高瓦斯矿井深部冲击矿压预测及治理研究.pdf

高瓦斯矿井深部冲击矿压预测及治理研究 张 勇 山西煤炭管理干部学院 ， 山西 太原 0 3 0 0 0 6 摘要 分析了高瓦斯深井开采冲击地压产生机理， 研究了采深和瓦斯抽放对冲击地压的影响 ， 提出应掌握瓦斯频发时的理论开 采深度， 根据实际情况控制瓦斯抽放量来达到避免冲击地压灾害的发生。该研究对于相似条件下工作面开采也有一定的借鉴意义。 关键调 高瓦斯矿井； 深部开采； 冲击地压机理； 采深； 瓦斯抽放 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 1 5 5 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 7 0 中图分类号 F 4 0 7 ． 2 1 ； T D 3 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 0 1 5 5 2 0 1 3 1 1 0 l 】 2 0 2 山东某矿经过近 四十年 的发展 ， 目前矿井年产能 已达到 4 0 0万 t ／ a 。随着煤炭年产量的增大 ， 矿井浅部 资源逐渐减小 ， 逐渐进人了深井开采阶段。近几年来 ， 在二采区部分工作面出现 了煤壁大面积片帮 、 打钻 时 夹钻卡钻、 煤炮及震动现象 ， 这些动力现象属于典型的 冲击地压显现。因此有必要对该矿深部冲击防治进行 研究 ， 以期掌握深井开采 冲击矿压发生的特点和机理 ， 确保工作人员安全及煤炭顺利回采。 1 ． 地质工程概况 二采区是矿井三水平 改扩建 工程的设计首采 区， 位于井 田的中西 部。采区上界为 一4 4 0 m 煤层底板 等 高线 ， 下限 北 界 为 一8 0 0 m煤层底板等高线 ， 采 区东 西走向 1 1 2 0～ 2 8 6 0 m， 南北倾 斜宽为 3 2 0～1 4 0 0 m。 目 前采区上山部分 一4 5 0 m至 一5 9 3 m 仅剩下 3 2 0 6 1工 作面 ， 下山部分 一 5 9 3 m至 一8 0 0 m 仅剩 3 2 1 2 0综放工 作面正在 回采。所 以， 本采 区内 目前 已存在两个孤 岛 工作面 ， 即 3 2 0 6 1 、 3 2 1 0 1工作面 。 本采 区内 1 5 煤层属 于不稳定煤层 ， 煤层结构 复 杂 ， 煤厚平均 0 ． 4 m， 为不可采煤层。1 61 7 煤层赋存 较稳定 ， 煤厚平均 7 ． 4 5 m， 为可采煤层 ， 局部结构复杂 ， 存在 1～ 2层夹矸 ， 夹矸厚度 0 ． 1～ l m， 基本顶为 1 0 ． 4 m 的条带状细砂岩， 直接底 为 5 ． 6 m 的泥质灰岩。1 5 和 1 61 7 煤层之间层间距为 91 6 m， 平均 1 2 m。采区为 高瓦斯采区 ， 二采区布置见图 1 所示 图 1 三水 平二采区布置图 2冲击矿压发生机理 开采实践表明 ， 该矿 区浅部开采时 ， 基本不存在 冲 击地压现象。当矿井进入深部开采 时 ， 冲击地压现象 开始明显 ， 且随着煤炭开采深度 的增加 ， 冲击地压次数 收稿日期 2 0 1 3 0 7 1 8 ． 1 1 2 ． 和强度均有所增大 ， 由此可见 ， 开采深度是 冲击地压发 生的重要原因。研究发现 ， 当开采深度超过某一 深度 时 ， 冲击地压现象开始频繁发生 。为消除瓦斯对矿井安 全生产的威胁 ， 一般采用瓦斯抽放技术来 降低 煤层瓦 斯含量 。在瓦斯抽放过程 中， 瓦斯在煤层 中的含量逐 渐降低， 煤体孔隙压力也随之降低， 煤体三向抗压强度 相对增加， 但是煤层中由高瓦斯压力造成的孔隙并不 会消失。瓦斯抽放后 ， 原本 由煤 体骨架和瓦斯气体共 同支承的深井高地应力直接由煤体单独支承， 此时， 煤 层中会积聚大量弹性变形能量。在这种情况下 ， 一旦 施以干扰作用 ， 极易促使冲击地压的形成 。 3采区冲击矿压危险性分析 3 ． 1开采深度与冲击地压影响 二采区局部地段开采深度为 一8 0 0 m， 加地面标高 采深达到 9 0 0多米。研究表明， 开采深度越大， 冲击矿 压发生 的可 能性 也越 大。研 究 认 为 ， 当深 度 H≤ 3 5 0 m时 ， 冲击矿压一般不会发生 ， 当深度 3 5 0 mH 5 0 0 m时 ， 在一定 程度上 冲击 危险逐步增 加。从 5 0 0 m 开始 ， 随着开采深度的增加 ， 冲击矿压 的危险性急剧增 加 ， 由于该矿井二采区开采深度 在 9 0 0 m左右 ， 故对 冲 击矿压的影响非常大。 理论认为 ， 当开采深度超过某一临界值时， 冲击 地 压开始频发。假设煤体体积变形能可全部转变成破 坏 动能， 则临界深度可用公式表示为 当考虑总弹性形 变能全部用于煤体破 坏时 ， 则 临 界深度可用公式表示为 H √ 1 ／0 - 2v 2 公式 1 、 2 中 H ⋯ H 一临界深 度 ； 仃 。 一煤 体 抗压强度， 取 1 4 ． 5 MP a ； v 一煤体泊松比， 取 0 ． 3 3 ； 一煤 层覆岩容重 ， 取 2 ． 6 t ／ m 。 二采 区各数据带人公式一和公式二计算可得 H 和 H 分别为 8 2 1 m和 6 6 8 m。 3 ． 2煤体强度与冲击地压影响 由冲击地压分析 可知， 煤层 瓦斯 的抽 放在一定程 度上增大 了煤体的三向应力强度。生产实践与理论研 究表 明， 煤的强度越高 ， 引发冲击矿压所要求的应力越 小 ， 煤体 的强度越小 ， 引发 冲击地压所需 的应力越大。 鉴于此理论 ， 应控制瓦斯抽放量 ， 以确保煤体处于合理 强度范围 内。在 3 2 1 2 0工作面选取煤 样 ， 在 岩石力学 实验室将煤样加工成标 准试件 ， 对其在 不 同瓦斯压力 作用下进 行煤 样三 向夹加 载实验 。根据 实验结 果 可 知， 不同瓦斯压力作用下， 煤体力学性质发生了较大改 变。随着瓦斯压力的减小， 煤体的强度升高。但是煤 体的脆性随着 瓦斯压力的减小而减小 ， 分析其原 因认 为瓦斯压力减小 ， 相对降低了煤体 的渗透能力 ， 阻碍了 瓦斯的涌人及流动 ， 是煤体的强度相对增大 ， 这样易造 成煤体发生脆性失稳破坏 J 。理论上认 为煤体 的强度 与冲击地压的发生有密切 的关 系， 随着煤体 强度 的增 大 ， 发生冲击地压所需要的应力越小。 4冲击地压 防治措施 由以上分析可知 ， 冲击地 压与采深与 瓦斯 抽放有 密切关系 ， 鉴于此 ， 可制定措施来预 防高瓦斯 深井 冲击 地压 。 1 掌握开采深度与冲击地压之 间的关 系， 合理确 定冲击地压频发时的临界深度 ； 调整采区生产布局 ， 尽 量减少煤柱高应力区 ， 尽量遵循 自上而下 的开采原则 。 2 利用实验仪器掌握瓦斯抽放量与煤体强度变 化之 间的关系；， 结合井下开采实际情况 ， 确定合理 的瓦 斯抽放量。 3 在具有冲击地压高危区， 可采用煤层注水技术 软化煤层， 以降低冲击地压发生率， 对煤层注水时可采 用水气驱替理论 确定合理的注水量 、 注水 压力和 注水 时间。坚持先抽后采的原则， 加大瓦斯抽放能力 降低 瓦斯压力 ， 杜绝瓦斯 突出事 故。凡经过评 价视为具有 冲击危险的区域 ， 采掘队必须采取超前防范措施 。 4 在地质构造带影 响范围内， 回采工作面应尽量 与断层 、 向斜 、 背斜轴 等构 造带平行或 近似平行布置 ， 回采巷道应与构造应力作用方向保持同向， 使巷道受 力均衡 。 5结语 高瓦斯矿井随着采深 逐年增大 ， 冲击地压倾 向加 大 ， 可见大采深是高瓦斯矿井深部 开采冲击地压 的主 要原因， 因此应掌握 冲击地压频发 时的临界开采深度 ， 以及时采取合理措施避免冲击地压 的发生。 为避免瓦斯灾害， 目前该矿一直采用瓦斯抽放技 术来减少煤层瓦斯。但过 量 的瓦斯抽放 ， 易使煤层 由 瓦斯灾害向冲击地压事故转变 ， 瓦斯压力过低 ， 易造成 煤体脆性失稳破坏。因此， 要根据实际情况结合理论 知识对瓦斯抽 放量严 格控制 ， 这样 既可降低 冲击地压 的发生率 ， 又可最大限度抽放瓦斯 ， 避免瓦斯灾害。 参考文献 [ 1 ] 彭轩 ， 王浩． 龙固煤矿冲击矿压危险性分析[ J ]． 煤炭技术 ， 2 0 0 5 ， 0 9 ． 责任编辑 熊红婴 上接第 1 0 6页 2 ． 2 ． 6运转时噪音大并有撞击声 轴瓦间隙大 ， 轴塞承压块等磨损过大 ， 压紧滑块螺 母松动 ， 都可能导致运转 时噪音 增大。相应 的维修方 法是更换轴瓦、 压快或轴塞 ， 压紧螺母。 2 ． 2 ． 7乳化液发热烫手 有时液箱内乳化液温度升高达到 6 O一 7 0 ℃， 主要 原因是摩擦生热。这时应排查 整个系统 ， 看看是否是 阀芯、 铜环及密封损坏 ， 导致卸载阀连续脉冲式卸载产 生热量 ， 而高压乳化液通过 自动卸载阀中先导阀， 因而 随之升温发热。维修方法是更换 自动卸载阀中先导阀 阀芯、 铜环及密封。 2 ． 2 ． 8吸液 阀下方和排液阀上方端盖螺丝有断头 这种故障的发生有一个过程。首先是吸排液阀密 封 由于脉动柱塞运动而疲劳磨损 ， 出现泄漏 ， 由于端盖 密封， 检修人员看不到这种情形， 因此， 检修时应在开 泵状态下 ， 用手触摸端盖 ， 看看是否有脉动力 ， 通过感 知脉动力振幅的大小来判断是否存在异常。维修的方 法是更换吸排液阀组吸液 阀壳外圈密封圈。 2 ． 2 ． 9泵的润滑漏油严重 泵的润滑油漏油现象一般通过眼看 的方式就可 以 观察到， 原因主要是加油过多、 箱体损坏或骨架油封损 坏等。维修方法就是更换骨架油封； 处理漏油处； 放油 至油标标志位置。 2 ． 2 ． 1 0自动卸载阀不卸载 这种故障的一般情形是压力一直升高 ， 自动卸载 阀达到设定压力 时不卸载 ， 靠 安全阀卸载来 保护泵不 被损坏。故障原因是先导阀下回路节流孔堵塞， 主阀 腔体高压液体不能排出， 无法降压， 因此导致主阀不能 开启卸载。另外 ， 先导阀阀杆变形或密封损坏 ， 也 可能 导致先导阀开启无法卸载。维修 步骤是拆 开先导 阀， 清除下回路阻尼孔 阻塞物， 然后拆装检查先导 阀及密 封 ， 看看是否完好 ， 如果 出现变形 或损坏 ， 则需成对更 换阀杆、 阀座或密封圈。 2 ． 2 ． 1 1安全阀漏液 当安全阀喷射高压液体时 ， 需要及时停泵 ， 这种情 况的出现是由于卸载阀不卸载 ， 需要尽快进行处理 ， 否 则就会出现危险事故。如果是滴漏 出液体 ， 则可能是 安全阀阀芯处阀垫损坏或 冲跑。安全阀漏液 的维修通 常是修复 自动卸载阀， 或更换安全 阀阀芯处阀垫 。 3 、 结语 作为机械设备 ， 煤 矿乳 化液泵维持正常运行 和延 长使用寿命， 都离不开 日常保养与故障维修。因此， 为 了降低运行故障的影响和风险， 煤矿企业应该提高作 业人员的工作能力和职业素质， 掌握及时发现故障的 诊断方法， 提高快速排除故障的应急能力， 同时完善维 护和保养工作制度 ， 保证设备的正常使用。 参考文献 [ 1 ] 程军． 乳化液泵站常见故障的分析处理及预防措施[ J ] ． 煤 矿开采 ， 2 0 1 0 4 ． 责任编辑 熊红婴 1 1 3