近直立特厚煤层中间层岩柱破裂致灾因素及其治理研究.pdf

43 2017年第1卷第12期 （总第12期） VOL.1 NO.12 2017 Cumulativety NO.12 中国高新科技 China High-tech 急倾斜复杂难采煤层安全开采技术依然是世界性 难题。急倾斜煤层属于复杂难采煤层之一，其探明储量 约占世界同类煤层30，新疆煤炭的预测储量（18180 亿t）约占我国总预测储量（55600亿t）的30。2013年 至今，近直立特厚煤层开采过程频繁发生冲击地压， 对煤炭资源安全高效开采造成严重影响。冲击地压 是很多学者研究的重要课题，作为影响矿井安全生 产的煤岩动力灾害之一，已引起了新疆各集团公司 和地区安全监管部门的关注。但由于近直立特厚煤 层冲击地压灾害发生较晚，国内外煤层动力灾害防 治主要针对水平、近水平和缓倾斜煤层开展研究， 对急倾斜厚煤层动力灾害理论的研究还不深入，学 者更多关注在地表及岩层移动、采动应力等常规矿 压显现规律，对近直立特厚煤层冲击地压机理及防 治、近直立特厚煤层动力灾害发生机理、监测预警 技术、综合防治技术的研究还有待深入。 1 工程背景 1.1 矿井概况 乌东煤矿井田处于准南煤田东南段，位于八道 湾向斜南、北两翼，其中南区和西区位于八道湾 向斜南翼，北区位于八道湾向斜北翼，含煤地层 为侏罗系中统西山窑组，如图1所示。井田面积约 19.94km2，地质资源量12.8亿t，设计可采储量6.61 亿t，乌东煤矿南区为一单斜构造，煤岩层走向自西 向东N58～60，倾向西北，倾角平均87。井 田含煤地层为西山窑组，含煤32层，编号B1～B32， 现主采B12和B36组合煤层，均具有弱冲击倾向性， 其中B12煤层平均厚度37.45m，B36煤层平均厚度 48.87m，属近直立特厚煤层。最大水平应力最大为 14.31MPa，最小水平主应力最大为8.05MPa，以近南 北方向水平应力为主，最大水平主应力方向与回采 巷道轴线方向夹角大于70。B12和B36煤层直接顶 为粉砂岩及灰质泥岩，直接底为粉砂岩，该煤层顶 板岩石应属II类，具有弱冲击倾向性。 图1 乌东煤矿煤层赋存立面示意图 1.2 冲击地压发生情况 2014年3月24日5点12分，在B36煤层工作面B3巷 道一起动力灾害事故，冲击造成B3巷1120～1150m区 域底臌变形，主要集中在B3巷南帮侧，平均底臌量为 400mm；1120～1150m区域内有5副U型钢支架受到 不同程度的变形，其中3副支架钢箍崩断；冲击伴随 巨大声响，现场破坏情况如图2所示。 近直立特厚煤层中间层岩柱破裂致灾 因素及其治理研究 张新战 （神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000） 摘要为研究乌东煤矿南区近直立特厚煤层工作面冲击地压围岩失稳致灾的过程，采用钻孔窥视探测围岩 的裂隙发展，利用数值模拟研究近直立特厚煤层分层开采过程的破坏失稳过程，基于微震监测获得围岩裂 隙产生、扩展、破坏失稳过程产生的微震事件，进而揭示冲击地压围岩破坏失稳致灾过程。 关键词微震监测；马丽散封孔技术；近直立特厚煤层 文献标识码A 中图分类号TD324 文章编号2096-4137（2017）12-043-03 DOI10.13535/ki.10-1507/n.2017.12.13 收稿日期2017-11-16 作者简介张新战（1972-），男，新疆乌鲁木齐人，神华新疆能源有限责任公司安监局局长，总经理助理，工程师， 硕士，研究方向矿山灾害治理及企业管理。 44 （a）串车掉道（b）皮带架震翻 图2 乌东煤矿“3.24”冲击显现现场情况 2 近直立特厚煤层中间层岩柱致灾因素分析 2.1 近直立特厚煤层中间层岩柱失稳过程分析 监测采用武汉GD3Q-G型煤矿专用数字孔内电 视，该设备采用了一种特殊的反射棱镜成像的CCD 光学耦合器件将钻孔孔壁图像以360全方位连续 显现出来，利用计算机来控制图像的采集和图像的 处理，实现模-数之间的转换，自动地对孔壁图像 进行采集、展开、拼接、记录并保存。 监测区域位于500水平B36工作面超前150m处 岩柱。从图3（a）可以看出，由于该区域应力比 较集中且矿压显现明显，导致该区域岩柱内部出 现了严重的破坏，破坏范围为0.5m，破坏深度为 2.1～2.9m。图3（c）～（d）中可以明显看到岩柱 产生了多条裂缝，最大裂隙宽度达到2cm。在动压 的影响下，巷道围岩内的应力平衡状态再次遭到破 坏而产生局部应力集中，在局部，集中的应力作用 下，围岩沿着其各个区域内的弱结构面发生破坏并 产生新生裂隙。 （a）（b）（c）（d） 图3 B2～B3岩柱裂隙发育情况 为了研究近直立特厚煤层开采的采场围岩运 移特征，以乌东煤矿南区地质和开采技术条件为依 据，建立3DEC三维计算模型。模型的水平方向宽 400m，竖直方向高380m，煤层倾角87，岩层成层 性好，与煤层近似平行，基岩上覆一层水平厚度约 15m的表土层。岩体力学计算取值根据室内外岩石力 学试验、实际监测数据的分析和相关文献进行确定。 图4 近直立特厚煤层围岩破坏发展过程 如图4所示，数值模拟结果表明，围岩的破裂 失稳是开采数分层的结果。随着开采深度的进一步加 大，岩柱的弯曲程度进一步加大，部分顶板岩层已发 生弯曲断裂，B2～B3岩柱的弯曲断裂将趋于严重，当 顶底板岩层发生大面积断裂时，容易引起动力灾害。 2.2 近直立特厚煤层中间层岩柱致裂监测分析 微震是由地下开采活动诱发的，其震动能量为 102～1010J；震动频率低，大约0～150Hz；影响范 围从几百米到几百千米，甚至几千千米。相比大地 地震，微震震中浅，强度低；震动频率高，影响范 围小；而与地音相比，其为一种低频率、高能量的 震动。矿井采用ARAMIS M/E微震监测系统对矿井 围岩破坏过程进行监测。 矿井围岩中共发生微震事件1321次，其中， B2～B3岩柱发生微震事件743次、B6顶板产生微震 事件306次、B1底板产生微震事件272次，B2～B3岩 柱中的微震事件占围岩总微震事件的56。B2～B3 岩柱处于两煤层中间，同时受到两个工作面的采动 影响，且两煤层上覆采空区充填不实使得B2～B3岩 柱存在一定的自由度，致使B2～B3岩柱活动相对剧 烈，微震事件发生较为频繁。 （a）平面分布（b）剖面分布 图5 矿井围岩微震事件分布图 围岩破坏是开采一定程度、分层逐渐破坏的， 围岩破坏失稳从裂隙出现、扩展、破坏失稳到最终 稳定的过程，岩体沿原生和新生破裂面产生滑移、 错动、剪胀变形，并释放出大量的变形能。岩体破 裂的萌生、发展、贯通等失稳过程，并伴随有弹性 波或应力波在周围岩体快速释放和传播的动力现 象。围岩破坏失稳时伴随高能量微震事件产生，极 易诱发冲击地压。 2.3 近直立特厚煤层围岩失稳致灾分析 “3.24”冲击地压发生时，微震监测系统监测 到岩柱活动产生的事件，通过定位和能量计算，该 事件发生在中间岩柱，走向距离B36工作面76m，走 向距离B12工作面130m，倾向距离B3巷55m，倾向 距离B2巷44m，能量为2107J，如图6所示。 （a）平面分布（b）剖面分布 图6 “3.24”冲击事件定位结果 45 微震监测表明，岩柱在弯曲变形过程中积聚了 大量弯曲变形能，随着工作面的开采，岩柱中产生 裂隙、扩展过程主要释放低能量，当岩柱破坏发展 到一定程度产生大的破裂甚至失稳过程，则产生高 能量微震事件，从而释放岩柱所积聚的能量造成工 作面冲击地压致灾。 3 近直立特厚煤层中间层岩柱防治措施及效果 3.1 中间层岩柱防治措施 为进一步降低中间层岩柱整体性，防止岩柱 中形成应力集中现象，在岩柱中每隔300m布置1石 门，在石门中布置1～2个爆破硐室进行爆破预裂， 在每个硐室中布置2排钻孔，每排布置10个钻孔； 在岩柱2侧沿岩柱倾向方向施工顶底板爆破孔，每 隔10m施工1排顶底板爆破孔，每排布置2个钻孔。 爆破钻孔均采用人工进行装药，马丽散封孔技术进 行封孔，具体布置如图7所示。 （a）石门硐室布 置平面分布 （b）顶底板爆破 孔布置立面图 （c）硐室爆破孔 立面图 图7 中间岩柱石门硐室爆破示意图 3.2 中间层岩柱防治效果 针对岩柱采取爆破卸压措施前后进行PASSAT （TM）检测，通过爆破前后应力分布云图可以得 出（1）爆破后岩柱整体应力集中范围大幅降 低，卸压爆破效果明显；（2）岩柱爆破降低应力 的同时，也使岩柱应力部分发生转移。 （a）爆破前探测区域波速 反演结果 （b）爆破后探测区域波速 反演结果 图8 岩柱爆破前后PASSAT探测结果 4 结论 本文采用钻孔窥视、数据模拟、微震监测和现场 冲击案例分析的方法，研究了围岩的裂隙扩展、岩层 断裂以及围岩破坏过程的微震事件，进而揭示围岩破 坏失稳过程诱发冲击地压，得到主要结论如下 （1）钻孔窥视电视探测、数值模拟结果表 明，岩柱在超前工作面150m范围，岩柱内部出 现了严重的破坏，破坏范围为0.5m，破坏深度为 2.1～2.9m，岩柱产生了多条裂缝，最大裂隙宽度达 到2cm。随着近直立特厚煤层分层数增多，围岩的 破裂失稳。岩柱的弯曲一定程度，则导致岩层发生 弯曲断裂，随着开采深度增大，B2～B3岩柱的弯曲 断裂将趋于严重。 （2）ARAMIS M/E微震监测到围岩破坏失稳 从裂隙出现、扩展、破坏失稳到最终稳定的过程产 生大量微震事件，统计表明岩柱的事件比重最大， 岩柱沿原生和新生破裂面产生滑移、错动、剪胀变 形，并释放出大量的变形能。 （3）中间岩柱在弯曲变形过程中积聚了大量 弯曲变形能，随着工作面的开采，岩柱中产生裂 隙、扩展过程主要释放低能量，当岩柱破坏发展到 一定程度产生大的破裂甚至失稳过程，则产生高能 量微震事件，释放的能量造成了工作面冲击地压 发生。 （4）采取岩柱顶底板爆破联合石门硐室中间 爆破，可以有效降低岩柱中应力集中程度，但爆破 的同时有少部分能量进行了不定向转移。 参考文献 [1]  窦林名，何学秋．冲击地压防治理论与技术[M]．徐 州中国矿业大学出版社，2001. [2]  窦林名，赵从国，杨思光，等．煤矿开采冲击矿压灾 害防治[M]．徐州中国矿业大学出版社，2006. [3]  蓝航．浅埋煤层冲击地压发生类型及防治对策[J]． 煤炭科学技术，2014，42（1）. [4]  蓝航，齐庆新，潘俊锋，等．我国煤矿冲击地压特 点及防治技术分析[J]．煤炭科学技术，2011，39 （1）. [5]  石平五，高召宁．急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破 坏规律[J]．煤炭学报，2003，28（1）． [6]  乔元栋．急倾斜薄煤层仰斜开采覆岩应力分布特征研 究[J]．煤炭科学技术，2011，39（12）. [7]  鞠文君，李文洲．急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶 断裂力学模型[J]．煤炭学报，2008，33（6）． [8]  鞠文君，李前，魏东，等．急倾斜特厚煤层水平分层 开采矿压特征[J]．煤炭学报，2006，31（5）． [9]  于贵良，李前，王元杰．深部急倾斜特厚煤层分层开 采冲击地压防治技术[J]．煤炭科学技术，2011，39 （2）. [10]  蓝航．近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治 [J]．煤炭学报，2014，39（S2）. [11]  黄质．新材料新工艺封孔技术的研究[J]．煤炭工 程，2008，（7）. [12]  王书文，毛德兵，杜涛涛，等．基于地震CT技术的 冲击地压危险性评价模型[J]．煤炭学报，2012，37 （S1）. （责任编辑吕 杰）