华丰煤矿深部冲击地压综合防治技术.pdf

华丰煤矿深部冲击地压综合防治技术 一、华丰煤矿冲击地压发生概况 1、发生破坏情况 华丰煤矿是一个典型的受冲击地压严重威胁的矿井，冲 击地压主要发生在四层煤中。首次冲击地压发生在1992 年3 月8 日2406（1）工作面上平巷，上平巷标高为-538m。自发 生冲击地压现象以来，共监测出冲击地压事件31400 余次， 其中0.5 级以上冲击地压28000 余次，1.0 级以上冲击地压 2900 余次，1.5 级以上冲击地压495 次，大于2.0 级以上 的7 次，最大震级2.9 级。通过全面落实防冲措施，现场共 发生破坏性的冲击地压有108 次，造成工作面停产的12 次， 发生了4 起多人伤亡事故，造成多人死亡。根据统计，华丰 煤矿破坏性冲击地压共破坏巷道2000余米，平均顶底板移进 1.2m，两帮移进0.8m，摧毁巷道600余米，断面收缩率75以 上，其中部分顶底板闭合，需要停产大修；累计破坏工作面 长度400 余米，平均底鼓1.1m，煤壁向老空区移进0.5m，共 损坏单体液支柱500 余根，铰接顶梁600 余根；还严重损坏 了多台设备、设施及多道通防设施。 2、冲击的主要原因 冲击地压发生原因有内因、外因两种因素，内因包括煤 层本身的物理属性、煤层原岩应力状态，外因包括采深、采 动集中应力、诱发因素等。 一是煤层具有冲击倾向性。冲击地压的发生与煤岩体 物理力学性质有直接关系。经试验，华丰煤矿4 层煤具有强 烈冲击倾向性，其直接顶具有中等冲击倾向性。 二是砾岩活动是发生冲击地压的主要力源。4 层煤平均 厚6.4 米，上方基本顶为70 余米厚的砂岩层，随着工作面 的推进周期性跨落。其上为40 余米厚的红土层，随基本顶 的跨落而弯曲下沉。再上部为500～800m 的巨厚砾岩层，砾 岩层整体性强，完整性较强，抗压及抗拉强度均较大，采后 不易冒落下沉，导致砾岩层与红土层之间产生离层空间。随 着采空面积的加大，巨厚砾岩层形成板状悬空岩梁，砾岩层 原来的应力状态发生改变，增加了未采4 层煤的应力水平。 当板状砾岩层悬露面积达到一定程度后，开始缓慢下沉并周 期性断裂跨落。砾岩层的断裂跨落对下部的煤岩体产生冲击 载荷，加剧了4 层煤工作面煤体的应力集中程度，导致4 层 煤工作面冲击危险增强，因此工作面上方巨厚砾岩层是4 层 煤工作面发生冲击地压的主要力源。 三是采深大，应力高是发生冲击地压的必要条件。华丰 煤矿首次冲击地压发生在-538m 水平，垂深为668m，即华丰 煤矿冲击地压发生临界深度为668m，开采深度大于该深度后 即有可能发生冲击地压。 目前已明显进入深部开采，矿井最大开采深度为1230m， 4 层煤工作面开采深度已达970m。随着4 层煤工作面采深的 加大，自重应力已超过4 层煤的抗压强度；同时华丰煤矿深 部水平构造应力也较高，经原岩地应力测量，最大水平应力 为33～42Mpa。较高的原岩应力易使煤体产生应力集中而破 坏，从而导致4 层煤冲击地压的发生。 四是煤柱集中应力的影响。四层煤相邻采区之间和上下 阶段之间留有采区和阶段隔离煤柱，四层煤下部的六层煤由 于断层影响也留社部分断层煤柱，同煤层及相邻煤层的煤柱 叠加应力也为冲击地压的发生提供了基础应力条件。 五是工作面采动集中应力和顶板来压的影响。4 层煤工 作面超前支承压力集中范围为535m，应力集中系数为2.5， 4 层煤工作面采动集中应力对工作面影响较为明显。据不完 全统计，4 层煤冲击地压83发生在顶板来压期间，且对工 作面超前压力影响范围破坏最为严重。 同时，回采工作面开采强度、推采速度及放炮、割煤、 移架等诱发因素也是发生冲击地压的影响因素之一。 二、防治冲击地压的一般原则及主要步骤 1、一般防范原则 为防止矿井发生冲击地压，应首先在矿井的开拓布局及 生产组织上采取可靠措施，优化工作面布置，防止采掘过于 集中；尽量延缓工作面下移速度，防止矿井提前进入深部开 采。在生产技术上，适当控制回采工作面推采速度，降低开 采强度；杜绝不合理同煤层、相邻煤层的煤柱留设，尽量减 小煤柱尺寸；杜绝孤岛采煤。 生产期间， 一旦形成应力集中区， 应主要做好以下工作 采取措施重点监测监控，实施重复深孔爆破卸压；增加 支护强度，保证安全空间；降低开采强度，减缓对集中区的 扰动强度， 使其缓慢释放压力； 背向应力集中区推采或掘进， 等。 2、防治步骤 矿井出现冲击现象后，遵循以下原则采取防治措施首 先进行煤岩冲击倾向性试验，确定煤岩层的冲击倾向性；制 订防冲方案及措施，提交专家组论证，确定矿井可行的防冲 方案及具体的防治措施，保证矿井安全生产；划定冲击危险 范围， 落实针对性监测预报措施， 进行重点区域的综合治理， 降低冲击危险。 三、冲击危险的监测预报技术 1、经验类比 经验类比法是预测采区或工作面冲击危险程度和区域 的常用方法。工作面开采或巷道掘进前，利用经验类比法对 工作面进行冲击危险程度进行划分， 采空区边缘、 断层附近、 煤柱区等均为冲击危险程度相对较高的部位，应优先进行防 冲治理。 2、微震监测 华丰煤矿利用从波杭引进的微震监测系统，实现了对煤 岩层微震信号的准确定位与处理，提高了冲击地压的预测预 报水平。 通过对微震监测事件的分析处理，提出了基于“S”型覆 岩空间结构的冲击地压预测技术，工作面周围存在“S”型 覆岩空间结构，“S”型覆岩空间结构两侧存在两个应力集 中区，当工作面推进至工作面斜长“见方”倍数位置时，应 力集中区的冲击危险性明显升高。依此作为冲击危险预测预 报的理论基础，取得了较好效果。 根据对大量监测事件的分析研究，摸索出了冲击危险状 态的微震事件分布规律，预报准确率较高。工作面正常推采 期间，微震事件随着工作面的推进不断前移，说明前方应力 有规律的释放。如果出现以某一区域为界，微震事件不再随 工作面的推进前移，说明前方岩层在不断积聚能量，工作面 冲击危险在不断升高。 3、矿震监测 利用短周期地震仪监测记录0.5 级以上冲击发生的次 数及冲击地压释放的能量。利用0.5 级以上冲击发生的次数 及能量释放趋势预测预报近期冲击地压发生的趋势及应力 释放情况。 4、煤粉监测 煤粉监测是操作方便、效果较为明显的一种冲击危险监 测措施。一般监测钻孔布置在工作面上下平巷两帮超前100m 范围内，孔间距10m，监测深度为3.5 倍的采高，每天监测 一遍，重点危险区每班监测一遍。 在应用煤粉监测方法时，应首先标定监测区域的标准煤 粉量和危险煤粉量，且不同采区、不同水平的工作面危险煤 粉量不同，应及时调整，确保预报准确。 5、电磁辐射监测 利用KBD-5 型电磁辐射仪对工作面煤体进行电磁辐射监 测，一般对工作面上、下平巷超前100m 范围、工作面上下 端头或掘进工作面迎头30米范围内进行监测，测点间距10m， 每点监测2min， 每天监测一遍。 利用监测的电磁辐射脉冲数、 幅值平均值、幅值最大值的大小及变化趋势对工作面进行预 测预报。利用电磁辐射监测预报时要首先确定出预报方法或 预报指标，一般有绝对值法、趋势法两种方法 6、矿压监测 由于冲击地压的发生与顶板运动有明显的关联性，因此 利用矿压监测法预报工作面顶板运动规律，配合其他方法预 报冲击危险。利用矿压监测法预报冲击危险时要摸索冲击地 压与顶板来压的关系，一般顶板来压后1-2 天微震事件较多， 冲击危险性较强。 四、冲击危险的综合治理技术 1、开采解放层 为从根本上治理冲击地压，华丰煤矿实施了开采解放层 方案，经过接续调整，首先开采弱冲击倾向且没有出现冲击 地压现象的6 层煤，然后在解放范围内开采4 层煤。 开采解放层期间要注意以下两点 （1）被解放层工作面在倾向、走向及保护时间上要全 部在保护范围内开采； （2）解放层要实现全部开采，不得留有煤柱。 2、优化巷道布置 为防止工作面上平巷掘进期间发生破坏性冲击地压，对冲击 地压工作面上平巷布置方案进行了优化，确定了沿底板半煤 岩层位布置方案，见下图。该方案统筹考虑了防冲、防火、 掘进期间顶板管理和回采期间上出口管理，同时加大了掘进 期间施工人员的安全空间。现场应用后，掘进迎头的压力明 显降低，冲击现象明显减弱。 3、强化采掘工作面支护 为保证冲击危险区的支护强度及安全空间，加大了冲击 地压工作面支护强度，将四层煤工作面支护方式由单体液压 支柱改为综采放顶煤支架，将顺槽支护改为高强度锚网配U29 型棚支护，大大提高了冲击危险区采掘工作面的支护强度及 支护体的稳定性，保证了安全空间。 4、煤层注水 煤层注水可以提前改善煤层结构，降低煤体的冲击倾向 性，是一种主动治理措施。一般注水孔布置在工作面上平巷 的下帮、下平巷上帮，孔距20m，孔深要大于工作面斜长的 2/3，注水压力一般为6～10MPa。 煤层注水孔间距要根据煤层孔隙率及渗透性确定，防止 出现注水“盲区”；要保证封孔质量，防止漏水及串水。 5、爆破卸压 爆破卸压是有控制地释放煤岩体内部集中应力的有效 手段，主要采取了浅孔爆破、深孔爆破两种方式。 浅孔爆破卸压孔深一般7-10m，孔间距不大于5m，炸药 用矿用乳化炸药，每孔装药量为孔深的1/2 ，每次引爆4-5 个卸压孔。 浅孔卸压一般用于煤层松动卸压爆破和诱发爆 破。 深孔卸压主要对巷道顶板、底板、煤层进行深孔爆破， 在煤岩层深部形成断裂带，提前断裂，防止应力过渡集中。 一般每组孔布置顶板、底板、煤层孔各一个，组间距不大于 2.5 米。 五、冲击危险区的防护技术 1、均衡开采，降低开采强度。经过摸索，冲击地压综 防工作面合理开采速度为3 个循环/天，该状态下能基本实 现工作面前方应力集中与释放的自然平衡，可降低冲击危险。 2、间歇式生产。回采工作面及掘进头采取间歇式生产 的方式，可以降低应力集中，使集聚的应力得到有效释放。 3、 “三七”制作业。冲击地压工作面作业方式采取“三 七”制作业，两班生产、一班检修，对冲击危险区实行3 小 时的封闭管理，可以保证防冲措施的有效落实。 4、危险区管理制度。一是“封闭管理制度”，即对工 作面上平巷进行封闭管理，工作面各工序停止施工3 小时前， 严禁任何人员进入；二是“危险区准入制度”，即进入危险 区作业需要逐级请示，由矿总工程师批准；三是“危险区限 员制度”，即控制危险区生产人数；四是“双危制度” ， 即通 过资料分析研究，确定工作面危险时段、危险区域，在危险 时段、 危险区域不得安排其他工作， 进行重点防冲卸压治理。 5、冲击危险区躲炮时间要大于30 分钟、躲炮距离要大 于150 米； 危险区内不得放置闲置物料， 严禁闲杂人员怰息、 停留；要保证足够的安全空间；对设备、物料要进行固定生 根。