星村煤矿深部冲击矿压防治技术.pdf

星村煤矿深部冲击矿压防治技术 郑玉友,郭启彬 天安矿业有限公司,山东 曲阜273155 [摘 要] 针对威胁天安矿业有限公司星村煤矿深部E3103工作面的冲击矿压问题,分析了深 部开采矿井冲击矿压危险性及影响因素,提出了冲击矿压防治方案采用电磁辐射局部危险性监测法 和钻屑法进行冲击矿压危险性监测,依据冲击矿压的强度弱化减冲理论,采用煤层注水、钻孔卸压和 煤体爆破等软化煤体手段解除冲击矿压危险。实践证明,通过预测预报和冲击矿压解危技术的综合应 用,在一定程度上可以控制深部矿井开采中的冲击矿压灾害问题。 [关键词] 冲击矿压;深部矿井;危险性监测;软化煤体 [中图分类号] TD324 [文献标识码] B [文章编号] 100626225 2008 0220077204 Prevention Technology of Deep Rock Burst in Xingcun Colliery [收稿日期] 2007 - 09 - 24 [作者简介]郑玉友1961 - ,男,山东兖州人,现任星村煤矿矿压科科长。 随着我国煤矿开采深度逐年增加,许多矿井采 深已超过800m,甚至超过1000m,冲击矿压问题 越来越严重,发生的次数越来越多。深部开采矿井 围岩破坏的非线性力学特点和岩体的破坏表现形式 决定了深部冲击矿压的危险性和主要影响因素与浅 部矿井的重大区别,单一、常规的浅部冲击矿压防 治技术已不再适用于深部矿井 [3 ] ,因此,进行深 部开采矿井的冲击矿压防治工作迫在眉睫,尤其像 星村煤矿这样的初采阶段即进入深部开采的新建矿 井没有先期经验可以借鉴,所以必须高度重视冲击 矿压灾害的治理工作。 1 工作面冲击危险性 星村煤矿首采区E3103综放工作面,面长 144m,走向长350m,设计回采3 煤 ;采用轨道巷 进风,运输巷回风,“U”型下行通风方式,风量 1206m 3 /min。工作面巷道沿煤层底板走向布置, 采用锚网锚索钢带复合支护。E3103工作面在 巷道掘进过程中,多次发生断锚杆、断锚索等事故 以及发生煤炮、顶板震动和冒顶等矿山动力显现情 况。该矿地面标高 59m左右,煤层埋深- 900～ - 1200m,按照深部矿井的一般性划分标准 [4 ] ,该 矿属于典型的深部开采矿井。 首采区的3 煤层厚度 5195～8109m,平均厚度 为7126m,煤层倾角16～25,平均21,上方有 约11m和8m厚的细砂岩和中砂岩坚硬顶板,基本 顶以细砂岩为主,坚硬稳定,平均厚度11m左右, 硬度系数f 9～13,顶板厚度特征参数值Lst 68141m,对冲击矿压危险性影响较大,结合实验 室试验得出,顶板岩层的弯曲能指数为25156,顶 板具有弱冲击倾向性;试验确定该煤层具有弱偏强 冲击倾向性,煤岩组合情况下具有强冲击倾向性 见表 1 。根据地质条件和开采技术条件,采用综 合指数法确定E3103工作面冲击矿压危险指数Wt 0163 见表2 ,为中等冲击矿压危险工作面。 2 冲击矿压危险的监测体系 针对星村煤矿的煤岩冲击倾向性、矿井和深部 E3103工作面冲击危险性程度,综合运用电磁辐射 法、钻屑法、矿压观测法和巷道变形位移测量法等 冲击矿压危险性监测及预测预报技术,建立了深部 E3103工作面冲击矿压危险监测技术体系,其主要 结构流程为在以综合指数法确定矿井及工作面冲 击矿压危险性的基础上,采用电磁辐射法进行冲击 矿压危,险性日常监测。当监测到电磁辐射超过临 界指标或在短时间内变化剧烈,及时采取钻屑法做 进一步验证,若钻屑量依然超标,则确定为有冲击 危险,立即采取解危措施;若钻屑量正常,不必采 取措施,而采取电磁辐射法继续加强监测。 211 电磁辐射法监测 采用电磁辐射技术可以监测煤岩体的应力状态 和冲击危险性 [5 - 9]。巷道掘进期间的监测方案为 在掘进头布置3个点,然后从掘进头起100m范围 内,沿巷道两帮每隔10m布置1个点,掘进头每 77 第13卷 第2期总第81期 2008年4月 煤 矿 开 采 CoalMining Technology Vo1113 No12 SeriesNo1 81 April 2008 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 3煤及煤岩组合试样测定结果 测试目标 平均弹性能量指数WET平均冲击能量指数KE平均动态破坏时间Dr/ms 指标测试指标测试指标测试 冲击倾向性 软化煤5 WET≥23127KE≥5510850 3181 重量临界指标/kgm - 1 2130218 实际监测中除考虑煤粉量指标外,还应考虑动 87 总第81期煤 矿 开 采2008年第2期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 力效应。动力效应是反应冲击倾向的一个直观指 标,如钻杆卡死、跳动、出现震动或声响等现象, 通过记录钻孔时所发生的动力效应,可更加准确地 判断危险位置。 3 冲击矿压危险的控制体系 冲击矿压危险控制体系依据冲击矿压的强度弱 化减冲原理 [10～11 ] ,即随着回采工作面的推进或 巷道的掘进 , 在回采工作面掘进巷道周围煤 岩体中,存在着能量的积聚、转移、释放的过程, 而冲击矿压的防治则可以采用边回采掘进、边 监测、边治理的动态强度弱化减冲防治技术,即, “ 工作面回采掘进→ 冲击危险监测 → 能量聚积 → 卸压爆破 → 能量释放 → 生产 → 再监测 ⋯⋯” 。如 果电磁辐射和钻屑监测结果已处于临界危险状态, 确认存在冲击矿压危险后应立即采取解危措施。对 于冲击矿压危险区域,常用的解危措施包括煤层注 水、钻孔卸压和爆破卸压等方式。在实施钻孔卸 压、松动卸压爆破等解危措施后,要采用电磁辐射 法或钻屑法进行卸压前后的监测,并将监测结果进 行比较,以确定卸压解危效果,若冲击矿压危险仍 然存在,必须再采取解危措施并进行效果检测,直 至消除冲击矿压危险。 311 高压注水软化煤体 该方法是向实体煤层注水,通过压力水的物理 化学作用,软化煤体降低煤层的冲击倾向性,使高 应力区向深部转移,将煤体内可以逆转的弹性能转 化为不可逆转的塑性能,从而达到解危的目的,同 时还可起到降尘的作用 [1 ]。煤层注水是在轨道巷 进行的,距离开切眼30m、每15m打1个平行煤层 的注水钻孔,孔深75m,钻孔直径42mm,共9个 孔,注水范围为120m,由于注水的时效较长,可 以达到1个月以上,故注水一般安排在回采之前进 行,E3103工作面的注水方案如图3所示。 图3 注水孔布置 312 煤体大直径钻孔卸压 在各种受力材料中进行钻孔,可以改变材料的 应力分布,使原来作用于钻孔部分的应力转移到钻 孔周围,同时使材料的力学特性发生改变。钻孔卸 压技术普遍应用于煤矿开采活动中,在降低井巷压 力灾害事故中发挥了十分重要的作用 [1, 12 ]。 钻孔卸压是在工作面、轨道巷和胶带巷内进 行,工作面内钻孔布置在距离轨道巷20m处的 15m范围内,每孔间隔115m,共11个钻孔;轨道 巷内的钻孔布置在距离开切眼29m处,每隔115m 打1个平行煤层的卸压钻孔,共14个钻孔;胶带 巷内钻孔布置在距离开切眼30m处的20m范围内 和距离开切眼80m处的20m范围内,间距都为 115m,所有孔深为15m,钻孔直径 110mm,钻孔 为上下排布置,由于钻孔的卸压作用时效较长,故 和注水措施一起安排在回采之前进行。钻孔布置图 如图4所示。 图4 卸压钻孔布置 313 煤体爆破卸压 卸压爆破实质就是对已形成冲击危险的煤岩 体,用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措 施。卸压爆破可以局部解除冲击矿压发生的强度条 件和能量条件。即在有冲击矿压危险的工作面卸压 和在近煤壁一定宽度的条带内破坏煤的结构,改变 煤层的物理力学特性,使它不能积聚弹性能或达不 到威胁安全的程度。这样在工作面前方形成一条卸 压保护带,隔绝了工作空间与处于煤层深处的高应 力区。卸压爆破还可以在监测到有冲击危险的情况 下,利用较多药量进行爆破,释放大量的爆破能 量,人为地诱发冲击矿压,使冲击矿压发生在一定 的时间和地点,从而避免更大的损害 [1, 10～11 ]。 爆破地点在采用电磁辐射和钻屑法监测到有冲 击危险的区域,采用2轮放炮设计方案,这与大多 数矿井采用的放炮方式不同,好处在于,第1轮放 97 郑玉友等星村煤矿深部冲击矿压防治技术2008年第2期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 炮的孔间距可以大一些,若放炮后冲击危险解除, 可以不必进行第2轮放炮,反之则在两炮眼之间进 行第2轮放炮,这样可以在一定程度上节约施工成 本。第1轮放炮的炮眼间距10m,钻孔直径42mm, 钻孔深度8m,钻孔平行煤层、垂直巷帮,炮眼单 排布置,距底板112m,每孔装矿用乳化炸药 218kg,装药长度415m,封泥长度315m,反向装 药,用4个雷管或单雷管导爆索制作引药, 每个引药起爆6卷乳化炸药, 1～3个炮眼为一组, 单孔或一组孔爆破,雷管采用同段位毫秒延期雷 管。见图5。 图5 卸压爆破装药结构 4 结论 由于深部开采工作面的开采条件较为恶化,因 此常用于浅部的单一冲击矿压监测和解危方法不能 起到很好的防冲效果,必须对深部开采中的冲击矿 压等动力灾害事故做专门研究。星村煤矿深部工作 面开采实践证明,基于冲击矿压的强度弱化减冲理 论,采用煤体注水、钻孔卸压等措施的实施,可以 提前降低深部工作面的冲击矿压危险性,通过综合 运用电磁辐射法、钻屑法技术对深部工作面进行冲 击矿压危险性日常监测、预测预报,并及时采用爆 破卸压等措施,可以解除掘进和回采过程中的冲击 矿压危险,由此建立的深部工作面冲击危险监测体 系和控制体系克服了一些矿井采用单一监测和解危 措施的局限性,保证了星村煤矿深部E3103工作 面顺利回采完毕。 [参考文献] [1 ]窦林名,何学秋 1冲击矿压防治理论与技术[M ]1徐州中 国矿业大学出版社, 20011 [2 ]窦林名,何学秋 1采矿地球物理学[M ]1北京中国科学文 化出版社, 20021 [3 ]何满潮,谢和平,彭苏萍,等 1深部开采岩体力学研究[J ] 1岩石力学与工程学报, 2005, 24 16 2803228131 [4 ]何满潮 1深部的概念体系及工程评价指标[J ]1岩石力学与 工程学报, 2005, 24 16 2854228581 [5 ]窦林名,何学秋.煤岩冲击破坏及声电前兆判据研究[ J ]1 中国矿业大学学报, 2004, 33 5 50425081 [6 ]聂百胜,何学秋,王恩元,等.电磁辐射法预测煤矿冲击矿 压[J ].太原理工大学学报, 2000, 31 6 60926111 [7 ]窦林名,何学秋.由煤岩变化破坏引起的电磁辐射[ J ].清 华大学学报, 2001, 41 12 862881 [8 ]王恩元,何学秋,刘贞堂,等 1受载岩石电磁辐射特性及其 应用研究[ J ].岩石力学与工程学报,2002,21 10 1473214771 [9 ]高明仕,窦林名,张 农,等.电磁辐射测定深部煤岩动力 倾向性临界值[ J ].煤炭科学技术,2005, 33 11 49 - 511 [10]窦林名,陆菜平,牟宗龙,等 1冲击矿压的强度弱化减冲理 论及其应用[J ]1煤炭学报 12005, 30 6 690 - 6941 [11]窦林名,陆菜平,牟宗龙 1煤岩体的强度弱化减冲原理[J ] 1河南理工大学学报 12005, 24 3 169 - 1751 [12] Gerhard Bruner1Gebirgsdruk und Gebirgsschl ge [M ]1Essen Verlag Glckauf GmbH, 19811 [责任编辑毛德兵] 上接93页 盖层起屏蔽作用,使瓦斯很难散失得以保存。 2青龙煤矿矿井构造以挤压性质的逆断层 和层滑构造为主,在断裂和层滑作用下,使煤层产 生了强烈的构造变形,尤其在层滑断层转折部位, 往往使强变形糜棱煤分布的区域,也是煤与瓦斯突 出的危险地带,因此,应重视构造控制下的构造煤 发育规律研究,为瓦斯突出评价与预测提供基础。 [参考文献] [1 ]徐彬彬,何明德 1贵州煤田地质[M ]1徐州徐州中国矿 业大学出版社, 20031 [2 ]张子敏,张玉贵 1瓦斯地质规律与瓦斯预测[M ]1北京煤 炭工业出版社, 20051 [3 ]赵黔荣 1贵州西部煤层气开发前景分析[ J ]1贵州地质, 2001, 18 1 532591 [4 ]李仁东 1黔西青龙矿矿井构造及其对瓦斯的控制[D ]1 徐 州中国矿业大学, 20071 [5 ]李本涛,李家宽,郭彩凤 1旗山煤矿煤层瓦斯赋存规律及防 治对策[J ]1煤炭科技, 2005 1 512531 [6 ]胡志勇,殷为斌 1夹河煤矿瓦斯赋存规律分析与预测[ J ]1 煤炭科技, 2005 3 472481 [7 ]焦作矿业学院地质教研室 1瓦斯地质概论[M ]1北京煤炭 工业出版社, 19901 [8 ]姜 波,琚宜文 1构造煤结构及其储层物性特征[J ]1天然 气工业, 2004, 24 5 272291 [9 ] Ju Yiwen, Wang Guiliang,jiang Bo, Hou Quanlin1Microscosmic anaysis of ductile shearing zones of coal seams of brittle deation domain in superficial lithosphere,Science in ChinaSer1D, Earth Sciences, 2004, 47 5 39324041 [责任编辑邹正立] 08 第13卷 第2期总第81期 2008年4月 煤 矿 开 采 CoalMining Technology Vo1113 No12 SeriesNo1 81 April 2008 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.