深部开采复杂动力现象分析及其防治.pdf

煤炭工程 2 0 1 0年第 7期 深部开采复杂动力现象分析及其防治 李化敏，韩俊效，熊祖强，王 文 河南理工大学 能源学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 3 摘要文章对平煤十二矿三水平回风下山复杂动力现象发生的条件和机理进行深入分析， 揭示了深部开采条件 下动 力现 象的复杂性 ，并提 出了掘进 工作面 瓦斯抽放与钻孔卸压防治措施 ， 取得 了良好的效果 ，保证 了安全生产 。 关键词深部开采 ；冲击地压 ；煤与瓦斯 突出 中图分类号T D 8 2 3 ． 8 4 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 7 - 0 0 4 0 - 0 2 1 工 程概 况 十二矿己七三水平回风下山位于己七采区下部，南接 二期回风下山下部，北至李 口向斜轴部附近。该工作面设 计长度 1 8 0 0 m，标高 一5 9 0～一8 2 0 m，巷道埋深为 8 9 0～ 1 1 0 0 m。巷道布置在己1 5煤层之中，上邻己l 4煤层，己 1 4 煤层没有开采价值，下邻己1 61 7煤层均未开采。 巷道位置接近李 口向斜轴部，煤岩层走向 1 0 5 。 ，倾向 1 5 。 ，煤岩层倾角范 围为 8 。一2 0 。 ，平均 1 2 。 。煤层赋存稳 定，平均煤厚 3 ． 5 8 m，煤层节理裂隙较发育，煤的破坏类 型为 I I ～I Ⅱ类；煤的坚固性系数， 0 ． 4～1 ． 5 。煤层瓦斯含 量 1 8～2 5 m ／ t ，煤层 瓦斯压力 2 ． 8 m P a ，绝对瓦斯涌出量 1 ． 7～ 4 m ／ m i n 。煤层直接顶为深灰色砂质泥岩，厚度约7 1 2 m，复合顶板约 1 ． 3 m厚；煤层底板为灰黑 ～ 黑色砂质泥 岩，内含植物化石碎片，厚度约 1 ． 5 m。 煤层顶底板透气性差 ，泥岩呈脆性 ，煤层干燥 ，塑性 差。相邻的三水平胶带下在沿 I 2灰岩施工到约 9 5 0 m时， 发生有较强烈岩爆现象。2 0 0 5年 6月 2 9日零点班 3点 4 7 分放炮后在避难硐室内听到三声煤炮声，监测机房显示瓦 斯超 限，迎 头 9 ． 9 ％，回风 9 ． 9 ％，计算 瓦斯 涌 出量 达 到 1 6 0 5 m 。 2 动力现象发生机理分析 2 ． 1 瓦斯条件分析 三水平回风下山布置在己 1 5煤层之中，正常煤层为原 生结构煤 ，煤的破坏类型为 I I I I I 类，局部为Ⅳ类，煤层 节理比较发育。煤层顶板为深灰色砂质泥岩，底板为黑色 泥岩 ，透气性较差，煤层瓦斯含量约 1 8～ 2 5 m ／ t ，掘进过 程中绝对瓦斯涌出量 1 ． 7 4 m ／ m i n 。在巷道掘进到距开 口 5 7 0 m位置时，由于受煤层顶板数条裂隙的影响，形成突出 条带 ，造成瓦斯相对富积，突出危险性增大。因此，三水 平回风下山巷道掘进位置处于瓦斯突出危险区。从突出发 生前瓦斯及突出检验、突出发生过程、突出现场无风流痕 迹、突出发生后瓦斯涌出量的变化，以及动力现象引起的 巷道围岩变形破坏特征表明，本次动力现象不是一次普通 的煤与瓦斯 突出。 2 ． 2 冲击条件分析 三水平回风下山掘进位置巷道埋深约 1 1 0 0 m，巷道处 于李 口大向斜翼部下段 ，受构造应力影响严重，根据测算 ， 该处巷道的原岩应力 中垂直应力为 O - 3 0 MP a ，最大水平 应力大于盯 ⋯ 4 0 MP a 。考虑到巷道开挖后围岩应力重新 分布 ，引起应力集中，巷道周边最大应力可超过 8 0 MP a以 上，围岩处于高应力状态。该煤层顶板为层厚 7 ． 8 m的较坚 硬致密砂质泥岩，同时，煤层干燥而呈脆性 ，由冲击地压 的强度理论，巷道掘进过程 中围岩可能达到或超过煤岩体 的强度极限；脆性的巷道围岩具有冲击倾向性，高应力和 硬脆的围岩必然满足冲击地压能量条件。 根据本矿三水平胶带下山曾发生岩爆的资料显示，岩 爆发生在 I 2灰岩中。经过统计 自2 0 0 4年 8月 5日8点 5 0 分至 2 0 0 5年4月 6日1 7点 4 0分共发生岩爆 1 2 4次。且发 生岩爆的地点大部分在巷道的左帮和迎头方 向。据此判定 地应力的主应力方向在巷道迎头 的左前方，这与该矿发生 冲击地压位置的巷道埋深和地应力的主应力方向比较一致。 因此，可以认为开挖过程 中，煤岩体处于极限应力状 态，即该段巷道具有冲击危险性。 2 ． 3 动力现 象机理分析 为了探讨动力现象发生机理 ，可以将围岩系统视为顶 板、底板、煤层组成的力学体系。煤层 中开掘的巷道可视 为被顶底板夹持弹性体。从极限平衡的意义上来看 ， 煤体 夹持出现于高应力作用的掘进头 ，煤体夹持作用产生力学 效应①在顶板岩层和煤层 中储存有相当高的弹性能；② 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 0 1 作者简介李化敏 1 9 5 7一 ，男，河南南阳人，教授，现任河南理工大学能源科学与工程学院副院长。 2 0 1 0年第 7期 煤炭工程 高压带和弹性能积聚区位于巷道周边的应力集中带；③顶 底板岩体和煤层处于极限平衡状态 ；④煤层系统失稳是由 于顶板弯曲断裂释放的弹性能引起。 上述四点表明，在煤体稍有扰动时，可能导致煤体破 裂。在动载荷作用下 ，煤体 内部产生附加应力，并导致系 统失稳。在高原岩应力作用下，煤岩系统积聚大量弹性能， 处在掘进头处的煤体在顶底板岩层的夹持作用下 ，煤层 中 的高瓦斯压力使煤岩体三轴强度被消弱，具有高瓦斯压力 的煤体，使夹持失稳极限值随之减小 ，另外，掘进头处 围 岩应力状态的改变和抵抗能力的降低，使巷道 围岩系统处 于极限平衡状态，在爆破动载扰动下，导致了本次煤与瓦 斯突出。可以看出，地应力和冲击地压因素起主导作用。 从条件上判断，该段巷道符合发生冲击地压和煤 与瓦 斯突出的充要条件。从突出前后的现象判断，符合冲击地 压和煤与瓦斯耦合作用下的复杂矿井动力现象的典型特征。 根据上述分析，综合 冲击地压和瓦斯两种因素，可将 本次动力现象定义为 高应力作用下，以冲击地压为主导 ， 冲击地压和煤与瓦斯共同作用下的复杂矿井动力现象。 3 动力灾害防治措施 由于该地区属煤与瓦斯突出危险区，因此 ，防治措施 首先必须严格按照防突要求进行实施 ；在此基础上采取降 低应力，改变围岩性质等进一步措施。 3 ． 1 掘进工作 面瓦斯抽放措施 1 打超前排放孔。超前排放采用直径 8 9 mm钻孔进 行 ，排放孔 的有效排 放半 径 横 向 0 ． 9 m，纵 向 0 ． 6 3 m；孑 L 深1 0 ． 51 1 m。钻孔布置工作面布置 3排孔 ，共 2 4个， 每排孔 8个 ，孔间距 0 ． 5 m，沿煤层层理方向布置 ，上排孔 开孔距煤层顶板 0 ． 6 3 m，中排孔开孔距煤层顶板 1 ． 0 3 m，下 排孔开孔距煤层顶板 1 ． 4 3 m。两帮终孔位置距巷道轮廓线 外 4 m。 2 边掘边抽。在巷道两帮交替做钻场，同帮钻场间距 4 0 m，相对两帮钻场间距 2 0 m。钻场规格宽 x高 x深 3 ． 5 m x 2 ． 8 m x 3 m，在做钻场和泵窝之前，先执行超前排放 钻孔措施，效检合格后方可允许施工。钻场内施工 2排共 6 个挂耳孑 L ，孔径 8 9 ram，孔深 4 5 m。 3 浅孔抽放措施。当回风流瓦斯浓度超过 0 ． 5 ％或超 前排放钻孔不能消除突出危险时，必须采取浅孔抽放技术。 即在打排放孔过程中，打一个孔 ，用专用封孔器封一个 孔 ，往抽 放管路上联一个孔 进行抽放 。 3 ． 2钻孔 卸压 措施 1 巷道两帮卸压孔措施 。在施工过程中，为了防治冲 击地压 ，在巷道两帮施工卸压孔。巷道左帮每架施工两个 卸压孑 L ，一个孔与巷道施工方向夹角4 5 。 ，另一个孔与巷道 施工方向夹角 3 0 。 并且紧跟迎头；巷道右帮每架施工一个卸 压孔，与巷道施工方向夹角 4 5 。 。卸压孔孑 L 深 l O m，孔径 8 9 ram。左帮 卸压孔 布置上一个孔 开 口孔距煤 层顶板 0 ． 5 m，下一个孔开 口距煤层顶板 1 ． O m；右帮卸压孔布置 开孔距煤层顶板 0 ． 5 m。卸压孔位置示意图如图 1 。 j 瑟 左帮卸压孔开孔位置示意图 单位 c m 右帮卸压孔开孔位置示意图 单位 c l n 1 l 1 两帮卸压孔终孔位置示意图 图 1 卸压孔 位置示意图 2 迎头深孔卸压 前探 钻孔措施。为了防治迎头前 方的冲击地压，同时起到前探孔的作用，进尺前在迎头施 工一排 3个钻孔，开孔位置为距煤层顶板0 ． 5 m。孔深3 0 m， 孔径 8 9 ram，保留 l O re超前距。 3 迎头浅孔卸压孔措施。在打排放钻孔时，在迎头煤 岩结合部，距煤层顶板0 ． 2 m处 ，施工一排 4个钻孔，孔径 8 9 ram，孔深 l O re，孔间距 1 m，平行于煤层顶板 ，与巷道施 工方向一致。 4 高压磨射流割缝措施。有选择地对 6个钻孔进行高 压磨射流割缝 ，以加快卸压和瓦斯释放速度。在迎头施工 完排放钻孔后，对上排的 3号、5号孔、中排的 l 2号、1 4 号孔和下排的1 9号、2 1号孔实施高压磨射流割缝 。 4 结语 为了保证十二矿三水平 回风下 山以及三水平今后回 采准备过程中的正常安全施工 ，要对该条件下 的复杂动 力现象问题进行系统深 入的分析研究 ，进一步弄清发生 的机理和条件 ，进行有针对性 的预测和预报 ，提出有效 的防治措施 。但要从根本上解决该条件下 的安全生产问 题 ，应从系统工程 的角度出发 ，综合研究冲击地压 、瓦 斯防治 、预测指标、检验内容与方 法和管 理等 多方 面的 问题 ，才能 真正确保 当前乃 至今后 在该条 件下 的安全 生产 。 责任编辑李泽荃 41