深部矿井复杂地质条件下冲击矿压防治分析.pdf

2 0 1 6 年第4 l 卷增刊l V 0 1 ．4 lS u p ．1 能源技术与管理 E n e r g y ‰h n o l o 科粕dM a I l 孵m e n t 1 5 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 6 ．i 8 s n ．1 6 7 2 9 9 4 3 ．2 0 1 6 ．s 1 ．0 5 0 深部矿井复杂地质条件下冲击矿压防治分析 白宗荣，金双林，孟建兵，刘永先 徐州矿务集团有限公司三河尖煤矿，江苏徐州2 2 1 6 1 3 [ 摘要] 通过对三河尖煤矿9 2 2 0 6 工作面冲击矿压的综合分析和监测预警及控制。采用大 直径钻孔多轮卸压和顶板深孔预裂爆破实践，系统掌握9 2 2 0 6 工作面冲击矿压类 型及特征，建立了冲击矿压监测及防治技术体系，提高矿井识别和控制冲击危险的 能力，为该工作面回采提供了安全保障。 [ 关键词] 深部开采；复杂条件；冲击矿压；防治技术；安全保障 [ 中图分类号] T D 3 2 4 ．2 [ 文献标识码] B [ 文章编号] 1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 1 6 增刊1 旬1 5 1 一0 3 1 概况 三河尖煤矿是徐州矿务集团有限公司的一个 主力生产矿井，主采煤层为7 、9 煤。根据煤岩层的 物理力学参数及冲击倾向性鉴定，7 、9 层煤具有 弱冲击倾向性，7 、9 煤顶板具有强冲击倾向性。自 1 9 9 1 年9 月首次在7 1 1 0 工作面材料道发生冲击 矿压以来，三河尖煤矿累计发生破坏性冲击矿压 3 2 次。冲击矿压已成为三河尖煤矿的主要灾害之 一o 9 2 2 0 6 工作面位于三河尖煤矿一9 8 0 辅助水 平南二采区，开采山西组9 煤层；上覆7 煤层已回 采，7 、9 煤层间距2 5m 左右；9 煤层煤厚2 ．6m ，倾 角1 7 0 左右，工作面9 煤层标高一8 3 0 一8 8 0m ， 采深8 6 0 ～9 1 0m ；直接顶板为2 4 ．4m 的细砂岩，硬 度系数为8 ～1 0 ，同时也是7 煤底板。直接底为厚 度1 0 ．2 8m 细砂岩。9 2 2 0 6 工作面开采区域采掘工 程示意如图1 所示。 图19 2 2 0 6 工作面开采区域采掘工程 该工作面北邻9 2 2 0 4 工作面采空区。切眼靠 近落差1 0m 左右正断层，轨道巷紧邻落差为 8 5 一1 7 0m 的F 2 逆断层，工作面上部是7 煤的 7 2 2 0 4 、7 2 2 0 6 工作面采空区、停采线和边角煤柱。 9 2 2 0 6 工作面采掘过程中，受断层以及坚硬顶板 和煤柱影响，应力相对集中，存在冲击危险。 2 工作面冲击危险性分析 9 2 2 0 6 工作面煤层冲击倾向性鉴定结果如表 1 所示。 表1 南翼采区9 煤冲击倾向鉴定结果 经分析，9 2 2 0 6 工作面掘进期间，影响冲击矿 压危险状态的地质因素主要是煤层的冲击能指 数、上覆厚层坚硬顶板、断层等。开采因素的影响 包括巷道交叉、临近采空区、采空区9 煤2 0m 宽 区段隔离煤柱、上覆斜交煤柱等。经采用综合指数 分析法计算，其冲击矿压危险指数为0 ．8 l ，为强冲 击危险，如表2 所示。 表29 2 2 0 6 掘进期间综合指数法冲击危险程度 划分结果 根据整体定性结果分析，9 2 2 0 6 采煤工作面 回采期间，冲击地压危险指数为0 ．7 4 ，属于中等冲 击地压危险状态。经分段定级划分，部分区域因地 质构造、工作面见方、工作面初次来压、上方7 煤 1 5 2白宗荣，等深部矿井复杂地质条件下冲击矿压防治分析2 0 1 6 年1 0 月增刊1 煤柱、7 2 2 0 6 停产线煤柱、巷道交叉等应力集中影 响，综合冲击危险等级为中等危险。其中上方7 煤 煤柱、采空区9 煤2 0m 宽区段隔离煤柱和巷道交 叉叠加是该工作面最易发生冲击地段。回采期间 冲击危险等级判定结果如表3 所示。冲击危险等 级及防治对策如表4 所示。 表39 2 2 0 6 回采期间综合指数法冲击危险程度 划分结果 篓塞 危险状态 危险指数 防治对策 J 4 无冲击危险 0 ．7 5 采取措施后，通过监测检验，冲击 危险消除后，方可进行下一步作 业 3 冲击矿压防治技术 3 ．1冲击矿压监测技术 基于以上9 2 2 0 6 工作面冲击危险分析，三河 尖煤矿在掘进和回采期间运用微震系统对整个采 区进行连续监测，运用电磁辐射仪对工作面两道 进行局部跟进监测，运用煤粉钻屑法对前2 种监 测的异常区域进行定点检测，并进行冲击危险预 测预报。 3 ．1 ．1 微震系统监测 微震监测法是通过记录采掘过程中诱发的煤 岩体破裂破断及震动所释放的能量，分析确定震 动传播的方向，对震源位置进行准确定位和能量 计算，并在此基础上，对冲击危险进行分区分级预 测。 三河尖煤矿安装了K Z 一1 微震监测系统，对 矿井开采期间矿震活动进行监测。微震监测预警 值为掘进工作面及附近区域为1 0 4J ，回采工作 面及附近区域为1 0 5J 。 3 ．1 ．2 电磁辐射监测 煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中 向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形 破裂过程密切相关。三河尖煤矿运用K B D 5 型电 磁辐射仪，对9 2 2 0 6 工作面进行煤岩体应力集中 时产生的电磁辐射现象进行监测。监测采用定点 监测和流动普查相结合的方法。定点监测的覆盖 范围为两巷自工作面起往外2 0 0m ，每隔2 0m 布 置一测点。通过监测煤岩体的电磁辐射状况对冲 击矿压危险性进行实时监测，从而预测预报冲击 矿压的发生。 3 ．1 ．3 钻屑法检测 钻屑法又称煤粉钻孔法，是在煤层中实施直 径4 2 。5 0m m 钻孔，根据不同钻孔深度的煤粉量 及钻孑L 过程中动力现象来评价煤岩体中的应力状 态，进而监测检验煤体的冲击危险陛。 3 ．2 冲击矿压治理技术 为确保安全生产，9 2 2 0 6 工作面冲击地压治 理主要针对煤层和9 煤与7 煤之间的坚硬顶板进 行，采用大直径钻孔卸压和顶板预裂深孑L 爆破相 结合方式进行卸压，同时对工作面进行煤层高压 注水辅助卸压。 3 ．2 ．1 大直径钻孔卸压 预测有冲击危险的掘进头及其后方巷道两帮 煤层采取大直径钻孔卸压。钻孔施工机具采用 Z Q J C 一3 6 0 ，7 ．1 气动架柱式钻机配长10 0 0m m 、 移7 6 m m 麻花钻杆和移1 1 0 m m 钻头。 钻孔布置参数及要求①迎头布置大直径卸 压孔2 个，垂直迎头布置，间距2 2 ．5m ，孑L 深1 5m ， 孑L 径1 1 0m m ，迎头超前卸压带不得小于5m 。第 二轮卸压孔最好能够与前一轮卸压孔位置重合， 实施在前一轮卸压孑L 内。迎头卸压孔施工完成后 掘进1 0m ，然后施工下一轮卸压孔。②帮部卸压 孔间距为2 ．4m ，孔深1 5m ，与迎头距离不得大于 1 0m ，卸压孔直径1 1 0m m 。 3 ．2 ．2 顶板深孔爆破预裂 工作面两道顶板深孔爆破预裂方案如图2 所 示，钻孔布置参数如表5 所示。 一 硝 圳l 嗵～～J 丁作面实体煤 平面投影 2 0 1 6 年第4 1 卷增刊l V 0 1 ．4 lS u p ．1 能源技术与管理 E n e r g y ‰h n o l o g r 粕dM 粕a g e m e n t 15 3 b 倾向投影 图2 运输巷顶板爆破孔布置 表5 运输巷顶板爆破孔参数 3 ．3 冲击矿压防治效果分析 9 2 2 0 6 工作面在巷道掘进和回采期间，工作 面附近共监测到有效震动6 1 9 次，超过1 ．0E 0 4J 的危险矿震3 2 次。其中掘进工作面发生1 6 次，回 采工作面发生1 6 次。这3 2 次大能量矿震基本 都分布在上山煤柱区以及大断层区域，均受到采 空区和煤柱聚集压力以及坚硬顶板垂直应力影 响，与冲击危险分析结果一致，且未出现能量达到 1 ．0E 5J 强矿震。表明预卸压效果良好，说明巷道 周边能量通过预卸压得到有效释放，避免了巷道 周边煤岩能量以矿震的形式释放，同时使得矿震 距巷道围岩距离加大，减小了巷道围岩冲击危险 性。 9 2 2 0 6 工作面自2 0 1 5 1 2 2 0 开始回采，在该 工作面运输巷推进至进尺点9 0 ～1 1 0m 和1 7 0 一 2 5 0m 时，在坚硬顶板和大煤柱区域双重因素影 响下冲击危险性较高。根据对9 2 2 0 6 工作面电磁 辐射监测预警冲击危险结果分析，得出如下结论 1 监界值及危险区段三河尖矿电磁辐射 幅度最大值的临界值为6 0m V ；脉冲数临界值为 10 0 0H z ；在运输道1 3 0 ～2 0 0m 之间，连续出现5 个监测点幅值或脉冲超临界值。排除干扰因素 后的主要原因为该区域在7 煤斜交煤柱和9 煤 1 5m 大煤柱区域之间，处在应力峰值区域内，冲 击危险性较高。判定异常区段为在运输道 1 3 0 。2 0 0m 之间存在冲击危险。 2 冲击危险性强。 3 拟采取的措施雷对该区段加强检测，并 采取煤粉钻屑检测进行校验，出现指标超标，采取 大直径卸压措施。 现场煤粉检测表明，在钻进7 ～1 0m 时出现吸 钻、卡钻现象，同时现场动压现象明显。多次出现 1 0 4 J 以上能量信号；在钻进5 ～7m 时，严重吸钻、 卡钻，且动压现象明显。在9 2 2 0 6 运输巷2 1 2 、 2 2 1 、2 3 8m 距当时回采位置超前4 7 5 7m 处煤 粉检测时，7 m 均吸钻暴死，无法检测到1 0 m ，随 后采取大直径卸压和顶板预裂深孔爆破卸压相结 合的措施进行卸压。经过7 2h 卸压后，煤粉指标 恢复正常。 通过对该工作面创新运用顶板深孔预裂爆破 钻孔布置方式，减少钻孔钻进量以及针对顶板预 裂与采掘的相互影响；采用大直径钻孔预卸压、二 次卸压，同时对工作面进行煤层高压注水相结合 方式进行冲击地压治理解危，降低了该工作面初 次来压、一次见方，及过7 煤煤柱和9 煤煤柱区 域、过断层附近的冲击危险性，保证了该工作面的 安全生产。 4 结论 1 三河尖煤矿深部区域地质条件及开采布 局复杂，对冲击矿压影响较大。南二采区9 2 2 0 6 工 作面在掘进和回采期间受断层、斜交煤柱、采空区 残余应力以及顶板岩性等影响，冲击地压危险性 高。 2 大直径钻孔卸压实践证明充分利用大 直径钻孔进行多次卸压，利用钻孔周围形成的破 碎区释放煤体中积聚的弹性能，使煤层破裂卸压， 从而消除应力升高区，减弱了冲击危险。 3 顶板深孔预裂爆破实践证明对工作面顶 板进行深孔预裂爆破，使煤层上方顶板进行预裂 破断，降低其高应力产生和连续传递上覆岩层应 力及能量的条件，进而实现对煤体冲击危险的解 危控制。 4 三河尖矿在遗留煤柱和坚硬顶板下区域 冲击矿压的预测预报，坚持“区域先行，局部跟进” 防冲原则，采用冲击危险性预测，监测预警，效果 检验综合性动态连续监控体系是非常有效的。对 所有监测及检测数据进行综合分析，能够准确预 报冲击矿压的前兆，应用于三河尖矿冲击倾向煤 层的动态基础防治效果明显。 [ 作者简介] 白宗荣 1 9 8 5 一 ，男，工程师，本科学历，M B A 硕士在 读，长期从事冲击地压防治工作。 [ 收稿日期2 0 1 6 0 8 0 9 ]