鹤岗南山煤矿煤层冲击地压实验.pdf

2 0 1 2 年第 3 期 No ．3 201 2 煤 炭 科 技 C0AL S CI ENCE TECHNOLOGY MAGAZI NE 1 0 9 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 2 0 3 0 1 0 9 0 4 鹅 岗商山堞矿镍层叶走地压实验 吴永纯 1 j 1 ． 黑龙江龙煤集团 鹤岗分公司， 黑龙江 鹤 岗1 5 4 1 ； 2 ． 中国矿业大学 北京力学与建筑工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 煤 矿冲击地压 岩爆 是 一个世界性 的灾害现象 。冲 击地压对地 下工程造 成的危 害 非常严重， 并且随着时间的推移和矿产资源开发向深部转移， 冲击地压的危害将愈加严重， 冲击地压的预测和 防治 已成为世界性 的难题。 以南山煤矿 为工程背景 ， 采用现场调研 、 理论 分析、 室内实验相结合的研究方法， 总结了南山煤矿煤层冲击地压发生的特征。 为南山煤矿 进入深部开采冲击地压 安全 防治提 出 了相关 的理论依据。 关键词 深部开采 ； 冲击地压； 实验研 究 中图分类号 T D 3 2 4 文献标志码 B 2 0 0 5年 1 2月 1 2日， 南 山煤矿 2 3 7采煤 队在开 采北五区 1 5层七分段普放工作面过程 中， 发生了冲 击地压 ， 实测震级为里氏三级 ， 对该工作面 、 运输巷 及 回风巷破坏较为严重 ， 并造成瓦斯超限 ， 导致矿井 停产。结合南 山煤矿的工程地质条件及现场冲击地 压发生的特点 ，利用实验系统进行 冲击地压实验研 究， 弄清该区域冲击地压发生的机理， 确定有效防冲 措施 。 1 工程地质条件 1 ． 1 煤层赋存 南 山煤矿坐落于鹤岗煤 田中部 ， 其西部是基岩 ， 和煤系地层露头一致 ， 东部是南 断层 ， 井 田为一窄 长地带 ，总体为单斜构造。煤层走向 N N E ，倾向 S E E， 倾角 l O～3 5 。 ； 矿井中部为一短轴向斜 ， 向斜轴 向 N E ， 煤层倾角 l O～1 5 。 ， 属缓倾斜煤层 。 煤层 内生裂 隙发育。 硬度为 2～3级。 各煤层顶 、 底板均以粉砂岩 、 细砂岩和粉细砂岩互层为主 ， 部分 为中、 粗砂岩 。砂岩顶板厚度在 5～3 8 m， 抗压强度 在 2 6 ． 1～1 5 4 ． 4 MP a ， 平均 8 7 ． 8 2 MP a 。经鉴定 ， 该 矿多个煤层为有冲击倾向性煤层。 1 ． 2 井田构造 井 田受新华夏系主体构造第二沉降带控制， 形 成一些 “ 山” 字 、 “ 多” 字形 、 “ S ” 形和反“ S ” 形构造 。受 构造主动力 的作用 ， 造成西边 由北而南， 东边 由南而 北水平力偶作用， 即直线扭动作用。 井 田内断裂发育 ， 特别是西 、 东部区断裂构造尤 为复杂 ， 经勘探 和巷道证实 ， 断层有 2 0 0多条 ， 其 中 落差在 2 0 m以上 的大断层有 2 0条 ，落差在 5 m以 上的中型断层达 1 0 0条以上 ，还有 以纺锤状互相平 行的“ 多” 字形 、 “ 人” 字形的小断层 ， 在井 田内非常发 育 。断层走 向大部分为北东 向。 2 南山煤矿冲击地压的特征与原 因 北 五区 l 5层七分段 2 3 7普放采煤工作 面分别 于 2 0 0 5年 1 2月 1 2日、 2 0 0 6年 1 月 1 2日、 2 0 0 6年 4月 2日发生 3次冲击地压。第一次震级 3 ． 0级 ， 造 成工作面下沉 ， 支架变形 ， 高度 由原来 的 1 ． 8～2 ． 0 m降到 1 ． 2～1 ． 5 m， 上 、 下巷 的断面局部明显变小 ， 设备材料和防爆水袋被冲翻， 瞬间涌出大量瓦斯 ， 回 风巷瓦斯 自 动断电报警仪显示浓度达到 5 2 ％。 矿区 中部 ， 2 0 0 5年 1 2月 1 2日至 2 0 0 8年 5月 在北五区 1 5层七分段 、西二区 1 8层三分段下块煤 柱区、盆底北翼区 1 5层二分段共发生 1 7次冲击地 压 。 经初步分析 ，南山煤矿发生冲击地压的主要原 因 ， 一是应力集中， 几次冲击地压都同采煤工作面和 巷道布置造成 的应力集 中有关 ； 二是埋深较大 ， 地应 力高。开采深度 已经达到 5 3 0 m，处于较高地应力 下 l 1 0 煤炭科技 2 0 1 2年第 3期 3 南山煤矿冲击地压实验研究 3 ． 1 实验 煤样 试样分别取 自①北五外区 1 5 层综放面切眼 处。 所取煤试样肉眼未见炭化 的树木结构。 在试件加 工过程中，易破碎。其宏观组分为暗煤夹薄层状镜 煤 ， 镜煤呈小碎块状 。此处样 品共选取两块 ， 编号分 别 为 HG 4和 HG 5 ； ②西二 区 1 8 1层五分段运输巷 与 回风巷的前端工作面。 试样表面可见纵横裂纹 ， 在 试件加工过程中， 基本保持完整。 此处样品共选取一 块 ， 编号为 HG I V。样品物理力学性质如表 1 所列。 表 1 岩爆实验试 样基本物理 参数 3 ． 2 实验 路径 3 ． 2 ． 1 三向加载一 单面突然卸载一轴 向加载I 类 岩爆 实验 方 法 模拟深部围岩三 向应力状态下 ， 由于开挖卸载， 产生临空面及应力集 中作用 ， 在高应力下可能发生 岩爆的现象。先分级加载三方向应力至初始应力状 态。分级匀速加载， 每级间隔 5 m i n 加载速率 0 ． 1 MP a ／ s ， 三方向应力均加至最小主应力 ， 后， 保持 ，不变 ， 均匀增加最大主应力 。 及中间主应力 至 值， 保持 及 3 不变， 再增加 。 至设计的叮 应力值 ， 1 5 ra i n后迅速卸载主应力 或 ， 并同 时加载最大主应力 。 至下一级应力水平 ， 观察是否 有岩爆发生。如果没有岩爆发生 ， 1 5 m i n后按 。 对 应的 和 ， 值加载 和 ， 1 5 m i n后再重复上述 卸载过程 。加载岩爆卸载 过程如图 1 所示。 图 1 三向加载一单面突然卸载一轴 向加载岩爆 实验方法应 力路径 3 ． 2 ． 2三向加载一单面突然卸载一轴向保持 Ⅱ类 岩爆 实验 方法 模拟深部 围岩三向应力状态下 ， 由于开挖卸载 ， 产生临空面， 在高应力下可能发生岩爆的现象。 先分 级加 载至设计 的初始应 力状 态 ，每级载荷 间隔 5 m i n ； 加载至某一级应力组合后 ， 稳定 3 0 mi n ， 迅速卸 载 或 ， 。 、 ， 保持不变 ， 观察在卸载后 3 O m i n内出现的现象 ，卸载岩爆实验 卸载 过程 见图 2 。根据卸载后有无破坏现象 ， 决定如何继续 进行实验。 一 一 f 图 2 三向加载一单面突然卸载一轴向保持岩爆 实验方法应力路径 3 ． 3 煤 层冲击地压 实验 对 H G 5 3煤试件进行了 I 类煤爆实验 ， 加载煤 爆实验结果如表 2所列。H G 5 3号煤试件实验过程 加卸载路径见图 3 ， 实验破坏后照片见 图 4 ， 实验过 程中的声发射撞击数、能率与时问的关系曲线见图 5。 表 2 HG5 3号煤样 I 类煤爆 实验结果 注 表 中应力值为 MP a ， At 。 为卸载后轴 向开始加 载至连续变形结束时 间， At 为连 续变形结束至煤爆结束时间。 2 0 1 5 乏 奋 m 5 O l 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 O 时间 ／ mi n 图 3 H G5 3号煤爆实验加卸载路径 圈 图 4 H G5 3号煤爆实验破坏后照片 2 0 1 2年第 3期 吴永纯 鹤岗南山 煤矿 煤层冲 击地压实验 3 o o ． O 2 7 0 ． o 2 40 ． o 2l O ． O 柩l 8 o ． o , 5 0 ． o , 2 0 ． o 90 ． o 6 o ． 0 3 O ． 0 O ． 0 到达时 间 ／ 1 o o o n 1 s 一 名 瓣 温 图 5 HG5 3号煤爆实验声发射撞 击数及能率 一时间曲线 对 H G 4 3号 、 H G 4 4号 、 HG 5 4号煤试件进行 了Ⅱ类煤爆实验 ， 结果如表 3所列。 表 3 HG4 - 3号 、 HG4 4号、 HG5 4号煤样 类煤爆 实验结 果 3 ． 4 实验 结果 根据上述一系列实验结果，南山煤矿总体煤爆 特征如下 1 煤爆破坏特征。 煤爆破坏特征明显。 典型的 煤爆过程可 以分为卸载后的应力调整变形阶段 、 颗 粒弹射 阶段 、颗粒与片状混合弹射阶段和全面爆裂 阶段。 破坏形式有局部颗粒及片状弹射 、 局部碎块弹 射、 整体剥离破坏等。 2 煤爆声发射特征。声发射监测结果表明， 在 分级加载初期声发射事件数较多 ，对应着初始裂纹 的闭合 ； 卸载时一般对应着较多的声发射事件数； 在 破坏前有较多的声发射事件数和较高的能量释放 率 。 3 煤爆声响特征。 在破坏前可 以听到煤试件发 出开裂 的声音 ，表 明在卸载存在I 临空面的条件下 ， 煤试件在整体破坏前首先纹裂。在破坏过程 中能量 消耗较大 ， 大部分煤爆过程不强烈。 4 煤爆应力降特征。 煤爆破坏时应力降速率大 煤 炭 科 技 1 1 2 COAL S CI ENCE TECHNOLOGY MAGAZI NE 2 0 1 2年第 3期 No ．3 2 01 2 文章编 号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 2 0 3 0 l 1 2 0 3 杨庄煤矿 6煤瓦斯赋存规律控制因素分析 张 军 淮北矿业集团 杨庄煤矿， 安徽 淮北2 3 5 0 0 0 摘要 地质构造很大程度上控制并影响着煤层瓦斯赋存情况。为 了更好地 了解杨庄煤矿 6 煤 瓦斯赋存及 涌出规律 ， 通过分析研 究该矿地 质构 造及 历年工作面 瓦斯 涌出情况 ， 确定 了 诸 多控制 影响 6煤 瓦斯赋存 的主要因素 ， 并确定 了该 煤层的瓦斯风化带下 限范围， 为今后 矿井深部开采 的瓦斯治理提供 了依据。 关键词 地质构造； 瓦斯赋存； 瓦斯地质； 瓦斯防治 中图分类号 T D 7 1 2 ． 2 文献标志码 B 矿井 瓦斯是危 害矿井安全 生产的主要 因素之 一 l “ 。瓦斯的生成 、 赋存 、 运移及瓦斯各种动力现象 都与矿区所处地质构造运动有着十分密切的关系 。 地质构造运动控制着煤层瓦斯的赋存及涌出。随着 我国经济社会的快速发展 ， 煤炭需求 日益增加 ， 近年 来随着矿井开采深度的加深，瓦斯对于煤矿安全生 产的制约越来越突 出 ， 瓦斯超限问题越来越成为 影响矿井安全高效生产的瓶颈与障碍 。 因此 ， 需要掌 握矿井深部区域 、复杂区域地质构造及煤层瓦斯赋 存情况 ， 掌握未开采开拓区域煤层瓦斯赋存规律 ， 提 前采取有针对性的瓦斯治理措施 ，确保矿井安全生 产 。 杨 庄煤矿现有 4个 开采 水平 一 水平标 高为 一 1 8 0 m， 已报废 ； 二水平标高为一 3 3 0 m； j水平标高 为一 5 0 0 m； 四水平标高为一 8 0 0 IT I 。 该矿在开采一水平 时， 瓦斯涌出量不大 ， 但在开采二 、 三水平时， 瓦斯涌 出量增大 ， 且在不同采区 、 不 同_T作面瓦斯涌出有很 大的差异。 有必要掌握杨庄煤矿煤层瓦斯控制因素 ， 其中 6煤为该矿主采煤层 ， 因此 ， 应分析研究 该矿 6 煤瓦斯赋存规律控制因素 ，为该矿今后合理制定瓦 斯治理措施提供依据。 1 井田地质构造特征 矿区位于淮北煤 田构造 区域 内，井 田处在闸河 煤 田的向斜仰起端 ， 东、 南 、 西部均以露头为界。 淮北 煤 田以近东西 向和近南北向构造为主要构造格局 ， 由于不同时期 、 不同力 的反复作用 ， 形成 了十分复杂 的构造图案徐宿弧形构造及其外 围构造。淮北 煤 田主要有近东西向和近南北 向两种构造， 局部地 ◆ ⋯i ◆ ⋯ 【 ◆ ⋯ 【 ◆ ⋯ ◆ ⋯◆ ⋯◆ 川1 ◆ 川j ◆ ⋯1 4“ 1 ⋯◆ ⋯ I ◆ ⋯1 ◆ l l l l ◆ ⋯I ◆ ⋯ I ◆ ⋯J ◆ ⋯ ◆ ⋯ l ◆ ◆ ⋯ ◆ ⋯◆ ◆ ⋯ “ t - 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