复合型灾害矿井

2024-06-28

复合型灾害矿井(共8篇)

复合型灾害矿井 篇1

冲击地压是煤矿开采中典型的动力灾害现象, 通常是在煤、岩力学系统达到极限强度时, 以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能, 导致煤岩层瞬时破坏并伴随有煤粉和岩石的冲击, 造成支架折损、片帮顶板垮落、巷道堵塞、人员伤亡, 同时冲击地压还可能引发其他矿井灾害 (尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾) , 干扰通风系统, 严重时造成地面震动和建筑物破坏等[1]。在我国, 冲击地压作为一种特殊的矿压显现形式, 已成为煤矿开采特别是深部开采矿井的主要灾害, 严重威胁煤矿的安全生产。因此, 研究冲击地压的监测与控制是煤矿安全、经济开采的前提, 也是采矿工作者必须面对和解决的问题。

1 矿井概况

千秋煤矿位于义马煤田中部, 始建于1956年, 核定生产能力210万t/a。目前, 矿井主要集中在二一采区下山西翼生产, 该区主要开采二号煤层, 开采深度670~900 m, 全煤厚度5.59~37.48 m, 其中纯煤平均厚度13.81 m, 煤种为长焰煤, 具有弱冲击倾向性, 极易自燃, 自然发火期最短7 d, 煤尘爆炸指数为44.57%, 有爆炸危险。

(1) 冲击地压现象。千秋煤矿是国内冲击地压灾害显现最为严重的矿井之一, 现采深已经达到800 m。随着采深和开采强度的不断加大, 矿井冲击地压显现愈加强烈, 多次发生强冲击地压, 2011年的“11·3”冲击地压事故, 微震能量达到3.5×108J, 矿震等级为4.1级, 致使百余米巷道顶底板基本合拢, 巷道底鼓量在2 m以上, 造成多名职工伤亡。

(2) 冲击地压发生特点。千秋煤矿冲击地压显现呈现以下特点:①随着采深和开采强度的不断加大, 矿井煤岩动力现象显现明显, 在采掘过程中“煤炮”不断, 冲击发生的频率和能量日益增加;②厚煤层托顶煤巷道运输巷压力大, 煤层巷道支护困难, 变形量大, 几次灾害性冲击地压均在此发生;③冲击地压发生前各种监测设备无明显异常, 冲击时释放能量巨大, 破坏性强, 多表现为巷道瞬间合拢, 支架折损, 剧烈底鼓。

2 冲击地压发生原因分析

冲击地压发生的原因是多方面的, 但总体来说可以分为3类:自然地质因素、开采技术条件和组织管理方面[2]。通过系统的研究分析认为, 导致千秋煤矿冲击地压发生的主要原因如下。

(1) 采深达到临界深度。随着采深的增加, 煤层自重应力随之增加, 其中聚积的弹性能也随之增加[3]。我国冲击地压发生的平均临界深度约600m, 千秋煤矿正在开采的二号煤层埋深670~900 m, 上覆岩层产生的垂直主应力为:σ1=γH=18.09~24.3 MPa。其中, γ为上覆岩层的视密度;H为巷道埋深。

(2) 煤层结构复杂。二号煤层为黑色块状及粉末状, 结构复杂, 煤层厚薄不一, 含夹矸数层, 完整性差, 煤、矸分界线处黏结性较差, 易发生滑动摩擦失稳, 诱发冲击地压的发生。

(3) 巨厚砾岩顶板不易垮落。千秋煤矿二号煤层的基本顶为强度高的巨厚砾岩层, 平均厚度达到407 m, 距煤层约210 m, 这种坚硬厚顶板不易垮落, 易形成悬顶并可积聚大量弹性变形能, 在坚硬顶板的破断过程或滑移过程中, 大量弹性变形能突然释放, 形成剧烈震动, 导致冲击压力发生。

(4) 地质构造的影响。千秋煤矿井田位于义马煤田向斜的轴部, 构造应力显著, 应力场类型为σH>σv>σh应力场, 构造应力大于垂直主应力, 构造应力有随埋深的增加而增大的趋势。目前生产的二一采区基本上是一单斜构造, 断层较多, 垂直和水平应力均为压应力, 最易发生冲击地压。

(5) 煤层为具有弱冲击倾向性煤层。通过实验测定, 千秋煤矿二号煤层不同分层4种煤样动态破坏时间、冲击能量指数和弹性能量指数测定结果见表1[4]。由表1可知, 千秋煤矿二号煤层为具有弱冲击倾向性的煤层, 这也是冲击地压发生的根本原因。

(6) 开采技术条件的影响。二号煤层纯煤平均厚度13.81 m, 采用综采放顶煤一次采全高的开采方法, 开采强度大, 加剧了采动影响范围, 致使工作面周围的冲击危险性进一步加大。

(7) 采掘接替的影响。由于多方面原因, 导致千秋煤矿二一采区采掘接替不合理, 造成21141、21161综放工作面形成孤岛煤柱, 随着该采区的充分采动, 高位岩层逐渐垮断, 该孤岛起到支撑作用, 因此应力较为集中, 对冲击地压的预防极为不利。

3 冲击地压防治实践

3.1 监测预警

3.1.1 微震监测

冲击地压的发生具有突发性、瞬时性, 预测困难, 到目前为止, 还没有特别有效和准确的方法能够预测预报冲击地压发生的时间、地点和强度[5]。千秋煤矿目前采用综合监测手段对冲击地压进行预测预报:采用ARAMIS M/E微震监测系统, 并结合国产KZ-301矿震监测系统, 对矿井井田范围内高位岩层的低频、高能量大微震事件进行监测预测;使用加拿大ESG微震监测系统, 对重点孤岛区域小范围的高频、低能量小微震事件进行监测预测。通过监测, 并对结果进行综合分析, 可以统计出微震事件的高发区域, 这样就有针对性地对这些区域进行重点防控, 防范冲击地压灾害的发生。

图1反映了2014年4—5月工作面微震监测事件能量和次数的变化规律, 2014年4月7日、14日、28日和5月15日, 共发生4次冲击事件, 释放能量分别为5×106, 2×107, 6.7×106, 2.8×107J。从图1中可以看到, 微震活动具有较明显的规律性。

(1) 微震事件周期性比较明显, 工作面每推进25~30 m是一个微震周期, 微震周期的最后一天是微震事件高发期, 当天最易发生高能量微震事件。

(2) 高能量的事件发生之前, 每日微震能量和事件数为稳定波动状态或缓慢增长状态, 预示着能量在不断积聚, 直至大能级事件的发生;在大能级事件发生之后会紧跟着微震事件的高峰, 随后每日微震事件次数开始下降。

(3) 大能级事件发生之前1~3 d一般为能量的积聚期, 此时间段内工作面每日释放能量变化不大, 当能量积累到一定程度后, 会有一个能量的集中释放;大能级事件发生之后, 工作面每日释放能量变小, 随后进入下一个能量的积聚期。

通过对微震事件, 特别是高能量微震事件能量大小、发生频率、震源位置等的分析来掌握微震活动规律, 对冲击地压的防治有积极的作用。

3.1.2 电磁辐射监测

电磁辐射是通过监测煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射的电磁能量来探测煤岩体的变形破裂过程。电磁辐射强度主要反映煤岩体的受载程度及变形破裂强度, 脉冲数主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次。在回采与掘进工作面采用了KBD-5便携式电磁辐射监测仪、KBD-7在线式电磁辐射监测仪, 通过长时间的观察分析, 确定千秋煤矿电磁辐射的冲击危险临界值为:强度65 m V、脉冲70 Hz。当电磁辐射值有明显上升趋势或电磁辐射曲线呈先上升后下降继而平缓一段然后急速上升状时, 可预测该地段有冲击危险性, 就需要及时安排卸压工程。

3.1.3 矿压及钻屑煤粉法监测

在采煤工作面使用KJ216矿压监测系统, 用于监测回采工作面周期来压、巷道围岩应力等矿压显现。采用KJ550冲击地压实时在线预警监测系统, 主要用于监测采动影响下的煤层及岩层内部应力场的变化, 用于冲击地压初期预测及趋势分析。当发现监测区域应力超过预警值时, 对应力异常区域进行钻屑煤粉法复检, 钻孔煤粉量超过2.1 kg/m, 即可确定该区域有发生冲击地压的危险性, 就要进行卸压作业。

3.1.4 生物预警

开展生物预警试验。在21141运输巷开设生物预警硐室, 从“水里游的、地上爬的、空中飞的”三方面进行冲击地压生物预警试验。将设计好的水箱、鼠笼及鸟笼分别安设到巷道底板上, 与底板充分接触。在硐室内安装上摄像头, 对放养生物24 h不间断监控, 时刻观测生物的反应, 根据鱼类、鼠类、鸟类等生物在冲击地压发生前接收大地超声波或次声波的异常反应, 结合井下小煤炮频次和能量的相关参数, 综合分析, 对冲击地压进行预测, 目前已经实现了4次成功预警。

3.2 冲击地压卸压技术

3.2.1 煤层深孔卸压爆破

煤层深孔卸压爆破的作用机理是通过爆破对煤层进行弱化, 降低煤体强度, 使得应力高峰区向煤层深部转移, 降低应力集中程度, 局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件, 预防冲击地压的发生[6,7]。千秋煤矿采用的卸压爆破分为巷道正前卸压爆破、巷帮卸压爆破、断顶爆破和断底爆破。

正前卸压爆破是在掘进工作面正前施工的超前卸压爆破, 施工深20 m的钻孔, 装药进行爆破卸压, 然后掘进10 m, 以此循环。巷帮卸压爆破是在掘进工作面向后15 m, 在巷道两帮施工卸压爆破, 以此降低煤层冲击倾向性。卸压爆破参数为孔径75mm, 孔深15~20 m, 间距5 m, 选用60 mm×650mm的强力药卷, 每孔4卷, 每卷1.8 kg, 装药量7.2kg (图2) 。

断顶爆破参数确定为孔径75 mm, 孔深40 m, 装药量28.8 kg, 间距5 m。断底爆破如图3所示。①施工位置:21141运输巷偏上紧贴皮带架架杆以里。②角度-45°, 垂直巷道走向。③孔径75 mm。④间距5 m。⑤孔深22 m。⑥装药量14.4 kg (6节大直径强力药卷) 。⑦装药方式:分段装药, 每4节炸药为一部分, 中间利用水泥封孔剂间隔1 m。

千秋煤矿底板为细砂岩、粉砂岩, 质地坚硬易于应力的积聚, 是形成底板冲击的关键层, 因此针对底板细砂岩、粉砂岩层进行断底卸压爆破, 释放应力, 降低聚积弹性能的能力, 阻断垂直应力传播的途径, 能够有效降低冲击地压发生的概率 (图3) 。如图4所示, 进行卸压爆破后煤体电磁辐射强度和脉冲强度均下降, 冲击危险性降低。

3.2.2 煤层高压注水

煤层高压注水能够改变煤体裂隙结构, 使煤体脆性减弱, 塑性增强, 促使煤壁塑性变性区 (卸压带) 加宽, 使应力增高区 (弹塑性变形区) 向煤体深部转移、加宽, 减弱应力集中程度, 缓和煤体压力潜能的积聚。千秋煤矿的煤层注水采用动压注水与静压注水相结合、长孔注水短孔注水相结合、超前注水与循环注水相结合的管网注水系统, 可有效预防冲击地压发生和减弱冲击地压发生时的强度。21141工作面注水孔设计深度为50 m, 间距20 m, 注水压力24 MPa, 采用专用封孔器与化学材料2种方式相结合的方式封孔, 封孔深度40 m, 钻孔布置如图5所示。

通过煤层高压注水, 煤体不断破裂, 含水率增高1.5%以上, 钻屑量由1.91 kg/m下降到1.81 kg/m, 应力得到释放 (表2) 。

kg/m

3.2.3 大直径钻孔卸压

在巷道两帮采用Ø125 mm的钻孔对两帮收敛速度快、变形量较大的地点进行钻孔卸压, 间距0.6m, 孔深20 m, 通过大孔径、强排粉、强卸压技术, 有效降低煤层深部应力集中的情况, 减缓了巷道变形量和变形速度。同时为防止煤层自燃, 对孔口用黄泥进行封堵, 防止次生事故出现, 效果比较明显[8]。

3.2.4 疏压硐室卸压

疏压硐室就是在工作面巷道两帮, 垂直于主巷道开掘小的硐室, 呈“品”字形布置[9,10], 利用高应力条件下煤层中积聚的弹性能来破坏硐室周围的煤体, 使周围煤体卸压, 释放能量, 达到降低巷道周围应力的目的。在疏压硐室口采用锚杆及锚索加强支护, 硐室内为弱支护区, 采用木锚杆护帮, 顶锚杆间、排距加大, 降低支护强度, 以利于应力释放。疏压硐室为梯形断面, 上底、下底、高分别为3.0, 4.0, 2.6m, 其布置方案如图6所示。

通过对巷道的表面位移观测可知, 疏压硐室开设后对应主巷的顶底板移近量由110 mm下降到60mm, 两帮移近量由330 mm下降到130 mm, 巷道变形量大大降低。由此说明, 疏压硐室卸压效果明显。

3.3 冲击地压危险区域强支护

冲击地压危险区域强支护就是通过提高支护构件的强度、刚度、预应力来增强巷道支护系统抵御冲击地压破坏的能力, 从而减轻冲击地压发生后的危害程度。千秋煤矿原采用Ø22 mm×2 500 mm普通螺纹钢锚杆, 1×7结构Ø17.8 mm×8 000 mm钢绞线锚索, 在现场应用中多次出现锚杆、锚索断裂的情况, 不能满足巷道支护的需要。为此, 引进了Ø22mm×2 400 mm超高强左旋无纵筋螺纹锚杆, 钢材屈服强度≥600 MPa, 并配合高强螺母、高强调心球垫、尼龙垫圈、托板及W钢护板使用。1×19结构Ø22 mm×6 300 mm高强度低松弛预应力钢绞线锚索极限破断拉力为550 k N, 延伸率为7%, 配合高强度锁具和可调心托板使用, 效果良好 (图7) 。

同时根据不同区域巷道的具体状况分级进行支护设计, 因地制宜采取不同的支护方式。在强冲击地压危险区域采用高强度锚网索+36U“马蹄形”O型棚+防冲支架进行支护, 在冲击地压危险性较小的区域采用锚网索+36U型钢可缩性支架+液压抬棚+对焊点柱进行支护, 在回采工作面压力较大的下端头采用自移式迈步支架+液压抬棚进行支护, 在压力异常的煤柱区采用36U型钢对焊点柱+液压抬棚进行支护, 在跨度较大的交叉点采用千斤柱、箱体梁+垛式支架进行支护 (图8、图9) 。通过强支护有效解决了冲击地压危险区域支护困难的问题, 保证了巷道的安全性和稳定性。

4 治理效果

千秋煤矿实施冲击地压综合防治技术以来, 冲击地压发生的次数显著减少, 冲击能量明显减弱, 实现了有震无灾的防治目的, 保障了职工的人身安全, 促进了矿井的安全发展。卸压爆破、煤层注水、预掘疏压硐室卸压等冲击地压防治措施的应用使得巷道煤体得到松动, 应力得到降低, 煤层裂隙发生、发展充分, 从而解吸出更多的吸附状态瓦斯, 使其转化为游离态, 为瓦斯的抽放提供了便利。同时由于煤层注水的实施, 水分进入煤的孔隙和裂隙, 在煤体表面形成一层氧化隔离膜, 有效阻碍了氧在浮煤中的扩散, 破坏了煤与空气的接触并降低煤体温度, 煤体氧化速度减缓, 煤体含水量增大, 煤体的导热系数和热容量增大, 从而延长了自然发火期, 避免自燃火灾的发生, 取得了巨大的经济与社会效益。主要表现在:①巷道冲击地压灾害性事故得到初步控制, 巷道返修工程量得到降低;②防治冲击地压的同时, 预防了煤与瓦斯突出事故的发生, 兼顾了煤层自燃治理;③职工的生命财产损害大幅度降低, 企业的社会、经济效益显著提高。

参考文献

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复合型灾害矿井 篇2

矿 井 灾 害 预 防 处 理 计 划

矿井灾害预防处理计划

一、矿井各类灾害发生的预兆:

1、顶板大面积冒落;

由地质构造因素,工作面初次来压,周期来压,工程质量及支护质量差等原因造成,其预兆:

(1)顶板连续发出断裂声,有时采空区顶板发出闷雷一样的声音。

(2)在破碎顶板处掉渣,岩粉末下落,岩尘飞扬。

(3)煤帮受压高,煤质变软,片帮增多。

(4)冒顶前顶板急剧下沉,单体支柱漏液严重,支架扭、斜、前倾后仰,排距、柱距、位移、支柱变形。

(5)顶板裂缝扩大或发生脱层现象。

(6)在底板松软或底板为煤时,支柱会大量插入底板。

(7)木支柱发生扭转、劈裂、折断现象等。

(8)金属网假顶下唰唰漏煤。

(9)顶板的淋头水有明显的增加。

2、水灾:

主要断层带水、奥灰水涌出等,其预兆:

(1)巷道煤壁发潮发暗,煤壁挂红挂汗空气变冷,工作面温度降低,有淡的雾气,使人感到阴凉。

(2)顶板来压,淋水加大或底鼓冒气渗水。

(3)煤层有水挤出,发出“嘶嘶”的响声,有时还可听到。

(4)煤层有水挤出,有酸性水出现,水质发涩,有臭鸡蛋味,CH4、H2S等有害气体增加。

(5)打钻时,发现有“顶钻”现象,钻底板软或钻孔有水流出等。

3、自然发火(在采空区)预兆

(1)火区附近温度、温度增高,变化很快,出现雾气,煤壁有水珠;井口或巷道口出现水汽,流出的水和空气温度增高等。

(2)嗅见有煤焦油味;

(3)人体感觉不舒服如:头疼、闷热、恶心、憋气。

(4)使用仪器检查,发现CO、CO2等气体增加。

4、气体灾害:{瓦斯喷出、煤(岩)与沼气(二氧化碳)突出}的预兆。

(1)瓦斯喷出的预兆,煤层顶底板岩石中有溶洞,裂隙发育的石灰岩层,其中有大量瓦斯时,或在地质构造带内或断支,断裂区和褶区轴部附近,会发生瓦斯喷出现象,预兆为:瓦斯浓度变大,或忽大忽小,煤质变软、湿润,地层活动激烈,发生闷鼓声响等。

(2)煤与瓦斯突出的预兆:A、煤层结构变化,层理紊乱,煤层由硬变软,倾角和厚度变化,煤由湿变干,光泽暗淡,煤层顶底板出现断层、断裂、波状起伏,煤岩层严重破坏。B、工斜面压力增大,煤壁外鼓 C、瓦斯增大忽大忽小 D、打钻时卡钻、顶钻、喷煤和瓦斯E、响煤炮、深部岩层的破裂声、掉碴、支架折断等。

5、着火事故:

主要指由于各种原因产生的明火,造成的火灾事故,其主要预兆:(1)有明火产生(2)有烟雾;CO、CO2大量增加,有上述情况之一就为着火。

二、各种重大事故的预防措施

对各类重大事故防治必须树立“安全第一,预防为主”的思想和牢固树立质量为本的观念,把安全工作当作头等大事摆在议事日程,采取各种形式大张旗鼓地进行安全生产的宣传和教育,使矿员工对2011年的矿井灾害的预防和处理,有明确的认识,尊重科学、尊重自然规律,正确处理安全与生产、安全与效益的关系,真抓实干,强化现场管理,严格安全监督检查,以下为各类事故的具体防治措施:

(一)预防顶板大面积冒落的措施

1、各采掘工作面必须严格按照作业规程,支设足够数量的支架和支柱,做到迎山有力,回采工作面必须按作业规程中的规定,及时进行回柱放顶,不得随意扩大空顶面积,采掘面面用科学的手段进行顶板支护的动态监测。控制顶板事故发生。

2、回采工作面内初次放顶,收尾都必须制定安全措施,报总工程师批准。安全员要在工作面巡回检查顶板情况,当情况危急时要立即组织人员撤出工作面。

3、当采掘工作面过断层,褶曲、空巷、过局部破碎带时,必须制定安全措施或改变支护形式,报总工程师批准,并组织工人学习并贯彻执行。

4、回收支柱(架)时,必须认真执行作业规程有关规定,先支后回,当压力较大时,要打好临时支护或护身柱,采用远距离操作回柱的方法进行回撤。

5、采掘工作面坡度达到5°。以上的工作面,支架、支柱必须联锁,(用拉杆连接)并制定特殊措施。

6、巷道的整修工作必须制定专门的措施,必须坚持由外向里的整修原则。

7、巷道的回撤工作必须制定专门措施,坚持由里向外架回撤的原则。

(二)预防水灾的措施:

我矿可能发生的水患主要有:(1)断层水(2)夏季洪水灌入井下(3)奥灰突水等

为此定出下列预防措施:

1、有关部门要做好矿井水文地质的基础工作,井下各出水点的观测,完善矿井水文地质图。同时要广泛收集资料的情况下进一步摸清矿井水文地质情况。

2、掘进工作面和其它地点如遇到《规程》266条中所述可疑情况地,必须坚持“有疑必探,先探后掘”的原则,进行探放水工作,查明情况确认安全后方可安排生产。如遇到透水预兆时,各作业点负责人必须停止作业采取措施,并报告调度室和有在矿领导,如情况危急,必须立即发出警报,撤出所有受威胁地点的人员。

3、各井口雨季前要准备一定数量的草袋以备防洪堵水之用。

(三)防火

1、严格执行《规程》224条有关要求,井下不准存放煤油、汽油、变压器油,使用或用过的润滑油,棉纱、布头、纸等必须放在盖严的铁桶内,并由专人定期送往地面处理,不准乱扔乱放,严禁将剩油、废油泼洒在井巷和硐室内。

2、对井下巷道中各储用油点,各种机械设臵点,被油污染的煤体,各单位必须由专人负责,按有关规定进行定期清除,每月至少进行两次,加油必须使用吸油器和漏斗,严禁用油桶直接倾倒各类油脂。

3、严格电气设备管理,杜绝明火操作,消灭失爆,井下各类电缆不得有明口、鸡爪子、羊尾巴,严禁带电检修和搬迁电气设备开关(电缆电线),各类电器开关整定值要和负荷相符,过荷保护齐全。

4、井下皮带运输机必须遵守《规程》373条有关规定,采用阻燃皮带,必须装有皮带打滑保护,烟雾保护,温度保护和堆煤机保护装臵,以及防尘自动洒水装臵,跑偏装臵,各皮带巷皮带运输机的机头前后两端各20米范围内,都必须用不燃性材料支护。

5、井下进行氧电焊作业必须按《规程》223条规定执行,如果必须在井下主要峒室,主要进风巷道和井口房内进行电焊、气焊和喷灯焊接等工作。每次都必须制定安全措施,经批准并指定专人在现场检查监督,作业后必须清理现场,不得留有火患,并监护一小时。

6、井下爆破材料库、机电峒室应配备2个CL4灭火器;检修硐室、材料库都应配备2个CO2灭火器;井底车场应配备2个以上CO2灭火器;皮带运输机巷道机头配2个CO2灭火器;机尾配2个CO2灭火器;采掘工作面应在指定地点放2个以上CO2灭火器。所有井下工作人员都必须熟悉灭火器的使用性能,并熟悉自己工作区域内这些器材的存放地点,并明确责任,真正能起到积极灭火的作用。

7、设臵地面消防材料库,配备充足的灭火器材(沙子、水桶、灭火器等)定期检查试验,保证应急时使用,消防材料非因处理事故时不得使用,因处理事故所消耗的材料必须及时补齐。

8、一矿每季组织一次由安检、通风、消防、生产、技术等部门联合进行的井上下消防检查,发现问题及时解决。

(四)防止煤层自燃的措施

1、回采工作面采用后退式回采时,不得将浮煤、坑木、油棉纱等易燃物留在采空区,回采工作面结束后,应有20日内拆除设备,之后十日内封闭。

2、保证通风设施质量,减少采空区漏风,经常检查地面裂缝,发现裂缝及时充填,杜绝给采空区供风。

3、每周检查一次已密闭采区,每半月检查一次废弃巷道以及采区回风巷和可能发热地点的温度及气体变化情况,并做好记录,将发现的问题和处理结果及时汇报通风科领导,重要问题要及时汇报总工程师,即早采取措施防目自燃。

(五)气体事故的预防措施

1、加强通风管理,保持通风系统合理通畅,确保采掘工作面合理通风,按配风计划进行供风,有害气体最高允许浓度必须符合《规程》100条规定,严格加强CH4管理,严格“一炮三检”制度和“三人联锁放炮制”。

2、临时停工地点不得停风,否则必须按《规程》140条要求进行处理,加强巷道通风管理,贯通必须有专门措施,各责任单位发严格按贯通措施执行,并履行各自的职责。

3、加强盲巷管理,井下盲巷要及时封闭,并按要求进行挂牌管理,严禁人员入内,定期专人检查密闭附近的有害气体。

4、加强气体检查,瓦斯检查员必须遵守井下交接班制,实行巡回检查或专人定点检查,做到牌板、填报、记录一个对照无误,并严格执行汇报制度,发现问题及时处理,并必须向矿调度室汇报,对重大的通风瓦斯等问题,通风科应立即向矿调度室汇报,并制定措施,报总工程师批准进行处理。

5、局扇必须安设风电闭锁装臵,并专人挂牌管理。使用的局扇必须符合《规程》127—129条的要求。

6、采掘工作面要采用独立通风,布臵独立通风有困难时,可采用串联通风(一次串联)进入串联工作面的风流中心面装有CH4自动检测报警断电装臵,并必须符合《规程》114条规定。

7、通风部门每季度至少检查一次反风设施,全矿每年进行一次反风演习。

8、放炮员、班组长、矿领导等、科、队干部、技术人员入井时应随身佩带便携式沼气检测仪,电钳工等进入采区分散流动作业的工人佩带报警矿灯。

9、一切电气设备必须符合防爆要求,下井的电气设备应由专人负责检查、验收,所有机电设备要专人管理,发现问题及时解决。

10、加强明火管理,严格执行检身制度,严禁穿化纤工作衣入井,严禁将各种火种带入井下。井下氧电焊作业应按《规程》223条规定,审批并提出相应的措施,严格执行。

11、加强放炮管理,严格执行“一炮三检”及《规程》第七章第三节关于井下放炮的有关规定,封填炮眼必须使用水炮泥和炮土。

12、加强矿灯管理,发放的矿灯必须合乎要求,禁止井下拆卸、敲打、撞击矿灯,凡有损坏或失爆的矿灯,不得入井使用,严禁用矿灯放炮。

13、井下供电要做到“三无”(无鸡爪子、羊尾巴、明接头)“四有”(有过电流和漏电保护、螺丝和弹簧垫、密封圈和挡板,接地装臵),“两齐”(电缆悬挂整齐、设备峒室清洁整齐),“三全”(防护装臵全、绝缘用具全、图纸资料全)“一坚持”(坚持使用继电器)。

B、预防煤尘的措施:

1、防尘措施

(1)回采工作面回采前和回采过程中应进行煤体注水。掘进工作面推行湿式打眼,使用水泡泥,爆破后滴水等综合防尘措施,在装运过程中也要洒水灭尘,采掘机械运转时必须进入喷雾洒水。

(2)井下主要大巷、峒室、皮带上下山要定期进行清洗的粉刷,主要运输巷、回风巷、上下山、掘进巷道、采煤面上下顺槽,所设的防尘管道中每50米安设支管和阀门,以便冲洗巷道和防尘和,并在回采工作面回风巷设臵风流净化水幕。

(3)井下溜煤眼不放空,井下煤仓、溜煤眼,各类运输机和各转载点必须设臵喷雾灭尘装臵,并保证正常使用。

(4)严格控制风速,防止煤尘飞扬,溜煤眼除不能放空煤外,闸板必须关严,皮带巷风速要严格控制,符合《规程》101条规定,其它巷道风速也必须执行101条的规定。

(5)矿车保证完好,防止漏煤,采用一吨底卸矿车运输的各掘进工作面应经常清理煤尘,并每周进行一次巷道洒水灭尘工作。

(6)采、掘工作面放炮前、后必须按规定进行放炮洒水作业,掘进工作面还应逐步实施放炮喷雾方式灭尘。

2、防止煤尘自燃:

(1)井下电器设备、设施必须采用防爆型,电缆悬挂整齐,不得有破口;带电电缆不得盘圈使用(机电和电钻电缆除外)不得出现鸡爪子、羊尾巴等,要杜绝明火,防止外因火灾。

(2)严格按《规程》第七章的要求,加强对火工品的管理,严禁乱扔乱放,火工品存放点遗弃的纸箱、包装纸、塑料袋要集中管理,定期清理出井,严格按作业规程的规定进行爆破作业,装药前要掏尽眼内的煤粉,药卷装填要连续紧密,并必须采用水炮泥和炮土封填,防止出现煤燃、残爆和“打枪”现象发生。来禁放明炮、糊炮。

(3)隔爆措施:

在矿井两翼相邻的采区,相邻煤层和相邻工作面都必须用水棚隔开,水棚设臵严格按《煤矿井下粉尘防治规范》有关规定执行。

三、处理事故的指导原则:

矿井一旦发生事故,灾区人员要采用最快最有效的传报手段和方法通知和引导灾区人员和受威胁区域的人员迅速从灾区安全撤出,并用电话通知矿调度室,简述事故发生地点、原因、性质、情况危急程度等,矿调度值班人员在接到事故报告后,必须立即按《灾害预防和处理计划》中各项规定和处理程序进行紧急调度,及时下达矿长命令,随时调度井下抢险救灾工作。

当发生火灾瓦斯事故时,所有井下人都必须在本班班长的组织与带领下,带好自救器,撤到安全地点直至地面,当井下发生着火事故、水灾、大面积顶板冒落等事故时,人员都必须在本班班组长带领下,撤离危险区域,或利用现场的工具,器材进行抢救或避免事故扩大。不能控制事故时,各队班组长或有经验的工人应带领灾区人员全部撤到安全地点,清点人员全部按避灾路线升井,同时,必须立即发出警报通知可能受灾地区的所有人员撤离。

四、各种事故处理措施:

(一)火灾:

A、自然火灾:井下发生自然火灾时,发现人应迅速通知所

在位臵生产队组,由各生产队组班组长组织撤出受灾区域的人员,并及时汇报矿调度室和现场瓦斯检查员,说明受灾地点、性质、范围、气体情况,矿调度室接到事故报告后,应迅速通知受火灾威胁区域的人员佩带自救器,在现场领导和瓦检员的组织下尽快撤到进风大巷,同时向总工程师汇报,同时探明火灾范围和发生原因,并立即采取措施,防止火灾和瓦斯向有人员的巷道蔓延,一矿成立救灾指挥部,救灾指挥部应要根据事故发生地点性质,做出抢救方案,若自燃范围小,应立即切断火区电源,并组织人员立即佩带自救器直接灭火,若范围朋,不能直接灭火时,要采取措施,切断进风,回风风流并求得救护队支援,自然发火事故一般不得改变风流方向。

B、外因火灾

1、矿调度室在接到着火事故报告后,要迅速查明灾区位臵、工作人员状况,了解着火点的范围和发火原因,同时汇报矿值班领导立即组织撤出灾区和受威胁区域人员,采取措施防止火灾、瓦斯向有人员的巷道蔓延,积极组织矿山救护队抢救遇难人员。

2、下令切断着火区域电源。

3、根据已探明的着火地点和范围,由救灾指挥部确定井下通风制度。

4、无论是正常通风或增减风量、反风、风流短路、隔绝风流及停止主要扇风机运转都必须:

①不致瓦斯积聚,煤尘飞扬,造成爆炸事故。

②不致危及井下人员的安全。

③不使超限瓦斯通过火源或不使火源蔓延至瓦斯积聚的地点。

④有助于阻止火灾扩大,抑制火势,创造火势,创造接近火源的条件。

⑤在火灾初期,火区范围不大时,应积极组织人力、物力控制火势,直接灭火,若电缆着火,必须立即切断电源,用专用灭火器、沙土扑灭。对其它着火一般采用灭火器、沙土覆盖,控制火源或用水冲灌灭火。直接灭火无效时,应采取隔绝灭火法,应采取措施防止瓦斯爆炸。

⑥在必要时,应将排水、压风管路临时改为消防管路。

(二)气体灾害

1、接到事故报告后,矿调度员应立即按《计划》中所列

名单通知有关领导,一矿成立救灾指挥部,迅速组织撤退灾区和受威胁区域人员,抢救遇难人员。

2、井下发生气体灾害时,人员要保持镇静,在班长或老工人的带领下,迅速佩带自救器撤至进风流中,迎着风流升井,万一升不了井的人员应带自救器在避难峒室或其它安全地点等候救援,救护队下井后应将所有遇难人员撤出井下,并清点人数,积极抢救,直至全部救出为止,并组织救护队探明事故地点、范围和气体成份,发现火源立即扑灭,切断灾区电源,防止二次起瀑。

3、在证实确无二次爆炸的可能后,应迅速修复破坏的巷道和通风设施,恢复正常通风,排出烟雾,清理巷道。

(三)水灾:

1、井下一旦发生水灾事故,首先组织灾区人员撤离,并迅速通知受水威胁区域的人员在班组长的带领下尽快撤至安全地点而后立即清点人数,同时现场人员应立即将灾情报一矿调度室,说明出水地点及出水量大小等事故情况。

2、透水后若水势不大,班长和老工人迅速组织抢救,就地取材,设法堵住出水,同时报告矿调室,并通知受灾区域人员做好撤退准备。

3、下突水若有遇难人员时,救护队及其它抢救人员在进行抢救时,应制定抢救方案和安全措施,防止抢救人员发生意外事故。

(四)顶板冒落事故:

一旦发生顶板冒落事故时,应由矿长组织人员迅速赶往现场进行抢救,抢救时应注意以下几点:

1、首先探明冒顶区域范围及被埋压、堵塞的人数和位臵。

2、积极恢复冒顶区的正常通风,如暂不能恢复时应利用水管、压风管、局扇对埋压堵塞人员供新鲜空气。

3、处理中必须坚持由外向里的原则,加强支护,防止二次冒顶,必要时可开掘向遇难人员的专用通道。

4、遇有在大块岩石威胁遇难人员时,可用千斤顶等工具移动石块,但应尽量避免破坏冒落岩石的堆积状态。

五、处理事故中各有关人员的职责:

1、矿井发生重大事故后,矿长、总工程师必须立即赶到现场,组织抢救,矿长是负责处理灾害事故的全权指挥,同时矿调度向公司汇报。

2、处理事故过程中各有关人员的职责:

①矿长:是处理事故的全权指挥者,在矿总工程师、安全副矿长协助下,制定营救遇险员和处理事故的作战计划。

②矿总工程师:是矿长处理灾害事故的第一助手,在矿长的领导下,组织制定营救遇险人员和处理事故作战计划。

③各副矿长:根据营救人员和处理事故的作战计划,负责组织为处理事故所必须的工人待命及所需设备材料供给等。

A、生产副矿长:协助矿长制定营救遇险人员和处理事故作战计划,负责救灾过程中安全措施的落实,并负责地面秩序维护和治安保卫工作的组织与管理。

B、机电矿副矿长:负责调集工人待命并严格控制入井人员,签发抢救事故用的入井特别许可证,并负责机电运输方面的救灾工作。

④矿调度主任:负责及时传达矿长作战计划指挥命令,并随时统计和掌握出井人数和留在井下各地点人数,按照矿长命令负责协调各方面的工作,协助矿长进行抢救和灾害处理。

⑤通风科长:按矿长命令负责维护现状通风或改变成反风状态,以及通风工作制度,密切注视主扇工况和组织完成必要的通风工程,并执行与通风有关的其它措施。

⑥生产技术科科长:按照矿长命令负责生产技术方面的工作,协助矿长进行抢救和灾害处理。

⑦地测负责人准备必要的图纸和资料,并根据矿长命令完成测量打钻工作。

⑧有关的队长、班长负责查明本队留在井下工作面的人数,并采取措施将他们有组织地撤到安全地点直到地面,将在现场所见到的事故性质、范围和发生原因等情况如实地报告一矿调度室,并随时接受矿长命令,完成抢救任务。

⑨供应科长:及进准备好必要的抢救器材,并根据矿长命令迅速运送到指定地点。

六、附则:

1、本《计划》由矿总工程师负责组织、通风、调度、机电、地质、技术等单位的有关人员进行编制和会审,并在每季开始前15天,根据矿井自然条件和采掘工程的变动情况,组织有关部门及时修改和补充。

2、各单位的领导及技术负责人应负责组织本单位职工学习,并进行考试,没有学习或考试不及格,不熟悉《计划》有关内容的干部和工人不准下井工作。

3、根据《规程》第9条规定,每年必须至少组织一次矿救灾演习,在演习中发现的问题必须及时采取措施,立即改正

矿井突水灾害诱因 篇3

许多情况可引起矿井突水, 常见的有:a) 洪水冲毁堤坝和矿井围堤, 从井口大量灌入矿井;b) 在顶板破碎或裂隙发育的岩石中掘进巷道, 因顶板冒落或导水裂隙与河湖水库或强含水层沟通后, 使大量水涌入巷道;c) 巷道与可溶岩岩溶洞穴塌落形成的陷落柱相遇或沟通, 使大量岩溶水涌入巷道, 造成淹井;d) 巷道或回采工作面遇到充水老窿或旧巷道, 造成突然淹井;e) 钻孔封孔质量差, 成为各种水体的垂直通道, 巷道或回采工作面与这些钻孔相遇时, 大量地表水或地下水通过钻孔涌入矿井;f) 巷道与断层相遇, 大量地下水通过断裂破碎带涌入矿井;g) 隔水矿柱抗压强度不足, 抵抗不住矿山压力和静水压力的共同作用, 引起底板承压水大量涌入矿井;h) 在松散的强含水层中开凿井巷, 大量地下水和泥砂涌出, 井巷被淹, 甚至坍塌。

铜川焦坪矿区矿井动力灾害浅析 篇4

关键词:动力灾害,冲击矿压,发生机理

0 引言

铜川是我国的重要煤炭生产基地,蕴藏着丰富的煤炭资源,且开采时间较早。但是,随着我国国民经济的迅速发展,对煤炭资源需求量日益增加,使得该矿区地下煤炭资源开采由原来的浅部开采发展到深部开采,其平均开采深度已经超过400 m。这使得煤炭开采深度不断增加,地下深部形成大面积的采空区,从而引起覆岩自重应力的增大和构造应力的增强,导致该区顶板动力灾害多发性。主要有顶板垮落、矿震、冲击矿压等突发现象,甚至会引起地面的突然塌陷,最终导致矿井地质灾害,影响矿区人民的正常生活、工作,破坏矿区地质生态环境等。因此,对铜川矿区矿井动力灾害形成原因的分析、发生机理的研究十分必要,为实现“绿色矿区”目标,进行科学采矿、保护地表环境、提高矿区经济效益,尤其对保持矿区稳定具有十分重要的意义。

1 矿区地质概况

铜川焦坪矿区(北区),现主要以陈家山、下石节、玉华三矿为主采矿区。焦坪区位于陕甘宁盆地东南缘的陕北斜坡上,呈波状起伏、北北东走向、倾向北西表现的单倾斜构造。在此单倾斜构造基础上,有次一级走向北东的宽缓褶皱。区内地层倾角较小,一般为0°~18°,无大的构造发育,断层稀少,水文地质条件简单。地表地形为沟壑形地貌,矿井上覆岩层为砂岩、夹泥岩、黄土等。主采煤层为4-2煤层,煤层厚度一般约10 m,煤层结构复杂,煤层顶板多为砂质泥岩和粉砂岩[1]。

2 焦坪矿区动力灾害发生的基本情况和现状

由于开采深度的增加,根据该区各煤矿生产记录显示,该区近年来冲击矿压频繁发生,成为该区重要灾害。冲击矿压是煤矿开采中典型的动力灾害之一,直接威胁着煤矿的生产、人员及财产安全。

冲击矿压是煤(岩)体力学系统局部失稳时,以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能,导致煤(岩)瞬时破坏,并伴随大量煤(岩)粉的突出,造成矿山井巷和设备破坏及人员伤亡。

2005年5月24日15时,下石节矿215工作区发生大面积来压,影响正常生产。2007年9月21日5时,该矿217工作区回风巷、灌浆巷发生大面积来压,工作面被压毁,巷道变形。仅采掘面下帮部鼓出宽约1.5 m。巷道掘进长度170 m~180 m处,帮部垮落处宽1.5 m~2.0 m,长约30 m。灌浆巷矿压现象较明显,灌浆巷瓦斯涌出量近8%。根据陈家山矿2006年对其421工作区和416工作区的矿压监测数据显示,陈家山矿来压频率有增强趋势。因此对冲击矿压的成因和机理很有必要进行分析、探讨。

3 冲击矿压成因及其机理

3.1 冲击矿压成因

影响冲击矿压发生的因素是多方面的,且具有复杂性。因此,目前考虑其影响因素主要从地质、采矿和人为因素三大方面进行分析。

1)地质方面因素。主要包括围岩体的构造形态、构造应力、构造介质等,这些因素对煤矿灾害起着控制作用[2],其中构造形态主要指上覆岩体的地质结构、构造。在地质构造带中存在一部分地壳运动遗留下来的残余应力,这些残余应力形成构造应力场。在煤矿中常有断层、褶皱和局部异常(如底板凸起、顶板下陷、煤层分岔、变薄或变厚等现象)等构造带。冲击矿压常常发生在构造应力集中的区域。根据以往的经验,向、背斜构造的轴部,特别是向斜轴心部,此处构造应力表现为挤压应力,促使向斜轴部积聚了大量弹性能量,大量实地资料表明,一般向斜轴心区域要比背斜轴心区域发生冲击矿压的危险性高。

构造介质指围岩体(顶、底板)及煤的物理力学性质。岩性坚硬的顶板通常不易发生冒落,使岩体的能量大量聚积。苏联阿维尔申教授认为,煤层内的弹性能由弹性能UV、形变能UT和顶板弯曲弹性能UW三部分组成,即:

由此可得:顶板初垮落时:

周期垮落时:

从式(2),式(3)中可看出,UW与岩层悬伸长度L的5次方成正比,即L值越大,积聚的能量也越多,所以厚度大的坚硬岩层顶板发生冲击矿压的可能性很大[3]。

因此,一般认为顶板比较坚硬且具有一定厚度、较大岩体发生冲击矿压的可能性较大。同时,煤体的冲击倾向性、强度、脆性也决定了冲击矿压发生的可能性。我国已发生冲击矿压比较严重的矿井,其煤层顶板都十分坚硬,如表1所示[4]。

2)采矿方面因素。由于采煤破坏地下原岩内部应力场平衡,所以采矿因素对冲击矿压有着强烈的扰动作用。采矿方面的因素有开采深度、采煤方法、顶板管理方法、掘进速度和煤柱留取等。

开采深度增加,岩体中的自重应力随之增加,煤岩体内聚积的弹性能也随之增加。根据国内外统计分析表明,开采深度越大,冲击矿压发生的可能性也越大。

不同的开采方法会导致煤岩体内的应力重新分布,使应力集中区域向采掘面迁移,易发生冲击矿压。

采取合理的顶板管理方法,能在一定程度上释放岩体内的应力和弹性能,从而缓解冲击矿压。

科学的采掘速度使每次的采空面积能够不增加冲击矿压的发生,使岩体内的应力逐步释放,降低岩体内部的高应力集中,提高工作面安全性。

煤柱留取的大小、形状和密度。孤岛形和半岛形煤柱可能受几个方向集中应力的迭加作用,因而在煤柱附近最容易发生冲击矿压。

人为因素即矿井管理、设计及防护措施。

3.2 冲击矿压的机理

目前关于冲击矿压机理的解释理论有:强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、失稳理论、突变理论、分形理论、断裂力学理论、其他的混沌动力学、非线性科学、人工神经网络等理论。但实际中主要是能量理论、强度理论和冲击倾向性理论。

1)强度理论。发生冲击矿压的条件是矿山岩体的压力大于煤岩体系统所承受的最大强度。其机理是认为坚硬的顶底板将煤体夹在中间,阻碍了煤体与岩体交接处的变形,因此,当超过所承受的强度时,就会发生冲击矿压。

2)能量理论。该理论认为,当矿山岩体与围岩系统的力学平衡状态破坏后,系统所释放的能量只有部分被消耗掉,即释放的能量大于岩体破坏时所消耗的能量就会发生冲击地压。

3)冲击倾向性理论。矿山煤岩体冲击倾向度与实验所确定的冲击倾向度比较,当煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值时,就发生冲击矿压。实验测定主要指标有:弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。

上述三种理论提出了发生冲击矿压的三个准则:强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。强度准则是煤体破坏准则,能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立才是产生冲击地压的充分和必要条件[3]。

结合以上三个准则,冲击矿压的机理实质是煤岩体内部能量聚积的过程(表现为煤岩体变形),当能量积聚达到并超过临界状态,即发生能量释放的过程(表现为煤岩体爆裂),如图1所示。

当一次冲击矿压发生后,覆岩的内部应力达到新的平衡状态,随着采掘的不断推进,岩体内部应力平衡状态又一次遭到破坏,为了寻求新的平衡,能量再一次积聚直至释放达到再一次的平衡。因此,这个过程是一个循环的过程。

4 监测预报与防治措施

4.1 冲击矿压的预测

冲击矿压预报的方法有:电磁辐射法、地音法、综合指法、计算机模拟、铁屑法、微震法、煤层围岩压力—变形观测法、综合预测方法等。

目前,铜川焦坪矿区下石节矿已经采用了煤层围岩压力—变形观测法数字系统,对冲击矿压进行实时监测。由于此系统的井下观测传感线为伸张钢丝,所以设在工作巷道内的系统观测点由于受到工作人员、煤车以及其他人为因素等外界因素干扰较多,井上监测室的预报实时性、可靠性较低,对冲击矿压做的实时性和可靠性的监测预报受到影响。

笔者认为应该再采取其他的方法对冲击矿压进行辅助监测,提高冲击矿压预报的可靠性和实时性。为此,建议采用铁屑法和计算机模拟两种方法进行辅助监测。

铁屑法是通过在煤层中打直径为42 mm~50 mm的钻孔,根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应,鉴别冲击危险的一种方法。其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系,单位长度的排粉率增大或超标定值时,表示应力集中程度增加和冲击危险性提高。铁屑法较简单易行,成本低,并结合数字监测系统监测的高危险区,进行钻孔测定排粉率,对危险区的冲击矿压等级进行确定。

随着计算机的迅速发展,越来越多的数值模拟软件出现,并用于对岩体应力进行分析,从而使未知的岩体内部问题得以明析和简化。数值模拟法,采用FLAC,UDEC,ANSYS等分析软件对冲击矿压区内的应力分布状态和应力值大小分析模拟,确定冲击矿压危险的大区域及程度,为监测指明方向,同时也为开采时冲击矿压的防治打下基础。

4.2 冲击矿压的防治措施

4.2.1 冲击矿压弱化减冲理论

1)对危险区域,采取以松散煤岩体为主的治理技术,降低煤岩体的强度和冲击倾向性,使得冲击危险性降低;2)对煤岩体的强度进行弱化后,使得应力高峰区向岩体深部转移,并降低应力集中程度;3)采取减冲解危措施后,使发生冲击矿压的强度降低。其过程是边生产、边监测、边治理,即“生产※监测※能量聚积※卸压爆破※能量释放※生产※再监测……”。使得煤岩体中所积聚的弹性应变能达不到最小冲击能,从而防治冲击矿压的发生。

4.2.2 冲击矿压的强度弱化控制机理[5]

冲击矿压的强度弱化控制机理是依据煤样、顶板岩样的强度及厚度与其冲击倾向性的相互关系而提出的,即通过卸压爆破弱化煤岩结构的强度,降低其储能能力,使其所积聚的弹性能永远达不到最小冲击能,从而消除或减弱冲击矿压发生的强度。

4.2.3 冲击矿压的防治措施

1)技术方面。主要采取注水卸压、钻孔卸压、爆破卸压(包括松动爆)、顶板注水或强制放顶等减缓应力集中程度的措施,规定时间、地点、相应的工艺参数以及检查实施效果的方法。

2)管理方面。合理布置巷道,务必保持巷道畅通。开采有冲击矿压危险煤层,应使用锚网、锚索支护方式等。加强井下作业人员对冲击矿压知识的学习,如前兆、来压过程、躲避常识等。

5 结语

由于冲击矿压影响因素的多样性及其发生条件的复杂性,决定了冲击矿压的突发性、不可预知性。因此,对冲击矿压发生的原因和机理应首先弄清楚,结合弱化减冲理论思想,实现综合防治,才能取得良好的效果。

参考文献

[1]辽宁工程技术大学采矿损害与控制工程研究中心.陕西省铜川矿区采煤沉陷情况报告[R].铜川:铜川矿务局采煤沉陷治理工作领导小组,2003.

[2]夏玉成.构造环境对煤矿区采动损害的控制机理研究[D].西安:西安科技大学,2003.

[3]窦林名,赵从国,杨思光.煤矿开采冲击矿压灾害防治[D].徐州:中国矿业大学,2006.

[4]隋豪杰,高旭东,徐小兵.冲击矿压影响因素与发生条件分析[J].煤矿开采,2006,12(1):61-62.

复合型灾害矿井 篇5

随着社会经济的发展, 煤炭资源的利用量也在逐渐增大, 因此, 如何更加有效的进行煤炭开采对于社会经济快速稳定发展具有重要的意义。但是, 随着煤炭开采向深部延伸, 多种灾害威胁着煤矿安全生产。在各种矿井灾害中, 水灾害较为普遍, 据不完全统计, 全国煤矿大约有500多个工作面受到水害威胁。同时, 水害发生会对对矿工生命及煤矿财产产生严重的后果, 在矿井五大主要灾害中仅次于瓦斯灾害。基于矿井水灾害的普遍性和威胁性, 必须要全面认识水灾害的主要类型及其灾害发生的主要原因, 从而为实际的矿井水害治理提供有效的参考。本文将对当前主要的矿井水害及其发生的原因进行分析, 并通过实际的实例对其进行解读, 全面分析煤矿水害问题。

2 矿井主要水害综合分析

当前威胁矿井安全的水灾害主要有四类, 分别是地表水威胁、老空水威胁、顶底板承压水威胁、自然结构水害威胁等。不同的水害其发生的原因及水害特点不同, 但是对煤矿安全生产都存在巨大的威胁。

2.1 地表水威胁

随着当前“三下” (水下、建筑物下、铁路下) 开采理念的深入, 水下安全开采已经成为煤矿安全开采研究和分析的重点, 其中地表水害防治是其中非常重要的内容。地表水危害, 特别是雨季地表水危害对于煤矿安全生产的影响非常巨大, 它主要包括两个方面的内容。第一, 地表河流或者湖泊在雨季水位上涨, 到达一定的程度会出现溃堤等问题, 地表水直接倒灌到矿井中, 造成矿井灾害;第二, 由于煤炭开采其附近形成很多采空区, 采空区下陷之后大多都形成了一定规模的湖泊, 在雨季到来时, 大量雨水的冲积, 超过采空区承载能力, 地表水会导通灌入矿井, 造成矿井水害。

雨季地表水害特点较为明显, 主要包括, 水源较为丰富, 水害规模较大, 并且其危害难以抵挡。矿井地表水害具有代表性的事故是2007年8月17日, 山东华源矿业公司矿井遭遇一起特别重大的溃水事故。8月17日, 新泰市突降大雨, 降雨量达205mm, 造成山洪暴发, 洪水漫过上游东周、金斗水库泄洪道, 引发汶河水位暴涨, 导致柴汶河东都河堤被冲垮, 冲毁汶河大堤约50米。17日14时30分, 河水灌入地势低洼的西都沙井后以每秒50 m3溃入华源矿业公司三号井井下, 造成172人死亡的重大溃水事故。由于地表水害具有一定的季节性, 因此, 当前主要以监测预防为主。

2.2 老空水威胁

老空水又称老窑水, 指年代久远的老空、小窑和本矿采空区及废巷积水。老空水水害产生的主要原因是由于在煤矿开采过程中, 巷道或者工作面与积水区贯通, 从而导致老空水进入工作面或者巷道, 产生威胁。存在老空水的地区主要是废弃的巷道, 由于地下水的补充形成的具有一定规模的水量, 如果工作面在老空水积水附近推进时, 会承受其很大的水压力, 即使没有直接贯通, 也会由于压力的作用而产生水害。老空水灾害特点主要包括三个方面, 第一, 水体的范围、几何形状不规则, 难判断;第二, 水体集中而压力大, 难以预防;第三, 存在范围广, 无论水源丰富与否都时有发生。

2008年7月21日15时15分左右, 广西壮族自治区右江矿务局那读煤矿井下掘进工作面发生一起特大透水事故, 造成30多人死亡。据分析, 该矿在探水过程中, 发现透水征兆, 但未及时采取措施, 致使上部采空区积水溃入, 水量约1.5万m3, 导致回采工作面被淹。

2.3 顶底板承压水威胁

顶底板承压水威胁是矿井水害的主要类型, 其灾害主要以突水为主。矿井顶底板在煤炭开采或者巷道采掘过程中, 岩石会产生很多裂隙, 特别对于自然发育较差的泥岩等软弱岩层, 在受到承压水压力的条件下, 其裂隙会进一步发育, 从而与承压含水层导通, 发生突水等灾害。顶底板承压水水害发生特点可以概括为三个方面, 第一, 水量极为丰富, 水害初始发生距离极短;第二, 水害多发生在松散顶底板, 岩层成分以大直径的砂砾为主;第三, 灾害发生波及范围较为广阔, 很难躲避。

1 9 9 5年1 2月3日1 3时2 5分, 中煤第工程主一副井临时贯通巷施工中, 发生奥灰突水重大伤亡事故, 17人死亡, 直接经济损失484.52万元。此次事故的主要内因是主一副井联络巷距迎头5米处施工揭露的落差8m、破碎带宽0.4m~0.6m的弹性断层沟通山青灰岩和奥陶系灰岩水联系, 在高压力下, 形成突水。

2.4 自然结构水害威胁

当前对于煤矿威胁最大的自然结构水威胁主要包括两部分:断层突水与岩溶陷落柱突水。断层和岩溶陷落柱都是自然形成的地质结构, 前者属于较为软弱的地质夹层, 后者在地下水的溶蚀下会分解形成巨大空洞。断层突水主要是在采动及其他压力条件下断层发生活化, 导致工作面与承压水层导通, 从而形成危害。岩溶陷落柱突水主要是由于强充水型陷落柱内充填物未被压实, 柱内水里联系良好, 直接导通奥灰等高压水, 沟通了煤系地层各含水层, 采掘工程一旦揭露就发生突水, 对矿井造成灾害性的事故。自然结构水害威胁主要存在于自然结构发育较为丰富的矿区, 其发生范围有限, 但突然性较大。

2003年4月12日8时47分, 位于东庞矿二水平 (-480m) 的2903下巷掘进工作面, 突遇隐伏的导水陷落柱而突水, 出水当日的最大峰值水量在70000m3/h以上。由于出水量太大, 排水不及, 于17日18时54分一水平泵房进水, 整个矿井被淹。

3 结语

通过文中实例可以看出, 各个类型的矿井水害后果都非常严重。而通过对各个类型矿井水害原因及特点的分析, 可以对实际的矿井水害防治提供有效的参考, 确保矿井安全生产有序的开展。

参考文献

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[2]李新凤, 魏久传, 尹会永, 等.肥城矿区矿井水害类型及特征研究[J].煤矿开采, 2008, 2

复合型灾害矿井 篇6

关键词:煤与瓦斯突出,地质构造,地应力,瓦斯赋存

煤矿生产中地质构造带动力灾害事故多发, 主要是地质构造中的地应力、瓦斯和煤体的力学性能等综合作用的结果。从根本上, 地质构造对地应力、瓦斯及煤体力学性能均有着极其重要的影响。艾维尔沟矿区逆断层发育, 小型褶皱广为分布, 地质构造带瓦斯富集, 地应力集中, 煤体构造遭到破坏。矿区生产过程中突出、瓦斯异常等动力现象随着开拓延伸不断增多, 分析矿区生产过程中在地质构造带发生的突出、瓦斯动力等现象, 总结矿区地质构造带影响动力灾害的一般规律, 预防矿井重大动力灾害的发生成为矿区安全生产的首要任务。

1矿区概况

艾维尔沟矿区位于北天山优地槽褶皱带南部, 该褶皱带北与东北、西南准噶尔褶皱带和准噶尔坳陷接壤, 南由博罗科努—阿其克库都克超岩石断裂为界, 呈近东西向展布, 向西与准噶尔阿拉套相连, 向东进入甘肃、蒙古境内, 是一个典型的华力西优地槽褶皱带。矿区构造形态受深大断裂控制, 其中博罗科努—阿其克库都克深大断裂影响最为强烈, 对该区构造岩相带的建立起了明显的控制作用。

艾维尔沟矿区区域内构造较复杂, 断裂发育, 一般多为走向逆断层且规模较大, 横切断层稀少, 伴有缓波状的构造形态和局部的褶曲。矿区构造如图1所示。矿区内主要断层特征见表1。

艾维尔沟矿区所属的3个煤矿中, 2130煤矿及1930煤矿经鉴定为突出矿井, 1890煤矿被评估为突出矿井。

1890煤矿处于断陷盆地东南端, 地层走向略向南弯曲, 总体构造形态为向南西倾斜的单斜构造。岩煤层倾角一般7°~25°。井田内走向逆断层较发育, 井田内主要断层有7条, 且均为逆断层 (表1) 。其中的F4-1、F4-2断层对目前的5、6号开采煤层影响最大。

1930煤矿位于艾维尔沟矿区中部, 主体为走向近东西、倾向南西的单斜构造, 地层倾角向东逐渐变缓, 并伴有缓波状的构造形态和局部的褶曲, 井田内构造较复杂, 断裂发育。井田主要被3条逆断层控制, 其中F4-1断层切割1—6号煤层。

2130煤矿位于吐鲁番山间坳陷的西端。矿区内褶皱简单, 断裂较发育。井田位于艾维尔沟矿区西部, 主体为走向近东西、倾向南西的单斜构造, 地层倾角东缓西陡, 井田内构造较复杂, 断裂发育, 井田东部沿走向常见微弱的小型褶曲。井田内主要断层有6条均为逆断层。

2褶皱对矿井动力灾害的影响

(1) 2011年4月2日, 2130煤矿改扩建主斜井发生岩石与二氧化碳突出事故, 事故发生前掘进工作面出现围岩破碎现象, 岩层层位混乱扭转, 有一层10 cm厚的煤线糅杂其中, 为典型的小型褶皱构造。围岩应力变化失衡, 顶板大幅下沉。突出前回风流及巷帮瓦斯及二氧化碳浓度明显上升。在瓦斯及二氧化碳气体推力下, 破碎围岩无法起到有效的阻挡作用, 从而发生了岩石与二氧化碳突出。

分析认为, 在此褶皱作用初期, 岩石受到纵向力的作用而发生弯曲, 岩层内凹一侧处于压缩状态, 而外凸一侧处于拉张状态。这种不均匀受力状态会引起层间错动, 使得坚硬岩层之间的软弱薄层形成密集的劈理带, 劈理的变形发展就会进一步破碎[1]。煤岩体经过褶皱作用后发生破碎, 特别是煤线及顶板炭质泥岩的破碎变形, 造成煤岩体空隙增加, 渗透性能差, 从而形成良好的瓦斯及二氧化碳积聚带。破碎的构造煤岩体容易引起应力集中, 同时抵抗外力破坏的能力、阻力减小。井筒掘进至此位置时, 由于应力平衡破坏, 在瓦斯及地应力作用下, 破碎的煤岩发生蠕变。当蠕变发生到一定程度, 煤岩被抛出, 形成岩石与二氧化碳突出。

(2) 1890煤矿16122工作面处于采区北翼, 工作面在走向方向距开口900 m处为一向斜构造, 工作面向南偏转。在向斜轴部区域测定的瓦斯含量在10 m3/t左右, 而正常区域瓦斯含量仅为6 m3/t。巷道掘进过程中, 在向斜构造区域瓦斯增高, 回风流出现瓦斯超限。同时, 在向斜轴部施工中部上山时, 开口处垮帮严重。

分析认为, 在向斜轴部, 节理以压性、压扭性为主, 围岩封闭瓦斯的能力强, 煤层瓦斯含量高[4]。同时, 在向斜轴部其应力垂直为压力, 水平为拉力, 最容易出现冒顶、冲击地压和煤与瓦斯突出, 是造成中部上山掘进过程中垮帮的主要原因。煤与瓦斯突出分为3种形式:倾出、压出与突出, 中部上山的垮帮显现为一种地应力作用下的小程度压出, 当压出发展到一定程度, 在瓦斯力作用下就可能发生煤与瓦斯突出事故。

15112工作面运输巷掘进至450 m位置时, 顶板锚索钻孔发生瓦斯喷孔现象。经探测, 喷孔位置及工作面前方约15 m范围内顶板离层, 裂隙发育, 发育位置为顶板上方岩石4 m位置。裂隙内瓦斯、水大量积聚, 工作面前方煤体破坏, 瓦斯浓度明显增大。

一般情况下, 褶皱是岩层在水平应力挤压下形成的, 这种褶皱大部分在沉积岩层中形成。对于巷道及采面来说, 在褶皱的各个部位, 出现的危险性是不一样的 (图2) , Ⅰ区褶皱向斜部分, 这部分应力垂直为压力, 水平为拉力, 最容易出现冒顶、冲击地压和煤与瓦斯突出;Ⅱ区褶皱翼, 这部分应力垂直和水平均为压力, 最易出现冲击地压和煤与瓦斯突出;Ⅲ区褶皱背斜, 其应力状态为垂直拉力, 水平压力, 这部分也是最大矿山压力区域[3]。

发生顶板钻孔喷孔的区域, 正处于一个小型背斜和向斜之间, 顶板受到的应力在垂直和水平方向上均为压力, 此压力造成顶板出现离层、裂隙, 造成瓦斯积聚, 破坏了煤体力学性能, 煤层变软、破碎。国内外经验表明, 由硬煤进入软煤的过程中, 由于硬煤与软煤的力学性质差异, 更容易形成较高的应力梯度。同时, 破碎煤体中空隙率高, 透气性低, 游离瓦斯增加, 瓦斯压力增大;煤体力学性能降低, 抵抗外力破坏能力变弱[2]。在由硬煤进入软煤的瞬间, 极易造成工作面前方软弱面的形成, 在应力与瓦斯力的作用下进而诱发突出。

3断层对矿井动力灾害的影响

1930煤矿改扩建主斜井960 m位置, 对2号煤层施工探测钻孔过程中发生严重喷孔, 且喷出煤炭为粉末状, 煤层明显变软。经探测, 2号煤层在掘进面前方发生明显下沉, 且倾角变大, 煤层厚度增加, 巷道顶板岩石大量淋水。通过工作面岩层层位分析, 此处有一小型压性断层。分析认为, 此处的压性断层对2号煤层在煤层结构特性、瓦斯赋存状态及应力分布均造成了极大影响。

(1) 断层的形成造成断层附近的主应力方位均有不同程度的变化, 而这种变化主要限于断层附近一定距离内, 远离断层, 主应力方位逐渐趋于与区域应力方位一致[3]。主要表现在, 在距断层20 m范围内, 井筒顶板出现大量淋水, 顶板裂隙增多, 瓦斯涌出量明显增加。说明此断层的影响范围在工作面后方20 m, 20 m以后应力趋于稳定, 围岩处于正常状态。通常情况下, 活动断层及其附近应力量值的变化较为复杂, 既有应力增大地段, 也有降低地段。应力降低的情况表现为, 在断层带附近应力值较低, 而随着与断层距离的增加, 应力逐渐增大, 到一定距离后趋于稳定。可推断, 在此断层前方20~60 m范围内, 煤体及围岩仍处于应力增高区, 也就是说从目前的掘进工作面到前方煤体至少60 m范围内是煤与瓦斯突出发生的重点地段, 揭煤及掘进过程中需引起极度重视。

(2) 此断层为压性断层, 压性断层因其受到较大压应力作用, 结构致密的泥、糜棱岩较发育, 透气性差, 沿断层和垂直断层面上的瓦斯运移相对困难, 压性断层对瓦斯的保存最为有利[4]。因此, 在此处施工探测钻孔时, 发生严重的喷孔现象, 并伴有大量瓦斯涌出。

(3) 此压性断层形成期间, 断层两盘的错动使断层带内煤层形成了不同性质、不同厚度的构造煤, 断层两盘的相对错动引起周围煤层发生层间错动。受压性断层控制而形成的软分层厚度大, 从而表现为煤层厚度变厚。探测表明, 在正常地带2号煤层厚度约5 m, 而在此构造附近煤层变为8 m, 其厚度明显增加。另外, 断层两盘的错动形成大量的构造煤, 煤的坚固性系数明显降低。经取样分析, 2号煤层正常的f值为0.3, 而在此断层附近取样分析, 其f值只有0.1, 因此, 造成探测钻孔喷出的煤绝大部分为粉末状。同时, 在断层一侧还经常形成软煤包 (图3) [5], 软煤包内煤体破碎, 表面能增加, 吸附瓦斯能力强, 使煤层内瓦斯积聚;同时破碎煤体瓦斯解吸快, 放散快。这些均是造成喷孔及瓦斯超限的主要原因。

综上所述, 压性断层所造成的应力、瓦斯赋存及煤体构造性能的改变, 是导致钻孔喷孔、瓦斯超限动力现象的主导因素, 贸然揭煤极有可能发生煤与瓦斯突出事故。

4结语

地质构造是影响地应力、瓦斯及煤层力学性质的重要因素, 对矿井动力灾害有着重要影响。艾维尔沟矿区地质构造带对矿井动力灾害有明显控制作用, 主要表现为:①断层前后20~60 m范围内是动力灾害事故重点多发地段;②断层上下盘煤体力学特性降低显著, 软分层发育;③向斜与背斜之间区域应力集中, 易造成顶板及煤体破碎;④褶皱向斜轴部瓦斯易积聚。

参考文献

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[3]王志辉.孙村矿冲击地压区域预测研究[D].阜新:辽宁工程技术大学, 2006.

[4]孙若山.浅谈地质构造对煤与瓦斯突出地带的控制[J].科技资讯, 2005 (24) :9-11.

复合型灾害矿井 篇7

关键词:矿井搜救,物联网,RFID,ZigBee,CC2430

0 引言

近年来,煤矿井下灾害时有发生,发生灾害后,井下被困人员与地面人员的信息联系被切断,地面人员难以掌握被困人员的身体状况及准确位置信息[1]。传统的措施是组织搜救人员进入矿井下,对被困人员进行搜救。但由于信息沟通不及时,搜救人员很难实时监测到井下工作人员的分布情况,灾害搜救的效率很低,同时,井上人员也难以掌握搜救人员的位置信息及搜救情况[2]。因此,精准发现被困人员并且对其进行精确定位,同时及时掌握搜救信息成为灾害发生后搜救成功与否的关键所在。

矿井发生灾害后,井下所有供电都切断,原有的矿井人员定位装置不能正常工作,但由于矿工携带的RFID射频卡是锂电池供电,因此仍然在工作[3]。本文基于物联网技术,设计了无线矿井灾害人员搜救系统,搜救人员利用手持的搜救装置,可以搜索有效检测范围内被困矿工的位置信息,监测矿工身体状况信息,利用Zig Bee无线传输到数据管理中心,使灾害搜救能及时有效的进行。

1 系统总体方案设计

系统主要由被困矿工携带的RFID射频卡、搜救人员手持设备(包括RFID读卡部分、Zig Bee部分)和井上数据管理中心组成。系统框图如图1所示。

正常情况下,井下人员定位系统正常工作。发生灾害时,井下断电,人员定位系统停止工作。但矿工携带的RFID射频卡由于是锂电池供电,仍然可以正常工作,不断采集人体生命体征信息并发送信息。搜救人员携带的搜救设备不断发出信号激活其信号覆盖区域的射频卡,并采集出射频卡内矿井人员的身份信息编码,同时,搜救人员手持设备还具有Zig Bee组网功能,不同搜救人员手持设备可以迅速组网,发送搜救人员位置信息到井上数据管理中心,数据管理中心收到此信息后,利用基于Lab VIEW的软件实现对矿井搜救人员以及被困矿工实时监控,分析计算被困人员所在的位置。

2 搜救人员手持搜救器系统设计

搜救人员手持搜救器系统以低功耗单片机LPC935为核心,使用1.2 V锂电池供电,系统包含电源升压电路,以n RF905为核心的RFID读卡电路、Zig Bee网络节点电路以及触摸屏人机接口电路。系统运用射频识别技术实现对被困人员位置等信息进行近距离采集,然后结合Zig Bee技术实现信息的远距离传输。系统框图如图2所示。

2.1 电源升压电路

搜救器系统采用1.2 V锂电池供电,而LPC935单片机、n RF905射频发射电路等模块电压都是3.3 V,因此需要将1.2 V电池供电电压升到3.3 V的电压,供给系统各部分作为电源。电压升压电路选用ON Semicondutor公司生产的NCP1400ASN30T1G电源芯片[4]。其应用电路如图3所示。

图3中,输入电容C7值为10μF,其作用是稳定输入电压,并且可使电源的峰值电流波纹最小。输出电容C4的作用是在芯片内部MOSFET导通时维持输出电压及消除波纹。二极管D3应满足正向电压低、反向恢复时间短以及反向电压高于输出电压等特点,因此选择IN5819或IN4148。电感L1取22μH,电感的直流电阻越小,转换效率越高。

2.2 RFID读卡电路

RFID读卡电路完成对其覆盖范围内的被困矿工射频卡信息读取的功能,其电路图如图4所示。读卡电路以n RF905为核心[5],整个电路包括时钟振荡电路、天线匹配网络、电源滤波及保护电路。时钟振荡电路晶振为16 MHz,ANT1和ANT2为天线连接引脚,外接单天线终端装置。n RF905采用全向天线[6]。系统采用单端连接的50Ω阻抗天线,因此,在芯片天线连接引脚和天线之间加一个匹配网络。

2.3 Zig Bee节点设计

Zig Bee节点采用CC2430作为主控芯片[7],电路如图5所示,RF输入/输出是高阻抗、差分信号,RF端口的最佳差分负载是18j+115Ω,为了实现最佳性能,设计采用低成本的电感电容实现,采用C341,L341,L321和L331以及一个PCB微带传输线,这将匹配RF输入/输出为50Ω。天线的类型是标准的折叠偶极子,偶极子有一个虚接地点,因此提供偏置不会影响天线的性能[8]。偏置电阻是R221和R261,偏置电阻R221用于为32768晶振提供一个精密的偏置电阻,而在晶振的设计上采用了两个晶振的选择性使用,外部32 MHz晶振XTAL1有两个负载电容(C191和C211),XTAL2是一个可选用的32.768 k Hz晶振。

3 系统软件设计

搜救器系统用于井下被困人员携带的射频卡的数据采集,一方面搜救器系统不断发出RFID联络信号激活通过其信号覆盖区域的射频卡并建立同步,采集出射频卡内被困矿井人员的身份信息,另一方面搜救器系统通过接入Zig Bee网络,将代表矿井巷道地理位置的搜救器编码连同采集到的人员数据一起发送至地面监控计算机。

搜救器系统通信程序框图如图6所示。搜救器每10 s发送一次帧头为0x FF的广播信号,一方面激活进入搜救器信号覆盖区的射频卡,另一方面与射频卡建立同步或定时器校准[9]。为了保证所有射频卡都能收到同步信号,这里令基站每10 s都连发两次广播信号。由于广播信号不需要接收射频卡的应答信号,广播信号发送完毕后,搜救器的n RF905由发送模式转换为接收模式,准备接收射频卡的RTS请求发送信号,同时启动超时退出计数器,以便10 s后再次发送广播信号[10]。

4 结语

本文基于物联网技术设计了无线矿井灾害搜救系统。系统采用RFID技术、Zig Bee技术,可以在矿井发生灾害后,利用搜救人员手持的搜救器实时监测被困矿工的身体信息及位置信息,同时把搜救信息上传到地面监控中心。本系统具有一定的实用价值,可以推广到火灾、地震等特殊工作现场搜救系统中。

参考文献

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[2]刘宇.矿井人员定位、管理、搜救系统的设计[D].北京:北京邮电大学,2008.

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[4]彭超然.基于线阵CCD的人机交互技术研究[D].杭州:浙江大学,2011:20-21.

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[9]魏煜欣.矿山井下人员定位系统中无线通信技术研究与开发[D].长沙:湖南大学,2008:61-63.

复合型灾害矿井 篇8

1 老空积水区探测指导思想

查明老空水传统办法是利用调查访问、水文地质填图等手段来确定老窑的位置、采空区范围、深度, 积水状况及有无补给来源, 以采取必要的防、排水措施, 避免老空水突然溃入矿井。随着现代科学技术的进步, 水害探测仪器与技术得到长足发展, 出现了一批较为成熟的井下探水技术和设备。主要可以分为两大类:一类是直接法, 即超前钻探, 超前钻探准确度高, 近似100%, 但它了解的只是线型情况, 容易漏失隐蔽灾害区, 探测成本高、影响生产进度, 不能较全面地了解工作面前方各个方位的地质情况;另一类是间接法, 包括矿井地球物理勘探和化探, 物探的准确度相对较低些, 但它可以做到了解工作面前方各个方位的地质情况, 成本低、探测时间快, 基本不影响生产进度。化探方法是近年来发展起来的新技术, 可对矿井水内的离子成分进行分析化验, 建立水源对比数据库, 可以更好的实现对物探、钻探工作的补充。

由于历史原因, 我国老窑数量较多, 开采年代久远, 没有较详细的资料记载, 其位置、深度、面积及积水状况难以确定, 整合矿井防治老空水困难重重。所以资源整合矿井的老空水防治必须在传统方法的基础上, 井下钻探与地面物探、井下物探和化探互相结合, 取长补短, 坚决按照防治水的十六字工作原则:“预测预报, 有掘必探, 先探后掘, 先治后采”[3]来进行老空探水, 保障开采安全。

2 老空积水区探测方法分析

2.1 积水线和探水线及警戒线的确定

把水淹区的积水范围、水位标高、积水量等资料填绘在采掘工程平面图上, 在此基础上画出积水线、探水线、警戒线3条界线[4], 见图1。

(1) 积水线:积水边界线 (小窑采空区范围) 即为积水线, 其深部界线应根据小窑或老空的最深下山划定。

(2) 探水线————沿积水线外推60m~150m的距离画一条线 (如上山掘进时则为顺层的斜距) , 此数值大小视积水范围可靠程度, 水头压力, 煤的强度大小来确定。当掘进巷道达到此线就应开始探水。

(3) 警戒线————从探水线再外推50m~150m (在上山掘进时指倾斜距离) 。当巷道进入此线, 就应警惕积水的威胁, 注意迎头的变化, 当发现有透水征兆时就应提前探水。

3.2 老空水积水量估算

利用已有的数据, 采用下列公式, 估算出老空水积水量, 根据水量确定矿井的排水系统的排水能力是否满足《煤矿防治水规定》。采空区积水估算采用公式[5]:

式中:Q-采空区积水量 (m3) ;S-采空区投影面积 (m2) ;α-煤层倾角;M-煤层平均厚度 (m) ;K-充水系数。

3.3 地面瞬变电磁法

瞬变电磁法 (简称为TEM) 属于时间域电磁感应法, 在地表敷设不接地线框或接地电极, 输入阶跃电流, 当回线中电流突然断开时, 在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场, 并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展, 利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况, 用以研究浅层至中深层的地电结构。

由于采煤形成的老空区, 破坏了原有煤层的地应力平衡, 当采动面积较小, 且煤层顶板为塑性岩性并保存完整时, 由于残留煤柱较多, 应力转移到煤柱上, 未引起地层变动, 采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来;但多数采空区在重力和地层应力作用下, 顶板坍陷、跨落, 形成跨落带、断裂带和弯曲下沉带。地下水沿破碎岩层和裂隙向采空区汇集并溶解大量的电解质, 因此充水采空区具有低电阻率、高极化率的电性特征;不充水时, 由于跨落带、断裂带和离层现象存在, 围岩具有高电阻率、低极化率的特征。瞬变电磁法据此可以确定老空水的范围。目前煤矿确定老空积水区范围行之有效的方法是通过地面调查了解的矿井范围内及附近各老窑的位置及采掘活动后, 利用地面瞬变电磁法探测, 将调查和物探获得的老空分布资料进行分析后, 圈定出整个矿区的老空水范围, 其探测成果图见图2所示。

3.4 井下瞬变电磁法

3.4.1 井下瞬变电磁法理论

由于地面瞬变电磁法针对的是半空间, 而井下使用瞬变电磁法面临全空间的问题, 井下感应电磁场是井下有效探测范围的所有地层导电性的综合响应。因此, 矿井瞬变电磁法视电阻率为全空间地层导电性的综合反映, 在数据处理中应当考虑全空间的影响得到井下视电阻率计算公式。然后通过时深转换公式反演得到深度, 再利用深度、视电阻率值用Surfer绘制视电阻率等值线成果图。

3.4.2 矿井瞬变电磁法探测方法

由于巷道掘进面附近空间狭小以及井下设备的防爆限制, 如果采用矿井瞬变电磁法超前探测, 最佳装置为多匝重叠小线圈装置。线圈边长一般为1m~3m, 发射线圈匝数为10匝~20匝, 接受线圈匝数为20匝~50匝。在煤矿井下探测过程中, 根据地质任务的不同, 可调整发射线框与煤层底板之间的角度, 可水平、垂直多方向立体扫描探测, 可进行超前探测煤层内的含水构造异常体, 现场测点布置方式有两种, 一为扇形探测, 在掌子面前方进行扇形探测扫描, 顺层方向从左50°至右50°依次探测, 每10°一移, 可以根据现场情况进行向上30°、向下30°、垂直方向探测。二为矩形探测, 也可以将线圈置于巷道侧帮或顶底板, 并设置一定的夹角, 探测方法跟扇形探测一致, 通过探测了解煤层或侧帮顶底板下一定深度范围内含水异常体垂向和横向的空间发育规律。

3.4.3 井下瞬变探测老空区范围成果

在山西吕梁某资源整合矿井田内遗留了大量的老空, 严重威胁矿井的正常生产, 针对矿井老空水害, 利用井下瞬变电磁仪对掘进头前方的老窑进行探测结果如图3所示, 发现两处老空区异常区, 经打钻验证, 证实为以前老窑的采空区积水。对某煤巷侧帮探测结果如图4所示, 发现6处异常, 均证实为以前老窑的采空区积水, 其中图中的蓝色条带状低阻异常区为保存较好的老窑旧巷。

3.5 水样化探方法

地下水在形成过程中, 由于受到含水层的沉积期、地层岩性、建造和地化环境等诸多因素的影响, 使储存在不同含水层中的地下水的主要化学成分有所不同。根据矿区各含水层地下常规水的化学成分的分布特征, 对突水水源分类, 并建立一个水源样品库;使用光吸收法或电极法对突水水样进行测量, 确定水样的化学成分含量, 并与水源样品库比对, 进而识别出水源的类型。因此, 根据水质化验结果, 从其酸碱性, 离子组分和是否含有细菌等因素对老空水的水化学性质进行判断, 准确度较高。

3.6 联合探测方法

(1) 老空区警戒线外的井下钻探。为了保证探水效果, 探水钻孔布置应注意允许掘进距离、超前距、帮距、钻孔密度四要素, 布置探水钻孔要确保不漏掉积水老空区巷道, 并尽量节约钻探工程量, 以达到探水的效果。

(2) 老空区警戒线内的井下钻探与瞬变电磁法配合。为防止老空区范围勘探误差, 当掘进到老空区警戒线时, 在超前钻探的方法探水的同时辅以瞬变电磁法进行远距离的探水。井下瞬变电磁法目前可以探查100米范围内是否存在地质构造或透水征兆, 为钻探提供钻进方位和大致距离, 提高钻探工作的有效性。

(3) 老空区探水线内井下钻探与综合物探相配合。超前钻探工作是煤矿防治水工作中最直接有效的手段, 但由于老空区水赋存形态不定, 少量钻探未能发现含水体, 不能证明前方整个探测范围不存在导水裂隙带或不存在含水区。因此, 当巷道掘进到探水线内, 在原有的超前预报基础上应进行多种物探手段和钻探方法结合, 对巷道的前方、侧帮、顶底板全面的探测。目前常用的矿井水文探测的物探方法有矿井地质雷达、直流电法、井下瞬变电磁法等地质勘探。地质雷达对于空巷、裂隙构造等探测效果最好, 而直流电法、井下瞬变电磁法对水的探测效果较好, 结合这些物探技术各自的优缺点以及适用条件, 进行综合物探分析, 物探成果必须结合钻探方法进行验证, 以确保资料的可靠性和准确性。

(4) 物探、钻探、化探联合探测老空水。针对资源整合矿井中老空水的隐蔽灾害问题, 多因资料不全, 老窑、采空范围不明而加深了查明其老空水的难度, 采取以物探先行探测, 圈出其大致范围, 经过钻探的直接验证, 取得水样进行水化学分析, 最终可以确定其是否存在老空水或其他含水构造的准确信息。

4 结论

资源整合矿井老空水探测过程中, 采用单一的手段处理老空水防治问题已显得力不从心, 需要多方法、多手段同时探测分析才能取得良好的效果, 将勘探与水文地质调查相结合、将物探与钻探相结合、将水平探测与立体探测相结合、将水样化探与征兆预探相结合, 有效提高探水的可靠性和验证率, 也正是响应“物探先行, 化探跟进, 钻探验证”的煤矿水害综合探测验证制度, 真正达到防治老空水灾害的目的, 对整合后矿井老空水害探测方法研究具有一定借鉴意义。

摘要:根据资源整合矿井老空水灾害的特点阐述了探测的指导思想, 研究了各种矿井老空积水区的探测方法。结果表明, 在水文地质调查的基础上, 综合地面勘探、井下物探、钻探和化探方法是较准确探测资源整合矿井老空水的有效方法。

关键词:资源整合,矿井老空水,瞬变电磁,水样化探

参考文献

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[2]国家煤矿安全检查局.煤矿防治水规定[S].2009.

[3]刘会明.老空积水的探水方法及技术[J].科技情报开发与经济, 2009, 19 (33) :129-131.

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