开滦矿区深部构造区动力灾害防治技术研究.pdf

★ 煤炭科技 开拓与开采 ★ 开滦矿区深部构造区动力灾害防治技术研究 靖 晓 颖 开 滦 集 团 有 限责任公 司，河 北省唐 山 市 ，0 6 3 0 1 8 摘 要 针 对开 滦矿 区开采 深度 大 、地 质条件 复 杂 、原 岩地 应 力大 、采动应 力 叠加等 不 利 因素 ，进行 了本 矿 区动 力 灾害的 防治研 究 。分析 了冲击地 压诱 发 因素 ，建立 了构造 区综 合 防范体 系，采取 了断顶 、 断底 、大直径 卸压 、深孔 爆破 、加 强 支护和提 高人 员防护措 施等 防 治技 术 ，为 开滦矿 区深 部煤层 安 全开采提 供 了技 术保 障 。 关键 词 深部 开采动 力 灾害 防治技 术 开滦矿 区 中图分 类号T D3 2 4 文 献标识 码A Re s e a r c h o n c o n t r o l t e c hn o l o g y o f d y n a m i c di s a s t e r s i n d e e p t e c t o ni c r e g i o n i n K a i l u a n m i ni n g a r e a J i n g Xi a o y i n g Ka i l u a n Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，Ta n g s h a n，He b e i 0 6 3 0 1 8，Ch i n a Ab s t r a c t Ai m e d a t t h e u nf a v or a b l e f a c t or s i n Ka i l u a n mi ni n g a r e a s u c h a s l a r ge mi ni ng d e p t h，c ompl e x ge o l og i c a l c o nd i t i on s， l a r g e s t r e s s i n v i r g i n r o c k ma s s， m i n i ng s u pe r i m po s e d s t r e s s，t he a u t ho r r e s e a r c h e d t he c on t r o l o f dy na m i c d i s as t e r s ，a n a l y z e d t he pr e di s po s i ng f a c t or s o f r o c k b ur s t，e s t a bl i s h e d a c ompr e h e ns i v e c on t r ol s y s t e m i n t e c t on i c r e g i o n， t oo k t he c o nt r o l t e c h no l o gy m e a s ur e s s u c h a s br e a ki n g o f f t he r o o f a nd f l o o r，l a r g e d i a m e t e r d r i l l h ol e p r e s s u r e r e l i e f ，d e e p ho l e b l a s t i n g，r e i nf or c i ng s up po r t a nd i mpr o v i ng p e r s on a l p r o t e c t i o n，pr o v i de d t e c hni c a l s up po r t f o r t h e s a f e c o a l m i n i ng o f t he d e e p c o a l s e a m s i n Ka i l u a n mi ni n g a r e a ． Ke y wo r d s d e e p mi ni n g，d yn a m i c d i s a s t e r ，c on t r o 1 t e c h no l o gy，Ka i l u a n m i n i n g a r e a 开滦 矿 区现 已有 1 3 0多年 的开采 历史 ，开 采深 度最深达到 了 一1 2 0 0 m，随着 开采深 度 的增 加 ， 采场 压力越 来越 大 ，构造 应力积 聚严 重 ，巷道 变形 越 来 越严 重 ，受 动 力 灾 害 的破 坏 和影 响 越 来 越 明 显 ，大埋深 、构 造复 杂 、冲击危 险煤 层 的安全 开采 是 目前我国急需研究解决的课题 。随着煤矿开采深 度的增加 ，势必造成深部 、构造复杂和动压危险的 煤层 在未 来开 采 中所 占比重逐 渐增 加 。为 了实现 冲 击煤 层 的安全 开采 ，对 开滦矿 区赵 各庄矿 、唐 山矿 等具 有 冲击倾 向 的煤 层 的构造 区进 行 了动力 现象预 测与防治研究与试验，通过现场实施 ，实现了深部 构造 区动力灾害区域的安全生产。 1 概 况 开 滦 矿 区 石 炭 二 叠 系 总厚 度 为 4 9 0 ～ 5 3 0 m， 含煤 1 5 ～ 2 0 层 ，煤 层 总厚度 2 0 2 8 m，含煤 系数 5 8 为 3 ． 9 1 ％～5 ． 5 7 ，其 中 7 、8 、9 、1 2 煤 层 为主要可采煤层，5 、6 、7 、1 1 、1 2 苹、1 4 煤层 为 局 部 可 采 煤 层 ，3 煤 层 等 为 不 可 采 煤 层 。 开 滦矿 区整体 受到 开平 向斜 的影 响 ，动力 灾 害严重 的矿 井则 受到 构造 的影 响 。如 赵各庄 矿 的井 口西翼 区域 是 宽 缓 向 斜 轴 部 ，动 力 灾 害 明 显 ；唐 山矿 的 4 8 5区域属 于盆 底区域 ，冲击 灾害 在 盆底 区域 显现 特 别突 出 ； 吕家坨 矿属 于 向背斜 复合 区域 ，煤 系地 层 中断裂 构造 异常 复杂 ，在 大 的断层 附近伴 随动 力 现 象 。这些 矿井 的深部 构造 区域 总体 上呈现 出动 力 灾 害较 明显 的特征 ，因此需 要进行 分 析研究 其成 因 与 防治 对策 。 根 据开 滦矿 区深部 煤岩 物理 力学性 质 实验 ，深 部所开采部分煤层为冲击倾向性煤层 ，特别是开采 深度的增加 、原岩地应力增大为诱发动力灾害提供 了能量 ；生 产 区域 地处 断层 地带 ，断 层煤 柱 留设 导 中 国 煤炭 第 41卷 第 1期 2 0 l 5年 1月 致 工作 面 呈 现 不 规 则 分 布 ，容 易 形 成 采 动 高 应 力 区 ，同时，深部构造应力不易释放，使得开滦矿区 深部煤层动力灾害发生的可能性增加。 2开滦 矿 区动力 灾害诱 发 因素分 析 1 冲击倾 向性。冲击倾 向性是动力灾害发生 的 内因 ，倾 向性是 动力 灾害 发生 的必 要条件 。通过 对赵各庄矿、唐山矿地质复杂区域 的煤样及顶板现 场取 样 ，测定 冲击 特 性 ，认 为 赵 各 庄 矿 l 2 煤 层 、 唐 山矿 5 煤 层 具 有 冲 击倾 向性 。开滦 矿 区的 其 他 煤矿 在构 造 区域部 分煤层 也 同样存 在 冲击倾 向性 。 2 开采水平原岩地应力 的增加。随着开采深 度的增加 ，矿 山压力增大，冲击煤层容易发生动压 型破 坏 ，原始 区域 巷道 掘进 时有轻 微 冲击 ，在 构造 区域 进行 巷道 掘进 会伴 随大 的动压 释放 ，出现 明显 的能 量释 放现 象 。 唐 山矿在 采 深 超 过 6 0 0 m 的构 造 区域 出 现 了 动压 显现 ，说 明该 矿 的构 造 区域属 于 冲击能 量 释放 范 围 。 通过 现场 地应 力监 测 ，赵各庄 矿 1 2 煤层 均 厚 9 ． 7 m单 轴 抗 压 强度 约为 2 O MP a ，赵 各 庄 矿 不同埋深下 自重应力 的变化见表 1 。从表 1可知， 赵各庄矿 1 0 0 0 m 以下埋深工作 面的 自重应力 已经 远超过煤体单轴抗压强度 ，再加上构造破坏与构造 应 力作 用 ，煤体 一 开挖便 会 出现破 坏 ，并伴 随动 力 现象 。同时 ，由于 开采 留有 大量 的煤 柱 ，也 会 造成 应力叠加现象 ，特别是断层、褶曲等不规则 区域 的 煤柱 ，更容易出现应力异常现象 ，煤岩体内会存储 大量 的变 形能 ，在 掘进巷 道 时易 引起 动力现 象 。 表 1 赵 各 庄 矿 不 同埋 深 下 自重 应 力 的变 化 煤层水平 标高／ m 埋深／ m 自重应力／ MP a 7 8 9 l O 1 1 1 2 55 O． 2 64 5． 5 73 5． 5 82 2． 4 90 6． 6 t 00 2． 3 6 O9 ． 7 7 0 0． 0 79 O． O 87 6． 9 961 ． 1 1 05 6． 8 16 ． 46 1 8． 9O 21 ． 33 2 3． 68 2 5． 95 2 8． 53 3 采动应力的叠加作用 。煤岩 冲击动力失 稳 的发 生 与采矿 活 动 的扰 动是 密切 相关 的 。 由于煤 矿 的采掘活动破坏了原始应力场的平衡结构 ，产生 与开采 相关 的动 态应 力场 。而动态应 力 与构 造应 力 耦合作用使局部区域 出现超过原始应力 2 ～5倍的 开滦矿 区深部构造 区动力灾害防治技术研 究 高应 力 ，该 高应力 区就 是 能量释 放空 间 ，也 是 动力 现象 的 能量 主要来 源 。 深部构造区域如果遗留下残存煤柱，更容易造 成异 常应 力集 中，主要 原 因是残存 煤 柱与构 造应 力 一 起 释放 叠加 能量 ，当煤 层 具有 冲击危 险 时 ，这 种 破坏 属 于脆性 破坏 ，破 坏 时伴 随 能量 释放 ，造成 动 力现 象 。 煤层开采后，在工作面煤体和围岩中产生应力集 中现象 ，在工作面上下两巷道超前范 围内承受较 高的 支承压力 ，在邻近采空 区的煤体 内还要 受到侧 向固定 支承压力的作用，多种压力相互迭加使煤体内的应力 集中程度增高，易于发生煤岩冲击动力失稳。 4 断层褶曲区域动力现象 。断层与牵引断层 是开 滦矿 区的主要 构造 特征 ，断 层尖 端 区域 往 往是 高应 力 区域 。存在 褶 曲的 区域 ，特别 是 向斜 区 ，具 有残余水平应力。赵各庄矿井井 口西翼 区属于宽缓 大向斜的轴部 ，开采该区域的 1 2 煤层时常伴有大 的能 量 释放 。 3 构造 区域 防范 动 力灾害 技术 3 ． 1 综 合 防范体 系的建 立 构 造 区域 主要 受 到 构 造 应 力 与 采 动 应 力 的作 用。综合考虑主要影响因素 ，在构造区域范围内进 行合理开采与区域防控是进行整体 防治的关键 。 图 1 3 1 3 7 工作 面防治动力灾 害示 意图 老矿井除了遵守一般开采顺序外 ，还要分析构 造区应力分布的异常性 ，设计解除构造应力的开采 顺序与对应措施 。为此 ，在赵各庄矿十三水平井 1 3 5 9 西翼向斜轴部 区域的 3 1 3 7东工作面进行 了区域试 验 研究 ，见 图 1 。 将 构造 区域分 为 3个工作 面 开采 ，即东 一 、东 二 及东 三工 作 面 ，首 先 开采 3 1 3 7东 一 工作 面 ，作 为试验 工作 面 ，在 掘进 与 回采 期 间进 行 全 程 监测 ， 东一工作面开采完毕 ，先掘进东二工作面运输巷 ， 然后 掘进 回风巷 与切 眼 ，在 东二 面开 采前 ，提前 掘 进 东 三面运输 巷 与切 眼 ，等东二 面 回采完 毕后掘 进 回风 巷 。对 于 向斜轴部 的顶 板采 取断 顶技 术 ，切 断 构造应力的联系，释放残余构造能量 ；对该区域主 要上山进行锚索加固，保持直接顶与基本顶的紧密 状 态 ；对上 山两 帮煤体 进行 深孔 爆破 ，爆 破采 取连 续 、密集 、强威 力爆破 措施 ，确 保应 力达 到转 移 。 3 ． 2 防治动 力显现跨 上 山试验 为了解决两翼相向开采形成高应力而导致动压 显现 问 题 ，在 赵 各 庄 矿 位 于 十 三 水 平 二 石 门 的 3 2 3 7西 上 面 3 2 3 7工 作 面 分 上 、 中 、下 3个 面开 采 进行 了跨 上 山 开 采 试 验 ，见 图 2 。原 上 山 沿 1 2 煤层顶板布置，为了实现跨上山开采，采用位 于该工作面停采线附近的十三水平一石门代替原上 山。3 2 3 7 西上面采用放顶煤开采技术 ，工作面进 、 回风 巷沿 煤层 底板 布置 。通过 进行 跨上 山 的应 力分 析 ，划分 了危 险 区域 图 2中 阴影 部 分 ，对 危 险 区域 的煤 层采 用 了大直 径卸压 技术 进行 卸压 。在原 上山区域两帮布置卸压钻孔，钻孔孔深 2 0 m，孑 L 间距 0 ． 8 m，孔径 1 1 0 mm。在两工作 面巷道距离 原 上 山 2 0 ～6 0 m 区 域布 置 卸 压 钻孔 ，孑 L 深 1 5 m， 孔间距 0 ． 8 m，孔径 1 1 0 mm。采用跨上 山开采措 施 ，可实现工作面单向连续推进 ，将上山煤柱一并 采 出，避免了上山煤柱 因相 向开采发生动力灾害。 跨 上 山期 间进行 动压监 测 ，对监 测到 的危 险 区域 进 行 二次 卸压 ，实 现 了跨 上 山的安 全开 采 。 4动 力灾 害危 险 区域 治 理技术 开滦 矿 区开 采历 史悠 久 ，在 构造 区域 存在 一些 遗留煤柱 ，形成高应力影响区，该区域具有发生动 力灾害的危险性 ，通过采用有效措施达到动压防控 的 目的 。 4 ． 1 大直径 钻孔 卸压技 术 钻 孔 卸压 技术 作 为 防 治动 力 现象 的一 种方 法 ， 是 指在 煤岩体 应力 集 中区或 可能 的应力 集 中区域 实 施 直径 大 于 9 5 mm 的钻 孔 ，通 过排 出钻孔 周 围破 坏区煤体或钻孔冲击所产生的大量煤粉，使钻孑 L 周 60 图 2 3 2 3 7西 上 面跨 上 山 开采 不 意 图 围煤体破坏区扩大 ，从而在钻孑 L 周围一定区域 内煤 岩体 的应力集 中下降，高应力转移到煤岩体的深处 或远离高应力区 ，实现对局部煤岩体进行解危或预 卸 压 的 目的 。 在工作面巷道两帮超前工作面 6 0 m 采用大直 径钻孔卸压 ，降低煤体强度 ，使应力向工作面深部 转 移 ，在 围岩 中形 成应 力 的三 向分 布 。如果 煤粉 不 能 及 时 、有 效排 出 ，则 不 能 有 效 地缓 解 冲 击 压 力 ， 因此 ，强排 粉是必 须 实施 的方案 。 卸 压钻 孔 具 体 参 数 如 下 卸 压 钻 孔 孔 深 大 于 1 8 m，卸压钻孔间排距 1 m，卸压钻孔直径 l 1 0 ～ 1 2 0 m m 。 初 次卸 压完 成后 ，容 易发 生应力 恢复 现象 。 因 此 ，需 要动 力在 线实 时监测 预警 系统 监测 应力恢 复 程度 。如果发现应力值达到报警值 ，则需要在原钻 孔之间补打一个大直径卸压孑 L 。 4 ． 2煤体 爆破 卸压 技 术 煤体 卸载爆破 是在 已确认具 有 冲击 危 险的区域 ， 通过对煤体实施爆破以达到解 除冲击危险 的一种动力 现象防治措施。煤体卸压爆破对工作面煤体应力集中 区域进行 临时性解危 ，保证 工作面安全 回采 。 卸压 爆破 具体 参数 如下 爆破 孔位 于工作 面 煤 体 ，孔深 2 5 m，孔 径 7 5 mm，爆 破 孔 间距 5 m； 爆 破装药 量 1 4 ． 4 k g 8节大 直径强 力 药 卷 ，爆 破 装药方式为分段装药，每 4 节药卷为一段 ，两段药 卷 中间间隔 1 m，利 用 直径 6 0 mm 水 泥 封 堵 剂 进 行 间 隔封堵 ，最后 用水 泥封 堵剂 将孔 封满 封实 。 4 ． 3 断底 爆破 卸压技 术 为消除工作面巷道底板 因应力集 中造成底板鼓 中国 煤 炭 第 4 1 卷 第 1 期 2 0 1 5年 1月 起 、巷 道变 形 等现 象 ，在 工作 面 巷道 超 前 6 0 m 范 围内进行断底爆破，断底爆破具体参数如下断底 爆 破位 置 位 于 工作 面 巷 道 底 板 ，孔 深 1 5 m，断 底 爆 破孑 L 角 度 一 4 5 。 ，垂 直 于 巷 道 走 向 ；断底 爆 破 孑 L 径 7 5 mm，爆破孔间距 5 m；断底爆破装药量 7 ． 2 k g 4节大直径强力药卷 ，最后用水 泥封堵剂将 孔 封满 封 实 。 巷 道 在经过 断底 爆破 卸压 以后 ，底板 中水平应 力峰值 明显降低 ，并且应力已向深部转移，从而大 大减小 了底板发 生 动力现 象 的可能 。 4 ． 4加 强巷 道 支护技 术 在工 作面 回采期 间加 强两 巷 的支护 强度 ，即在 原有 支 护 的 基 础 上 ，在 工 作 面 上 、下 巷 距 工作 面 5 0 m范围内支设单体液压支柱 ，排距 1 ． 6 m，每 排 3柱 ，并在 支柱 问加设 走 向和倾 向两个方 向的钢 带链 接装 置 ，保证 支 柱 可 以承 受较 强 的水 平 应 力 ， 防止 支柱 在受 到水 平应 力时 倒柱 。 4 ． 5加 强人 员防护技 术 针对开滦矿区深部开采 中遇到的煤岩动力灾害 问题 ，建 立 “ 健全 机构 、职 工培训 、预测 预报 、措 施解 危 、效果 检验 、安 全 防护” 综合 防治措 施 为一 体 的 防治动力 现象 防治 体 系和动 力现 象三 级治 理机 构 ，健全煤矿各领导安全生产责任制 ，邀请科研单 位 和有关 院校专 家教授 进行 技术 交流 ，开 展 防治动 力 灾害讲 座 ，对矿 级领 导 和 中层 干部 进行 培训 ，对 技 术骨 干进 行专业 培训 。 通 过人 员定位 系 统 、井 下小 灵通 、视 频监 控 系 统 和安全 监 测 系 统 ，实 现 对 冲 击 区域 的人 员 监 控 管理 。 5 结论 1 开滦矿区动力灾害诱发 因素主要为煤岩层 的冲击倾 向性 、开采水 平 原岩地 应力 的增 大 、采动 应 力 的叠加 和 断层等 的影 响 。 2 通 过采 取钻 孔卸 压 、爆 破 卸压 、断底 爆破 卸 压 、断顶 爆破 卸压 、煤 层注 水卸 压 、加 强 支护治 理 和 加强人 员 防护措 施 等动力 灾 害危险 区域 治理技 术 ，有效地 降低 了开 滦 矿 区 动力 灾 害 发 生 的 可能 ， 为开滦矿区深部煤层安全开采提供 了技术保障。 参考文献 E l l 齐庆新 ， 彭 永伟 ，李宏 艳等 ．煤 岩 冲击倾 向性 研究 E J ]．岩石力学与工程学报 ， 2 O l 1 S 1 E 2 1 郑友刚 ．唐 山矿 深部 孤岛工作 面 冲击 地压危 险 区域 划分及实测研究 [ J ]．中国煤炭 ， 2 0 1 3 3 [- 3 1 潘立友 ， 张立俊 ， 刘先贵 ．冲击地压预测与 防治 实用 技术 E M3．徐州 中国矿业大学出版社 ，2 0 0 6 E 4 1 刘宝珠 ．深部不 规则 大孤岛工 作面 冲击 地压 预测 与 防治技术 E J 1．中国煤炭 ， 2 0 1 3 6 作者简介 靖晓颖 1 9 6 4 一 ，男 ，高级工程 师 ，1 9 8 7 年毕业于河北煤炭建 筑工程 学院 采矿工程 专业 ，现任 开滦 集团公司技术管理 部生产技 术室 主任 。常年从 事煤 炭采 掘 研究 。 责任 编辑 郭 东芝 上接 第 5 7页 锚 网喷支 护 钢 支 架 ，弹 塑 性 区范 围采 用预应 力锚 索 ，交 岔点岩 柱采 用浇 筑混 凝 土 的支护 方案 是可 行 的。 由支架 、锚索 、锚 网喷 支护组成的联合支护结构形式具有较好 的整体性 、 稳 定性 ，较 强 的承载 力和抗 变形 能力 ，能够满 足交 岔 点硐 室 的长期稳 定 需要 。 参考文献 [ 1 ] 邱 天德 ，程子 厚 ．深井 井底 车场 围岩 稳定性 分析 及 合理形式确定 [ J ]．中国煤 炭 ，2 0 1 4 7 E 2 3 吕兆海，闫学忠，朱海鱼等 ．掘进巷道过含水断层 水 害分析及施工 工艺 E J 3．中国煤炭 ，2 0 1 4 3 [- 3 1 周敏 ，黄兴 ，时凯 ．深井井 底 车场高 地应力 硐室 群 稳定性分析 E J 1． 煤炭科学 技术 ，2 0 1 2 2 E 4 3 祁 和刚 ．煤巷交岔 点大断 面联合支 护研究 [ J ] ．矿 山压力 与顶板管理 ，1 9 9 7 3 ／ 4 开滦矿 区深部构造区动力灾害防治技术研究 E 6 3 E 7 1 E 8 3 E 9 1 郭志飚 ．煤矿深部 Y 型大断面交 岔点双控 锚杆 支护 技术及工程应用 I- J ]．岩石力 学与工 程学 报 ，2 O l O 2 9 李凤仪等 ．岩体开挖 与维护 E M1．徐州 中 国矿业 大 学 出版 社 ，2 0 0 3 张建华 ，翟锦 ，吕兆海 ．富水 软岩巷 道变形 分析 及 控制研究 E J ]．煤炭 工程 ，2 0 1 3 5 王铁牛 ． 三软煤层底板岩巷变形分析与加固技术 E J 1． 煤炭科学技术，2 0 1 2 5 赵长红 ，丁学福 ，张忠凝 ．清 水营煤 矿软 岩巷道 支 护实践 E J ]． 煤 矿安 全 ，2 0 1 3 3 作者简介 吕兆海 1 9 8 o 一 ，男 ，宁夏灵武人 ，工程 师 ，博士 ，主要从事采矿工程和采空 区衍 生灾 害预报研 究。 责任 编辑张毅玲 6 1