深部地堑构造区掘巷防治冲击地压技术研究.pdf

2 0 0 9 年 第6 期 童 娃差 升技 1 3 7 深部地 堑构造 区掘巷 防 治冲击地压技 术研 究 赵延峰 ， 朱跃泉 新汶矿业集团责任有限公司协庄煤矿， 山东 新泰2 7 1 2 2 1 摘要对深部地堑构造区掘巷发生冲击危险性预测分祈， 进而对危险区进行监测预报， 并对危险区域的施工制定了解危、 防护、 防范、 综合措 麓， 使赶险区域达到安全区域， 确保了掘巷安全， 提高了巷遭掘进速度。 关 词地堑构造监测预报冲击地压 中国分类号 T D 3 2 4’ ． 2 3 文献标识码B 协庄煤 矿 一8 5 0 m水平 地质条 件复杂 ， 断层发 育 ， 2 2 0 5 W 运输巷 受地堑构造 断层 的影响 ， 巷道施工 中表 现压力异常， 煤炮频繁、 矿震、 微震显现十分的强烈， 因 此 ， 需要 研究地堑构造 区冲击地压发生 的原 因及机理 ， 制定切实可行 的技术措施予 以防治。 1 地 堑构 造冲 击地压 机理分 析 地堑构造是两 条 以上 倾 向相对 的正断 层构成 ， 断 层围岩的上、 下盘组成变形系统， 在未开采前， 断层带 介质和上下盘岩体处于静平衡状态。煤层开采 或巷 道开挖 后形成 附加应力 ， 在原有剪应力和附加应力 的 合力作用下 ， 断层带岩石发生变形 。当采煤 面 或 掘进 巷道 距断层 较远 时 ， 附加剪应力 较小 ， 此 时断层带 岩 石应力值仍在峰值强度 以下 ， 处 于稳定状态 ， 随着采 煤 面 或掘进 巷道 临近 断层 ， 工作 面距断层 距离 减小 ， 附加应力逐步增大， 当附加剪应力与原有剪应力之和 大于峰值强度时， 断层带岩石处于非稳定状态 ， 而断层 上下 盘围岩还 处于稳定状 态 ， 这样 断层 附近整 个变 形 系统 由断层带 的非稳定状态和断层上下盘的 围岩稳 定 状态这 两部 分组 成 。当巷道 掘到某 ～临界位 置时 ， 整 个变形 系统处 于非稳定状 态 ， 从而 导致 失稳而 发生 冲 击地压 。 2 地 堑构造 区 冲击危 险分析 2 ． 1 2 2 0 5 w 运 输巷地质 条件 2 2 0 5 W运输巷位于 F 2 5号断层上盘和 F 1 6断层上 盘之间 ， 两条正断层倾 向相对 ， 中间地块相 对 下降 ， 两 侧岩体相对上升， 为一典型地堑。详见图 1 。 2 ． 2 地 堑构 造 区危 险 性预测分 析 1 地堑构造附近围岩性质对断层冲击地压的影 响 构造附近岩石应变软化特性越强， 围岩剪切弹性模 量越小， 则系统越容易失稳导致断层构造型冲击地压。 2 地堑构造是 由两条以上倾 向相对正断层组成 收稿 日期 2 0 0 9 0 60 1 作者简介 赵延峰 1 9 7 1 一 ， 大专学历， 在协庄煤矿生产技术部从 事现场生产管理和技术管理多年。 一 ／ 图 1 2 2 0 5 W 运 输 巷平 面 图 的 ， 地堑构造两盘产生的应力集 中程度非 常高 ， 因此地 堑附近发生冲击地压的几率远大于其他断层。 3 地堑构造冲击地压可以连续不断地发生， 它是 一 个振荡过程 ， 具有 间歇性 。同一采 区同一断层 ， 只要 发生一次冲击 地压， 就有再 次发生 冲击地压的危险。 4 2 2 0 5 W 运输巷受两大 断层 的挟制 ， 受 断层 构造 残余应力影响 ， 会造成局部应力集 中 ， 构 成潜 在的冲击 危险。 3监测 预报方 法及监测 方案 实施 3 ． 1 监测预 报方 法 在冲击地压煤层顶、 底板施工的巷道中揭露断层 时， 主要采用电磁辐射法和顶板动态法监测。冲击地 压煤层巷道揭 露断层时采用 电磁辐射法 、 钻屑法 、 顶板 动态法三种方 法。 3 ． 1 ． 1 预报 频次 1 电磁辐射监测 一般危险区域每天监测一次。 2 顶板动态监测法 一般危险 区域每天与电磁 辐射法 同步进行监测一次。 3 煤粉监测法 与电磁辐射同步进行 ， 冲击危险 区域每循环监测一次。 3 ． 1 ． 2测点布 置 1 电磁辐射法监测。迎头布置三个测点 ， 分别 位于迎头正中， 迎头左侧、 迎头右侧， 迎头后 6 0 m范围 内共9组 l 9 个测点。 2 顶板动态监测法测点布置 ①深部位移 采用 顶板离层指示仪， 每 5 m设置一 台。②表面位移 采用 十字布点法 ， 每 5 m设置一组点。 3 钻屑法监测 迎头往外依次每隔 5 m 、 l O re、 1 5 m、 2 0 m、 3 0 m各布置一个钻孔。 3 ． 2 监测方案实施 1 3 8 鸯堪晨 科妓 2 0 0 9 年 第6 期 3 ． 2 ． 1 监测 方案 根据地质资料和巷道实际揭露情况 ， 在接近断层 构造 3 0 m时， 采用①煤层预注水法； ②电磁辐射法； ③ 钻屑法； ④顶板动态监测法进行监测预报与防治。当 监测有冲击危险时 ， 采取爆破卸压和大直径钻孔卸压 等解危措施。 3 ． 2 ． 2 监 测结 果分 析 3 ． 2 ． 2 ． 1 电磁 辐射 监测 结果 在巷道施工 至距 断层 2 0 m时 ， 现 场经 电磁 辐射 仪 监测 ， 如图 2 。 昌 ●● l - 畦 1 ． 两帮位移 曲线2 ． 顶底板移近 曲线 图4 表面位移观测数据变化曲线图 由图4中可以看 出， A段为巷道开挖急剧变形段 ， B段 巷道 自身 开挖影响结束 ， 围岩变 形相对平 稳 ， C段受到 高应力作用后， 围岩急剧变形。 综合分析深部位移、 表面位移， 可以判定， 巷道在 c段对应时间内存在高应力， 具有冲击地压危险。 由此可见， 顶板动态监测法与电磁辐射法取得结 果相一致 ， 综合判定此巷道在接近 断层 2 0 m附近 ， 有较 高的构造应力显现 ， 具有冲击危险 。 2 8 37 46 5 5 6 4 73 8 2 91 1O 0 1 09 1 1 8 4危 险 区域 安全措 施 图2 电磁幅射强度 根据监测 结果 ， 电磁 辐射强 度 超过 正 常值 ， 因此 判定该区域有冲击危险。 3 ． 2 ． 2 ． 2 钻 屑 法监测结 果 在巷道施工至距断层 2 0 m时 ， 现场经 钻屑法监 测 ， 煤粉量超过或接近正常值， 每 m煤粉监测结果如表 1 。 表 1 钻 屑法监测 结果 3 ． 2 ． 2 ． 3 顶板动态监测结果 在 接近断层构 造 3 0 m时 ， 在该巷 道 迎头外 设 置 了 深部 位移 、 表 面位移监 测仪器 ， 随着巷道 的掘进及 临近 断层 ， 观测结果 如下 。 1 深部位移 见深部变化曲线图 图3 。 由图中可 以看出 ， 曲线 1和 2在 A段离 层量 和离 层速度都较大 ， 主要是受巷道开挖影 响 围岩 急剧变形 ， 在 B段都趋于平衡， 说明巷道 自 身 开挖影响在此范围 内已结束， c段离层量突然增大， 说明顶板受到高应力 作用导致顶板破碎下沉。 3 0 5 O 1 ． 深基点离层曲线2 ． 浅基点离层曲线 图3 深部位移观测数据变化曲线图 2 表面位移 见表面变化曲线图 图 4 。 4 ． 1 解危措 施 4 ． 1 ． 1迎 头爆破 卸压 爆破卸压一是 释放应 力 ， 二是 将 高应力 往 深部转 移 ， 消除冲击地压威胁 。 炮孔深度根据 L 3 M 确定 式中 卜 爆破孔深度， m； 一 巷高 ， m； A 一循环进度 ， m。 由此确定， 爆破孔深度为 9 ． 2 m 爆破直径 根 据钻 眼机具 和炸 药规 格， 选定 为 3 2 mm ； 炮孔布置 在迎头呈扇形布置； 起爆方式 采用双雷管双炮头起爆。 爆破效果见 图 5 。 4 ． 1 ． 2 巷 道 两帮 密集 钻 孔 卸压 在巷道两帮， 采用 4 2 m m 的钻头打密集钻孔卸 压 ， 眼孔间距 0 ． 5 m， 孔深 3 ． 5倍 的采高。 4 O 1 O 0 塞 时间／ s 脉冲数 时同／ s 图5 爆破效果图 4 ． 2 防 范措施 对从事开采冲击地压煤层的人员进行冲击地压知 识教育， 了解冲击地压发生的前兆的 下转第 1 4 0页 O 00 0O 0 OO H n 8 64 2 莒萄 1 4 0 童瞧晨 舛技 2 0 0 9 年 第6 期 2 ． 1 浅部预 防老 空水措 施 对于新矿井来说 ， 由于浅部开采距离地表较近， 合 理留设露头防水煤柱并确保其不被盗采是防止地表水 溃入的有效措施， 另外还要系统查明地表水系的构成， 井田的地理地貌、 构造形态 ， 浅部含水层富水性 ， 岩溶 裂隙的发育程度， 陷落柱及溶洞等水文地质条件， 并且 在施 工中做到有疑必探 ， 先探后掘 ， 这样才 能确保不受 水害威胁 。其 防治 的 主要 措施 是保 持 足 够 的隔 离厚 度， 限制开采上限， 杜绝非法剥离地表隔离层。 2 ． 2深部预 防老空水措施 对于深部矿井来说 ， 浅部老空线路长， 容易造成老 空积水， 当老空积水突破老空与生产区域的地下隔离 时 ， 老空水就会突出 ， 因此要做好 以下几方面工作 1 加强断层导水调查。加强地质构造调查、 分 析 ， 是杜绝断层带 沟通老空 突水 的有效措 施 。对 于存 在威胁有可能导水的断层， 必须做好预测预报、 超前探 放准备， 及时有效的排除水害隐患后 ， 方可继续生产。 2 邻近老空区时受老空水威胁调查。施工巷道 及生产工作面在施工初期即做好三线划分和进行防水 煤柱留设， 加大隔水层厚度及宽度， 当邻近老空区警戒 线或防水煤柱时， 必须做好预测预报 ， 并停止作业进行 探放水工作。 3 加 强浅 部老 空 的防水 设施 建设 ， 采取 密 闭 隔 离的方式对浅部老空水进行有效的控制 ， 延缓老空水 头压力及冲击力， 避免发生突水事故。 3 针对 地表 隐患点 的综合 治 理技术 研 究 3 ． 1 低 洼 积水 区域 这一部分主要是浅部开采的小煤井在不进行论证 分析的情况下， 私 自提高开采上限， 破坏了地表和老空 区域的有效隔离厚度， 使得采空区冒落裂隙高度达至 0 地表 ， 是造成地表低 洼的主要成 因。 针对这一隐患， 可以采取物探加回填的方法进行 治理， 对于历史资料不明的， 首先采用物探的方式确定 老空区的准确 位 置 ， 确 定 地表 水 的过 水通 道 ， 过 水 面 积， 然后在此基础上有针对性的进行回填 ， 加大隔水层 的厚度， 最大限度的减少地表水的下渗。 3 ． 2地 表 隔离带 剥离 区域 主要是地表违法盗采露头煤柱以及非法采砂、 取 土 ， 导致了对 浅表露 头保护煤柱 的破坏 ， 导通 了地 表水 与老空、 古空的水力联系通道 ， 是国有煤矿形成地表水 威胁的主要 原因之一。 针对这部分隐患 ， 主要采取回填的方式进行治理， 加大露头煤 柱隔水 层的厚度 ， 使地表水不再下渗井下。 3 ． 3地表 河流 地表河流有一部 分是经 过煤层 露头 的， 在 流经 过 程中 ， 不同程 度的存 在地表水下渗 的情 况 ， 也是煤 矿受 到地表水威 胁的一 个途 径。 针对这部分隐患 ， 可采取两种 治理方式 ， 一种是铺 底加固， 对河底进行底部混凝土铺设 ， 有意识加固河床 底部 ， 最大限度减少下渗的可能 ； 另外一 种方法是河流 改道， 避开煤层露头和距离地表较近的老空区， 使之不 会形成河水下渗 ， 这需要地方政府和管理部门的配合 。 4结语 ‘ 综合治理地表老空水系 ， 必须科学分 析形成 原因 ， 对 比分析查 清 形成 原 因， 采 综合 防治措 施 ， 源 头 封 堵、 疏通水道， 尽可能降低地表渗水 ， 同时疏通过水通 道 ， 杜绝积水区的形成 ， 并建设合理的隔水设施， 以保 证采矿区域的安全。 上接 第 1 3 8页 防治措施 。 4 ． 3 防护 措施 断层构造型冲击地压危险区内机电设备要生根固 定 ， 风水管使用软管并栓牢， 不准存放铁质物品。 4 ． 4 综合 措施 1 缩小循环进度， 缩小锚杆问排距， 提高支护强 度， 加强锚索补强支护。 2 匀速掘进， 并控制掘进速度。 3 确保锚杆支护质量和掘进工程质量 ， 提高抗 灾 能力 。 5 结 论及 效益分 析 1 采用 电磁 辐射 法 、 钻 屑 法 和顶板 动 态监 测 法 对地质 构造带 冲击危 险区域 ， 进行 冲击地压监测 预报 ， 防冲实 践证 明是切实可行的 。 2 临近构造区时严格控制工作面掘进速度 ， 提 高支护强度和支护质量， 加强冲击危险的监测预报， 为 工作面安全通过断层及其附近区域提供了保障。 3 应用该综合防治技术 ， 临近构造施工的冲击 地压煤层巷道及在冲击地压煤层顶、 底板施工的开拓 巷道在揭露断层或在断层附近送巷时， 无一发生冲击 地压事故 ， 确保 了安全 施工。