煤层深部开采冲击地压危害防治.pdf

煤层深部开采冲击地压危害防治 刘健 刘魁 1 ． 重庆工程职业技术学院； 2 ． 山 西煤炭 运销集团 盖州 煤业有限 公司 摘 要 从 冲击地压发生 的机理 ， 分析冲击地压的防治措施及采掘 过程 中的应对方案 ，利用钻 探卸压和微地 震监测等多种方法综合治 理 ， 有效的减 少了冲击地压 的危害。 关键 词 冲击地压防治 揭煤措施微震观测及 电磁辐射仪 钻孔卸压 断底及断顶 煤层注水 0前言 冲击矿压是矿山开采中发生的煤岩动力现象之一。 这 种动力灾害通常是在岩体力学系统达到极 限强度时 ， 聚积 在岩体中的弹性能量以突然、 急剧、 猛烈的形式释放 ， 在 井 巷发生爆炸性事故 ， 造成岩体振动和破坏 ， 动力将 岩体抛 向井巷 ， 同时发 出强烈声响 ， 造 成支架与设备 、 井巷 的破 坏， 人员的伤亡等。 1冲击地压现象、 发生条件和机理 冲击地压是采场周围煤岩体 ， 在其力学平衡状态破坏 时， 由于弹性变形 能的瞬间释放而产生一种以突然、 急剧、 猛烈破坏为特征 的动力现象。冲击地压发生的过程是煤岩 的流变到突变的过程 ，产生的脆性破坏是载荷发生跳跃、 应力总和超过极 限， 发生立即破坏 突变 。 冲击地压发生主要取决于 煤岩体的冲击倾 向性、 开 采 区的应力水平和关键岩层 的运动 以及构造 活化等 因素 的综合作。 冲击地压 发生 的机理 冲击应力 场机理 应 力是 否达 到能够发生冲击地压的应力水平、高应力差水平以及分布 规律。 关键岩层运动机理 关键岩层是指运动可能引发冲 击地压的岩层或岩层组 ， 也可称为冲击性岩层。 ⑧冲击性构 造活化应力场机理 构造活化是诱发冲击地压 的重要因素。 2 冲击地压的防治措施及管理 2 ． 1冲击地压的预测和检测。冲击地压 的预测方法 ， 大致可以分为两类 一类是区域预测方法， 包括经验 类比 法 ； 第二类是局部检测法 ， 主要包括钻屑法 ， 电磁辐射检测 法 ， 还 有煤岩体变形观测法 顶板动态、 围岩 变形 、 煤岩体 应力测量法 相对应力测量 ， 绝对应力测量 、 流动地 音检 测法、 岩饼 法等 此外还有地音系统监测法和微震系统监 测法 ， 以及其 它地 球物理 方法 地 温 、 地 磁 等 。 采掘工作面根据地质构造、 物探资料和采掘过程中发 现有异常、 检测超标和数据异常的地 区应进行超前预报和 超期探测， 并制定 出有效的治理方案和措施。 2 ． 2 冲击地压煤层揭露煤层措施。根据 冲击地压煤 层安全开采暂行规定 ， “ 当巷道接近有冲击危险性煤层或 应力集 中区日 寸， 必须制定 防冲措施 ， 进行卸压处理 ” 之规 定 ， 当巷道 即将揭露具 有冲击危险性 的煤层时 ， 必须严格 按相 关措 施施 工。 2 ． 3 掘进工作面的一般卸压措施。掘进工作面在掘进 前必须进行卸压 ， 卸压分为工作面和两帮正常卸压。 2 ． 3 ． 1掘进工作面防冲措施。在掘进工作 面打卸压钻 孔 ， 每 次施工三个孔 ， 断面 中心距巷道底板 不小于 1 m 的 位置， 孔距 1 ． O m。工作面卸压钻孔必须保证超前卸压深度 不小于 1 0 m 根据煤层 的采深 ， 冲击倾向不同， 超前卸压的 深度进行调整 ， 钻孔直径不小于 7 5 mm。 卸压钻孔的方向 要平行于层面 ， 垂直于煤壁 特殊构造地段平行于煤层倾 斜 方 向 。 2 ． 3 ． 2 巷道两帮防冲措施。巷道两帮每隔 5 m 各打一 个直 径 不小 于 7 5 mm 卸压钻 孔 ， 孔深 不小 于 1 2 m ， 布 置在 距巷道底板不小于 0 ． 5 m 的位置 ，两帮卸压孔距迎头最大 距离不得超过 7 m。巷道两帮所有卸压钻孔的方向都要平 行于层面 ， 垂直于煤壁 特殊构造地段平行于煤层倾向 。 2 ． 3 ． 3 卸压效果检测。 采用煤粉检测法检验卸压效果 ， 根据打钻过程 中的压力显现程度和煤粉 量是否超过 临界 值决定是否采用二次或多次卸压 ， 具体的方法如下 工作面每掘进 1 5 2 0 m 即上次检测孔距迎头距离达 到 3 0 4 0 m 或距上次施工的检测孔时间达到一周必须在 巷帮距工作面 1 5～2 0 m施工一对检测孔，距工作面 5 0 m 施工一对检测孔， 检测孔位于为两卸压钻孔中间。 如果煤粉 量超标必须在检测孔附近打大直径钻孔进行二次卸压。 工作面和两帮卸压后 ， 在工作面前方和巷帮两侧形成 保护带， 在掘进过程中减少 了冲击地压发生的危害。 2 ． 4 掘进工作面 的压力集 中区域的卸压和压力释放 措施。对于高应力区， 一般采取的方法是大直径深部卸压 和深孔爆破两种措施。 大 直径 钻 孔 孔 径 不 低 于 1 1 0 mm，孔 深 不 低 于 2 0 m 可依据煤层 的冲击倾向性鉴定和煤层埋深、顶底板特性 等多种 因素 ， 酌情调整 。在这里特别强调一下 ， 大直径深 孔 卸压 不 能 缓解 冲击 压力 时 ， 方可进 行 深 孔 爆破 ， 深 孔 爆 破一定要制定专门的措施和具体的规定。 2 ． 5 掘进工作面 留底煤或在 煤层 顶板掘进岩柱厚度 不超过 3米时的断底措施。掘进工作面在掘进过程中留有 底煤时 一般以厚度超过 1米为原则 ， 或底板岩柱为 3米 时， 为 了防止发生冲击地压 事故 ， 发生底板鼓起和弹射等 事故 ， 必须进行断底。断底的通常采用放断底炮， 具体 方法 如 下 2 ． 5 ． 1爆破 断底前 ， 首先加强项板和帮部支护， 锚杆 、 锚 索支护至 0 位 。 2 ． 5 ． 2 打眼要求在底板与帮部底角交界处，向下打 4 5 。 钻 孔 ， 直径 不 小于 4 0 mm， 间距 一般 3 m， 深度 达 到底 板岩石。 2 ． 5 ． 3 放断底炮安全技术措施①工作面留底煤断底 爆破钻孔实行正反 向并联联合装药方式 ， 至少使用两个 同 段毫秒电雷管， 分别装在炸药两端， 每次起爆一个炮眼。 ② 根据钻孔深度来决定装药量， 原则上装药量一般取钻孔深 度的一半 以爆破后底煤不爆 出为准 ， 封泥要用与钻孔直 径相适应的二寸管子封实。 ⑧ 当巷道底板至煤层项板岩柱 厚 度达 到 3 m 时 ， 方 可停止 断底。 1 68 I 矿山天地 2 ． 6煤层注水 利用煤层注水增加煤层含水率， 增加 其可塑性 ， 降低煤层强度， 可消除或减弱冲击。利用井上静 压水池进行注水 ， 煤层注水孔可与卸压钻孔并用， 注水压 力一般为 6 1 2 Mp a ， 注水时间 2 0天以上 ， 超前注水距 离 为 8 O 米以外， 注水量按照 煤层预注水试行技术规范 要 求进行计算。 另外利用专用封孔器按照现场条件进行封孔 ， 杜绝漏 水现象发生 ， 注水孔挂牌管理 ， 并建立注水台账 ， 注水后在 回采过程中利用钻屑法检测并取样测定含水率。 2 ． 7 回采工作面初采前的老顶初次来压前的断顶措 施。根据坚硬顶板的分布情况和断裂步距的预计 ， 在工作 面开采之前进行深孔爆破。 爆破的位置一般在老顶初次来 压附近。 钻孔向开切眼方向倾斜， 角度尽可能垂直岩层面。 终孔深度根据揭露底老顶的深度而定。要求进入老顶的深 度不少于 5 m。布置方式见下图 以断裂步距 6 O米为例 2 ． 8 冲击地压防治管理。冲击地压煤层防治的管理流 程一般先进行危险区域划分及评价 ， 对煤层及顶底板进行 冲击倾 向性鉴定 ， 被认定是冲击地压矿井的， 必须成立专 门的防冲机构 ， 建立冲击地压制度、 岗位责任制、 制定解危 措施和研究方案 ， 对冲击地压煤层进行专项治理。 2 ． 9 深部煤层开采冲击地压综合防治措施 2 ． 9 ． 1 冲击地 压煤层 的开拓 和开 采 方法 的选择 首 要考 虑的是能够整齐、 干净地进行回采 ， 不留或少留煤柱， 尽可 能 保证工 作面 成直 线 ，不使 煤层 有 向采空 区突 出 的地段 ， 在煤层中掘巷量最少， 限制采场和巷道附近的应力集中。 2 ． 9 ． 2采 区 工作面 设计 必须遵循 以下原则 ① 同～ 采区内的工作面应按顺序进行开采 ， 尽量避免形成孤岛工 作面。如果由于村庄搬迁影响形成孤岛工作面 ， 最多只能 形成一个。 回采工作面之间的隔离煤柱不应超过 3 ． 5 m。 采区隔离煤柱留设应结合考虑煤层赋存条件等因素， 应尽 量避开应力高峰区， 但不得小于 5 0 m。⑧合理确定工作面 切跟和停采线位置。相邻工作面切眼、 停采线位置尽可能 对齐 ， 避免出现梯形、 三角形或锯齿形等不规则煤柱。多煤 层开采时， 下层工作面不应越过上层工作面 的切眼或停采 线 ，上层煤开采不应留下给下层煤开采带来 困难的煤柱 区。④避开断层而在采空区侧留下煤柱的工作面开采时， 必须编制防治冲击地压的专门措施。 2 ． 9 ． 3 避免同一条顺槽相向同时掘进，如确因接续紧 1 6 9 张 需相 向 同时掘进 时 ，两 掘进 迎头相 距 5 0米时 必须 停止 其中一个迎头的掘进。停掘的迎头要加 固， 继续掘进 的迎 头 除加强支护外 ， 冲击危险严重时， 还 必须采取解危措施。 2 ． 9 ． 4 回采工作面应背向采空区及煤柱区开采， 避免面 向采空区或煤柱区开采而产生应力集中。断层附近的回采工 作面应背向断层方向推进或面向断层的斜交方向推进。 2 。 9 ， 5工作面 向采空区、 断层带、 向斜轴 、 应力集 中区 回采时， 应先进行冲击危险性监测， 有冲击危险必须先采 取卸压措施， 解危后方准回采。 2 ． 9 ． 6 冲击地压危险区内掘进和回采时，必须在保护 带内进行 ， 保护带宽度不小于 3 ． 5倍的采高或巷道高度。 2 ． 9 ． 7 采煤工作面必须加强端头支护和超前支护 ， 提 高上下端头和切顶线的强度， 加大两巷超前支护范围。 沿空 顺槽的超前支护长度不小于 6 0 m， 非沿空顺槽超前支护长 度 一般 不小 于 4 0 m ， 遇断 层 、 向背 斜 轴 等构 造 时应 加 大超 前支护长度。两顺槽断面不低于设计断面的 7 0 ％。 2 ． 9 ． 8 有冲击危险的采煤工作面移动变 电站布置在沿 空顺槽 时， 应加大移动变 电站距工作面煤壁 的距离 ， 不得 小于 1 O O m。 2 ． 9 ． 9在冲击地压特别危险区段进行爆破作业时 ， 必 须保证躲炮距离和躲炮时间，躲炮半径不小于 1 5 0 m， 躲 炮 时 间不小于 3 O分钟。 3冲击地压防治及管理存在的问题 3 ． 1钻屑法只能进行局部性监测， 监测范围小 ， 有效期 短 ， 准确， 但劳动强度高、 施工速度慢 ， 监测范围小。 3 _ 2在应力集中程度非常高时， 采用钻孔卸压和小直 径钻孔爆破卸压不能完全释放应力或改变煤、 岩体物理力 学性质 ， 需要进行反复处理才能缓解应力集中， 需要研 究 新的更为可靠的解危方法。 3 ． 3在高应力集 中区进行解危作业时， 钻孔施工难度 大 ， 卡钻、 吸钻频繁 ， 钻进 非常困难 、 施工速度慢 ， 并危及作 业人员安全， 现有施工机具难以满足施工的需要。 3 ． 4 由于井田内断层多、 构造复杂 ， 为避开断层影响， 在工作面内留设 了许多不规则煤柱 ， 回收煤柱时将给冲击 地压防治带来很大困难 ， 而且也为临近煤层的开采留下了 很大 的隐患。 3 ． 5 对 重力 型 或 顶板 型 大 范 围 冲击 地 压 防 治任 务较 重的矿井 ，因大量 的防治 中 击地压工作 要随时随地的施 工， 对生产影响较大， 生产和防冲治理时常相互干扰 ， 防冲 治理 时间有 时难 以保证 。 4小结 深部开采是今后煤矿开采的趋势和研究的重点 ，深部 开采存在着防灭火、防治冲击地压和支护难等各方面的难 题 ， 冲击地压的防治更是今后矿压研究的重点 ， 从理论到现 场 ， 这方面的技术都一直根据不同矿井煤层的开采方式、 地 质条件、 煤层特征及多种综合因素耦合在一块 ， 有诸多问题 亟待解决。解决冲击地压问题 ， 需要立足现场， 分析其成因 和危害区域划分， 利用在线预警、 微地震、 电磁辐射仪等多 种监测仪器和手段 ， 逐步掌握其变化规律和防治方案， 以压 力释放和转移为目的， 最终实现“ 有震无灾” ， 安全生产。