关键层极限跨距预测矿井冲击地压发生时间的研究.pdf

1612018 年第 6 期 关键层极限跨距预测 矿井冲击地压发生时间的研究 李永超 1 于国强2 李建军1 （1. 山东省岱庄生建煤矿，山东 微山 277600； 2. 山东省滕东生建煤矿，山东 滕州 277522） 摘 要 根据山东省滕东生建煤矿地表移动变形观测站的数据分析，发现在煤层上覆岩层中可能存在关键层，采用关键 层理论对煤层上覆岩层进行了关键层的判断，计算得出了关键层的极限跨距。对矿井面临的冲击地压类型进行了分析，得 出了该矿关键层垮落产生的能量动载与静载叠加足以诱发强冲击的结论，并依据关键层的极限跨距预测了工作面推进过程 中厚硬岩层结构突变及煤柱失稳的大概时间，指导了该矿冲击地压的防治工作。 关键词 复合关键层 极限跨距 冲击地压 巨厚砾岩 地表移动变形 中图分类号 TD324 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2018.06.068 Practical Study on the Prediction of the Time of Mine Impact Ground Pressure by the Limit Span of Key Strata Li Yong-chao1 Yu Guo-qiang2 Li Jian-jun1 1. Shandong Province Daizhuang Coal Mine, Shandong Weishan 277600； 2. Shandong Province TengDong Coal Mine, Shandong Tengzhou 277522 Abstract Based on the observation data analysis of surface movement deation of Shandong Province TengDong Coal Mine, we found there may be a key stratum in the overburden of the coal seam. The key stratum theory is used to judge the key strata of coal seam overlying strata, and the critical span of critical stratum is calculated. The impacts on the mine face pressure type are analyzed, and it is concluded that the key strata caving mine energy superposition of dynamic load and static load was enough to induce strong impact, and on the basis of the limit span of key stratum, the probable time of instability of coal pillar and the structural mutation of rock strata thickness in the process of working face advancing, is predicted pillar, guiding the prevention and treatment of rock bursts. Key words composite key layer limit span rock burst giant breccia surface movement and deation 收稿日期 2018-01-30 作者简介 李永超 （1976-） ， 山东莘县人， 专科， 研究方向 采矿工程。 山东省滕东生建煤矿井田内表土层平均厚度 为 18.56m，3下煤平均采深达到 922.54m，首采面 平均宽度为 130m，第二个工作面宽度为 130m，两 个工作面的宽深比（工作面宽度与采深的比值）为 0.28，采厚 5.7m。通过地表移动观测站监测得到， 首采面回采完毕并基本稳沉后地面的最大下沉值为 54mm。两个工作面回采完毕并基本稳沉后，地面 观测到的地表最大下沉值为 265mm。依据宽深比判 断，工作面开采属极不充分采动，但开采后地表的 下沉量之小，实属不正常现象。通过分析发现，在 煤层上覆岩层中存有巨厚砾岩及其他硬岩层。由于 厚硬岩层的存在，当采空区面积大于关键层极限跨 距时，极易发生厚硬岩层结构突变及煤柱失稳的情 况，从而产生冲击地压等灾害。为确保煤矿安全生 产，借助关键层理论对上覆岩层进行了判断，得出 了关键层的位置及极限跨距，并依此预测了下一个 工作面推进过程中厚硬岩层结构突变及煤柱失稳的 大概时间，成功指导了煤矿冲击地压防治工作。 1 关键层位置判别 1.1 硬岩层位置的确定 根据矿区多个钻孔柱状图以及硬岩层的判别条 件 [1-2] 对矿区覆岩性质进行了分析，确定了 8 层硬 岩层的位置（见表 1）。 1622018 年第 6 期 表 1 矿区覆岩性质表 岩层 容重 γ MN/m3 厚度 h （m） 弹性模量 E （GPa） 备注 粉砂0.02517.8042硬岩层 8 粉砂0.02518.4042硬岩层 7 粉砂0.02528.4542硬岩层 6 细砂0.02532.4540硬岩层 5 粉砂0.02531.0042硬岩层 4 粉砂0.02534.3542硬岩层 3 粉砂0.02551.0542硬岩层 2 砾岩0.0363.5568硬岩层 1 1.2 硬岩层极限跨距的计算 根据固支梁模型计算求得的滕东矿区硬岩层的 破断距见表 2。 表 2 硬岩层破断距 硬岩层编号 及岩性 载荷 （MPa） 抗拉强度 （MPa） 破断距 （m） 8 粉砂岩0.160745.38145.6346 7 粉砂岩0.851125.3865.42272 6 粉砂岩1.7722565.3870.10117 5 细砂岩1.2958025.3893.50858 4 粉砂岩1.456815.3884.24931 3 粉砂岩2.5462275.3870.61295 2 粉砂岩5.2340915.3873.19497 1 砾岩4.0212084.494.01099 1.3 关键层所处位置的确定 由于该矿区覆岩硬岩层层数较多，且岩层间性 质极为相似，并且两个已采工作面采空区的宽度已 超出单一关键层的极限跨距，因此对矿区关键层的 复合效应进行了分析研究，确定了复合关键层的位 置与极限跨距。 根据复合关键层的判别理论以及复合关键层极 限跨距的计算公式分析得到，采空区上部第 1、2 层硬岩层、第 3、4 层硬岩、第 6、7 层硬岩层及第 7、 8层硬岩的两两组合均满足构成复合关键层的条件。 计算得到复合关键层极限跨距见表 3。 表 3 复合关键层参数表 层号 1 1 nm i iii ii n mn i iii i ni hrE h hrE h ∑∑ ∑∑ 破断距 （m） 1 砾岩1.285552615 2 粉砂岩0.50971221291.2596158 3 粉砂岩0.412498902207.4961707 4 粉砂岩1.05796953 5 细砂岩1.917007188 6 粉砂岩0.335468323185.6422537 7 粉砂岩0.535182645114.196776 8 粉砂岩 通过分析判断侏罗系地层中的砾岩及第 2 层硬 岩及其所夹软弱夹层所构成的复合关键层是煤层上 覆岩层中的主关键层，其极限破断距为 291.260m。 105 及 107 两个工作面开采后地表下沉量较小，主 要原因是采空区宽度（采空区宽度为 260m）小于 主关键层的极限跨距，主关键层呈悬臂梁存在，从 而减小了地表的下沉。但当 109 工作面推进 290m 左右时，主关键层将会破断。而主关键层的突然断 裂产生的动载荷将迅速传递到工作面采场围岩，尤 其在煤岩体应力处于极限平衡状态下动压极易诱发 冲击。 2 矿井面临的冲击地压类型分析 2.1 静载（高静应力）自发型冲击 煤岩体中赋存条件和开采因素影响，围岩中存 在高度应力集中区，当静载荷大于诱发煤岩体冲击 破坏的最小载荷，就会形成自发型冲击 [3-4]。该类冲 击地压的特点需要时间积累，应力集中到临界值 或高应力蠕变中即可发生冲击，相对来讲可控、好 治理。 2.2 动静载叠加诱发型冲击 煤岩体中静载荷与强动压（矿震）形成的动载 叠加之和大于诱发煤岩体冲击破坏的最小载荷，静 载 动载就会诱发强冲击。其诱因坚硬顶板断裂 或滑移。该类冲击地压的特点突发强，灾害大， 难治理。根据 109 工作面地质及开采条件分析，在 上覆关键层突然破断时形成的冲击属于该类。因此 需近似估算 109 工作面的动载和静载大小，评估诱 发型冲击的可能性。依据相关理论公式估算得到静 载能量（忽略顶板运动加速度影响）为 （下转第165页） 1652018 年第 6 期 中深色的区域逐渐减小，表明高应力的范围逐渐减 小，巷道的卸压范围增大。还可明显看出当间距为 600mm 时，卸压区域相互完全联通。由上述可知， 钻孔间距为 600mm 的方案，应力卸压范围大，卸 压效果较好。 图 5 卸压孔间距不同距巷道帮深度 3m 处应力剖面 3 结论 （1）布置三排卸压孔时，煤体中的应力集中 程度大大降低，峰值由 34.8MPa 降至 31.4MPa，应 力降低了 9.7，围岩向深部转移了 2m，巷道围岩 应力得到了释放和转移。 （2） 卸压孔间距为600mm时， 应力卸压范围大， 较孔间距为800mm和1000mm的方案卸压效果较好。 （3）确定钻孔卸压方案为布置 3 排钻孔， 钻孔间距为 600mm。该方案可降低巷道围岩应力， 提高巷道稳定性。 【参考文献】 ［1］ 郑 贺 , 王 猛 , 徐 少 辉 . 深 部 巷 道 围 岩 钻 孔 卸 压 与 围 岩 控 制 技 术 研 究 [J]. 矿 业 安 全 与 环 保 ,2014,410551-55. ［2］ 张英 , 郝富昌 , 刘成军 , 等 . 考虑煤的塑性软化和 扩容特性的钻孔卸压范围 [J]. 辽宁工程技术大学 学报 自然科学版 ,2013,32121599-1604. ［3］ 易 恩 兵 , 牟 宗 龙 , 窦 林 名 , 等 . 软 及 硬 煤 层 钻孔卸压效果对比分析研究 [J]. 煤炭科学技 术 ,2011,39061-585. ［4］ 李金奎 , 熊振华 , 刘东生 , 等 . 钻孔卸压防治 巷道冲击地压的数值模拟 [J]. 西安科技大学学 报 ,2009,2904424-426432. （上接第162页） 9 0 3.37 10 JU 传播到煤体的能量为 91.5 3.37 105 90J f U − 此能量动载与静载叠加足以诱发强冲击。根据 上述研究结果，矿方委托北京科技大学开展了厚 硬岩层结构突变与地表沉陷及冲击灾害治理关系研 究项目，开展了相应的防护工作。 3 地表移动变形观测研究结果 随着 109 工作面的开采，已进入厚硬岩层结构 突变及煤柱失稳高度危险阶段，巨厚砾岩的运动控 制着地表沉陷特征，同时地表沉陷规律能够验证巨 厚砾岩及上覆岩层在关键阶段的断裂特点。通过及 时联合分析井下和地表监测数据，可得到冲击地压 危险性发展程度和地表岩移特征，从而全面指导煤 矿完成冲击地压防治、后期工作面开采设计和地表 沉陷控制要求。为此在 109 工作面上方布设了地表 移动变形观测站。该观测站布设两条观测线，沿近 似走向及倾向方向各布设了一条观测线。 109 工作面于 2014 年 4 月 1 日开始回采，至 2015 年 11 月 28 日观测结束。由实测数据可知 109 工作面回采引起的地表下沉基本稳沉后，测得 的地表最大下沉值为 0.897m。105、107、109 三 个工作面回采引起的地表下沉基本稳沉后，测得的 地表最大下沉值为 1.088m。而 107 工作面回采完 毕并基本稳沉后，地面观测到的点位最大下沉值为 54mm。105、107 工作面回采完毕并基本稳沉后， 地面观测到的地表最大下沉值为 265mm。对比上述 各下沉值不难看出，当 109 工作面采空区宽度超过 关键层的极限跨距导致关键层破断时，地表下沉量 急剧加大。并且地表监测点的下沉速度有较大的变 化。2015 年 1 月 18 日以前监测点的最大下沉速度 为 1.63mm/d，但在 2015 年 1 月 18 日至 2015 年 2 （下转第168页） 1682018 年第 6 期 水对安全生产造成影响，对可能存在充水量进行推 断，低洼区配备两台排水能力不低于 150m3/h 的水 泵（一用一备），运巷切口处配备两台排水能力 不低于 200m3/h 的水泵（一用一备）。采用潜水泵 经 Ф100 管路排至 71 采区水仓，71 采区水仓容积 500m3，71 采区泵房配置了三台水泵，分别为一台 MD155-673 和两台 MD85-454 多级耐磨泵，排 水能力为 325m3/h，工作效率为 80，经两趟 Ф100 管路排至 540 中央水仓，外排至地面。 3.3 安全技术措施 通过对 7105 工作面近水体下安全开采可能产生 的水害隐患分析，必须制定针对性的安全技术措施 （1）7105 工作面在水体下进行开采是安全可 行的，但 7105 工作面地表水体下安全开采重点在 于地质构造的探测与防治，必须加强超前勘探，采 用电法及坑透等物探手段加强对工作面内部隐伏构 造和富水区域的勘探，同时进行钻探验证，工作面 遇贯通性导水陷落柱或断层破坏带，矿井应按有关 规范要求采取相应的防治措施，并留设足够尺寸的 防水安全隔离煤柱，以保证矿井的正常安全生产。 除此之外，应当做好地面水体的变化监测工作。 （2）7105 工作面与北侧上山 7103 已采工作面 相邻，区段煤柱宽度仅为 10m，老空区积水对 7105 工作面的开采构成一定的安全隐患。采前预先疏放 7103 工作面老空水，保证本工作面的安全开采。 （3）必须对工作面顶板砂岩裂隙含水层进行 探放，并且加强井下工作面涌水量的监测工作，遇 到工作面异常出水，要停止生产，对水量变化动态 要加密观测，取水样化验水质，分析水源、通道， 在对有关资料进行综合分析研究的基础上，采取相 应的治理措施。 4 结论 水害防治工作是王庄煤矿安全生产的一项重要 任务，对工作面地质水文条件进行充分论证，并提 出针对性的防治水安全技术措施，是保证矿井安全 生产的重要举措，王庄煤矿 7105 工作面属于近水 体下采煤，受到水害威胁影响更大，防治水工作更 为重要。王庄井田 7105 工作面现在已经开始回采， 工作面涌水量为 32.3m/h，没有发生工作面涌水异 常现象，现有工作面排水系统满足工作面疏排水工 作需求，通过物探分析，工作面内存在较少的地质 异常，并留设了相应的安全隔离煤柱，制定了相应 的水害防治措施。 【参考书目】 ［1］ 国家安全生产监督管理总局 . 我国煤矿防治 水概述 [EB/OL]. zhuantipindao/2004-11/25/content_54656.htm. ［2］ 国家安全监管总局,国家煤矿安监局,国家能源局, 国家铁路局 . 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规范 安监总煤装〔2017〕66 号 [EB/OL].http//www.chinacoal- tzgg/201707/t20170703_202373.shtml. ［3］ 许延春 . 综放开采防水煤（岩）柱保护层的“有 效隔水厚度” 留设方法[J].煤炭学报,2005,30 （3） 305-308. ［4］ 许延春 , 刘世奇 . 水体下综放开采的安全煤岩柱 留设方法研究 [J]. 煤炭科学技术 ,2011,39111-4. ［5］ 焦阳 , 白海波 , 张勃阳 , 等 . 煤层开采对第四系 松散含水层影响的研究 [J]. 采矿与安全工程学 报 ,2012,292240-244. （上接第165页） 月 2 日之间突然达到 5.32mm/d（此时 109 工作面的 推进进尺在 290m 左右），自此以后监测点的最大 下沉速度减小到 2mm/d 以下。 综上，理论上推算的上覆岩层中关键层的极限 破断距 291.260m 是正确的，因为 2015 年 1 月 18 日 至 2015 年 2 月 2 日监测点最大下沉速度由 1.63mm/ d 突然增大到5.32mm/d， 随后又减小至2mm/d以下。 井下的应力计监测结果也证实了上述结论。 4 结论 在大采深巨厚砾岩条件下开采时，利用关键层 极限跨距可较为准确地预测含有关键层条件下矿井 冲击地压发生的时间，并经生产实践验证是可行的。 【参考文献】 ［1］ 于胜文 , 郑文华 , 姜岩 , 等 . 利用关键层控制 宽条带开采地表下沉的实践研究 [J]. 矿山测 量 ,199949-10. ［2］ 钱鸣高 , 缪协兴 , 徐家林 . 岩层控制中的关键层理 论研究 [J]. 煤炭学报 ,19963225-230. ［3］ 李玉生 . 冲击地压机理及其初步应用 [J]. 中国矿 业大学学报 ,1985341-43. ［4］ 齐庆新 , 史元伟 . 冲击地压粘滑失稳机理的实验 研究 [J]. 煤炭学报 ,1997,222144-147.