深部开采冲击矿压的机理分析及防治对策.pdf

科技创新与应用 l 2 0 l4 年 第 2 3 期 科 技 创 新 深部开采冲击矿压的机理分析及防治对策 李 冀 雷武林 1 、 陕西彬长胡家河矿业有限公司， 陕西 长武 7 1 3 6 0 0 2 、 陇东学院， 甘肃 庆阳 7 4 5 0 0 0 摘要 针对某矿深部开采冲击矿压日益凸显， 严重威胁正常生产机工人人身安全的现状， 极有必要开展针对性的研究5 - ． 作， 以把 握冲击矿压显现的形成机制及 关键影响因素 ， 对 当前重点工作面的安全状 态做出危险区域、 危险程度的评价 ， 采用科学手段进行解 危、 防护， 最终实现矿井的正常采掘接替 ， 保障安全高效。 结合现场的实际情况， 提 出该矿冲击矿压的防治措施 ， 扭转 了该矿冲击地压 不可防、 不可控的被动管理局面， 有效地保护了职工的生命安全， 最大限度降低了财产损失， 有力地保障了矿井的安全生产。 关键词 冲击矿压 ； 深部矿 井； 综合防治； 治理 引言 冲击矿压是矿井巷道和采场周围煤岩体由于变形能的释放而 产生以突然 、 急剧 、 猛烈破坏为特征 的特殊 的矿山压力现象【 ” 。 显然 ， 冲击矿压是威胁矿山开采安全的一大隐患， 直接威胁着煤矿的生产 和人员及财产的安全 ， 并 随开采深度的增加 ， 此类灾害有加重的趋 势 。 因此 ， 揭示煤层开采后采场出现强烈矿 山压力显现的形成机制 ， 采取有效措施弱化和控制矿 山压力显现强度 ， 对矿井安全采煤具有 十分深远的意义I 2 - 3 ] 。 1概况 该矿井设计生产能力 5 0 0万 “ a ， 主采 4 号煤层。采掘工作面主 要布置在大巷南北两翼 ， 其中 ， 首采工作 面埋深约 6 4 0 m， 为该矿井 埋深最大的 回采工作面 ， 工作 面全长约 1 5 0 0 m， 倾 向约 1 7 0 m， 两侧 均为双巷布置 。 该工作面回采巷道掘进期 间， “ 煤炮” 频繁发生 ， 响声 巨大 、 煤尘飞扬 ， 多次造成巷道迎头及已支 护段 出现大面积顶板瞬 间下沉或切顶 ， 下沉 量可达 3 0 0 7 0 0 mm， 厚度达 2 0 0 0 ra m 的支护体 整体冒落 ， 顶板锚索频繁破 断， 局部显著底臌 ， 严重 时期甚至导致皮 带架、 掘进机发生显著位移 。 由于巷道动力显现强烈 ， 导致 已掘巷道 围岩破坏严重， 无法继续正常作业， 迫使将精力集中于巷道的扩修、 维护， 部分区段反复扩修 2 - 3 次仍无法抵抗“ 煤炮” 的冲击作用而再 次破坏 ， 繁重的扩修工程严重制约 了矿井 的采掘接替。鉴于该矿冲 击矿压的高危险眭， 研究其发生规律与治理方法， 是一个非常重要 的课题 。 2冲击矿压发生的地质影响因素 2 ． 1开采深度 研究表明， 从 5 0 0 m开始， 随着开采深度的增加， 冲击地压的危 险 I生 急剧增长。 而该矿首采区开采深度达 6 4 0 m， 掘进巷道期间就多 次发生“ 煤炮” 、 顶板急剧下沉等典型动力现象 。这种现象表明冲击 矿压与地应力相关 。 2 -2煤层 冲击性 根据试验结果 ， 首采 区煤层 的上 、 下分层 均鉴定 为具有 强冲击 倾 向性的煤层。其 中上分层煤样的 4 个 冲击倾向性指标 动态破坏 时间 D T 、冲击能量指数 K E 、弹性能量指数 WE T和单轴抗压强度 R c 等测定值均处于强冲击危险性区间 。下分层的4 个冲击倾向性 指标中，仅有弹性能指数 K E为 4 ． 4 5 ，极为接近强冲击倾向性区间 1 ．5 ≤K E 5 。对于首采 区全煤巷道而言 ， 巷道顶板 、 两帮和底板均 为具有强冲击倾向性的煤体 ， 在一定应力条件下， 巷道四周均具备 发生冲击破坏的可能性。当水平构造应力作用为主时， 顶底板冲击 危险相对严重； 当垂直应力过度集中时 如煤柱应力集中 ， 则两帮 冲击危险相对严重。 2 ． 3顶板岩层结构 该矿首采区相关参数 3 。 ， 割煤厚度 3 ． 5 m， 放煤厚度 l O re， 总 采高 ∑M 1 3 ． 5 m 。由周边钻孔柱状 图 1 可知 ， 顶板岩层多为砂 岩， 从 测试数据看 ， 强度处于软弱 f - 0 3 至中硬 f _ 3 6 之 间， 因此 ， K取 1 ．4 。代入以上参数 砌 3 3．75 1 ． 4 1 c o s 3 由计算结果可知 ， 该矿 4号煤层首采区上分层开采后 ， 采空区 煤层上方约 3 4 m左右范 围内的岩层将 由下往上逐层弯曲、断裂、 垮 落， 在顶板悬臂弯曲， 直至运移过程中， 产生的静、 动载荷将对采掘 空间周围煤岩体的应力水平和能量积聚水平产生重要影响 。 2 ． 4褶 曲构造 根据该矿首采区三维地震勘探 资料 ， 该采 区整体表现为 向南西 缓斜的单斜构造 。 局部地段呈波状起伏 ， 在 区内发现了大于 5 m的褶 曲 6 个 。对于动力显现较为显著的 4 2 0 3 工作面 ， 其地层整体向 N W 及 N N E方向倾斜 ， 倾角 3 。 一 9 。 ， 一般 5 。 左右 。 该 4 2 0 3工作面内发 育两条向斜 A 4和 A 5 、 一条背斜构造 A 6 ， 如图 2 所示 。由褶 曲基 本参数可知， 该工作面受 A 4背斜和A 5向斜影响较大。 3冲击矿压发生的开采技术 因素 3 ． 1掘进扰动 为考察该矿掘进工作面对冲击地压 的影响规律 ， 采用 F L A C有 较长 ， 将可能导致变压器损坏 ， 因此需要配备完善 的失灵保护。 糯扎 渡 电站 5 0 0 k V变压器高压侧均为一个半断路器接线 ， 除变压器高压 侧断路器和低压侧 系统配置完善的失灵保护外 ， 还需为主变配置联 跳其它侧断路器的失灵 回路 ， 以彻底将变压器相邻的故障隔离 。糯 扎渡电站采取将失灵保护跳主变回路接至变压器非电量回路中， 如 图2 所示， 联跳出is l 回路取同非电量保护出口跳闸回路。 i T J ； ； T J ； 赢压喇开关攥护拒 耋变雏电量馔护橙 一 ． ． 一 ． ． ． 一 ． 一 ． 一 一 ． ． L ． ． ． ． ． 一 ． ． ． 一 一 ． ． ． 一 a T O i T J ； ； 母 蹙 失 灵 德 护 框 ’ 奎 变 靠 耄 量 僳 护 拒 i 一 一 。 ． ． 。 ． 一 ． 。 ． ． 一 ． ． ． ． 一 ． ． ． 一 一 ． 一 一 ． ． ． ． ． 一 b 图 2失 灵保 护联 跳 主 变 回路 3结束语 糯扎渡水电．立 占 自2 0 1 2 年 8月投产至今，主变保护未发生过一 起误动 、 拒动的不安全事件 ， 主变保护配置完善 ， 组屏合理 ， 定值整 一，一 定正确 ， 满足主变安全稳定运行 的技术需要 。 参考 文 献 【 1 ] 潘 书燕， 吕良君 ， 杨佳 ， 等． 变压 器低压侧故障远后备保 护分析及 解决方案『 J 1 ． 电力 自动化设备 ， 2 0 0 9 ， 2 9 2 1 0 1 1 0 5 ． 【 2 僧 凯丽， 薛慧君． 微机变压器保护双重化配置典型设计探讨⋯． 继 电器 ． 2 0 0 3． 3 1 1 1 5 8 6 0 ． [ 3 ] 唐 宜芬．2 2 0 k V 变压器保护的配置 、 接 线和 整定原则『 J ] ． 广 东输 电 与变电技术， 2 0 0 5 4 8 一 l 1 ． 【 4 ] 赵 海呜 ， 刘健． 西北电 网 3 3 0 k V 自耦 变压 器零序过 流保 护的配置 及整定计算[ J 1 ． 电力 自动化设备 ， 2 o 0 1 ， 2 1 9 2 9 3 1 ． 【 5 ] 王维俭 ， 孟庆和 ， 宋继成 ， 等． 大型发 电机 变压 器继 电保 护整 定计 算导则[ M1 ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 6 ] 代 莹， 曾克娥 ， 石 东源， 等． 关于变压 器负序过 电流后备保护 整定 计算的讨论『 J 1 _ 电力系统 自 动化， 2 0 0 5 ， 2 9 1 3 9 0 9 1 ． [ 7 ] 王梅义． 电网继电保护应用『 M1 ． 北京 中国电力 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 8 ] 王义平， 向辉 ， 张明昭． 变压器限时速断保 护的加装和整定分析『 J ] ． 电力 系统 保 护 与控 制 ， 2 0 0 9． 3 7 f 9 1 1 2 6 1 2 8 ， 1 3 4 ． 『 9 ] P S T 一 1 2 0 0系列 5 0 0 k V 电压 等级 数字 式变压器保护 装置说 明书 [ z 】 ． 南京 国电南京自动化股份有限公司， 2 0 0 6 ． [ 1 0 1 ] R C S 一 9 7 8系列变压器成套保护装置 5 0 0 k V版技 术说 明书『 z 1 ． 南 京 南京南瑞继保 电气有限公 司． [ 1 1 ] 张立群 ， 齐金 定 ， 常风然 ， 等． 5 0 0 k V变压 器保护配置与应用 中的 若干问题[ J ] ． 继 电器 ， 2 0 0 6 ， 3 4 1 6 7 9 8 1 ． 科 技 创 新 2 0 1 4 年 第2 3 期 I 科技创新与应用 ， ■ 髓*■tr t螂 f l 柙 ≈ 脚 鲰■帕 *■ tIt 健舻话 鬟 鞋 孵 * 蕾 r * ■ * 罐 * 4‘ 姆 B 肇擤 *自- 蠊 静 蟪 馘 靠 肆} 女 ● 日 r * ， 域 蕾 憾*． 4 _ ⋯l “ ’ 、 羹 斌 蓐■*4 m h Tm It t 醐巩 m 饕 { ■撺 鞋 * 雌性 特 舶 赫融舯 ”7 n * _ ■ 酱 -* ． - 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、 图4沿巷道轴向垂直应力分布图 3 - 2回采扰动 研究表明 ， 工作面回采过程 中具有显著的周期来 压现象 ， 且具 有大、 小周期的特点。 大周期来压 即高位老顶周期来压 ， 来压步距在 6 0 m左右 ， 来压期间主要表现为支架工作阻力大幅度增加 ， 安全 阀 频繁开启 ， 且持续 时间较长 ， 约 3 5 天 ， 影 响范围大 ， 平均 1 8 m； 而在 部分大周期来压之间出现了规律性的小周期来压， 来压期间同样具 有支架工作阻力增大， 安全阀开启的现象， 但持续时间较短， 一般为 1 2 天 ， 之后压力迅速下降。 1 冲击地压的发生与顶板周期来压在时间上往往具有密切联 系。 2 在空 间上 ， 冲击地压 的发生生受超前支承压力的影响显著 ， 冲击地压发生地点和超前支承压力峰值位置有很大的相关性， 大部 分冲击地压的发生在超前支承压力 峰值范围 ， 有少数 冲击地压发生 在峰值区域外， 但仍然与该区域微震活动有关 。 3 - 3采掘速度 根据回采工作面日推进度的统计，在冲击地压危险工作面， 采 掘速度与动力显现有非常 明显的关系。 采掘速度与煤岩体 的能量释 放有一定关系， 采掘速度太快可能造成煤岩体应力和能量不能及时 释放而逐渐积累， 直至超过其强度极限后以大能量震动事件的形式 集 中释放 ， 从而诱发冲击地压 。工作面推进度的确定应根据工作面 的危险期和微震或地音监测进行确定。 工作面合理的推进度在不同 时期、 不同危险区域将有所不同。 4冲击矿压总体防治对策 针对该矿引起冲击矿压的因素 ， 采取以下针对性防治措施 1 成立冲击矿压防冲机构， 并制定相应的制度 ， 并负责实施各 项解危方案。 2 采取冲击地压区域性防范措施 ， 提 出调整巷道方 向， 优化接 工作面接替顺序 ， 调整巷道布置方式 ， 调整大巷布置层 位等适合 于 现场开采 、 地质条件的初步方案。 3 形成 冲击地压危 险源层次化监测 的初步方案 利用微震法 对全矿井 、利用地音法对 重点工作面监测煤岩破裂产生的动载荷。 利用应力在线监测、 钻屑法抽样检测局部危险区域煤体静载荷。 4 根据微震、 地音、 钻屑法等监测数据， 分析总结适应该矿的 预警预报参数和解危方案。 5 适当加大采掘工作面间距， 适当控制采掘速度， 并保证采掘 速度的均匀性。 6 做好采掘工作 面的安全防护 ， 实行大件捆扎 、 小件装箱 ， 限 制进入人员人数 ， 穿防冲服 、 戴防冲帽。 5结束语 通过以上针对性防治措施的实施， 该矿的冲击地压危害程度显 著的减轻 ， 冲击地压 隐患基本得到了良好 的控制 ， 基本未 出现大 的 冲击地压显现 ， 说明上述冲击地压防治对策是科学有效的， 它扭转 了该矿冲击地压不可防 、 不可控的被动管理局面 ， 有效地保护 了职 工的生命安全， 最大限度降低了财产损失， 有力地保障了矿井的安 全生产 。 参 考 文献 【 1 ] 李永杰 ， 陈喜恩， 王唐龙 ， 等． 平煤集 团十二矿 三水平冲击矿 压原 因分析及防治对策『 J 1 ． 煤矿安全 ， 2 0 0 7 4 3 3 3 5 ． 【 2 ] 周荚， 顾明， 李化敏， 等． 砚北煤矿动力现象的发生及治理[ J 】 ． 矿山 压力与顶板管理 ， 2 0 0 4 2 9 1 9 3 ． f 3 ] z 国法 ， 李前， 赵志礼 ， 等． 强矿 压冲击工作 面巷道 冲击倾 向性测 试与超前 支护系统研 究『 J 1 ． 山东科技大学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 4 1 9 ． [ 4 】 王文婕． 煤层冲击倾向性对 冲击地压的影 响机制研 究【 D 】 ， 北京 中 国矿业大学， 2 0 1 3 ． f 5 1 宋继 臣， 窦林名 ， 何 江， 等． 峻德煤矿 1 0 4掘进工作 面冲击矿压 防 治技 术『 J 1 ． 煤矿安全与环保 ， 2 0 1 0 ， 3 7 5 4 9 ～ 5 8 ． [ 6 ] ． --Y - 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