坚硬覆岩顶板条件下动力灾害危险性分析.pdf

第 4 6卷第 1期 2 0 1 4年第 1期 煤炭工程 CO AL EN GI NE ER I NG Vo 1 ． 4 6， No ．1 No ．1，201 4 d o i 1 0 ． 1 l 7 9 9 ／ c e 2 0 1 4 0 l 0 2 6 坚硬覆岩顶板条件下动力灾害危险性分析 潘卫东 ，李德林 ，宋文博 1 ．中国矿业大学 北京煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中国矿业大学 北京资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要 宣东煤矿煤层上方存在一层厚达 2 0 0 m的坚硬覆岩 ，通过理论分析 、现场 实测等方 法，认为坚硬覆岩是其动力灾害发生的主要动力源。坚硬覆岩的跨度随回采工作面的推进而不断 增加 ，聚集大量弹性能，为下方工作 面开采埋 下很 大的动力灾害隐患。在此基础上结合动力灾害 的致因提 出具有针对性的防冲防突措施。 关键词 动力灾害；坚硬覆岩 ；防治措施 ；煤与瓦斯突出；深部开采 ；高瓦斯矿井 中图分类号 T D 3 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 0 1 -0 0 8 0 - 0 4 Da ng e r An a l y s i s o n Dy na mi c Di s a s t e r o f M i n i n g Fa c e Und e r Ha r d Ov e r bu r d e n Ro o f P A N We i d o n g -一 ．L I Del i n ．一 ．S ONG We nb o ， 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a ； 2 ． S c h o o l of R e s o u r c e and S af e t y E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e rs i t y of Mi n i n g a n d T e c h n o l o gy B e ij i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d fie l d me a s u r e me n t ， t h e h a r d o v e r b u r d e n l a y e r a b o v e the c o a l s e a n l o f Xu a n d o n g c o a l mi n e ， wi t h t h e t h i c k n e s s o f 2 0 0 m ， wa s r e g a r d e d a s t h e ma i n p o we r s o u r c e o f u n d e r g r o u n d d y n a mi c d i s a s t e r ．T h e s p a n l e n g t h i n c r e a s e d w i t h the mi n i n g o f t h e w o r k i n g f a c e ，g a t h e rin g gre a t e l a s t i c e n e r g y ， w h i c h wa s a h i d d e n d y n a mi c d a n g e r f o r t h e mi n i n g f a c e b e l o w． C o n s i d e ri n g t h e c o n d i t i o n， c o mb i n i n g t h e c a u s e o f u n d e r g r o u n d d y n a mi c d i s a s t e r ， s p e c i fi c me t h o d s t o p r e v e n t t h e o c c u r r e n c e of r o c k b u r s t a n d c o a l a n d g a s b u r s t we r e p r o p o s e d ． Ke y wo r d s u n d e r gro u n d d y n a mi c d i s a s t e r ；h a r d o v e r b u r d e n；p r e v e n t i o n me a s u r e s ；c o a l a n d g a s b u r s t ；d e e p mi n i n g； h i g h l y g as s y mi n e 近年来，随着煤炭资源的减少及开采技术的提高，井 工开采的深度在逐年增加。一些矿井开采深度已经达到了 8 0 0 m，甚至超过 了 l O 0 0 m。采深超过 8 0 0 m就属于深部开 采，随着采深的增加，矿山压力也会随之增大，进而就会 带来一系列的矿井灾害，煤岩动力灾害就是其中之一。煤 岩动力灾害是煤岩在外界高应力作用下短时间内发生的一 种具有动力效应和灾害后果的现象，其孕育、形成、发生 始终与煤岩体应力状态及能量的积聚和释放密切相关，主 要形式包括冲击地压、煤 与瓦斯突出和采场大面积来 压⋯ 。本文通过对宣东煤矿Ⅲ， 煤层二采区顶板结构及煤质 分析，认为坚硬辉绿岩是引发动力灾害的重要因素 I 3 J 。 1 矿 井概 况 冀中能源张矿集团的宣东煤矿位于河北省张家 口市， 是国内著名的高瓦斯矿井 ，具有突出危险性。勘查区东北 部有大面积辉绿岩出露于地表 ，该侵入岩体以岩床的形式 侵入到下花园组煤系Ⅲ 煤顶板之上，厚度 1 0 9 2 8 0 m，岩 石裂隙较发育 ，局部钙质充填。岩石 R Q D指标为 4 3 ． 9 ％ ～ 5 6 ％，岩石质量等级中等 ，物理力学试验抗压强度 6 9 ． 9～ 9 1 ． 5 MP a ，为坚硬岩。目前 ，宣东煤矿二采区的开采深度在 9 0 01 0 0 0 m 之 间，Ⅲ 煤 层 厚 度 0 ． 7 8～6 ． 9 6 m，平 均 3 ． 7 3 m，一般不含夹矸，为结构简单的薄一厚煤层 以厚煤 收稿 日期 2 0 1 3一 o 7 2 6 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 资助项目 2 0 1 3 C B 2 2 7 9 0 3 ；国家 自然科学基金项 目 5 1 0 0 4 1 0 9 ；中 央高校基本科研业务 费专项资金资 助 2 O l O Q Z O 2 ；煤炭 资源与安全开采 国家 重点实验 室开放课题 S K L C R S M1 1 K F B 0 5 作者简介 潘卫东 1 9 8 2一 ，男 ，辽宁宽甸人 ，博士、讲师 ，从事采矿工程专业的教学与科研工作，研究方向是厚煤 层 开采 ，Em a i l p w d c u m t b ． e d u ． c a 。 引用格式 潘卫东，李德林，等．坚硬覆岩顶板条件下动力灾害危险f生 分析 [ J ] ．煤炭工程， 2 0 1 4 ，4 6 1 8 0 8 2 ，8 6 ． 2 0 1 4年第 1 期 煤炭 工程 层为主 ，煤层二采区中从 2 0 1 至 2 0 8工作面，侵入岩火成 岩距离煤层顶板的距离不断缩小，2 0 8工作面距离坚硬辉绿 岩仅有3 0 m远，若其突然失稳断裂，大量的弹性能将得到释 放，势必会对工作面造成强烈的冲击。部分Ⅲ， 煤层二采区 安全事故见表 1 。 2 矿井动力灾害的致因分析 对于动力灾害的致 因，目前并没有较为明确的解释， 冲击地压和煤与瓦斯突出都具有强势的动力失稳特征，其 致因不尽相同，但可互为诱发因素。 各国工程技术人员及研究学者在结合众多事故案例分 析的基础之上，从多个角度提出了一系列的冲击地压的发 生与形成理论 ，较为常见的有 强度理论、刚度理论、 煤岩失稳理论和冲击倾向性理论等。目前，在我国应用较 为广泛的有冲击倾向性理论、三因素机理和强度弱化减冲 机理。 煤与瓦斯突出致 因已经从单因素向多因素发展，综合 作用假说得到了普遍认可，该假说认为煤与瓦斯突出是 由 地应力、瓦斯和煤体 自身的物理力学性质共 同作用的结 果 。 在三因素理论的基础上，认为发生动力灾害要满足三 个要素，第一要素是动力来源，第二要素是释放介质 ，第 三个要素是诱发因素 ，当三个要素同时满足时，动力灾害 就可能一触即发。 表 1 部分Ⅲ 煤层二采区安全事故 3 坚硬覆岩对动力灾害的影响分析 3 ． 1 坚硬覆岩对回采扰动的影响 当煤层没有坚硬厚覆岩时，直接顶垮落，老顶会缓慢 下沉 ，并随着工作面的推进周期性断裂垮落。此时，老顶 岩层可以简化成 “ 悬臂梁”结构，即梁的一端插在煤壁上， 另一端搭在采空区矸石上，如图 1 所示 J 。由于悬臂梁周 期性破断垮落，故梁跨距小，聚集的弹性能相对较小 ，冲 击危 险低 。 q 。 F s 图 二 ] ，q l 堕 0 ． 5 q l 图 1 无坚硬厚覆岩时 “ 悬臂梁 ”示 意图 当煤层有坚硬厚覆岩时，直接顶垮落后，直接顶上部 岩层会缓慢下沉，在采空区上部出现离层、压实等过程 ， 但离层至坚硬厚岩层时，由于其抗拉强度高，弹性模量大， 不容易破坏，故在其下方出现离层 区，随着回采工作面的 推进，离层区逐渐增大。此时，坚硬覆岩可以简化成 “ 固 支梁 ” ，如图 2所示 。 在实际开采条件下，由于在 I I I 煤层上方 2 0 0 m至 4 0 m A B 0 ． 5 q L A Fs B 图 A 班 B M图 O ． j 图 2 有坚硬厚覆岩 时 “ 固支梁 ”示意图 存在一层 2 0 0 m或更厚的辉绿岩岩层，使得上覆岩层具备非 常高的悬跨能力。横跨采场 2 0 1至采场 2 0 7 总悬跨长度超 过 l k m 的辉绿岩岩层承担了上覆岩层以及辉绿岩岩层 自身 的载荷，限制了上覆岩层的垮落，形成桥式结构，横跨这 些采场之上。这带来的后果是上覆岩层载荷被转移到横跨 结构周边，即采场周围的实体煤上。 3 ． 2 坚硬覆岩对冲击地压的影响分析 研究表明，顶板岩层结构 ，特别是煤层上方坚硬厚层 顶板是影响冲击地压发生的主要因素之一l 9 J 。 根据苏联阿维尔申教授提出的观点 ，煤层内的弹性 能可由体变弹性能 、形变弹性能 和顶板弯曲弹性能 三部分组成 U 1 1 肘 2 二 81 煤炭工程 2 0 1 4年第1 期 式中， 为煤壁上方顶板岩层的弯距； 是顶板岩层 弯曲下沉的转角。 当顶板岩层初次垮落和周期垮落时，对应的顶板岩层 的弯曲能量指数分别为 2 r 5 初 次 垮 蒂 亏 q7 6 b 历 3 2 ， 5 肭垮 落 4 式中，q 是顶板重量与上覆岩层附加载荷的单位长度折 算载荷 ；．， 是顶板岩层的断面惯性矩 ；E是顶板岩层的弹性 模量；L是顶板的悬伸长度。 把老顶简化成固支梁 ，那么老顶来压是的极限跨距为 L 5 代入 3 得 篙 6 式中，h是老顶岩层厚度；R 是老顶的极限抗拉强度； L I T 是老顶初次来压时的极限跨距。 由以上公式可知，顶板弯曲弹性能与顶板岩层的悬伸 长度的五次方成正比；与老顶的厚度二次方成正 比。这就 说明了顶板岩层的悬臂梁长度越大，厚度越大，那么岩层 内积聚的弯曲能量就越多。 3 ． 3 坚硬覆岩对煤质和 瓦斯赋存的影响 大量辉绿岩的侵入，由于岩浆的热变质作用及侵入时 对煤体的挤压，导致煤体结构破坏，形成大量 的构造煤。 宣东煤矿Ⅲ 煤层中有不同厚度的构造煤分层，构造煤具有 以下特征主要为鳞片状结构，片状或透镜状构造，磨擦 镜面发育，有大量的擦痕，光泽暗淡，强度低，手试松软， 具 有揉皱现象。 根据煤被破碎的程度划分类型，在构造应力作用下， 煤层发生碎裂和揉皱，将煤被破碎 的程度分成五种类型， 第Ⅲ、Ⅳ、V类型的煤具有煤与瓦斯突出的危险性⋯J ，而 宣东矿Ⅲ 煤层二采区的构造煤则主要以Ⅲ、Ⅳ类煤为主。 辉绿岩的入侵提高了煤层的煤化程度，不仅改变了原 来煤层中瓦斯的组成成分，由于其厚度大，质地坚硬 ，能 够在煤层上方形成 “ 固支梁” ，对瓦斯的封闭性好；而且随 着工作面的推进 ，靠近辉绿岩的下方形成离层区，利于瓦 斯的富集。 4 现场实测及 防治措施 4 ． 1 地应 力 测量 通过应力解除法和岩石单轴压缩试验获得 的应变值、 岩石的弹性模量和泊松比计算出各测点的地应力张量和主 应力大小、倾向、倾角，地应力张量见表 2 ，岩石力学参数 见表 3 。 由表 2可以看出水平应力比垂直应力大，占主导地位。 砂岩是位于辉绿岩下部，水平应力没有太大区别，但垂直 8 2 应力要比辉绿岩中应力小。如果按岩层 自重来计算 ，砂岩 中的垂直应力应该 比辉绿岩 中的应力大些，但 现在恰恰 相反 。 表 2 各测点地应力张量 应力分量 计算结果 表3 岩石单轴压缩试验结果 本次地应力测量时，测量区域周围的 I 采 区和 Ⅱ采区 均进行了大面积开采，由于这些开采造成了岩层中地应力 的重新分布，对原来的地应力造成影响。因此 ，可 以反映 出在工作面开采的同时，辉绿岩跨距不断增大，支承上部 岩层 ，应力逐渐增大，集聚弹性能。 4 ． 2防治措 施 在明确了宣东煤矿动力灾害发生的三个要素的基础上， 对动力灾害的预测与防治，主要需要从以下几个方面入手 I 对于动力来源，也就是厚层辉绿岩岩层，可以尝试 通过深孔爆破或注水等预处理，对辉绿岩岩层进行卸压防 止采空区出现悬顶而集聚弹性能 。 2 对于作用介质I I I ， 煤层及瓦斯 ，利用高压注水降 低煤体的强度、增加其粘聚力。同时，要弄清 I I I 煤层中 瓦斯的分布，加强瓦斯抽采，做到既充分利用资源又减少 动力灾害的发生。 3 对于诱发因素虽然采掘活动不可避免，但是可以 通过勘察地应力分布和合理的开拓布置及开采方式，同时 加强对顶板、巷道、煤柱的支护管理，尽量减少采动影响， 减少动力灾害的发生。 4 对于动力灾害的预测，电磁辐射、微震监测等监测 技术是预防该地区动力灾害的有效手段，通过监测技术对 煤岩体监测，能够有效地预测煤与瓦斯突出和冲击地压等 煤岩动力灾害危险性 。 5结论 1 坚硬覆岩在煤层上方形成 “ 固支梁” ，随着煤层的 开采，可以形成较大的悬空面积，能够出存大量弹性能。 因此，辉绿岩的运动规律，对动力灾害的发生有较大影响。 2 坚硬火成岩的入侵对煤质和瓦斯的赋存都有很大影 下转第8 6页 煤炭工程 2 0 1 4年第 1 期 衡状态且发生冲击地压时，煤体所受的水平应力要相应增 加 。 相比之下 ，巷道支护整体较工作面薄弱，巷道底板常 处于无支护或弱支护状态；采掘巷道侧方支承压力与工作 面相比大小相当，峰值点邻近煤壁。因此，极限平衡区中 煤体与顶底板岩层之间的摩擦阻力 由于减压区宽度减小而 相对较小 。 下巷和工作面相比，下巷打破极限平衡区状态所需水 平应力相对较小 ，故此下巷与工作面相比易发生冲击地压 ， 且底板常常成为冲击地压始发的突破 口。 3结论 1 千秋煤矿冲击地压发生具有突发性、破坏过程短暂 且破坏性强的特点 ，表现为煤层巷道底板冲击地压。 2 从煤层结构和冲击倾 向性、煤层开采深度、水平构 造应力、采场覆岩性质四方面，研究煤矿地质因素对冲击 地压形成 的影 响。 3 开采技术因素对冲击地压形成的研究表明，位于孤 岛工作面中间的下巷采掘过程中的高应力集中成为冲击地 压诱发的最主要因素。 参考文献 [ 1 ] 潘一山， 李忠华，章梦涛．我国冲击地压分布、类型、机 理及防治研究 [ J ]．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 3 ，2 2 1 1 1 8 4 41 8 5 1 ． [ 2 ] 窦林名，何学秋 ． 冲击矿压防治理论与技术 [ M]． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 0 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 ． 窦林 名，陆菜平 ，牟宗龙 ，等 ．冲击矿 压的强度 弱化减 冲 理论及其应 用 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 5 ，3 0 6 6 9 0 6 9 4 ． 王宏伟， 姜耀东，杨忠东，等 ．长壁孤岛工作面煤岩冲击 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