矿井冲击地压

矿井冲击地压（共11篇）

矿井冲击地压 篇1

0 引言

冲击地压是指在矿山开采时集聚在岩体中的弹性势能在某一时刻突然强烈释放, 致使岩石爆裂弹射的现象。近年来随着煤炭开采深度的不断增加及开采范围与强度的提升, 冲击地压在煤炭生产中的发生次数日益增多, 开展对其发生机理的探究, 研发与制定具有针对性的防治技术与措施, 不仅有助于煤矿生产的高质高效进行, 确保广大工人的生命安全, 更是中国煤矿现代化建设的必要保障[1]。

1 矿井冲击地压特征

a) 突发性。井下冲击地压发生前通常不会出现任何显著的前期征兆, 一旦发生其持续时间也极短, 整个过程通常仅仅几秒到几十秒就会结束;b) 多样性。冲击地压依据发生位置的不一可划分为煤爆、浅部冲击及深部冲击三种。煤爆出现时, 煤壁爆裂并会伴随小块煤体大量抛出;浅部冲击多发生在煤壁2 m~6m的区间内;深部冲击则指发生在煤体深处的压力骤放。在各种岩体的冲击地压中煤层冲击最为常见, 发生时不仅会有煤块抛出, 还会产生巨大声响与冲击波;c) 破坏性。冲击地压往往会对矿山造成严重危害, 不仅会干扰生产的正常进行, 更会对井下人员生命安全造成巨大威胁, 冲击地压发生时多会造成煤壁片帮及顶底板沉降, 进而引起支架倒伏与巷道堵塞等, 引起安全事故;d) 复杂性。据有关数据显示, 褐煤外其它煤种均有发生冲击地压的记录, 深度从数百到上千米, 地质构造从简单到复杂, 煤层倾角与厚度也涉及各个层次, 可以说冲击地压的发生条件极为复杂多变, 预测困难[2]。

2 矿井冲击地压出现的原因

2.1 地质因素

a) 开采深度。在相关理论研究领域普遍认为深度对冲击地压的发生影响巨大, 当开采深度不超过350 m时, 冲击地压发生概率极小;开采深度介于350 m~500 m之间时, 可能性有所提高;当开采深度超过500m, 则发生概率会大幅提升[3];b) 煤岩层结构。通过对过去冲击地压事故的分析, 其煤岩层结构大致可分为两种:硬顶~硬煤~硬底及硬顶~薄软层~煤层。这两种煤岩层结构均是冲击地压发生的潜在因素, 生产中遭遇这一结构则易导致开采后的冲击地压现象;c) 地质构造。在上述因素之外, 冲击地压还多会发生在断层、褶曲等地质构造发育显著的地段。这些地方由于地质构成的形成而存在局部应力聚集, 开采通过这些地方时有可能致使其释放。

2.2 开采技术因素

开采技术对冲击地压发生几率的影响主要表现出两种形式:a) 工作面煤炭的开采会致使煤岩中应力快速聚集, 在某一范围形成应力集中区;b) 原本存在应力集聚的围岩或煤体受到采动影响而发生冲击地压。这两种情况下开采工艺选择得不科学都会大幅提升冲击地压发生几率。譬如以开采顺序举例, 单一煤层开采与多煤层分采有着不同的开采顺序, 一旦选择不合理, 在开采中压力分布就会出现不可测的变化, 进而提升冲击地压的发生概率[4]。

3 矿井冲击地压的防治技术与措施

3.1 冲击地压防治原则

a) 避免应力集聚。在工作面生产中, 施工人员必须对工作面布置与开采顺序选择进行科学、合理的设计, 尽可能实现无煤柱开采, 从而避免应力大量聚集;b) 尽可能使煤炭开采方向平行于地应力最大值方向。在煤炭开采中决不可使开采方向同地应力最大值方向形成直角或较大的倾角, 一旦两者成为大倾角, 冲击地压发生概率会大幅提升;c) 提升集聚应力释放的区域面积。在煤炭开采中除了避免人为应力的大量集聚外, 还应对已存在的应力集中区进行有效泄压释放, 降低岩体中应力集中程度降低冲击地压发生的可能性。

3.2 冲击地压治理技术

a) 煤层注水技术。煤层注水既可最大程度地利用机械设备又可将作业区域延伸至安全警戒范围之外, 在冲击地压的实际防治中有着良好的效果。煤炭内部存在着各种微小空隙, 同时其还有着较强的亲水性, 通过对煤层注水可有效改善煤体内部结构, 使煤体内蓄积的势能及自身强度明显降低, 从而降低冲击地压发生的概率。在实际生产中较常用的注水方式有两类:顶板注水及压注化学溶液制品。经实践检验这两种方法均能很好降低冲击地压的发生几率, 需注意的是进行注水时必须对注水时间进行科学布置, 确保时间不会高于3个月, 这是因为注水时间越长其效果也就会越差;b) 卸压爆破技术。卸压爆破技术是指在煤层中进行科学钻孔爆破, 安全有效地释放其中集聚的压力, 从而降低或消除冲击地压发生的概率。这一技术主要作用表现为通过爆破可使煤体中出现大量微小裂隙, 从而改变整个煤体力学特性, 使其中蕴含的弹性势能大幅降低, 从而使煤层不再具备发生冲击地压的条件, 消除危险。在实际施工中应做好爆破前检测和爆破后的信息反馈工作, 在此之前, 运用钻屑法确认是否有进行爆破卸压的必要性, 实施爆破卸压后则应用钻屑法对卸压结果进行检测, 确保预期目标已达成;c) 钻孔卸压技术。该技术是指在高强度应力作用下, 借由煤层中集聚的大量势能对开挖钻孔四周的煤体进行破坏, 从而达到卸压放能的作用。通过科学、合理地开挖钻孔, 不仅能有效降低煤体中应力的大量聚集, 实现对冲击地压风险的大幅降低, 更能够通过开挖的钻孔实现围岩应力向卸压区之外岩层内部的转移。

3.3 其它冲击地压防治措施

a) 合理进行开采的布设。在井下开采中, 无论新老区段在开采顺序选择上都应进行科学合理的论证, 尽可能避免形成多侧采空的孤岛煤柱;进行矿井工作面回风巷道挖掘时应尽可能采用沿空留巷;生产时若回风巷无法满足实际需求而需重新开挖, 新掘巷道位置应紧靠煤体边缘, 避免在前支撑力与侧支撑力峰值的叠加区内开挖新回风巷道;b) 开采保护层。煤矿安全规程中明确指出:“对煤层群进行开采, 应首先对无冲击地压的煤层进行开采, 充作保护层。”通过对保护层的开采可有效降低或消除临近煤层开采时冲击地压的危险发生。

4 结语

矿井冲击地压对矿井生产、职工安全等有着重大威胁, 增强对其防治技术与措施的探究既是保障矿井长久可持续发展的必然需求, 亦是国家现代化建设与构建社会主义和谐社会的必由之路。作为一名煤矿技术人员, 必须以勇于开拓的精神投入到冲击地压的防治研究中, 探究其发生机理, 研发新型防治技术的同时注重旧有工艺的改善, 从而使煤炭生产正常有效地进行, 为国家建设提供动力。

参考文献

[1]李静.煤矿冲击地压防治技术研究与应用[J].煤炭技术, 2012, 31 (2) :69-71.

[2]孙文革.煤矿冲击地压防治技术探讨[J].山东煤炭科技, 2012 (3) :183-185.

[3]侯玮, 骈龙江, 郝彬彬, 等.深部开采冲击地压发生条件及预测和防治[J].河北工程大学学报 (自然科学版) , 2008, 25 (2) :65-68.

[4]窦林名, 何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2001.

矿井冲击地压 篇2

（一）对上下平巷采取超前卸压处理措施

工作面生产后，对上下平巷超前200m实施煤层钻孔卸压工作，始终将打钻卸压范围控制在工作面超前压力影响范围以外。

1、在上巷上帮煤壁距顶板1.5米左右位置每隔10米打一深眼，进行卸压爆破，炮眼与上帮煤壁呈13°打入，眼深15米;在上巷下帮煤壁距顶板1米左右处每隔5米打一深眼，进行卸压爆破，炮眼向下扎角不小于13°打入，眼深15米;在下巷上帮煤壁距顶板1.5米左右位置每隔5米打一深眼，进行卸压爆破，炮眼与上帮煤壁呈13°打入，眼深15米。打眼前先加固好附近支架，打眼人员相互配合一致，匀速推进，及时排出煤(岩)粉。

2、炮眼打好后，要逐眼装药、连线、放炮，每眼装药量为40节;第一个起爆药卷装在距眼底4米处，第二个起爆药卷装在距眼底7米处，眼内各个药卷必须接压，眼内炮泥封孔长度不少于4米，为了确保炮眼内药包的完全引爆，炮眼采用连续偶合方式装药，采用双雷管引爆，2个雷管采用并联连接，每个眼单独正向起爆。

3、放炮使用MFB-100型起爆器，一次起爆个数为1个。爆破时警戒线距离至少200m，躲炮时间不得少于30min。

如果煤层钻孔顺利钻进12米则表明卸压效果达到要求，否则应继续爆破卸压。

(二)解危措施

当电磁辐射仪监测到冲击危险后，应立即对工作面冲击危险区域实施爆破卸压。

钻孔布置方式: ⑴钻孔布置在上平巷下帮时，钻孔俯角沿煤层倾斜向下布置，孔口距顶板1.0m。⑵钻孔布置在上或下平巷上帮时，钻孔仰角沿煤层倾斜向上布置，孔口距顶板1.5m;卸压孔深10米，间距5米。

炸药用矿用乳化炸药，每孔装药量为4Kg，用2发毫秒延期电雷管，正向装药起爆，每孔用三只水炮泥，其余用黄泥封实，单孔内并联连炮，孔与孔之间串联连炮。每次引爆3-5个卸压孔，以提高卸压效果。

(三)防护措施

1、必须对23090工作面上巷实行封闭管理，控制工作面生产人数。

2、平巷断面收缩率大于70%时，应及时对巷道加强支护。

3、上、下平巷支护要可靠，有破网及失锚现象应及时处理。支柱要拴全防倒绳，并用8#铁丝将顶梁挂在顶网上。

4、上、下平巷超前100m范围内：人行道宽度不低于0.8m，巷道高度不低于1.8m;

5、平巷超前100m内全部使用软管。

6、超前200m范围内不准存放闲置物料;闲置设备及电缆架存放在平巷超前150m 范围以外，并生根固定在巷帮上。

7、监测到有冲击危险时要立即汇报调度室及有关领导，通知现场人员撤离危险区，并安排针对性的卸压工作。

8、个体防护措施

(1)不得坐在巷道底板或物料上休息;

(2)不得在以下地点逗留：

①巷道高度不够处;

②人行道安全间隙不够处;

③锚杆失锚或其它支护薄弱地点;

④锚索下方;

⑤设备或物料附近;

⑥靠近铁质管路处。

(3)严禁摘掉安全帽，进入工作面人员必须穿防护背心，戴高强头盔。 冲击地压通常发生在煤矿开采时，是一种岩体中聚积的弹性变形所产生的势能，在突然发生猛烈释放的情况下，导致岩石破裂、爆裂并弹射出来的现象。冲击地压通常伴随煤岩抛飞、巨响、气浪。冲击地压轻则导致岩石脱落，重则会有明显震感，它具有很大的破坏力，是煤矿灾害之一。 2.2.冲击地压的危害

(四)、卸压爆破钻孔设计

(1)选择爆破方式

在23090工作面前方煤体支承压力峰值区以外的区域用爆破方法改变煤体结构，消除或减缓形成冲击危险的条件，实行超前松动爆破应采用深孔爆破方法。

(2)爆破卸载的深度

为了保证安全，在采面前方和巷道周围应有足够宽的卸载保护带。选择爆破卸载的深度时，对采煤工作面前方，应等于保护带宽度加工作面的进度。

冲击地压技术管理

1、要对各开采煤层进行煤层冲击倾向性鉴定，并认真做好待采区段冲击地压危险性评价。

2、编制防治冲击地压专门设计。评价为有冲击地压危险性的区段，采区设计和掘进、采煤作业规程必须编制防治冲击地压的专门设计。

3、采用正确的开采方式和采掘生产工艺，必须要采用长壁后退式开采方法和全部跨落式顶板管理方法。

4、科学安排开采顺序，应避免人为形成孤岛、半孤岛高应力集中区。

5、优化巷道布置：

1)、巷道应避免布置在支撑压力峰值位置或构造应力影响带内。

2)、采场巷道应布置在无冲击或弱冲击的煤层中或岩层中。

3)、采场之间应尽量采用无煤柱开采、沿空留巷或沿空送巷。确实不具备无煤柱开采条件的，应采取窄煤柱布置，与采空区留3—7m煤柱，尽量不布置在煤体边缘10—40m的范围内。

4)、采场开采范围内不得布置与采煤工作面平行或几乎平行的同层位上(下)山。如必须布置时。夹角应不小于15度。

5)、尽量增加采面走向长度和倾斜宽度，减少分区煤柱和阶段煤柱。

6)、在构造应力影响范围内，回采工作面不应垂直构造方向布置，应尽量与断层面、向背斜轴等构造平行或减少夹角。巷道方向最好与构造应力作用方向一致，使巷道周边应力分布较均匀。

7)、发生冲击地压后，必须及时组织有关人员到现场进行调查，对发生的征兆、发生经过、有关数据、破坏情况等进行记录，并制定恢复工作的措施。同时组织专业人员对所发生冲击地压进行分析，以利进一步采取措施。

6、发生冲击地压后，要求及时探明井下：

1)、冲击地压事故发生的地点、波及范围。

2)、通风系统破坏及瓦斯涌出情况。

3)、供水、供电、压风系统破坏情况。

4)、灾区坍塌、底鼓及堵埋人员情况。

5)、有无积水涌出情况等。

7、发生受伤人员，要积极组织人员进行现场急救，对轻伤人员进行简单的止血包扎，对危重伤员经简单医疗处置后，及时组织人员运送至地面。

冲击地压主动解危

1、凡预报确认有冲击地压危险或可能具有冲击危险的区域，各队必须立即采取解危措施进行解危处理。

2、解危处理措施应以煤层卸压爆破法为主，躲炮距离应不少于150m，躲炮时间应不少于40分钟。

3、对不具备采取煤层卸压爆破解危措施的区段，应采取煤层卸压注水、钻孔卸压、顶板爆破处理等解危措施进行处理。

4、对坚硬、不易跨落顶板还应采取强制放顶法进行解危处理，包括顶板预裂爆破、步距放顶和断顶等。

5、掘进工作面和巷道等有冲击地压危险的地点，应采用大直径钻孔卸压法进行解危处理。

采掘工作面冲击地压防治 篇3

关键词:集束卸压孔 弱面结构 应力传递 消耗能量

中图分类号:TD713文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0129-01

目前,采煤工作面发生冲击地压的部位,一般都是在上超前和工作面上头,掘进工作面主要是在工作面后部一定范围内,防治冲击地压的方法,主要是采取对抗法或卸压法。对抗法因为材料等因素的局限,较难达到目的。卸压法确实能起到卸压作用,但不能真正消除冲击地压危险。为能够更好地防治冲击地压,认真分析现有防治冲击地压的技术方法,提出下面集束卸压孔防治冲击地压的方法。

现有的解决冲击地压方法中的对抗法,就是给棚加固法,增强巷道支护,包括架棚喷砼打锚索,以阻挡围岩的冲击。由于来自应力集中地段的围岩压力能量巨大,当地压冲击没来时,还可以维护巷道的完好,一旦发生冲击,面对强烈的地压冲击,这种对抗式支护几乎不起作用。而注水软化法和爆破预裂法,应当属于破坏岩体结构的一种卸压法,虽不属于对抗法,立意较好,但之所以效果不太好,是因为注水法不但没有减少压力集中区物质量,又注水使岩石产生膨胀附加应力而增强压力集中区的应力。爆破预裂法虽然能破坏岩石的单向结构,但取岩量不够,预裂的岩石因为碎胀,可能传递应力的能力进一步增强,并又附加了一个碎胀应力,所以目前的注水软化法和爆破预裂法,不但没有有效地减小高压区的压力或阻断压力传递,相反却增强了冲击地压发生的可能性与强度。

对于掘进工作面,可经过卸压钻场,向巷道周围一定范围内打足够量的钻孔,形成集束钻孔,将巷道周围的岩石除维护巷道结构的以外,足够量地取出,以形成能够被集中应力破坏的结构弱面,破坏的结构弱面不能传递或有效地传递应力,从而阻断应力传递和消除采场内高应力区,防止产生冲击地压。对于采煤工作面,在外部前方一定距离施工卸压钻场,经卸压钻场向( 将)需要消除高压和阻断顶板压力传递处打集束钻孔按量取岩形成结构弱面,并且可再对集束钻孔选孔装药进行结构破坏,因破碎的岩石无法充满取岩区域传递应力,从而达到卸压目的。

由于该法是在巷道或工作面的一定区域,在围岩取出位置人为形成一个弱面空间,当该位置进入应力集中区域时,集中的应力超过该弱面的结构强度时,该空岩管的围岩会压碎填充空岩管,对应于取岩量的多少,减少或不发生底鼓帮鼓。空岩管初次破坏后,即弱化或阻断该处应力传递,应力会发生重新分配,峰值部分会向深部或远离巷道处转移,远离需要保护的巷道或局部工作面。當发生地压冲击时,主要作用于破坏的集束岩管保护范围以外区域, 由于该弱面空间只受到较小的应力作用,并进一步产生破坏,消耗冲击能量,剩余的冲击能量则不足以破坏巷道或局部工作面或岩管之间预留的围岩,从而保护巷道不受冲击或减弱冲击破坏作用,确保巷道内的人员和设备安全,使生产得以连续进行。

集束卸压钻孔完工后,应通过微震仪反应,观察集中应力区的岩爆变化,如卸压作用不够明显,说明剩余孔边岩柱的强度还大于集中应力的破坏作用,有必要对卸压钻孔装药爆破,以便在岩体弱面内形成较好的阻断效果。

对于采煤工作面,施工集束卸压钻孔后,会出现应力集中区域从风巷附近向下部工作面和深部煤岩体转移现象,深部煤岩体在集中应力作用下,可能会出现岩爆,但不会影响到外部工作面。离开风巷的下部工作面,近硬帮处发生岩爆,可能对工作面还有一定影响,比起风巷处发生冲击地压,因为有液压支架支撑,则可以保护人员的安全。对于掘进工作面,两帮顶板施工集束钻孔卸压后,去掉了巷道两帮的应力,使两帮的应力转移到深部岩体,从而弱化对底板岩体的侧向应力作用,达到使底板岩体不发生应力蠕变底鼓或冲击底鼓的目的。

打这种取岩卸压孔,需要保证在垂直钻孔的横断面上,达到一定的取岩量。参照回采冒落岩石膨胀系数一般为1.2～1.3,提示取岩量应当达到0.2～0.3。如果采用直径200mm钻孔,达到单位断面上0.2的岩石取出量,则相邻孔边距为200mm。如果在19m×2m范围内,则需要237个钻孔。这相当于在垂直风巷断面工作面顶底板围岩中,取出了3.8m×2m断面的岩量,足以减小风巷上下帮和顶底板向巷道内的膨胀或冲击。如采用0.3m孔径,孔边距0.3m,单位断面上也为0.2取岩量,效果与上述相同,只需要约106个孔。为保证钻机钻进中途不出现交叉,可以先打100mm细孔,然后扩孔达到所需单位断面取岩量。每孔长70m打106个钻孔,每孔施工时间2个小班( 二次成孔,先打一较小直径的钻孔,再进行扩孔达到要求直径),需要71天。三台钻机同时施工则约需要24天。以上为参照回采冒落岩石碎胀系数为1.2时,确定的单位断面的取岩钻孔直径和数量。由于巷道的围岩并没有沿重力线发生明显的冒落,只是破碎后基本处于原位附近,碎胀系数应小于0.2,所以单从阻断应力传递方面,钻孔直径可能可以选小一些,钻孔间距可能还可以选大些,实际施工时也许会更方便些—— 有利于避免钻孔交叉现象。如考虑巷道围岩挤入问题,孔径相对于孔边距也许应选大些。这些数值问题,可在实际工作中进行总结,根据效果加以调整。实际施工中可能还会因为裂隙导通,出现邻孔返水情况,可以封闭已施工返水钻孔解决。还可能在应力集中区出现塌孔卡钻现象,可能需要在钻头后部圆周安装合金牙,以便解决如钻头进入应力集中区时出现的塌孔现象。

卸压钻孔装药爆破,需要特制形状的火药,火药直径和钻孔直径应匹配;每隔一定距离需要一个起爆雷管,雷管脚线长度,从70m到10m,应该有依次相差2～3m的不同规格。

在施工钻孔取岩时,在单位断面或容积内取岩量需要达到一定值,必须近距离平行施工钻孔。这有一定的难度,需要操作熟练的钻机工,依靠长期打钻过程中积累的经验(采取准确固定钻机、扩孔法等)及性能良好的钻机,确保平行钻孔能够按参数施工,防范可能出现的卡钻问题,确保取岩工作能够顺利进行。

鸟山矿井防治冲击地压设计 篇4

鹤岗矿区是一个老矿区, 井田呈南北分布, 共有九个矿, 14Mt/a。现在采深多在500m-800m, 随着采深的增加, 冲击地压现象越来越严重, 南面的峻德矿、兴安矿、富力矿和南山矿是冲击地压矿井。峻德矿发生冲击地压的煤层是3、9、17、23层, 兴安矿是17层, 富力矿是18-2层, 南山矿是15层和18-2层。自1998年富力矿发生第一起冲击地压事故到2011年6月末, 鹤岗分公司共发生中等以上冲击地压24次。

鸟山矿井是龙煤集团鹤岗分公司拟建新矿井。矿井首采煤层是3号煤层, 根据目前有限的岩样力学资料, 参照煤层赋存深度, 初步判断本矿井3煤层及其顶底板具有强冲击倾向性。

2 防治冲击地压的专门措施

2.1 矿压观测

沿工作面长度布置3个测区, 每个测区设7条观测线。每个测区包括3架支架, 分别为:从巷道起, 第5、6、7架;第15、16、17架;第35、36、37架;第55、56、57架;第75、76、77架;第95、96、97架;第106、107、108架。每组支架安装液压支架压力自记仪, 对工作面液压支架阻力进行监测。设专人24小时对液压支架压力自记仪进行监测, 并将测得的数值进行综合分析。

在顺槽观测超前工作面10m、20m、40m、80m、110m和150m六个位置的单体支柱工作阻力, 单体柱必须牢固可靠, 不影响行人运料的位置, 每天对监测数据记录一次并列表上图记载。

超前支承压力分布的观测采用顶板动态法, 在顺槽超前工作面10m、20m、40m、80m、110m和150m六处设置顶板动态监测点, 在运输及轨道顺槽布置12台动态仪, 监测点, 选择在顶板完整的位置, 对应底板各打钻固定一根锚杆, 每天观测一次顶底板移近量, 观测记录要真实可靠并填表存档。

在顺槽超前工作面10m、20m、40m、80m、110m和150m六处设置顶板离层监测点, 安装智能型顶板离层仪。

在顺槽超前工作面每20m处设置一个巷帮移近量观测点, 在两帮平行位置打两根锚杆, 共设五个观测点, 每天观测一次巷道两帮的移近量, 观测记录要真实可靠并填表存档。

顶板动态监测、回风道两帮收缩量监测随着工作面的推进每20m循环前移一次, 保持动态监测的连续性。由采煤队技术员负责监测并记录。

顶板破碎度统计观测采用全工作面监测方法, 选取10个测点进行监测。

2.2 冲击地压预测预报系统

本矿井配备一套微震监测系统 (SOS) 。

微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行微震监测, 根据记录的单独时间参量及序列活动来评价冲击危险发生趋势。系统能自动记录微震活动, 适时进行震源定位和微震能量计算, 为评价全矿范围内的冲击危险提供依据。其原理是利用井下拾震仪站接收的直达P波起始点的时间差, 在特定的波速场条件下进行三维定位, 以判断破坏地点, 同时利用震相持续时间计算所释放的能量和震级, 并标注采掘工程图和速报显示给生产指挥系统, 以及时采取措施。目前该种系统国内外成熟的型号较多。

2.3 回采工作面冲击地压防治技术

试验研究表明, 水对煤岩的强度特性、变形特性和冲击倾向性都有着重要的影响。水对煤的强度的影响, 已被在实验室煤体进行的不同浸水和不同浸泡时间的大量试验研究所证实。煤块试样浸水随煤体含水率增加, 孔隙率和泊松比增大, 但其强度和弹性模量降低, 并在一定时间内, 随浸水时间的延长而加剧。

水对煤的冲击倾向有着显著的降低作用。国内外试验结果都证明, 注水煤样或是浸水煤样的冲击倾向都比未注水的煤样低, 现场实测也证明了这点。

注水后由于煤的结构发生改变, 导致强度下降, 变形特性明显“塑化”;煤体积聚弹性能的能力下降, 以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加;煤的冲击倾向大为减弱, 甚至完全失去冲击能力。

煤层注水后其支承压力分布发生明显变化, 支承压力峰值有明显降低, 且支承压力曲线变为平缓。

2.4 掘进工作面冲击地压防治技术

2.4.1 大钻孔卸压

钻孔卸压的实质是利用高应力条件下, 煤层中积聚的弹性能来破坏钻孔周围的煤体, 使煤层卸压, 释放能量, 消除冲击危险。

钻孔卸压是防治冲击地压的积极措施, 钻孔直径为76mm-500mm。

根据条件类似本矿区其他矿井经验, 本设计采用的钻孔直径为113mm, 钻孔长度应穿过煤巷2侧煤壁至少12m以上, 通过钻孔卸压, 使应力升高区内移, 降低或避免冲击地压危险。

2.4.2 卸压爆破

2.4.2.1 顶板预裂爆破

当预测有严重冲击地压危险时, 必须采取解危卸压措施, 减缓应力集中的程度。掘进工作面均采用深孔卸压爆破法, 其操作方法:

在煤巷掘进工作面进行顶板预裂爆破断顶施工, 顶板预裂爆破断顶沿预测有冲击倾向的煤巷开始每间隔5m打一钻孔, 不得滞后掘进工作面20m, 在煤巷沿走向使用钻机进行顶板预裂爆破钻孔, 钻孔参数为:沿煤巷顶板上帮侧 (如为回采工作面顺槽, 则为回采工作面侧) 往下2.5m开孔打钻, 与煤巷走向夹角为5.5°, 水平仰角40°, 孔深66.8m, 5m移钻一次, 开孔距5m、终孔距5m, 孔径75mm (使用合金钢无岩钻头) 。

卸压爆破每孔装药量为30kg (装药段下端不得超过煤巷顶板法向距离10m) , 孔径为Φ75mm, 使用特制火药, 规格为:Φ45mm×400mm, 每5管火药用一个引药, 正向装药, 封孔使用4个水炮泥, 其外用黄泥封严、封实、封满、长度不小于25m。采用塑料管装时, 装药段必须割缝或钻孔。

施工顶板预裂爆破孔每次只放一个孔、并对爆破孔上图标注、现场挂牌管理。

2.4.2.2 煤层卸压爆破

⑴巷道掘进前必须采取边卸压边掘进施工, 迎头至少保证10m的卸压保护带。

⑵迎头卸压

迎头:距巷道底板0.8m、间距0.9m、按施工中心方向坡度0度向前施工4个, 长度15m;

2帮:距巷道底板2m、间距5m、按与巷道前进方向成30°夹角, 在巷道煤层赋存的方向沿煤层倾向各施工4个, 长度15m;最近的2个孔紧跟迎头。

⑶掘进工作面必须在卸压范围内施工, 钻孔超前工作面不少于5m。

⑷煤层卸压爆破孔直径42mm。

⑸迎头卸压孔每孔装药量为4kg, 每5管火药用一个引药、正向装药、孔内并联。

⑹封孔使用水炮泥, 水炮泥以外用黏土或黄土炮泥封实不得小于2.5m。

3结论

鸟山矿井防治冲击地压设计主要采取矿压观测、微震监测系统、煤层预注水、大钻孔卸压、卸压爆破等措施, 可有效防治矿井冲击地压发生, 并且此项设计在实际生产中得到应用, 取得良好效果。因此, 此项防冲专项设计为矿井安全生产提供技术支持, 为保证矿井的安全生产具有指导意义。

摘要：为防治矿井的冲击地压, 设计采用矿压观测、微震监测系统、煤层预注水、大钻孔卸压、卸压爆破等措施对矿井的采掘工作面进行防冲, 通过以上几项措施的有机结合, 取长补短, 从而有效防治矿井的冲击地压的发生。

矿井冲击地压 篇5

关键词：冲击地压 防治 灾害治理 措施

摘要：本文在分析华丰矿区地质开采环境特征的基础上，探讨了冲击地压形成的内外因和内在斑裂产生的机理。建立健全了灾害预测防治体系，提出了开采解放层、煤层注水、爆破卸压等治理防护措施。

0 引言

冲击地压是采场周围煤岩体，在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能的瞬间释放而产生一种以突然、急剧、猛烈破坏为特征的动力现象。冲击地压是一种特殊的矿山压力显现。其显现强度特征一般为弱冲击、强冲击、弹射、矿震、岩爆、煤炮、冲击波、弹性振动等，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象;其发生突然剧烈，冲击波力量巨大，瞬间摧毁巷道、采煤工作面和设备，伤击人员。据统计，山东省从至3月份，先后有13处煤矿发生冲击地压灾害，发生破坏性冲击地压353次，死亡28人，重伤65人，摧毁巷道8 000余米。

新汶矿业集团华丰煤矿是一个具有水、火、瓦斯、煤尘、冲击地压等多种自然灾害的老矿井，开采历史长，生产条件较为复杂。随着生产水平的下移，第5水平(-1 100m水平)是目前的主要生产水平，矿井地面表高+130m，回采工作面采深达1 140m，开拓深度达1 200余米。矿井煤岩层为单一倾伏向斜构造，地层走向由NW―NNE渐变为NE―E，倾向由E变为N及NW，倾角32°~35°。华丰煤矿首次冲击地压发生在1992年3月8日2406(1)工作面上平巷，标高为-538m。首次冲击以来共发生0.5级以上冲击地压28000余次，1.0级以上冲击地压2900余次，1.5级以上冲击地压490余次， >2.0级以上的7次，最大震级2.9级。其中共发生破坏性冲击地压107次，造成工作面停产11次，累计造成41人重伤， 7人死亡，摧毁巷道2 000余米，平均顶底板移进1. 2m，两帮移进0.8m，摧毁巷道500余米，断面收缩率75%以上，其中大部分顶底板闭合，需要停产大修;累计破坏工作面长度400余米，平均底鼓1.1m，煤壁向老空区移进0.5m，共损坏单体液支柱407根，铰接顶梁503根，严重损坏了多台设备、设施及多道通防设施，累计造成直接经济损失850万元。因此，加强煤矿冲击地压灾害的预防与治理工作是煤矿安全生产工作当中急需解决的重大问题。

1 冲击地压发生的原因

冲击地压发生原因有内因、外因2种因素：内因包括煤层本身的物理属性、煤层原岩应力状态;外因包括采深、采动集中应力(主要为超前支承压力、煤柱集中应力等)、放炮诱发等。

1.1 冲击地压发生的内因

(1)煤层具有冲击倾向性

冲击地压的发生与煤岩体物理力学性质有直接关系。煤炭科学研究总院北京开采研究所对华丰煤矿4层煤冲击倾向性试验结果表明，华丰煤矿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[1]。

(2)砾岩活动是发生冲击地压的主要力源

华丰煤矿4层煤上方基本顶为70余米厚的砂岩层，随着工作面的推进周期性跨落;其上为40余米厚的红土层，随基本顶的跨落而弯曲下沉;再上部为500~800 m的巨厚砾岩层，砾岩层完整性较强，抗压及抗拉强度均较大，采后不易冒落下沉，导致砾岩层与红土层之间产生离层空间。随着采空面积的加大，巨厚砾岩层形成板状悬空岩梁，砾岩层原来的应力状态发生改变，从而增加了未采4层煤的应力水平。当板状砾岩层悬露面积达到一定程度后，开始缓慢下沉并周期性断裂跨落，砾岩层的断裂跨落对下部的煤岩体产生冲击载荷，从而加剧了4层煤工作面煤体的应力集中程度，导致4层煤工作面冲击危险增强，因此，巨厚砾岩层是发生冲击地压的主要力源。

1.2 冲击地压发生外因

(1)采深大应力高

华丰煤矿首次冲击地压发生在-538 m水平，垂深为668 m，即冲击地压发生临界深度为668m，开采大于该深度就有可能发生冲击地压。目前矿井最大开采深度为1 230m， 4层煤工作面开采深度已达970m，已远远超过该深度。随着4层煤工作面采深的加大，自重应力已超过4层煤的抗压强度，较高的原岩应力易使煤体产生应力集中而破坏。

(2)煤柱集中应力的影响

为满足煤层防火的要求，相邻采区之间和上下阶段之间留有采区和阶段隔离煤柱，现场实测和数值计算结果表明， 4层煤柱应力集中峰值范围为7~12m，当煤柱尺寸>12 m后，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)工作面采动集中应力和周期来压的影响

观测结果表明， 4层煤工作面超前支承压力集中范围为5~35m，应力集中系数为2. 5，但上方砾岩层的超前压力影响范围达120m。因此， 4层煤工作面采动集中应力对工作面影响较为明显。4层煤分层开采时上分层工作面周期来压强度最大达510 kn/m2，来压较为强烈。据不完全统计， 4层煤冲击地压83%发生在顶板来压期间，且对工作面超前压力影响范围破坏最为严重。

(4)工作面推采速度的影响

回采工作面推采过大后，工作面煤体集中应力得不到及时释放，容易造成应力集中，因此工作面推采速度也是影响冲击地压发生的因素之一。

(5)放炮诱发

回采工作面放炮容易造成煤岩体能量释放，因此工作面放炮是诱发冲击地压的主要工序，据统计，华丰煤矿放炮诱发冲击地压占75%以上。

2 冲击地压灾害预测预报及治理

2.1 冲击地压灾害预测方法

(1)经验类比法

经验类比法是预测采区或工作面冲击危险程度和区域的常用方法。工作面开采或巷道掘进前，利用经验类比法对工作面进行冲击危险程度划分，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。

(2)煤粉监测法

煤粉监测是操作方便、效果明显的一种冲击危险监测措施。监测方法：使用MSZ 12电煤钻、42套节麻花钎子配42钻头打眼，从孔口开始每米收集1次煤粉，并用弹簧秤称其重量记录在记录表上，每打完1个孔，必须立即将结果填入记录表，当监测煤粉量超过危险煤粉量时，预报有冲击危险。再利用电磁辐射法进行校核监测，当两种监测手段均有冲击危险时，应及时实施卸压爆破，炮后再打1~2个煤粉监测孔，校验卸压效果，如不能消除冲击危险，必须继续实施卸压爆破，直至消除冲击危险。

(3)电磁辐射监测法

电磁辐射监测是近几年由中国矿业大学发展研究的`一种新型冲击危险监测方法，利用KBD 5型流动电磁辐射仪和KBD 7电磁辐射监测系统对工作面进行电磁辐射监测。操作简便，实用性较强。

(4)工作面矿压监测法

每班对上、下平巷超前支柱进行阻力监测，找出工作面超前支承压力影响范围及应力集中系数，确定超前支护距离及方式。根据阻力大小预报工作面顶板来压及应力集中区域。在工作面中部布置2个测区，测区间距20m，每个测区包括2个支架，重点对工作面支架阻力进行循环监测，然后画出监测曲线，预测工作面顶板来压情况，结合其他监测手段预报工作面冲击危险度。同时对每个支架都安设自动测压表，一方面可以对支架初撑力进行监控，另一方面可以对工作面顶板来压情况进行全面预报分析。

(5)微震监测法

利用短周期地震仪监测记录0. 5级以上冲击发生的次数及冲击地压释放的能量。利用此趋势预测预报近期冲击地压发生的趋势及应力释放情况。在定位系统建成之前，采用现在的地震仪现行监测①。

(6)钻孔应力计监测法

在工作面上、下平巷超前100 m均匀埋设钻孔应力计，对巷道煤体应力变化情况进行监测。钻孔应力计设在上平巷下帮、下平巷上帮，孔口距底板0. 5m，沿煤层倾角布置，孔距20 m，孔深10 m。每小班监测2次，画出每台应力计的监测结果，找出应力集中地点及集中范围，配合其他手段实现工作面冲击危险的准确预报①。

2.2 冲击地压灾害治理

(1)开采解放层

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，首先开采弱冲击倾向且没有出现冲击地压现象的6层煤，然后在解放范围内开采4层煤。研究结果表明，在保护角内4层煤顶底板围岩应力得到较大范围和幅度的降低，直接底、直接顶、基本顶应力降低幅度约35%。实施解放层开采后，冲击现象明显降低。

(2)合理开采

各煤层、水平、阶段、采区应按合理顺序开采，避免相向回采和形成孤岛煤柱。采用长壁开采方法，冒落法管理顶板。厚层坚硬砂岩顶板大面积悬顶时，应进行强行放顶。采用无煤柱护巷，尽量不留煤柱，少掘巷道。开拓巷道及永久峒室，应布置在岩层或无冲击地压危险的煤层中。

(3)煤层注水

有冲击倾向的工作面开采前进行超前注水可以提前改善煤层结构，降低煤体的冲击倾向性，是一种主动治理措施[2]。

(4)爆破卸压

工作面开采期间，可对工作面煤体进行超前松动爆破和卸压爆破。松动爆破是一种超前治理措施，卸压爆破是一种被动卸压治理措施，当监测到有冲击危险后，应立即实施卸压爆破。卸压孔深7~10m，孔间距不>5 m，每次引爆4~5个卸压孔，以提高卸压效果。另外，还可在切眼掘进期间应用过大钻孔卸压措施;在煤柱集中应力区应用巷道卸压等措施。

参考文献：

[1] 郭惟嘉，沈光寒，闰强刚.华丰煤矿采动覆岩移动变形与治理的研究[J].山东矿业学院学报， 1995， 12(4)： 359 364.

矿井冲击地压 篇6

关键词：冲击矿压微震 监测技术 预警系统

中图分类号：TD324.2文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0031-01

随着中国经济形势的变化和煤炭资源的日益深入开采，造成了煤岩动力灾害不断加重。针对于煤岩动力灾害，目前国内主要采用钻屑法、采动应力场的监控方法，车顶动态监测方法进行监测预警，但是以上手段在实际使用中都存在着监测范围小、精度低等劣势。于是，矿上冲击矿压的微震监测技术的优越性就得到了很好地体现。

1 冲击地压预警技术的发展

冲击地压，又称岩爆，是指井巷或周围的岩石表面，能量瞬间释放产生的动力现象突然严重破坏突然剧烈破坏的动力现象。

实现冲击地压防治预测的首先是得益于微震）监测技术的出现。在国外，它已使矿山微破裂发展的监测从“难以实现的奢望”转变为采矿过程的一个有机组成部分，成为矿山开采诱发动力灾害监测的主要技术手段。实现矿山动力灾害预测的可能性的另一个重要因素则是矿山整体结构应力场分析的大规模科学计算技术的发展。大规模数值计算技术在国民经济建设中的作用，已普遍地为人们所共识。

2 微震监测基本原理

微震监测的基本原理是：岩体在变形破坏的整个过程中会伴随着裂纹的产生，扩展，能量积聚，以应力波的形式释放能量，从而产生微震事件。微震和声波到达预先埋设多个实时微震数据采集??的地震检波器。由于源和检测器之间的距离不同，则检测器的振动波的传播时间是不同的。根据不同的时间差检测器，使用“复杂的定位技术”进行震源定位计算，得到微震发生的位置。

3 基于ARAMISM_E微震监测系统的冲击地压监测技术

ARAMISM_E微震监测系统的主要功能是对整个矿井的实时监控，微震事件自动记录，并微震源位置和能量计算的范围内发生的微震事件，分析主要危险区微震事件的日常规律，动态评估有关的区域影响危险性类别，指导煤矿冲击地压防治工作；摆脱危险的测试和优化相关技术参数，提高防碰撞系统和控制效率的影响。

系统自带的软件区别于其他同类产品不同的功能，是可以监测每个区域的风险，容易掌握的矿难动态范围压缩趋势的影响，进行实时评估影响的结果，一个地区一旦发现异常情况，可以采取更有针对性的解危措施，以防止意外或减少提供了宝贵的时间事故风险水平，大大提高矿山岩爆防治的效率。

ARAMISM_E微震监测系统是实时监控的最基本的功能，记录的微震事件，并计算其坐标计算和能量。在得到上述的基础上，结合实际需要，地质条件，开采技术等因素的因素，从不同角度对监测数据！采取不同的分析方法和手段，进一步做深入的分析，并在可能的冲击地压灾害的研究做出评价，指导现场岩爆防治。

4 微震监测系统架构设计

微震监测系统主要由检波测量探头、EMR分站、和地面上位机等组成，系统采用带嵌入式信号传输模块的震动速度型矿震监测拾震器，独立的干线式数据传输系统，进行双向控制传输。可实现拾震器工作状态的远程监控和调试。

EMR分站信号采集部分主要包含天线、前置放大电路和A/D转换电路，前置放大器输出的信号经电平调整后进入A/D转换电路，电磁辐射信号由微弱的模拟信号转换成离散数字信号，这样便于电磁辐射数据的存储与处理。通信部分采用现场总线方式，支持RS232、RS485、CAN和以太网等4种通信协议。分站通过调整通信协议，可以作为安全监测监控系统中的一个分站或者传感器，藉此矿上安全监测监控系统能够获得井下电磁辐射统计数据。需要说明的是，现有安全监测监控系统由于挂接的分站和传感器数目较多且一般通信速率较低，如中国煤炭科工集团常州自动化研究院研制生产的KJ95N型煤矿综合监控系统，最多支持128个分站，通信速率1200bps，所以电磁辐射实时波形数据一般情况下无法通过监测监控系统的网络传输，但可以通过该系统传输电磁辐射的统计数据，如，单位时间内的脉冲数、电磁辐射强度等。深入研究与分析冲击地压演化过程中电磁辐射信号的变化规律又要求获取电磁辐射波形数据，因此结合实际情况，系统研制中，增加了便于更换且支持热插拔的大容量存储电路，用于保存电磁辐射信号的波形数据。显示部分采用字符型液晶模块，可以显示系统参数、实时监测数据等。在移动式监测应用中，需要对系统参数进行现场调整，人机交互通过薄膜按键和液晶显示电路实现，能够修改或设定系统的采样频率、监测通道、系统时间、触发门限等。在线监测中，可以通过上位机发送相应指令来获取或修改这些参数。

5 微震监测系统的功能设计

（1）岩体震动信号采集、記录和分析。

（2）多组波形处理，矿震三维定位和能量计算。

（3）微分、滤波和频谱分析等，记录信号报警功能。

（4）采用网络时间同步技术PTP，可以使时钟同步精度达到亚微秒。

（5）采用光纤作为以太网的通信介质，每个实时数据采集子站，动态收集和缓存数据。

（6）使用IP技术的构成局域网，提高系统规模扩充性。

6 结论

根据目前冲击地压的发生机理，介绍微震监测基本原理基于ARAMISM_E微震监测系统的冲击地压监测技术，设计了微震监测系统的架构以及其功能，实现对矿井微震的实时网络监控，实时分析和及时的信息，为煤矿安全生产，国家防灾提供更加科学的技术支持，为全国冲击地压灾害分析防治工作发挥重要作用。

参考文献

[1]中华人民共和国国家统计局.中华人民共和国2010年国民经济和社会发展统计公报[R].2011.

[2]孙继平.煤矿物联网特点与关键技术研究[J].煤炭学报，2011（1）：167-171.

[3]王恩元，何学秋，李忠辉，等.煤岩电磁辐射技术及其应用[M].北京：科学出版社，2009.

[4]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.关于辽宁省阜新矿业（集团）有限责任公司孙家湾煤矿海州立井“2.14”特别重大瓦斯爆炸事故调查处理情况的通报[EB/OL].http：//www.chinasafety.gov.cn/zhengwuxinxi/2005-05/17/content_97945.htm，2005.

矿井冲击地压 篇7

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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[5]苏承东, 李化敏.深埋高应力区巷道冲击地压预测与防治方法研究[J].岩石力学与工程学报, 2008, 27 (2) :3840-3846.

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[9]刘会强, 董恩信, 刘丹.预掘疏压硐室卸压技术在防冲中的应用[J].中州煤炭, 2011 (3) :88-90.

矿井冲击地压 篇8

冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式, 是严重威胁煤矿安全生产的典型动力灾害之一。我国最早记录的冲击地压现象于1933年发生在原抚顺矿务局的胜利煤矿, 当时的开采深度为200m左右。后来。随着开采深度的增加和采掘范围的扩大, 原北京矿务局的门头沟矿、城子矿、房山矿, 抚顺矿务局的龙凤矿和老虎台矿, 原枣庄矿务局的陶庄矿、八一矿, 开滦矿务局的唐山矿, 原阜新矿务局的高德矿、五龙矿, 四川天池煤矿等矿都发生了冲击地压。从1949年建国以来, 已发生破坏性冲击地压4000多次, 震级ML0.5~3.8级, 造成大量巷道破坏和惨重人员伤亡。

近10年来, 随着我国煤矿开采深度的不断增加, 开采强度不断加大, 我国发生冲击地压矿井的分布范围越来越广。截止2006年底, 北京、枣庄、抚顺、阜新、辽源、大同、天池、开滦、新汶、徐州、义马、鹤壁、双鸭山、鸡西、淮南、大屯、韩城、兖州、华亭、古城、贵州等近100个矿区 (井) 均发生过冲击地压。仅2001年至2006年底, 在大同、抚顺、北京、华亭、大同、阜新等局矿因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达10余起, 死伤人数达数百人。

我国目前煤炭产量居世界之冠, 又以井工为主, 这种局面在一个相当长时间内难以改变。随着我国煤矿开采深度的进一步增加和开采强度的加大, 冲击地压的危害将日趋严重。从目前情况看, 我国每年均发生多起因冲击地压而导致的人员伤亡事故, 我国已成为世界上冲击地压最严重的国家之一。

我国从20世纪70年代末期开始系统地开展冲击地压的研究工作, 1987制定了我国第一部《冲击地压煤层安全开采暂行规定》。目前, 与冲击地压煤层开采相关的规定或安全条文还有:1983年原煤炭工业部颁布的《煤矿安全装备基本要求 (试行) 》, 其中对开采冲击地压煤层装备进行了规定;《煤矿安全规程》中阐述了冲击地压煤层开采的一些原则;《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》及《岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法》。

冲击地压的防治方法很多, 预测方法包括根据采矿地质条件确定冲击地压危险的综合指数法、数值模拟分析法、钻屑法等;采矿地球物理方法, 包括微震法、声发射法、电磁辐射法、振动法、重力法等;防治方法包括合理的开采布置、保护层开采、煤层松动爆破、煤层预注水等;对于已具有冲击危险的煤岩层, 采用的控制方法有煤层卸载爆破、钻孔卸压、煤层切槽、底板定向切槽、顶板定向断裂等。但是, 从冲击地压预测与防治实践看, 对于具体冲击地压矿井而言, 要达到准确预测和有效防治的目的, 仅仅采用一种方法或几种方法, 还达不到预期的效果, 无法满足因采矿各种条件的改变而导致冲击地压发生机理、原因的改变, 从而不能保证一种或几种方法解决各种冲击地压问题。因此, 必须探讨解决冲击地压问题的有效途径。

2 冲击地压微震监测技术存在的问题

在我国, 早在1959年, 北京门头沟矿曾用当时的中科院地球物理所研制的581微震仪 (哈林地震仪改装) , 监测冲击地压活动;20世纪70年代, 国内开始以耳机收听或录音机记录岩石声发射频度的便携式地音仪, 长沙矿山研究院开发了DYF-1、DYF-2型便携式智能地音分析仪及STL-1、STL-12型多通道声发射监测系统, 用于微震监测;华丰煤矿在1995年与中国地球物理学会合作设计安装了微震监测系统, 通过十年来的连续监测, 积累了大量的数据资料。1984年后, 门头沟、房山、陶庄、北票、龙凤等煤矿曾陆续引进波兰地音—微震监测定位系统 (SAK-SYLOK) , 但操作条件困难, 均没有坚持连续监测, 绝大多数矿山的微震是由区域地震监测台网观测而得到观测资料, 很难用于研究微震的空间域规律。

近年来, 随着国民经济的快速发展, 对煤炭能源的需求激增, 行业经济形势看好, 我国的一些冲击地压矿井进口了国外的先进监测系统, 例如:2005年华丰煤矿采用波兰EMAG公司的新一代微震监测系统ARAMIS M/E, 经过两年摸索, 取得了一些经验。但由于现场缺乏高素质的微震信息处理和分析人员, 未能形成完整的监测分析和预报思路。因此, 目前微震技术在我国的应用缺乏成功的示例。由于冲击地压发生机理尚未弄清楚, 因此, 面对先进监测系统得到的繁多的监测数据, 如何充分利用和开发这些第一手资料并进行合理的解释, 从中得到可以预测未来煤岩层活动的信息, 则是冲击地压动力灾害预警技术工作中的难点。

在国外, 微震监测技术的发展已使冲击地压的监测成为采矿安全管理的一个有机组成部分, 如波兰、南非、美国、加拿大、俄罗斯和澳大利亚等国的深井矿山。由于微震监测系统监测范围灵活, 定位精度较高, 已成为矿山开采诱发冲击地压监测的主要技术手段。利用微震监测系统, 在发生冲击地压的井田范围内布设拾震器, 探测煤岩层断裂所产生的地震波, 确定断裂发生的位置, 统计出微震活动性的强弱和频率, 通过微震监测获得的断裂分布位置, 判断潜在的冲击危险性活动规律。

3 冲击地压微震监测技术体系建设的构想

为了做好开采冲击地压煤层矿井的安全工作, 对冲击地压矿井的监管必须统筹安排, 全盘考虑。不仅考虑到专业, 而且要考虑到各个层次的工作特性, 还要动员所有人参与。为此, 提出一个冲击地压矿井安全监管技术体系。

3.1 矿山冲击地压灾害构造背景控制特征

运用板块和区域构造理论, 通过构造演化分析, 结合先进的探测技术手段, 查明深部煤岩体活动控制因素。从而达到有目的设立微震监测网, 为实现煤矿冲击地压灾害中、长期预报奠定基础。

3.2 矿山动力灾害微震活动前兆规律和失稳模式

微震一般是微米级的自然连续振动, 振动主频率在十几赫兹到一百赫兹左右, 明显有别于人类现场干扰。由于微震频谱的再现性较好, 频域上可以作为平稳随机过程处理。因此可以采用时~频分析技术分析微震信号的功率谱和幅频特性, 以便从谱特性进行微震信号的辩识, 以确定微震事件类型, 从而能够校正系统的定位误差, 并为预测预报矿井重大动力灾害提供一条的线索。

3.3 矿山动力灾害监测预报示范基地

依托实例工程, 建立微震监测试验基地, 形成矿山微震数据采集系统, 并通过网络技术将现场数据向数据处理中心进行实时远距离传送, 实现对煤矿井工作面微震活动进行24小时连续监测, 获取大量的微震活动性时空分布数字化记录, 并实现将微震监测的结果 (输出) 作为修正模型的原始数据 (输入) , 使分析模型能够依据现场变化动态调整, 实现分析预报系统的初步运转, 为在我国实施矿山冲击地压分析防治提供理论、技术支持和示范作用。

4 结论

鉴于目前我国矿山微震技术应用落后的实际情况, 提出了符合我国煤矿实际技术水平的冲击地压灾害监测、分析、防治思路———即将冲击地压矿井微震监测工作与分析预报工作分离, 由现场和具有实力的研究机构分别实施。可以在科研实力雄厚的研究机构建立我国冲击地压灾害分析防治研究平台和示范基地, 形成辐射区域内各大矿区的矿山动力灾害分析预报系统, 运用网络技术, 将现场获得的微震事件信息实时传送到冲击地压灾害分析预报中心, 在实测微震事件信息基础上, 实现对入网冲击地压矿井的实时监测、即时分析和及时通报, 为矿山安全生产提供更加科学的技术保障, 为全国冲击地压灾害分析防治工作发挥示范作用。

致谢:感谢煤炭科学研究总院开采设计研究分院高级工程师任勇在论文成文上的全力帮助!

矿井冲击地压 篇9

1 工程概况

21 采区皮带暗斜井位于21 采区进风暗斜井煤柱西侧, 沿二煤煤层顶板布置在煤层中。该巷道采用锚网索喷+36U拱形支架支护, 坡度为-13°, 断面为15.07 m2, 用于21 采区煤、矸的运输。

2 冲击地压防治技术

2.1 冲击危险性评价

地质条件影响冲击地压危险状态的因素和指数如表1 所示。开采技术条件影响冲击地压危险状态的因素和指数如表2 所示。冲击地压危险状态的分级如表3 所示。

根据表1 和表2 中Wt1和Wt2的具体表达式和下式, 就能确定21 采区皮带暗斜井煤巷修护段周围冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt, 为:

将相关数据代入公式 (1) 中可得Wt=max{0.53, 0.45}=0.53, 对照表3 冲击地压危险状态的分级, 可知21 采区皮带暗斜井修护段具有中等冲击危险。

2.2 监测预警

在21 采区皮带暗斜井煤巷修护期间, 利用矿井ARAMIS微震系统监测煤岩体破裂的频次和能量。预警指标:煤巷扩修作业地点150 m范围内微震事件频次、能量连续3 d呈上升趋势或出现大能量事件 (超出106J或24 h内超过105J5 次以上) 。预警处置措施:当微震监测达到预警指标时, 立即停止扩修作业, 然后在该区域采取钻屑监测法进行冲击危险程度评价, 如果钻屑超标, 应及时采取大直径卸压钻孔卸压解危。

2.3 卸压措施和效果检验

2.3.1 超前卸压和效果检验

在煤巷段修护时, 在正前巷道两帮各施工一个超前卸压钻孔进行卸压, 同时对钻孔排粉量进行称重。如果钻孔排粉量正常, 则可进行扩修;如果钻孔排粉量超标或动力显现明显时, 则持续卸压钻孔, 直至钻屑量降至预警指标以下。

钻孔参数如下:

孔径:75 mm。

孔深:20 m。

角度:钻孔与巷帮煤壁水平夹角45°, 仰角0°~5°。

距底板高度:0.8~1.2 m。

循环进尺:每扩修8 m施工一次。

2.3.2 巷帮卸压钻孔和效果检验

在煤巷两帮施工大直径卸压钻孔进行巷帮卸压, 滞后修护茬头距离不大于8 m。

钻孔参数如下:

孔径:125 mm。

孔深:25 m。

间距:1.6 m。

角度:垂直巷帮布置, 仰角6°~10°。

距巷道底板高度:1.5~1.8 m。

封孔:封孔长度不小于1 m, 里段使用5 节水泥封孔剂, 外段利用黄泥封严封实。

在巷帮施工钻屑孔进行效果检验, 滞后扩修头距离不大于8 m。

钻孔参数如下:

孔径75 mm。

孔深:20 m。

间距:8 m。

角度:垂直巷帮布置, 0°~5°。

封孔:封孔长度不小于1 m, 利用黄泥或水泥封孔剂封孔。

如果在打钻过程中发生卡钻、吸钻、煤粉颗粒大、频繁响煤炮等动力现象时, 则表明存在冲击危险。

2.3.3 巷帮解危措施

当监测到钻屑量超过预警指标或施钻过程中动力显现明显时, 在钻屑施工位置横向或纵向加密布置卸压钻孔进行解危, 水平和垂直方向钻孔错距不低于0.5 m。采取解危措施后, 再次利用钻屑监测进行效果检验。当超过预警指标值时, 必须再次进行卸压解危, 直至低于预警指标, 方可继续施工。

3 结束语

通过对煤巷修护段进行冲击地压危险性评价, 在21 采区皮带暗斜井修护期间, 采取了冲击地压防治措施, 并取得了较好的防治效果, 实现了安全生产, 为今后其他煤巷修护段冲击地压的防治工作提供了依据。

摘要：为有效防治煤巷修护时的冲击地压灾害, 千秋煤矿对煤巷修护段进行了冲击地压危险性评价, 并根据不同的评价等级进行了冲击地压防治设计, 并采取了施工前评价、施工期间监测、卸压解危、效果检验等防治措施, 取得了较好的防治效果, 为安全生产提供了良好的保障。

关键词：煤矿开采,冲击地压,煤巷修护,防治技术

参考文献

[1]李德喜, 丁强.煤矿开采冲击地压灾害动态防治技术[J].煤矿开采, 2008.

矿井冲击地压 篇10

义煤矿区为我国典型的冲击地压矿区,受冲击地压影响,巷道工程围岩环境差,巷道维护困难[1,2,3,4]。国内外对冲击地压矿井巷道维护进行了大量研究,取得不少成果[5,6,7,8,9]。河南能源公司中部矿井耿村煤矿主要采用锚网索、架棚、液压抬棚和巷道支架等复合支护方式,支护效果不理想,围岩变形量大,破坏严重,锚杆、锚索支护体系严重破坏,回采巷道服务期间全部维修一遍,局部段反复维修,工作面回采期间超前支护段巷道在多次维修后断面仍不能满足回采需要,巷道维修贯穿于巷道整个服务期间。具体而言,巷道从掘进后一直处于不稳定的变形阶段,顶煤整体性在短时间内遭到破坏,网兜的现象普遍,顶煤下沉、离层量大,底鼓严重,巷道掘进后短时间内架棚变形失效,顶板锚杆、锚索基本被网兜埋没,局部出现锚杆、锚索破断,锚杆托板严重变形,整个支护系统中,一级锚网索支护系统基本失效,巷道支护成本高,返修率高,巷道大变形和大维修给生产和安全带来巨大困扰,严重影响矿井的正常生产。

为了提高巷道服务质量,以耿村煤矿井下13230回风巷为研究对象,采用理论分析与计算、结合工程实践,分析影响该类巷道稳定因素,提出针对性的方案并进行试验,进行冲击地压矿井强烈动压巷道围岩控制研究,探讨适合该类巷道控制综合技术体系。

1 围岩工程环境

耿村煤矿13230工作面位于东三采区胶带下山东侧,13230回风巷沿13210采空边缘布置,沿2-3煤底板留顶煤约2 m掘进,最大埋深622 m,2-3煤平均厚10.2 m,煤层结构复杂,含夹矸3~5层,直接顶为灰黑色、黑色泥岩,平均厚31.5 m,泥岩之上为粉砂岩、中粒砂岩、泥岩互层。直接底为灰色泥岩,平均厚1.5 m;基本底为灰色、黑灰色细砂岩与粉砂岩互层,平均厚12.5 m,为石英、长石。煤层顶部存在巨厚砾岩层,砾岩层厚约380 m,13230回风巷处于冲击地压危险区域,断面为三心拱形,掘进宽7.5 m,高4.6 m,长1 088 m,巷道掘巷过程中进行卸压。该处地应力测试结果显示,地应力场以垂直应力场为主,最大水平主应力值为13.83 MPa,垂直应力为15.55 MPa。13230回风巷布置如图1所示。

2 巷道控制技术难点分析

(1)强烈动载。13230回风巷沿着采空区边缘掘进,受相邻不稳定采空区动压与该巷掘进双重影响,围岩处在高应力场,且回风巷道顶板存在巨厚砾岩,处于冲击地压危险区域,巷道掘进期间产生频繁煤炮,短时间内造成围岩受力突然增加[10]。综合影响下,使巷道受到强烈的动载影响,维护难度高。

(2)顶煤难控。由现场顶板结构窥视可知,2-3煤体节理、裂隙发育,煤层埋深大,垂直应力最大15.55 MPa。高应力作用下,巷道开挖后成型差,顶煤易破碎,损害锚杆支护体系,易造成顶煤离层向深部发展,并形成坠包,这是顶板难控的主要原因。

(3)底板泥岩底鼓。13230回风巷顶底板主要为泥岩,取底板泥岩进行矿物X射线衍射分析(表1),其中黏土矿物总量占42.6%,进一步对黏土矿物进行X射线分析,黏土矿物主要含伊利石、高岭石及伊蒙混层,可见围岩顶底板泥岩含大量膨胀性物质,该类泥岩遇水泥化、膨胀严重,底板易底鼓。

3 围岩变形控制对策

基于巷道围岩工程环境,为降低巷道维护难度,保证巷道服务质量,依据该类巷道控制技术难点分析结果,提出3种控制对策。

(1)采用小煤柱护巷。为了避免相邻采空区强烈动压影响,根据工作面开采侧向支撑应力分布规律,采空区侧可采用小煤柱护巷,尽量使巷道布置在应力降低区域,保证巷道整体完整性。利用极限平衡理论及公式可知[11],合理的最小煤柱宽度B=x1+x2+x3。其中,x1为上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区。

依据13230回风巷煤岩体力学参数,可计算可得巷道煤柱尺寸6 m,结合现场实践及类似条件下矿压现象规律,确定护巷煤柱尺寸为8 m。

(2)全断面强力锚索。冲击载荷是影响冲击地压巷道维护的关键影响因素,冲击载荷的破坏是全方位的,因此,要求冲击地压巷道的维护要保证巷道整体抗冲击性能,采用全断面锚索配套高强锚索及调心球垫,大幅度的提高锚索初始预紧力,是比较有效的控制手段之一[12,13,14]。

(3)支、护、卸相结合原则。采用高预应力强力锚杆锚索支护系统是控制巷道围岩变形主要手段,在此基础上将锚杆、锚索与金属支架、支柱联合使用,防止冲击地压造成不必要的伤害。高应力与冲击载荷是冲击地压巷道围岩变形、破坏的根本驱动力,因此,采用有效的卸压措施降低围岩应力和冲击载荷,能起到各种支护无法实现的作用。

4 控制方案

依据围岩变形控制对策分析,结合理论分析及工程实践经验,确定13230回风巷采用高预应力锚杆锚索组合支护系统、架棚和卸压综合控制系统。锚杆杆体为22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋,钢号为BHRB500号,锚杆托板尺寸不小于150 mm×150mm×10 mm,锚索材料为18.9 mm,17股高强度低松弛预应力钢绞线,长度6.3 m和4.3 m,锚索托板采用300 mm×300 mm×14 mm高强度可调心托板及配套锁具。顶板每2排锚杆打设5根锚索,排距1 800 mm。采用W钢护板护表:厚5 mm,宽280mm,长度450 mm,高度不低于25 mm。锚杆排距0.9 m,间距0.95 m,锚杆预紧扭不低于300 N·m,不超过500 N·m;要求锚索初始张拉不低于260 k N。锚杆锚索支护方案如图2所示。在锚杆锚索支护基础上采用36U型棚进行复合支护,棚距1.8 m,巷道掘进过程中进行放炮断底卸压。

5 效果评价

为了检验井下工业性试验效果,在试验巷道服务期间安装矿压综合测站,矿压综合测站包括锚杆锚索受力、顶板离层和表面位移,锚杆受力观测如图3所示,巷道表面位移观测如图4所示。

从锚杆受力变化图中3可知,锚杆初期施加预紧力均在40~60 k N,随着掘进工作面的不断推进,锚杆受力呈增加趋势,当测站与掘进工作面的距离超过30 m(6~9 d)后,锚杆受力整体趋于稳定,最大受力达到180 k N。两拱角处受力最大,下帮拱角锚杆受力较上帮锚杆要大,顶板锚杆受力比两帮要大,下帮锚杆受力要大于上帮锚杆。图4可以看出,巷道两帮移近量210 mm,基本保持稳定,巷道两拱角移近量要明显大于两帮,帮部变形主要表现形式为巷道两拱角的移近。根据顶板离层观测可知,巷道掘进当测站与掘进工作面的距离超过20 m左右后,顶板下沉量达到稳定,浅部离层最大85 mm,深部离层约30 mm,可看出顶板离层主要集中于浅部围岩,深部围岩离层量不大。回采期间,未发现锚杆锚索破断现象,巷道满足工作面回采要求。

6 结论

(1)对试验巷道围岩工程环境进行分析,认为巷道受相邻采空区不稳定动压与冲击地压影响,造成试验巷道承受强烈动载,顶煤裂隙多、节理发育、完整性差,底板易泥化,从而造成巷道易变形破坏。

(2)根据巷道维护技术难点,提出了冲击地压强烈动压巷道控制对策,主要包括3个方面:(1)采用小煤柱进行护巷;(2)采用全断面锚索全方位控制;(3)采用支、护和卸压相结合的综合控制方法,采用理论计算,结合工程实践,确定煤柱尺寸8 m较合理。

煤矿冲击地压及其防治 篇11

1 煤矿发生的冲击地压显现的特征

1) 发生前通常没有明显前兆, 冲击过程短暂, 持续时间几秒到几十秒。2) 通常表现为煤爆、浅部冲击和深部冲击。发生煤爆时, 煤壁爆裂, 并伴随有小块煤体抛射现象;浅部冲击发生在煤壁2~6m范围内;深部冲击发生在煤体深处, 声如闷雷, 破坏程度不同。常见有煤层冲击, 也有岩层的顶底板冲击。在煤层冲击中, 一般表现为煤块抛出, 还有的是十平方米的煤体整体移动, 并伴随有巨大声响、岩体震动和冲击波。3) 冲击地压的危害严重, 既破坏正常生产, 还严重威胁井下人员的安全, 发生时可造成煤壁片帮、顶板下沉和底鼓、支架折损、设备移动、巷道堵塞和人员伤亡。4) 在自然地质条件上, 各种煤种都有冲击地压记录, 开采深度从200m到1056m, 地质构造从简单到复杂, 煤层从薄到特厚, 倾角从水平到急斜, 顶板包括砂岩、石灰岩, 油母页岩都爆发过冲击地压。

在生产技术条件上, 炮采、普采和综采, 等各种采煤工艺, 长壁、短壁、巷柱、倾斜分层等各种采煤方法, 都过冲击地压。我国煤矿发生冲击地压的典型条件是煤的强度较高, 性脆, 顶板一般为厚度和强度均较大的砂岩。根据应力来源, 冲击地压可分为重力型、构造应力型和二者并有的重力构造型。

2 冲击地压的类型

2.1 厚层难冒坚硬顶板条件下的冲击地压

在直接顶较薄, 采高又较大的长壁垮落工作面, 初次来压前, 基本顶可视为两端固定的梁, 初次来压后可视为一端固定的悬臂梁。由材料力学可知, 两种梁的弯曲变形能与梁的跨度或悬伸长度的五次方成正比, 即跨度或悬伸长度越长, 积聚的能量越多。厚度越大的坚硬顶板越不容易垮落, 跨度或悬伸长度也越长。因而, 厚层难冒坚硬顶板发生冲击地压的可能性较大。

2.2 构造应力型冲击地压

煤系地层中程度不同地存在着断层、褶曲和局部异常, 如底板凸起、顶板下陷、煤层分岔、变厚、变薄或尖灭、倾角急剧变化等构造带, 这些构造带中存在着残余应力, 形成构造应力场, 构造应力型冲击地压发生在构造应力比较集中的区域。

2.3 柱式体系开采条件下的冲击地压

柱式体系采煤法包括房柱式、巷柱式、刀柱式、短壁小阶段、漏斗式 (水采) 等采煤法, 这些采煤法开掘巷道多, 巷道交岔多, 发生冲击地压的可能性要高于长壁采煤法。

2.4 深矿井重力型冲击地压

深矿井重力型冲击地压主要受开采深度影响, 从我国新坟、开滦和徐州等矿区深矿井中发生的冲击地压情况来看, 深矿井重力型冲击地压有如下特点。多数冲击地压发生在采煤工作面的回采巷道中, 一部分发生在采煤工作面。由于侧支承压力作用, 采煤工作面回风平巷中发生的次数多于运输平巷中发生的次数, 这类冲击地压多与前支承压力有关, 在前支承压力和侧支承压力峰值叠加区内最容易发生。

回收多侧采空的煤柱或在煤柱下方开掘巷道易发生冲击地压。煤柱是产生应力集中的地点, 多侧采空的煤柱受多个方向集中应力的叠加, 煤柱内的集中应力不仅对本煤层开采有影响, 而且也使下部煤层形成冲击条件。

在逐渐加深和增多的深矿井中, 有冲击地压的深矿井将呈增加趋势, 厚层坚硬顶板、发育的地质构造和柱式体系采煤法, 这些因素中的其中一项存在或同时存在, 将使深矿井冲击地压的频次和强度加剧;根据我国几十年来防治冲击地压的实践, 已发生冲击地压的矿井采取一定措施后, 冲击次数已有明显减少。

3 防范冲击地压的根本措施

对有冲击倾向的煤层, 避免冲击地压要应用综合技术手段, 降低应力集中程度或使应力峰值向煤体深部转移;改变煤岩的力学性能, 削弱其积蓄和骤然释放弹性能的能力;避免冲击地压的危害。

3.1 合理开采部署

深矿井新采区或新区段的投产要保证合理的开采顺序, 防止形成多侧采空的煤柱后再回收。深矿井采煤工作面的回风平巷应力求完全沿空掘巷。在采煤过程中如果回风平巷不能满足生产时, 重新掘巷的位置要选在煤体边缘, 杜绝在前支承压力和侧支承压力峰值叠加区中补掘巷道。首采煤层或上部煤层应尽量多采, 不留或少留煤柱。在未进行有效的处理前, 避免在侧支承压力峰值区中开掘本煤层的巷道或在同组底部煤层中开掘巷道。在深部开采过程中, 要尽可能布置岩石上下山, 对这些上下山进行跨采, 防止留设两侧采空甚至三侧采空的上下山保护煤柱;在上下山附近杜绝两侧同时开采。

深矿井中不适合采用柱式体系采煤法, 杜绝采用房柱式采煤法回收已留的煤柱。

3.2 煤层注水

煤层注水可以改变煤体的结构, 软化煤层, 增加塑性变形, 使煤体的强度和积蓄弹性能的能力下降, 使冲击倾向减弱。多数煤层注水后, 冲击倾向要降低一个等级。注水能使支承压力峰值降低, 使峰值位置向煤体深部转移, 达到改变煤体 (或局部煤体) 应力状态的目的。

3.3 开采保护层

《规程》规定:“开采煤层群时, 首先开采无冲击地压或弱冲击地压煤层作为保护层。”开采保护层是为消除或减轻邻近煤层发生冲击的危险, 煤层开采后在开采区间附近的顶板和底板中形成应力降低区, 位于应力降低区内的被保护层所承受的应力下降, 发生冲击地压的危险程度也相应减小。

摘要：煤矿发生的冲击地压显现有其特定的特征, 冲击地压有厚层难冒坚硬顶板条件下的冲击地压、构造应力型冲击地压、柱式体系开采条件下的冲击地压、深矿井重力型冲击地压等类型。防范冲击地压, 要采取合理开采部署、煤层注水、开采保护层等措施。

关键词：煤矿,冲击地压,防治

参考文献

[1]孙学会.复杂开采条件下冲击地压及其防治技术, 北京:冶金工业出版社, 2009.

[2]徐永圻.采矿学, 徐州:中国矿业大学出版社, 2005.

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[4]刘卫方, 张荣玉.冲击地压发生机理综述, 矿业工程, 2006.