深部坚硬顶板厚煤层开采冲击矿压规律及防治技术_赵猛.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 深部坚硬顶板厚煤层开采冲击矿压规律 及防治技术 赵猛 1， 张晓明1， 王 楠 1， 孙怀明1， 苏仁元2， 田鑫元3 （1．山东能源临矿集团 生产技术处， 山东 临沂 276017； 2．华亭煤业集团有限责任公司 华亭煤矿， 甘肃 平凉 744100； 3．中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116） 摘要 以古城矿深部坚硬顶板厚煤层开采为研究背景， 分析了 2103 工作面冲击矿压事故的诱 因， 总结了矿井冲击矿压的规律， 得出了深部厚煤层开采冲击显现更加频繁， 事件能量及影响范 围更大， 以及断层及覆岩活动是诱发冲击矿压的主要因素。同时， 指出了深部厚煤层卸压时效较 短， 并基于矿井实际条件提出了基本卸压措施和补强卸压措施。以大直径钻孔、 煤体及顶底板爆 破等技术手段， 对巷道及工作面采取相应的卸压措施， 以钻屑法为点检测手段验证卸压效果。现 场实践表明， 该措施能够有效防治冲击矿压， 降低了冲击事故的发生。 关键词 坚硬顶板； 厚煤层； 冲击矿压； 诱发因素； 卸压措施； 钻屑法 中图分类号 TD324文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 01-0089-05 Research on Rock Burst Laws and Prevention in Deep Hard Roof Coal Seam Mining ZHAO Meng1, ZHANG Xiaoming1, WANG Nan1, SUN Huaiming1, SU Renyuan2, TIAN Xinyuan3 （1．Production Technology Department, Linyi Shandong Energy Group Co., Ltd., Linyi 276017, China;2．Huating Coal Mine， Huating Coal Group Co., Ltd., Pingliang 744100, China;3．School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China） Abstract Based on the research of deep hard roof thick coal seam mining in Gucheng Coal Mine, this paper analyzes the inducement of 2103 working face rock burst accident, summarizes the law of mine rock burst, and concludes that the deep thick coal seam mining has more frequent occurrence of impact, the energy and sphere of influence is greater, also concludes that faults and overburden activities are the main factors in inducing rock burst． At the same time, it is pointed out that the time limit of deep thick coal seam discharge is short, and the basic pressure discharge measures and measures to replenish the pressure are proposed based on the actual conditions of the mine． With the blasting of large -diameter drilling and coal seam, and other technical measures, take corresponding pressure relief measures on the roadway and working face, drill is used as point detection means to verify the effect． The field practice shows that the measure can effectively prevent and control the rock burst and reduce the occurrence of impact accidents． Key words hard roof; thick coal seam; rock burst; inducing factors; pressure relief measures; drilling cuttings 自 1783 年煤矿冲击矿压现象首次被报道以来， 各产煤国相继出现冲击矿压威胁[1]， 国内外学者对 其发生机理、监测预警以及防治方面进行了研究， 取得了大量的研究成果[2-4]。但由于冲击矿压发生机 制的复杂性，还没有非常有效的技术来跟踪探知井 下复杂地质条件及采动应力的变化，因此不能对冲 击矿压做到准确的预测预报，只能根据现有的相关 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．020 赵猛， 张晓明， 王楠， 等．深部坚硬顶板厚煤层开采冲击矿压规律及防治技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1 ） 89-93． ZHAO Meng, ZHANG Xiaoming, WANG Nan, et al． Research on Rock Burst Laws and Prevention in Deep Hard Roof Coal Seam Mining ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 89-93． 基 金 项 目 江 苏 省 研 究 生 科 研 与 实 践 创 新 计 划 资 助 项 目 （KYCX19_2176） ； 中国矿业大学研究生科研与实践创新计划资助 项目 （ZGKD19_2176） 移动扫码阅读 89 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 理论提前采取卸压措施， 降低冲击危险性。 现场资料统计表明[5]， 煤矿冲击矿压与采深呈 线性相关， 一般来说采深越大， 越容易发生冲击， 其 强度和破坏更大。研究表明[6]， 随开采强度增大， 厚 煤层的冲击频次更高， 致灾程度更严重。同时， 坚硬 顶板也是诱发煤矿冲击矿压的主控因素之一[7]。针 对古城煤矿大采深、坚硬顶板厚煤层开采的特殊 性， 主要研究其发生的冲击矿压规律及防治措施。 1矿井概况及冲击显现 1.1矿井概况 古城煤矿位于山东省兖州市东郊，井田内交通 便利，于 2001 年投产， 2015 年核定生产能力为 180 万 t/a， 采用立井、 暗斜井多水平开拓方式。地面标 高50 m 左右， 分 3 个水平， 第一水平-505 m， 第二 水平-850 m， 第三水平-1 030 m， 开采工艺为条带 式综采放顶煤。古城矿地质构造复杂， 地面建筑多、 道路广， 泗河流经矿区， 属典型的 “三下” 采煤。矿井 断层构造发育， 是诱发冲击矿压的重要因素之一。 矿井主采煤层为 3 煤， 煤层倾角 10～30， 平均 煤厚 8.5 m，根据煤岩层冲击倾向性鉴定结果， 3 煤 为强冲击倾向性煤层，其顶底板为弱冲击倾向性岩 层。钻孔资料显示， 3 煤直接顶为 3.5 m 的砂质泥 岩， 基本顶为 21.1 m 的中砂岩， 工作面回采后会造 成基本顶悬空，其发生初次垮落及周期垮落时均会 产生较大动载。同时， 3 煤上覆高位有数层 40～140 m 厚的坚硬岩层， 巨厚坚硬岩层的弯曲、 断裂易诱发 冲击矿压。 1.2冲击事故分析 2009 年 2 月 28 日， 在矿井 2103 运输巷拐弯处 附近发生了严重的冲击事故， 2.28 事故破坏范围如 图 1。造成 2103 运输巷延长段、 2103 泄水巷、 2103 运输巷共 260 m 巷道严重变形。顶底板移近距离 2.1～3.3 m， 巷道高度最小处不足 0.5 m。 结合事故发生位置及开采技术条件，对事故诱 因进行剖析 1） 3 煤层具有强冲击倾向性。根据矿井煤层冲 击危险鉴定结果， 2103 工作面所采的 3 煤层具有强 冲击倾向性， 同时煤层顶底板具有弱冲击倾向性。 2） 埋深大， 煤层静载应力高。 煤层埋深在 1 000 m 左右， 静载应力达到了 25 MPa， 而 3 煤的单轴抗 压强度为 20 MPa， 根据冲击破坏的应力与煤单轴抗 压强度之间的关系，当煤体应力超过 45 MPa 时便 会发生冲击。 3） 覆岩有厚硬岩层， 易形成动载。根据钻孔资 料， 3 煤顶板为 21 m 的中砂岩，上覆 500 m 范围内 还有其他厚硬岩层， 其破断下沉会产生较大动载。 4） 采空区、 断层以及工作面开采活动影响。 2103 工作面冲击矿压发生位置处于 2105 工作面切眼后 方应力升高区， 同时工作面靠近 F9大断层， 震源附 近还存在一些小断层，加之工作面逐渐向前推进产 生扰动叠加作用使得煤柱应力进一步升高。 5） 工作面布置不合理， 巷道交叉。2103 运输巷 本身受采空区影响，同时在巷道拐角处巷道交叉且 正好处于 2105 工作面切眼后方应力升高区。 冲击事故的发生往往是多因素耦合作用，这也 是其难以准确预测的主要原因，研究矿井冲击矿压 发生规律，提前对危险区分区分级进行处理，能够 避免冲击矿压的发生。 2古城矿冲击矿压规律 古城煤矿采深较大，目前矿井采场全部位于三 水平， 最大采深超过了 1 200 m， 远远超过了冲击矿 压发生的临界深度， 而且煤层本身具有强冲击危险， 加之厚煤层上方 500 m 范围内赋存有数层坚硬顶 板， 根据动静载叠加理论[8]， 随着工作面向前推进， 覆岩破断时产生的动载很容易诱发冲击矿压。与薄 煤层开采相比[9]， 厚煤层开采诱发的冲击矿压也呈 现出一定的规律，明确其发生机制能更好的指导现 场进行冲击危险监测与防治。经过对煤矿发生的冲 击事故进行分析， 可以得出以下规律 1） 冲击强度及范围更大， 时间更短。古城矿由 于煤层埋深加大，煤体本身承受较大的静载，加之 构造应力及采空区及开采扰动的影响，当出现较大 动载，如工作面初次来压或周期来压时，若高应力 图 12.28 事故破坏范围 Fig.12.28 Damage scope of accident 90 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 图 3迎头大直径深孔卸压钻孔布置 Fig.3Distribution of large diameter deep hole pressure relief boreholes at the head 区没有提前采取有效的卸压措施，极有可能会诱发 冲击矿压。同时，厚煤层在高应力下必然储存着更 多的弹性能，当煤体所受载荷超过极限时释放， 巷 道在煤岩体冲击下发生变形破坏，其破坏强度及范 围更大， 能量释放时间更短。 2 ） 冲击显现频繁， 井下大能量事件频发。古城 矿安装了 SOS 微震监测系统， 对近年来大能量事件 进行统计， 大能量事件统计见表 1， 可以看出现场大 能量事件较多，同时根据现场反映，工作面开采区 域经常存在 “煤炮” 。不论是矿震还是较小的冲击显 现都是能量释放的一种方式，这种能量释放一方面 反映煤体承受的应力较高，同时也能有效降低冲击 危险程度。 3） 受覆岩运动及构造影响较大。古城矿冲击事 故统计结果如图 2。 可以看出， 约有 64的冲击事故 是由覆岩运动及构造作用诱发的，由于煤层上方本 身存在着高应力， 只需要很小的动载便能诱发冲击。 4） 卸压时效更短。目前来说， 防治冲击矿压最 有效的方式就是提前在冲击危险区采取卸压措施， 但是任何卸压措施均存在着时效性，埋深越大， 应 力越高， 时效越短。 3古城矿冲击矿压防治 古城矿对于冲击矿压的防治主要体现在“强卸 压、 强支护、 强监测、 强监督” ， 而卸压作为防治工作 的核心， 主要包括基本卸压措施和补强卸压措施， 基 本卸压措施即对掘进区及回采工作面高应力区提前 进行卸压措施，补强卸压措施即对采取过基本卸压 措施但经检验仍为高应力的区域， 采取加密卸压。 3.1掘进工作面基本卸压措施 1） 工作面超前钻孔卸压。掘进工作面迎头受超 前支承压力及掘进扰动影响，迎头前方形成应力集 中区，故在迎头打超前钻孔卸压，使工作面迎头的 高应力区向深部转移。为保障施工安全，在掘进工 作面迎头同时施工 3 个卸压钻孔，设计钻孔深度为 15 m，直径为 150 mm，布置在距巷道底板不小于 0.5 m 的位置， 迎头正中 1 个， 两侧 45各布置 1 个， 迎头大直径深孔卸压钻孔布置如图 3（黑色线为施 工线， 当设计位置施工困难时可向两边调整， 即蓝色 和红色线的位置， 保证施工效果） 。每掘进 5 m 进行 1 次循环卸压， 使掘进迎头保持不小于 10 m 的卸压 保护带。 2） 两帮覆盖式钻孔卸压。古城矿掘进巷道埋深 较大， 绝大多数工作面埋深超过 1 000 m， 古城煤矿 掘进巷道埋深较大，绝大多数工作面埋深超过 1 000 m， 根据 “应力三向化转移” 原理， 对具有冲击矿压危 险的掘进巷道帮部采用大直径钻孔进行卸压。巷道 两帮一次卸压孔参数选用孔径 150 mm， 深度 20 m， 间距 2 m， 布置在距巷道底板不小于 0.5 m 的位置， 巷帮大直径深孔卸压钻孔布置如图 4。两帮卸压钻 孔距迎头最大距离不得超过 8 m。二次卸压施工在 年度 大能量事件数 104～105J105～106J106～107J 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 1 861 2 015 1 369 1 234 2 247 4 114 6 542 152 87 23 44 96 64 72 7 0 0 0 4 3 7 表 1大能量事件统计表 Table 1Large energy event statistics table 图 2冲击矿压事故统计 Fig.2Statistics of rock burst accidents 91 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 7炮眼布置示意图 Fig.7Shot hole layout diagram 图 4巷帮大直径深孔卸压钻孔布置 Fig.4Arrangement of large diameter deep hole pressure relief boreholes in roadway side 一次卸压两孔中间，施工参数和一次卸压相同， 距 迎头不得超过 40 m， 卸压完成后方可掘进施工。 3） 巷道留底煤卸压。当巷道底板底鼓严重或底 板留底煤 （泥岩） 厚度超过 1.5 m 时， 必须实施爆破 断底卸压措施， 放炮断底示意图如图 5。 使钻孔围岩 卸压和底板中水平应力峰值向底板深部转移，留底 煤区域处理距离迎头不得超过 8 m。古城煤矿根据 留底煤情况分为根据设计要求留设底煤、遇断层 留底煤、 巷道穿煤层掘进留底煤。 3.2回采工作面基本卸压措施 古城煤矿回采工作面基本卸压措施主要有进、 回风巷超前松动爆破卸压、两帮覆盖式钻孔卸压、 工作面 “见方” 范围顶板爆破预裂卸压。 1 ） 断顶卸压。随工作面推进， 煤层上方坚硬基 本顶易大面积悬顶而产生较大动载诱发冲击矿压， 因此，在工作面回采前对轨道巷、运输巷见方范围 进行爆破断顶施工。通过切断顶板，进而促使采空 区顶板垮落，削弱采空区与待采区之间的顶板连续 性，减小顶板来压时的强度和冲击性，此外爆破可 改变顶板的力学特性，释放顶板所积聚的弹性能， 从而达到防治冲击矿压发生。由切眼端头开始沿巷 道走向每间隔 5 m 施工 1 个断顶孔，孔深 28 m， 每 孔装药量 12 kg，顶板深孔爆破钻孔施工布置剖面 图如图 6。 2） 超前松动爆破卸压。根据煤岩体的强度弱化 减冲理论[10]， 爆破卸压可以破坏煤体结构， 改变煤体 物理力学特性， 使煤体积聚弹性能的能力大大下降， 使高应力向深部转移，其作用与大直径钻孔卸压相 似，主要针对煤体较硬不塌孔情况实施。大直径钻 孔卸压时，连续出现 3 孔不塌孔 （孔内 15～20 m 段） ， 需要采用煤体超前松动爆破卸压， 爆破卸压超 前回采工作面至少 300 m。施工钻孔与煤壁呈 75～ 80夹角且上抬 5～15施工， 钻孔距底板 0.5～1.2 m， 孔深 15 m， 间距 4 m， 装药采用矿用二级乳化炸药， 装药长度 4 m （装药量 11 kg） ， 封孔长度 6 m。炮眼 布置如图 7。 3） 两帮覆盖式钻孔卸压。通过大直径钻孔卸压 抽出煤粉， 使煤体由高密度弹塑性变为低密度塑性， 能够改变煤体的物理力学性质，降低煤体发生强冲 击的可能，使巷道周围 20 m 范围内的煤体由强冲 击倾向性变为弱冲击倾向性，释放弹性能，能起到 动载释放，缓冲矿震来压作用。卸压孔参数选用孔 径 150 mm、 深度 20 m、 间距 2 m。 图 5放炮断底示意图 Fig.5Shooting bottom break diagram 图 6顶板深孔爆破钻孔施工布置剖面图 Fig.6Section drawing of drilling construction layout for roof deep-hole blasting 92 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 3.3补强卸压措施 补强卸压措施包括掘进工作面、回采工作面 2 个阶段的卸压，其中掘进工作面补强卸压措施有遇 断层加密卸压、 巷道开门前卸压、 巷道贯通前卸压、 掘进扰动区域卸压。回采工作面巷道补强卸压措施 主要包括不规则孤立煤柱、过联络巷、邻近大型地 质构造、扩面缩面等区域补强卸压。卸压参数根据 区域应力状态，参照基本卸压措施选择相应参数， 确保卸压达到良好卸压效果。 4结论 1） 深部厚煤层开采冲击显现更加频繁， 其强度 更大，影响范围更广，主要诱发因素为断层构造及 覆岩运动。 2） 深部厚煤层承载能力较低， 且积聚有大量弹 性能， 应力虽易于向煤层深部转移， 但时效较差， 峰 值应力位置趋于恢复到卸压前的位置。 3） 深部厚煤层冲击危险的防治要以卸压为主， 提前规划， 辅以强监测、 强支护、 强监督， 统筹兼备， 全方位、多层次对危险区进行治理，使得高应力向 深部转移， 降低冲击危险性， 保证安全回采。 参考文献 ［1］ 蔡武．断层型冲击矿压的动静载叠加诱发原理及其监 测预警研究 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2015 1－153． ［2］ 潘俊峰， 宁宇， 毛德兵， 等．煤矿开采冲击地压启动理 论 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2012， 31 （3） 586－595． ［3］ 刘金海， 翟明华， 郭信山， 等．震动场、 应力场联合监测 冲击地压的理论与应用 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （2） 354－362． ［4］ 姜耀东， 赵毅鑫．我国煤矿冲击地压的研究现状 机 制、 预警与控制 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2015， 34 （11） 2189－2201． ［5］ 窦林名， 何学秋．冲击矿压防治理论与技术 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版社， 2001． ［6］ 李振雷．厚煤层综放开采的降载减冲原理及其工程实 践 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2016 8－27． ［7］ 杨敬轩， 刘长友， 于斌， 等．坚硬厚层顶板群结构破断 的采场冲击效应 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2014， 43 （1） 8－14． ［8］ 窦林名， 何江， 曹安业， 等．煤矿冲击矿压动静载叠加 原理及其防治 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （7） 1470. ［9］ 何江， 窦林名， 陆菜平．薄煤层冲击矿压特征及防治研 究 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （7） 1095－1097． ［10］ 窦林名， 陆菜平， 牟宗龙， 等．冲击矿压的强度弱化减 冲理论及其应用 ［J］ ．煤炭学报， 2005， 30 （6） 691. 作者简介 赵猛 （1986） ， 男， 工程师， 学士， 现任山 东能源临矿集团生产技术处管理员。 （收稿日期 2019-07-05； 责任编辑 陈洋） 93 ChaoXing