济三矿六采区冲击矿压类型及其防治.pdf

2 0 0 6 年第 4 期 煤矿支护 2 1 济 三 矿 六 采 I g ． 冲 击 矿 压 类 型 及 其 防 治 窦林名 张广文张士斌牟宗龙郭建全李志华 [ 大屯煤电 集团公司生产管理部， 江苏沛县 2 2 1 6 1 1 ] 摘要 六采区6 3 0 3工作面回呆的3 下煤层，而且老顶为坚硬稳定的中砂岩，平 均厚度在 2 3 m左右。其冲击矿压特点是，冲击发生后顶板与煤层离层、顶板完整 没有破碎，冲击与顶板周期运动一致，冲击矿震后部分十字铰接顶粱支柱震歪、震 断，十字铰接顶粱被震断。试验表明，单纯煤样和煤岩样组合均为弱冲击倾向性， 煤岩组合的动态破坏猛烈。故可确定该区域的冲击矿压为顶板型 冲击型和顶板 煤层型。对干该类冲击矿压，可采用钻孔卸压、煤体爆破卸压和顶板爆破等三种措 施进行防治。 关键词 冲击矿压 坚硬顶板 冲击倾向性 类型 防治 一 般厚 2 ．5 2 0 m，平均 1 1 ． 5 3 m。 1 概述 济三煤矿矿井采用立井分水平上下山开 拓方式，井下采用倾斜大巷条带式回采布 置，分区域沿煤层倾斜方向平行布置三条大 巷，在大巷两侧直接布置走向长壁工作面， 开采方式为采区前进，区内后退式。采煤方 法为综采放顶煤采煤法，采空区处理方式为 全部垮落法。 井田含煤地层为二迭系山西组和石炭系 太原组，煤系地层平均总厚约 2 5 0 m，共含 煤 2 6 层，其中主要可采煤层为 3 上 、3 下煤， 平均厚度 6 ． 2 1 m。井田位于南北向的济宁地 堑构造内，东西两侧分别为南北向的区域性 断裂孙氏店断层和济宁断层，井田内断层受 该两断层控制以南北向断层为主。井田的构 造形态则是北部以宽缓褶皱为特点，往南逐 渐转成北东走向、向北西倾伏的单斜构造。 井田内断层有明显的规律性，其中为主的南 北向断层组多为东升西降的正断层。3 E煤 层顶板为细至中粒砂岩，厚度一般在 3 ～ 4 5 ． 9 m，平均 1 9 ． 2 m，3 v煤层顶板为中到 粗 粒 砂 岩，一 般 厚 6～ 6 0 m，平 均 厚 2 7 ． 9 6 m。底板为细砂岩和粉细砂岩互层， 济三煤矿目前主要开采西部六采区。六 采区的 6 3 0 3 工作面辅助顺槽在沿空掘进期 间先后多次发生较严重的压力异常显现，造 成巷道变形严重，部分地段巷道失稳，影响 了巷道正常掘进。在回采期间 1 1 月 3 0日， 当6 3 0 3 工作面接近掘进发生动力现象的地 段时，在工作 面前 方 6 6 m 的断层 以外， 6 3 0 3 工作面辅助顺槽从 1 3 7 6 m到 1 4 0 6 m共 3 0 m段发生煤体突出，实体煤帮瞬间突出 1 ． 5 ～2 m左右，同时伴有巨大的声响，掀 翻该范围内的电机设备列车，之后在该区域 内多次发生小的冲击和矿震。为了保证矿井 的安全生产和保护人民生命财产不受损失， 对济宁三号煤矿西部六采区的冲击矿压危险 进行分析，对具有冲击矿压危险性高的区域 进行预测预报，对冲击矿压危险区域采取相 应的处理措施，以防止冲击矿压的发生。 2 采区工作面地质条件 济三煤矿西部六采区位于井田中部偏 东，西胶巷北侧、北区辅运巷南侧，其东面 为四采区，西部以八里铺西断层为界。煤层 赋存整体上是东部高、西部低。采区东西宽 维普资讯 2 2 煤矿支护 2 0 0 6 年第 4 期 约 1 8 0 0 - - * 1 9 0 0 m、南北长约 2 2 0 0 m，采区面 积约 3 ． 9 k m 2 六采区首采煤层为 3 下煤层， 底板标高 ⋯6 0 0 7 1 0 m， 煤 厚 1 ． 3 9 ～ 7 ． 2 5 m，平均厚度 5 ． 5 m，莽近湖区煤层因 冲刷而变薄。3 下煤顶板以中砂岩、细砂岩、 粉砂岩为主，老顶以中砂岩为主，坚硬稳 定，厚度 1 6 ． 7 7 ～4 2 ． 1 2 m，平均厚度在 2 6 m 左右。本区主要含水层为煤层顶板砂岩及红 层。六采 区作为矿井设计 投产 采 区，于 2 0 0 1 年 4 月 6 3 0 1 首采工作面正式生产，到 2 0 0 3年底已回采完成 6 3 0 1 、6 3 0 2 、6 3 0 0 三 个工作面，6 3 0 3 工作面为第四个工作面。 6 3 0 3 工作面 自北向南推进，推进长度 2 0 5 7 ． 8 m，工作面长 2 3 9 ． 8 m，采深 6 0 0 ～ 7 1 0 m。该工作面位于六采区 中部，东临 6 3 0 2 、6 3 0 1 、6 3 0 0 三个采空区，与 6 3 0 2 采 空区留设 4 m保护煤柱，西临 6 3 0 4工作面 尚未回采 。工作面开采煤层为山西组 3 下 煤，煤 层 厚 度 2 ． 8～ 6 ． 8 m，平 均 厚 度 4 ． 7 5 m。煤层直接顶为灰黑色粉细砂岩互 层， 厚度 0 “ - - 1 3 ． 7 5 m，赋存不稳定，坚固性 系数 f 值为4 “-- 6 。老顶以中砂岩为主，坚硬 稳定，厚度 1 6 ． 7 7 ,--．,-, 4 2 ． 1 2 m，平均厚度在 2 6 m左右，坚固性系数 f 值为 8 -- - - 1 0 。 工作面位于姜庄向斜的南北两翼，中南 部以单斜构造为主，北部为姜庄向斜，轴向 N E，幅度 1 5 -- - 2 0 m，并伴生次一级的波状 起伏及断层，上下顺槽共揭露断层 1 4条， 其中落差在 5 ． O m以上的断层有 2 条，对工 作面生产影响较大。 3 冲击矿震的冲击现象分析 我们对济三矿六采区前后发生的近 _l O 次矿震冲击现象进行了分析，可以得出如下 几点 发生冲击矿压现象的地点，其开采深度 达到 7 0 0 m左右 ； 煤层厚度为剧烈变化带，而且在该区域 煤层厚度只有 3 m左右，见顶见底； 冲击区域的顶板岩层与煤层出现离层， 且顶板完整没有破碎。2 0 0 4年 1 1 月 3 0日 的冲击产生的煤、岩层离层距离达 2 0 c m， 向煤壁内延伸达 5 m之深， 说明冲击的主要 原因可能是坚硬顶板所致； 顶板直接为中粒砂岩， 根据钻孔 C 7 7 和 C 8 9资料，其厚度在 2 9 ～3 0 m之间 根据山东省煤田地质勘探公司第三勘探对 提供的资料，发生冲击矿压的区域内，顶板 中粒砂岩厚度为 1 2 “ 2 1 m ； 发生冲击矿压的区域前三次在一小背斜 构造处，以后发生的在小背斜构造和一小向 斜构造，而且在 s F 2 8 断层带附近； 2 0 0 4年 l 1月 3 0日的冲击矿压之后， 6 3 0 3辅助顺槽的冲击矿压矿震现象主要发 生在工作面前方 5 0 m的范围内； 冲击矿压矿震的发生主要是煤机处在溜 尾附近割煤或溜尾移架的过程之中； 大部分情况下，工作面每推进2 0 - - 4 0 m 就发生一次小的冲击或矿震，这与工作面的 周期来压规律比较吻合； 辅助顺槽冲击矿压发生时，冲击和矿震 显形的部分主要是巷道腰线附近的煤壁臌 出，使金属网形成网兜，而没有被撕破； 冲击矿震发生时，部分支柱被震歪，较 大的冲击矿震部分支柱被震断，十字铰接顶 梁被震断； 冲击矿震发生后，辅助顺槽内的顶板有 明显的下沉，下沉量达到2 0 o ～6 0 o n m； 几次冲击矿压现象，现场未出现明显的 底臌现象。 4 煤层及与顶底板组合的冲击倾向性试验 为了分析济三煤矿西部六采区的冲击矿 压发生机理，防止冲击矿压的发生，对该采 区煤层 6 3 0 3 工作面煤样动态破坏时间、弹 性能指数、冲击能指数等冲击倾向性指标进 行了试验研究。在此基础上，又进一步对该 工作面的煤岩组合试样进行了动态破坏时间 维普资讯 2 0 0 6 年第 4 期 煤矿支护 2 3 和弹性 能、冲击能指数 的测定。试验时， 煤、岩样按照不同比例进行组合，采用强力 A B胶进行粘合，并水平放置 4 8 小时以上， 使其结合部位保持顺直且胶结充分。煤岩样 是在 6 3 0 3 工作面均匀选取的，在实验室按 需要加工成不同尺寸大小的试件，煤层和岩 层冲击倾向性鉴定遵照我国煤炭行业标准 MT ／ T ／ 7 4 1 0 0 0 煤层冲击倾向性分类及 指数的测定方法执行 由试验得出，6 3 0 3工作面煤样的单 向 抗压强度为 1 5 ． 9 9 MP a ，煤样平均动态破坏 时间为 5 4 ． 8 2 ms ，平均冲击能指数为 4 ． 9 3 ， 平均弹性 能指数为 4 ． 6 7 ，对 比行业标准 MT ／ T 1 7 4 --2 0 0 0 可以认为该工作面煤样具 有弱冲击倾向性，见表 1 所列 裹 1 煤样冲击倾向性试验结果 单向抗压强度／ MP a 1 5 ． 9 9 弱冲击 动态破坏时间／ m s 5 4 ． 8 2 弱冲击 冲击能指数 4 ． 9 3 弱冲击 弹性能指数 4 ． 6 7 弱冲击 表 2为组合煤岩的冲击倾向性试验结 果。该试验也是按照行业标准 MT ／ T ／ 7 4 1 0 0 0 进行的。通过对煤岩样进行动态破坏 时间测定 ， 经综合比较可以看出，岩煤 以及岩一煤岩组合试样发生动态破坏 的猛烈程度要远强于纯煤的破坏猛烈程度。 裹 2 煤岩组台试样冲击倾向性试验结粜 单向抗压强度／ MP a 2 O ． 4 O 动态破坏时间／ m s 5 4 弱冲击 冲击能指数 3 ． O 弱冲击 弹性能指数 4 ． 3 2 弱冲击 试验结果表明，单纯煤样的冲击倾向性 指标与煤岩样组合的冲击倾向性指标基本上 一 致。但是，煤岩样组合的单向矿压强度比 单纯煤样的单 向抗压强度大 2 7 ． 6 ，而且 岩一煤以及岩一煤一岩组合试样发生动态破 坏的猛烈程度要远强于纯煤的破坏猛烈程 度 。 5 六采区6 3 0 3工作面冲击矿压类型 5 ． 1 冲击矿压的一般类型 一 般来说，冲击矿压可分为由采矿活动 引起的采矿型冲击矿压和由构造活动引起的 构造型冲击矿压。而采矿型冲击矿压又可分 为压力型、冲击型和冲击压力型。压力型 煤柱型冲击矿压是由于巷道周围煤体中 的压力由亚稳态增加至极限值，其聚集的能 量突然释放。冲击型 顶板或底板型冲击 矿压是由于煤层顶底板厚岩层突然破断或位 移引发的，它与震动脉冲地点有关。在某种 程度上，构造型冲击矿压也可看作为冲击 型。冲击压力型冲击矿压则介于上述两者之 间，当煤层受较大压力时，来自围岩内不大 的冲击脉冲作用下发生的冲击矿压。 5 ． 2 坚硬顶板对顺槽冲击矿压的影响 六采区回采的 3 下煤层顶板中老顶为坚 硬稳定的中砂岩，泥硅质胶结，厚度大，平 均厚度在 2 3 m左右，坚固性系数 f 值为 8 ～ 1 0 。局部有直接顶，赋存不稳定，为粉砂岩 和粉细砂岩互层，厚度在 0 ～7 m之间，坚 固性系数 f 值为 4 ～6 。厚度大而且坚硬的老 顶是产生冲击危险的一个主要因素。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。 由于 6 3 0 3工作面辅助顺槽所处 的 3 下 煤层老顶 为坚硬 的中砂 岩，厚 度平均为 2 0 ． 5 m，坚固性系数 f 值为 8 ～1 0 ，直接顶 为灰黑色粉细砂岩互层，厚度 0 ～1 3 ． 7 5 m， 赋存不稳定，坚固性系数 f 值为 4 ～6 。因 此，在 6 3 0 3 工作面辅助顺槽的采空区一侧， 老顶可能处于悬顶状态，见图 1所示。此 外，在该区域形成较强烈的应力集中现象， 维普资讯 煤矿支护 2 0 0 6 年第4 期 应力集中区域趋向采空区，见图 2 所示。这 时，在坚硬厚层顶板中聚积了大量的弹性 能，在其破断或滑移过程中，大量的弹性能 突然释放，形成强烈震动，导致顶板型冲击 矿压的发生。 田l 6 3 0 3 工作面辅运顺槽老璜愚】 面 示意圈 圈2 6 3 0 3 工作面辅运顺檀采空区边缘垂直应力分布 5 ． 3 顶板运动对冲击矿压的影响 根据矿压观测资料，6 3 0 3工作面的老 顶初次来压步距为 5 2 ． 8 m，老顶初次来压主 要表现为支架工作阻力较大、增阻较快，工 作面煤壁普遍片帮；支架安全阀开启率较 大。工作面的周期来压步距为 1 8 - - 2 4 m，平 均 2 2 m，持续时间 1 ～2 天。 从记录的冲击前 1 1 月 2 5 - - - 3 0日 工作面 支架的压力分析，在 l 1 月 2 8 、2 9日 工作面 压力较大，部分立柱安全阀开启，可判断工 作面正处于周期来压期间，顶板活动剧烈。 从工作面支架压力测试结果看，上次周期来 压时间是 l 1 月 2 4 、2 5日。截止到发生冲击 的 3 0日，工作面辅助顺槽侧推进 1 6 ． 0 m， 胶带运输顺槽推进 1 7 ． 6 m，符合周期来压的 规律。3 0日发生冲击时采煤机恰好在机尾 处割煤，对辅助顺槽发生冲击起诱发作用。 6 3 0 3 辅助顺槽发生冲击矿压后，底板 没有臌起，顶板没有断裂而只是下沉。在采 取卸压爆破后，顶板周期来压期间依然有小 的矿震出现，煤壁压出少，但震动剧烈，支 柱有震歪现象。因此，可以确定该冲击矿压 为顶板型 冲击型冲击矿压和顶板煤层型 冲击压力型冲击矿压。 6 顶板煤层型冲击矿压的防治 对于 6 3 0 3 工作面及其巷道冲击矿压危 险的监测预报主要采用综合指数法早期分 析、电磁辐射和钻屑法及时预报等三种方法 进行。电磁辐射法主要采用 K B D 5冲击矿 压电磁辐射监测仪，在工作面超前辅助顺槽 2 0 0 m范围内，每 1 0 m布置一个观测点，监 测冲击矿压危险。对于监测到的冲击危险高 的区域，采用钻屑法进一步检测，并采取相 应的防治措施。此外，还采用电磁辐射和钻 屑法检验防治措施的效果。 根据冲击矿压的强度弱化减冲原理，弱 化煤岩体和冲击矿压发生的强度， 用钻孔卸 压、煤体爆破卸压和顶板爆破等三种措施进 行防治。在辅助顺槽靠工作面侧进行煤体卸 压松动爆破，降低了煤体的冲击倾向性和强 度，降低了应力集中峰值，应力高峰向煤体 深部转移。爆破产生振动使得煤体中聚集的 能量得到了部分释放，爆破使得煤体形成了 近 1 0 m左右的阻隔松散带，从而有效地阻 挡了煤体的冲出。在 6 3 0 3辅助顺槽靠近 6 3 0 2采空区处的巷道上方顶板采用锚杆钻 机打深 1 0 m的钻孔，并在孔内装4 m长的水 胶炸药进行顶板深孔爆破， 破坏顶板的完整 性，释放因压力聚集而产生的能量，减少顶 板由于采动影响和时间效应而产生的断裂对 、 -- - ；● ‘ L 、 、 、 { ●- 、 ● _ - ；． 、 ， - - ； ● 蕾 、 ● ． 卫 ． ． ． J 、 ， 、 、 -． ．- r ●● 、 、 ‘ - 、 ； ～ 维普资讯 2 0 0 6 年第 4 期 煤矿支护 2 5 煤层和支架的冲击震动。 7 主要结论 1 济宁三号煤矿六采区 6 3 0 3工作面 发生的冲击矿压主要特征是，掘进期间主要 发生在辅助顺槽 ，回采期间也发生在辅助顺 槽，而且与顶板周来压运动一致。冲击发生 后，冲击区域的顶板岩层与煤层出现离层， 且顶板完整没有破碎。冲击矿震发生时，部 分支柱被震歪，较大的冲击矿震部分支柱被 震断，十字铰接顶梁被震断。 2 六采区回采的 3 下煤层顶板中老顶 为坚硬稳定的中砂岩，泥硅质胶结，厚度 大，平均厚度在 2 3 m左右，坚固性系数 f 值为 8 ～1 O 。局部有直接顶，赋存不稳定， 为粉砂岩和粉细砂岩互层 ，厚度在 0 ～7 m 之间，坚固性系数 f 值为 4 ～6 。 3 试验结果表明，单纯煤样的冲击倾 向性指标与煤岩样组合的冲击倾向性指标基 本上一致，为弱冲击倾向煤层 但是，煤岩 样组合的单向矿压强度比单纯煤样的单向抗 压强度大 2 7 ． 6 ，而且岩一煤 以及岩一煤 一 岩组合试样发生动态破坏的猛烈程度要远 强于纯煤的破坏猛烈程度。 4 根据 6 3 0 3工作面发生冲击矿压的 特点并结合现场分析和实验室煤岩样试验结 果可以确定，6 3 0 3 辅助顺槽发生的冲击矿 压为顶板型 冲击型冲击矿压和顶板煤层 型 冲击压力型的冲击矿压。 5 对于 6 3 0 3 工作面的冲击矿压危险 根据冲击矿压的强度弱化减冲原理，弱化煤 岩体和冲击矿压发生的强度，用钻孔卸压、 煤体爆破卸压和顶板爆破等三种措施进行了 防治，取得了良好的效果。 参考文献 [ 1 ]窦林名，何学秋 ．由煤岩变化破坏引起 的电磁 辐 射 [ J ] ．清 华 大学 学 报， 2 0 0 1 ，4 1 1 2 8 6 8 8 ． [ 2 3窦林名，何学秋 ． 冲击矿压防治理论与 技术 ．徐州中国矿业大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ]窦林名，何学秋 。 采矿地球物理学 ． 北 京中国科学文化出版社 ，2 0 0 2 。 [ 4 ]窦林名，何烨，张卫东 ． 孤岛工作面冲 击矿压危险及其控制 [ J ]．岩石力学 与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 1 1 1 8 6 6 1 8 6 9 。 [ 5 ]王恩元，何学秋，刘贞堂 ． 受载岩石电 磁辐射特性及其应用研究 [ J ]．岩石 力 学与 工 程 学报，2 0 0 2 ，2 1 1 0 1 4 7 3 1 4 7 7 ． [ 6 ]华安增 ． 地下工程周围岩体能量分析 [ J ]．岩石力学 与工程学 报，2 0 0 3 ， Vo 1 ． 2 2 7 1 0 5 4 --1 0 5 9 ． [ 7 ]陆菜平，窦林名，谢耀社 ． 煤样三轴围 压钻孔损伤演化冲击实验模拟口]． 煤 炭学报，2 0 0 4 ，2 9 6 ，6 5 9 --6 6 2 ． [ 8 ]陆菜平，窦林名，吴兴容 ． 基于能量机 理的卸压爆破效果 电磁辐射 检验法 [ J ]． 岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 6 ． 1 0 1 4 1 0 1 7 ． 第一作者简介窦林名 男，1 9 6 3 年出生， 博士。中国矿业大学能源与安全工程学院教 授，博士生导师，国家重点学科 “ 采矿工 程”学科带头人，学院教授委员会主任，矿 山压力研究所所长。一直从事采矿工程、矿 山压力、顶板灾害防治、冲击矿压、采矿地 球物理学等方面的科研和教学工作。出版了 冲击矿压防治理论与技术 、 采矿地球物 理学 、 采场顶板控制与监测技术等三部 专著，并在国内外公开发表论文 6 O余篇。 主持和参与了十几项国际、国内科研项 目的 研究，获得多项科技奖。E - m a i l l m d o u c u mL e d u ．C F I 。邮政编码 2 2 1 0 0 8 。 收稿日期z 0 0 6 一O 6 2 6 I责任编辑周正行 维普资讯