浅析开滦赵各庄矿动力显现与防治措施.pdf

第 1 3卷 第 2期 总第 8 1期 2 0 0 8年 4月 煤矿 开 采 C o a l Mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 3 N o ． 2 S e ri e s N o ． 8 1 Ap ri l 2 0 0 8 浅析开 滦赵 各 庄矿 动力 显现 与防治措施 李建民 ，章之燕。 ，杨 占 秋 1 ．中国矿业 大学 北京 ，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．开滦 集团 有限责任公 司 ，河北 唐山 0 6 3 0 1 8； 3 ．中国煤 炭学会 岩石力 学与支护专委会 北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 介绍了开滦赵各庄矿深部煤 岩的动力现象，分析 了3 2 3 7工作面动力现象发生 过程，针对性地提出了治理方法和采取的相应防治措施。 [ 关键 词] 深部开采 ；动力 显现 ；防治 [ 中图分类号]T D 3 2 4 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 4 5 2 2 5 2 0 0 8 0 2 - 0 0 7 1 - 0 4 Ana l y s i s o f Dy na mi c Pr e s s ur e Be h a v i o r a nd Pr e v e nt i o n 0 f Zha 0 g e z hu a ng Co l l i e r y i n Ka i l u a n 随着我国煤矿开采深度逐步加大，开采条件发 生了显著变化，高地应力、高瓦斯、高非均一性、 低渗透性 和低强度煤体 现象 日益 明显 ，在此 情况 下 ，原有的安全保障技术适应性降低 ，迫切需要进 行新技术的研究。开滦集团所属赵各庄矿 目前已采 至千米深部 ，由于开采历史长 ，地质构造复杂 ，在 生产过程 中出现了上述现象。 1 赵各庄矿深部动力现象及特征 1 ． 1 深部动力现象 赵各庄矿为煤与瓦斯突出矿井，井下曾发生过 多次动力现象 ，其 中以 1 9 7 3年 9月 1 5日发生在 1 0 水平 7中石 门9煤层 的煤与瓦斯突出强度最大 ，突 出煤量 1 0 0 t ，喷出瓦斯 3 0 0 0 m 。其历史上有记录 的动力现象见表 1 。 由表 1可知，第 1次瓦斯动力现象发生在 1 9 5 5年七水平西翼 1石门的 7 1 9 1中巷向上掘进煤 层上 山时，该处距地表垂深约 7 0 0 m。而每次发生 的区域基本在井 口褶曲、倾角变 陡区、东 I I I 断层 带、东 V I I 断层带处。 表 1 赵各庄矿煤与瓦斯动力现象统计 1 ． 2 深部动力现象特征 根据现场的统计资料分析该矿煤与瓦斯动力现 象具有以下特征 1 多发生在掘 进工作面 ，在石 门揭煤 、平 【 收稿日期]2 0 0 7 - 0 7 一 l 8 [ 作者简介]李建民 1 9 5 7 一 ，男， 河北丰润县人 ， 教授级高工， 在读博士生， 现任开滦集团公司副总经理。 71 维普资讯 总第8 1期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年第2期 巷和上山掘进或者打钻孑 L 时 ，都发生过煤与瓦斯动 力现象。 2 该矿属煤 与瓦斯突 出类型 的动力现象较 少 ，一般突出煤量都在 4 0 t 以下 ，瓦斯量均不超过 2 5 0 0 m ，有的只是 冒高和喷孑 L 。 3 主要发生在地质构造地带。如断层 、褶 曲及 煤层 倾 角 变陡 等处 ，属 于煤 与 瓦斯 突 出的 1 9 7 3年 O 1 1石门动力现象就发生在东 Ⅲ断层 。 4 通过对已经发生 的动力现象记录分析发 现 ，这些动力现象绝大部分是 在外力作用 下产生 的。其 中，由爆 破 引 起 的 动 力现 象 较 多 ，约 占 6 5 ． 2 ％。这是 由于爆破作业突然改变了工作面附近 的应力和瓦斯动力状态 ，以及爆破产生的震动波破 坏了附近煤体造成的。 5 煤层在发生煤 与瓦斯动力 现象前 ，一般 都出现明显预兆 ，最常见的是工作面前方响煤炮或 瓦斯忽大忽小，另外 ，打钻过程中出现夹钻 、钻孑 L 内喷瓦斯和煤粉现象 ，以及工作面前方煤质突然变 软 、煤层中夹有厚薄不一 的软分层等预兆。这些预 兆有时只出现一种 ，有时几种同时出现。 1 ． 3深部动力现象机理 赵各庄矿深部 由于采深大 ，瓦斯压力相对 较 小，且煤与瓦斯动力现象主要以矿山压力和煤的物 理力学性质引起的动力现象为主，故发生机理概括 有以下几种 1 冲击倾 向性 井下煤岩体作为典 型的地 质材料，存在着自身的物理力学性质。根据实验室 的测定结果 ，1 2煤层及顶板具有冲击倾向性。 2 大采深导致的地应力增加随着开采深度 的增加 ，煤层 中原始地应力水平较浅部增大。通过 实验室试验测定 ，1 2煤层煤的单轴抗 压强度最 大 为 2 9 ． 3 4 MP a ，而采深为 l O 0 0 m 的垂直应力值 已达 2 7～ 2 8 MP a 见表 2 。由于煤 体强度远小于煤样 的单轴抗压强度，煤体会在采动时达到破坏强度而 发 生破坏 。 表 2 赵 各庄矿不 同埋深条件下原岩应力 垂直应力 的变化 3 构造应 力作 用 矿井 田区域位于华北大 断块区的东北部，开平煤田北部边缘区 ，是燕山断 72 褶带东段与华北拗陷区的交界地带。从区域地质发 展史可知 ，它靠近开平断块的北部边界 ，是一个地 质构造相对发育而又复杂的断块边缘 区 见图 1 。 图 1 开平煤田构造 4 采动应 力的 叠加作用 冲击矿压等 动力灾害 ，在发生机理上是地质结构体在力的作用 下变形系统发生失稳的结果， 但这些灾害的发生与 采矿工程的扰动是密切相关的。原因在于矿山井巷 与回采工作面的开掘与开采，使煤岩体中的原始应 力状态发生改变 ，并引起巷道或回采工作面围岩的 高度应力集 中，通 常可达到原岩应力 的 23倍 ， 甚至 7 8倍 。由此造成煤岩体中弹性能的大量积 聚 ，为冲击矿压等动力灾害的发生提供了必要的能 量来源。赵各庄矿开采深度已达 1 1 5 7 m，煤体所承 受的岩体 自重力已达约 2 8 MP a ，如果加上上覆岩层 开采应力和本层开采应力的叠加作用，深部煤体所 承受的应力将高达 5 0 M P a以上。在未受采动影响 时 ，由于岩层之间的相互约束作用 ，使应力释放没 有空间；受到采动影响后，由于已经破坏的煤岩层 相对于整个岩体是一个弱面 ，同时又有足够 的应力 释放空间 ，从而在某一时刻某一位置煤岩体 中应力 就以弹性能 的形式释放 出来 ，导致动力 现象 的发 生 。 5 地震活动为动力现 象提供 了条件 赵各 庄位于我国华北地震活动带内，地震活动频繁 ，从 而为煤岩层的应力释放提供了诱发条件。 2 3 2 3 7工作面的动力现象防治 2 ． 1 3 2 3 7工作面地质情况及位置 3 2 3 7工作面位于 1 3水平西3石门 1 2煤层 ，煤 层倾角 3 2 4 2 。 ，对应上部为 l 2水平西 5石门，工 作面布置见图 2 。开采深度范 围 一9 9 4一一1 0 5 8 m， 采用综合机械化采煤 。该工作 面地质构造较复杂， 上山位于矿井西翼宽缓向斜核部，受其影响构造应 维普资讯 李建民等浅析开滦赵各庄矿动力显现与防治措施 2 0 0 8年第2期 力集 中，煤层及顶板裂隙发育 、破碎 、易抽 冒。上 山附近顶板起伏较大。 图 2 3 2 3 7西上工作 面布置 基本顶 深灰 白色粉砂岩 ，2 ． 7 O～ 4 ． 6 0 m，泥 质胶结，贝壳状 断 口，灰 白色条痕 ，质均 一 ，致 密 ，含黄铁矿结核。 直接顶 黑色泥腐 质黏 土岩 ，3 ． 2 6～8 ． 7 4 m， 贝壳状断口， 褐黄色油亮条痕，质脆，易碎，含黄 铁矿结核。 直接底 灰色粉砂岩 ，0 ． 4 9～2 ． 6 7 m，泥质胶 结 ，参差状断 口，灰白色条痕 ，含杂乱的植物根化 石 和黄铁 矿结 核 。 老底 灰 色 细砂 岩 ，1 ． 6 0～4 ． 2 8 m，硅 质 胶 结 ，成分以石英 、长石为主，局部夹粉砂岩 ，水平 层理 ，层面有植物碎屑化石 。 2 ． 2 3 2 3 7动力显现情况 该区域 在掘 进过程 中，曾多 次 发现 “ 煤 炮 ” “ 板炮 ”等现象 ，2 0 0 6年 1月 3日，1 3水平西翼 2 石门 3 2 3 7西上放顶煤工作面范 围发生一起较为 明 显的动力显现现象 ，造成西上运输道 2 3 0 m，2 8 5 m 等多处地点发生 冒顶。该 区域 3 2 3 7采 区工作 人员普遍反映 2 3点 1 5分左右有强烈的瞬时震感 ， 并伴有冲击波和大量煤尘飞扬 ，但从安全监测监控 数据显示看 ，当时该区域瓦斯无异常变化。 2 ． 3 3 2 3 7动力 显现 防治方法及措施 由于 3 2 3 7工作 面开采方法 已经确定，对动压 防治只能采取 区域 性局部 的防治和解危措施 。即 3 2 3 7工作面回风道 与上水平工作 面之间 的隔离煤 柱范围 、回风道 8 0～1 5 0 m断层影响带范 围，3 2 3 9 上山下部小井附近范围。工作面投入 回采后 ，工作 面区域的煤岩体应力将重新分布 ，工作面前方超前 压力影响，在基本顶初次来压 、周期来压时还有可 能产生新的高应力区 ，形成潜在 的动压危 险。根据 目前对 3 2 3 7工作面区域动压显现 的实际情况 ，对 3 2 3 7区域采取综合 防治 动压措施 ，即动压危 险预 测预报 、动压危 险防治措施 、防治措施效果检验 、 安全防护措施。 2 ． 3 ． 1动 压 危 险 预 测 预 报 1 工作 面开采 前 ，主要采 用钻屑检测法对 动压危 险性进行 检测 、预报 ，辅助采用钻孔应 力 计 、电磁辐射仪对动压危险性进行检测 、预报 。 2 工作 面开采 后，采用钻 孔应力计对可 能 存在动压威胁的区域进行观i 贝 0 ，同时使用 K B D 5型 电磁辐射仪 ，对整个工作面区域的矿压显现进行动 态跟踪观测 ，并辅助采用钻屑检测 、巷道变形观测 等手段对可能存在的动压危险性进行检测 、预报。 3 钻屑检测法是在高应力带施工 4 4 2 mm的 钻孔 ，量取钻出的煤粉量 ，通过对钻粉变化率 、施 工过程 中动力现象等指标来衡 量动压显现 的危 险 性。对采掘空间围岩的动压危 险倾 向性进行评估。 根据以往观测经验及 3 2 3 7工作面实际情况 ，确定 钻孔深度 、极限煤粉量等指标如下 钻孔深度 5 ． 5～ 8 ． 5 m。 极 限煤 粉 量 指 标 1～3 m，3 k g ／ m； 3 m， 4kg ／m。 动力现象 吸钻 、卡钻 、顶钻等。 钻孔布置 工作 面上 下巷与工作 面煤壁 每隔 2 0 m布置钻孔，钻孔一般布 置在距 底板 1 ． 2～ 1 ． 5m。 2 ． 3 ． 2动压危险防治措施 对可能存在动压显现危险的区域 ，采用震动爆 破 、煤体注水 、打卸压钻孔的方法 ，降低或消除高 应力区动压显现危险。 1 震动爆破根据 预测 结果 ，在特殊 地点 及 附近进行震动爆破 降低或消除动压显现威胁。通 常使 用矿 用煤 电钻 和麻 花钻 杆及配 套 4 2 m m 钻 头 ，炮眼深 6～7 m，炮眼间距 5 m，炮 眼距巷道底 1～1 ． 5 m。每 眼 装 药 长 度 为 眼 深 的 1 ／ 3 ，药 量 2 1 0 0 g ，炮眼装药后，使用 2个水炮泥，外部剩余 部分用黄泥封满。同时布置 6～8孔 。连线方式采 用串联，正向一次起爆。爆破顺序为从危险地点外 围开始爆破，逐步向危险地点靠近，直至危险点。 2 煤层 注水 采用长孔 、短孔 相结合 的注 水方 式 ，注 水孔 径 一 般采 用 2～9 2 m m，间 隔 1 5 m。长孔 在运输巷沿煤层倾斜方向平行于工作 面向上打孔注水 ，孔长 5 0～ 7 0 m。短孔 在回风巷 沿煤层倾斜方 向平行于工作 面打下探 5～1 O 。 方 向 的近水平钻孔 ，孔深 2 0～3 0 m。采用动压注水和静 压 注 水 相 结 合 的方 式 ，动 压 注 水 压 力 不 小 于 1 0 M P a ；静压注水压力一般不低于 1 ． 5～ 3 M P a 。 3 卸压钻 孔 卸压钻孔是利用钻孔方法消 除或减缓冲击矿压危险的解危措施。煤层支承压力 7 3 维普资讯 第 8 1期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年 第 2期 峰值部位钻孔 的破裂和卸压作用如图 3所示。钻孔 卸压的实质是利用高应力条件下，煤层 中积聚的弹 性能来破坏钻孔周围的煤体 ，使煤层卸压 、释放能 量 ，消除冲击危险。如 3 2 3 7西上工作 面在预计可 能出现的应力增高区施工 9 01 1 0 m m的钻孔 ，长 度一般为 1 5 2 0 m，间距为钻孔直径 的 1 O倍来降 低采掘空间周围的应力 ，钻孔布置如图 4所示。 图 3 卸压钻孔作用 L 3 防治措施效果检验 当采取松动爆破 、煤体注水 、钻孔卸压等措施 后 ，继续采用钻屑检测法 、钻孔应力计 、电磁辐射 仪等手段对防治措施的效果进行检验，对动压危险 倾向程度重新评估。若检测指标超过临界值 ，则继 续采取动 压危险 防治措施 ，若 检测指标小于临界 值，进行开采。赵各庄矿 3 2 3 7工作面经过上述解 危措施 ，实现了安全开采。 上接 8 2页 Wc W 一△ V 2 2 h 2 S一△ 6 由 6 式可知 ，由于 △ 与 相比很小 ，因 此松散载荷层垮落时重力功几乎全部作用于对基岩 层及顶板的冲击破坏 ，形成工作面来压时短暂剧烈 的动载现象 。 5结论 工作面初次来压经历基岩层下部分层垮落 ，来 压开始 ；关键层及其上岩层破坏垮落，形成第 1次 冲击载荷 ；松散载荷层滞后垮落 ，形成第 2次冲击 载荷等 3个阶段 。关键层悬臂梁破断垮落成 B块 ， 其上层基岩层及松散层紧随垮落并对工作面形成瞬 间冲击载荷 ；关键块 B一端 由 A块及其下 冒落矸 石支撑 ，另一端由工作面支架经直接顶板传递的工 作阻力及 C块支撑 ；工作面推过 B块后 ，B块沿 7 4 ]黜I 图 4 3 2 3 7工作 面卸压钻孔 4结束语 开采带有煤与瓦斯动力现象的深部煤层时，要 根据发生的区域性以及与地质构造分布的关系，准 确及时地对煤层有动力现象危险区段进行预测，尤 其是对地质构造应力集中带进行分析预测，采取适 当的防范措施。不 断寻求应 用新的技术、工艺手 段 ，就一定能够有效地防治动力现象的发生。 [ 参考文献] [ 1 ]林柏泉 ，崔恒信 ．矿井瓦斯防治理论 与技术 [ M]．徐州 中 国矿业大学 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 2 ]开滦集 团公 司．煤矿 深部煤 岩 与瓦 斯动力特征及 防治 对 策研究 [ R]．2 0 0 0 ． [ 3 ]赵 水钧 ．冲击地压及其防治 [ M]．北 京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 95 ． [ 4]潘立友 ，张立 俊 ，刘 先 贵 ．冲 击地 压 预测 与 防治 实用 技 术 [ M]．徐州 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 责任编辑毛德兵 】 架后切落至冒落矸石上，形成工作面周期来压。松 散载荷层垮落时重力功作用于基岩层及顶板 ，形成 工作面来压时短暂剧烈的动载现象。 [ 参考文献] [ 1 ]李凤仪 ，王继仁 ，梁冰 ，刘钦德 ．以埋深划 分煤炭开 采类 型界定指标与特征 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 5 ． [ 2 ]钱鸣高 ，缪协兴，许 家林 ，茅献彪 ．岩 层控制 的关键层理论 [ M]．徐州 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 3 ]辽宁工程技术大学 ．薄基岩浅埋煤层 开采覆岩 活动及其开 采 技术物理模拟研究报告 [ R]． 2 0 0 4 ． [ 4]辽宁工程技术大学 ．薄基岩浅埋煤层 开采覆 岩活动及其 开采 技术理论研究报告 [ R]．2 0 0 4 ． [ 5 ] 吴爱祥 ，孙业志，刘湘平 ．散体动力学理论及 其应用 [ M]． 北京 冶金工业 出版社 ，2 0 0 2 ． [ 责任编辑 毛德兵 ] 维普资讯