩幫卸壓鉆孔施工中的普通鉆孔參數(shù)。裝藥封孔完畢后3個(gè)孔串聯(lián)同時(shí)起爆，每掘進(jìn)5 m實(shí)施一組鉆孔。若巷道周邊破碎，應(yīng)適當(dāng)加大鉆孔深度。

3.3 卸壓效果分析

根據(jù)鉆屑量與煤體應(yīng)力狀態(tài)具有定量的關(guān)系，即在其他條件相同的煤體中，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)不同時(shí)，其鉆孔的煤粉體積或質(zhì)量也各不相同，當(dāng)單位長(zhǎng)度的排粉量大于或等于鉆屑臨界值，說(shuō)明該區(qū)域的應(yīng)力集中程度明顯，沖擊危險(xiǎn)性較高。此外，鉆屑過(guò)程中的動(dòng)力效應(yīng)可以作為該區(qū)域沖擊傾向的一個(gè)重要指標(biāo)。因此通過(guò)鉆屑量和其中的動(dòng)力效應(yīng)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)檢驗(yàn)采取卸壓之后的效果分析。表2為硯北礦鉆屑量臨界值指標(biāo)。250204工作面運(yùn)輸巷和250203掘進(jìn)工作面運(yùn)輸巷鉆屑孔布置如圖3所示。

表2 硯北礦鉆屑臨界指標(biāo)

圖3 250204工作面運(yùn)輸巷和250203掘進(jìn)工作面輸巷鉆屑孔布置圖

（1）250204工作面卸壓效果分析。在250204工作面運(yùn)輸巷距工作面煤壁50 m開(kāi)始，每隔20 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，直到距工作面190 m處，共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鉆屑量檢驗(yàn)，鉆屑量結(jié)果如圖4（a）所示。在鉆屑過(guò)程中，離工作面90 m、110 m測(cè)點(diǎn)處有卡鉆等動(dòng)力現(xiàn)象。

為確保卸壓效果，卸壓后第二天在250204工作面運(yùn)輸巷距工作面煤壁100 m開(kāi)始，每隔20 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，直到距工作面240 m處，共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)再次進(jìn)行鉆屑量檢驗(yàn)，鉆屑量結(jié)果如圖4（b）所示。在鉆屑過(guò)程中，離工作面100 m、120 m測(cè)點(diǎn)處有卡鉆等動(dòng)力現(xiàn)象。

圖4 250204工作面運(yùn)輸巷卸壓后鉆屑量記錄

根據(jù)圖4鉆屑量記錄圖可知，距250204工作面煤壁100 m和110 m處距煤壁4 m深的鉆屑量分別超出和接近臨界值2.28 kg/m，90 m和120 m處距煤壁5 m深的鉆屑量接近臨界值2.44 kg/m，同時(shí)伴隨有卡鉆、跳鉆等現(xiàn)象，表明運(yùn)輸巷距工作面煤壁90～120 m范圍內(nèi)還存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)在這些地方進(jìn)行其他方式的卸壓作業(yè)。然后再通過(guò)微震進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果該區(qū)域附近的震動(dòng)有所減少，并通過(guò)鉆屑量再次進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)異常時(shí)，方可進(jìn)行作業(yè)。

（2）250203掘進(jìn)工作面卸壓效果分析。在250203運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭內(nèi)、外幫5 m和25 m距離共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，連續(xù)兩天鉆屑量檢驗(yàn)，鉆屑量如圖5所示。鉆屑過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)卡鉆等現(xiàn)象。

在對(duì)250203運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭不同位置進(jìn)行鉆屑量監(jiān)測(cè)后，根據(jù)鉆屑量的平均值同鉆屑量的臨界值進(jìn)行對(duì)比可知，卸壓之后的鉆屑量在臨界值之內(nèi)，并且在鉆取煤粉的過(guò)程中，沒(méi)有其他卡鉆等現(xiàn)象。通過(guò)微震監(jiān)測(cè)，該區(qū)域附近的震動(dòng)多以小能量為主，大能量級(jí)震動(dòng)有較少。表明該區(qū)域附近經(jīng)過(guò)卸壓之后，該區(qū)域的應(yīng)力集中已向煤體深部轉(zhuǎn)移。

圖5 250203工作面運(yùn)輸巷卸壓后鉆屑量記錄

4 結(jié)論

（1）通過(guò)分析2月1日－4月2日250204工作面和250203掘進(jìn)工作面的礦震數(shù)據(jù)，得出微震震源主要集中在各工作面的運(yùn)輸巷側(cè)。由于巷道附近有褶曲地質(zhì)構(gòu)造，當(dāng)在附近進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，使應(yīng)力重新分布，造成局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。說(shuō)明采掘活動(dòng)在褶曲附近進(jìn)行作業(yè)時(shí)，容易誘發(fā)沖擊礦壓的發(fā)生。

（2）通過(guò)對(duì)巷道防沖機(jī)理進(jìn)行力學(xué)分析，巷道圍巖強(qiáng)弱強(qiáng)的結(jié)構(gòu)能夠吸波消能的作用，降低煤體的強(qiáng)度、煤體的沖擊傾向性和振動(dòng)釋放的能量，并使巷道圍巖的高應(yīng)力向煤巖體深部轉(zhuǎn)移。當(dāng)250204工作面和250203掘進(jìn)工作面有沖擊危險(xiǎn)時(shí)，可以使用煤體大直徑鉆孔等卸壓措施，并加強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域的巷道支護(hù)，使巷道形成強(qiáng)弱強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，以便抵抗沖擊的發(fā)生。

（3）通過(guò)在250204工作面運(yùn)輸巷和250203掘進(jìn)工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行煤體大直徑卸壓和煤體卸壓爆破后，采用鉆屑法進(jìn)行檢驗(yàn)，從而能夠在一定程度上檢驗(yàn)卸壓的效果，為礦井的安全生產(chǎn)提供保障。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［2］ 竇林名，趙從國(guó)，楊思光，吳興榮.煤礦開(kāi)采沖擊礦壓災(zāi)害防治［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

［3］ 陳國(guó)祥，竇林名等.褶皺區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及其對(duì)沖擊礦壓的影響［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（36）

［4］ 李許偉，竇林名，蔡武等.褶皺附近微震活動(dòng)規(guī)律分析［J］.煤礦安全，2011（11）

［5］ 趙興東，唐春安，李元輝等.基于微震監(jiān)測(cè)及應(yīng)力場(chǎng)分析的沖擊地壓預(yù)測(cè)方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（增1）

［6］ 張明偉，竇林名，王占成等.深井SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用［J］.煤礦開(kāi)采，2010（2）

［7］ 竇林名，何學(xué)秋.采礦地球物理學(xué)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)文化出版社，2002

［8］ 高明仕，竇林名，張農(nóng)等.沖擊礦壓巷道圍巖控制的強(qiáng)弱強(qiáng)力學(xué)模型及其應(yīng)用分析［J］.巖土力學(xué)，2008（2）

［9］ 吳向前，竇林名，賀虎等.濟(jì)三煤礦深孔定向水力致裂防沖技術(shù)［J］.中國(guó)煤炭，2011（10）

The application of mine seismicity behavior regularity near folds in anti－shock practice

Lv Yajun1，Dou Linming2，3，Zhang Junwei2，3，Li Ning2，3，Xie Long2，3
（1.Huating Coal Industry Group，Huating，Gansu 744100，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Department of Mining Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The SOS micro－system is used to monitor the mine seismicity in Yanbei Mine，when its 250204 mining face reaches the folded area and the 250203 haulage roadway drives there.The paper analyses the mine seismicity regularity，the stress distribution near the folds and the impact of folds on the excavating process.Based on them，the paper puts forward the practicable and effective anti－shock technology measures，which can effectively reduce the risk of rock burst when working near the folded area.

folded area，SOS microseismic monitoring system，stress concentration，mine seismicity regularity，shock countermeasure

TD 324

A

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)（973）經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（2010CB226805）；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2012BAK09B01）；國(guó)家自然基金和神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助（51174285）；煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（SKLCRSM10X05）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（SZBF2011－6－B35）

呂亞軍（1965－），男，甘肅靜寧人，采煤工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)、沖擊地壓治理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）