赵各庄矿深部工作面动力显现防治技术研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 1年第 3期 赵各庄矿深部工作面动力显现 防治技术研 究 冯锐敏 ，唐文超 ，赵文平 ，丁 自伟 ，刘永飞 1 ．中国矿业大学 北京资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．榆林神华能源有限责任公司，陕西 榆林7 1 9 0 0 0 摘要针对赵各庄矿 3 2 3 7工作面分层开采条件下动力显现频发 的现象，通过对该工作 面 前方煤体 支承压力集中程度和变化规律进行数值模拟研 究，并经过现场实测，提 出了通过开采保 护层 、采用放顶煤开采两项技术的耦合作用，同时采取 了相应的防治技术措施，有效地控制 了该 工作 面的动压现象，保证 了该工作面的安全生产。 关键词动力显现 ；深部开采 ；保护层 ；综放工作 面；防治 中图分类号T D 3 2 4 ． 2 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 3 - 0 0 5 2 - 0 3 随着赵各庄矿采 区 的扩 大和采 深 的增加 ，开采 条件 发 生了显著变化 ，高地应力 、高瓦斯、低强度煤体情况 日益 明显⋯ ，赵各庄矿 3 2 3 7工作面采深已经超过千米 ，在掘 进过程中，曾发生多次 “ 煤炮” “ 板炮”等动压现象，煤 岩体产生明显 震动 ，且伴 有 巨大声响 。因此 ，在原 有安 全 保障技术适应性低的情况下 ，需对其发生动力显现的危险 性进行研究 ，以便 采取 针对性措施 。 1 3 2 3 7工作面分层开采动力显现状况及诱因分析 1 ． 1 3 2 3 7工作 面地 质情 况 3 2 3 7工作面位于赵各庄矿井西翼宽缓 向斜核部，地质 条件复杂；煤层埋藏深度超过 1 0 0 0 m 平均采深 1 0 7 8 m ， 开采标高 一1 0 0 2 ． 1 ～一1 0 5 5 ． 9 m，属于深部开采煤层；煤层 倾角较大 2 6 。 ～ 4 3 。 ，倾角平均为 3 5 。 ，属于大倾角 开采煤 层；煤层厚度变化较大 9 ． 1 2～1 4 ． 2 7 m ，煤层平均厚度为 1 0 ． 6 9 m，属特厚煤层开采 。煤层普氏硬度系数f 0 ． 7 1 ． 0 ，局部区域达到 2 ，属于中软煤层；相对瓦斯涌出量为 1 1 ． 6 4 m ／ t ，属高瓦斯矿井。工作面顶板为 Ⅱ级 Ⅱ类顶板， 属来压明显、中等稳定顶板。煤层综合柱状图如图 1 所示。 1 ． 2 深部 分层 开采 下动 力显现状 况 3 2 3 7工作面拟采用分层开采 ，该工作面煤层厚度 1 0 m， 顶部和底部煤 层强度 软 ，中部较 硬。顶分层 开采 ，工 作 面 从开切眼开始推进至 8 1 2 m左右时，在支承压力和构造应 力作用下，煤层的中部受到水平力和底煤向上的推力作用， 同时受到上部支承压力的向下 的压力作用 ，该煤层大量积 聚弹性能，如图 2所示。从开采初期在工作面就出现底鼓 现象，并伴生煤炮的发生；工作面推进 81 2 m后，在超前 5 2 颜色及 柱状 层厚 岩件特征描述 岩石名称 图 ／ m 灰 色 I ． 0 ． 8 8 泥质胶结，白色条痕， 参差断V I ，含植物 粉砂岩 ／ 化石 灰F 1 色 巾砂岩 8 ． 0 0 高岭土胶结，易风化 ，含长石钙质胶结 煤 线 0 ． 1 5 小煤 线 灰 色 细 ／ ‘{ 1 ．4 6 泥 质 胶 结 ， 含 长 石 砂 岩 ， 1． 1．99 灰 白 色 条 痕 ， 壳 断 n ， 含 棱 铁 黄 铁 矿 结 深 灰 色／ 粘 土 岩／ 核 ， 海 百 合 化 石 及 鲜 石 脉 黑 色 腐 泥 ／ t 5 ．2 6 致 密 均 一 ， 油 亮 光 泽 ， 贝 壳 断 口 ， 褐 色 条 质 粘 -L 岩 ， 痕 ， 含 棱 铁 结 核 煤 j 0 3 2 第1 2 煤层 荻 色 ＼ ／ 2 ．O 6 泥 质 胶 结 ， 含 植 物 化 石 细 砂 岩 、 鹜 ／ 2 6 0 铁矿 芡色、 泥质胶结 ， 壳断 f I ，灰白条痕 ，含黄 粉砂岩 图 1 1 2煤 层综 合柱 状图 巷道 出现底鼓 ，并在离开 切眼 4 5 m范 围内 ，发生 密度较大 的煤炮，伴随底鼓的震动，动力显现频发 ，说明底煤聚集 较大的能量 。 图 2 赵各庄矿工作面动压现象发生力学模型 收稿 日期 2 0 1 01 1 2 8 作者简介冯锐敏 1 9 8 4一 ，男，山西长治人，中国矿业大学 北京 在读博士，现从事煤矿采煤工艺、充填开采方面 的研究 。 2 0 1 1年第 3期 煤炭工程 1 ． 3 3 2 3 7工作 面动压现象诱因分析 动压现象的诱发因素是多方面的，总得来说主要分为 自然地质 因素 和开采技术因素两方面 。 1 ． 3 ． 1自然地质 因素 1 煤体的冲击倾 向性。l 2煤层分层性质明显 ，各分 层 的力学性质 存在 差异 ，煤层 呈上 软 中硬下 软结构 ，中部 普氏硬度达到 2 ． 0以上，其破坏形式 为脆性能量释放型， 具有冲击倾向性；且煤体含水率较低，吸水性极差。 2 大采深导致地 应力 增加。 当开采深度超 过临界 深度 后，就可能发生动压现象 ，开采深度越大，动压现象发生 的强度和频度就越大 。3 2 3 7工作 面的开采深度 达到 1 0 3 7 m， 岩层积聚的变形能 较大 ，导致 煤岩层 垂 直应力 和水 平应 力 都 相应 增加 。通过实验室试验测 定 ，赵各庄 矿 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 力值就 已达 2 7 2 8 M P a 。 3 地质 构造 应力作用 。该工作 面位 于井 田西翼 宽 阔向 斜轴部地带 ，地 质构 造 的存 在 导致 水平 地应 力增加 ，甚 至 在局部区域超过水平应力，使煤体局部呈现拉应力作用而 发生动压 。 4 煤系地层 的岩性 。该工作面煤层 的顶 底各岩层 以厚 度大 ，强 度较 高 的细 、中 砂 岩 为 主 ，各 层 厚 度 在 0 ． 6 9～ 1 1 ． 8 6 m之间不等。顶板自身的能量释放和断裂引起煤层 的 动压现象 ，开采后 顶板 积 聚较大 的 弹性 能 量 ，具有 发生 动 压 现象的条件 。 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 ，在和 回采工 作 面采 动 应力共同作用下 ，为煤岩层的应力释放提供了诱发条件。 1 ． 3 ． 2 开采技术因素 1 3 2 3 7工作面上部煤层开采边界不整齐，造成顶板不 规则冒落，可能在部分区域形成局部高应力，在 3 2 3 7工作 面 中形成较高 的支承压力 。 2 由于煤柱 内部分布 有断层 ，当工作 面推进到断 层 区 域 ，特别是 支承压力 高峰 区域 与断层 断裂 线 区域 的叠加 区 域 ，在放炮等因素的诱发下 ，有可能发生破坏性动压现象。 3 工作面进入高应力区域的范围达到一定程度 ，且没 有采取降低应力和释放能量的条件下，煤层变形能量释放 范 围、释放程度较充分 ，冲击能量达到破坏 的程 度。 针对上述冲击地压的诱发因素分析，赵各庄矿动压现 象的防治应主要从 开采 技术 方 面采取 措施 ，由于 综放 开采 较分层开采 ，可 以从整 体上 改变 了煤 层 的受力状 态 ，可 以 释放煤体内积聚的能量 ，有效地阻止煤壁区域的动压现象 的发生，下面对 3 2 3 7工作面分层开采以及放顶煤开采条件 下工作面前方支承压力变化规律进行研究，以此为采取的 技术措施提供依据。 2 3 2 3 7工作面推进过程中支承压力变化规律研究 2 ． 1 采场 支承压 力结构模 型 3 2 3 7工作面推进诱发动压现象的破坏范围及其与采场 支承压力分布的关系，如图 3所示。 、 ／、 ／ 部 前平巷 So l _ ， ‘、 、 ’、 L ，＼ ～ - ～ 工作面开切眼 ， 前 平 巷 s 0 一煤层 已经压缩破 坏能起 缓冲作用的低应力 区间； s l 一高能的弹性压缩应力区 动压现象 的源发段 图 3 3 2 3 7采场支承压力 分布 图 工作面及处 于 S n区间 的超前 巷道 图 3中 1 、2 承 受 的压力大小由直接顶和老顶运动的作用力决定；动压现象 发生时，工作面的煤壁及顶底板，只会出现平缓的移动破 坏 ，对 人员设备安 全威 胁相 对不 大。当老 顶来压 完成 进人 稳定状态后， 区间煤体支承压力只要平衡直接顶的作用 力 即可。 S 区间煤体上的支承压力 由上覆岩层的总体作用力所 决定 ，其大小及分布范围取决于由开采深度和采空区悬露 岩层面积决定的支承压力值，受直接顶和老顶的影响较小； 动压现象发生时，．s 内的巷道顶底板及两帮强烈的冲击性 破坏 ，容易 造 成 伤 亡事 故 。因此 ，应采 取 措施 扩大 区 间，使人员设备处在相对安全区域；同时扩大 s 区间，使 应力分布在一个较大的范围之内，降少煤体局部高应力集 中。从而最终减少动压现象发生的频率。 2 ． 2 支承压力分布的数值计算研 究 模型只考虑自重应力作用 J ，用有限单元法分别模拟 计算赵各庄矿 3 2 3 7工作面分层开采和整层综放开采条件下 垂直应力分 布状 态 ，由模 拟结果 的 曲线分 布状态 可求 得支 承压力分 布特征 ，见表 1 。 表 1 支承压力分布特征 由表 1可知 综放 开采 较分 层开 采 ，从 整体 上改 变 了 煤层的受力状态 ，工作面支承压力峰值明显降低，内应力 场影 响范围增大 ，形 成 了足够 的缓 冲带 ，能卸 载高能 弹性 压缩应力区 |s 区问 的应力 ，有效地阻止动压现象的发 生。但是，该矿开采深度已达千米以下，煤体所承受上覆 岩体 自重已达约 2 8 MP a ，即使在综放开采下，由于受采动 应力的叠加作用，应力集中仍可达到原岩应力的 23倍 ， 达到 5 0 MP a以上 ，见表 1 。故 在开 采过 程 中 ，煤岩 体 中应 力在有足够的应力释放空间时，仍可导致大规模动力现象 5 3 煤炭工程 2 0 1 1年 第 3期 的发生。因此，结合赵各庄矿 3 2 3 7工作面开采的实际，首 先采用爆破卸压技术改变井 口向斜轴部区域的局部构造应 力分布，在局部控制了构造型动压的发生的基础上，提出 开采上保护层 1 1 煤层 ，同时对该工作 面进行 综放开采 的技 术方案。 3 放顶煤开采区域动压现象防治技术 3 ． 1 预采保 护层 方案 设计 根据赵各庄 矿 目前 的开采 环境 ，进 行 1 2层 煤开采 时 ， 综合考虑煤层群的开采。在煤层群开采条件下，可以首先 开采无冲击倾向性或冲击倾 向性较小的煤层 保护层 。先 采的保护层和被保护层必须开采的时间和空间同步，不得 在采空区内留煤柱，以使每一个先采煤层的卸载作用能依 次地使后采煤层得到最大限度的保护。 1 保护层 开采方 案及参数 。根据赵各庄矿煤 层分布情 况 ，从 动压 现象 防治角度 考虑 ，即先采 上部的 1 1层煤 ，解 放 1 2层煤。由开采 1 1 层煤解放 l 2层煤的赋存条件、类比 同等条件煤层及现场实践可知，开采解放层方案保护参数 为上保护角 8 5 。 ，下保护角 7 0 。 ，走向保护角 6 O 。 ，下保 护高度为2 2 3 3 m，平均 2 2 ． 5 m。 2 解放范围。十二水平 3 2 3 7工作面区域。由于 1 1 、 1 2层煤倾 角平 均为 3 O 。 ，因此在倾 向上需 开采 1 1层煤 的倾 斜长度大于3 2 3 7最大倾斜长度才能完全保护 3 2 3 7工作面。 在走 向上 3 2 3 7工作 面切 眼需布 置在 1 l层 煤解放 工作 面 的 切眼以里 1 4 ． 6 7 m范围内，如 图 4所示。 ／ 图 4 解 放层解放范 围示意 图 3 ． 2 耦合作用下 3 2 3 7工作面超前支承压力观测分析 超前支承 压力 观 测 站设 在 工 作 面 上下 巷 道 距 开 切 眼 1 5 0 m范围内，通过在煤壁内安装 K S EI I 一1型钻孔应力 计进行观测，钻孔应力计的读数只是支承压力变化的相对 值，不能完全反映出煤体中实际支承压力的大小，但可以 反映出其变化趋势和应力集 中程度，并不影响对工作面前 支承压力的分析。在回风巷距上山 1 8 5 m处钻孑 L 应力计深度 为 1 0 m，油泵初始加压至 1 0 MP a ，观测记录2 2 d ，由观测数 据结果绘制的工作面超前支承压力分布曲线如图5所示。 从图 5可以看 出，超前支承压力大约在工作面前方 3 6 m处从原岩应力开始增加 ，随着工作面的推进，增幅只 是缓慢增加。由于综放支架的反复支撑作用使煤体松软， 5 4 委 八 ／＼ ． ／’ ＼ 超前支承压 力值 4 0 3 0 2O 1 0 0 距 工作面距离／ m 图 5 工作面超前支承压力分布 支承压力的作用范围较大，所以峰值较小，在煤壁前方 1 3 m处达到峰值后又逐渐减小趋向于原岩应力。安装时钻 孔应力计的初始值为 I O MP a ，相对变化为 3 ． 9 MP a ，可以计 算出工作面前方支承压力集中系数为 1 ． 3 9 ，由此可知 ，较 分层开采和放顶煤开采，耦合作用下工作面前方应力集中 程度大幅降低 。 4结论 1 综放工作 面较分层开采 的上 覆岩层 的纵 向运动范 围 增加，支架的反复支撑作用松散了顶部煤岩体 ，有利于积 聚的弹性能的释放，降低了煤岩体强度和冲击倾 向性；当 上部冲击岩层发生冲击时，已发生破坏的覆岩的存在，将 对冲击波产生衰减弱化作用，从而降低了动压现象的强度。 2 赵各庄矿 3 2 3 7综放工 作面 由于沿 底板 推进 ，底 板 岩层 泥质胶结的灰色细砂岩 的弱冲击倾向性能有效避免 了底板动压现象；向斜轴部的局部解危措施、顶煤 的分层 特性、耦合作用下煤壁前方破裂范围的扩大都有利于能量 的均匀释放，大大降低了动压现象发生的可能性。 3 根据赵各庄 矿 3 2 3 7综 放工 作面 矿压观 测结 果 ，在 开采保护层、综放开采的耦合作用下，工作面前方煤体的 应力集中大幅减弱，说明在坚硬的老顶岩梁断裂发生动压 冲击和支承压力峰值转移过程中，煤体、直接顶、底板形 成较大的应力释放空间，动压现象发生的可能性及强度较 分层开采小得多，实际生产过程中取得了很好的效果。 参考 文献 [ 1 ] 赵本均．冲击地压极其防治 [ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 9 7． [ 2 ] 李建 民，章之燕 ，等．浅析开滦赵各庄矿动力显 现与防治措 施 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 0 8 ，1 3 2 ． 7 1～ 7 4 [ 3 ] 王卫军 ，侯朝炯 ，等．动压巷 道底鼓 [ M] ．北京 煤炭工 业 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 4] 雷松林 ，郑永来．有限差分程序 F L A C基本原理及其在工程 中的应用 [ J ] ．东北水利水 电，2 0 0 7，2 5 8 4-6 ． [ 5 ] 孟 宪锐 ，周 昌星 ，等．千米深部大倾角特厚煤层综放 回采巷 道矿压显 现规律研究 [ J ] ．煤 ，2 0 0 8 ，1 7 1 1 1 4 ． [ 6 ] 潘 立友 ，钟 亚平 ．深 井冲击地压 及其 防治 [ M ] ．北京 煤 炭工业出版社 ，1 9 9 7 ． 责任编辑张宝优