煤礦沖擊地壓防治的“雙低”模式及其實踐

張治高，劉金海，徐 波，譚文峰

(1.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918；2.華北科技學院 河北省礦井災害防治重點實驗室，河北 燕郊 065201)

沖擊地壓是我國深部開采礦井面臨的主要動力災害之一[1-6]，至2016年，我國沖擊地壓礦井已接近180處，廣泛分布在主要采煤區(qū)。新巨龍公司位于巨野煤田中部，主采煤層平均厚8.82m，埋深800～1200m，上覆地層呈現(xiàn)“基巖薄、松散層厚”的特點，煤層與頂板均具有弱沖擊傾向，原巖應力以水平應力為主，最大水平主應力為垂直應力1.9倍；受自重應力、殘余構造應力、煤巖相變應力、采場支承壓力等相互疊加影響，高應力區(qū)煤巖體富集彈性能，加上采掘擾動影響，易發(fā)生應力耦合型沖擊地壓。經(jīng)過多年的實踐，新巨龍公司創(chuàng)建了震動場、應力場預警指標體系[7]，提出了低應力開采防治沖擊地壓的思路[8]，生產(chǎn)過程中將卸壓保護和預警前置，堅持“避黃杜紅”預警原則和均衡生產(chǎn)原則，形成了低應力、低擾動開采環(huán)境，從而實現(xiàn)沖擊地壓防治和礦井安全高效開采的目標。

本文在總結新巨龍公司沖擊地壓防治實踐經(jīng)驗的基礎上，凝練煤礦沖擊地壓防治的“雙低”模式，并結合3301工作面沖擊地壓防治，介紹“雙低”模式的實現(xiàn)途徑。

1 壓防治的“雙低”模式

1.1 沖擊地壓實時監(jiān)控預警平臺

監(jiān)測預警是沖擊地壓防治的重要環(huán)節(jié)之一。新巨龍公司于2010年11月首次在1301N工作面安裝了高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)和應力/沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)，此后按照高端配置、實時監(jiān)測要求，逐步完善震動場、應力場聯(lián)合監(jiān)測預警體系。其中，在震動監(jiān)測方面，形成了0.1～1500Hz全頻段震動監(jiān)測體系，包括礦區(qū)地震監(jiān)測臺網(wǎng)、礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)、區(qū)域高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)(用于采掘工作面周圍300m范圍內(nèi)的震動事件監(jiān)測)；在應力監(jiān)測方面，形成了全礦井重大沖擊危險源與采掘工作面應力監(jiān)測體系，包括礦井T型煤柱應力監(jiān)測系統(tǒng)、回采工作面應力監(jiān)測系統(tǒng)(用于回采工作面超前300m范圍煤體應力變化趨勢監(jiān)測)、掘進工作面應力監(jiān)測系統(tǒng)(用于掘進工作面后方300m范圍煤體應力變化趨勢監(jiān)測)。

1.2 “雙低”模式的內(nèi)涵

應力監(jiān)測體系采用“單點預警+過程判斷”的方法對沖擊地壓危險進行預警，可根據(jù)現(xiàn)場煤粉量標定結果準確設置紅色、黃色預警閾值。新巨龍公司根據(jù)現(xiàn)場條件，初設深(13m)、淺(8m)測點的黃色預警閾值分別為10MPa，8MPa；紅色預警閾值分別為12MPa，10MPa?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，當監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生預警時，煤體已積聚高應力，徹底消除沖擊危險需較長時間，甚至需停產(chǎn)數(shù)日，且在高應力區(qū)實施解危措施存在沖擊傷人的風險。為此，提出低應力預警的理念，將預警和卸壓保護措施前置，確保采掘周圍煤體始終處于低應力狀態(tài)。

震動監(jiān)測體系以震動能量為預警指標，通過對一段時間內(nèi)的震動能量進行統(tǒng)計分析，設置置信水平，確定置信空間和震動能量上限，進而以震動能量上限作為預警閾值。震動能量是采掘擾動的表征參數(shù)，能夠反映采掘速度的合理性?，F(xiàn)場可根據(jù)震動能量變化動態(tài)調(diào)整采掘速度，從而確保采掘周圍煤體始終處于低擾動狀態(tài)。

“雙低”模式的內(nèi)涵：以營造低應力、低擾動的采掘環(huán)境為目標，通過降低沖擊地壓預警閾值，提升煤體應力危險級別，提前實施卸壓措施，從而將卸壓保護和預警前置，使周圍煤體始終處于低應力狀態(tài)；通過設置震動能量預警閾值，根據(jù)震動能量變化動態(tài)調(diào)控采掘速度，貫徹均衡生產(chǎn)和均能量釋放的理念，使周圍煤體始終處于低擾動狀態(tài)?，F(xiàn)場通過實踐“雙低”模式，實現(xiàn)了“避黃杜紅”的預警目標和“避停治災”的生產(chǎn)目標，并隨著“雙低”模式實踐的深入，現(xiàn)場發(fā)展并建立了低應力開采[8]、均能量生產(chǎn)、沖擊危險源識別控制、“三不準”施工等沖擊地壓綜合防治管理體系。

1.3 基于“雙低”模式的預警指標設定

1.3.1 應力預警指標

低應力預警包括最大值預警和趨勢預警等，其中最大值預警是指當沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)的淺、深測點應力值分別持續(xù)上升到6.5MPa和7.5MPa時，發(fā)出低應力預警；趨勢預警是指當沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)測點應力增量在2h內(nèi)超過1.0MPa時，發(fā)出低應力預警。低應力預警后，施工人員對預警區(qū)域?qū)嵤﹦討B(tài)卸壓，直至消除沖擊危險?；诘蛻δＪ皆O置的沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)各級預警閾值見表1。

表1 基于應力監(jiān)測的沖擊地壓預警閾值

1.3.2 震動預警指標

采用由礦區(qū)地震監(jiān)測臺網(wǎng)、礦井微震監(jiān)測系統(tǒng)、區(qū)域微震監(jiān)測系統(tǒng)集成的“全頻廣域”震動監(jiān)測技術[9]開展震動監(jiān)測。通過分析采場震動能量釋放規(guī)律，運用數(shù)理統(tǒng)計方法，分采區(qū)建立日釋放能量、單位推進度能量等震動能量預警指標體系，分限產(chǎn)、停產(chǎn)二級設置預警閾值(見表2)，確?，F(xiàn)場以量定采，均能量生產(chǎn)。

表2 震動能量預警閾值

2 “雙低”模式的實現(xiàn)途徑

2.1 基于防沖的開拓布局與采掘接續(xù)優(yōu)化

開采強度和采掘相互影響是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素。通過優(yōu)化開拓布局和采掘接續(xù)，可從根本上防范沖擊地壓的發(fā)生。如基于防沖要求，新巨龍公司生產(chǎn)布局由初期“一井一面”達產(chǎn)，優(yōu)化為“一井兩面”，降低了采掘強度，減少了采掘擾動，同時堅持2個生產(chǎn)、2個準備采區(qū)，4個采區(qū)間跳采；利用邊界下山系統(tǒng)，將雙翼工作面改為單翼工作面，從而避免雙翼工作面之間的相互擾動。

2.2 基于沖擊模型的沖擊危險源監(jiān)控

基于斷層、褶曲、煤層分叉、煤質(zhì)相變、初次來壓與見方、底煤與薄巖柱底板、超前與爆破擾動、過老巷(應力孤島)、區(qū)段煤柱、穿層薄巖柱區(qū)、末采煤柱區(qū)、應力凸角、采掘近距離擾動、不合理設計等15種沖擊模型，確定沖擊危險源和重點監(jiān)控區(qū)域，并對重點沖擊危險區(qū)域進行監(jiān)測監(jiān)控。

2.3 基于動-靜組合評價的隱蔽沖擊危險源排查

采掘施工前，動態(tài)分析采掘擾動區(qū)域隱蔽沖擊危險源，開展沖擊危險性評估，劃分沖擊危險區(qū)，明確各區(qū)域的沖擊危險程度；根據(jù)沖擊危險性評估結果，編制專項防沖設計，明確分區(qū)分級治理方案，按強、中、弱等靜態(tài)沖擊危險區(qū)落實卸壓保護措施；施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測信息，動態(tài)分析施工擾動區(qū)域的沖擊危險因素，評估沖擊危險程度，編制專項治理工程?？梢?，通過動-靜組合評價，有效排查出沖擊危險源。

2.4 基于“避輕就重”原則的沖擊危險盲區(qū)處理

按照“避輕就重”原則，將掘進迎頭、巷道開門與貫通段、巷道小角度接近斷層階段、過褶曲階段、采掘相互影響段、巷道群段、銳角煤柱段、區(qū)段煤柱異常段、巷道穿層段、巷道留底煤段等劃分為沖擊危險區(qū)。巷道掘進過程中，通過實施超前煤層鉆孔，確保一定寬度的超前卸壓保護帶；對巷道開門、貫通段實施超前煤層鉆孔，改變煤體結構和弱化其沖擊傾向性；在巷道小角度接近斷層階段、過褶曲階段、采掘相互影響段、巷道群段等，采取超前和滯后卸壓保護措施；將施工過程中形成的銳角煤柱、異常區(qū)段煤柱、巷道穿層段、留底煤段等作為隱患區(qū)管理，施工過程中實施卸壓處理，從而形成有效保護。

2.5 基于“三不準”施工原則的危險區(qū)現(xiàn)場管控

“三不準”施工原則，即現(xiàn)場卸壓保護不到位不準施工；監(jiān)測預警不到位不準施工；預警處置不到位不準施工。為避免現(xiàn)場因施工不到位發(fā)生沖擊地壓災害，實踐“雙低”模式，采掘工作面貫徹“三不準”施工原則，確保施工區(qū)域得到管控。

3 工程實踐

3.1 工程概況

新巨龍公司3301工作面位于-810m水平三采進風上山以北，東側為2301N采空區(qū)，屬沿空工作面，走向長1350m，傾斜寬271m，平均采深750m，回采煤層平均厚9.08m，傾角1°～10°，平均5.5°，采用綜合機械化放頂煤開采工藝。3301工作面膠帶巷沿2301N采空區(qū)掘進，其斷面為矩形，凈寬4.8m，凈高4.0m，采用錨網(wǎng)帶索支護方式，與2301N采空區(qū)之間留設寬4.5m的區(qū)段煤柱。經(jīng)多因素耦合評價，3301工作面存在8處強沖擊危險區(qū)、5處中等沖擊危險區(qū)和3處弱沖擊危險區(qū)(見圖1)，膠帶巷掘進與工作面回采期間都將受到?jīng)_擊地壓威脅。

圖1 3301工作面沖擊危險區(qū)分布

3.2 膠帶巷掘進應力預警及處置

2015年2月9日，3301工作面膠帶巷掘進迎頭后方91m處的29號測站發(fā)生低應力預警(見圖2)。該測站于2015年1月31日布置，測點安裝深度為13m，初始值為3.2MPa。2月9日中班，測站滯后迎頭91m時，應力上升至4.5MPa，增幅超過1.0MPa，發(fā)出低應力預警，然后在該區(qū)域施工3個煤層鉆孔進行解危。前2個鉆孔施工過程中，應力值由4.5MPa逐漸增加到5.7MPa；第3個鉆孔鉆進至10m時發(fā)生鉆孔內(nèi)沖擊，應力值由5.7MPa上升到11.2MPa，隨后迅速升高至19.0MPa，當鉆進至15m時應力迅速降至3.7MPa，從而解除了沖擊危險。

圖2 29號測站應力變化曲線

從此次沖擊地壓預警與處置過程來看，由于貫徹了低應力理念，將預警與解危保護前置，避免了解危人員在高應力區(qū)施工和巷道停止掘進，保障了施工人員安全和掘進速度。

3.3 工作面回采震動預警及處置

2016年3月6日，3301工作面震動能量達到21300J，發(fā)出限產(chǎn)預警(見圖3)，安排現(xiàn)場作業(yè)人員密切關注現(xiàn)場顯現(xiàn)，推采速度維持在4.8～5.2m/d，至3月7日，3301工作面震動能量降至19300J；3月8日，3301工作面震動能量達到22600J，再次發(fā)出限產(chǎn)預警，要求現(xiàn)場按不超過5m/d，2.4m/班的速度組織生產(chǎn)，此后震動能量回落并趨于平穩(wěn)。

圖3 3301工作面震動能量變化曲線(2月25日～3月14日)

從2016年3月6日～3月14日的震動預警及處置來看，由于貫徹了低擾動理念，及時調(diào)整推采速度，避免了震動能量停采預警，從而確保了工作面安全和不間斷推采。

3.4 工作面回采期間震動-應力預警及處置

2016年3月19日13:08，3301工作面膠帶巷超前范圍內(nèi)發(fā)生一次大能量震頂，現(xiàn)場震感強烈，工作面煤壁超前10m范圍內(nèi)膠帶巷外幫產(chǎn)生明顯位移，多處形成網(wǎng)兜，其中超前5m處膠帶巷外幫鋼筋網(wǎng)聯(lián)接處被撕裂，超前40m范圍內(nèi)膠帶巷內(nèi)幫的卸壓鉆孔閉合。經(jīng)定位，此次震源位于工作面前方86.2m、膠帶巷內(nèi)側43.6m、煤層頂板67.5m處，能量為8945J。另外，安裝在工作面煤壁前方65.9m處膠帶巷內(nèi)幫的16號應力測站深部測點的應力值由4.10MPa瞬間升至14.91MPa。

圖4所示為3301工作面回采期間震動能量變化曲線(3月10日～3月24日)。從圖中可以看出，3月17日震動能量已接近限產(chǎn)預警值，3月18日震動能量超過限產(chǎn)預警值，3月19日震動能量達到峰值，且超過停產(chǎn)預警值，此后震動能量下降；3月15日～3月18日工作面推進速度都維持在4.8m/d以上，且推采速度不均衡，而當推采速度降到4.8m/d以下且盡可能維持均衡推進時，震動能量下降，并低于限產(chǎn)預警值?？梢?，工作面快度不均衡推采是造成此次震動的重要原因。

圖4 3301工作面震動能量變化曲線(3月10日～3月24日)

圖5所示為布置在3301工作面膠帶巷內(nèi)側16號測站的應力變化曲線。該測站位于此次震源附近。從圖中可以看出，震頂后該測站深部測點的應力值瞬間升高至14.91MPa，達到紅色預警值；發(fā)出紅色預警后，在該測點兩側施工2個卸壓鉆孔，至15:01應力值降至7.47MPa；此后該測點應力值逐漸升高，并發(fā)出黃色預警，再繼續(xù)施工2個卸壓鉆孔后，應力值降至4.69MPa；此后該測點又經(jīng)歷多次黃色預警，并在及時施工卸壓鉆孔后降至預警值以下，直到最后解除沖擊危險。

圖5 16號測站的應力變化曲線

從2016年3月19日～3月23日的震動-應力預警及處置來看，由于貫徹“雙低”模式，及時降低開采速度并采取卸壓措施，避免了再次震動預警和應力紅色預警，從而確保了工作面安全。

4 結 論

(1)明確了沖擊地壓防治“雙低”模式的內(nèi)涵，指出將卸壓保護和預警相應前置，貫徹均衡生產(chǎn)理念，形成低應力、低擾動的采掘環(huán)境，可實現(xiàn)沖擊地壓防治與生產(chǎn)協(xié)調(diào)的目標。

(2)構建了應力、震動預警指標體系，為實踐沖擊地壓防治“雙低”模式提供了基礎。

(3)提出了實踐沖擊地壓防治 “雙低”模式的途徑，包括基于防沖的開拓布局與采掘接續(xù)優(yōu)化、基于沖擊模型的沖擊危險源監(jiān)控、基于動-靜組合評價的隱蔽沖擊危險源排查、基于“避輕就重”原則的沖擊危險盲區(qū)處理、基于“三不準”施工原則的危險區(qū)現(xiàn)場管控。

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