煤业公司N2105工作面冲击地压监测及防治方案.doc

N2105工作面冲击地压监测及防治方案（修改稿）山西潞安集团余吾煤业有限公司煤炭科学研究总院开采研究分院（天地科技股份有限公司开采事业部）二一四年二月目 录1 实施目的及意义12 工作面概况22.1 工作面开采环境及基本参数22.2 煤层及围岩特性32.3 地质构造32.4 瓦斯、火、地温、水文等情况42.5 巷道布置及支护52.6 采煤方法83 底板冲击防治初步方案83.1 基本原理83.2 条形药卷爆破作用区域计算方法83.3 胶带顺槽防治方案超前端头预裂爆破103.3.1 实施目的103.3.2 预裂位置及层位103.3.3 现有炸药参数及制裂效果103.3.4 爆破参数设计113.3.5 爆破材料及起爆方式123.3.6 注意事项123.4 进风顺槽防治方案煤柱大孔径卸压133.4.1 实施目的及依据133.4.2 施工位置说明133.4.3 大孔径卸压参数设计133.5 回风顺槽防治方案煤柱大孔径卸压143.5.1 实施目的及依据143.5.2 施工位置说明143.5.3 大孔径卸压参数设计144 微震监测布置方案154.1 监测目的154.2 微震监测原理154.3 ARIMIS M/E微震监测系统简介154.4 布置方案174.5 准备工作及要求185 围岩稳定性监测布置方案205.1监测意义205.2 监测方案205.2.1 总体布置方式说明205.2.3 详细布置方案215.3 准备工作及要求216 近期冲击危险预警及防范措施251 实施目的及意义（1）巷道动力显现强烈，潜在致灾性大。2013年11月17日15:40，余吾煤业N2105工作面进风顺槽1800m-2000m一声巨响，底板瞬间鼓起，鼓起高度将近2m，大块煤被弹起，挖开底板3m底煤发现泥岩底板有开裂缝隙，造成支护木垛损坏，瓦斯超限（1.34%），此种现象为典型的底板冲击事件，冲击巷道长度约200m，煤柱侧巷帮与其他区域相比，明显向外平移400mm左右。2014年1月23日22:40，该巷道再次发生底板冲击，破坏范围约100m。底板瞬间冲击过程历时仅十几秒，可瞬间造成该区工作人员伤亡，设备损坏，我国已有142个矿井时刻面临这种动力载荷威胁，余吾煤业N2105工作面随着工作面不断推进，近区的充分采动灾害发生可能性增大。对如此强烈的动力现象，矿井管理层承担了巨大的安全压力，一线作业工人则背负了沉重的精神负担。图1-1 2013年11月17日N2105工作面冲击位置示意图图1-2 2014年1月23日N2105工作面冲击位置示意图（2）高弹性能瞬间释放，可能造成高瓦斯矿井灾害升级。冲击地压是发生在煤矿井工开采过程中的典型动力灾害之一，冲击地压更为严重的后果是可以诱发煤与瓦斯突出、煤层自燃发火、冒顶等群死群伤的次生灾害，例如：2003年，淮北芦岭煤矿造成86人死亡的“5.13”事故；2005年辽宁孙家湾煤矿海州立井造成214人死亡的“2.14”事故都是冲击地压引起的瓦斯超限并爆炸。因此，对于余吾煤业高瓦斯矿井在加大瓦斯抽放力度的同时，必须杜绝煤岩冲击诱发瓦斯超限或突出的这一可能性。（3）潞安矿区首次发生，可借鉴经验缺乏，将限制矿井产量提升，甚至需要减产，以降低开采强度。据统计，此次底板冲击事件是余吾煤业乃至周边兄弟矿井首次发生的大能量动力灾害，尚无可借鉴经验。此种动力灾害将限制工作面高强度开采，限制工作面开采速度，从而限制矿井产量提升，因此亟需开展针对性研究，以揭示动力灾害的发生机制，实现灾害有效控制。（4）研究极具示范意义，为潞安矿区深部煤层开采提供技术支持。实践表明，由于同一井田或矿区范围内的煤岩层赋存条件具有相似性，因此各类灾害的表现往往具有普遍性，如淮南矿区的瓦斯灾害，兖州矿区的冲击地压灾害，霍州矿区的水害，鄂尔多斯地区的顶板灾害等。目前，余吾煤业为潞安矿区开采深度较大的矿井，周边兄弟矿井的开采深度也在逐年增加，而随着埋深的增大，动力现象的频度和强度会不断增加。作为潞安矿区第一个面临动力灾害威胁的现代化矿井，针对这一问题形成的技术积累将为整个矿区的深部煤层的安全开采提供坚实的保障。基于以上分析，余吾煤业的动力显现问题将严重威胁矿井安全生产及工人人身安全，或将成为建设高产高效现代矿井的重要障碍。为遏制工作面动力现象的进一步恶化，避免灾害性事故发生，极有必要开展针对性的研究工作，以把握动力显现的形成机制及关键影响因素，对当前重点工作面的安全状态作出危险区域、危险程度的评价，采用科学手段进行解危、防护，最终实现矿井的正常采掘接替，保障安全高效。2 工作面概况2.1 工作面开采环境及基本参数N2105工作面为北二采区首个回采工作，东侧为N2106工作面（设计工作面，未掘）；西侧N2103工作面（设计工作面，未掘）；北面为实体煤；南侧接北风井东翼1#回风大巷和北风井东翼胶带大巷。N2105工作面采掘工程平面图如图2-1所示。工作面地面标高：+1002m+1027m，工作面标高：+430m+495m，工作面埋藏深度：507m+597m，工作面回采平距2163.7m，回采斜距2170m。工作面切眼平距283m，斜距285m，斜面积618450m2。本工作面工业储量542.4万吨，煤层平均厚度6.31m，容重为1.39t/m3，回采率按93%，可采储量504.46(万吨)。图2-1 N2105工作面采掘工程平面图2.2 煤层及围岩特性工作面煤岩层综合钻孔柱状如图2-2所示。主采3煤层赋存于二叠系山西组地层中下部，为陆相湖泊沉积，煤层厚度稳定，煤层局部含0.10.7m炭质泥岩夹矸。煤层硬度系数f=1-3。2.3 地质构造N2105工作面对应地表上方为山区，冲沟发育，工作面由西向东3号煤层整体近似为一单斜构造，平均坡度+5。东高西低。根据现有资料，根据现有三维地震资料及工作面顺槽实际掘进揭露，N2105工作面回采区域内不发育铅直断距大于3.5m的断层和直径超过20m的陷落柱。根据N2105工作面坑透报告、N2105工作面实际掘进揭露情况，在工作面回采区域内共有3处坑透异常区、2条疑似断层和F123、F156、F127、F132、F165、F135、F136、F167八条断层及4处厚夹矸、8处石包、2处破底区共计27处地质异常区域。2.4 瓦斯、火、地温、水文等情况（1）瓦斯：MJmax=9.4846m3/t（抽采科提供）。（2）煤层：具有爆炸性倾向（3）煤的自燃：无自燃现象（4）地温正常：18.27C （5）回采时正常涌水量为50m3/h 80m3/h，最大涌水量为150m3/h。图2-2 工作面煤岩层综合钻孔柱状图2.5 巷道布置及支护如图2-1所示，N2105工作面巷道主要有进风顺槽、胶带顺槽、回风顺槽、瓦排巷、切眼、辅助切眼、回风-瓦排横贯、进风-胶带横贯。主要巷道长度分别为：胶带顺槽平距2404.2m，回风顺槽平距2353.6m，瓦排巷平距2343.1m，进风顺槽平距2412.2m。各巷道断面、支护特征及用途如表2-1所示。表2-1 N2105工作面巷道基本特征巷道名称支护形式巷道断面支护规格排距用 途胶带顺槽全锚（网）17.28 m2矩形4.83.6m0.9m进风运煤回风顺槽全锚（网）17.28 m2矩形4.83.6m0.9m回风运料瓦排巷全锚（网）15.36 m2矩形4.83.2m0.8m排放瓦斯进风顺槽全锚（网）15.36m2矩形4.83.2m0.8m进风开切眼全锚（网）26.52 m2矩形7.83.4m0.9m布置工作面辅助切眼全锚（网）17.28 m2矩形4.83.6m0.8m辅助通风回风-瓦排、进风-胶带1#横贯全锚（网）15.36m2矩形4.83.2m0.8m辅助通风其余横贯全锚（网）9.6 m2矩形33.2m0.9m辅助通风风、运两巷机电硐室全锚（网）9.6 m2矩形4.83.2m0.9m机电硐室胶带、回风辅运巷全锚（网）17.28 m2矩形4.83.6m0.9m辅助运输胶带顺槽、回风顺槽采用全锚（网）支护，矩形断面，规格为4.83.6m，两帮每排打设5根222400mm让压锚杆，帮锚杆间距800mm；顶部每排打设6根222400mm 让压锚杆，间距880mm；顶板锚索布置呈2-1-2布置，间距800mm。图2-3为N2105胶带顺槽、回风顺槽支护断面。瓦排巷、进风顺槽采用全锚（网）支护，矩形断面，规格为4.83.2m；两帮每排打设4根222400mm让压锚杆，锚杆排距900mm，帮锚杆间距为900mm；顶部每排打设6根222400mm 让压锚杆，顶锚杆间距880mm；顶板锚索每排布置2根，排距800mm。图2-4为N2105进风顺槽、瓦排巷支护断面图胶带顺槽超前支护动态保持不少于30m、胶顺超前棚架设一梁三柱单体柱型梁棚；回风顺槽超前支护动态保持不少于50m，风巷超前棚架设一梁三柱单体柱大板棚，棚距0.8m，并架设在锚杆排距中间。图2-3 N2105回风顺槽、胶带顺槽支护断面图图2-4 N2105进风顺槽、瓦排巷支护断面图2.6 采煤方法工作面采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法。本工作面切眼倾斜长285m，煤层平均厚度6.31m，工作面采高3.20.1m，循环进度0.8m，顶煤平均厚度3.11m，割煤回收率为98%，放煤回收率为92%，一采一放为一个循环。3 底板冲击防治初步方案3.1 基本原理N2105工作面进风顺槽底板冲击的主要力源因素为N2105工作面采空区侧向悬顶导致的侧向支承压力。支承压力通过承载煤柱的传递作用于无支护的煤层底板，是强烈底鼓的主要力源，而煤层的冲击倾向性则使得该破坏形式表现出动力特征。对于N2105工作面特定的顶板条件而言，采空区侧向悬顶将是长期、客观的存在，外围巷道也将长期处于侧向支承压力影响下。对侧向悬顶进行适当处理是降低冲击显现强度的根本性措施。同时，通过在承载煤柱中设置弱结构，可削弱其对顶板压力的传递作用。3.2 条形药卷爆破作用区域计算方法巷道围岩爆破作用只发生在介质内部，没有爆破自由面，主要利用了炸药爆破的内部作用，炸药埋设需要保证一定的安全深度，确保巷道不能出现明显爆破外部作用现象。卸压爆破一般采用柱状延长药包。药爆炸发生内部作用时，除形成爆炸空腔外，将自爆源中心向外依次形成压缩粉碎区、破裂区和震动区。如图3-1所示。1、药包；2、压碎区；3、裂隙区；4、径向裂隙；5、环状裂隙图3-1 炸药爆破的内部作用（1）压碎区炸药爆破后，在岩体中首先传播的冲击波将在药卷周围一定范围内形成压碎区。可以假设在冲击载荷作用下的煤岩体介质为不可压缩的理想流体，采用原苏联提出的理想流体介质模型，对于柱状药包，如果采用不耦合装药，且不耦合系数较小时，则相应的压碎圈半径为： （3-1)式中；冲击波衰减指数；，压碎圈与破裂圈分界面上的径向力；炸药爆速；岩石单轴动态抗压强度；岩石单轴动态抗拉强度；炸药的密度；装药径向不耦合系数；装药轴向系数；爆轰产物的膨胀绝热指数，一般取3。由于压碎区处于三向高应力作用下，且大多数的煤岩可压缩性很差，所以压碎区半径不大，一般为爆心附近3-7倍装药半径R0范围内。粉碎区范围很小，但消耗的爆炸能量很大，应合理控制爆破粉碎区的范围。（2）破裂区冲击波持续时间短，作用范围小，并很快衰减为应力波，由于应力波及爆生气体的共同作用，岩石处于非弹性状态，产生径向裂隙和环状裂隙，该范围称为破裂区或破坏区，破裂区内以径向裂隙为主。应力波的传播过程中能量损失较小，衰减较慢，其作用范围一般为120-150倍的装药半径R0。根据爆炸应力波作用效果计算，不耦合装药条件下破裂区半径为： (3-2)式中： 应力波衰减指数，其它参数同前。破裂区是爆破后的主要有效破坏区域，其扩展范围和分布状态直接影响着卸压效果。可见，裂隙区范围是合理确定爆破卸压主要工艺参数的关键基础。参考余吾煤业N1102爆破预裂基本参数，计算可得破碎区半径为0.57m0.69m，破裂区半径为2.55m3.46m。（3）震动区在破坏区以外的岩体中，剩余的爆炸能只能使岩石质点发生弹性震动，并以地震波的形式向外传播，该范围比前述两个区大的多，被称为震动区。地震波自身的能量虽然不足以引起煤岩体的宏观破坏，但可促进介质的力学损伤，尤其介质已处在或邻近非稳定状态，震动载荷可能成为诱发冲击主要因素。3.3 胶带顺槽防治方案超前端头预裂爆破3.3.1 实施目的通过对超前区域端头老顶预裂爆破，在工作面推采过后，促进其断裂、垮落，减少悬顶面积，降低采空区后方侧向支承压力及其对煤柱和底板的作用强度。3.3.2 预裂位置及层位胶带顺槽侧超前支护距离为50m，可在超前支护之外向巷口方向逐步施工。根据工作面钻孔柱状图可知，煤层上方为厚度为0.92.74泥岩直接顶和10.2511.37的细砂岩老顶，而砂岩老顶的活动规律对巷道及煤柱矿压显现起到决定性作用。因此，预裂爆破层位选择为细砂岩老顶。3.3.3 现有炸药参数及制裂效果现有药卷规格为60500mm，1.5kg/卷；炸药密度：1194.265kg/m3；炸药爆速：2800m/s。根据计算结果，当径向装药不耦合系数为1.25时，破碎区半径为0.57m0.69m；裂隙区半径为2.55m3.46m，因此，炮孔终孔间距以4-6m为宜。3.3.4 爆破参数设计胶带顺槽预裂爆破孔设计如表3-1、图3-2、图3-3所示。考虑到工作面侧瓦斯抽放孔的影响，施工爆破孔时，钻孔方位均偏向煤柱侧。每个钻场施工2个炮孔，钻场间距23m。炮孔开口位置：开口位置距离煤帮侧0.7m，具体施工时，可在肩部锚杆和邻近顶板锚杆之间开口，如图3-3（b）所示。同一钻场内的2个炮孔开口走向间距0.8m，具体施工时，可在两排锚杆之间。表3-1 胶带顺槽预裂爆破孔钻孔参数炮孔编号炮孔长度/m仰角/水平角/孔径/mm计算装药长度/m计算装药量/kg计算封泥长度/m装药卷数/个128.0341937516.349.511.733243.1211877524.87518.350总 计124.583注：水平角以正北为0度。图3-2 N2105工作面端头预裂爆破炮孔布置示意图（胶带顺槽侧）（a）水平剖面投影（b）A-A剖面投影图3-3 N2105工作面端头预裂爆破炮孔设计（胶带顺槽侧）3.3.5 爆破材料及起爆方式炸药：三级煤矿许用乳化炸药，药卷规格为60500mm，1.50.1kg/卷；雷管：煤矿许用8#普通瞬发电雷管（或同段位）；导爆索：煤矿许用导爆索，导爆索是以太安、黑索金炸药为药芯、用棉线和塑料编织丝等作包缠物，并以塑料为防潮层组成，规格为6.50.3mm（或5.25.5mm），爆速6000m/s。施工顺序：打孔（1、2号孔）装药（1、2号孔）起爆1号孔起爆2号孔下一钻场施工联线方式：每孔均采用双导爆索引爆，每个导爆索各联接1枚雷管，之间并联。1-导爆索；2-炸药卷；3-炮泥；4-水炮泥；5-雷管；6-脚线图3-4 装药结构示意图3.3.6 注意事项起爆孔数量鉴于单孔装药量较大，试验初期，每个炮孔可单独引爆。若巷道变形量较小，可尝试2孔共同引爆。加强临时支护爆破期间，爆破区域巷道应采用单体柱加强临时支护，以防巷道损坏，顶板破碎区应提高支护强度，加大临时支护距离。确保封孔质量由于爆破预裂工程是在超前段施工，爆破后围岩表面不得过度破坏，因此，应严格确保封孔长度，以免发生“冲孔”。3.4 进风顺槽防治方案煤柱大孔径卸压3.4.1 实施目的及依据通过在“进风顺槽-胶带顺槽”煤柱内部施工大孔径钻孔，可提供压力释放的空间，从而减弱顶板压力对底板的传递作用，降低N2105工作面进风顺槽底板冲击破坏的可能性。3.4.2 施工位置说明为便于施工，在进风顺槽内对“进风顺槽-胶带顺槽”煤柱进行大孔径卸压，施工区域包括：工作面超前影响区域始终保持工作面前方煤柱大孔径卸压区长度不小于100m，但不得大于200m。工作面后方区域工作面后方的“进风顺槽-胶带顺槽”煤柱卸压区长度不小于250m。3.4.3 大孔径卸压参数设计进风顺槽大孔径卸压参数如表3-2、图3-5所示。表3-2 “进风顺槽-胶带顺槽”煤柱大孔径卸压设计参数煤柱位置施工位置钻孔长度/m钻孔直径/m角度钻孔走向间距/m孔口高度“进风顺槽-胶带顺槽”进风顺槽20不小于110垂直巷帮；仰角3-52距底板1.2m注：孔口高度可根据实际情况调整。图3-5 “进风顺槽-胶带顺槽”煤柱大孔径卸压设计方案3.5 回风顺槽防治方案煤柱大孔径卸压3.5.1 实施目的及依据由于回风顺槽进行了沿空留巷，采取顶板端头预裂虽可降低瓦排巷底板冲击危险性，但将不利与回风顺槽留巷的顶板管理。另瓦排巷瓦斯浓度较高，不便长期施工。综合分析各影响因素，可在回风顺槽内对“回风顺槽-瓦排巷”煤柱内部施工加长大孔径钻孔，以减弱顶板压力对瓦排巷侧底板的传递作用。3.5.2 施工位置说明始终保持工作面前方煤柱大孔径卸压区长度不小于100m，但不得大于200m。3.5.3 大孔径卸压参数设计进风顺槽大孔径卸压参数如表3-3、图3-6所示。表3-3 “瓦排巷-回风顺槽”煤柱大孔径卸压设计参数煤柱位置施工位置钻孔长度/m钻孔直径/m角度钻孔走向间距/m孔口高度“瓦排巷-回风顺槽”回风顺槽30不小于110垂直巷帮；仰角3-51距底板1.2m图3-6 “瓦排巷-回风顺槽”煤柱大孔径卸压设计方案4 微震监测布置方案4.1 监测目的利用微震监测系统对N2105工作面微震事件进行实时监测、定位、统计、分析，揭示巷道底板冲击发生机制，实现工作面冲击地压危险性预评价，判定危险区域，指导防冲措施的制定与优化。4.2 微震监测原理井下煤岩体是一种应力介质，当其受力变形破坏时，将伴随着能量的释放过程，微震是这种释放过程的物理效应之一，即煤岩体在受力破坏过程中以较低频率（f100Hz）震动波的形式释放变形能所产生的震动效应。微震监测系统能够对微震现象进行监测，是一种区域性、实时监测手段。相比于其他传统监测手段，该系统具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，还可以根据震源情况确定破裂尺度和性质，为评价监测范围内的冲击地压危险提供依据。4.3 ARIMIS M/E微震监测系统简介ARAMIS M/E微震监测系统系统可以监测震动能量大于100J、频率范围在0150Hz且低于100dB的震动事件。根据监测范围的不同，系统可选用不同频率范围的传感器。系统通过24位-转换器提供震动信号的转换和记录，基于记录服务器完成连续、实时的震动监测。标准版系统软件每个通道提供一路监测信号；可选的每通道3路信号监测需采用非标准版的软件，能够实现三向监测的微震活动。图4-1为ARAMIS M/E微震系统结构图。图4-2为义马千秋煤矿监测结果。图4-3为千秋煤矿微震事件统计分析结果。图4-1 ARAMIS M/E系统结构图图4-2 义马千秋煤矿微震事件定位结果图4-3 义马千秋煤矿21141工作面微震活动规律4.4 布置方案本套微震系统共包括8个监测探头，分为顶板探头、帮探头和底板探头，安装位置见表4-1。表4-1 微震探头安装位置说明编号巷道名称安装位置安装方位1N2105进风顺槽距巷口1660m顶板2N2105进风顺槽距巷口1260m巷帮3N2105进风顺槽距巷口860m巷帮4N2105进风顺槽距巷口460m巷帮5N2105瓦排巷距巷口1390m巷帮6N2105瓦排巷距巷口990m顶板7N2105瓦排巷距巷口590m巷帮8N2105瓦排巷距巷口190m底板每个探头均需安装在20mm的金属锚杆螺纹端，需依照表1位置施工8根20mm普通金属锚杆。安装示意图见图4-4。锚杆安装要求如下：（1）全长锚固。（2）无需托盘、螺母等。若帮部和底板全长锚固难以实现，可采用加长锚固，锚杆安装完毕后，用锚固剂将孔口间隙封闭。（3）外露螺纹段3-4cm。（4）安装完成后，需矿地测科对安装位置进行坐标精确测定。图4-4 锚杆安装示意图4.5 准备工作及要求（1）提供20金属锚杆8根，并按照实施方案安装测试锚杆。或安装22mm锚杆，再加工变20mm的变头10个。（2）提供井下220V交流综保电源，并保障电源24小时不中断。（3）将电缆线按照要求进行布设，在每个探头位置预留2m。（4）电缆大巷段应避开高压线影响，选择布置在低压电源线或信号线侧。（5）提供井下探头安装位置的坐标。（6）提供干燥风筒布8m2。（7）协助天地科技人员进行日常监测及设备维护工作。图4-5 N2105微震监测系统电缆线布置方案5 围岩稳定性监测布置方案5.1监测意义N2105作为北二采区首采工作面，其矿压监测数据及相关结论对接续工作面设计具有重要参考价值。通过在各巷道布置监测仪器，以期实现以下目的：（1）得出超前支承压力分布特征。（2）得出采空区侧向支承分布特征。（3）揭示工作面推采对煤柱及外围巷道应力变化的影响。（4）结合微震监测，共同揭示侧向悬顶断裂特征及其对煤柱的影响规律。（5）为合理优化煤柱尺寸提供参考依据（6）验证端头预裂爆破效果。5.2 监测方案5.2.1 总体布置方式说明（1）根据相关规定，瓦排巷禁止提供36V以上电源，因此，瓦排侧暂不安装围岩稳定性监测站。根据冲击危险区域分布情况，结合回采进度，设定胶带顺槽2个测站，进风顺槽8个测站，如图5-1所示。（2）测站监测内容：一般包括顶板浅层位移量（锚杆锚固范围内）、顶板深层位移量（锚索锚固范围内）、顶锚杆工作阻力、顶锚索工作阻力、左帮浅层位移量、左帮深层位移量、左帮锚杆锚固力、右帮浅层位移量、右帮深层位移量、右帮锚杆锚固力，如图5-2所示。（3）钻孔应力监测布置地点为：进风顺槽侧2#联络巷、3#联络巷，胶带顺槽侧胶-1测站，进风顺槽侧各测站。（4）胶带顺槽侧注意保护必要的监测仪器，将传输线穿过封闭墙继续监测。（5）监测时间：1年。图5-1 N2105工作面微震及围岩稳定性监测站总体布置图图5-2 围岩监测测站传感器布置示意图5.2.3 详细