冲击地压危险区域保护层开采技术及应用

Mining Technology and Application of Protective Layer in Rock Burst Dangerous Area

摘要: 通过开采保护层区域防治冲击地压措施能有效解决灾害严重矿井生产接续与灾害治理工程相互制约的问题，优化生产布局、采掘部署，兴安煤矿经过开采四水平南23层二区一段后，23层工作面顶板能够断裂，应力得到充分释放，可判定准备回采21层工作面受下伏23层保护，通过回采实践，提供了可参考的依据，在今后的技术工作中值得广泛借鉴与推广应用。

Abstract: The prevention and control measures of rockburst in the mining protective layer area can effectively solve the problem of mutual restriction between mine production continuity and disaster control engineering, and optimize the production layout and mining deployment. After mining the first section of zone 2, layer 23 in the south of level 4 in Xing’an Coal Mine, the roof plate of layer 23 working face can be broken and the stress can be fully released. It can be determined that the working face of layer 21 ready to be mined is protected by the underlying layer 23. Through mining practice, It provides a reference basis, which is worthy of extensive reference, popularization and application in the future technical work.

1. 前言

随着开采深度的不断加深，冲击地压灾害显现愈发严重 [1] [2] [3]，煤矿企业生产成本也在逐年升高，在保证安全的前提下，节约生产成本，提高效益是今后煤矿发展的必然趋势，这就要求我们从防治冲击地压角度出发，综合考虑生产布局，合理布置煤层开采顺序，优先开采保护层 [4] [5] [6]，解放被保护层，保证矿井可持续发展。

2. 工作面概况

2.1. 下保护层 [7] [8] 23层简要概况

兴安煤矿23层煤2017年经佳木斯瓦斯地质研究院鉴定煤层及顶、底板为弱冲击倾向性 [9] [10]，开采的四水平南23层二区一段根据地质因素及开采技术因素 [9] [10] [11]，综合评价为弱等冲击危险，评价参数及结果见表1。该区工作面走向540米，面长132米，煤层平均倾角27˚，煤层平均厚度3.0米。23号煤层直接顶板为8.62米厚灰色粉砂岩，坚硬，底板为2.3米厚灰色粉砂岩，坚硬。距上覆23-1号煤层21.6米，其间以粉细砂岩为主，煤层厚度为0.85米，未采，距下伏24号煤层27.2~42.7米左右，一般35米，煤层厚度2.5米左右，未采。工作面自2017年10月开采至2018年10月回采结束。

Table 1. Evaluation Result of the First Section of the second zone in the 23rd floor of the south of the fourth level

表1. 四水平南23层二区一段评价结果

2.2. 被保护层上覆21层简要概况

兴安煤矿三水平南21层二区三段轨道现由5101掘送队施工，机道由5102掘进队施工。地质因素及开采技术因素，综合评价为弱等冲击危险，评价参数及结果见表2。该区工作面平均走向310米，倾斜宽平均80米，煤层平均倾角31˚，煤层平均厚度3.02米。21号煤层赋存较稳定。直接顶为6.32米~10.32米厚深灰色粉砂岩，具水平层理，中硬，底板为6米~11.4米厚深灰色粉砂岩。距上覆18号煤层26~38.5米，一般32.25米左右，其间以粉细砂岩为主，距下伏22-1号煤层层间距为6~11.4米，一般8.7米左右，其间以深灰色粉砂岩为主，未采。

Table 2. Evaluation result of 21st floor, 2nd District and 3rd Section in south of Sanshuiping

表2. 三水平南21层二区三段评价结果

3. 保护层开采论证

3.1. 邻层关系对照说明

三水平南21层二区三段和四水平南23层二区三段平面关系如图1，由于三水平南21层二区三段下伏四水平南23层二区三段已采完，层间距在50~60米左右，23层工作面自工作面开采至回采结束，采用SOS 微震监测、钻屑法监测 [11]。工作面开采期间，钻屑数值均未超过临界值，现场施工钻屑钻孔时，孔内无动力现象，巷道无变化。通过微震监测，该工作面发生1E + 03J以上震动423次、1E + 04J以上震动12次。出现1E + 04J以上震动时，采取钻屑法检验后，均未超过临界值班，工作面自开采至结束，机轨两巷及工作面无压力显现。

Figure 1. Comparison of plane relationship between protective layer under No. 23 coal seam and No. 21 coal sea under protective layer

图1. 23号煤层下保护层与被保护层21号煤层平面关系对照图

3.2. 两带高度经验估算

依据《煤矿防治水细则》两带高度经验计算公式：

(1) $\text{H}冒=\frac{100{\displaystyle \sum \text{m}}}{0.49{\displaystyle \sum \text{m}}+19.2}\pm 4.71=\left[100\times 3.0÷\left(0.49\times 3.0+19.2\right)\right]+4.71=19.22米$，即23层采后冒落带

盖度为19.22米；

2) $\text{H}裂=\frac{100{\displaystyle \sum \text{m}}}{0.26{\displaystyle \sum \text{m}}+6.88}+11.49=\left[100\times 3.0÷\left(0.26\times 3.0+6.88\right)\right]+11.49=50.65米$，23层采后裂隙带

的高度为50.65米，21层回采处于下伏23层采后的裂隙带之上缓慢下沉带内 [12] - [17]。

3.3. 保护层效果分析

根据防治煤矿冲击地压细则中保护层选取范围确定：

Table 3. Pressure Relief Angle of the protective layer in the inclined direction (˚)

表3. 保护层沿倾斜方向的卸压角(˚)

Table 4. Maximum protective distance between the protective layer and the protected layer

表4. 保护层与被保护层之间的最大保护垂距

由于四水平南23层煤层顶板上方22.47米有一层25.2米厚粉砂岩，属坚硬岩层，该粉砂岩在23层裂隙带范围内，其岩层在开采期间，能够充分断裂，不存在能量积聚 [18] [19] [20]。按表3、表4数据得知，掘送及回采21层煤时，选取下保护层范围为<100。根据表3得出结果，轨道取ð2 = 90˚，机道取ð1 = 69˚。根据图2，21层煤与23层煤坡面关系图，无论保护层沿倾斜方向的卸压角，还是保护层与被保护层之间的距离都说明了21层煤处于下伏23层采后保护有效范围内。

Figure 2. Relationship between 21-layer coal and 23-layer coal section

图2. 21层煤与23层煤剖面关系图

4. 结论

1) 根据以上理论分析、数值计算和微震、钻屑等现场观测后发现，通过开采23层煤后23层工作面顶板能够断裂、应力得到充分释放 [18] [19]，因此21层工作面受下伏23层保护，依据防治煤矿冲击地压细则规定，对被保护区域的21层煤进行钻屑监测，指标无异常，确定21层二区三段保护层有效无冲击危险。

2) 三水平南21层二区三段已由综采二队于2021年9月5日~11月5日开采完毕，日推进度最高可达8米，工作面自开采至结束，机轨两巷及工作面均无矿山压力显现，微震监测没有震动显现，钻粉率检验数值正常 [18]。通过下保护层开采，解放安全煤量10.6万吨，科学释放了安全经济产能，上覆被保护层无灾害治理工程量，节省灾害治理费用54.4万元，取得了良好的经济效益。

3) 通过开采保护层区域防治冲击地压措施能有效解决灾害严重矿井生产接续与灾害治理工程相互制约的问题，为日后优化生产布局、采掘部署，提供了可参考的依据，在今后的技术工作中值得广泛借鉴与推广应用。