千米深井巨厚砾岩强冲击煤层综合治理技术.pdf

1 7 6 东 撼晨 舛技 2 0 1 2 年 第6 期 千米深井 巨厚砾岩强冲击煤层 综合 治理技术 冀联合， 崔清才， 冀大伟 新矿 集团华丰煤矿地质测量部 ， 山东 泰安2 7 1 4 1 3 摘要 华丰煤矿是我 国冲击地压 灾害最严 重的矿井之一 ， 曾发生 多次冲击地压事 故， 为 了解决大采深 、 大倾 角 、 强冲击 四层工作面 的冲 击地 压问题， 通过对冲击地压发生的外 因、 内因及机理 的技术研 究， 运用 了综合技 术， 解决 了工作面冲击地压问题 。 关键词 深部开 采 冲 击地压 机理 综放 工作 面 防冲技术 中图分类号 17 D 3 2 4 ． 2 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 1 0 7 华 丰煤 矿主采 的四层煤 ， 煤层 厚度 平均 6 ． 2 m， 属 于稳定煤层 ， 具有强烈的冲击倾 向性， 坚硬顶板 、 底板 和煤层 ， 煤 系地层上部为 5 0 0～ 8 0 0 m 巨厚第三系砾岩 ， 最厚 可达 1 0 0 0 m厚 ， 岩性 为石灰岩砾石 ， 非常坚硬 。 2冲 击地压 发 生原 因 2 ． 1 冲 击地压 发 生 内因 1 煤层具有冲击倾向性。4层煤具有强烈冲击 倾向性， 其直接顶具有中等冲击倾向性。 2 砾岩 活动是 发生 冲击 地压 的主要力 源。 四层 煤平均厚6 ． 2 m， 上方基本顶为 7 0余米厚的砂岩层， 随 着工作面的推进周期性跨落。再上部为 5 0 0～ 8 0 0 m砾 岩层 ， 砾岩层 的断裂垮 落对 下部 的煤 岩体产 生 冲击 载 荷， 是四层煤工作面发生冲击地压的主要力源。 2 ． 2 冲 击地压 发 生外 因 1 采深大 ， 应力高是发生冲击地压的必要条件。 随着 4层煤工 作 面采 深 的加大 ， 自重应 力 已超过 叫层煤 的抗压 强度 ； 最 大 水平 应力 为 3 3～ 4 2 M P a 。较 高的原岩应力易使煤体产生应力集中而破坏， 从而导 致 四层煤冲击地压的发生。 2 煤柱集中应力的影响。相邻采区之间和上下 区段之 间留有采 区和 区段隔离 煤柱 ， 在 煤柱 内部将产 生叠加应力， 从而为煤柱冲击提供了基础应力条件。 3冲击 地压发 生机 理 收稿 日期 2 0 1 20 4 0 9 作者简介 冀联合 ， 男， 大学 ， 地质 工程师 ， 长期从事煤 矿技术研 究 J 作 ， 完成多项获奖科研项 目， 在多种刊物 七发表过论文。 3 ． 1 “ S ” 型覆 岩 空 间结构 形 成应 力集 中区 工作面上方岩梁从实体煤侧的断裂线到采空区触 矸 线岩梁 空间结 构形 成“ S ” 型覆 岩空 间结构 。“ S ” 型 覆岩空间结 构 由多层 坚硬 岩层组成 ， 其运动 形成 的应 力集中区分为静 压和动压 。 3 ． 1 ． 1 静压分 析 对于某一特定的坚硬岩梁 N， 在采空区侧的触矸 线附近， 必然存在一个应力集中区， 在实体煤侧的断裂 线附近， 也必然存在一个应力集中区。从“ s ” 型覆岩 空间结构的剖面 图上可 以看 出， 岩 梁 的全部 重量 是 由 触矸线及断裂线下 方 的岩 石支承 的 ， 即坚 硬岩梁 的重 量 向触矸线及断裂 线下方 的岩体 转移 ， 进 而可 以转移 到实体煤上及采 空 区矸石 上 。因此 ， 便形成 了两 个应 力集 中区。 3 ． 1 ． 2 动压 分析 随着工作面不断向前推进 ， 与老顶 周期断裂相似 ， 高位岩梁在达 到一 定跨度 后也 规律性 断 裂 ， “ s ” 型覆 岩空间结构亦不断随着向前发展 ， 高位岩层的断裂产 生动压， 是诱发冲击地压的关键因素。尤其是在静态 的“ S ” 型覆 岩空 问结构 作用 高应 力峰值 位 置 ， 即 作 面上顺槽及工作面上部 ， 动压会形成高于静压数倍的 应力 ， 使煤体瞬间变形， 形成冲击地压。 3 ． 2 覆岩 空 间结构运 动 与支承 压力 的关 系 采用 弹性力学方法研究 了充分采动 阶段覆 岩多层 空 间结构动 态 支承 压力 的分 布状 况 与 冲击 地压 的关 系。华丰矿 1 4 1 1 I 二 作 面的超前 支 承压力 的 峰值距 丁 作面8 0～ 9 0 m左右， 其峰值约为3 7 ． 3 MP a 。 3 ． 3 工作 面“ 见方” 阶段 与冲 击地 压 关 系 工作面“ 见方” 是指工作 面推进至距切 眼一个 工 用预应力锚索补强 ， 将锚杆 支护形 成的锚 固承 载结构 整体固定于深部围岩中， 这样不仅可以改善围岩应力 状态 ， 增强 围岩 ， 还可 以将巷道浅表一 定范围内的高应 力峰值 向围岩深处转移 ， 实现围岩承载圈范围的扩大。 参考文献 f 1 F作宁 ． 刘 鸿泉． 承压水 开 采 [ M]． 北京 煤炭 工业 出 版社 I 9 9 3 [ 2 ] 刘先贵． 东滩矿底板巷道变形规律研究 [ J ] ． 山东矿业 学院学报 ， 1 9 9 3， 1 2 3 ， 2 3 1～ 2 3 5 [ 3 ] 奚小 虎 跨采软岩巷道破坏机理及控制技术研 究[ D]硕 f 学位 论文 ， 安徽理工大学 ， 2 0 1 0 [ 4 ] 毕善 昌． 跨采工作面 底板 应力位 移传递规律 及巷道 围岩控 制研 究 D ． 硕士学位论文 ， 安徽理工大学 ， 2 0 1 0 [ 5 j 何希林． 大采深复杂围岩舣大巷跨采技术研 究【 Dj ． 硕 十 位论 文 ， 山尔科技大学 ， 2 0 0 5 2 0 1 2 年 第6 期 东 撼爰 科技 1 7 7 作面倾 向长度的距离时， 工作面上方的覆岩空问结构 在平面图上呈现“ 正方形” 形状， 此时顶板运动加剧 ， 工作面矿压显现明显的现象。 一 般来讲 ， 采场每推进一个工作面斜长的距离 ， “ S ” 型覆岩空间结构就会规律性的断裂 一次 ， 采场及 上顺槽就会产生较大 的动压 。 3 ． 4 “ S ” 型覆岩 空 间结构 形成 阶段和 工作 面 “ 见 方” 阶段 的冲击地 压现象 在 1 4 1 0工作面 侧 向 ， 老 顶 上方 的岩 梁 与 1 4 0 9采 空 区联通 ， 形成 大的覆岩空间结构。上方砾 岩断裂 时 ， 会对工作面上部及上顺槽形成动压冲击。 4采取对策 4 ． 1 优 化开拓 布 局 合理矿井开拓布局， 优化工作面布置 ， 防止过度集 中开采 ， 造成区域采动应力过于集中； 杜绝不合理煤柱 的留设 ， 减小煤柱 尺寸 ； 将 服务年限较长 的主要巷道 布 置在无冲击倾向的岩层中。 4 ． 2科 学合理 布 置巷道 在工作面设计中应尽量缩小采区及区段煤柱的尺 寸 ， 避免煤柱支撑体的应力集中形成。 4 ． 3预 测预 报技 术 4 ． 3 ． 1 经验 类 比 工作面开采或巷道掘进前， 利用经验类 比法对工 作面冲击危险程度进行划分 ， 采空区边缘、 断层附近、 煤柱区等均为冲击危险程度相对较高的部位， 应优先 进行防冲治理。 4 ． 3 ． 2煤 粉监 测 煤粉监测是操作方便、 效果较为明显的一种冲击 危险监测措施。 4 ． 3 ． 3 电磁辐 射 监测 利用 K B D一 5型电磁辐射仪对工作面煤体进行电 磁辐射监测 ， 每点监测 2 m i n ， 测点间距 1 0 m， 每天监测 一 遍。利用监测的电磁辐射脉冲数、 幅值平均值、 幅值 最大值的大小及变化趋势对工作面进行预测预报。 4 ． 3 ． 4工 作 面矿压 监 测 由于冲击地压的发生与顶板运动有明显的关联 性， 因此利用矿压监测法预报工作面顶板运动规律， 配 合其他方法预报冲击危险。 4 ． 3 ． 5微 震监 测 采用 A R A MI S M ／ E微震监测定位系统， 监测记录 微震次数及释放的能量 ， 利用微震次数及释放的能量 预测预报冲击地压发生的趋势及应力释放情况， 对发 生的微震信号及时进行准确定位 ， 为冲击地压预测预 报及综合治理提出有效方案。 4 ． 3 ． 6矿 震 监测 利用宽频带数字化矿震观测系统， 监测记录 0 ． 5 级以上冲击发生的次数及冲击地压释放的能量。利用 冲击次数及释放的能量预测预报冲击地压发生的趋势 及应力释放情况 4 ． 3 ． 7地 音监 测 采用 A R E S 一 5 ／ E地音监测系统 ， 对监 测区域范 围 内的地音事件进行实时监测， 通过统计单位时间监测 区域内地音事件的数量和释放的能量来判断监测区域 的冲击危险等级。 4 ． 4 治理 技术 4 ． 4 ． 1 开 采上 、 下 解放层 为从根本上治理冲击地压 ， 华丰煤矿实施了开采 解放层方案 ， 经过接续调整 ， 首先开采弱冲击倾向且没 有出现冲击地压现象的上部解放层一层煤和下部解放 层六层煤 ， 然后在解放范围内开采四层煤。 4 ． 4 ． 2 煤 层注 水 煤层注水可以改善煤层结构， 降低煤体的冲击倾 向性 。 4 ． 4 ． 3 爆破卸压 断顶、 断底技术 主要采取浅孔爆破 、 深孔爆破两种方式。 4 ． 5 防护技 术 4 ． 5 ． 1 均衡 开采 降低 开采 强度 经过摸索 ， 冲击地压综放工作面合理开采速度为 每天3个循环 ， 该状态下能基本实现工作面前方应力 集中与释放的自然平衡 ， 可降低冲击危险。 4 ． 5 ． 2 间歇式生产 回采工作面及掘进头采取 间歇式生产的方式， 可 以降低应力集中， 使集聚的应力得到有效释放。 4 ． 5 ． 3 “ 四六” 制作 业方 式 两班生产 、 两班检修 ， 对冲击危险区实行 3 h的封 闭管理 ， 可对 割煤后 积聚的应力有效 释放 。 4 ． 5 ． 4危 险 区管理 制度 1 “ 封闭管理制度” ； 2 “ 危险区准入制度” ； 3 “ 危险区限员制度” ； 4 “ 双危制度” 。 4 ． 5 ． 5 冲击危险区的躲炮时间、 躲炮距离 冲击危险区躲炮时间要大于 3 0 m i n 、 躲炮距离要 大于 1 5 0 m 。 4 ． 5 ． 6物料 要进行 固定 生根 危险区内不得放置闲置物料 ， 严禁闲杂人员休息、 停留； 对设备 、 物料要进行固定生根。 5 取 得效 果 1 4 1 0工作面 自从 2 0 0 6年 9月 9日发生震级 2 ． 0 级的冲击地压以来 ， 通过防冲技术研究和实施防冲措 施， 1 4 1 0工 作 面 已开 采完 毕 ， 1 4 1 1工 作 面 已开 采 1 0 0 0 m未发生冲击地压事故 ， 开采出煤炭 2 6 1 ． 6 7万 t ， 经济效益非常显著。 ．