兖州矿区深部开采冲击地压防治技术与实践.pdf

第3 8 卷第5 期 2 0 1 0年 5月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a nd Te c h no l o g y V0 1 ． 38 No ． 5 Ma v 2 01 0 赫 兖州矿 区深部开采冲击地压 防治 技术与 实践 黄 福 昌 1 ．山东科技大学 资源与环境工程学 院，山东 青岛2 6 6 5 1 0 ；2 ．兖矿集 团有限公 司 ，山东 邹城2 7 3 5 0 0 摘 要兖州矿 区大部分矿井 已进入深部开采 ，针对冲击地压危险越来越严重的问题，开展 了一系 列技术研 究及 防治实践。提 出了按加载方式和应力来源 的冲击地压分类方法，将兖州矿 区发生的冲 击地压划分为煤柱应力集 中型、顶底板应力集 中型、震动能量释放型，研究 了各 类冲 击的发生机 理；开发 了冲击地压危险的区域预测、应用监测系统以及局部检测的冲击危 险综合预测技术 ；采用 了多种类型的爆破卸压及钻孔卸压为主的综合治理技术 ；建立了完善的组织管理制度 ，制定 了冲击 地压的防护措施 ，建立起 系统有效 的综合防治技术体 系，保证兖州矿 区深部采 区的安全高效开采。 关键词 冲击地压；区域预测 ；爆破卸压；钻孔卸压 中图分类号 T D 3 2 4 ． 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 0 0 5 0 0 0 1 0 4 Pr e s s ur e Bu mpi n g Pr e v e n t i o n a n d Co nt r o l Te c h no l o g y a n d Pr a c t i c e s o n De e p M i ni n g i n Ya nz h o u M i ni n g Ar e a HUANG Fu ． c h a n g ， 1 ．S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g， S h a n d o n g U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0， C h i n a； 2 ．Y a n z h o u C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n L i m i t e d， Z o u c h e n g 2 7 3 5 0 0，C h i n a A b s t r a c t T h e ma j o r m i n e s i n Y a n z h o u Mi n i n g A r e a a r e i n d e e p mi n i n g ．B a s e d o n t h e p r e s s u r e b u m p i n g d a n g e r b e c o m i n g a m o r e s e r l o u s p r o b l e m ，a s e r i e s t e c h n i c a l r e s e a r c h a n d p r e v e n t i o n p r a c t i c e s o n t h e p r e s s u r e b u mp i n g w a s c o n d u c t e d ． T h e p a p e r p r o v i d e d t h e l o a d i n g wa y a n d t he pr e s s u r e b ump i n g c l a s s i f i c a t i o n me t ho d o f t he s t r e s s s o u r c e s t o d i v i d e t he p r e s s u r e bu mp i ng s o c c ur r e d i n Ya n z h o u Mi n i ng Ar e a t o a c o a l p i l l ar s t r e s s c o n c e n t r a t e d t y pe，a r o o f a nd f l o o r s t r e s s c o n c e n t r a t e d t y pe a nd s e i s mi c e ne r g y r e l e a s e d t y p e a n d t o i nd i v i du all y s t ud y t h e o c c u r r e d me c h a n i s m o f e a c h p r e s s u r e b u mp i n g ． T h e r e g i o n a l p r e d i c t i o n a n d a p p l i c a t i o n mo n i t o r i n g a n d me a s u r i n g s y s t e m o f t h e p r e s s u r e b ump i n g d a ng e r a s we l l a s t he p r e s s u r e b ump i n g da n g e r c o mp r e he n s i v e p r e d i c t i o n t e c hn o l o gy f o r t he c o a l d e t e c t i o n we r e d e v e l o pe d． Th e c o mp r e h e ns i v e c o n t r o l t e c h n o l o gy ma i n l y wi t h t h e s e v e r a l t y p e b l a s t i n g p r e s s u r e r e l e a s i n g a n d bo r e h ol e p r e s s u r e r e l e a s i ng we r e印 - p l i e d ． A w e l l o r g a n i z a t i o n a n d ma n a g e me n t s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d a n d t h e p r e s s u r e b u mp i n g p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l me a s u r e s w e r e s e t u p．A s y s t e ma t i c a nd e f f e c t i v e c o mp r e h e ns i v e pr e v e n t i o n a n d c o nt r o l t e c hn i c a l s y s t e m wa s e s t a bl i s he d t o e n s u r e t h e s a f e t y a n d hi g h e f f i c i e n t mi n i n g i n d e e p mi ni ng a r e a o f Ya n z ho u Mi n i ng Ar ea ． Ke y wor dspr e s s ur e b ump i n g；r e g i o n a l pr e d i c t i o n；b l a s t i n g t o p r e s s u r e r e l e a s i ng；bo r e h o l e t o p r e s s u r e r e l e a s i ng 1 兖州矿 区冲击地压概 况 兖州矿区矿井开采深度逐步增加 ，各采深较大 的矿井不同程度地出现了冲击地压灾害，对安全生 产造成了严重的威胁 ，这些冲击地压具有不同的发 生特点。东滩煤矿是兖 州煤 田开采深 度最大 的矿 井 ，在四采区与十四采 区煤柱中掘巷道时曾经多次 发生冲击地压 。南屯煤矿 9采区也 曾发生了冲击地 压灾害。这 2个矿井 的灾害属煤柱应力集中型 ，即 该类 冲击 地压 发 生 在与 构 造应 力 方 向夹 角 较 大 一般大于 6 0 。 的巷道 ，并且 出现在 二向或多向 采空 的煤柱 中，积 聚了极高 的应力 ，最易发 生冲 击 ，且冲击强度及危害均较大。 济二煤矿 与济三煤矿 深部采 区都 超过 了 7 0 0 m，个别地段采深超过了 8 0 0 m。济三煤矿 6 3 0 3工 作面开采期 间在 3 0 0 1 T I 地段上就发生 了程度不 同的 5次冲击地压 。该类冲击主要表现为发生 冲击前顶 板应力较高，积聚大量的能量 ，在发生冲击时顶板 1 2 0 1 0 年第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 8 卷 瞬间释放大量能量 ，给巷帮或顶板造成较为严重的 破坏 ，且底板一般也较坚硬 。济二煤矿采深较济三 煤矿大，但检测出的冲击危险程度不如济三煤矿强 烈，经综合治理后未发生冲击地压事故。 在东滩 、济二、济三等矿井还发生了由震动引 起 的冲击地压 ，主要表现为在冲击发生地点巷道顶 板或两帮并没有较高的应力集中 ，只是由于采掘空 间附近发生矿震 ，释放 的大量能量传递到 自由面而 造 成破 坏 。 2冲击地压发生类型及机理 对于冲击地压发生机理 ，国内外进行 了大量研 究 ，其 中有许多传统 理论⋯ ，如强度理论 、能量 理论、冲击倾 向理论 、失稳理论等。近些年来许多 学者 运用现代数学和力学方法也做 了大量研究 、 如灾变理论 、混沌理论等。更多的相关研究人员针 对具体的冲击地压发生情况进行 了机理分析 ， 用于指导防冲实践 。根据兖州矿区冲击地压发生 的 特点 ，将冲击地压划分为以下不 同类型 ，并研究得 出了相应的发生机理。 2 ． 1 煤柱应力集 中型冲击地压发生机理 1 底板结构为复合岩层 ，即赋存有相对硬软 岩层或者为煤岩层 ，冲击地点都是开采 3 ． 煤 ，底 板为 3 t 煤与 3 下 煤 的夹矸 ，再向下为 3 下 煤。 2 构造应力对冲击 的发生起控制作用 ，发生 冲击巷道 的方位与最大水平主应力夹角较大 ，一般 都在 6 0 。 以上。 3 冲击发生在应力叠加 的煤柱区 两侧或三 侧采空或工作面前方支承压力峰值 区附近。 2 ． 2顶底板应力集中型冲击地压发生机理 1 煤层具有中等冲击倾向及较低的钻孔冲击 临界压力。煤体冲击倾 向越强 ，煤体临界载荷及煤 体临界深度越小 ，越容易发生冲击。 2 煤层厚度较小 一般小于 6 m 。煤层厚度 越小 ，近煤壁处煤体应力集中程度更大 ，且煤体破 坏时释放能量比例也更大 ，更容易发生冲击。 3 较厚的坚硬顶底板的存在 ，且煤层与顶底 板之间没有软弱岩层 。坚硬顶底板对冲击发生的作 用有 ①坚硬顶底板中积聚较大能量 ，为煤体冲击 提供动力 ；②坚硬顶底板活动时将对煤体产生较大 的加载速度 ，成为煤体冲击的重要因素。 4冲击发生出现在地质构造带 ，尤其是向 自 2 由面方向煤层变厚时更是如此 。 2 ． 3 震 动 能量释 放型 冲击地 压发 生机理 1 由于地质构造及开采历史遗留等原 因，在 回采工作面周 围留下 不规则煤 柱 如 锯齿形或凸 凹煤柱 ，或者不稳定煤 柱 如煤 柱尺寸为 2 0 m 左右 。 2 煤层上方赋存有较坚硬 的顶板 ，这样 的顶 板在受到不规则的凸凹煤柱的支承时不易 冒落。 3 在 不规则煤 柱周 围形 成较 大范 围的采 空 区，使煤柱边缘未 冒落的顶板处于临界失稳状态 。 4 煤柱上方的顶板受到采掘扰动 ，产生失稳 冒落 ，同时释放大量能量 ，发生震动型冲击 ，造成 附近 自由空间的煤岩体产生破坏 。 ． 3 冲击地压 危险的综合预测 3 ． 1 冲 击地压 危 险的 区域 预 测 1 经验类 比法 。用经验类 比分析法评定待开 采地点的冲击危险级别时 ，应着重考虑同类条件下 已发生冲击危险的条件 ，并考虑坚硬顶板、煤柱、 地质构造带等因素。 2 综合指数法 。据影响 冲击地压危险状态 的地质 因素 开采深度、顶板坚硬岩层 、构造应 力集 中、煤 层 冲击 倾 向性 等 和开 采技 术 条 件 开采历史 、煤 柱 、终采线等 ，确定 相应的影响 冲击地压危险状态的指数 ，从而为冲击地压的预测 预报和危险性评价 、冲击地压的治理提供依据。 3 可能性指数诊断方法 。冲击地压危险区的 危险程度受到很多因素的影响，应力状态和煤岩体 的性质是最主要的因素 ，并以构造分析 、工程类比 等为辅助方法进行综合研究。该方法的基本内容和 步骤为 ①计算采动应力场分布规律 ；②测试和计 算煤岩体 的冲击倾 向性 ；③分别计算应力和冲击倾 向性对 “ 发生冲击地压 ”事件 的隶属 度；④计算 冲击地压发生的可能性指数 ；⑤诊断某一地点冲击 地压发生的可能性 。 4 地质动力 区划方法 J 。采用地质动力区划 方法得出开采区域 的地质构造环境及原岩应力分布 状态 ，圈定构造影 响区及应力升高区、降低区及高 应力梯度区。结合各矿井冲击地压 的多因素耦合致 灾机理，确定冲击地压发生的主要影响因素，采用 多因素耦合方法确定冲击地压危险性指数 ，划定了 各矿井的冲击地压危险区、威胁区和安全区，为进 黄福昌兖州矿区深部开采冲击地压防治技术与实践 2 0 1 0年第 5期 一 步开展防治工作奠定基础 。 3 ． 2冲击地压危险的区域性监测 3 ． 2 ． 1 矿震监测系统 目前已建成由 8个遥测 台站和 1个台网中心组 成的兖州矿区数字遥测 矿震 监测 台网，同时通过 V P N技术实现 山东省数字地震遥测 台网中心 邹 城 、嘉祥 、泰安 台站数据与兖州矿 区数字遥测 矿震监测台网台站数据的共享 。为加强监测精度 ， 部分矿井还采用了深井台和地面流动 台组成的矿震 台站。矿震监测能力达到 0 ． 6级 里 氏震级 ，矿 震定位结果基本令人满意，定位精度取决于区域速 度模型的精细程度 、人员 的专业素质和经验 。 3 ． 2 ． 2微 震 监测 系统 鲍店煤矿已于 2 0 0 8年引入波 兰 S O S微震监测 系统 ，能对矿井包括 冲击地压在内的震动信号进行 远距离、实时 、动态 、自动监测 ，准确计算 出能量 大于 1 0 J的震动及 冲击地压发生 的时 间、能量及 空间坐标 ，且系统运行稳定可靠 。能给出冲击地压 等震动信号的完全波形 ，能确定 出每次震动的震动 类型 ，判断出冲击地压发生的力源 。根据监测结果 确定试验工作面开采初期出现的几次强震动事件主 要就是因为开采诱发切眼附近断层活化引起的，而 开采中、后期出现的多次强矿震主要 由于巨厚坚硬 岩层 的剪切破断诱发 ；更多的小震动事件则是 由于 工作面采空区、断层附近破碎顶板 冒落及煤体破裂 引起的。该系统实现了矿震震源的准确定位 ，并可 揭示震动发生机理和预测强震动的发生，对实现试 验工作面安全开采起到了关键作用 。 3 ． 3冲 击地压 危 险的局 部检 测 冲击危 险 的局 部 检测 以钻 屑法 为 主，结 合 K B D 5型矿用本安型电磁辐射仪检测 的冲击危 险。 另外 ，还开发 应用 了 “ 当量钻 屑量 连续 监测 法 ” 来预测冲击危险。为提高钻屑法 的施工效率和测试 结果 的准确性 ，各矿井都配备了手持式气动钻机及 配套钻具 。 3 ． 4冲击地压 危 险 的辅助 检测 方法 引入澳大利亚先进的地应力测量设备对各个矿 井主要 采 区的原岩 应力 、采 动应力 进行 实测 ] ， 为准确进行原岩应力场和采动应力场的研究提供 了 基础数据 ，同时为研究冲击发生机理及预测冲击地 压危险提供了依据。各矿井的回采工作面都采用 了 矿压 自动监测系统 ，可 自动记录和分析工作面来压 及支柱工作阻力等数据 ，为评估工作面采动对发生 冲击地压的影响提供 了数据。 4冲击地压 危险的综合治理 4 ． 1 钻孔卸压 钻孔卸压能把 钻孔深入 到高压带 ，卸压效果 好 ，灵活可靠 ，而且压力愈高，卸压效果越好。除 应用大直径 钻 头直径 1 1 0 m m 左右 钻孔 卸压 外 ，另外还 根 据 不 同开 采 条 件采 用 了 中等直 径 钻头直径 7 5 m m左右 钻孔 的卸压方式 。该方法 在鲍店矿 1 0 3 0 4和 1 0 3 0 2综放 面开采 前方煤体 内帮预卸 压 ，东 滩煤 矿 1 4 3 1 4工作 面运 输巷 掘 进 ，东滩煤矿 1 4 3 0 9工作面煤柱应力集 中区卸压 ， 南屯煤矿 9 3 O 4及 9 3 0 3综放工作面 中间巷卸 压 等得到了应用 ，取得了较好 的效果 。 4 ． 2 煤体深孔卸压爆破 煤体深孔卸压爆破技术长期 以来一直是用于解 除冲击危险的基本措施 ，并得到广泛 的应用。根据 目前现场实施的煤体卸压措施来看 ，兖州矿区适宜 的钻孑 L 卸压参数为 钻孔间距为 3 m左右 ，视煤体 应力集中程度及 冲击危 险程 度而定 ；钻孔深度为 1 0 m以上 ，视煤层及顶底板情况而定 。 4 ． 3顶板 深孔 爆破 顶板深孔爆破就是在沿空巷道内向采空区方 向 处的巷道上方顶板采用锚杆钻 机打一定 深度 的钻 孔 ，并在孔 内装炸药进行爆破 ，将顶板破断，降低 顶板整体强度 ，释放因应力集 中而产生的能量 ，减 少顶板 由于采动影响和时间效应而产生的断裂对煤 层和支架 的冲击震动。炮 眼眼 口距 采空 区侧煤 壁 3 0 0 mm，与顶板成 7 5 。 夹角朝 向采空区，眼深 1 3～ 1 5 m，孔径 3 4 mm，间距 5 r n ，单排布置。炮孔装 药长度 8～1 0 13 3 ，剩余长度全部用炮泥封严封实 ， 药卷直径 2 8 m m，每孔均匀布置 3个 同段号 电雷 管 ，每次同时起爆 5孔。 4 ． 4 超深钻孔坚硬顶板断裂爆破技术 采 用 MK一 3型全 液压钻 机 ，钻孔 直径 为 7 5 m m；用 B C J 一 5型装药车，采用压风机械化乳化炸 药现场混装技术；用 Z Q F 一 1 型压风封孔器进行压 风喷泥封孔。结合金属矿常用的扇形中深孔爆破技 术经验 ，向沿空巷道上方布 置深 度分别为 l 9～3 2 m的钻孔 ，钻 孔数量为 1 0个 左右 ，呈 扇形布 置。 爆破后能有效地破碎坚硬顶板，降低应力集中程 3 2 0 1 0 年 第5 期。 煤 炭 科 学 技 术 第3 8 卷 度 ，从而大幅度消除冲击危险。 4 ． 5 各类型冲击地压适用的解危措施 对于煤柱应力集 中型冲击地压 ，在应力集中程 度不大时，采用煤 帮卸压措施 就可 以取得较好效 果 ；在高应力条件下，除对煤帮应力降低外 ，还必 须采取底板打钻孔或槽的应力降低方法。 对于顶底板应力集中型冲击地压 ，其根本解决 措施是采取破断坚硬基本顶的方法 ，同时在煤帮采 取卸压措施 。针对不 同的开采条件 ，要注意掌握应 力降低 区的宽度 ，也就是保护带的宽度。济三煤矿 在开采 3 m厚 的煤层时采取 了形成 1 5 m保护带的 方法 ，有效地控制了冲击地压的显现。 对于震动能量释放型冲击地压 ，其根本措施是 控制能量释放的程度 ，如控制开采进度 ，适当加大 支护的强度等方法。对该类型的冲击地压 ，在煤帮 采取适 当的钻孔卸压是可 以的。但若采取卸压爆破 或顶板爆破的方 法 ，反而容 易使巷道丧失稳定性 ， 在发生震动型冲击时加大危害的程度。 5 冲击地压危险的防护措施 1 采掘特殊作业制度。控制采掘速度 ，工作 面过断层或终采线 切 眼 的安全技 术措施 ，工 作面来压期间及割煤移架工序的特殊工作制度等。 2 作业地点的防护制度 。危险地点 的挂牌警 示地点，无关人员不进入 ，需要 时必须快速通过 ， 不得逗 留；在危险地点进行作业时要进行 冲击危险 检测 ，确认无危险时才可进行 ；或采取专门的防护 措施 ，遥控等方式进行作业。严格执行打眼、放炮 等各工种的相关操作规定 ，躲炮时问及距离要严格 按相关规定执行 。 3 个体防护。所有人员必须按规定使用劳动 保护用品，安全帽 、工作服 、输送带 、矿灯 、自救 器等配戴整齐。配备 防冲专用特殊装备 ，如 防冲头 盔 、防砸背心等。 6冲击地压 防治 的组织管理 1 建立机 构 ，完 善制度 。兖 矿集 团制定 了 兖矿集团有限公司冲击地压防治管理暂行规定 ， 成立了冲击地压 防治工作领导小组 ，并 明确 了公司 各部门的管理职责。冲击地压矿井均编制了冲击地 压防治实施细则 ，冲击地压防治五年规划及年度计 划 ，组织编制了冲击地压检测、评估 、监控措施和 4 应急救援预案 ，编制了生产水平煤层冲击地压防治 专项设计 ，新开拓水平和采 区也编制了防治冲击地 压专项设计。 2 组织调研 ，强化培训。组织有关人员多次 到院校 、科研单位 、具有同类灾害的全 国各地矿井 学习调研 ，吸取教训，总结经验。并 2次派人到波 兰 、德国等 国家 考查 相关 技 术 及 装 备。编 写 了 冲击地压防治技术 冲击地压防治管理文件汇 编 兖州矿区冲击地压和矿震事故案例汇编等 培训教材 ，每年公司及各矿井都举办培训班。 3 科研攻关 ，推广技术。每年公 司技术中心 划拨专项经费开展冲击地压相关研究与多家科研单 位合作开展了 2 0多项科学研究。对冲击地压 发生 机理、监测及治理技术进行了系统研究 ，基本掌握 了各类型冲击地压的发生机理，得 出了监测及治理 措施 的技术及合理参数。 4 科学设计 ，专 门论证 。开采有 冲击地压危 险的煤层时 ，新采 区 工作面 设计时必须 编制 冲击地压防治措施的专门设计 ；在有冲击危险的区 域进行采掘作业前 ，作业规程 中必须包括防治冲击 地压的内容及专项安全措施。 参考文献 [ 1 ] 齐庆新 ，窦林名 ．冲击地压理 论与技术 [ M] ．徐州 中国 矿业大学 出版社 ，2 0 0 8 3 2 ～ 4 3 ． [ 2] 宋维源 ，潘一 山，苏荣 华 ，等 ．冲击地 压 的混 沌数学模 型 及 预测预报[ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 1 ， 2 6 1 2 6 3 0 ． [ 3 ] 郭惟嘉，孔令海 ．岩层及地表移动与冲击地压相关性研究 [ J ] ．岩土力学 ，2 0 0 9， 3 0 2 4 _4 7 4 5 1 ． [ 4] 牟宗龙 ，窦林名 ，张 广文 ，等 ．坚硬 顶板 型冲击矿压 灾害 防治 研 究[ J] ． 中 国 矿 业 大 学 学 报 ，2 0 0 6，3 5 6 7 3 7- 7 41 ． [ 5 ] 曲延伦 ．充州矿 区冲击地压事故分析及 防治措施 [ J ] ．中国 煤炭 ，2 0 0 6 ， 3 2 1 0 3 5 - 3 7 ． [ 6 ] 王丽 ，陈学华 ．地下 地质动力学 [ M] ．北 京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 6 1 0 3 1 6 5 ． [ 7 ] 黄福昌 ．兖州矿 区矿震防治技术研 究与探讨 [ J ] ．煤炭科学 技术 ，2 0 0 6 ， 3 4 1 6 9 - 7 2 ． [ 8 ] 倪兴华 ．地应力研究与应用 [ M] ．北 京煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 64 2- 5 7． 作者简 介黄福 昌 1 9 6 1一， 男 ，山东 昌邑人 ， 研究员 ，现任 兖矿集团有限公司总工程师。 T e l 0 5 3 7 5 9 3 7 1 8 1 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 0 ；责任编辑 曾康生