综采工作面顺槽冲击地压防治.pdf

2 0 0 9 年 第6 期 东瞧晨 斜技 1 4 l 综 采工 作 面顺槽 冲 击地 压 防 治 原斌 同煤集团大同煤炭技术学院 ， 山西 大同0 3 7 o o 3 摘要论文通过对冲 矗地压的形成机理进行分析， 科 学地提 出了综采工作面煤柱 下开采顺槽 冲击地压 的防治措 施， 并通过 实践应用加 以验 证和推广 。 关键词冲击地压 应力分析防治措施 中图分类号 T D 3 2 4 ． 2 文献标识码B Ab s t r a c t P a p e r s a n a l y s e t h e f o r ma t i o n me a c h a n i s m o f p r e s s u r e b u mp， t o t h e p r e v e n tio n a n d c o n t r o l me a s u r e t o e x p lo i t a t i o n p r e s s u r e b u mp u n d e r t h e s t m d e rs b y s c i e n t i fic a l l y ， a n d t h r o u g h a p p l i c a t io n t o v e r ific a t i o n a n d g e n e r a l i z a t io n ． 1 地质概 述 忻州窑矿 9煤层 埋藏深度为 2 4 7 m～ 2 7 9 m， 煤层 上 1 0 0 m～1 3 0 m为 2 层 小 窑采 空 区及煤 柱 ， 东三盘 区位于忻州窑矿 向斜东 部 ， 南东 高， 北 西低 ， 大致 呈一 单斜构造 ， 煤层 含一层不连续 的夹石 ， 厚 0 ． 0 5 0 ． 2 m， 为黑色粉砂岩， 含黄铁矿结核。煤层最大厚度为 2 ． 4 m， 最小为 1 ． 8 m， 平 均 2 ． 2 m。伪顶 为粉砂 岩， 波状层 理发育 ， 性脆 、 易碎 ， 厚 O ． 1 0 ． 6 m。直 接顶 为 中粗砂 岩 ， 以石英、 长石 为主， 硅质胶结 ， 含黄铁矿结核 ， 厚 9 ． 9 1 3 ． 9 m 。老 顶 为粉一 中粒砂 岩 ， 以石英 、 长 石为 主。 底板为灰 白色粉砂岩厚约 0 ． 7 8 ． O m 。 2 冲 击地压发 生的原 因 忻州窑矿东三盘区 9煤层 自开采以来， 先后首 采 的 8 5 0 6 、 8 5 0 8综采 工作 面受 上方煤 柱压 力的影 响 ， 巷道多次发生底 鼓 、 炸 帮、 煤体抛 出等冲击 地压现 象 ， 最严重的一次发 生在 8 5 0 8工作 面皮带顺 槽距 工作 面 1 0- 4 0 m段， 巷道突然发出煤炮 ， 并伴随底鼓， 底鼓高 约 1 ． 1 m， 掀翻转载机溜子， 压弯超前支护所用的 D 2 ． 5 m单体液压支柱。由于巷道变形及设备移位致使 开转载机的工人被挤身亡 ， 经认真分析， 认为该工作面 上方2撑层煤柱是诱发这次冲击地压的主要原因。 上 方 2 层采空 区煤柱遍 覆本盘 区 ， 严重地威 胁着 本盘 区安全生产和员工的生命安全。 3冲击地压 的形成 分 析 3 ． 1 应力分析 以8 5 0 8 工作面为例， 8 5 0 8工作面两送槽上方各有 一 道宽1 0 m的2 恨 煤柱通过， 而此次事故恰好在煤柱 边缘 3 I l l 处发生的， 根据矿山压力理论 由于 2 层的开 收稿 日期 2 0 0 90 61 7 作者简介 原斌 1 9 6 5 一 ， 男， 大学， 毕业于山东科技大学， 教师， 采矿工程专业工程师。 现任职于大同煤炭职业技术学院。 采， 原岩应力重新分布， 在煤柱边缘形成增压区， 向里 延伸形成减压区， 其交点为集中应力 ， 如果煤柱较大， 可有稳压区 ， 而此处煤 柱仅 l o re， 故整个煤 柱 只有增 、 减压 区 ， 煤柱上 的压 力 比原岩应力 大。根据 该矿 煤层 特征， 已实测得其集中压力区在煤柱前方 5 m处 ， 再则 由于 8 5 0 8 5 12 作面的 向前推进 ， 其采动压力也逐渐 向前 推进 ， 在工作 面前方 5 m处 ， 也 同样 形成集 中压 力。同 时由于巷道的掘进， 围岩压力重新分布， 在巷道两帮各 5 m处形成巷道压力集中区。三种压力集中叠加使工 作面前方的巷道两帮产生三向高压力作用 。 3 ． 2煤 层顶板 岩性及其 特征 东三盘区 9 层 8 5 0 8 工作面直接顶为中粗砂岩 ， 以 长石 、 石英为 主， 硅质胶结 ， 厚 为 9 ． 8 6～1 3 ． 8 7 m， 坚 硬。 底板为粉、 细砂岩 ， 厚 0 ． 7 0 7 。 8 2 m。煤层 性脆 ， 硬 度 系数 f 4 6 。由于工作面煤岩体坚硬， 不易破碎， 受 叠加应力的影响， 弹性变形较大、 塑性变形较小， 煤岩 体的直接特征为其储备能量创造了有利条件。再则由 于工作面顶板 较厚、 坚硬 、 不易 冒落 ， 造 成工作 面悬 板 较长， 为工作面前方煤壁及巷道积存了能量， 随着应力 的增加， 煤岩体储备了大量的弹性能量， 使部分煤岩体 接近极限平衡状态 ， 当工作面接近该地方时， 由于采动 压力使其力学平衡状态破坏， 积聚的弹性能突然释放 ， 形成冲击地压， 因为 8 5 0 8工作面顶板坚硬， 局部底板 薄弱 ， 底板处在两 向受力状态 ， 在强大 的作用下而发生 底鼓现象 。 4影 响冲击地 压发生 的 因素 通过对冲击地压形成的分析， 得知诱发冲击地压 的因素有两条 1 应力集 中程度； 2 岩石的物理力 学性质。由于东三9 群 煤层所处的地理位置在 2 } } 煤柱 下方， 2 鼻 煤柱对其产生的应力已无法改变， 故着重从东 三 9 煤层各综采工作面的煤岩物理性质人手， 因地制 宜的制定防治冲击地压的措施， 以确保东三 9 群 煤层各 综采工作面的顺利开采。 5 冲击地压的防治措施 下转第 1 4 3页 2 0 0 9 年 第6 期 东 堪j iI 钟枝 1 4 3 象 [ ] I t - l ] ／ r[ 1 ] 对于实际气体 ， 一维空间中固壁反射波的强度 超 压、 波速 小于上述公式计算值。反射后激波的传播规 律与正向激波相同。通过计算得出如下结论 1 反射波过后， 气体被压缩， 压力、 温度提高， 对 火焰传播有加速作用。 2 由于反射波与火焰传播方向相反， 反射波过 后产生的伴流速度方 向与火焰传播方向相反， 对火焰 传播有抑制作用 。 3 与火焰传播速度水平、 反射波强度及管道结 构有关。当反射波与火焰相交时， 对火焰传播影响最 大。当火焰传播速度很高时， 火焰过后 ， 反射波才传播 到该区域， 此时反射波对火焰传播速度无影响 但有可 能对火焰结构产生影响 。通过对实验结果分析得出 一 维受限空间 中终 端壁面反射波产生的伴 流速度对 火 焰传播起主导作用 ， 即总的效果是终端壁面反射波抑 制管内火焰传播。 3空 间长 度对 火场传 播速 率的作 用机理 井下巷道内发生火灾时， 开始的燃烧波是正常火 焰传播 ， 由正 常火焰 传 播产 生 的 已燃 气体 ， 随温 度 升 高， 体积会膨胀 ， 此 时就 会产生一 系列 的压缩 波 ， 这些 压缩波向未燃混气传播， 使未燃混气的压强、 密度、 温 度发生一个微小增量， 最后重叠在一起形成激波， 一旦 形成激波， 由于激波后面压力非常高， 使未燃混气着 火， 经过一段时间以后， 正常火焰传播与激波引起的燃 烧合二为一， 激波后的已燃气体又连续向前传递一系 列的压缩波， 并不断提供能量以阻止激波强度的衰减， 从而得到一稳定的爆轰波。爆轰波的传播速度比正常 火焰传播速度快的多， 达到火焰传播速度 的最大值。 因为由一系列连续压缩波重叠形成爆轰波有一个过 程 ， 需要 一段距离 ， 狭长空间的长度是火场传播 后期的 影响因素。爆轰波形成的过程如图 1 。 a 正常火焰传播 I _ 一0前面形成一系列压缩波 d ， d 一d ， d ” ⋯⋯； b 正常火焰传播 O 0 前方爆轰波 u ～u已形成， 并使未燃混合气着火； c 正常火焰传播 与爆轰波引起的燃烧合二为一 图1 爆轰形成过程示意图 上接第 1 4 1页 通过对东三 9 群 层岩体的力学分析及冲击地压 的 形成机理分析 ， 结合工作面的情况采取了如下措施 1 打放能孔。在 2 N煤柱下及两侧 l o re范 围 内 的巷道两帮各打一系列大孔径钻孑 L ， 切割煤体， 增加裂 隙， 使应力重新分布， 将原来煤体围岩的储能状态， 改 变为缓慢释放状态 ， 从而达到防治冲击地压的 目的。 钻孑 L 参数如下 孔径 1 5 0 ra m， 孔深7 m 减压区边缘 ， 设 备 7 5 液压钻 ， 孔高位置 1 ． 1 m 为煤 厚的 1 ／ 2处 孔 间 距 2 m， 采用单一布置形式 。 2 震动爆破。 在 2 群 煤柱下方并前后 l O re范围内 的巷道两帮各打一系列的震动爆破孔 ， 进行震动爆破， 以改变煤体应力分布状态， 使应力峰值内移， 改变煤体 的物理力学性质， 释放煤体能量， 增加破碎带宽度， 增 加冲击地压的夹持阻力。钻孔参数如下 孔径 4 2 m m， 孔深 5 m， 孔高位置 1 ． 1 m， 孑 L 间距 2 m， 每孔装药 量 0 ． 1 k g ／ m， 炮孔用黄土充填， 填实以增加震动效果。 3 煤体注水。在煤体下方及前后5 m范围内的巷 道两帮每隔 8 m各打一个注水孔， 向煤层注入压力水 ， 以改变煤体的物理力学性质， 降低强度， 使煤体塑化 ， 改善应力分布状态， 使煤体能量释放在时间上稳定、 在 空间上均匀， 从而达到治理冲击地压。钻孔参数如下 孔径 6 3 m m， 孔深3 0 m， 孔高位置 1 ． 2 m， 平行煤柱钻孔， 封孔长度 4 m， 注水孔 问距 8 m。 4 放顶。 在工作面两侧顺槽安全出口处及时进 行钻孔放顶， 割断与相邻工作面的力学关系及缩短古 塘悬板长度， 以缩短工作面周期来压步距， 减轻采场的 集中压力和弹性能积聚， 以防治冲击地压。参数 按步 距 5 m在工作面两端头布置一组钻孔， 每组两个， 垂高 5 m， 仰角7 5 。 ， 与巷道夹角0 。 ， 孔径4 2 m m。炸药为 3级 乳化炸药， 装药量每孔7卷。 5 为了及时切断顶板， 巷道两端头各采用两架 切顶支架进行支护。 6效益 忻州窑矿东三盘区 9 嚣 采用上述冲击地压防治措 施以来 ， 已顺利地开采了8 5 0 1 、 8 5 1 2三个工作面并经 历了 l 6条上方煤柱， 未发生一次冲击地压事故， 减少 了事故的影响时问及对综采设备的毁坏 ， 增加了综采 开采的安全系数， 每个等长工作面比原来提前 2 O天采 完 ， 显著提高了综采工作面的效益。