深部坚硬顶板工作面远近场联合防冲技术.pdf

总 第2 1 6期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 7 9 8 ． 2 0 1 7 ． 0 8 ． 0 2 3 深部 坚硬 顶板 工作 面远近 场联合 防冲技 术 郝鹏程 神华神东煤炭集团 寸草塔煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯0 1 7 0 0 0 摘要 集贤煤矿煤层赋存深度在 5 0 0～7 0 0 m之间， 且顶板为厚度大强度高的坚硬顶板， 采深和坚硬顶板 形成了冲击地压发生的条件。文章提出采用预裂爆破切顶、 煤层卸压爆破与注水卸压相结合的远近场联 合防治技术， 有效地解决大面积悬顶问题 ， 使得悬顶引起的集中应力得到了有效释放 ， 实现了冲击地压的 有效 防治 。 关键词 深部开采； 坚硬顶板； 冲击地压； 卸压爆破 中图分 类号 T D 3 2 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 7 0 8 0 0 6 8 0 4 我国煤炭开采 的深度 和强度在不断加 大， 冲击 地压 的发生越来越频繁 ， 严重影 响了煤矿安全生产 和煤矿工人的人身安全 J 。深部开采的应力场分 布 、 地质构造特征发生 了明显变化 J 。为应对 日 趋严重的冲击地压问题 ， 迫切需要根据矿井实际地 质条件和开采技术条件 ， 有针对性 的选择防治措施 ， 提高防冲效果。冲击地压的发生有两种情况 其一 是煤岩体在多重应力耦合作用下 ， 处于极 限状态 的 煤岩体受到较小的扰动会诱发冲击 ； 另一种情况是 煤岩体本身还没有达到破坏的极 限平衡状态 ， 由于 外在强烈扰动产生 的动载与原有的静载相叠加 ， 造 成煤岩应力瞬问超过其破坏强度而诱发冲击 。 深部开采条件下， 特别是坚硬顶板赋存的工作 面冲击地压显现尤 为严重 ， 目前仍缺少行之有效 的 防治技术 。因此 ， 本文在分析 冲击地压发生的影 响 因素的基础上 ， 提 出冲击地压 的远近场联合防冲技 术思路。其中， 远场防冲是指远距离范围的坚硬顶 板爆破断顶降低冲击地压危险性 ， 近场防 冲是指近 距离范围的应力集 中煤层 的爆破卸压、 煤层注水降 低冲击地压危险性。 1 工作 面概况 集贤矿中一下九层左六 片工作面 ， 位于 中一区 集中胶带巷左侧 ， 北部为居 民区水塔及建兴村煤柱 ， 南部为井 田边界， 西部为未开拓区， 东部为中一采 区 左四片采空区 ， 开采 9号煤层。上部 为 8层煤 ， 距 9 层煤 4 6 ． 2 m， 下部 为 1 1层煤 ， 距 9层煤 1 3 ． 7 m， 均 不可采 。工作面标高 一5 4 2 ． 1～一5 6 5 ． 0 1T I ， 回风巷 为中一下九层轨道巷 ， 进风巷为中一下九层胶带巷 ， 开采深度 6 3 9 ． 1～ 6 6 3 ． 0 m， 工作面长 1 7 01 9 0 m。 68 煤层平均厚度 为 1 ． 5 I T I 。顶板和底板均为砂岩 ， 坚 硬 、 致密 、 完整 。绝对瓦斯涌 出量为 1 9 ． 3 m ／ m i n ， 相对瓦斯涌出量为 8 ． 6 2 m ／ t 。 工作面开采过程中， 多次发生冲击地压 ， 产生了 工作面 冒顶片帮 、 两巷超前范 围支柱弯 曲损坏等强 烈显现。从地质条件来说 ， 工作 面顶板赋存有多层 坚硬顶板 ， 在顶板 2 5 m、 4 7 m赋存有 7 ． 3 1T I 的坚硬 粉砂岩和 9 ． 4 3 m 的坚硬 中砂岩 ， 该厚硬顶板具有 韧性高、 储能大的特点 ， 容易诱发冲击。当大于冲击 地压临界深度时 ， 冲击地压发生次数较多。工作 面 埋深为 6 0 0 m左右 ， 接近甚至超过冲击地压平均临 界采深。可见 ， 坚硬顶板和大采深为冲击地压 的主 要因素。 2冲击地压影响因素分析 对不 同坚硬顶板强度的煤柱应力集 中情况和工 作面超前支承压力分布情况进行模拟 ， 了解坚硬顶 板条件对 冲击发生状况的影响程度。 在数值模拟分析中， 主要考虑了 5种顶板条件 第 1 种是按顶板原始 的弹性模量 、 抗拉强度 和粘聚 力 ； 其它 4种分别按顶板强度 、 刚度和粘聚力相 比于 原始 强度 和刚度降低 了 1 0 ％ 、 3 0 ％ 、 5 0 ％ 和 8 0 ％。 图 1 为工作面在 自然条件下和顶板弱化后巷道周边 煤体 的应力分布云图。工作面回风巷留设 2 0 m 煤 柱 ， 从模拟结果中很 明显看出 ， 弱化顶板 ， 煤柱体 内 的高应力区域有 明显减小 ， 应力集 中程度也得到显 著降低 。 图 2为坚硬顶板在不 同强度下 ， 工作面 回风巷 煤柱侧 向支承压力分布 曲线 。从图 中可见， 在原始 强度和顶板弱化 1 0 ％ 、 3 0 ％ 、 5 0 ％和 8 0 ％后 ， 工作面 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 2 - 2 3 作者简介 郝鹏程 1 9 8 8 一 ， 男， 辽宁铁岭人， 助理工程师 ， 从事煤矿井下安全管理工作。 2 0 1 7年 8月 郝鹏程 深部坚硬顶板工作面远近场联合防冲技术 第2 6卷第8期 煤柱侧向支承压力峰值距巷帮煤壁的距离分别为 8 m、 1 0 m、 1 0 m、 1 2 m 和 1 4 m， 应 力 峰 值 达 到 4 4 ． 1 MP a 、 3 9 ．7 MP a 、3 6 ．8 MP a、 3 2 ．8 MP a 和 2 8 ． 9 MP a ， 弱化顶板对支承压力峰值 位置和峰值大 小都有明显的影响。 磊％ I- 雾 冀器 { 1 ⋯ 口 ．一 一 藿 嗽 l a 原始强度 b 强度弱化 图 1 顶板强度对工作面应力分布的影响 2 4 6 8 l 0 l 2 l 4 l 6 l 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 距上巷上帮距离， m 一 原始强度； 一弱化1 0 ％； 弱化3 0 ％； 一 弱化5 0 ％； ◆ 一 弱化8 0 ％； 图 2 顶板不I 司强度下煤柱侧支承压力分布 图 3为坚硬顶板在不 同强度下 ， 工作面回风巷 采面侧向支承压力分 布曲线 ， 在原始强度和顶板弱 化 1 0 ％ 、 3 0 ％ 、 5 0 ％和 8 0 ％后 ， 工作面侧向支承压力 峰值距巷帮煤壁 的距离均为 6 m， 应力峰值分别 为 3 9 ． 6 M P a 、 3 8 ． 4 M P a 、 3 5 ． 7 M P a 、 3 6 ． 5 M P a 和 3 3． 6 MPa。 可见， 顶板强度的变化对巷道周边煤壁应力 的 影响还是很大的， 降低坚硬顶板强度能有效 的减小 回风巷煤体受力。同时 ， 深部开采使得原始应力处 于较高水平 ， 使得坚硬顶板 条件下开采冲击地压更 为严重。为此 ， 采用远场预裂爆破切顶 与近场煤层 卸压爆破、 注水卸压相结合的防治技术 ， 对冲击地压 进行综合防治。 I 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 l 1 1 2 l 3 l 4 l 5 l 6 1 7 1 8 l 92 0 距上巷上帮距离， m * 一 原始强度； 一弱化1 0 ％； 一弱化3 0 ％； 一 弱化5 0 ％ _ ’ 一 弱化8 0 ％； 图3 顶板不同强度工作面侧支承压力分布 3 减小冲击动载的爆破断顶的远场防冲技 术 3 ． I 爆破断顶措施实施 采用爆破断顶措施 ， 对坚硬顶板型冲击地 压进 行治理。爆破弱化顶板 ， 既可以降低顶板的强度 ， 又 可以切断悬顶 ， 降低工作面压力显现 ， 进而削弱坚硬 顶板对冲击地压的影响。 3 ． 1 ． 1 炮孔 直径 与 间距 的确 定 炮孔 直 径 根 据 钻 头 成 孔 能 力 进 行 确 定 ， 为 7 5 mm。根据相关现场试验可 以近似计算 ， 中一下 九层左六片破碎区范 围约为 2 0 0 mm， 裂 隙区范围为 2 3 0 0 m m， 进而可确定孔间距为 5 0 0 0 mm。 3 ． 1 ． 2孔 深确 定 为确保侧向空区顶板和本工作面采空区后方顶 板及时断裂 ， 集贤矿 中一下九层左六片采用侧 向空 区断顶和面后强制放顶相结合 。由微震监测结果表 明， 集贤矿中一下九层左六片高能量冲击事件震源 大都位于距煤层上方 2 5 m以上厚度为 7 ． 3 m粉砂 岩和 9 ． 4 3 m中砂岩中， 直接处理这两层顶板 ， 钻孔 深度超过 5 0 m。通过计算 ， 集贤矿中一下九层左六 片 当 C 顶板 3 ． 2 m中砂岩 垮 落后就 能充满采空 区， 因此 ， 爆破孔的深度应达到这两层岩层顶部。 3 ． 1 ． 3炮 眼布置 方 案 爆破方案采用侧 向空区断顶和面后强制放顶相 结合 见 图 4和图 5 ， 工作面 回风 巷距采 面 4 0～ 5 0 m， 每 隔 5 n l 布 置 2个 侧 向 断 顶 眼 ， 孔 径 为 7 5 m m， 孔深分别为 2 5 m和 2 8 m； 由于下一工作面 已经掘进完毕， 与本工作面间的区段煤柱宽度仍为 2 0 m， 为减小下一工作面侧向空区悬顶 ， 降低后期处 理难度并提高处理效果 ， 在本工作面推进过程 中， 于 运输巷前 5 0 m外每隔 5 i n布置 1 个侧向断顶孔 ， 孑 L 深为 1 7 n l 。此外 ， 根据工作面压力显现情况 ， 每隔 一 定距离 一般 2 0～ 4 0 m 对工作面进行一次爆破 切顶处理 ， 炮孔间距为 5 m， 炮孑 L 深度为 1 3 i n ， 形成 爆破切顶 ， 释放压力 。根据前面分析 ， 爆破断顶应满 6 9 ∞ ∞ 加 m 0 P d w ／ 蛞蟥 ∞ 加 弘 加 m ， 0 B d w ／ 攀 2 0 1 7年 8月 郝鹏程 深部坚硬顶板_- r - 4 面远近场联合防冲技术 第2 6卷第8期 足 3 ． 2 r n中砂岩及时垮落的要求 ， 爆破参数如表 1 。 图 4 巷道侧 向断顶 图 5 工作 面强制放顶 表 1 爆破子 L 参数 3 ． 2微震监测检验解危效果 通过集贤矿中一下九层左六片开采过程 中的部 分微震监测数据进行分析 ， 共统计了 5 2次爆破断顶 前后微震频次和能量的变化情 况。如图 6所示 ， 断 顶爆破后震动的频次增加 ， 说明在爆破下岩体破裂 持续进行 ， 在爆破诱导下产生了新的破裂 ； 断顶后能 量降低 ， 说明爆破使岩体积聚的能量大量释放 ， 降低 了冲击地压的危 险。由监测结果可知 ， 爆破 断顶效 果明显 ， 对坚硬顶板起到了一定的卸压作用 。 3 0 0 2 5 0 霹 0 赵 图6 断顶效果的微震检验结果 4 降低冲击静载的“ 减压法” 近场防冲技术 4 ． 1 煤层卸压爆破 图 7为煤岩卸压前后的应力分布情况。合理的 深度应与待卸压煤 体应力集 中范 围、 峰值位置相适 7 0 应 ， 理想的卸压效果应为峰 值区明显远离巷道。因 此卸压范围应包含应力峰值区域。集贤矿中一下九 层左六片回风巷侧向支承压力峰值位于巷帮5～ 8 m， 因此 ， 煤层卸压爆破范围应包含 5 8 m区域 。 图7 煤岩体卸压前后的应力分布情况 图 8为卸压爆破前后巷道外帮和内帮电磁辐射 监测结果。从图中可见 ， 煤层卸压爆破后 ， 电磁辐射 强度减低 ， 煤层应力得到释放。因此 ， 爆破卸压可有 效的对冲击地压进行防治。 3 0 0 罨2 5 0 警 2 0 0 蔷 ；1 5 0 鐾 1 0 0 锄5 0 0 图 8 煤层爆破卸压 电磁辐射 检验 结果 4 ． 2 煤 层 注水 煤层注水就是通过增加煤层含水率或煤层 中水 的饱和度 ， 来改变煤岩变形状态 ， 使其不发生失稳破 坏 ， 从而避免冲击地压的发生 ， 集贤矿 中一下九层左 六片面临不同程度 的瓦斯威胁。 4 ． 2 ． 1注 水孔 布 置 煤层注水采用短孔和长孔相结合的方式 见图 9 ， 短孑 L 注水压力 为 5～1 0 MP a ， 采用封孔器封孔 ， 封孔深度不小于 2 I T I ， 孔间距 2～ 3 m， 注水时间以煤 壁或巷帮 出水为止。长孔注水孔采用高压注水泵进 行动压注水 ， 注水 压力不低于 1 0 MP a ， 注水时间不 低于 3 0 h ， 封孔器封孔深度不低于 5 m。 图9 注水孔布置 当巷道采用卸压爆破和煤层注水相结合 时， 可 将兼做卸压孔 的注水孔布置在两卸压炮孔之间。在 2 0 1 7年8月 郝鹏程 深部坚硬顶板工作面远近场联合防冲技术 第2 6卷第8期 注水前先进行卸压爆破， 使深部煤体局部产生裂隙， 这样可显著提高注水效果 。 4 ． 2 ． 2注水效 果检验 图 1 1为注水前后巷道外帮和内帮 电磁辐射监 测结果 。从图中可见 ， 煤层注水后 ， 电磁辐射强度减 低 ， 煤层应力得到释放 ， 这对冲击地压防治有利。 2 5 0 盍2 0 0 骥1 5 0 蓬1 0 0 器5 0 0 图 1 1 煤层注水的电磁辐射检验结果 5 结语 1 顶板强度 的变化对巷道 周边煤壁应力 的 影响还是很大的， 深部开采使得坚硬顶板条件下开 采冲击地压更为严重。为此， 提出采用预裂爆破切 顶、 煤层卸压爆破与注水卸压相结合的远近场联合 防治技术。 2 针对坚硬顶板不 易垮落问题 ， 合理设计爆 破方案对顶板实施 了爆破卸压 ， 采用微震监测对卸 压效果进行检验 ， 预裂爆破切顶明显 改善 了顶板条 3 针对煤层高应力集中这一问题， 采用卸压 爆破和煤层注水措施联合对煤层进行卸 压 ， 采用电 磁辐射对卸压效果进行检验 ， 卸压效果明显。 参考文献 [ 1 ] 贾德义 ， 李新元．唐山矿深部开采冲击地压发生 的综 合治理[ J ] ．中国煤炭 ， 2 0 0 0 7 1 8 2 0 ． 李希勇， 张修峰．典型深部重大冲击地压事故原 因分 析及防治对策[ J ] ．煤炭科学技术， 2 0 0 3 2 1 51 7 ． 王业常， 欧钦， 陶领， 吴成贤， 万恒州， 郭海．深部矿井 冲击地压影 响因素分析 [ J ] ．煤炭科学技 术， 2 0 1 3 1 0 2 6 2 9 ． 李怀珍， 武俐 ， 习春雨．深部开采冲击地压发生机理 及防治技术[ J ] ．煤矿安全， 2 0 1 1 2 5 5 5 7 ． 杜学领， 姚旺， 李杨．2 0 1 1 2 0 1 3年4起典型冲击 地压事故分析[ J ] ．煤矿安全， 2 0 1 5 1 1 8 31 8 5， 1 8 9． 李怀珍 ， 武俐， 习春雨．深部开采冲击地压发生机理 及防治技术 [ J ] ．煤矿安全， 2 0 1 1 2 5 5 5 7 ． 韩恩利 ， 孟凡平， 李国宏．浅谈冲击地压的发生规律与 防治[ J ] ．煤矿安全 ， 2 0 0 7 1 1 7 5 7 6 ． 朱建明， 高立新， 杨月江．深部厚坚硬顶板诱发冲击地 压原因的探讨[ J ] ．煤 ， 1 9 9 5 5 1 61 9 ． 邢立杰．深部开采坚 硬顶板 冲击地压特征及控制 [ D] ． 西安 西安科技大学 ， 2 0 1 4 ． 件 ， 获得 了有效的应力释放和卸压效果。 [ 责任编辑 王伟瑾] 上接第 6 6页 为防止采空区有毒有害气体进入 8 3 0 1 工作面， 对该工作 面进 行升压开采 ， 即在运输 巷增设两道增阻风门， 安设 2台 4 5 k W 局部通风机 1 台备用 ， 对工作面进行升压， 以改变工作面气体 压力分布， 防止上覆采空区有毒有害气体散逸至工 作面。 4 ． 3 矿压 观 测 沿工作面方向， 安装 Y H Y一6 0 ／ 2型光控数字显 示压力表和 Y B Y一 6 0 ／ 2型矿用数字连续 记录仪 ， 自 动记录矿压数据。工作面内所有支架每架安装一块 Y H Y一 6 0型矿用数字压力计。沿工作 面方 向按三 区五线布置型 Y H Y一 6 0 ／ 2型矿用数字连续记录仪 ， 自动记录矿压数据。即在 l 2号 、 2 8号、 4 4号 、 6 0号、 7 6号支架位置， 共计五条测线， 每条测线安装一块 双通道压力表 分别记 录前柱和后柱 ， 工作面最后 一 台支架的进液管安装一块压力表 ， 用来监测液压 系统的未端压力 。 5 回采情况 1 4 号层 8 3 0 1工作 面于 2 0 1 5年 1 1月份开始 回采， 至 2 0 1 6年 2月底 回采顺利结束， 共 推进 3 0 0 IT I ， 回采煤量 7 ． 1 5万 t 。回采过程中初次来压和 周期来压均不明显 ， 未出现有害气体超限、 工作面漏 顶等严重影响 回采安全的情况。 6 结语 1 近距离煤层盘 区收尾过程中 ， 若存在边角 煤 ， 应采用联合布置或尽可能利用 盘区原有系统布 置工作面 ， 可大幅减少施工量 。在层间距较小时 ， 则 应采用 内错式或外错式 ， 将巷道布置在应力降低 区， 并掌握好掘进层位 ， 防止与上覆采空区贯通 ， 另外在 交叉点或过上覆煤柱等应力集中区域时应加强支 护。 2 近距离煤层边角煤 回采时 ， 若上覆存 在采 空区， 应提前做好上覆采空区积水 的探放水工作 ， 并 对工作面进行升压开采 ， 防止周边 老空区有 毒有 害 气体散逸至工作面。 [ 责任编辑 王伟瑾] 71 ] ] ] ] i ]