2024-03-22
（1）基于急倾斜巨厚煤层巷道掘进的微震监测分析，掌握了冲击地压发生多参量指标异常的时空前兆特征。冲击地压发生前存在明显缺震现象，发生位置集中分布在距离掘进工作面较近的微震能量极小值区间范围内，或位于微震能量极值区间附近的微震频次极小值区间范围内，且冲击地压事件位于冲击变形能指数较高区域。（2）揭示了急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压发生机理。急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采的坚硬覆岩结构不易破断，使得巷道掘进存在上水平采空区两侧“双翼型”应力集中，掘进面前方与巷道底部受顶底板岩层相互挤压的应力集中分布且能量积聚显著，随着巷道掘进深度增加其应力集中与能量积聚进一步增强，容易诱发冲击地压等动力灾害。（3）形成急倾斜巨厚煤层巷道掘进的工作面爆破卸压、巷道钻孔卸压与补强支护、复杂区域架蓬的冲击地压防治策略与措施。结合冲击地压时空前兆异常，为及时停止巷道掘进并增加现场卸压力度提供时机，实现了急倾斜巨厚煤层采掘深度增加后的巷道安全掘进。急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压前兆特征及其灾害防治
作者：来兴平1, 2 ， 贾 冲1, 2 ， 胥海东1, 2 ， 崔 峰1, 2, 3 ， 刘旭东4 ， 王 昊1, 2 ， 陆长亮1, 2 ， 张随林1, 2 ， 何仕凤1, 2单位：1. 西安科技大学 能源学院; 2. 西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室; 3. 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室; 4. 国家能源集团 新疆能源有限责任公司随着西部煤炭基地逐步进入深部开采，“高地应力、高温度、高渗透压”地质环境导致岩石的组织结构、基本力学特征和工程响应发生变化，易于诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害。目前诸多学者在冲击地压方面开展了大量研究，其中，在冲击地压的前兆特征及其发生机理的研究方面，袁亮建立了全链条跨尺度多参量预警指标体系，获得了冲击地压的多参量前兆信息时空演化规律。赵毅鑫等讨论了工作面开采诱发冲击地压前兆信息特征。王宏伟等以能量场激增滞后现象为断层失稳前兆特征，将其做为冲击失稳的前兆信息之一。成云海等通过微震破裂事件空间分布特征，揭示了部分砾岩断裂导致的冲击地压发生机制。张全等研究发现深部煤层采动易造成上覆多关键层协同断裂运动，使得岩层中积聚的弹性应变能被瞬间释放而诱发冲击地压。潘俊锋等发现上覆厚硬顶板长梁式悬臂与下沉造成巷间煤柱静载荷高度集中，直至断裂产生了诱发冲击的动载荷。宫凤强等借鉴系统工程学思想提出了冲击地压“人−煤−环” 三要素机理。朱斯陶等揭示了硬煤在软煤破坏边缘产生剪应力 集中，进而容易诱发冲击地压。王高昂等揭示了工作面“煤柱−关键层”结构失稳型冲击地压发生机理。 魏东等将相邻采空区震动机理归结为低位、高位亚 关键层回转滑移失稳与主关键层极限破断失稳多种形式。对于冲击地压矿井的安全性而言，保证了巷道安全就保证了整个矿井安全。在巷道掘进的冲击地压灾害综合治理方面，康红普等研发出分段水力压裂卸压技术与设备，形成了巷道支护−改性−卸压协同控制技术。高明仕等构建了锚杆索主动支护+液压抬棚减跨强力支护+卸压防冲弱结构组成的“内支−外卸”组合技术。谢生荣等提出了大断面煤巷围岩外锚−内卸的控制方法。付玉凯等通过优化支护材料与支护参数设计，形成对巷道有效控制的协同防冲吸能作用。吴拥政等分析了动、静叠加载荷与莫尔圆间的相互作用关系，提出了深部冲击地压巷道协同防 控原理。张俊文等通过压实限侧矸石高承载作用、 三角煤柱高稳定性实现承担关键块静载，维护巷道安全掘进。以上学者对冲击地压发生的前兆特征及其发生机理进行了深入研究。但相关研究基本以近水平或缓倾斜煤层为主，对急倾斜煤层研究相对较少。伴随着矿井开采深度增大，冲击地压发生的频次与强度随之增加。鉴于急倾斜煤层开采深度较浅时，煤岩体弯曲加载的能量积蓄使其存在深部开采的力学状态，且开采深度增加过程中的能量释放程度逐渐增大。随着冲击地压矿井逐渐向深开采，其巷道掘进伴随的冲击显现愈发强烈。针对巷道掘进过程中的冲击地压有效防治问题，以新疆乌东煤矿急倾斜煤层矿井为例，运用微震监测对巷道掘进的冲击地压时空前兆特征加以分析。结合巷道掘进的应力与能量变化数值模拟分析，揭示巷道掘进的冲击地压发生机理，提出急倾斜巨厚煤层巷道冲击地压防治策略，并完成现场工程实践验证。 研究结果表明:急倾斜巨厚煤层巷道掘进的冲击地压发生前第2~5天出现微震总能量极低值，或存在至少4d的能量潜伏期;冲击地压发生前5d普遍存在3d以上的最大能量占比高频波动期。冲击地压发生前存在明显缺震现象，发生位置集中分布在距离掘进工作面较近的微震能量极小值区间范围内，或位于微震能量极值区间附近的微震频次极小值区间范围内，且冲击地压事件位于冲击变形能指数较高区域。急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采的坚硬覆岩结构不易破断，使得巷道掘进存在上水平采空区两侧“双翼型”应力集中，掘进工作面前方与巷道底部受顶底板岩层相互挤压的应力集中分布且能量积聚显著，随着巷道掘进深度增加其应力集中与能量积聚进一步增强，容易诱发冲击地压等动力灾害。综合分析形成急倾斜巨厚煤层巷道掘进的工作面爆破卸压、巷道钻孔卸压与补强支护、复杂区域架蓬的冲击地压防治策略。结合冲击地压时空前兆异常为及时加强卸压力度提供时机。通过工作面与巷道卸压使得掘进期间未发生单日累计1×105 J以上微震能量，在对支护优化调整与复杂区域重点防护后，巷道掘进日均微震能量降至2.2 kJ，其1kJ以上微震事件占比下降且巷道断面整体平整。研究结果为急倾斜巨厚煤层巷道安全掘进提供了科学依据。
图 1 急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采赋存环境特征
图 2 急倾斜煤岩综合柱状及其基本物理力学参数
图 3 B3 巷道掘进冲击地压时间前兆特征
图 4 B6 巷道掘进冲击地压时间前兆特征
图 5 急倾斜巨厚煤层巷道掘进微震空间分布特征
图 6 冲击地压发生的微震能量−频次分布特征
图 7 巷道掘进冲击变形能指数的空间分布特征
图 8 急倾斜巨厚煤层巷道掘进模型构建
图 9 急倾斜巨厚煤层巷道掘进应力云图分布特征
图 10 +400 m 水平 B3 巷道掘进后应力分布情况
图 11 +400 m 水平 B3 巷道掘进能量演化趋势
图 12 急倾斜巨厚煤层巷道掘进冲击地压发生机理示意
图 13 急倾斜巨厚煤层巷道掘进的冲击地压防治策略
图 14 +425 m 水平 B3+6 煤层开采爆破卸压方案示意
图 15 +400 m 水平 B3 巷道优化调整支护方案示意
图 16 防治措施应用前后现场巷道情况
图 17 +400 m 水平 B3 巷道掘进期间的微震能量−频次分布特征
来兴平，男，1971年生，宁夏平罗人，博士，教授，博士生导师。现任西安科技大学校长，教育部“全国高校黄大年式教师团队”负责人先后入选第三批国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、人社部百千万人才工程国家级人才等，兼任教育部地学部委员、中国岩石力学与工程学会软岩工程与深部灾害控制分会会副理事长、中国煤炭工业协会专业委员会委员等，为国务院特殊津贴获得者、全国煤炭工业先进工作者、霍英东基金会第九届青年教师等。先后承担国家自然科学基金重点项目等国家级项目6项，获省部级一等奖9项。
研究方向
煤炭能源开采与岩石力学研究
主要成果
长期致力于西部矿区动力灾害预报与科学采矿研究。研究了西部强震区历史性地震作用后岩体强度损伤特性，揭示了煤岩体破坏致灾时间-空间-强度内在声震波力传递规律，发明了集成监测方法和装置；开发了大型三维物理模型实验方法与测试新技术；建立了以声震波力实测为基础的采矿设计优化体系，形成西部矿山动力灾害预报与科学采矿新理论。已获得发明专利15项，出版专著7部，发表论文200余篇。
来源：
来兴平，贾冲，胥海东，等. 急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压前兆特征及其灾害防治[J]. 煤炭学报，2024，49(1):337−350.
责任编辑：宫在芹
