冲击地压防治1

1、义马煤田冲击地压防治及思考“煤矿冲击地压科技万里行”系列活动 走进淄矿集团提 纲1.义煤集团冲击地压基本概况2.义马煤田冲击地压特点3.义马煤田典型冲击地压案例分析4.义煤集团防治冲击地压做法5.防冲工作的几点体会 义煤集团冲击地压基本概况1.1.1 义煤集团企业概况义煤集团位于河南省义马市，煤田分布在五个省区，煤炭资源保有量52.65亿吨。河南本部矿区，六县（市），包括义马、陕渑、宜洛、新安、偃龙五个煤田，主要为石炭二叠系煤层、下侏罗系煤层，东西长138km，南北宽48km，勘探总面积1000km2，保有煤炭储量14.7亿吨。义煤集团现有直管矿井23对，其中省内：生产矿井16对，核定生产能力

2、2054万吨/年。另外，兼并重组矿井79对，其中三门峡煤业公司下辖30对；洛阳煤业公司下辖28对；伊川煤业公司下辖21对矿井。1.2 义煤集团冲击地压概况义煤集团冲击地压主要发生在中部义马煤田，自1998年千秋煤矿发生第一次冲击地压以来，截止2014年6月，义马煤田中部五矿均发生过不同程度的冲击地压，累计发生冲击地压109起，死亡29人，巷道破坏约5km，经济损失达2亿余元。特别是千秋煤矿“11.3”和“3.27”冲击地压事故给义煤集团的安全生产和可持续发展带来严重影响。 2006年 2个 2007年 3个 2009年 4个2010-20145个20062014年冲击地压矿井数量2006201

3、4年中部五矿冲击地压发生情况统计 义马煤田冲击地压特点2.2.1 义马煤田概况义马煤田面积近100km2，整体上呈极不对称向斜构造，北起于煤层隐伏露头，南止于F16逆断层（义马逆断层），东西为沉缺边界（图1）。可采煤层处于中侏罗统下阶义马组，分2组5层，自上而下分别是1煤组的1-1煤和1-2煤，2煤组的2-1煤、2-2煤和2-3煤，2煤组在深部合并。煤层埋深21200m。煤岩层倾角最大约20，最小7，一般为1015。经过数十年开采，各矿采掘活动均转入深部煤层合并区，目前最大采深已达1060m（跃进煤矿25110工作面）。图1. 义马煤田中部五矿井田范围分布图2.2 自然地质构造因素分析顶板巨厚

4、砾岩向斜断层构造2两硬一软结构3义马煤田大部分区域煤层顶板覆存巨厚砾岩，千秋、跃进两矿砾岩厚度最大，厚达数百米，最厚达700余m（含砂、砾岩互层时，顶板坚硬岩层厚度达近900m）（图2）。义马煤田千秋井田内的上覆顶板巨厚砾岩总体变化情况是井田北部边界以南、二水平大巷以北、千-跃边界以西、千-耿边界以东，砾岩层厚度4.7m238.3m；二水平大巷以南、千-跃边界以西、千-耿边界以东、（4108、4005、3903、3808、3776、补4）钻孔以北，砾岩层厚度310m534.6m；（4109、4006、3775）钻孔以南，井田南部边界以北，砾岩层厚度61.5m103.7m。砾岩层厚度最小4.7m

5、，最大534.6m，上覆顶板巨厚砾岩总体变化趋势是由北向南厚度逐渐变大，至井田深部又由厚变薄。千秋矿16采区、18采区和21采区上覆顶板砾岩整体厚度分布图见下图3。顶板巨厚砾岩2010年2011年期间，为探明21121回采工作面（平均采深650m）上覆岩层的“三带”发育情况，在其工作面对应地表打设了两个实验勘探钻孔。1号钻孔地面标高627m，孔深538m，探明砾岩层厚度405.7m，钻至219m时遇裂隙，漏浆严重；钻至419.3m后进入砂砾岩互层；538m后孔内基本无水位，垮塌严重。最终确定该钻孔导水裂隙带标高408m，其发育高度为413.4m；冒落带标高99m107m，发育高度104.4m1

6、12.4m。2号钻孔地面标高625m，孔深557m，钻至248.1m时孔内泥浆不返，水位迅速下降；钻至510m，孔内岩层松散破碎，漏水、漏浆严重，常发生掉块垮落现象；特别是钻至545m一下，孔内多次出现垮塌现象，并有气体涌出。最终确定该钻孔导水裂隙带标高377m，其发育高度为390m；冒落带标高80m115m，发育高度93m128m。1号实验钻孔柱状图2号实验钻孔柱状图图2. 义马煤田顶板坚硬岩层等厚线与冲击地压事件分布示意图图3. 千秋井田上覆顶板砾岩厚度整体分布等值线图向斜断层构造义马矿区大地构造位置属华北板内崤熊构造区北带西端，南以硖石义马逆断层，东北以岸上平移断层和西北的扣门山断层、灰

7、山断层等为界所围限的三角形断块，陕渑向斜展布在其中，义马向斜不整合其上（图4）。渑池义马向斜为本区的主要构造单元，它处于北秦岭纬向构造带与北东向中条弧形构造带的夹持部位，其成生、发展和形变严格受东西向构造的控制。图4. 陕渑-义马矿区地质构造图义马煤田处于义马向斜影响下。义马向斜由中生代地层组成，叠置在陕渑向斜之上，其长轴近东西，短轴近南北，长轴短轴51，是南北挤压作用形成的近线性褶皱。向斜北翼地层倾角较缓，一般625，南翼被F16逆冲断层破坏，产状多陡倾、直立或倒转，断续残存在向斜的西南边缘。该F16逆冲断层由燕山运动形成，走向近东西，倾向南略偏东。根据千秋煤矿21区专用回风巷探巷的勘察情况

8、来看，断层倾角上陡下缓，即在中、上部砾岩坚硬岩石段发生刚性断裂，断层面较陡，倾角达70以上；在底部煤层、泥岩等软弱岩段以水平滑动为主，倾角变小至20以下（图5）。图5. 千秋煤矿21区专用回风巷探巷地质剖面图 两硬一软结构义马煤田煤层直接顶一般为厚度20余m的泥岩，之上为几十米至百余米的砂砾岩互层，再向上为发育到地表或接近地表的数百米乃至700余m厚的砾岩层；而煤层底板分布有薄层泥岩、煤矸互叠层或与几米至十余米的底砾岩直接相连，见图6。图6. 义马煤田综合柱状图砾岩、砂岩比较坚硬，而煤层、煤矸互叠层、泥岩相对软弱。较坚硬的顶、底板可将煤体及相邻软岩夹紧，阻碍了深部煤体及其紧邻围岩的变形，使煤体

9、积聚起很高的侧向压力，导致在煤层和围岩交界处形成较高的剪应力和压应力。当煤体压应力和剪应力达到一定程度，超过煤体极限强度时，就会发生冲击地压。合并区，煤层上硬下软、底板炭质泥岩和煤矸互叠层又软于煤层，加之底板支护强度低，故冲击地压事件以底鼓破坏型较多（图7）。图7. 煤层合并区与分叉区冲击事件次数对比图2.3 不合理采掘活动影响分析采掘平面模型分析采掘剖面模型分析2以义马煤田冲击严重的千秋矿为例进行分析。千秋矿现有两个采区，分别为21采区和18采区，两个回采工作面分别是21区东翼的21112工作面和18采区的18220工作面，准备工作面为18采区的21032工作面和21采区西翼二分层的2118

10、2工作面。结合下图8所示，具体而言：二水平东大巷煤柱、21采区下山煤柱与21采区深部实煤体构成一个明显的“C”字型支承体；而二水平西大巷煤柱、21采区下山煤柱、21161待采的孤岛工作面以及21采区F16断层附近的深部实煤体又构成一个明显的倒“E”字型支承体。总体而言，21采区主要由二水平大巷煤柱和21采区下山煤柱构成的“T”字形构造支承上覆巨厚坚硬砂砾岩层。采掘平面模型分析图8. 千秋矿采掘平面图（截止2014年3月底）为进一步分析千秋矿2-3煤层及上覆岩层在现有开采布局下的受力状态，以21采区下山西翼39勘探线为南-北向垂直剖面位置做矿井地质剖面图，如下图9所示。根据结构力学理论，参照矿井

11、地质剖面图建立了21141工作面采前、采后倾向力学模型简图。采掘剖面模型分析图9. 千秋矿21采区西翼39勘探线矿井地质剖面图 义马煤田典型冲击地压案例分析3.3.1 事故情况介绍千秋煤矿21221掘进工作面“11.3”冲击地压事故2011年11月3日19:18:45，千秋煤矿21221工作面掘进下巷发生冲击地压事故，造成10人死亡。ARAMIS微震监测定位震源距下巷口为208m，上巷以下159m处煤层中，震级4.1，能量3.5108J。冲击地压发生后，造成下巷290m以里至窝面巷道不同程度变形，风筒从360m处被撕裂；290m460m处巷道内加强大立柱向上帮歪斜，上帮棚腿向巷道内滑移，巷道高

12、度最低处不足1.9m，宽度最窄处为2.3m；460m500m、515m553m段顶底板基本合拢；575m620m段巷道部分地段底鼓变形严重，巷道高度仅有0.5m0.8m；620m640m巷道底鼓变形严重，巷道基本合拢。21221工作面设计长度1520m，平均煤层厚度23m。该工作面位于21采区下山西翼第7个工作面。掘进下山巷道断面24m2，埋深760m，煤层直接顶为泥岩，老顶为约500m厚砾岩；底板为砾岩。冲击现场破坏照片千秋煤矿21032掘进工作面“3.27”冲击地压事故2014年3月27日11:18:28，千秋煤矿21032工作面回风上山掘进巷道发生冲击地压事故，造成6人死亡。ARAMIS

13、微震监测定位震源距离回风上山西侧水平距离为131.8m，距东部F3-7正断层84m，煤层以上130m顶板内，震级1.9，能量1.1107J。冲击地压发生时，回风上山已掘进109m，距下部变坡点20m以上巷道不同程度发生破坏，距下部变坡点50m处巷道严重破坏，巷道基本合拢，仅在巷道下帮有0.8m左右空间，巷中36U合抱柱大部分弯曲，下部车场两道风门被冲击波冲坏，瓦斯浓度高达9%。21032回风上山设计长度152m，平均煤层厚度7m。该工作面位于21采区上山东翼第1个工作面。回风上山巷道断面15m2，埋深497m，煤层直接顶为泥岩，下位老顶为泥、砂岩互层，上位老顶为240m厚砾岩；直接底为砂砾岩，

14、老底为砾岩。图10. 21032回风上山巷道破坏情况剖面、断面图冲击现场破坏素描图图11. 21032回风上山巷道破坏情况平面图冲击现场破坏照片3.2 事故分析事发地点属高应力集中区事发地点受远场采动影响事发前后有大能量冲击事件事发地点立柱结构性失稳事发时有大量气体涌出2011年11月3日，千秋矿21221掘进工作面下巷发生冲击地压事故的位置埋深760m，煤层厚度23m，直接顶为泥岩，老顶为约500m厚砾岩，底板为砾岩，冲击位置距南部F16逆冲断层98m。煤层上覆岩层平均密度按2500kg/m3计算可得作用在巷道上的自重垂直应力约为19MPa，而F16逆冲断层作用于巷道的近南北向水平应力估计大

15、于20MPa。同时，该掘进面位于这个义马向斜南翼，根据相关理论可知，在向斜翼部，水平应力、水平应力与垂直应力的比值都较小，垂直应力和水平应力均为压应力，最易发生冲击地压。事发地点属高应力集中区2014年3月27日，千秋矿21032工作面回风上山掘进巷道发生冲击地压事故时，巷道自下向上由煤层底板穿煤层后沿顶板掘进，如图12所示。该掘进巷道处于二水平大巷上部新回风井筒保护煤柱内，该煤柱东、西、北三面为18采空区，煤柱面积约77万m2，并有近南北向F3-7正断层穿越其中，断层距事故发生巷道位置东84m。图12. 千秋矿21032工作面回风上山平面图根据千秋矿井田范围内的地层岩性及构造分布特征可知，事

16、发的21032工作面回风上山掘进巷道上覆直接顶为灰黑色泥岩、致密状坚硬，平均厚度16.77m；下位老顶为中侏罗纪杂色泥岩、粉砂岩、砂岩互层；上位老顶为平均厚度约240m的泥质胶结砾岩。煤层直接底板为含砾砂岩，老底为砾岩、致密坚硬，平均厚度6.7m，底板有一定起伏。巷道平均采深约500m，但由于处在新风井井筒保护煤柱内，其当量采深已接近1000m，按上覆岩层平均密度2500kg/m3，则作用在巷道上的自重垂直应力约为25MPa。同时，该保护煤柱区域内F3-7正断层的存在势必会产生构造应力。从上述两起典型冲击地压事故的发生位置可以看出，自重应力（包括煤柱当量自重应力）和构造应力（包括断层和褶皱）均

17、较大，两者叠加之后导致待采煤层处于较高应力水平，成为了冲击地压发生的潜在主要力源。加之前期采掘面巷道布置不合理，一些小煤柱的存在也加剧了这种冲击危险性。当局部煤岩体中的高应力水平达到极限状态时，外界的一个微小扰动（如局部扩修、放炮等）就可能打破平衡，导致积蓄已久的弹性应变能突然释放，甚至发生连锁反应，造成规模巨大的冲击地压发生。小结2011年，千秋矿21221掘进工作面“11.3”冲击地压事故发生时，同一采区的21141工作面回采至490m，距离事发位置589m；21172工作面回采至1085m，距离事发位置1398m；21221上巷掘进至890m，距离事发位置382m，21221下巷掘进至7

18、15m，距离事发位置73m，见下图13。2014年，千秋矿21032掘进工作面“3.27”冲击地压事故发生时，二水大巷以上18采区18220工作面回采至462m，距离事发位置830m；21采区21112工作面回采至654m，距离事发位置894m；21032工作面回风上山掘进至回风巷往上85m，距离事发位置20m，21032下巷车场掘进至45m ，距离事发位置88m ，见下图14。事发地点受远场采动影响图13. 千秋矿“11.3”冲击地压事故平面位置图图14. 千秋矿“3.27”冲击地压事故平面位置图从上述两图可以清楚地看出，两次冲击地压事故发生时，均有两个工作面在回采作业，距离事发地点最近58

19、9m，最远1398m，平均927.8m。该距离已远超回采超前支承压力150m的范围，故由这两次冲击地压事故的相关性认为，远场采动应力的影响距离不仅限于回采超前工作面范围，考虑到千秋矿煤层顶板存在的坚硬巨厚砾岩，其致密度、完整性较高，弹性模量大而泊松比小，易积蓄应变能，对能量的传递作用较强，其影响范围半径已超过500m。这是之前所未估计到的！小结事发地点立柱结构性失稳2011年，千秋矿“11.3”冲击地压事故发生地点21221掘进工作面巷道为半圆拱形，巷道净高4.1m，净宽6.3m 。下巷采用锚网索+6317型36U钢棚+大立柱复合支护，事故发生后，290m460m处巷道中部加强大立柱向上帮歪斜

20、，上帮棚腿向巷道内滑移，巷帮悬移式单体柱发生整体倾倒，巷道高度最低处不足1.9m，宽度最窄处为2.3m，见下图冲击现场立柱倾倒照片。同样地，在此次冲击地压事故之前的8月16日，该巷道内发生一能量为8.3107J冲击事件，造成300m320m巷中单体柱向上帮歪斜5根，360m390m有14根单体柱向上帮滑移，滑移量0.2m1m，410m425m有17根单体柱向上帮滑移0.3m1.2m，430m440m有6根单体柱向上帮歪斜挤压皮带架；8月31日，一个能量为2.0107J冲击事件造成410m有3根单体柱向上帮滑移0.3m0.4m。另外，2014年2月15日，千秋矿21032回风上山发生一能量为5.

21、1106J 冲击事件造成回风巷口向里有19棚支架变形，巷道净高度由3.7m缩减至2.5m左右，巷中加强点柱大部分滑移，有3根倾倒；5月27日，18220回采工作面下巷发生一能量为8.7107J 冲击事件，该巷道采用喷锚网索+ 36U型钢棚+液压抬棚、对焊点柱支护形式。事发后，200m235m液压抬棚、加强点柱整体向上帮滑移300mm500mm，80m、120m、300m液压抬棚向上帮滑移200mm400mm。图15. 千秋矿18220工作面“5.27”冲击事件巷道破坏示意图冲击现场立柱倾倒照片从对以上冲击地压发生后的巷中立柱现场倾倒照片和破坏形态描述可以看出，绝大部分立柱（包括大直径立柱、悬移

22、式单体柱、液压抬棚、对焊点柱）均发生了不同程度的倾斜，严重时整体倾倒于巷道。由此说明，现有的巷中支护形式在受到来自两帮的瞬时动载后，多发生结构性失稳破坏，而非强度失效，反映出立柱支承高度与直径比过大导致的压杆稳定性问题。尽管多数立柱沿巷道轴向设置了联结构件，但却忽视了巷道平面内的整体支承结构稳定性，使得立柱所具有的较大轴向抗压性能在冲击发生时未有效发挥作用。小结2011年，千秋矿21221掘进工作面“11.3”冲击地压事故发生前，曾在同一工作面下巷发生过两次较大能量的冲击事件：2011年8月16日08:32:16，ARAMIS微震监测定位震源坐标为X:37574056，Y:3842275，Z:

23、-221，能量为8.3107J的冲击事件；2011年8月31日04:22:03，ARAMIS微震监测定位震源坐标为X:37574098，Y:3842251，Z:-218，能量为2.0107J的冲击事件。2014年，千秋矿21032掘进工作面“3.27”冲击地压事故发生前后，也曾在相邻位置发生过较大能量的冲击事件：2014年2月15日18:16:41，ARAMIS微震监测定位震源坐标为X:37574380，Y:3843522，Z:56，能量为5.1106J的冲击事件；2014年4月30日10:50:18，ARAMIS微震监测定位震源坐标为X:37574264，Y:3843325，Z:41，能量为

24、3.4107J的冲击事件；2014年5月27日12:30:49，ARAMIS微震监测定位震源坐标为X:37573628，Y:3843397，Z:64，能量为8.7107J的冲击事件。事发前后有大能量冲击事件图16. 千秋矿21221工作面下巷冲击地压事件位置图图17. 千秋矿21221工作下巷冲击地压事件位置图上述两次冲击地压事故前共发生大能量微震冲击事件3次，事后共发生2次。从震源空间分布上看，21221掘进下巷发生的三次大能量事件（包括“11.3”）震源均处在巷道底板下，属底板冲击型，平均垂直距离与平均水平距离的比值为0.17；而二水平大巷以上发生的四次大能量事件（包括“3.27”）震源中

25、有两次发生在巷道底板下，一次发生在巷道顶板上，另一次发生在巷道煤层中，平均垂直距离与平均水平距离的比值为0.54。故认为，微震活动在时间和空间上都具有一定的相关性。小结事发时有大量气体涌出2011年，千秋矿21221掘进工作面“11.3”冲击地压事故期间，在下巷510m处安装有一个CO传感器，事故发生前后CO浓度变化见下图18。从CO浓度曲线图可以看出，CO浓度在冲击之前近乎为0ppm，但从冲击后的19：18：53开始出现了CO气体，浓度由0ppm升高为2.75ppm，并且一直呈增高趋势，最大达到6ppm。图18. 21221掘进工作面下巷CO浓度曲线变化图另外，21221掘进工作面下巷分别在

26、150m、510m和原掘进头正前还安装有瓦斯浓度传感器。冲击地压发生后正前传感器被损坏，当天的瓦斯浓度变化曲线分别见下图19、图20和图21。从曲线图中可以看出，21221下巷正前的瓦斯浓度从8点10分开始增大，到8点25分达到0.255%，而后一直在0.25%上下浮动，高于前五天的平均值0.17662。而当天零点班、八点班及前一天四点班正前没有生产。510m处瓦斯浓度在冲击发生时激增，而后因冲击导致监测数据中断；150m处瓦斯浓度在冲击时有小幅下降，之后23时，浓度达到最大值，疑因下巷里段瓦斯向外涌出所致。图19. 21221掘进工作面下巷正前瓦斯浓度曲线变化图图20. 21221掘进工作面

27、下巷510m瓦斯浓度曲线变化图图21. 21221掘进工作面下巷150m瓦斯浓度曲线变化图小结从上述“11.3”事故期间，21221工作面下巷的CO和瓦斯浓度变化曲线可以直观地看出冲击发生时，510m处两者数据出现跃升，说明伴随冲击导致的煤岩体抛出，大量有害气体也随之涌出。其中，瓦斯的涌出速率最大，几乎是与冲击同时发生，而CO的涌出在冲击后3小时才达到最大值。另外，CO浓度在冲击前的变化基本平稳，前兆信息不明显；而瓦斯浓度的前兆信息从窝头传感器来看相对明显，但这与煤体的局部破碎程度有关。因而，对煤岩体中气体浓度的变化监测也可成为以后冲击地压预警的一个参考指标。 义煤集团防治冲击地压做法4.“六

28、位一体”冲击地压防治管理体系效果检验健全机构预测预警培训教育安全防护措施解危六位一体2008年以来，义煤集团从管理机构、人员素质、技术装备、个体防护等入手，加强防治机构建设，认真做好职工预防冲击地压知识的培训，加大防冲监测监控设备和科研攻关的投入，创新了“健全机构、培训教育、预测预警、措施解危、效果检验、安全防护”六位一体管理体系，推进了义马煤田冲击地压治理工作，有效降低了冲击地压造成的危害，保证了企业的安全生产。 “五强一大”冲击地压防治技术体系以微震监测预警为主、电磁辐射监测和常规矿压监测为辅，从巷道三级支护、巷道空间危险源控制和人员防护等方面，对冲击地压危险区实施“强监测、强卸压、强支护

29、、强防护、强设计”和“大断面”巷道设计，构建了“五强一大”防冲技术体系，打造了一条冲击地压防治新途径，整体上提高了义马煤田冲击地压危险区综合防治技术水平。 防冲工作的几点体会5.5.1 防冲工作的长期性和艰巨性鉴于义煤集团中部五矿冲击地压的基本特点，总结千秋矿两次典型冲击地压事故的经验教训，认为今后冲击地压的防治工作应在把握冲击共性（均受到较大自重应力和构造应力作用）的基础上，重点研究各矿的个性问题（如千秋矿、跃进矿受顶板巨厚砾岩影响，上覆岩层垮落下沉不充分等）。在遵循基本原则的前提下，针对不同矿井，不同采区，不同工作面特点，研究制定更加细致、更加符合实际的防冲设计、措施。应务必本着“一切从实

30、际出发、实事求是”的态度，坚决反对“经验主义、教条主义”。最后，要深刻认识到冲击地压是可以治理的，但治理工程是复杂的、艰巨的、持久的、灵活多变的和成体系的，不能指望通过简单培训、临时突击就能够解决。5.2 防冲工作的“支与卸”协调统一目前，义煤集团的冲击地压治理工作总体上围绕“支”与“卸”展开。“支”主要是指通过对巷道围岩施加环向（各种型钢支架）和径向（锚杆、锚索）压力达到稳定岩层的目的；“卸”主要是指通过大直径钻孔、爆破、注水等手段使得煤岩体中应力重分布，达到高应力转移的目的。“支”的效果既取决于支承构件施加的预压力大小，又受到围岩自承重能力的影响；而“卸”的过程中由于围岩结构完整性不断受到

31、破坏，使得“拱效应”难以形成。同时，水的作用使煤岩体弹性模量降低，塑性变形增大，给巷道围岩变形控制造成较大困难。此外，饱和（非饱和）状态下煤岩体中锚杆（索）的粘结力、摩擦力也会有不同程度的减小，使得主动支护段煤岩体的长期强度降低。因而，在防冲工程的实施过程中，应协调统一“支与卸”，以变形（位移）控制指导支护，以强度（应力）控制指导卸压，寻找最佳平衡点。5.3 防冲工作的“软硬并举”近几年来，义煤集团为防治冲击地压投入了大量的人力、物力、财力，包括设置专门的防冲机构（防冲队、防冲科、矿压所、防冲处），耗巨资购置了大量防冲监测设备（电磁辐射KBD5、KBD7，微震系统ESG、ARAMIS、SOS，地音系统ARES，矿压系统KJ550、KJ210等），基本形成了矿井、采区、工作面、巷道四级时空监测体系。防冲人才方面，尽管有一定数量的防冲专家，但广大一线防冲人员业务素质仍有待提高，突显出“智力”提供不足，软实力不够的问题。因而，在当前防冲工作“硬件易买，人才难求”的背景下，应合理分配软硬件资金投入，把一线防冲技术人员的培养作为今后工作的重点之一，要特别重视防冲、监测业务技能的再教育