离层注浆控制冲击矿压危险机理探讨.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 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 g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 20 1 4 50 5 离层注浆控制冲击矿压危险机理探讨 窦林名，许家林，陆菜平，秦玉红，姚精明 中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要煤层上覆坚硬厚层岩层组成的主关键层对冲击矿压的发生具有强烈的影响．主关键层岩 层的剧烈活动是冲击矿压发生的集中区域，而且震级也高；冲击矿压的发生需要煤层及其周围岩 层中聚集大量的弹性能外，还需要主关键层破裂等释放的外部能量；该外部能量与岩层厚度的平 方、抗拉强度的2 ．5 次方成正比；破断中心距巷道工作面越近、释放的能量越大，传播到巷道工作 面处的能量越大，越容易引发冲击矿压．因此，可采用覆岩离层注浆等技术手段保证覆岩主关键 层的长期稳定。消除主关键层岩层破断引发的冲击矿压危险． 关键词坚硬厚层岩层；主关键层；冲击矿压f 能量；离层注浆 中圈分类号T D3 1 文献标识码A S t u d yo fC o n t r o l l i n gR o c kB u r s tw i t hG r o u t i n gB e dS e p a r a t i o n D O UL i n m i n g ，X UJ i a l i n ，L UC a i p i n g ，Q I NY u h o n g ，Y A OJ i n g m i n g S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h em a i nk e ys t r a t u mt h a ti sm a d eu po ft h eh a r ds t r a t u mc o v e r i n go v e rt h ec o a ls e a m h a sag r e a ti n f l u e n c eo nr o c kb u r s t ．T h ev i o l e n ta c t i v ea r e ao It h em a i nk e ys t r a t u mi st h ea r e a w h e r et h eh i g hm a g n i t u d er o c kb u r s t so ft a k ep l a c e ．T h eo c c u r r e n c eo fr o c kb u r s tn o to n l yn e e da g r e a td e a lo fe l a s t i ce n e r g yg a t h e r i n gi nt h ec o a ls e a ma n dt h ea r o u n dr o c ks t r a t u m ，b u ta l s ot h e e x t e r n a le n e r g yr e l e a s e db yt h em a i nk e ys t r a t u mb r e a k ．T h ee x t e r n a le n e r g yi sp r o p o r t i o n e dt ot h e s q u a r eo fr o c ks t r a t u mt h i c k n e s sa n dt ot h ep o w e r so f2 ．5o ft h et e n s i l es t r e n g t h ．T h en e a r e ro ft h e b r e a kc e n t r a lt ot h ew o r k i n gf a c e ，t h eb i g g e ro ft h er e l e a s e de n e r g y ，s oi st h ee n e r g ys p r e a dt ot h e w o r k i n gf a c e i nr o a d w a y ．a n dt h ee a s i e rt oi n d u c et h er o c kb u r s t ．T h e r e f o r e ，t h em e t h o do f g r o u t i n gb e ds e p a r a t i o nc a nb ea d o p t e dt oe n s u r et h el o n g t e r ms t a b i l i t yo ft h em a i nk e ys t r a t u m ， a n de h m i n a t et h er o c kb u r s td a n g e ri n d u c e db ym a i nk e ys t r a t u mb r e a k ． K e yw o r d s h a r da n d t h i c ks t r a t u m ；m a i nk e ys t r a t u m ；r o c kb u r s t ；e n e r g y } g r o u t i n gb e d s e p a r a t i o n 自1 7 3 8 年英国首次报道发生冲击矿压现象以 来，世界各地陆续记录和报道了这种现象．我国煤 矿自1 9 3 3 年在抚顺胜利煤矿发生冲击矿压以来， 已发生破坏性冲击矿压4 0 0 0 多次，造成大量巷道 破坏和人员的伤亡，引起了岩石力学和工程界的高 度重视．但由于岩体的复杂性和各种环境的影响， 冲击矿压的理论和防治研究、实际应用工作等都还 很不成熟[ 1 ’⋯．特别是像新汶华丰煤矿4 煤层上 方存在的近5 5 0m 巨厚砾岩岩层条件和淮北海孜 煤矿煤层上方存在的近1 2 0m 巨厚火成岩的条 件，由于其距煤层远，岩层厚，在其破断、运动时，产 生强烈的震动，释放大量的能量，造成井下工作面 的强烈冲击，就无法采用常规措施进行防治冲击矿 压危险了． 收横日期t2 0 0 3 0 8 3 1 基金项目；国家自然科学基金项目 5 0 0 7 4 0 3 0 } 国家自然科学基金重点项目 5 0 1 3 4 0 4 0 } “十五”科技攻关项目 2 0 0 1 B A 8 0 3 8 0 4 0 8 作者简介t 窦林名 1 9 6 3 一 ，男．青{ 每省平安县人，中国矿业大学教授，博士生导师，工学博士，从事矿山压力、冲击矿压，采矿地球物理方 面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 中国矿业大学钱鸣高院士提出了岩层控制关 键层理论H ] ．基于该理论，可采用关键层下离层注 浆，从而达到减沉，保护方面的目的．国内外对这方 面的研究已有相应的报道“] ．但对于采用离层注浆 技术等来控制主关键层的破断，从而达到控制、减 弱或消除冲击矿压危险等方面的研究，目前进行的 较少，也少有这方面的文章来介绍．本文从能量的 角度，来分析顶板主关键层的破断运动对冲击矿压 发生的影响，从而提出采用离层注浆技术控制主关 键层的破断，控制冲击矿压发生的原理和技术． 1绿色开采的离层注浆减沉技术 根据岩层控制的关键层理论，在采场上覆岩层 中存在着多层岩层时，有一个对岩体活动全部或局 部岩层起控制作用的关键岩层．该关键岩层破断将 导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动． 实验和实测研究结果均证明凸] ，主关键层对地 表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地 表的快速下沉，地表下沉速度随主关键层周期破断 而呈现跳跃变化． 一般情况下，工作面开采初期，关键层呈梁或 板的形态，其下产生离层．随着工作面的推进，离层 量不断增加，最大离层量位于采空区中部．当工作 面推进到一定程度后，关键层断裂垮落，中部的离 层量消失，见图1 所示． I 删 豳 豫 图1 关键层初次破断前后离层规律 F i g ．1 B e ds e p a r a t i o nr u l eo { t h ek e ys t r a t u mf i r s tb r e a k 为了控制关键层岩层不破断和释放能量，可对 关键层岩层初次破断前离层发育区注浆．采用上述 技术，第一，可保证主关键层不破断失稳，达到控制 岩层减沉的目的，保证地面建筑物不受损害{ 第二， 可保证关键层岩层的完整和不断裂，消除关键层的 破断对冲击矿压发生的影响． 关键层初次破断前的离层区发育、离层量大， 易于注浆充填} 而一旦关键层初次破断后，关键层 下离层量明显变小，仅为初次破断前的l ／3 ～1 ／4 ， 注浆难度加大．因此离层注浆必须在关键层临初次 破断前进行．始终保持关键层不发生初次破断是钻 孔布置和处决减沉效果的最佳选择． 2 主关键层运动对冲击矿压的影响 2 ．1冲击矿压发生的能量关系 冲击矿压是巷道周围煤岩体的 物理 爆炸，形 成突然猛烈的破坏．发生冲击矿压时，部分煤岩体 要垮落、破碎，获得较高的动能，以较大的速度向巷 道抛出“’3 ] ．假设在冲击矿压状态下，破碎煤岩体的 初始速度为”。，该速度必须大于某一值，才会发生 冲击． 这样，破碎岩体的动能为 以一i 1 ∥。2 ， 1 式中P 为破碎岩体的平均密度．研究表明，当破 碎煤岩体的初始速度为‰≥1 0m ／s 时，肯定会发 生冲击矿压．如果取P 2 ．5M g ／m 3 ，则发生冲击矿 压的最小动能为，u h ．。一1 2 5k J ／m 3 ． 在一定开采深度下，由于重力作用，煤岩体中 聚积有一定的弹性能．原始应力状态为 U 0 , 一酽1 。2 一警， 2 式中u 。为原始应力状态下聚集的弹性能，J ；H 为 采深，m ；y 为岩体的容重，N ／m 3 ；E 为岩体的弹性 模量，M P a ． 如果要发生冲击矿压，则需要在井巷周围煤岩 体中聚积大量的能量，即由于采矿或构造应力作 用，产生应力集中．假设煤岩体中聚积的弹性能一 半转化为动能，则发生冲击时，其应力集中系数K 应达到 K ≥王雩g 旦． 3 一般情况下，煤岩体中聚积的弹性能u 。小于 煤岩体的最小破碎动能，即u 2o 帆5 1 ．8 17 帆 l6 图4 推采距离、下沉速度和冲击矿压之间的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e na r e ao fe x t r a c t i o n ， s p e e do fs u r f a c es u b s i d e n c ea n dr o c kb u r s t 从图中可以看出，冲击矿压绝大部分发生在砾 岩的断裂运动阶段{ 砾岩的初始断裂运动阶段是冲 击矿压发生集中的区域f 砾岩层的剧烈活动阶段是 冲击矿压发生集中的区域，而且震级也较大． 3 离层注浆控制冲击矿压 由上述分析可知，主关键层的破断，将释放大 量的弹性能，从而引发冲击矿压的发生．因此，采用 关键层理论，可进一步优化冲击矿压条件下煤层的 开采设计，其基本原则是保证上覆岩层中的主关键 层不破断并保持长期稳定．通过覆岩离层注浆等技 术手段来保证覆岩主关键层的稳定． 覆岩离层注浆是控制主关键层破断和运动的 新技术．离层注浆的基本原理是利用岩层移动过程 中上覆岩层内形成的离层空间，从地面布置钻孔向 离层空洞充填外来材料来支撑上覆岩层，从而控制 覆岩主关键层的断裂和运动，达到消除由于主关键 层破断引起的冲击矿压和减缓地表下沉的目的，见 图5 所示． 抚顺矿务局在我国首次采用离层注浆减缓地 表下沉的试验取得成功之后，此项技术引起了我国 图5离层注浆控制主关键层的示意图 F i g ，5D i a g r a mo fc o n t r o l l i n gk e ys t r a t u mb y g r o u t i n gb e ds e p a r a t i o n 从事岩层控制的专家和工程技术人员的重视，先后 在多个煤矿进行了离层注浆减缓地表沉降现场试 验．同时，在淮北海孜煤矿也开始进行了以控制主 关键层为主，来控制冲击矿压危险的试验及现场研 究工作．其主要内容包括 1 分析冲击矿压发生的原因，确定对冲击矿 压的发生有巨大影响的覆岩关键层位置，研究进行 离层注浆控制岩层主关键层破断的可能性． 2 合理进行煤层的开采设计．采用跳采的方 式，选择的工作面长度能够保证顶板主关键层岩层 不断裂． 3 合理布置注浆钻孔．这是离层注浆控制主 关键层破断技术成功应用的关键之一．注浆钻孔的 注浆层位应选择在关键层下．主关键层下部将是离 层注浆的最佳层位．而亚关键层下部也能形成较为 明显的离层区，在其下部注浆既能起到保护主关 键层作用，又能起到地表减沉的效果．沿走向的第 1 个注浆钻孔应布置在关键层初次破断前的离层 区内。与切眼之间距离为关键层初次破断距的一 半．相邻注浆钻孔间距应小于关键层初次破断距． 4 优化离层注浆工艺．主要包括注浆材料选 择，注浆压力、注浆f L f L 径与单孔最大注浆能力的 选择等．好的注浆材料应既保证其流动性又有一定 的支承能力．目前的注浆材料中水的比重过大，随 着煤层的不断开采和时间的推移，注浆材料中的水 将流动和析出，不能对关键层进行有效的支承．研 制新的注浆材料将是离层注浆减沉技术进一步发 展的重点． 4 主要结论 1 实践表明，顶板岩层中，主关键层的破断对 冲击矿压的发生有巨大的影响．冲击矿压绝大部分 发生在主关键层的断裂运动阶段，而且集中在主关 键层的初始断裂运动阶段和剧烈活动阶段，震级也 较大． 2 冲击矿压的发生不仅与煤岩层中聚集弹性 万方数据 第2 期窦林名等离层注浆控制冲击矿压危险机理探讨1 4 9 能的大小，而且与应力集中程度等有关． 3 顶板岩层中积聚的弯曲弹性能与主关键层 岩层厚度的平方成正比，与其抗拉强度的2 ．5 次方 成正比．主关键层岩层越厚，岩层的强度越大，其中 聚集的弯曲弹性能越多． 4 主关键层岩层破断释放的震动能量越大， 传播到巷道或工作面的能量也就越大，越容易发生 冲击矿压；主关键层岩层破断的位置距巷道或工作 面越近，传播到巷道或工作面的能量也越大，也越 容易发生冲击矿压． 5 根据上述研究，可采用条带开采、覆岩离层 注浆等技术手段保证覆岩主关键层的长期稳定，从 而消除主关键层岩层破断引发的冲击矿压危险． 参考文献 [ 1 ] D u b i n s k iJ ，K o n o p k oWT a p n i a o c e n a ，p r o g n o z a z w a l c z a n i e [ M ] ．K a t o w i c e G l o w n yI n s t y t u t G o r n i c t w a ，2 0 0 0 ． 布霍依诺G ．矿山压力和冲击地压E M ] ．李玉生译． 北京煤炭工业出版社，1 9 8 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．2 0 0 1 ． 钱鸣高，缨协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理论 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 0 ． 许家林，钱鸣高．关键层运动对覆岩及地表移动影响 的研究E J ] ．煤炭学报，2 0 0 0 ，2 5 2 1 2 2 1 2 6 ． 钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制E M ] ．北京煤炭 工业出版社，1 9 9 8 ． K o n o p k oW ．D o s w i a d c z a l n ep o d s t a w yk w a l i f i k o w a n i a w y r o b i s kg o r n i c z y c hwk o p a l n i a c hw e g l ak a m i e n n e g o d os t o p n iz a g r o z e n i at a p a n i a m i [ J ] ，P r a c eN a u k o w e WG I G ，1 9 9 4 7 9 5 8 1 9 3 ． 责任编辑王玉浚 上接第1 4 4 页 孟以猛，吕振先．高压注浆减缓地表沉陷技术在大屯 矿区的应用[ J ] ．世界煤炭技术，1 9 9 3 ， 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