煤矿冲击矿压的强度弱化

D01:10.13374.ism1001053x.2007.11.005 第29卷第11期 北京科技大学学报 Vol.29 No.11 2007年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2007 煤矿冲击矿压的强度弱化 陆菜平 窦林名)吴兴荣) 张士斌) 牟宗龙 1)中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州2210082)徐州三河尖煤矿，徐州221613 3)济宁三号煤矿，充州272100 摘要提出了冲击矿压的强度弱化控制机理.通过深孔卸压爆破来弱化煤岩结构的强度，降低其聚能能力，释放所积聚的 大量弹性能，使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能：同时利用电磁辐射检验强度弱化治理效果，以达到消除或降 低冲击危险的目的.通过在三河尖煤矿922高冲击危险工作面以及济宁三号煤矿6303冲击危险工作面的现场治理实践，证 明了该控制技术的有效性， 关键词采刊矿工程：冲击矿压：组合煤岩：强度弱化 分类号TD324+.2 随着矿井开采规模和深度的逐年增加，以冲击 律.提出了冲击矿压的强度弱化控制机理，即通过 矿压、岩爆、顶板大面积垮落为代表的深部开采诱发 弱化煤岩结构的强度以达到降低其冲击倾向性的目 的煤岩动力灾害事故更具突发性，表现出明显的非 的，从而有效防治冲击矿压.在此基础上，利用电磁 线性动力失稳特征一.其中，冲击矿压是一种较 辐射检验治理效果，最终实现了工作面的安全高效 为典型的煤岩动力灾害现象，主要表现为煤岩体中 回采，取得了良好的经济与社会效益 所积聚的弹性能突然、剧烈的释放过程，其发生的突 1 组合煤岩试样动力冲击实验 然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成极大的威 胁，还增加了诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的 研究表明，顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬 概率，如2003年淮北芦岭“513”冲击矿压诱发瓦斯 厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之 爆炸事故，造成84名矿工死亡：2005年辽宁阜新孙 一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量 家湾发生“2·14”冲击矿压一瓦斯爆炸事故，冲击矿 弹性能.在顶板破断或滑移失稳过程中，大量弹性 压震级达ML2.5,引起大量瓦斯涌出，诱发瓦斯爆 能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型冲击矿 炸，死亡214人.冲击矿压严重影响着煤矿的安全 压或顶板型冲击矿压一9.为了进一步揭示坚硬厚 和高效生产. 层顶板对煤层冲击的影响机制，本文进行了不同冲 冲击矿压是矿山压力的特殊动力显现，其发生 击倾向性的组合煤岩试样冲击实验. 机理极其复杂，防治手段缺少理论依据且无法检验 1.1实验方案及系统 防治效果.本文首先进行了组合煤岩冲击实验，研 从三河尖、古城、济三、平顶山以及龙固矿区选 究了其冲击倾向性与煤样强度、顶板岩样的强度及 取煤岩样，通过钻岩芯的方法把煤岩样加工成直径 为50mm的配件.其中顶板岩样、煤样以及底板岩 厚度、顶板与煤层厚度比值之间的相关关系，并测定 了其冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射效应规 样均按不同比例用强力胶水将其组合成高度为100 mm的标准试样.实验将通过试样的单轴循环加卸 收稿日期：2006-07-15修回日期：200610-17 载抗压实验，测定其冲击倾向性特征参数以及电磁 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划资助项目(o 辐射与声发射效应规律. 2006BAK04B02,2006 BAK(B06):国家自然科学基金资助项目(No. 加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油 50490273、50474068):国家重点基础研究973专项经费资助项目 (No.2005山b221504):中国矿业大学青年科研基金资助项目(No. 压的美国MTS公司MTS8I5电液伺服材料实验系 0A060084):江苏省研究生创新工程计划资助项目(No.6A070190) 统，测定工作采用美国PAC公司Disp一24通道岩层 作者简介：陆菜平(1978一)，男。讲师博士研究生窦林名 失稳声发射实验系统.图1为实验系统示意图，图2 (1963一).男，教授，博士生导师 为组合与纯煤试样的应力一应变曲线

煤矿冲击矿压的强度弱化 陆菜平1) 窦林名1) 吴兴荣2) 张士斌3) 牟宗龙1) 1) 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 徐州 221008 2) 徐州三河尖煤矿, 徐州 221613 3) 济宁三号煤矿, 兖州 272100 摘 要 提出了冲击矿压的强度弱化控制机理.通过深孔卸压爆破来弱化煤岩结构的强度, 降低其聚能能力, 释放所积聚的 大量弹性能, 使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能;同时利用电磁辐射检验强度弱化治理效果, 以达到消除或降 低冲击危险的目的.通过在三河尖煤矿 9202 高冲击危险工作面以及济宁三号煤矿 6303 冲击危险工作面的现场治理实践, 证 明了该控制技术的有效性. 关键词 采矿工程;冲击矿压;组合煤岩;强度弱化 分类号 TD324 +.2 收稿日期:2006-07-15 修回日期:2006-10-17 基金 项 目:国 家 “ 十 一 五” 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 ( No . 2006BAK04B02 、2006BAK03B06) ;国家自然科学基金资助项目( No . 50490273 、50474068) ;国家重点基础研究 973 专项经费资助项目 ( No .2005cb221504) ;中国矿业大学青年科研基金资助项目( No . OA060084) ;江苏省研究生创新工程计划资助项目( No .6A070190) 作者简 介:陆 菜平 ( 1978—) , 男, 讲 师, 博士 研 究 生;窦林 名 ( 1963—) , 男, 教授, 博士生导师 随着矿井开采规模和深度的逐年增加, 以冲击 矿压 、岩爆 、顶板大面积垮落为代表的深部开采诱发 的煤岩动力灾害事故更具突发性, 表现出明显的非 线性动力失稳特征 [ 1-3] .其中, 冲击矿压是一种较 为典型的煤岩动力灾害现象, 主要表现为煤岩体中 所积聚的弹性能突然 、剧烈的释放过程, 其发生的突 然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成极大的威 胁, 还增加了诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的 概率, 如 2003 年淮北芦岭“5·13”冲击矿压诱发瓦斯 爆炸事故, 造成 84 名矿工死亡;2005 年辽宁阜新孙 家湾发生“2·14”冲击矿压-瓦斯爆炸事故, 冲击矿 压震级达 ML 2.5, 引起大量瓦斯涌出, 诱发瓦斯爆 炸, 死亡 214 人.冲击矿压严重影响着煤矿的安全 和高效生产. 冲击矿压是矿山压力的特殊动力显现, 其发生 机理极其复杂, 防治手段缺少理论依据且无法检验 防治效果.本文首先进行了组合煤岩冲击实验, 研 究了其冲击倾向性与煤样强度 、顶板岩样的强度及 厚度 、顶板与煤层厚度比值之间的相关关系, 并测定 了其冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射效应规 律 .提出了冲击矿压的强度弱化控制机理, 即通过 弱化煤岩结构的强度以达到降低其冲击倾向性的目 的, 从而有效防治冲击矿压.在此基础上, 利用电磁 辐射检验治理效果, 最终实现了工作面的安全高效 回采, 取得了良好的经济与社会效益 . 1 组合煤岩试样动力冲击实验 研究表明, 顶板岩层结构, 特别是煤层上方坚硬 厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之 一, 其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量 弹性能.在顶板破断或滑移失稳过程中, 大量弹性 能突然释放, 形成强烈震动, 导致顶板煤层型冲击矿 压或顶板型冲击矿压[ 1-6] .为了进一步揭示坚硬厚 层顶板对煤层冲击的影响机制, 本文进行了不同冲 击倾向性的组合煤岩试样冲击实验. 1.1 实验方案及系统 从三河尖 、古城、济三、平顶山以及龙固矿区选 取煤岩样, 通过钻岩芯的方法把煤岩样加工成直径 为 50 mm 的配件 .其中顶板岩样、煤样以及底板岩 样均按不同比例用强力胶水将其组合成高度为 100 mm 的标准试样.实验将通过试样的单轴循环加卸 载抗压实验, 测定其冲击倾向性特征参数以及电磁 辐射与声发射效应规律 . 加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油 压的美国M TS 公司M TS 815 电液伺服材料实验系 统, 测定工作采用美国 PAC 公司 Disp-24 通道岩层 失稳声发射实验系统.图 1 为实验系统示意图, 图2 为组合与纯煤试样的应力-应变曲线 . 第 29 卷 第 11 期 2007 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.11 Nov.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.11.005

第11期 陆菜平等：煤矿冲击矿压的强度弱化 。1075。 试样的单轴抗压强度呈一次线形关系.说明煤样的 强度越高，则煤岩结构变形破裂越猛烈，冲击倾向性 前置放大 亦越强. Disp-24 系统 40r 前置放大 g=3.4008K+14.33 30 R2-0.8324 1一MTS实验机：2一绝缘垫块3一电磁天线：4一试样：5一声发 ■ 射传感器：6一电磁屏蔽网 g6.0346W+5.7296 10 R2-0.9786 图1实验系统 Fig 1 Experimental system 1 23456 冲击能指数Ke弹性能指数W 30r 图3冲击能指数和弹性能指数与抗压强度关系 Fig.3 Relations of compressive strength to impact energy index 20 and elastic energy index 10 80r 组合试样 E=508.02c+9034 ~纯煤试样 60 R2-0.8658 -0.006-0.0040.002 0 0.0020.0040.006 40叶 应变 20 图2组合及纯煤试样应力一应变曲线 204060 80100120 Fig.2 Stress strain curves of combined coah rock and pure coal o/MPa samples 图4电磁辐射信号最大能量率与抗压强度关系曲线 1.2煤样强度对冲击的影响规律 Fig.4 Relation between EME signals maximum energy rate and compressive strength 选取济三煤矿的顶底板岩样，煤样分别取自上 述五个矿区，加工成五组顶一煤一底高度比值相同的 1.3顶板强度对冲击的影响规律 标准组合试样，每组三个试件，进行单轴循环加卸载 实验测试了两组不同强度顶板的组合试样在加 抗压实验.图3所示为试样的冲击能指数KE、弹性 载过程中的声发射信号，测试参数为计数率N.两 能指数WET与抗压强度之间的关系曲线， 组试样中顶板单轴抗压强度分别为169.7MPa和 从图3可知，随着组合试样的单轴抗压强度的 65.2MPa,底板岩样均为粉细砂岩，两组试样中顶 增加，则其冲击能指数和弹性能指数亦随之增加，且 板高度所占百分比均为60%.图5分别为两组试样 呈一次线形关系，说明煤样的单轴抗压强度与煤岩 测试声发射的计数率分布. 结构的冲击倾向性呈正相关关系. 从图5可知，组合试样中顶板强度越高，煤岩结 从图4可知，电磁辐射信号最大能量率和组合 构变形破裂越强烈，且呈脆性破坏，变形破裂声发射 1000 200 (a) (b) 800 160 600 120 400 80 200 020406080100120140160 20 406080 100 120 时间s 时间s 图5J顶板强度为169.7MPa(a和652MP(b)时的声发射计数率分布 Fig 5 Distribution of AE count about roof intensity:(a)169.7 MPa and (b)65 2 MPa

1—M TS 实验机;2—绝缘垫块;3—电磁天线;4—试样;5—声发 射传感器;6—电磁屏蔽网 图 1 实验系统 Fig.1 Experimental system 图 2 组合及纯煤试样应力-应变曲线 Fig.2 Stress-strain curves of combined coal-rock and pure coal sampl es 图 5 顶板强度为 169.7MPa ( a) 和 65.2MPa ( b) 时的声发射计数率分布 Fig.5 Distribution of AE count about roof intensity:( a) 169.7 MPa and ( b) 65.2 MPa 1.2 煤样强度对冲击的影响规律 选取济三煤矿的顶底板岩样, 煤样分别取自上 述五个矿区, 加工成五组顶-煤-底高度比值相同的 标准组合试样, 每组三个试件, 进行单轴循环加卸载 抗压实验 .图 3 所示为试样的冲击能指数 KE 、弹性 能指数 WET 与抗压强度之间的关系曲线 . 从图 3 可知, 随着组合试样的单轴抗压强度的 增加, 则其冲击能指数和弹性能指数亦随之增加, 且 呈一次线形关系, 说明煤样的单轴抗压强度与煤岩 结构的冲击倾向性呈正相关关系. 从图 4 可知, 电磁辐射信号最大能量率和组合 试样的单轴抗压强度呈一次线形关系, 说明煤样的 强度越高, 则煤岩结构变形破裂越猛烈, 冲击倾向性 亦越强 . 图 3 冲击能指数和弹性能指数与抗压强度关系 Fig.3 Relations of compressive strength to impact energy index and elastic energy index 图 4 电磁辐射信号最大能量率与抗压强度关系曲线 Fig.4 Relation between EME signals' maximum energy rate and compressive strength 1.3 顶板强度对冲击的影响规律 实验测试了两组不同强度顶板的组合试样在加 载过程中的声发射信号, 测试参数为计数率 N .两 组试样中顶板单轴抗压强度分别为 169.7 MPa 和 65.2 MPa, 底板岩样均为粉细砂岩, 两组试样中顶 板高度所占百分比均为 60 %.图5 分别为两组试样 测试声发射的计数率分布. 从图 5 可知, 组合试样中顶板强度越高, 煤岩结 构变形破裂越强烈, 且呈脆性破坏, 变形破裂声发射 第 11 期 陆菜平等:煤矿冲击矿压的强度弱化 · 1075 ·

。1076 北京科技大学学报 第29卷 信号相对集中且计数率也越高，说明顶板强度越高， 则冲击倾向性亦越强. 361 1.4顶板厚度对冲击的影响规律 选取三河尖矿的顶底板和煤样，加工成六组顶 板一煤体高度比值不同的标准组合试样，每组三个 试件，进行单轴循环加卸载抗压实验 0.006 0.012 0.018 应变 图6所示为冲击能指数与顶板和煤层高度比值 之间的一次线性关系曲线，可以看出当顶板与煤层 图7组合煤岩试样应力应变曲线 高度比值大于0.6时，顶板厚度越大，冲击能指数越 Fig 7 Stressstrain curves of combined coalrock samples 大，则冲击倾向性就越强 6 2强度弱化治理效果检验方法 y=5.4085x-3.4895 R2-0.9806 现场利用卸压爆破弱化煤岩体强度释放煤体中 3 2 多余弹性能以达到降低冲击危险的目的0，但是 如何检验卸压爆破效果对于动态防治冲击矿压就显 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 得十分必要.为此本文在上述实验的同时，测定了 顶板与煤样高度比值 组合煤岩试样冲击破坏过程中的电磁辐射规律，以 图6冲击能指数与顶煤高度比值关系曲线 便现场检验卸压爆破效果 Fig.6 Relation between bursting energy index and the ratio of roof 研究结果见图8所示，其分别表示组合煤岩试 height to coal height 样在载荷作用下变形破坏的载荷p与时间t曲线以 图7所示为组合煤岩试样加载过程的应力一应 及电磁辐射强度分布，结果表明： 变全程曲线，图中曲线①是煤岩比为0.3的组合试 (1)试样受载变形破裂的峰前阶段，电磁辐射 样A,曲线②是煤岩比为0.47的组合试样B,曲线 强度基本上随着载荷的增大而增强.第一次载荷最 ③是纯煤试样C.从实验结果可知，组合煤岩试样 值点(115s左右句电磁辐射信号出现一次明显增加， 比纯煤试样破坏猛烈.顶板岩样越高，煤破坏程度 第二次载荷最值点(230s左右)电磁辐射信号亦如 越猛烈，冲击倾向性就越强. 此. 综上所述，通过实验发现，顶板特别是坚硬厚层 (2)试样冲击性破坏以前，电磁辐射强度增幅 顶板在诱发煤体冲击过程中起着关键作用.煤样强 与载荷增幅呈正相关关系：而在冲击破坏前兆，电磁 度、顶板强度及厚度越高，则冲击倾向性越强，越易 辐射强度突然增加，随后发生突降 诱发冲击矿压 由上可知，电磁辐射强度在煤体发生冲击破坏 因此，可以通过深孔卸压爆破（或主动切断坚硬 前兆，首先突然增加，随后产生突降，冲击破坏发生 顶板中一个分层)弱化煤岩结构的强度以及降低坚 之后，又恢复到正常值.因此，煤岩体卸压爆破后电 硬顶板的厚度，来消除或降低其内部所积聚的大量 磁辐射信号强度能否产生突降就成为检验卸压爆破 弹性能，以达到降低或消除冲击危险的目的 效果的一个重要依据 440F 60r 396 (b) (a) 50 352 308 264 220 100 176 132 10 8 44 60 120 180240 300 360 0 4080120160200240280320360 时间⅓ 时间s 图8实验结果.(a)载荷时间曲线：(b)电磁辐射强度分布 Fig 8 Experimental results:(a)curve of load to time (b)distribution of EME intensity

信号相对集中且计数率也越高, 说明顶板强度越高, 则冲击倾向性亦越强 . 1.4 顶板厚度对冲击的影响规律 选取三河尖矿的顶底板和煤样, 加工成六组顶 板-煤体高度比值不同的标准组合试样, 每组三个 试件, 进行单轴循环加卸载抗压实验. 图 6 所示为冲击能指数与顶板和煤层高度比值 之间的一次线性关系曲线, 可以看出当顶板与煤层 高度比值大于 0.6 时, 顶板厚度越大, 冲击能指数越 大, 则冲击倾向性就越强 . 图 6 冲击能指数与顶煤高度比值关系曲线 Fig.6 Relation between bursting energy index and the ratio of roof height to coal height 图 8 实验结果.( a) 载荷-时间曲线;( b) 电磁辐射强度分布 Fig.8 Experimental results:( a) curve of load to time;( b) distribution of EME intensity 图 7 所示为组合煤岩试样加载过程的应力-应 变全程曲线, 图中曲线 ①是煤岩比为 0.3 的组合试 样A, 曲线 ②是煤岩比为 0.47 的组合试样 B, 曲线 ③是纯煤试样 C .从实验结果可知, 组合煤岩试样 比纯煤试样破坏猛烈.顶板岩样越高, 煤破坏程度 越猛烈, 冲击倾向性就越强. 综上所述, 通过实验发现, 顶板特别是坚硬厚层 顶板在诱发煤体冲击过程中起着关键作用.煤样强 度、顶板强度及厚度越高, 则冲击倾向性越强, 越易 诱发冲击矿压. 因此, 可以通过深孔卸压爆破( 或主动切断坚硬 顶板中一个分层) 弱化煤岩结构的强度以及降低坚 硬顶板的厚度, 来消除或降低其内部所积聚的大量 弹性能, 以达到降低或消除冲击危险的目的. 图7 组合煤岩试样应力应变曲线 Fig.7 Stress-strain curves of combined coal-rock samples 2 强度弱化治理效果检验方法 现场利用卸压爆破弱化煤岩体强度释放煤体中 多余弹性能以达到降低冲击危险的目的 [ 7-10] , 但是 如何检验卸压爆破效果对于动态防治冲击矿压就显 得十分必要.为此本文在上述实验的同时, 测定了 组合煤岩试样冲击破坏过程中的电磁辐射规律, 以 便现场检验卸压爆破效果. 研究结果见图 8 所示, 其分别表示组合煤岩试 样在载荷作用下变形破坏的载荷 p 与时间 t 曲线以 及电磁辐射强度分布, 结果表明 : ( 1) 试样受载变形破裂的峰前阶段, 电磁辐射 强度基本上随着载荷的增大而增强 .第一次载荷最 值点( 115 s 左右) 电磁辐射信号出现一次明显增加, 第二次载荷最值点( 230 s 左右) 电磁辐射信号亦如 此 . ( 2) 试样冲击性破坏以前, 电磁辐射强度增幅 与载荷增幅呈正相关关系;而在冲击破坏前兆, 电磁 辐射强度突然增加, 随后发生突降. 由上可知, 电磁辐射强度在煤体发生冲击破坏 前兆, 首先突然增加, 随后产生突降, 冲击破坏发生 之后, 又恢复到正常值 .因此, 煤岩体卸压爆破后电 磁辐射信号强度能否产生突降就成为检验卸压爆破 效果的一个重要依据. · 1076 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29 卷

第11期 陆菜平等：煤矿冲击矿压的强度弱化 。1077。 3现场工程实践 月开始回采到2004年4月完全出7202大煤柱区. 没有发生一起破坏性冲击矿压，这充分证实了强度 3.19202工作面强度弱化动态治理 弱化控制机理及技术对于指导现场冲击矿压防治是 三河尖矿是一个典型的上覆煤柱影响下层开采 非常有效的 煤层的强冲击危险矿井，其主采煤层为7、9煤，顶底 箭头表示 600r 压爆破 板特别坚硬，9煤经冲击倾向性鉴定属强冲击危险， 其中9202工作面为强冲击危险工作面，其上覆存在 7202工作面残留的大煤柱区. 汤 该矿自1991年5月首次在7110工作面材料道 发生冲击矿压以来，累计发生破坏性冲击矿压达25 08-16 08-1808-20 次之多，破坏巷道累计1700余m,具有冲击危险的 8-2208-2 08-2608-28 08-31 08-30 日期 工作面回采中平均每面发生破坏性冲击矿压次数达 4次以上，严重影响了矿井的安全生产 图10面上出口向下15m处卸压爆破前后电磁辐射幅值 Fig.10 Amplitude change of EME down ward 15 m place of the 2002年在9202工作面巷道掘进期间，曾发生 working face exit before and after relieving shot 过冲击矿压，且主要以底板震动冲击形式出现，其中 一次将轨道巷的轨道向巷道上帮推移了近400mm, 3.26303工作面强度弱化动态治理 为了防止在两巷掘进期间再次发生冲击事故，决定 济宁三号煤矿是我国年产1000万t的特大型 在冲击危险区对煤岩体实施强度弱化.图9所示 矿井，其中6303工作面位于该矿六采区中部，采深 9202工作面掘进进入7202煤柱区时进行深孔卸压 600~710m,直接顶为灰黑色粉细砂岩互层，厚度 爆破后监测的电磁辐射幅值曲线 0~13.75m,赋存不稳定，老顶以中砂岩为主，坚硬 稳定，厚度为1677~42.12m.上下顺槽共揭露落 140 120 差在5m以上的断层有2条，对工作面生产影响较 100 80 大，巷道采用锚网索联合支护.3煤层经冲击倾向 60 性鉴定属强冲击. 20 2004年11月30日下午3：40分左右，6303工 01-24 01-26。 02-0 02-07 作面推进1310.7m,煤机正在溜尾割煤，工作面辅 01-25 01-27 0206 02-08 日期 顺1376~1406m共30m段发生冲击矿压，巷内煤 尘飞扬，实体煤帮煤体瞬间突出L5~2.5m左右， 图97202煤柱区卸压爆破前后电磁辐射幅值 Fig.9 Amplitude change of EME in 7202 pillar section before and 局部煤体与顶板离层200mm左右，深入煤体5m左 after relieving shot 右，该段范围内实体煤帮的锚网支护全部失效，冲击 波将巷中的7个车盘掀翻，铺设的轨道也全被掀翻， 由图9可知，掘进进入7202煤柱区后，于2003 地面能感觉到轻微震动. 年2月6日和2月8日夜班掘进迎头上帮测点电磁 为了预防冲击矿压事故的再次发生，矿防冲队 辐射幅值出现剧烈波动，最大值接近临界值 对6303工作面辅顺进行了煤体和顶板的深孔卸压 130mV,经当班煤体深孔卸压爆破后，其幅值降至 爆破，弱化煤岩体的强度，降低其冲击倾向性. 60mV左右.说明卸压爆破起到了很好的卸压效果， 从2004年11月30日之后，对6303工作面煤 消除了冲击危险. 壁前方150~200m范围的辅顺实体煤一侧进行了 图10为9202工作面回采期间于2003年8月 煤体深孔卸压爆破.同时从距工作面大约80m向 16一31日在面上出口向下15m处进行顶板深孔卸 外设置顶板爆破孔89个，爆破64个.从12月7日 压爆破后观测的电磁辐射幅值变化曲线.从图中可 中班到12月10日中班，在工作面前方20~40m范 知，采用顶板深孔卸压爆破切断悬顶的手段，释放聚 围内爆破5个爆破孔，从距工作面切眼1406~ 集在顶板中高应力区之内的弹性能，每次卸压爆破 1600m共爆破40个爆破孔，并将顶板钻孔深度加 后，电磁辐射幅值均能产生突降，说明卸压效果非常 大到13m.通过爆破，在顶板内形成裂隙，降低顶板 明显 的整体强度和厚度，释放其中积聚的弹性能.电磁 三河尖矿9202高冲击危险工作面从2003年5 辐射监测显示，爆破之后其幅值均产生突降，利用钻

3 现场工程实践 3.1 9202 工作面强度弱化动态治理 三河尖矿是一个典型的上覆煤柱影响下层开采 煤层的强冲击危险矿井, 其主采煤层为 7 、9 煤, 顶底 板特别坚硬, 9 煤经冲击倾向性鉴定属强冲击危险, 其中 9202 工作面为强冲击危险工作面, 其上覆存在 7202 工作面残留的大煤柱区 . 该矿自 1991 年 5 月首次在 7110 工作面材料道 发生冲击矿压以来, 累计发生破坏性冲击矿压达 25 次之多, 破坏巷道累计 1 700 余 m, 具有冲击危险的 工作面回采中平均每面发生破坏性冲击矿压次数达 4 次以上, 严重影响了矿井的安全生产 . 2002 年在 9202 工作面巷道掘进期间, 曾发生 过冲击矿压, 且主要以底板震动冲击形式出现, 其中 一次将轨道巷的轨道向巷道上帮推移了近 400 mm, 为了防止在两巷掘进期间再次发生冲击事故, 决定 在冲击危险区对煤岩体实施强度弱化 .图 9 所示 9202 工作面掘进进入 7202 煤柱区时进行深孔卸压 爆破后监测的电磁辐射幅值曲线. 图 9 7202 煤柱区卸压爆破前后电磁辐射幅值 Fig.9 Amplitude change of EME in 7202 pillar section before and after relieving shot 由图 9 可知, 掘进进入 7202 煤柱区后, 于 2003 年 2 月 6 日和 2 月 8 日夜班掘进迎头上帮测点电磁 辐射幅 值出 现 剧烈 波动, 最 大值 接 近临 界 值 130 mV, 经当班煤体深孔卸压爆破后, 其幅值降至 60 mV左右 .说明卸压爆破起到了很好的卸压效果, 消除了冲击危险 . 图10 为 9202 工作面回采期间于 2003 年 8 月 16 —31 日在面上出口向下 15 m 处进行顶板深孔卸 压爆破后观测的电磁辐射幅值变化曲线 .从图中可 知, 采用顶板深孔卸压爆破切断悬顶的手段, 释放聚 集在顶板中高应力区之内的弹性能, 每次卸压爆破 后, 电磁辐射幅值均能产生突降, 说明卸压效果非常 明显 . 三河尖矿 9202 高冲击危险工作面从 2003 年 5 月开始回采到 2004 年 4 月完全出 7202 大煤柱区, 没有发生一起破坏性冲击矿压, 这充分证实了强度 弱化控制机理及技术对于指导现场冲击矿压防治是 非常有效的 . 图 10 面上出口向下 15 m 处卸压爆破前后电磁辐射幅值 Fig.10 Amplitude change of EME downward 15 m place of the working face exit before and after relieving shot 3.2 6303 工作面强度弱化动态治理 济宁三号煤矿是我国年产 1 000 万 t 的特大型 矿井, 其中 6303 工作面位于该矿六采区中部, 采深 600 ～ 710 m, 直接顶为灰黑色粉细砂岩互层, 厚度 0 ～ 13.75 m, 赋存不稳定, 老顶以中砂岩为主, 坚硬 稳定, 厚度为 16.77 ～ 42.12 m .上下顺槽共揭露落 差在 5 m 以上的断层有 2 条, 对工作面生产影响较 大, 巷道采用锚网索联合支护.3 煤层经冲击倾向 性鉴定属强冲击. 2004 年 11 月 30 日下午 3 :40 分左右, 6303 工 作面推进 1 310.7 m, 煤机正在溜尾割煤, 工作面辅 顺 1 376 ～ 1 406 m 共 30 m 段发生冲击矿压, 巷内煤 尘飞扬, 实体煤帮煤体瞬间突出 1.5 ～ 2.5 m 左右, 局部煤体与顶板离层 200 mm 左右, 深入煤体 5m 左 右, 该段范围内实体煤帮的锚网支护全部失效, 冲击 波将巷中的 7 个车盘掀翻, 铺设的轨道也全被掀翻, 地面能感觉到轻微震动 . 为了预防冲击矿压事故的再次发生, 矿防冲队 对 6303 工作面辅顺进行了煤体和顶板的深孔卸压 爆破, 弱化煤岩体的强度, 降低其冲击倾向性. 从 2004 年 11 月 30 日之后, 对 6303 工作面煤 壁前方 150 ～ 200 m 范围的辅顺实体煤一侧进行了 煤体深孔卸压爆破 .同时从距工作面大约 80 m 向 外设置顶板爆破孔 89 个, 爆破 64 个.从 12 月 7 日 中班到 12 月 10 日中班, 在工作面前方 20 ～ 40 m 范 围内爆破 5 个爆破孔, 从距工作面切眼1 406 ～ 1 600 m共爆破 40 个爆破孔, 并将顶板钻孔深度加 大到 13 m .通过爆破, 在顶板内形成裂隙, 降低顶板 的整体强度和厚度, 释放其中积聚的弹性能 .电磁 辐射监测显示, 爆破之后其幅值均产生突降, 利用钻 第 11 期 陆菜平等:煤矿冲击矿压的强度弱化 · 1077 ·

。1078 北京科技大学学报 第29卷 屑法检测时，煤粉量亦显著降低，说明卸压爆破起到 大学出版社，2001 了非常好的卸压效果， [3 Frid V,Shabarov A.Proskurjakov V.Formation of electromag metic radiation in coal strat um.J Min Sci,1992,28(2):139 4结论 【鸟王淑坤，张万斌.复合模型力学性质实验研究。矿山压力与顶 板管理，1994.11(1)：51 冲击矿压的强度弱化控制机理是依据煤样、顶 【了曲华，蒋金泉董建军.煤岩复合模型冲击倾向的数值实验研 板岩样的强度及厚度与其冲击倾向性的相互关系而 究.矿山压力与顶板管理.2004.21(4)：93 提出的，即通过卸压爆破弱化煤岩结构的强度，降低 【(万志军，刘长友，卫建清，等煤层与顶板冲击倾向性研究.矿 山压力与顶板管理1999,16(4)：208 其储能能力，使其所积聚的弹性能永远达不到最小 【了窦林名，何烨，张卫东。孤岛工作面冲击矿压危险及其控制。 冲击能，从而消除或减弱冲击矿压发生的强度.通 岩石力学与工程学报，2003,22(11)：1866 过实践证实了这种技术对于指导现场冲击矿压的动 【网李玉，黄梅，廖国华，等冲击地压发生前微震活动时空变化的 态防治是非常有效的. 分形特征.北京科技大学学报，1995,17(1)：10 【身陆菜平，类林名，吴兴容，等.基于能量机理的卸压爆破效果电 参考文献 磁辐射检验法.岩石力学与工程学报，2005,246：1014 【刂窦林名，何学秋.由煤岩变化破坏引起的电磁辐射.清华大学 [10 Frid V.Rock-burst hazard forecast by electmomagnetic radiation 学报：自然科学版，2001,41(12)：86 excited by rock fracture.J Rock Mech Rock Eng 1992,30 【☒窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术。徐州：中国矿业 (4):229 Strength weakening of rock bursts in coal mines LU Caiping,DOU Linming",WU Xingrong?,ZHANG Shibin,MOU Zonglong 1)State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety.China Uriversity of Mining Technology,Xuzhou 221008.Chima 2)Sanhejian Mine of Xuzhou Mines Group,Xuzhou 221613,China 3)Jining No.3 Mine.Yanzhou 272100,China ABSTRACT The strength weakening controlling mechanism of rock bursts in coal mines w as put forw ard.The strength of coal and rock mass can be weakened through deep hole relieving shot,so the ability of energy accu- mulation is reduced,and a large amount of elastic energy accumulated in coal and rock mass is released,which makes it sure that the elastic energy accumulated in coal and rock mass do not exceed the minimum energy in- duced rock burst.Simultaneously,electromagnetic emission EM E)is used to check out the effect of eliminating or reducing the danger of rock bursts.The validity of this kind of control technology is fully proofed by the engi- neering practice of 9202 high-danger working face in Sanhejian Coal Mine and 6303 danger working face in Jin- ing No.3 Coal Mine in China. KEY WORDS mining engineering;rock bursts;combined coal-rock;strength weakening

屑法检测时, 煤粉量亦显著降低, 说明卸压爆破起到 了非常好的卸压效果 . 4 结论 冲击矿压的强度弱化控制机理是依据煤样、顶 板岩样的强度及厚度与其冲击倾向性的相互关系而 提出的, 即通过卸压爆破弱化煤岩结构的强度, 降低 其储能能力, 使其所积聚的弹性能永远达不到最小 冲击能, 从而消除或减弱冲击矿压发生的强度.通 过实践证实了这种技术对于指导现场冲击矿压的动 态防治是非常有效的 . 参 考 文 献 [ 1] 窦林名, 何学秋.由煤岩变化破坏引起的电磁辐射.清华大学 学报:自然科学版, 2001, 41( 12) :86 [ 2] 窦林名, 何学秋.冲击矿压防治理论与技术.徐州:中国矿业 大学出版社, 2001 [ 3] Frid V, S habarov A, Proskurjakov V .Formation of electromag￾netic radiation in coal stratum .J Min Sci, 1992, 28( 2) :139 [ 4] 王淑坤, 张万斌.复合模型力学性质实验研究.矿山压力与顶 板管理, 1994, 11(1) :51 [ 5] 曲华, 蒋金泉, 董建军.煤岩复合模型冲击倾向的数值实验研 究.矿山压力与顶板管理, 2004, 21( 4) :93 [ 6] 万志军, 刘长友, 卫建清, 等.煤层与顶板冲击倾向性研究.矿 山压力与顶板管理, 1999, 16( 4) :208 [ 7] 窦林名, 何烨, 张卫东.孤岛工作面冲击矿压危险及其控制. 岩石力学与工程学报, 2003, 22( 11) :1866 [ 8] 李玉, 黄梅, 廖国华, 等.冲击地压发生前微震活动时空变化的 分形特征.北京科技大学学报, 1995, 17( 1) :10 [ 9] 陆菜平, 窦林名, 吴兴容, 等.基于能量机理的卸压爆破效果电 磁辐射检验法.岩石力学与工程学报, 2005, 24( 6) :1014 [ 10] Frid V .Rock-burst hazard f orecast by electromagnetic radiation excit ed by rock fracture.J Rock Mech Rock Eng, 1992, 30 ( 4) :229 S treng th weakening of rock bursts in coal mines LU Caiping 1) , DOU Linming 1) , WU X ingrong 2) , ZHANG Shibin 3) , MOU Zonglong 1) 1) St at e Key Laborat ory of Coal Resources and Mine Safety, C hina Uni versit y of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China 2) Sanhejian Mine of Xuz hou Mines Group, Xuzhou 221613, China 3) Jining No .3 Mine, Yanzhou 272100, China ABSTRACT The strength w eakening controlling mechanism of rock bursts in coal mines w as put forw ard .The strength of coal and rock mass can be weakened through deep hole relieving shot, so the ability of energ y accu￾mulation is reduced, and a large amount of elastic energy accumulated in coal and rock mass is released, w hich makes it sure that the elastic energy accumulated in coal and rock mass do no t exceed the minimum energy in￾duced rock burst .Simultaneously , electromagnetic emission ( EM E) is used to check out the effect of eliminating o r reducing the danger of rock bursts .The validity of this kind of control technology isfully proofed by the engi￾neering practice of 9202 high-danger w orking face in Sanhejian Coal Mine and 6303 danger w orking face in Jin￾ing No .3 Coal Mine in China . KEY WORDS mining engineering ;rock bursts ;combined coal-rock ;streng th weakening · 1078 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29 卷