坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究.pdf

第3 5 卷第6 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．6 2 0 0 6 年1 1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y N o v ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 3 7 0 5 坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究 牟宗龙1 ， 1 ． 窦林名1 ，张广文2 ，张士斌2 ，李志华1 ，张 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 2 ．兖州煤业股份有限公司济三煤矿，山东济宁2 7 2 0 0 0 摘要针对兖州矿区济三煤矿6 3 0 3 工作面的冲击矿压问题，分析了冲击矿压发生的主要原因及 影响因素．根据现场条件和数值模拟分析，提出了采用顶板爆破解除冲击矿压危险的技术措施， 并确定了爆破参数．采用矿用钻孔窥视仪并配合电磁辐射法和钻屑法对爆破进行了效果检验．结 果表明，通过顶板爆破措施可以破坏工作面上方坚硬厚层砂岩顶板的完整性，提前释放顶板聚集 的弹性能，减弱和消除了工作面的冲击矿压危险性，保证了工作面的安全生产．现场实践证明，该 项技术对具有坚硬顶板型冲击矿压的防治效果明显． 关键词冲击矿压；坚硬顶板；顶板爆破；钻孔窥视仪；电磁辐射，钻屑 中图分类号T D3 2 4文献标识码i A S t u d yo fP r e v e n t i o nM e t h o d so fR o c kB u r s tD i s a s t e r C a u s e db yH a r dR o c kR o o f M U Z o n g l o n 9 1 ，D O UL i n m i n 9 1 ，Z H A N GG u a n g w e n 2 ， Z H A N GS h i b i n 2 ，L IZ h i h u a l ，Z H A N GJ u n l 1 ．S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ， J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 ．J i s a nC o a lM i n e ，Y a n z h o uC o a lG r o u pC o ．L t d ，J i n i n g ，S h a n d o n g2 7 2 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h er o c kb u r s td i s a s t e ro fN o ．6 3 0 3w o r k i n gf a c ei nJ i s a nc o a lm i n eo f Y a n z h o uc o a lg r o u pC O ．1 t d ，t h es t a t ea n dr e a s o no fr o c kb u r s tw e r ea n a l y z e d ．B a s e do nt h eg e - o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h eh a r dr o c kr o o fb l a s t i n gm e t h o da n db l a s t i n g p a r a m e t e r sw e r ep r o p o s e dt op r e v e n tr o c kb u r s t ．T h eb l a s t i n ge f f e c tw a sc h e c k i n gu s i n gs i g h t i n s t r u m e n t ，e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o n E M E t e c h n i q u ea n dd r i l l i n gs l u d g em e t h o d s ．T h er e - s u l t ss h o wt h a tb yt h i sb l a s t i n gm e t h o d ，t h eh a r dr o c kr o o fa b o v et h ec o a ls e a mi sd e s t r o y e d a n dt h ee l a s t i ce n e r g yi nr o c kr o o fw a sm o s t l yr e l e a s e d ．T h er o c kb u r s td a n g e ri sr e d u c e dt o g u a r a n t e et h es a f e t yo fw o r k i n gf a c e ．T h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o v e st h a tt h i st e c h n i q u ec a n e f f e c t i v e l yp r e v e n tt h er o c kb u r s tc a u s e db yh a r dr o c kr o o f ． K e yw o r d s r o c kb u r s t ；h a r dr o c kr o o f ；r o o fb l a s t i n g ；s i g h ti n s t r u m e n t ；e l e c t r o m a g n e t i ce m i s - s i o n ；d r i l l i n gs l u d g e 水、火、瓦斯、顶板、煤尘等5 大自然灾害历来 是困扰和制约煤矿安全高效生产的主要因素，随着 我国矿井开采深度的逐年增加 约2 0m ／a ，许多 矿井采深已经超过8 0 0m ，甚至超过10 0 0m ，冲击 矿压问题越来越严重，发生的次数越来越多．冲击 矿压不仅可造成工作面停产，而且严重危害生产设 收稿日期2 0 0 6 0 3 一0 7 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 4 0 6 8 。5 0 4 9 0 2 7 3 。5 0 0 7 4 0 3 0 } 国家重点基础研究发晨规划 9 7 3 项目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 4 ，高等学 校博士学科点专项科研基金项目 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 7 作者简介牟宗龙 1 9 7 9 一 ，男，山东省胶州市人，博士研究生，从事冲击矿压方面的研究． E - I ⅧI I m u z o n g l o n g 1 6 3 ．c o r nT e l l0 5 1 6 8 3 9 9 5 9 0 4 万方数据 7 3 8中国矿业大学学报第3 5 卷 备甚至造成人身伤亡．冲击矿压发生时，煤岩体中 的能量在极短时间内急剧释放，产生的爆炸性动力 将煤岩抛向自由空间，严重破坏矿井内的设备、巷 道结构等，同时还可能引发瓦斯、煤尘爆炸、火灾以 及水灾等其他矿井灾害[ 1 ’3 ] ，这种并发矿井灾害比 单纯一种事故要严重的多，就目前状况来看，冲击 矿压也是煤矿生产中重大自然灾害之一，大震级、 大能量的冲击矿压还可造成地面震动和建筑物破 坏．因此，进行冲击矿压防治工作是保证矿井安全 生产的重要措施之一．本文针对兖州矿区济三煤矿 6 3 0 3 工作面冲击矿压灾害问题，提出采用顶板爆 破技术措施破坏上覆顶板岩层的完整性和储能条 件，解除冲击矿压危险，并采用钻孔窥视仪、电磁辐 射法和钻屑法等技术措施检验爆破及解危效果． 16 3 0 3 工作面冲击矿压灾害 兖州矿区济三煤矿6 3 0 3 工作面是六采区的第 4 个工作面，该工作面位于六采区中部．工作面自 北向南推进，推进长度20 5 7 ．8m ，工作面长2 3 9 ．8 m ，采深6 0 0 ～7 1 0m ．开采山西组3 下煤层，煤层厚 度为2 ．8 ～6 ．8m ，平均厚度为4 ．7 5m ，工作面东 临6 3 0 2 ，6 3 0 1 ，6 3 0 0 采空区，与6 3 0 2 采空区之间 留设4m 保护煤柱，西临6 3 0 4 工作面．煤层直接顶 为灰黑色粉细砂岩互层，厚度为o ～1 3 ．7 5m ，赋存 不稳定，普氏系数f 一4 ～6 ．老顶以中砂岩为主，坚 硬稳定，厚度为1 6 ．7 7 ～4 2 ．1 2m ，平均厚度在2 6 m 左右，f 一8 ～1 0 ． 2 0 0 4 年1 1 月3 0 日，工作面推进至13 1 0 ．7m 处，前方6 6 ～9 6m 段轨道巷发生强烈冲击矿压， 实体煤帮侧冲出深度为2 ．0m 左右的煤体，局部 煤体与顶板离层达2 0 0m m ，深入煤体达5m 1 2 0 0 5 年2 月1 4 日，工作面推进至14 6 0m 处，轨道巷超 前段又发生一次冲击矿压，煤壁前方1 2 ．6 ～4 8m 段冲出0 ．3 ～1 ．0m 煤体，顶板下沉6 0 0m m ，底板 鼓起2 0 0 ～7 0 0m m ，之后又发生了几次小型冲击 矿震．2 次冲击矿压发生位置如图1 所示． 6 3 0 3 皮带巷 a 2 0 0 4 年1 1 月3 0 日 b 2 0 0 5 年2 月1 4 日 图1 冲击矿压灾害发生位置 F i g ．1 P l a c e so fr o c kb u r s td i s a s t e r s 2 冲击矿压发生原因分析 冲击矿压影响因素主要包括开采深度、顶板岩 层结构特征、煤岩物理力学特性、地质构造和开采 技术条件[ 1 ] ，济三煤矿曾采用煤体钻孔卸压、煤层 注水和煤体松动爆破等措施来解除冲击危险，但效 果不彻底．通过分析，确定该工作面冲击矿压危险 性的主要影响因素为煤层上覆坚硬厚层砂岩顶板． 煤岩体内聚集的弹性能U ，与顶板悬顶长度L 的5 次方成正比，即L 值越大，积聚的能量也越多， 厚度越大的坚硬岩层越不易冒落，形成的L 值也就 越大‘1 1 U w 一搿， 1 式中q 为单位长度悬顶重量与上覆岩层附加载 荷；E 为悬顶的弹性模量；J 为悬顶的断面惯性矩． 6 3 0 3 工作面临近6 3 0 2 工作面采空区，工作面 推进过程中，轨道巷后方较大范围内形成悬空区． 因此，确定6 3 0 2 工作面采空区的顶板还没有完全 破断，临近6 3 0 2 工作面采空区侧的顶板存在较大 范围内的悬顶，随工作面推进而周期性冒落，大量 弹性能突然释放形成强烈震动，导致煤体超过应力 极限，造成顶板型冲击矿压的发生． 理论分析和实践表明，爆破卸压可以大量释放 坚硬顶板和煤岩体中所积聚的弹性能，从煤岩体的 随机损伤本构关系和突变理论的角度来看[ 1 。2 ] ，只 要把坚硬顶板和煤岩体中积聚的弹性能降低到引 发冲击矿压的临界值以下，就可避免冲击矿压的发 生．通过对煤层上覆坚硬老顶进行处理，破坏其完 整性、降低老顶强度、缩小工作面老顶的垮落步距 以降低煤体内的应力集中程度和对煤体的冲击破 坏力，才能从根本上消除诱发冲击矿压的根源． 3 顶板爆破技术的实施 目前，国内外对坚硬顶板的处理方法主要 有[ 1 ] 1 坚硬顶板岩层高压注水主要采用长期 高压注水的方法，通过注水降低岩石强度，改变其 万方数据 第6 期牟宗龙等坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究 物理力学性质，主要有地面钻孔高压预注水和井下 深孔高压预注水；2 在坚硬顶板岩层中形成预裂 面包括水力切割形成预裂面和爆破形成预裂面． 考虑到方案的可操作性和经济可行性及实用 效果，上述方法大都难以实现或使用后效果难以检 验．通过对现有设备和技术考察，研究采用顶板爆 破技术，处理煤层上方的厚层坚硬砂岩顶板，使其 提前预裂、降低强度，减少弹性能的聚集[ 1 娟] ，从而 避免或减少冲击矿压事故的发生． 根据现场条件和数值模拟结果，见图2 a ，采用 a 应力状态 顶部锚杆钻机、1 ．5m 六角中空钢钎配合 拳3 0 ．5m m 钻头单排施工布置炮眼，炮眼距采空区 侧巷帮3 0 0m m ，与水平方向成7 5 。夹角朝向采空 区，炮眼深度为1 0 ．0m ，见图2 b ，炮眼间距为3 ．0 m ，封孔长度为3 ～3 ．5m ，装药长度为6 ．0m ，爆破 采用煤矿安全许用水胶炸药，毫秒延期第一段电雷 管配合F M B - 2 0 0 型发爆器起爆，一个炮眼中采用 4 个炮头，一次爆破5 个炮孔．联线方式为孔内并 联、孔间串联．施工顶部炮眼时每隔1 0 0r t l 施工一 组相同规格的观测炮眼，以检查爆破效果． 图2炮眼参数及位置 F i g ．2 P a r a m e t e ra n dp l a c eo fb l a s t i n gh o l e s 2 0 0 4 年1 2 月41 3 到1 2 月l O 日，从距工作面 前方约8 0m 处起，共施工顶板炮眼8 9 个，爆破6 4 个，其中的14 5 0 14 7 01 3 3 ．处由于顶板暴露太高， 无法打钻，没有进行爆破，这也是第2 次冲击矿压 发生的原因之一．后为了加大对顶板的破坏程度， 将钻孔深度加大到了1 3m ．旨在通过爆破，在顶板 内形成裂隙，降低顶板整体强度，降低能量的聚集， 并释放部分能量，减少顶板由于采动影响和时间效 应而产生的断裂对煤体的冲击震动． 4顶板爆破效果评价 如何检验顶板爆破后对顶板岩石完整性造成 的破坏效果是一个关键的技术问题，目前国内许多 矿井还没有掌握该项技术．针对这种情况，济三煤 矿采用中国矿业大学研制生产的D G 8 0 - 1 型矿用 a 爆破前 b 炮眼布置 钻孔窥视仪对顶板爆破孔进行了爆破效果观测，该 仪器的工作原理是利用微型摄像头在钻孔中将顶 板裂隙产状进行录相采集，并将采集的录像和图像 通过计算机进行处理，可以清楚地观测到检测孔内 的岩石产状情况，该仪器使用方便快捷，成像质量 较好，同时配合电磁辐射法、钻屑法对冲击解危效 果进行检验． 4 ．1 D G 8 0 1 型矿用钻孔窥视仪观测效果 观测方法在两炮眼之间与炮眼平行方向打观 测孔，钻孔深1 0m ，直径为3 0m m ．将D G 8 0 1 型 钻孔窥视仪摄像探头伸人钻孔内自上而下缓慢移 动探头，对钻孔内各层位方向的孔壁裂隙产状进行 录像．测杆每取出1m 停留约1 0s ，可作为观测深 度的1 个标记，同时可以安装下1 节测杆，观测结 果如图3 所示． 图3检测炮眼状态图像 F i g ．3 S t a t e sa n dp i c t u r e so fi n s p e c th o l e s 对比爆破前后观测结果，在未爆破或离爆破钻 孔较远的范围内岩石未发生破坏，而爆破孔和两爆 破孔之间的顶板岩石发生了破坏，爆破裂隙圈直径 大于爆破孔间距，使裂隙圈得已贯通．顶板爆破破 b 爆破后 坏了煤层上方坚硬顶板岩石的完整性，同时在顶板 岩层中形成条痕，顶板弯曲下沉时，在条痕处形成 拉应力而断裂，切断了6 3 0 2 工作面采空区的顶板， 悬顶储能变为 万方数据 7 4 0中国矿业大学学报第3 5 卷 U 7 。 斋， 2 O C ，J 式中L 7 为爆破后的悬顶等效长度 由于爆破深 度和力度所限，不能将顶板完全切断 ，则爆破前后 的悬顶储能比为 k 畿 专 。． ㈣ 以原悬顶长度L 2 0m 、爆破后悬顶等效长 度L 7 1 5m 为例，得到爆破前后的悬顶储能比A 4 ．2 ，即爆破后可降低原顶板储能的7 6 ．3 ％．通 过此次爆破，释放了聚集在上覆顶板中的大部分能 量，降低了因煤层上方坚硬顶板断裂释能而引发冲 击矿压的危险性． 4 ．2 电磁辐射检测效果 研究表明‘1 ’7 _ 1 1 ] ，由于煤岩体的非均质性，在应 力作用下煤岩体中的非均匀变速形变产生电磁辐 射．在煤岩材料的变形阶段，由于颗粒之间的力学 变形特性不同，必然导致颗粒之间的滑移，其结果 是在滑移面发生强烈的激发，甚至在滑移面尖端形 成带电粒子的发射，这种强烈的激发对外产生电磁 辐射．若不考虑阻尼因素，则煤岩体的损伤因子 D ￡ 的增长过程与电磁辐射的能量释放密切相 关，当D ￡ 增长A D i 时，电磁辐射事件的总和为 N ，C 为常数，在t z t ，时刻 D ￡2 一D ￡1 ≥△D i C N ， 4 当A t t 2 一t 1 0 时 2 0 0 乓1 6 0 篓m * 8 0 翟4 0 0 l234567891 0 测点 a 幅值平均值 D ￡ 0 C 咒 ￡ ， 式中咒 f 为t 时刻的电磁辐射脉冲数． 若煤岩体的损伤因子D ￡ 的增长A D i 为各异 的，则 D z 2 一D ￡1 一 △D 。≠C N ， 5 可由能量的变化△W 来表示，设煤岩体破坏程度的 损伤因子D 与变形e 成线性关系，即 e C 1 D C o ， 6 式中C 。，C 。为常数． 则△W 与△D 成正比，即 D 70 CW 7 。C 硼 ￡ 0 Ce 7 ． 7 因此，电磁辐射信号的脉冲数和强度能量指标 与煤岩体的损伤和应力状态密切相关，煤岩体所受 应力与电磁辐射之间存在耦合关系，煤岩体所受的 应力越高，电磁辐射强度和脉冲数值也越大，因此， 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． 6 3 0 3 工作面轨道巷实体煤侧对应放炮点的电 磁辐射监测点在放炮卸压前 2 0 0 4 年1 1 月2 6 日 ，电磁辐射强度值和脉冲数值较高，一般分别在 1 2 0m V 和14 0 0 以上；顶板爆破后 2 0 0 4 年1 2 月 1 2 日 ，电磁辐射强度值和脉冲数都有明显降低， 见图4 ．对比结果表明，顶板爆破后，6 3 0 2 采空区悬 顶的完整性遭到破坏，顶板施加到煤体的压力减 小，同时冲击危险性也随之降低． 爆破前 b 爆破后 赢 量 蕾 l234567891 0 测点 b 脉冲数 图4电磁辐射信号 F i g ．4E l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o ns i g n a l s 4 ．3 钻屑法检测效果 钻屑法是通过在煤层中打直径d 4 2 ～5 0 m m 的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有 关动力效应来鉴别冲击危险的一种方法[ 1 ’6 ] ．其理 论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的 关系，即其他条件相同的煤体，当应力状态不同时， 其钻孔的煤粉量也不同．当单位长度的排粉率增大 或超过临界值时，表示应力集中程度增加和冲击危 险性升高．根据煤粉量的变化，即可预测煤体的应 力状态，并进一步预测冲击危险性．本次钻屑地点 为对应爆破区域的实体煤帮，钻孔直径为4 2m m ， 孔深为1 0m ，孔间距为5m ，距底板距离为1 ．2m ， 单排布置，钻孔方向与煤层平行、垂直巷帮，主要检 测单位深度钻孔的煤粉量，爆破前后煤粉量对比结 果如图5 所示． 一5 0 ’昌4 0 晕3 0 喇2 0 器l O 0 图5钻屑量与冲击危险 F i g ．5 C o a lf i n e sq u a n t i t ya n db u r s td a n g e r 万方数据 第6 期牟宗龙等坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究 7 4 1 从中可以看出，爆破前煤粉量均超过了临界 值，特别是在钻进6m 以后，煤粉量急剧增加，同 时在进钻过程中，出现了明显的卡钻、吸钻和进钻 困难等动力现象，表明煤体内应力、冲击危险性较 高；爆破后煤粉量明显降低，进钻过程中也很少出 现动力现象，表明煤体内应力状态得到改善，冲击 危险性大为降低． 5 结论 1 6 3 0 3 工作面煤层上方2 0 ～3 01 2 1 厚的坚硬 砂岩顶板和6 3 0 2 工作面采空区侧悬顶是造成冲击 矿压发生的主要原因，坚硬顶板聚积了大量弹性 能，随工作面推进周期性冒落，大量的弹性能突然 释放形成强烈冲击和震动，造成顶板型冲击矿压的 发生． 2 要从根本上解决顶板型冲击矿压灾害问 题，必须处理上方的坚硬顶板，通过爆破可以提前 预裂顶板、切断悬顶、降低顶板强度、减少弹性能的 聚集，达到转移高应力、降低或消除冲击矿压危险 的目的，前述2 0 0 5 年2 月1 4 日的冲击矿压事故刚 好发生在没有进行爆破的地段，说明了坚硬顶板对 冲击矿压危险性的影响程度． 3 济三煤矿成功实施了坚硬顶板型冲击矿压 灾害治理技术流程冲击原因分析一顶板爆破一效 果检验，破坏了坚硬厚层砂岩顶板的完整性和储能 条件，配合钻孔窥视仪、电磁辐射法和钻屑法检验 实施效果，结果表明，通过顶板爆破技术的实施，消 除了工作面的冲击矿压危险，保证了工作面的安全 生产． 参考文献 [ 1 ] 窭林名，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，2 0 0 1 ． [ 2 1 牟宗龙，窦林名．坚硬顶板突然断裂过程中的突变模 型[ J ] ．矿山压力与顶板管理，2 0 0 4 ．2 1 4 9 0 9 2 ． M UZ o n g - 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