坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析(1).pdf

坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析 窦林名1,刘贞堂1,曹胜根1,吴兴荣2 1 1 中国矿业大学能源学院,江苏 徐州221008 ; 21 徐州三河尖煤矿,江苏 徐州221000 [摘 要] 顶板岩层结构,特别是煤层上方坚硬厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素 之一。通过实验研究、现场实测、冲击矿压现象分析,说明了顶板坚硬岩层,特别是顶板的关键层运 动、破断对冲击矿压的发生有巨大的影响。掌握顶板的运动规律,并对其进行监测,可达到预测预报 冲击矿压危险的目的 [关键词] 冲击矿压;坚硬顶板;电磁辐射;监测 [中图分类号] TD32411 [文献标识码] A [文章编号] 100626225 2003 0220058203 Analysis of the influence on rock burst caused by hard roof DOU Lin2ming1, LIU Zhen2tang1, CAO Sheng2gen1, WU Xing2rong2 1 1Energy Institute , China University of Mining and Technology , Xuzhou 221008 , China; 21Sanhejian Coal Mine of Xuzhou Coal Mining Group , Xuzhou 221000 , China Abstract Roof structure , especially hard and thick sandstone roof , is one of the main factors lead to the occurrence of rock burst. B y laboratory study , field test and phenomena analysisof rock burst , the paper indicates that the hard strata of roof especially the moving or breaking of the key strata or stratum has great influence on the occurrence of rock burst. Its forecast can be realized by the under2 standing of roof movement and constantly monitoring1 Key words Rock burst ; Hard roof ; Electromagnetic radiation; Monitoring [收稿日期] 2002 - 10 - 22 [作者简介]窦林名1963 - ,男,青海人,教授,博士生导师, 1986年毕业于中国矿业大学,获硕士学位, 1998年在波兰西兰工业大学 获博士学位,现任中国矿业大学采矿地球物理应用研究所所长。 1 概述 研究表明,顶板岩层结构,特别是煤层上方坚 硬厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之 一,其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量 的弹性能。在坚硬顶板破断或滑移失稳过程中,大 量的弹性能突然释放,形成强烈震动,导致顶板煤 层型冲击压力型冲击矿压或顶板型冲击型 冲击矿压。三河尖矿坚硬顶板的多次断裂是造成矿 井西翼冲击矿压频繁发生的主要原因。 三河尖煤矿是20世纪80年代末投产的新矿 井,现年产160万t。三河尖矿主采煤层为7煤和 9煤,开采深度已达- 700m以下。随着开采深度 的增加,煤矿动力现象越来越频繁,冲击矿压危险 越来越大。自1991年5月首次在7110工作面材料 道发生冲击矿压以来,累计发生破坏性冲击矿压达 21次以上,其中西翼坚硬顶板区域冲击矿压为17 次,具有冲击危险的工作面回采中平均每面发生冲 击矿压次数达4次以上。冲击矿压已成为威胁该矿 安全生产的主要自然灾害之一。 2 坚硬厚层顶板对冲击矿压影响分析 211 顶板弯曲弹性能 根据前苏联阿维尔申的观点,煤层内的弹性能 是由体变弹性能Uv、形变弹性能Uf和顶板弯曲 弹性能Uw三部分组成,即 U Uv Uf Uw 而顶板弯曲弹性能在顶板初次来压和周期来压 时,分别为 Uw q2L 5 576EJ Uw q2L 5 8EJ 式中,q为顶板及上覆岩层附加载荷的单位长度载 荷;L为顶板来压步距;E为顶板岩层弹性模量; J顶板断面惯矩。 从上述公式可知,顶板弯曲弹性能与顶板来压 步距的5次方成正比。因此,来压步距越大,聚集 85 第8卷 第2期总第55期 2003年6月 煤 矿 开 采 Coal Mining Technology Vo118 No12 Series No1 55 June 2003 能量也越多,顶板岩层越厚,聚集的弹性能越多。 212 顶板岩层厚度特征参数 根据研究,影响冲击矿压发生的岩层为煤层上 方100m范围内的岩层,其中岩体强度大,厚度大 的砂岩层起主要作用。因此,可以用砂岩为标准确 定顶板岩层厚度特征参数,来描述顶板岩层对冲击 矿压的影响程度。 若定义砂岩的强度系数和弱面系数为110 ,煤 系地层各岩层的强度比和弱面递减系数比见表1。 则顶板岩层厚度特征参数可定义为 LstΣhiri 式中,hi为顶板在100m范围内第i种岩层的总厚 度;ri为所给岩层的弱面递减系数。 表1 煤系地层岩层的强度比和弱面系数比 岩层砂岩泥岩页岩煤采空区冒矸 强度比110018201580134012 弱面递减系数比1100162012901310104 从波兰发生冲击矿压的统计分析结果,冲击矿 压仅发生在具有坚硬顶板岩层的顶板条件下,且其 顶板岩层参数值为Lst≥50。 对于三河尖煤矿西翼工作面,根据煤层综合 柱状图资料可知 Lst8250 故顶板岩层对冲击矿压的发生具有较大影响。 213 顶板关键岩层的作用 根据岩层移动理论及中国矿业大学钱鸣高院士 的研究,在采场上覆岩层中存在着多层岩层时,有 一个对岩体活动全部或局部岩层起控制作用的关键 岩层。该关键岩层的破断将导致全部或相当部分的 上覆岩层产生整体运动。 离散元模拟研究表明关键岩层破断前,随采 出宽度增大,煤柱支承压力逐渐增大,当关键岩层 初次破断时,煤柱支承压力达最大值,见图1的曲 线3。关键岩层初次破断后,随采出宽度增大,煤 柱支承压力有所降低并最终稳定,见图1的曲线4 和5。采宽达一定程度后,支承压力集中系数k基 本保持不变,见图1的曲线4和5。关键岩层破断 前后煤柱上支承压力分布的上述特征,对冲击矿压 的发生起重要的作用。 相似材料模拟研究和现场实测同样反映了关键 岩层对整个岩层的运动及对冲击矿压的影响。图2 为距煤层3015m处关键岩层下离层量沿走向分布 随工作面推进变化的相似材料模拟试验结果。从图 中可以看出,在关键岩层破断前,其离层量是破断 后离层量的3倍多。由于存在这样大的离层之差, 故关键岩层破断时,将其具有的势能和运动的动能 释放,将产生强烈的冲击载荷,从而有可能产生破 坏性冲击矿压。 图1 关键岩层与煤柱支承压力分布 图2 模拟关键岩层离层的变化 图3为距工作面开切眼90m处第1关键岩层、 关键岩层及硬岩层C′的下沉量、下沉速度与工作 面相对位置关系曲线。而关键岩层的破断将产生大 的矿山震动和释放大量的能量,从而很容易诱发冲 击矿压,见图4所示。 图3 各岩层下沉量、下沉速度曲线 95 窦林名等坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析2003年第2期 图4 震动和冲击矿压频次与能量关系 3 现场观测结果分析 311 矿压观测结果分析 三河尖矿在7 煤层工作面的矿压观测同样说 明, 7 煤顶板坚硬岩层的变形破坏,破断、下沉 是非常剧烈的,工作面及其周围巷道的矿压显现非 常明显。图5为7202工作面初次来压期间顶板下 沉量的曲线图,可以看出,初次来压期间的顶板下 沉量是正常回采期间的5～6倍。而图6则为9104 工作面顶板断裂来压前24h的顶板下沉速度变化情 况,可以看出,在坚硬顶板条件下,顶板运动速度 快,其动能大,这很容易引发冲击矿压。 图5 7202工作面初次来压期间顶板下沉量曲线 此外,分析徐州三河尖矿发生的几次大的冲击 矿压现象,也可以说明关键岩层对冲击矿压的影 响。例如7204工作面在1998年12月6日发生的 冲击矿压,是工作面推进到120m左右时发生的。 当时工作面长90m左右,造成400m巷道和62m 工作面的破坏。再例如2000年4月17日发生的震 级为3的冲击矿压,也是在工作面推进约140m时 发生的。当时工作面长135m ,造成工作面超前 90m两条材料道的破坏。分析两起冲击原因,主要 是上覆岩层的活动和破断,不能形成平衡造成的。 图6 9104工作面初次来压期间顶板下沉速度曲线 312 电磁辐射观测结果分析 2000年10月31日,三河尖矿西翼7 煤的 7204工作面和9 煤的9112工作面观测到电磁辐 射值突然增大,而且是两个工作面同时增大,冲击 矿压危险指数达到019 ,见图7。煤粉钻监测同样 反映了冲击危险。平均煤粉量达5153kg ,大大超 出煤粉量指数。60m钻孔内发生5次板炮, 30m钻 孔内断钻杆4根、压死钻杆1根。同时,在东翼 7141放顶煤工作面运输道及其巷道交叉点处发生 冲击矿压。电磁辐射同样是非常高,见图8。这说 明了上覆顶板岩层大范围的运动造成了井下较大范 围的动力显现,冲击危险性大幅度上升。 图7 7204和9112工作面电磁辐射幅值的变化 图8 7141工作面及其周围电磁辐射变化 下转66页 06 总第55期煤 矿 开 采2003年第2期 89mm , 115mm ,钻杆为直径42mm的空心螺纹连 接钻杆,采用水力排粉的方式。 沿工作面走向每隔2～3m布置1组孔,每组 包括3个钻孔,呈三花形布置,每孔相距015m左 右。孔深不小于10m ,倾角3,孔径115mm ,垂 直于巷帮施工。实际施工时受空间所限,许多钻孔 与巷帮水平夹角10 左右,孔深有1014m、14m和 16m三种,达到了卸压要求。该钻孔布置形式,可 保证在工作面前方支承压力的作用下,每个钻孔周 围形成一个破碎区, 1组3个钻孔会形成一个更大 的破碎区。这个破碎区在高应力作用下将向四周扩 展,最终与邻近破碎区相贯通,在钻进平面的煤体 形成一条破碎带,起到卸压作用,并使应力峰值向 岩体深部转移,解除冲击危险。 4 防治效果 东滩矿采用上述技术,按照确定的工作思路和 工作程序开展应力集中区的冲击矿压防治工作取得 了良好的效果。目前已在43上07工作面切眼附近 应力集中区、43上04工作面开采初期应力集中区、 43上04工作面邻近一分层采空区应力集中区等多 个应力集中区域的生产过程中杜绝了冲击矿压事 故,实现了安全生产。 5 认识与体会 1通过开展应力集中区冲击矿压防治工作, 加深了对冲击矿压问题的认识,按照已确定的基本 程序开展冲击矿压防治工作,形成了东滩煤矿防治 冲击矿压的工作体系和程序。 2电磁辐射监测是非接触式监测,无须施工 钻孔,简单易行,测得的数据生成变化曲线,便于 分析,显示冲击危险直观、可靠,是进行较大范围 内冲击矿压危险普查的最佳选择。使用电磁辐射检 测,关键在于根据不同煤层性质确定危险临界值; 该监测方法的仪器和数据分析软件需要进一步优化 完善。 3钻屑法是一种比较成熟的鉴别冲击矿压危 险的手段,具有便于施工、数据可靠等特点,但是 由于是靠人工推进,劳动强度较大,施工周期长, 不便进行大范围的普查。为便于进行煤粉监测,应 选用合适的钻进机具,同时要提高施工记录的质 量。 4深孔卸压爆破是一种解除冲击矿压危险的 有效方法,施工机具灵便,方法简单易行,关键是 确定最佳的爆破参数,确保深孔爆破的可靠性,避 免出现瞎炮,以免为工作面回采带来安全隐患。 5大直径卸压钻孔避免了深孔卸压爆破容易 形成瞎炮,带来新的安全隐患的弊端,也是一种解 除冲击矿压危险的有效方法,今后要研制便于搬运 安装、适合在窄小环境下作业施工的专用机具,降 低卡钻现象,提高该方法的适用范围。 [责任编辑毛德兵] 上接60页 4 结论 1在一定的采深条件下,坚硬顶板的运动破 坏对冲击矿压的发生起重要作用。 2坚硬顶板对冲击矿压的影响程度可采用顶 板厚度参数来描述。 3数值模拟实验、相似材料模拟实验、现场 电磁辐射实测及冲击矿压发生的实例均表明,顶板 关键层运动、破断对冲击矿压的发生影响巨大。 4通过对关键层运动规律的分析监测,可以 达到预测预报冲击矿压的目的。 [参考文献] [1]窦林名,何学秋 1 冲击矿压防治理论与技术[M]1 徐州中 国矿业大学出版社, 20011 [2] Dou Linming , B1Drzezla1Zmodyfikowana kompleksowa metoda o2 ceny stanu zagrozenia tapaniami wkopalniach wegla kamiennego [J ]1Przeglad Gorniczy , No111 , 19981 [3]窦林名,何学秋,王恩元,等.冲击矿压与震动的机理及预报研究 [J ]1 矿山压力与顶板管理,1999 ,3～4 19922031 [4]窦林名,谷德钟,曹树刚 1 冲击矿压及其防治[J ]1 矿山压 力与顶板管理, 1999 , 3～4 21522181 [5]窦林名 1 煤岩突变的声电效应规律及其应用研究[D]1 徐州 中国矿业大学, 20011 [6]钱鸣高,缪协兴,许家林,等 1 岩层控制的关键层理论[ M] 1 徐州中国矿业大学出版社, 20001 [责任编辑毛德兵] 66 总第55期煤 矿 开 采2003年第2期