坚硬顶板区域冲击矿压防治的研究.pdf

2 0 0 7年第 1 期 能 源 技 术 与 管 理 1 7 坚硬顶板区域冲击矿压防治的研究 吴兴荣 徐 州 矿 务 集 团 三 河 尖煤 矿 ，江 苏 徐 州 22 1 61 3 [ 摘 要] 坚硬顶板 区域极 易发生冲击矿压，其主要原 因是 坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量 的弹性能． 同时在工作面开采过程 中这些弹性能又能瞬间释放。三 河尖矿在此条件 下 的 冲击倾 向 煤层 的 开采 中． 对冲 击矿 压 发 生机 理与 防 治方 法进 行 了研 究 ， 实现 了 该 条件 下的 安全 生产 [ 关键词] 坚硬顶板 ； 冲击矿压； 机理； 防治 [ 中图分类号 ]T D3 2 2 ． 1 [ 文献标识码]B [ 文章编号] 1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 0 7 0 1 - 0 0 1 7 -03 0 引 言 徐 矿集 团三河尖煤 矿主采煤 层为 7煤和 9 煤 ． 开采水平 已达一 7 0 0 I T I 以下 ． 顶板 为坚硬 的中 砂岩 ． 受冲击矿压的威胁 日趋严重 ， 截 至 2 0 o O年 底 已先后发生 冲击矿压事故 2 5起 ，其中该矿在 7 2 0 4工作面开采过程 中． 于 1 9 9 8年 1 2月 6日一 次冲击矿压 曾摧垮 5 0 0 m的巷道 ． 2 0 0 0年 4月 1 7 日发生的冲击矿压导致 多名员 工伤亡的恶性事 故 。对此该矿近几年来 ， 在冲击矿压的研究上 ， 投 入 了大量人力和物力 ， 取得了显著效果 ， 实现了在 坚硬顶板冲击危险区的安全生产。 1 7 2 0 4工作面地质及生产技术条件 三河尖矿 7 2 04 工作面上部 为 7 2 0 2工作面 ， 已于 1 9 9 6年元月回采完毕 ． 深部为实体煤 。西为 西一轨道下山及未采区． 东为设计边界 。 地面标高 3 5 ． 8 ～ 3 6 ． 0 m．工 作 面标 高 为一 7 0 7 ． 5 ～8 3 0 ． 9 m。 7 2 04 3工作面材料道标高为一 7 7 1 ． 2 m， 运输道标 高 为一 8 2 5 ． 5 m。 设 计 将 7 2 04 工 作 面分 为 7 2 04 一 l 、 7 2 0 4 2 、 7 2 04 3三个面回采。7 2 0 4 3工作面 以下简称 7 2 04 工作面 于 1 9 9 8年 8月开始回采 ． 工作面走 向长 4 7 5 m， 倾斜长 1 3 5 ～ 1 4 2 m， 煤层厚度 1 ． 3 5 ～ 3 ． 1 8 m， 平均 2 ． 2 5 m， 煤层倾角 1 9 。 3 8 。 ． 平均 2 9 。 ， 7 2 04 工作 面煤层 顶板直接 顶为坚 硬 中砂岩 ， 厚 l 1 ． 8 9 ～ 1 8 ． 0 6 m． 平 均 l 2 ． 9 7 m， 底 板 为 粉 砂 岩 ， 厚 O ． 4 ～ 7 ． 0 9 m． 平 均 4 ． 3 0 m。7 2 o 4工作 面布 置如 图 1 所 示 。 7 2 04 里工作面 图 1中阴影部分 于 1 9 9 8 年 8月开始回采 。采用炮采工艺，单体液压支柱支 图 1 7 2 0 4工作面布置示意图 护 ． 齐梁齐柱正悬臂走 向棚支护顶板 ， 一梁一柱 。 4 5排控顶，排距 1 ． 0 lr r l ，柱距 O ． 7 m，支护密度 1 ． 4 3根／ m 。从三角形的尖端开始推进 。在工作面 推进 了 5 0 I T I 后 ． 于 1 9 9 8年 8月 3 0日发生 了第 一 次冲击矿压现象 ． 显 现范 围为材料道 2 0 m， 运输 道 2 0 m及工作面 4 0 m。在工作面推进 8 O m后， 于 1 9 9 8年 1 0月 l 1日发生 了第二次冲击矿压现 象 ． 显现范围为 8 5 m长的工作面和 1 0 m长的降 低材料道。当工作面推进到 8 5 m时 ， 于 1 0月 2 O 日发生了第 三次冲击矿压 ，显现范围为整个工作 面 1 0 0 I T l 长 ； 当工作面推进到 1 0 0 I T l 时 ， 于 l 1 月 2 2日发生了第 4次冲击矿压 ， 范 围为材料道和降 低材料道各 1 8 IT l 、 工作面 8 0 r n ； 最严重的一次是 当工作面推进到 1 2 5 l l q 时．于 1 2月 6日发生 的， 这次冲击矿压的显现范围大， 破坏严重。 其范围为 材料道 和降低材料道各 2 0 0 m和 8 5 m长的工作 面与距工作面 2 8 m处的一条联络巷 ， 故三河尖矿 决定撤出该工作面设备， 暂停 7 2 04 里工作面 的开 采。 之后经过研究在 7 2 04 工作面的联络巷内重新 布置工作面进行回采。 维普资讯 1 8 吴 兴荣坚 硬 顶板 区域 冲击矿 压 防治 的研究 2 0 0 7年第 1 期 2坚硬 顶 板条 件 下发 生 冲击 矿压 的机 理 分析 研究表明 ， 除煤层 自身因素外 ， 煤岩结构 ， 特 别是煤层上方坚硬 、厚层砂岩顶板是影 响冲击矿 压发生的主要因素之一 ．其主要原 因是在坚硬顶 板 破断 或滑 移失 稳过 程 中 ．大 量 的弹性 能 突然 释 放 ， 形成强烈震动 ， 导致顶板煤层型 冲击压力型 冲击矿压或顶板型 冲击型 冲击矿压。 2 ． 1 7煤 的冲击 倾 向性 三河尖 矿 的主采 煤层 为 7煤 ，在 7煤 采掘 过 程 中， 已多次发生过冲击矿压。 为此首先采集了煤 样进行 冲击倾向性鉴定 ， 其鉴定结果如表 1所示。 表 1 7煤 冲 击 倾 向鉴 定 结 果 为了研究清楚坚硬顶板诱发 冲击矿压机理 ． 在 7煤 中选取相应的煤岩样进行了冲击倾 向性测 试 ， 其 测试 结果 如表 2所 示 。 表 2组合煤岩 冲击倾 向性各项指数测定结果 由表 1 、 2对 比表明 7煤组合试件 比纯煤试 件 的各种参数均有不同程度 的上升 ， 7煤 的组合 试件测试结果说明了 7煤顶板作用的结果 ．这个 结果与现场实际是一致的 2 ． 2冲击矿 压危 险性 分析 具体采 区、具体工作面不 同地点的冲击矿压 危 险是不同的， 它们均受多种因素的影响 ． 其 中主 要因素为地质及开采技术条件 的变化。根据综合 凸一 宴 暑 皿 茴 } }1 指数法预测的 7 2 0 4工作 面冲击矿压 的危险程度 为 0 ． 7 6 ， 属于强冲击工作面。 2 ． 3 顶 板岩 层厚 度特 征参 数对 冲击 的影 响 根据研究 ，影响冲击矿压发生的岩层为煤层 上方 1 0 0 m范围内的岩层 ． 其 中岩体强度大 ， 厚度 大的砂岩层起主要作用。 因此， 可以用砂岩为标准 确定顶板岩层厚度特征参数 ，来描述顶板岩层对 冲击矿压的影响程度 。定义砂岩的强度系数和弱 面系 数为 1 ． 0． 煤 系地 层各 岩层 的 强度 比和 弱面递 减系数比分别如表 3所示 。 则顶板岩层厚度特征参数可定义为 L F∑ r i ， 式 中， h 为顶板 在 1 0 0 m范 围 内第 种岩 层 的总厚 度 ， m； r i 为所给岩层的弱面递减系数。 从波兰发生冲击矿压的统计分析结果 ， 其顶 板岩层厚度参数值为 5 0 。根据 7 2 0 4工作 面所在 煤层的煤岩组合计算则为 L s t 9 0 5 0 。 表 3煤 系 地 层 岩层 的强 度 比和 弱 面 系 数 比 2 ． 4坚硬 顶 板 关 键层 对 冲击矿 压 的影 响 采用离散元模拟研究表明 关键岩层破断前 ， 随着采 出宽度增大 ， 煤柱支承压力逐渐增大 ， 当关 键岩层初次破断前 ， 煤柱支承压力达最大值 ， 如图 2中曲线 3 按采深 8 0 0 m模拟 所示。 关键岩层初 次破断后， 随着采出宽度增大 ， 煤柱支承压力有所 降低并最终稳定 ， 如图 2中曲线 4 、 5所示。 从模拟 结果得出． 关键层破断前后 ． 支承压力的压力降达 到 4 ． 6 4 MP a 。从这说明关键层破断时 ， 对井巷工 作面稳定性及 冲击矿压的发生起重要的作用 。图 3为距煤层 3 0 ． 5 m处关键岩层下离层量沿走 向分 布随工作面推进变化 的相似材料模拟试验结果 。 距工作面 的距离 ， m 图 2关 键 岩 层 与 煤 柱 支 承压 力分 布 维普资讯 2 0 o 7年第 1 期 能 源 技 术 与 管 理 1 9 暑 蛔 嗵 褪 距切 眼距离 ， m 图 3模 拟 关键 岩 层 离层 的变 化 在 关键 岩层 破 断前 ．其离 层量 是破 断后 离 层量 的 3倍多 ， 关 键岩层破断时 ， 产生强烈 冲击载荷 ， 从 而产生破坏性冲击矿压。 2 ． 5 坚硬 顶 板运 动对 冲击 的作 用 如果煤 层上 方 的顶板 是坚 硬 岩层 。顶 板破 断 之后失稳下沉是非常剧烈的，工作面及其周围巷 道 的矿 压显 现 是非 常明显 的。图 4为 三河 尖煤 矿 7 2 0 2工作面初次来压前后顶板下沉量的曲线图， 从 图 中可 以看 出 。初 次来 压期 间 的顶 板下 沉量 是 正常 回采期间的 5 - 6倍 。 如果顶板破断后 ， 因顶板 失稳 下沉 而释 放 的能量 为 在坚 硬顶 板失 稳 下沉 过程中 ， 工作面前方 巷道周围 弹性应变能 突 然增 加 了 ， 这 时 的 总能量 为 ， 有 可 能超 过 发生 冲击矿压最小能量 ， 即 O ， 从 而发生冲击矿压 ． 这就是为什么坚硬顶板来压时容 易产生冲击矿压的原因。 但是 ， 如果 O ， 就不会引发冲击矿压。 3 5 0 3 0 o 2 5 0 宣 2 0 0 姻1 5 0 1 0 0 k 5 0 O 工 作面推进 ， m 图 4 7 2 0 2工 作 面 初 次 来 压 期 间顶 板 下 沉量 曲线 图 3冲击矿压 强度弱化理论 众所周知 ．工作面两巷周 围的煤岩体 内存在 有 固定支 承压 力 ， 并 且 随着 时间 的推移 ， 煤 岩 体要 产生变形 ， 缓慢释放能量 。 而工作面前方又同时存 在移动支承压力 ， 而且随着工作面推进 ， 移动支承 压力 向前推移。 在工作面推进过程中 ， 向外释放能 量 。 一 般情 况 下 ， 煤 岩体 内聚集 的能量 由弹性变 形 能 、顶板运动时产生的动能和 由此传播 出来 的地 震能。 热能等组成 。 随着 回采工作面的推进 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 的防治中 就应采取相应措施对煤 岩体的强度进行弱化 ， 这 就是冲击矿压的强度弱化理论的思路 ，因此在具 体 防治 中可采用 边 回采 掘进 、 边 监测 、 边 治理 的 动态防治技术 。以达到动态地控制 冲击矿压的 目 的 4防治效 果 综观三河尖煤矿冲击矿压防治过程 ， 7 2 0 4工 作 面从 1 9 9 9年 1 O月份开始 回采至 2 0 0 0年 4月 1 7日． 采面及巷道共诱发冲击矿压现象 3 8次。而 在 实 施 动 态 防 治 技 术 之 后 ， 2 0 0 0年 8月 至 2 0 0 5 年 1 2月 。 在先后 回采 的 7 2 04 后期 、 9 1 1 2 、 9 2 0 2等 工作面都极易发生冲击矿压 ，通过调整卸压爆破 时间、 爆破参数等 ， 杜绝 了冲击矿压事故的发生 。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ] 钱 鸣高， 刘听成． 矿 山压力及 其控制 [ M] ． 徐州 中国 矿业 大学出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 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 ． 『 3 ]吴兴荣 ， 杨思光． 中国科协 2 0 0 4年学术 年会 第 l 6分会 场论文集 冲击矿压 高危区域动态 防治的实践与研究 [ D] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]吴兴荣， 窦林名． 坚硬煤岩组合条 件下冲击矿压发生机 理 [ J ] ． 煤 矿开采 ， 2 0 0 6 ， 8 4 7 0 - 7 2 ． [ 作者简介 ] 吴兴荣 1 9 6 3 一 ， 男 ， 江苏涟水 人 ， 高级工程 师， 现任徐 矿集 团三河尖煤矿总工程师 。 [ 收稿 日期 2 0 0 6 1 1 0 9 ] 维普资讯