我国东北矿区冲击地压发生特征及防治现状

高家明1,2,潘俊锋1,2,杜涛涛1,2,闫耀东1,2

(1.煤炭科学研究总院,北京100013;2.中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013)

东北三省是我国重要的煤炭生产基地,随着资源开采进入中后期,矿井开采深度加大,冲击地压事故频发,冲击地压防治工作面临巨大挑战。 通过问卷调查和实地调研相结合的方法,分析我国东三省冲击地压目前的发生现状、矿井特征、发生特征、发生类型以及监测预警手段、防控防治方法等,剖析近年来典型冲击地压事故发生诱因,收集汇总矿方与监察部门反映及调研发现的共性问题并给出了建议。 结果表明:东北矿区冲击地压发生历程可分为灾害初现、逐步增加、集中爆发和相对平稳4 个阶段,矿区现有冲击地压矿井20 座,具有煤层埋深大、赋存条件复杂、上覆厚硬顶板、地应力水平高等特征;冲击地压显现具有埋深较大,煤岩具有冲击倾向性和地质构造参与明显等共性特征,发生原因主要归结为上覆坚硬厚层顶板,开采布置不合理和地质构造活化等,近年来东北矿区典型冲击地压事故可划分为深部动静载叠加型和深部高静载加载型;东北矿区冲击地压防控工作开展较早,监测预警手段较全面且多种设备并行监测,但实际应用效率不高;现有冲击地压防治方法偏重局部解危,区域防范的重视与落实需进一步提升。

关键词冲击地压;东北矿区;冲击地压特征;监测预警;冲击地压防治

0 引 言

冲击地压是一种严重的煤岩动力灾害,在我国最早报道于1933 年:原抚顺矿务局胜利煤矿发生此类事故造成80 余人丧生。 20 世纪30 年代至今,我国冲击地压矿井数量不断增加,冲击地压事故时有发生,仅2018—2020 年就相继发生了“龙郓10·20”、“龙家堡6·9”、“唐山8·2”等3 起冲击地压重大事故[1-2]。 目前我国冲击地压防控形势十分严峻,未来一段时间内冲击地压仍将是重大安全难题与研究热点。 国家煤矿安全监察局于2017 年组织开展冲击地压细则调研及体检活动,在2019 年再次组织开展冲击地压监察指导手册调研,摸排全国冲击地压整体情况,广泛收集各矿区关于冲击地压的问题与意见。

东北三省煤炭资源十分丰富,是我国煤炭资源富集地区和重要的煤炭基地,在新中国成立初期,其原煤产量占全国的一半,但经过长期开采,煤炭资源趋于枯竭,开采条件趋于恶劣[3]。 唐春安[4]曾指出东北矿区资源开采诱发的冲击地压、矿震等大型结构失稳型工程灾害的严重性。 潘一山等[5]统计分析我国冲击地压发生区域主要分布在华北、东北地区。 潘俊锋等[6]通过文献检索对冲击地压发生的地域分布进行统计,东北地区发生冲击地压的矿井共计18 处。 蓝航等[7]对全国主要深部矿井灾害属性进行分类统计,得出东北地区深部矿井分布较多,且面临的主要问题是深部复合灾害。 总体来说,东北地区冲击地压发生较早,进入资源开采后期地质构造水平趋于复杂,冲击地压发生原因更加复杂多样,防控工作面临着全新的挑战。

笔者通过对东北矿区冲击地压矿井实地调研分析,归纳近年来冲击地压发生的新特征,梳理现行防治工作的问题和改进方向,希望有助于提升东北矿区冲击地压的认知程度和防范意识。

1 东北矿区冲击地压发生现状

1.1 冲击地压发生历程

东北地区冲击地压灾害发生历程可大体分为灾害初现、逐步增加、集中爆发和相对平稳阶段。 时间跨度从1933 年至今,空间跨度由单矿井到多省多矿区,灾害发生原因由单一趋于复杂,期间对冲击地压灾害认知与防治水平不断提高,对冲击地压灾害重视程度不断加大,但目前冲击地压灾害防治仍面临着新的挑战。

1)灾害初现:1933 年抚顺胜利煤矿发生我国首次冲击地压灾害,自此到1980 年,东北矿区内辽源西安矿、抚顺老虎台矿、阜新五龙矿、舒兰营城矿、北票台吉矿、沈阳牛心台矿、抚顺龙凤矿和阜新高德矿相继发生首次冲击地压[5]。 在该阶段内冲击地压发生较孤立未引起足够重视,且限于当时技术水平通常与顶板事故混淆,工程人员对冲击地压的认知水平远远不够。

2)逐步增加:在20 世纪80、90 年代,随着煤矿采深和采高加大,东北矿区内发生冲击地压矿井的数量不断增加,截至1985 年全国所有冲击地压矿井中东北矿区占比超过40%[1]。 在此期间逐步开展了冲击倾向性鉴定、冲击地压机理研究、监测预警和防治实践,但此阶段对于冲击地压的重视程度、投入和研究工作仍然不足。

3)集中爆发:21 世纪以来,随着煤矿综合机械化技术的广泛应用,开采强度和采深不断加大,冲击地压矿井不断涌现,鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河和阜新等地甚至出现了连片的冲击地压矿井。 在此阶段对冲击地压重视程度有所提高,专业科研水平和煤矿投入逐步增加,各冲击地压矿井积累了一定防治经验,培养了一批技术人才。

4)相对平稳:通过逐渐淘汰落后产能和多年的冲击地压防治实践,目前矿区内冲击地压防控形势相对平稳,但近年事故仍有发生。 矿区内矿井多处于资源开采后期,整体防控压力较大。 因此需进一步提高重视程度,在健全现有防控体系的同时,对积累的实践研究成果进行再认识,再完善。

1.2 各省煤矿冲击地压发生现状分析

1.2.1 黑龙江省煤矿冲击地压

黑龙江省现有煤矿333 处,其中国有重点煤矿72 处,地方煤矿261 处。 目前黑龙江省共有冲击地压矿井11 处,均为国有重点煤矿,分布在鸡西、鹤岗、双鸭山、七台河4 个主要矿区,合计产能20.35 Mt/a,约占全省总产能的19.7 %。 黑龙江全省有潜在冲击危险性矿井15 处,均为国有重点煤矿,合计产能29.04 Mt/a,约占全省总产能的28.1%。 2000年以来黑龙江省内共发生冲击地压事故6 起,死亡28 人,受伤6 人,直接经济损失1 414.59 万元。

1.2.2 吉林省煤矿冲击地压

吉林省现有煤矿55 处,核定总产能22.63 Mt/a。现有冲击地压矿井1 处,即吉林省龙家堡矿业有限责任公司(以下简称龙家堡煤矿),其核定生产能力2.10 Mt/a,约占全省总产能的9.3%。 另外还有采深超800 m 矿井6 处,核定生产能力6.15 Mt/a,约占全省总产能的27.2%,其中采深超过1 000 m 矿井2处,核定生产能力1.70 Mt/a,经调研认为这些矿井可能具有潜在冲击危险性,应引起足够重视。 2000年以来,吉林省辖区内煤矿发生1 起冲击地压事故,造成9 人死亡,12 人受伤,直接经济损失1 906.06万元。

1.2.3 辽宁省煤矿冲击地压

辽宁省现有冲击地压矿井8 处,分布在铁岭、阜新、沈阳、锦州、抚顺5 地。 辽宁省8 处冲击地压矿井的设计生产能力共计17.15 Mt/a,核定生产能力共计13.90 Mt/a,约占全省总产能的33.8%(其中大强煤矿为建设矿井,设计生产能力按1.50 Mt/a 计算)。 2000 年以来,辽宁省辖区内煤矿共发生12 起冲击地压事故,造成30 人伤亡,直接经济损失1 684.9万元。

2 东北矿区冲击地压发生特征

2.1 冲击地压矿井主要特征

1)煤层埋深特征。 东北矿区内冲击地压矿井煤层埋深普遍较大,除少部分矿井具有埋深较浅的可采煤层外,其他各矿井埋深均大于400 m。 据统计,在矿区内共计20 处冲击地压矿井中,埋深超过800 m 的矿井数量达到14 处,其中部分矿井例如龙家堡煤矿、恒大煤矿、红阳三矿、九道岭煤矿以及在建的大强煤矿采深已达千米以上。

2)煤层赋存特征。 东北矿区内冲击地压矿井煤层赋存条件较复杂且差异性强,主要表现在以下4 个方面:①赋存可采煤层多,矿区内具有2 层及以上可采煤层的冲击地压矿井有16 座,占比80%;②煤层倾角普遍较大,矿区内12 处冲击地压矿井煤层倾角在15°以上,其中最大倾角可达到32°;③煤层厚度差异大,其中集贤煤矿3 号煤层厚度仅为0.67 m,而老虎台煤矿主采煤层平均厚度可达55.5 m;④煤层瓦斯、煤尘和自燃导致条件较差,据调研大多数冲击矿井同时也是瓦斯突出矿井,且煤层多具有自燃性和煤尘爆炸危险。

3)顶板特征。 矿区内绝大多数冲击地压矿井具有坚硬厚层顶板,典型特征表现为坚硬顶板与煤层的距离小,坚硬顶板厚度大,例如峻德煤矿3 号煤层距坚硬顶板仅7 m,但顶板厚度达到了100 m。 而无上覆厚硬顶板的开采煤层占比仅为19.18%,岩煤距在30 m 以内的可采煤层占比高达63.01%。 坚硬顶板厚度有两极化趋势,坚硬顶板厚度在10 m 以下仅占比12.32%,厚度在70 m 以上占比46.58%,坚硬顶板厚度普遍较大。

4)地应力特征[8]。 通过对矿区内冲击地压矿井现有地应力测试结果进行整理分析,得出以下5点规律:①依据最大水平主应力σH 、最小水平主应力σh 和垂直应力σV 大小关系划分地应力类型,东北矿区内冲击地压矿井地应力类型主要为逆断型应力状态( σH >σh >σV )和走滑型应力状态( σH >σV >σh ),其中处于逆断型应力状态矿井的占比较大,约为69.23%;②埋深H 是影响垂直应力σV 的主要因素,垂直应力总体上随矿井埋深增加而不断增大。 如图1 所示,通过线性回归得到垂直应力随埋深变化的回归公式(数据包含埋深区间为380 ~1 250 m)。 ③最小水平主应力与最大水平主应力比值在0.3~0.7 约占比63.64%,因此认为与我国大陆平均地壳地应力数据占比70%的水平较符合[9]。④最大水平主应力与垂直应力的比值KH 主要集中在1.10~2.53,最小水平主应力与垂直应力的比值Kh 主要集中在0.69~1.29,如图2 所示,最大和最小水平主应力与垂直应力的比值均随埋深增大而减小,且减小趋势随埋深增大而减缓( KH 的相关系数,Kh 的相关系数,KH和Kh分别为最大和最小水平主应力与垂直应力的比值)。⑤最大剪应力对岩石的破坏有很大影响,最大与最小主应力差同垂直应力比值KH-h 越大,即岩体剪应力越高,破坏的可能性越大。 矿区内KH-h 为0.20 ~2.07,KH-h ≤0.5 占比23.08%,0.5 <KH-h ≤1.0 占比61.54%,KH-h >1.0 占比15.38%,可见矿区内冲击地压矿井岩体的最大剪应力大部分处于较高水平,因此增大了冲击地压风险。

5)生产布置特征。 ①采煤工艺与方法:矿区内20 座冲击地压矿井中包含大强煤矿1 座建设矿井,生产矿井可采煤层数量多和赋存条件复杂的特点一定程度上造成矿区内采煤工艺和采煤方法多样化。统计矿井采用的采煤方法主要包括综采、综放、掩护支架采煤法和分层开采,其中综采与综放为主要采用的采煤方法,合计占比74.39%。 研究与实践表明,分层开采相较于综放开采不利于冲击地压防治[10-11],但目前仍有7.32%的煤层或工作面采用分层开采。 ②煤柱留设:各矿井基本采用采区大煤柱和区段小煤柱布置,仅有2 处矿井留设了宽度大于10 m 的区段煤柱。 ③为降低冲击地压风险,矿区内大多数工作面开采强度处于较低水平。 日推进度≤2.4 m占比66.22%,2.4~4.8 m 占比24.32%,>4.8 m 占比9.46%。

图1 井下垂直地应力随埋深的变化规律
Fig.1 Vertical stress change with depth in underground coal mine

图2 井下地应力比随埋深的变化规律
Fig.2 In-situ stress component ratio change with depth in underground coal mine

2.2 冲击地压发生特征及类型

对2000 年以来东北矿区内冲击地压事件进行统计分析,发现其普遍具有显现位置埋深较大,煤岩具有冲击倾向性,地质构造参与明显的显著特征,将冲击地压事件的发生主要原因归结为坚硬厚层顶板、开采布置不合理、地质构造活化等,发生主要类型为深部动静载叠加型和深部高静载加载型[12]

2.2.1 深部动静载叠加型

深部动静载叠加型冲击地压主要发生特征是煤岩自重应力及水平构造应力较充足,但在各种静载荷叠加下仍达不到冲击启动的临界载荷,一旦受到外界小的动载荷扰动便能导致冲击地压显现。 近年来东北矿区内相继发生该类型冲击地压,其典型共性特征可归结为:①煤岩体具有冲击倾向性,煤层埋深较大,自重应力水平较高;②区域一定程度上受地质构造和不合理开采布局影响,基础静载荷水平较高;③煤层上覆坚硬顶板悬顶易导致巷道冲击,且冲击现象一般表现为煤体冲出或底鼓;④顶板瞬时垮断或采动扰动等动载源通常是导致冲击的直接原因。

2016 年7 月22 日,双鸭山某煤矿三采区36 号煤层-570 m 水平左综采工作面回风巷发生该矿史上首次冲击地压事故。 36 号煤层顶板具有强冲击倾向性,煤层和底板具有弱冲击倾向性。 事故造成-500 m 水平回风巷N5 号点前23 m 至N8 点前19 m 间120 m 巷道破坏,表现为底鼓0.5 ~1.8 m,局部片帮宽度0.8 m,上帮煤体冲出0.5 ~1.2 m,巷道剩余最小高度0.8 m,瓦斯抽采管路及风水管被挤到巷道中部,片帮和底鼓时伴有瓦斯涌出,瓦斯体积分数最大达4.13%。 事故主要原因:①工作面上部采空区顶板垮落不及时,致使上下采空区基本顶连为一体,造成大面积悬顶,基本顶受采动影响断裂产生动载扰动;②不合理的采空区、煤柱留设与超前支承压力叠加增强基础静载积聚程度,共同导致冲击地压发生。

2017 年11 月11 日,辽宁沈阳某煤矿西三上采区7 号煤层702 综采工作面回风巷发生该矿史上首次冲击地压事故。 事故后7 号煤层及顶板经鉴定为弱冲击倾向性。 事故造成702 工作面上出口向外0~214 m 回风巷破坏严重,主要现象为上帮煤体整体移出及底板底鼓,巷道不同程度地出现巷道合拢、顶板下沉,部分单体支柱压弯、锚杆失效,局部抽采管路弯折破坏,轨道枕木被掀翻,现场破坏情况如图3 所示。 事故主要原因:工作面大采深(1 082 m),存在断层构造与宽煤柱,应力集中及采动应力场共同叠加形成较高水平基础静载荷,同时工作面割煤、移架放顶和瓦斯抽采钻孔等因素产生动载扰动,最终导致冲击地压发生。

2019 年6 月9 日,吉林辽源某煤矿三采区南翼305 综采工作面运输巷发生冲击地压事故。 305 工作面开采深度为854.4 ~978.4 m,主采Ⅱ、Ⅲ号煤层(合层)及顶板均为弱冲击倾向性。 事故造成305工作面下出口0~220 m 运输巷破坏,主要表现为巷道顶板下沉,U 型棚支架变形,防冲支架倾倒,立柱压弯,两帮收敛和底板底鼓,底鼓最大1 000 mm,现场情况如图4 所示。 事故原因为煤层埋深大和断层影响产生的基础应力与采动应力叠加造成基础静载荷水平提升,放顶煤采动进一步诱发断层活化等动载扰动,共同导致冲击地压的发生。

目前对于动静载叠加型冲击地压防治,基础静载相较动载更容易提前预防和干预,但由于认识与重视不足、开采布置不合理和防冲工作落实不到位等问题通常导致冲击地压风险加大。

图3 “11·11”冲击地压破坏现场
Fig.3 “11·11” rockburst damage site

图4 “6·9”冲击地压破坏现场
Fig.4 “6·9” rockburst damage site

2.2.2 深部高静载加载型

深部高静载加载型冲击地压,其加载过程属于材料失稳,是工程结构体结构动力失稳的结果。 其主要特点是,在无外界动载荷参与条件下,采掘巷道围岩极限平衡区内静载荷缓慢积聚,而巷道围岩强度不可避免的劣化,长期强度降低,缓慢积聚的集中静载荷达到极限时,爆发动力冲击。 通过对东北矿区内该型冲击地压事件的分析,可以发现存在4 点共性特征:①煤层埋深普遍较大且存在一定厚度的坚硬顶板;②事故发生区域均存在上煤层开采遗留煤柱;③冲击显现位置均位于断层等地质构造影响区域;④基础应力与工作面超前支承压力叠加后易导致冲击地压发生。

2013 年3 月15 日,鹤岗某煤矿三水平北17 号煤层三四区一段工作面发生冲击地压事故。 该工作面为顶分层开采,17 号煤层及顶板具有强冲击倾向性。 由于顶板和巷道两帮有锚网索支护,底板无支护、存在弱面,致使本次冲击以底鼓破坏为主,造成底煤底鼓堵塞工作面上、下出口,巷道超前支护段巷道闭合(图5)。 矿井资料显示,冲击区域上方存在9 号煤层(层间距200 m)、11 号煤层(层间距143 m)遗留煤柱,研究发现上覆遗留孤岛煤柱应力集中并向下方传导[13]。 同时工作面正在过向斜轴部区域,造成构造应力集中。 当工作面推进至冲击区域时,超前支承压力与上覆孤岛煤柱应力集中影响区域及构造应力叠加造成静载荷超出煤体极限,引起冲击地压。

图5 “3·15”冲击地压破坏现场
Fig.5 “3·15” rockburst damage site

2016 年9 月25 日,鹤岗某煤矿三水平北三四区21 号煤层一段工作面开切眼处发生冲击地压。21 号煤层经鉴定为弱冲击倾向性,顶板为强冲击倾向性。 经分析,事故区域静载荷主要有3 大来源:①F7断层与F1 断层在事故区域高位处相交,将上覆岩层切割成“草帽体”,直接作用于事故区域,引起应力高度集中;②开切眼位置埋深达487.2 ~566.25 m,且顶板坚硬,悬顶面积大,重力较大;③开切眼布置在本段采空区宽15 m 煤柱、上部区段宽11 m 煤柱、17 号煤层区段煤柱和上部煤层断层煤柱应力集中影响区域内。 综合上述条件在高应力集中区域贯通开切眼时诱发了冲击地压。

2018 年9 月23 日,辽宁铁法某煤矿北二采区12 号煤层1203 工作面发生冲击显现,微震系统检测到矿震2.9 级。 现场资料显示:①1203 工作面埋深为610~737 m,上覆100 m 范围内顶板以细砂岩为主,重力较大;②震源位置受F15-1 和F44 断层影响,其中F15-1 断层最大落差为15 m,应力较集中;③上覆4 号、7 号和9 号煤层均留有断层保护煤柱,与1203 工作面重叠段面积达2.1×104 m2;④工作面宽度150 m,截止9 月23 日处于见方阶段,覆岩压力大。 工作面接近后,超前支承应力与以上4个因素形成的应力集中区叠加,超出煤体应力极限从而引发断层活化及煤体应力释放。

相比深部动静载叠加型冲击地压,该类型冲击地压更难以预防,但并非不可防控。 研究表明冲击地压启动阶段为最佳防治时机,建议进行超前探测获得静载荷积聚情况和开展超前卸压工作,从应力加载源头上遏制冲击地压启动[14]

3 东北矿区冲击地压防治现状

3.1 冲击地压机理研究

东北矿区冲击地压发生较早,众多学者针对矿区内冲击地压问题开展了大量研究工作。 随着我国冲击地压研究理论不断丰富,涌现了包括“三准则”机理、变形系统失稳理论、冲击倾向性理论、“三因素”理论、强度弱化减冲理论、冲击启动理论和冲击扰动响应失稳理论等一系列研究成果[15-19]

3.2 冲击地压监测预警

东北矿区20 座冲击地压矿井采取的冲击地压监测手段主要有钻屑法、微震、地音、电磁辐射和应力在线监测,各矿井监测手段应用情况见表1。

表1 东北矿区冲击地压监测预警手段
Table 1 Monitoring and forecast means of rockburst in Northeast Mining Area

矿井 监测手段峻德煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射、应力在线监测兴安煤矿 钻屑法、微震、应力在线监测南山煤矿 钻屑法、微震、应力在线监测富力煤矿 钻屑法、微震、应力在线监测东荣三矿 钻屑法、微震、电磁辐射、应力在线监测集贤煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射、应力在线监测新安煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射东保卫煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射、应力在线监测城山煤矿 微震、电磁辐射平岗煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射新兴煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射龙家堡煤矿 钻屑法、微震、地音、电磁辐射、应力在线监测大隆煤矿 钻屑法、微震、应力在线监测大强煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射大兴煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射、应力在线监测恒大煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射、应力在线监测红阳三矿 钻屑法、微震、地音、电磁辐射、应力在线监测九道岭煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射、应力在线监测老虎台矿 钻屑法、微震、电磁辐射泰和煤矿 钻屑法、微震、电磁辐射

各冲击地压矿井均至少采用了2 种冲击地压监测手段,部分矿井还开展了针对自身情况确定预警指标的积极探索。 其中微震监测在所有冲击地压矿井均有应用,主要有ARAMIS 和SOS 等型号,电磁辐射监测也在部分矿井应用。 用于掘进监测的地音监测系统目前尚处于引进阶段。 鹤岗矿区引进了2套波兰便携式地震波CT 探测系统(PASSAT),实践指导意义较强。

3.3 冲击地压防治情况

局部解危方法相较区域防范方法具有一定局限性,集中表现在施工过程风险高,解危效果局部化,卸压效果时效性较低等3 个方面,主要疏解局部范围的应力集中。 而区域防范方法是通过合理优化采掘布置,在矿井甚至矿区范围避免形成应力集中或异常区,从应力源头降低冲击地压风险。

目前东北矿区冲击地压矿井主要采用了煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、水力压裂等局部解危方法,区域防范方法采用了优化开拓开采布置和开采保护层等措施(表2)。 另外各冲击地压矿井(包括建设中的大强煤矿)均设立和配备了专职防冲机构及专职防冲人员,其中包括专职防冲工程施工队伍。

表2 东北矿区冲击地压防治方法
Table 2 Prevention and control methods of rockburst in Northeast Mining Area

矿井 防治方法峻德煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破兴安煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、开采保护层南山煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、开采保护层富力煤矿 煤层钻孔卸压、开采保护层东荣三矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、顶板爆破集贤煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、顶板爆破、开采保护层新安煤矿 煤层钻孔卸压、开采保护层东保卫煤矿 顶板爆破、开采保护层城山煤矿 煤层钻孔卸压平岗煤矿 煤层钻孔卸压新兴煤矿 煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、开采保护层龙家堡煤矿 煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、底板爆破大隆煤矿 煤层钻孔卸压、开采保护层大强煤矿 煤层钻孔卸压大兴煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、开采保护层恒大煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破、开采保护层

续表

矿井 防治方法红阳三矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破、水力压裂、开采保护层九道岭煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、煤层爆破老虎台矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、开采保护层泰和煤矿 煤层注水、煤层钻孔卸压、开采保护层

总体来说,东北矿区各冲击地压矿井通过完善防冲体系建设和增强防冲力量配备,积极与科研院校合作及不断创新实践,冲击地压防治水平不断提升。 但冲击地压防治工作十分复杂与艰巨,防治方法与手段仍需不断实践和完善。

3.4 存在的主要问题

1)鉴定与评价方法亟需完善。 现行顶底板冲击倾向性测定方法和指标主要计算岩层弯曲弹性能,未考虑到不同矿井采煤方法和支护条件的影响。在冲击危险性评价方面,目前采用的综合指数法具有一定的局限性,评价指标不适用于掘进工作面和采用新工艺新方法的回采工作面。 冲击倾向性鉴定与冲击危险性评价作为防冲工作的第1 步,其测定结果的误差度会对之后一系列工作造成直接影响,目前存在煤矿企业对部分鉴定或评价结果存在异议的现象。

2)监测设备应用效率低。 经调研,一方面现有设备的精度和可靠度不达标,部分监测设备实际应用效果差,冲击危险预警阈值难以选取。 另一方面实际使用中多种监测设备与手段并行,不同监测设备存在分歧时难以决断,监测预警效率大打折扣。

3)专业技术力量薄弱。 冲击地压发生机制抽象复杂,相较于传统煤矿5 大灾害防控难度更大,且大多数从业人员对冲击地压认识不足,矿方普遍反映刚接触、经验少、认识不清。 大多数矿井的专职防冲部门成立时间短,具有可借鉴经验少和人员流动性强的特点,不利于稳定专职技术人才的培养。

4)防控落实程度与准度不足。 冲击地压防控工作主要可分为局部解危和区域防范,落实程度受多方面因素影响。 局部解危工作主要受矿井生产指标考核、其他生产工序、工人施工效率与操作水平等影响。 区域防范工作主要包括工作面合理布置、煤柱合理留设、坚硬顶板及时处理和保护层开采等,近年来多起冲击地压事故发生均不同程度地与以上因素相关,可见区域防范工作整体落实程度和准度欠佳。

东北矿区整体开发较早,目前开采埋深普遍较大,且多存在上覆坚硬顶板,自重应力水平高。 矿区内大型地质构造较发育,构造应力充足。 部分矿井存在上层煤柱遗留产生的应力异常区,冲击地压整体防控压力较大。 因此除冲击地压矿井需进一步优化落实防控工作外,相似开采条件或邻近矿井也应尽快做好排查工作和提前防控措施,避免事故发生。

结合矿区实际条件,冲击地压防控工作应分别从局部和区域2 方面继续加力。 局部解危要提高落实水平与精准度,即进一步增强人员认识,提高重视程度,开展培训提高施工人员水平与效率。 解危工作应与监测预警工作深度融合,形成解危前探测和解危后检验的规范流程,即划分不同冲击危险程度的区域并进行针对性解危施工,可有效提高解危施工精准度和效率[20-21]。 区域防范意识与落实水平需进一步提高,在水平、采区及工作面设计时充分考虑防范冲击地压风险,对复杂地质应力场条件积极开展科研探索与攻关。

4 结 论

1)东北矿区冲击地压发生历程可划分为灾害初现、逐步增加、集中爆发和相对平稳4 个阶段,现有冲击地压矿井20 座,黑龙江、吉林和辽宁三省均有分布,且产能占比为20%~30%,随着开采深度增加和资源逐步枯竭,预计冲击地压矿井数量趋势为短期增加和长期减少。

2)东北矿区冲击地压矿井主要特征有煤层埋深普遍较大,煤层赋存条件复杂且差异性强,坚硬顶板岩煤距小且厚度大,地应力水平较高的特征。 近年来东北矿区冲击地压显现共性特征有埋深较大、煤岩具有冲击倾向性和地质构造参与明显等,主要发生类型可划分为深部动静载叠加型和深部高静载加载型冲击地压。

3)东北地区冲击地压防控工作开展较早,但在鉴定与评价指标确定、监测设备应用、专业技术力量配备和防控落实程度等方面仍存在一些不足。 未来冲击地压防控工作应进一步提高局部解危精准度和加强区域防范重视与落实程度。

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Characteristics and prevention and control status quo of rock burst in Northeastern Mining Area of China

GAO Jiaming1,2,PAN Junfeng1,2,DU Taotao1,2,YAN Yaodong1,2
(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CCTEG Coal Mining Research Institute,Beijing 100013,China)

AbstractThe three northeastern provinces are important coal production bases in China. As the development of resource mining enters in the middle and later stages, the mining depth increases, and the accidents of rock burst happen frequently. The prevention and control of rock burst are facing great challenges. Through a combination of questionnaire surveys and field investigations,this paper analyzed the cur⁃rent situation, mine characteristics, occurrence characteristics, occurrence types, monitoring and early warning means, prevention and control methods of rock burst in the three northeastern provinces of China,and analyzed the causes of typical rock burst accidents in recent years. The common problems reported by the mine and the supervision department were collected and summarized in the investigation and suggestions were given. The results show that the occurrence of rock bursts in the northeastern mining area can be divided into four stages:initial occurrence, gradual increase, concentrated eruption and relative stableness. There are 20 rock burst mines in northeastern mining area, which are characterized by deep coal seam depth, complex occurrence conditions, thick and hard roof and high in-situ stress level.The rock burst shows the common characteristics of large buried depth, coal rock with impact tendency and obvious geological structure participation. The main causes are hard and thick overlying roof, unreasonable mining layout and activation of geological structure. Typical rock burst accidents in northeastern mining areas in recent years can be divided into deep dynamic and static load superposition types and deep high static load types. The prevention and control of rock burst in northeastern mining area has been carried out earlier, and the mo⁃nitoring and early warning methods are more comprehensive and multiple devices work simultaneously,but the actual application efficiency is not high. The existing prevention and control methods focus on partial relief, and the regional prevention and implementation level needs to be further improved.

Key wordsrock burst; Northeastern Mining Area; characteristics of rock burst; monitoring and early warning; prevention and control of rock burst

中图分类号TD324

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2021)03-0049-08

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高家明,潘俊锋,杜涛涛,等.我国东北矿区冲击地压发生特征及防治现状[J].煤炭科学技术,2021,49(3):49-56.

doi:10.13199/j.cnki.cst.2021.03.005

GAO Jiaming,PAN Junfeng,DU Taotao,et al.Characteristics and prevention and control status quo of rock burst in Northeastern Mining Area of China[J].Coal Science and Technology,2021,49(3):49-56.

doi:10.13199/j.cnki.cst.2021.03.005

收稿日期2020-10-12;责任编辑:朱恩光

基金项目国家重点研究计划资助项目(No.2017YFC0804204)

作者简介高家明(1996—),男,河北邯郸人,硕士研究生。 E-mail:gaojiaming1996@163.com

致谢:数据采集得到《冲击地压监察指导手册》调研一组同事及东北三省煤矿监管监察人员、煤矿企业大力支持,在此表示衷心感谢!