张双楼煤矿钻屑法工业性试验研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 张双楼煤矿钻屑法工业性试验研究张双楼煤矿钻屑法工业性试验研究 易恩兵1,2，牟宗龙1,2** 基金项目江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）；山东省博士后创新项目专项资金资助 （201002009）. 作者简介易恩兵，（1984-），男，硕士，就读于中国矿业大学矿业工程学院采矿工程专业，现为在读硕 士研究生，主要从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球物理等方面的研究工作 通信联系人牟宗龙，1979-，男，山东省胶州市人，博士后，副教授，从事冲击矿压、采矿工程、采矿 地球物理方面的研究. E-mail muzonglong （1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008； 2. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008） 5 摘要摘要煤矿开采过程中，由于应力集中和岩层运动，将会导致煤岩体的破坏，从而释放出大 量积聚的能量，形成矿震，严重时将导致冲击矿压的发生。徐矿集团公司隶属下的张双楼煤 矿在采掘过程中，曾多次发生强矿压显现。目前国内冲击矿压监测预警技术主要有钻屑法、 采动应力场监测法、地音监测预警法、微震监测法、电磁辐射检测法。本文主要讲述钻屑法 监测预警技术，针对张双楼矿 7123 工作面实施钻屑法工业性试验，从而根据实际煤粉量来10 来判断冲击矿压危险性。 关键词关键词钻屑法；冲击矿压；工业性试验；煤粉量 The industrial test research of drilling cuttings in ZhangShuangLou coal 15 YI Enbing1,2, MU Zonglong1,2 1. State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety, School of Mines Engineering JiangSu XuZhou 221008; 2. China University of Mining and Technology, JiangSu XuZhou 221008 Abstract with the process of coal mining, because of the stress concentration and strata 20 movement, it will lead to the destruction of coal and rock, thus release a large amount of energy, accumulation rock-burst, and also it can cause rock-burst happening. The ZhangShuangLou coal mine of the mining group company of XuZhou in mining process, There has been repeatedly occurred strong mine pressure. At present，the mainly rock-burst monitoring and warning technology are drilling cuttings , mining stress field monitoring , sound monitoring 25 and forecasting , seismic monitoring , the electromagnetic radiation assay in the domestic. This article mainly described drilling cuttings of monitoring and warning technology, aiming at the working face of 7123 of ZhangShuangLou coal mine to implementation industrial test of drilling cuttings , thus according to the actual amount of pulverized coal to judge the risk of rock-burst. 30 Keywords Drilling cuttings ; rock bust; industrial test; pulverized coal quantity 0 引言引言 冲击矿压（亦称“冲击地压”，非煤矿山或其他岩体工程也称之为“岩爆”）是煤矿开 采中典型的动力灾害之一， 它是压力超过煤岩体的强度极限， 聚集在巷道周围煤岩体中的能35 量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩 体震动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道跨落破坏等[12]。 煤的冲击倾向性和支承压力带特征是预测冲击矿压的主要依据。该矿 7123 工作面所采 7 煤经实验室测定属于强冲击倾向性煤层。支承压力分布带特征，即支承压力峰值大小及其 距煤壁的远近，支承压力带参数的测定，一般可用钻屑法探测。如果支承压力指数达到临界40 值，且煤层又具有中等以上冲击倾向性，冲击矿压就可能发生[3]。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 钻屑法是通过在煤层中打直径为 4250mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和 有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法。 1 试验区地质及生产技术条件试验区地质及生产技术条件 张双楼煤矿位于徐州市沛县境内，距大屯煤电公司 6.5km，距徐州市区约 79km。井田45 东西走向长 13.5km，南北倾斜宽 2.9km，面积约 37.8623km2。目前，探明煤层最大埋藏深 度为-1200m，现主采山西组 7、9 煤，矿井正常涌水量 870 m3/h，最大涌水量是 907 m3/h。 煤层自燃发火期为 3-6 个月。属于低瓦斯矿井。截至 2009 年末，矿井的工业储量为 21492.6 万 t，可采储量 10033.7 万 t。该矿于 1979 年 1 月开工建设，1986 年 12 月投产，设计生产能 力为 1.20Mt/a，原隶属大屯煤电公司经营管理，1990 年 1 月移交给徐州矿务局。2009 年矿50 井核定生产能力 2.25M t/a。 张双楼煤矿 7123 工作面地处于-1000 水平左右，该工作面运输巷在掘进期间，已经发 生了多次强矿压显现， 引起了领导的高度重视， 为了保证矿井投产后的安全生产和保护职工 生命财产不受损失，有必要对 7123 工作面冲击危险性进行评价和预测预报，并对预报的强 冲击矿压危险采取相应的处理措施，以防止冲击矿压的发生。 55 该矿 7123 综采工作面地表位于工业广场以东-1000 水平东一采区，西起工业广场保护 煤柱，东临 7123（里）炮采工作面（采空区），南部及北部均为未采区。7123 工作面是今 年保证矿井产量的主产量工作面， 并且该工作面所采煤层属强冲击煤层， 因此该面是一个优 良的工业性试验场地，通过该工业性试验有效地预测预报了冲击矿压危险性。 2 试验方法、步骤试验方法、步骤 60 （1）钻屑法基本理论[4] 钻屑法的基本理论，在受压煤层中钻小直径钻孔，当钻孔进入煤体高应力区时，钻进过 程呈现动态特征，孔壁煤体部分可能突然挤入孔内，并伴有振动、声响或微冲击等现象，单 位长度排出的煤粉量大于正常量，钻屑粒度增大，可能出现的卡钻现象。为了及时客观地评 价采掘地点的冲击危险程度， 必须适时确定支承压力带峰值大小和位置。 但是直接测定煤层65 应力相当困难，尚没有可靠方法。一般采用相对评价的方法，对处于极限应力状态的边缘区 进行钻进，研究钻进过程中的动态效应与煤体应力之间的关系，从而判定冲击危险。 A 3 2 BC 煤厚/m Lm 1 钻孔 1一钻屑排出量；2一钻屑粒度变化；3一打钻过程中的声响强度变化 图 l 钻孔效应示意图 70 Fig. 1 The picture of the drilling effect schemes - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 对煤体打钻至一定深度后，钻孔周围将逐渐过渡到极限应力状态，如图 1 所示。孔壁部 分煤体可能突然挤入孔内， 并伴有不同程度的响声和微冲击。 打钻过程中发生吸钻或卡钻甚 至卡死。出现这些变化的原因。是钻孔周围煤体变形和脆性破碎所致。煤层中的应力愈大，75 煤的脆性破碎愈占优势。在钻孔的 B 段，孔周围煤体处于极限应力状态打钻过程中钻屑量 异常增多，钻屑粒度增大，响声和微冲击强度升高，孔径扩大，这就是所谓的钻孔效应。粒 度增大和钻进容易，是因为在高应力作用下，打钻几乎不需要钻头参与就自动破碎，勿需推 力，研磨也小，造成钻屑块度变大。这种钻孔效应现象与巷道发生的冲击地压相似，只是尺 寸、规模不同而已。只要出现这种钻孔效应，就意味着应力集中带的出现。在应力集中带钻80 孔，钻屑量异常多，钻孔冲击更强烈，钻孔周围破碎带不断扩大。 （2）钻屑具体实施方法与技术参数 钻屑法又称煤粉钻孔法，是在煤层中实施Φ42mm 钻孔，根据不同的钻孔深度的煤粉量 及钻孔过程中动力现象来评价煤岩体中的应力状态， 进而预测煤体的冲击危险性， 该方法是 用来预测局部地点冲击危险性的。对于一定条件的煤体，在正常应力作用下，不同钻孔深度85 的煤体的应力状态是不同的。 当煤层的应力集中程度增加或应力状态异常时， 钻孔的煤粉量 将发生改变。根据煤粉量的变化即可预测煤体的受力状态，并进一步预测冲击危险性[2]。 7123 工作面钻屑指标实施方案如下 1）监测地点溜子道和材料道内侧的实体煤帮，两个顺槽各三个监测点。在溜子道距 工作面前方 100m 处开始布置监测钻孔，每隔 15m 布置一处；在材料道工作面前方 90m 处90 （考虑到地质构造的影响）开始布置监测钻孔，每隔 15m布置一处。 2）监测孔布置钻孔直径 42mm，孔深 10m，孔距底板 1.5m左右，单排布置，钻孔方 向为平行于煤层，垂直巷帮，见图 2、图 3。 图 2 钻孔布置纵剖 95 Fig. 2 The longitudinal profile of drill hole layout 图 3 钻孔布置横剖面 Fig. 3 The HengPouMian of drill hole layout 100 3） 实施方法 用功率为 1.2kW 的手持煤电钻打测试钻孔， 采用螺纹式联接的麻花钻杆， - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 每节长 1.0m，φ42mm 的钻头，钻孔的深度为 10m。用胶结袋收集钻出的煤粉，用 1 升的容 器称量煤粉的体积，每钻进 1m测量 1 次钻屑量。用专用表格记录打眼地点、时间、钻屑排 出量，以及打眼过程中出现的钻杆跳动、卡钻、劈裂声和微冲击等动力现象。 105 3 工业性监测试验工业性监测试验 3.1 7123 工作面钻屑量临界指标的确定工作面钻屑量临界指标的确定 用煤粉量判别工作地点冲击危险性的指标，可参照表 1 的规定，结合实际情况执行。在 表 3-3 所列的钻孔测量深度内，实际钻屑量达到相应的指标或出现钻杆卡死等现象，可判别 为所测地点有冲击危险。 110 表 1 判别工作地点冲击危险性的钻粉率指标 Tab. 1 discriminant the drilling powder rate index of shock risk working location 钻孔深度/煤层开采厚度 1.5 1.53 3 铅粉率指数 1.5 23 ≥4 注（1）钻粉率指数＝每米实际煤粉量/每米正常煤粉量 （2）正常煤粉量在正常应力区测定 115 7123 工作面两顺槽实际煤粉量测试（某些地点见矸或者遇水，在旁边另外选点重打钻 孔），通过平均后可得出每米钻屑量标准值，如表 2 所示。为了进行精确判断，对每米钻孔 均设定临界值。7123 实际采高约为 3.5m，1.53.3 约为 5m，而 33.5 为 10.5m。所以对于 深度为 10m的钻屑孔，在 5m范围内，取标准煤粉的 1.5 倍，在 5～9m范围以标准煤粉的 2120 倍，而 10m以上取 2.5 倍标准煤粉作为临界值。得出 7123 工作面临界值如表 3 所示。 表 2 7123 工作面标准煤粉量 Tab. 2 The standard coal quantity of 7123 face 钻孔深度/m 2 3 4 5 6 7 8 9 10 标准煤粉量/Kg 1.71 1.86 1.871.962.012.022.17 2.55 3.13 125 表 3 7123 工作面钻屑临界指标 Tab. 3 The drilling cuttings critical index of 7123 face 钻孔深度/m 2 3 4 5 6 7 8 9 10 标准钻屑值/Kg 1.71 1.86 1.871.962.012.022.172.55 3.13 钻屑临界值/Kg 2.57 2.78 2.812.944.014.044.345.10 7.83 钻孔深度≤5m，临界值1.5标准值；6～8m，临界值2标准值；≧10m，临界值2.5标准值 3.2 7123 工作面超标钻屑量分析工作面超标钻屑量分析 1．2010 年 8 月 15 日在 7123 工作面材料道距切眼 1329m处打钻时，第 9m段的煤粉量130 为 5.4kg/m,第 10m段为 7kg/m,第 9、10m段有吸钻卡钻现象；又在此眼向外 9m另补打眼， 打至第 7.5m时卡钎（煤粉未及时拉出）。 2．因材料道 3孔异常，15 日早班、16 日夜班在材料道又补打两眼，第 10m段卡钎， 煤粉量正常。实测钻屑量如图 4 所示。 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 135 图 4 7123 工作面 8 月 15 日实测钻屑量 Fig.4 August 15, The measured drilling cuttings quantity of 7123 coalfaces 根据7123钻屑量临界值可知8月15日实测钻屑量正常， 但打钻过程中有吸钻卡钻现象， 8 月 16 日早班在 7123 材料道上帮据开切眼 1350m向前依次打 16、17、18、19、20、140 21钻孔，在打 16、17、18、钻孔过程中有严重吸钻现象，打 19钻孔深度至第 8m时， 有严重吸钻卡钻钻现象。在打 20、21钻孔时严重吸钻并且有煤炮声。以上钻孔的钻屑量 严重超标。实测钻屑量如图 5～9 所示。 0 5 10 15 20 25 30 35 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 图 5 7123 材料道上帮 16实测钻屑量 145 Fig. 5 The 16 measured drilling cuttings quantity of 7123 material tunnel 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 图 6 7123 材料道上帮 17实测钻屑量 Fig. 6 The 17 measured drilling cuttings quantity of 7123 material tunnel 150 ‐10 0 10 20 30 40 50 60 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 图 7 7123 材料道上帮 18实测钻屑量 Fig. 7 The 18 measured drilling cuttings quantity of 7123 material tunnel - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 0 5 10 15 20 25 30 35 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 155 图 8 7123 材料道上帮 20实测钻屑量 Fig. 8 The 20 measured drilling cuttings quantity of 7123 material tunnel 0 5 10 15 20 25 30 35 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 图 9 7123 材料道上帮 21实测钻屑量 160 Fig. 9 The 21 measured drilling cuttings quantity of 7123 material tunnel 对 16、17钻孔进行卸压爆破，在距工作面 14m 处补打 18孔作为一个卸压爆破孔与 16、17孔同时起爆，中班打 19、20、21孔进行检验，发现煤粉量仍然超过临界值，遂 对 19、20、21孔再次进行卸压爆破，爆破后打 22孔进行钻屑量检验，钻屑量正常，此165 次深孔爆破卸压成功，22钻屑量如图 10 所示。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 图 10 7123 材料道上帮 22实测钻屑量 Fig. 10 The 22 measured drilling cuttings quantity of 7123 material tunnel 170 10 月 12 日早班在 7123 材料道上帮距开切眼 1523m 处施工 99钻孔检验钻屑量时，第 8m至 9m范围钻屑量超临界值，打钻过程中有严重吸钻现象，实测煤粉量如图 11 所示。 - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 0 5 10 15 20 25 30 12345678910 钻屑量钻屑量/Kg 钻孔深度钻孔深度/m 临界值 实测值 175 图 11 7123 材料道上帮 99实测钻屑量 Fig. 11 The 99 measured drilling cuttings quantity of 7123 material tunnel 中班在 99钻孔里 800mm施工 101钻孔实施爆破卸压，其后又施工 102（101里 3m） 和 103（99外 2m）钻孔作为检验孔，实测钻屑量正常，检验结果卸压成功。 180 10 月 17 日早班在 7123 溜子道上帮距开切眼 1562m处施工 147钻孔检验钻屑量时有煤 炮声并且严重卡钻。中班时利用该钻孔实施爆破卸压，爆破后出现煤炮声并且煤壁片帮。 实验室分析研究导致距切眼 1300 左右钻屑量突然增高的原因主要是由于该处煤层由 4m左右突然变薄到 2m左右。根据统计分析，冲击危险程度与煤层厚度及其变化紧密相关。 煤层越厚，冲击矿压发生得越多，越强烈；煤层厚度的变化对冲击地压的发生是有很大影响185 的，在厚度突然变薄或者变厚处，往往易发生冲击矿压[5]，因为这些地方的支承压力升高， 如图 12 所示。 图 12 煤层厚度变化对工作面支承压力的影响 Fig. 12 The effects of the abutment pressure of the working face with coal thickness changes 190 煤层局部厚度的不同变化对应力场的影响规律为[6] ① 煤层厚度局部变薄和变厚所产生的影响不同。煤层厚度局部变薄时，在煤层薄的部 分，铅垂地应力会增加；煤层厚度局部变厚时，在煤层厚的部分，铅垂地应力会减小，而在 煤层厚的部分两侧的正常厚度部分，铅垂地应力会增加。而且煤层局部变薄和变厚，产生的195 应力集中的程度不同。 ② 煤层厚度变化越剧烈，应力集中的程度越高。 ③ 当煤层变薄时，变薄部分越短，应力集中系数越大。 ④ 煤层厚度局部变化区域应力集中的程度与煤层和顶、底板的弹性模量差值有关，差 值越大，应力集中程度越高。 200 距 7123 开切眼 1300 左右已经非常靠近工广煤柱， 工作面超前支撑压力与工广煤柱产生 的应力叠加使该处应力急剧升高，导致钻屑量增加、煤炮声出现、煤壁片帮等现象。另外， 由于采深很大，该面煤层属于强冲击倾向性的的煤层，距切眼 1300m 左右有坚硬厚层砂岩 顶板出现，坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量弹性能，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，可能产生的较强震动也可引起煤体应力的变化，一般情况下，在顶板205 来压期间，煤体超前支撑压力有所升高，用钻屑法检验煤粉量时也会严重超标。进而可能诱 - 8 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 发顶板型冲击矿压。 4 钻屑法工业性试验结论钻屑法工业性试验结论 1）对监测的区域，如果钻屑检测已处于临界危险状态，须对监测结果进行对比分析， 若确认处于危险状态必须采取解危措施。 210 2）在实施松动卸压爆破等解危措施后，要对实施卸压爆破的区域或地段进行钻屑法检 测，并将检测结果进行比较，以确定解危效果。 3）8 月 15、16 日钻屑量严重超标主要是由于煤层厚度变化及超前支撑压力与工广煤柱 支撑压力叠加所致，但也受到开采深度、煤层的物理力学性质（强冲击倾向性）等因素的影 响。 215 4）打眼位置距底板 1.5 米，眼位平行于顶板并垂直于煤壁，孔深 10 米。打眼深度在 1 米范围内不取煤粉，并将煤电钻空转数秒后使眼内煤粉基本流净。将煤粉倒入塑料桶称重， 称重完后用眼孔直径 3mm筛子过滤煤粉，再将筛中的煤粉倒入塑料桶内称重，每称重一次 作好详细记录。打眼期间如遇到吸钻、卡钻、异响等不正常情况时要作出详细记录，并汇报 矿调度室及分管领导。 220 5）钻屑法是用来预测局部地点的冲击危险性的，对于一定条件的煤体，在正常应力作 用下， 不同钻孔深度的煤体的应力状态是不同的。 当煤层的应力集中程度增加或应力状态异 常时，钻孔的煤粉量将发生改变。根据煤粉量的变化即可预测煤体的受力状态，并进一步预 测冲击危险性。 225 [参考文献参考文献] References [1] 段晓春.浅谈冲击矿压的防治[J].同煤科技, 2006.3 38-40 [2] 齐庆新，窦林名. 冲击地压理论与技术[M]. 徐州中国矿业出版社,2008. [3] 窦林名，赵从国，杨思光，吴兴荣. 煤矿开采冲击矿压灾害防治[M],2006. [4] 赵本均. 冲击矿压及其防治[M]. 北京 煤炭工业出版社, 1995. 230 [5] 邓小林，东滩煤矿钻屑法检验冲击地压危险的认识[J]，煤矿现代化，2006，701,27-29. [6] 窦林名，何学秋. 冲击地压防治与技术[M]. 徐州中国矿业大学出版社,2001.