济二矿首例孤岛综放面冲击矿压监测治理.pdf

第3 3 卷第5 期 2 0 0 4 年9 月 中国矽业大学学报 J o u r ‘n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．．3 3N O ．5 S e p ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 6 9 0 4 济二矿首例孤岛综放面冲击矿压监测治理 何烨1 ，彭飞2 ，胡学军2 窦林名1 ，才庆祥1 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．．济宁二号矿，兖州2 7 2 0 0 0 摘要孤岛综放工作面及其周围巷道附近应力集中程度高，顸板运动剧烈，再加上地质构造的影 响，采深较大时，很容易引发冲击矿压．孤岛工作面冲击矿压危险检测预报及控制的技术可事先 分析冲击危险程度，并提出早期预报．本文采用电磁辐射和钻屑法进行及时预报；应用卸压爆破 进行处理，并采用电磁辐射和钻屑法检验防治措施的效果．实践证明，这套技术安全、可靠、有效， 能够保证工作面的安全高效生产． 关键词孤岛工作面；冲击危险；电磁辐射；钻屑法；卸压爆破 中图分类号T D3 2 4文献标识码A M o n i t o r i n ga n dC o n t r 。o lo fR o c kB u r s ti n I s l a n dC o v i n gC o a lF a c e H EY e l ，P E N GF e i 2 ，H UX u e j u n 2 ，D O UL i n m i n 9 1 ，C A IQ i n g X i a n 9 1 1 ．．S c h o o lo fM i n e r a la n dS a I e t yE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．J i n i n gN o ．2M i n e ，Y a n z h o u ，S h a n d o n g2 7 2 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t F m t h ei s l a n dc o a lf a c ea n di t sS U I I o u n d i n gr o a d w a y s ，t h eS l Ie s sc o n c e n t I a t i o ni Sa t a v e l Yh i g hl e v e r ．A n dt h em o v e m e n to f t h er o o fi sa l s od r a s t i c ．T h ei n f l u e n c eo ft h eg e o l o g i c a l t e c t o n i c si Ss i g n i f i c a n t ．B e c a u s eo ft h ea b o v e { a c t o r S ，t h em o i et h em i n i n gd e p t hi S ，t h et o o l ’et h e h a z a I dd e g r ，e eo fr o c kb u I s ti s ．T h e i e f o I e ，t h el o c kb u , s tc a nb er e n d e r e de a s i l y ．F o r 。i s l a n dc o a l f a c e ，t h em o n i t o r i n g ，f o r e c a s t i n ga n dc o n t r ’o i l i n gt e c h n o l o g yf o r ’h a z a r ’di sf e a s i b l e ．I nt h i sp a p e r ’， t h eh a z a r de x t e n to fr o c kb u r s ti Sa n a l y z e dt od e t e r m i n et h ei n d e xo ft h eh a z a r do fr o c kb u I ’s t ，a n d t Op r e s e n tt h ei n c i p i e n tf o r e c a s t ．T h e n ，t h er o c kb u r s ti Sf o r 。e c a s t e di n s t a n t a n e o u s l yw i t h e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o n E M E a n dd r i l l i n g s ．F i n a l l y ，t h ei s l a n dc o a H a c es h o u l db eh a n d l e dw i t h r e l i e v i n g s h o t ．T h ee f f e c to f f o r e c a s t i n ga n dc o n t r o l l i n g m e a s u r 。e sc a nb e p r ’o v e dw i t h e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o na n dd r i l l i n g s ．T h ep r 。a c t i c e sp r ’o v et h a tt h et e c h n o l o g yw h i c hc a na s s u r ’e t h es a f e t ya n dh i g he f f e c t i v ep r ‘o d u c to ft h ec o a lf a c ei Ss a f e ，s e c u r ea n de f f e c t i v e ． K e yw o r d s i s l a n dc o a lf a c e ；h a z a r do fr o c kb u r s t ；e l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o n ；d r i l l i n g ；r e l i e v i n gs h o t 济宁二．号矿2 3 0 3 综放工作面为该矿‘首例孤 岛工作面．在2 3 0 3 综放工作面轨道顺槽掘进至切 眼附近时，曾产生煤岩动力现象，巷道掘进头的底 板在半个小时之内鼓起5 0 0m m ．该矿区另～个矿 在类似的孤岛工作面条件下，曾发生冲击矿压，造 成人员的伤亡和巷道的破坏．综采放顶煤孤岛工作 面开采过程中遇到的冲击矿压危险问题是我国乃 至世界范围内煤矿开采过程中遇到的新问题．因 此，本文试图就综放孤岛工作面的冲击矿压危险性 进行探讨分析，并提出相应的预测方法和手段，以 防止灾难性事故的发生． 收稿日期2 0 0 3 0 6 0 2 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 0 7 4 0 3 0 ；教育部博士点基金项目 2 0 0 2 0 2 9 0 0 0 5 ，2 0 0 3 0 2 9 0 0 17 作者简介何烨 1 9 6 3 一 ，男，河北省昌黎县人，中国矿业大学博士研究生，兖矿集团西安能化公司董事长，从事采矿工程、矿山压力方 面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 1工作面生产地质条件 2 3 0 3 _ 工作画标高为一4 9 7 ～一5 3 0m ，平均一 5 1 3m ，地面标高为 3 4 ．4m ．井下位置为东到北翼 大巷，南邻2 3 下0 2 工作面采空区，西距2 3 0 0 工作 面采空区2 8 ～5 8m ，北邻2 3 下 4 工作面采空区． 见图1 所示．由于该工作面三面为采空区，形成孤 岛煤柱．而且在2 3 下0 3 工作面开采初期的轨道顺 槽边上，是2 3 下0 0 工作面采空区．与2 3 下0 2 工作 面采空区所夹的1 0 0m 煤柱． 此外，在轨道顺槽距工作面约1 0 0m 处，还存 在着落差为9 ．0m 的F 2 1 3 2 断层，形成了高应力 集中区． 2 3 0 3 工作面回采3 下煤层．煤厚平均为5 ．9 7 m ，普氏系数厂 I ．9 1 ，具有中等冲击倾向性．直接 顶为粉砂岩，厚5 ．4m ，厂 4 ．o ～7 ．0 ，老顶为中砂 岩，厚1 2 ．0m ，，一7 ．o ～1 3 ．5 ，见图2 所示[ 1 | ． 图12 3 0 3 工作面布置示意图 F i g ．1 T h es k e t c ho ft h ep l a c e m e n to { 2 3 0 3c o a lf a c e 层中的自重应力越大，煤岩体中聚积的弹性能也越 多． 2 3 下煤层具有中等冲击倾向性在一定的围 岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或工作面均有 可能发生冲击矿压．煤的强度越高，冲击倾向性越 大，引发冲击矿压所要求的应力越小，越容易发生 冲击矿压． 3 3 T 煤层顶板为坚硬顶板．其直接顶为粉砂 岩，厚4 ．5m ，老顶为中砂岩，厚1 2m ，而顶板岩层 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 破断过程中或滑移过程中，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矿压或顶 板型冲击矿压的发生． 4 2 3 0 3 工作面区域内，存在落差为9 ．0m 的 F 2 1 。。断层．而煤系地层的动力运动形成的断层、皱 曲等地质构造对煤矿冲击矿压的发生有较大的影 响． 5 2 3 0 3 工作面是孤岛工作面．在开采初期， 上覆岩层的作用将集中在1 0 0m 煤柱区域，从而 产生较高的应力集中，故该区域是冲击矿压危险性 最大的区．域．从上述分析来看，工作面的冲击危险 主要集中在轨道顺槽，其次是老顶的初次来压期间 和断层带附近． 3 孤岛面周围应力集中区分布 图3 为数值模拟所得到的应力集中系数等值 线分布图E4 | ．由图3 可见，对于孤岛开采的综放工 作面，沿走向方向，I 作面前方o ～1 0 0m 范围内， 煤层底板支承压力集中系数达1 ．2 ～3 ．8 ，峰值位 置在工作面前方2 0 。m 附近．沿工作面倾斜方向， 工作面两端煤层底板垂直应力集中系数司达1 ．2 ～2 ．4 ，而工作面两顺槽及两侧采空区下方应力小 于原岩应力． №‰熊勰s 图e a m s 顺槽墨霁黧瓣集m 篙薹嚣戮鍪冀 F i g ．2C o l u m no fc o a l 胱1 茸位7 l 不’洲别上u u 垛值l △- 峨1 、H 掣l ，矗。巾刚地疋 应力集中区，是冲击危险区域，电磁辐射观测结果 2工作面冲击危险性分析 证明了这～点． 一般情况下，冲击矿压的影响因素主要有煤层 从图4 可以看出，在断层处的电磁辐射幅值和 的开采深度、煤岩的冲击倾向性、顶板的岩层结构 脉冲数均较高，说明断层附近是应力集中区域和煤 和强度、地质构造以及应力集中升高区域陆s | ． 岩变形破坏严重区域由于轨道顺槽内帮煤体受工 1 2 3 0 3 工作面具有开采深度大的特点．其开 作面采动支承压力的影响大于外帮煤体，轨道顺槽 采深度在5 3 1 ～5 7 4m 左右，而开采深度越深，煤 内帮的电磁辐射值较高 万方数据 第5 期何烨等济二矿首例孤岛综放面冲击矿压监测治理 暑 ＼ 赵 醛 蜷 蠼 m 鲢 蝼 强 3 5 0 0 镶 O 旨 ＼ { 趋i 聪 辚 筵 a 1 1 { 蝼 强 距顺槽的距离／m a 汾工作面走向方向 b 沿工作面倾斜力向 图3 孤岛综放面周围应力分布图 F i g ．3 S t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ei s l a n dc o a lf a c e 5 06 07 08 0 9 01 0 01 1 01 2 01 3 0 1 4 0 距切眼的距离／m 图4轨顺内帮的电磁辐射观测值 2 0 0 2 0 3 0 7 F i g ．．4 E M Er e s u l tm o n i t o r e di nt h ei n s i d eo f t h er e t u r na i r w a y 2 0 0 2 0 3 0 7 从电磁辐射观测的结果分析，2 3 0 3 综放工作 面超前支承压力的影响范围在7 0 ～9 0m 以外，这 说明综放工作面的顶板运动从超前工’作面7 0 ～9 0 m 以外就已开始，其影响范围比正常工作面的大 得多．井下的宏观显现，煤炮声等同时证明了这一 点． 冲击矿压危险监测预报 对于2 3 0 3 孤岛工作面的冲击矿压危险，采用 目前较为先进的电磁辐射和钻屑法相结合的预测 预报方法． 研究表明，受载煤岩体在其变形破坏过程中将 产生电磁辐射，电磁辐射的强弱与煤岩体受力大 小、变形破裂过程紧密相关[ z , 5 - 9 ] ．因此，电磁辐射可 用来预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力 现象．其主要参数是电磁辐射强度和脉冲数．电磁 辐射强度主要反映了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．而较高的应力集中及其变形，使得煤体受力 变化幅度大，煤体破裂剧烈，这将引起工作面及其 周围巷道内电磁辐身寸的全面升高． 电磁辐射监测方式采用定点监测和普查相结 合的方式，即对轨道顺槽采用定点监测，其余地点 如工作面、巷道及其他区域等采用普查的方式；监 测时间为每两个班监测1 次，每点测量时间2m i n ． 监测指标为电磁辐射幅值最大值、幅值平均值、脉 冲数等3 个． 而钻屑法主要是在煤层钻孔时依据煤粉量的 多少和钻孔时的动力现象，来判断应力的大小和冲 击的危险性．钻屑法主要监测轨道顺槽两帮煤柱的 应力集中情况．对观测的区域，如果钻屑检测或电 磁辐射已处于临界危险状态，必须将两者检测结果 进行对比，如果确认处于危险状态必须采取解危措 施． 在2 3 0 3 工作面回采期间，共发出冲击矿压危 险警报7 次，处理了5 次，保证了工作面的安全生 产，见表1 所示．图5 为2 0 0 2 年3 月3 日早班监测 的轨顺电磁辐射的变化情况，由图可见，距切眼5 0 m ，7 0m 处，电磁辐射较大，说明此处的冲击矿压 危险性较大． 表1冲击矿压危险监测表 T a b l e1 M o n i t o r i n go fr o c kb u r s td a n g e r 。 报警时间电磁监测煤粉监测处理结果 1 日单部分点超限 3 日早部分点超限 4 日中部分点超限 5 日中部分点超限 8 日中整个轨顺 1 0 日早部分点超限 1 2 日年中电磁辐射变化剧烈 部分钻孔煤粉超限 2 日处理 部分钻孔煤粉超限3 日处理 部分钻孑L 煤粉超限4 日处理 部分钻孔煤粉超限 7 日处理 煤粉正常9 日处理 正常 煤粉正常断层带影响 3 0 0 0 2 5 0 0 籁2 0 0 0 是1 5 0 0 莹1 0 0 0 5 0 0 O 2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 1 1 0 距切眼的距离／m 图5 早班轨顺内帮的电磁辐身寸滥测结果 2 0 0 2 0 3 0 3 F i g 。5 E M Er e s u l tm o n i t o r e db yt h ef i r s tb r e wi nt h e i n s i d eo ft h er e t u r na i l w a y 2 0 0 2 0 3 0 3 5 冲击矿压危险的治理及其效果 对冲击矿压危险的治理采用卸压爆破来进行． 其主要特点是卸压爆破参数根据电磁辐射和钻屑 法的监测结果来确定．如果监测到的数据超过临界 值，则马上采取措施进行处理．然后再采用电磁辐 射及钻屑法对卸压爆破后的解危效果进行检验． 万方数据 5 7 2 中国矿业大学学报第3 3 卷 图6 为卸压爆破前和卸压爆破后5r a i n 内监 测的电磁辐射结果．从这可以看出，卸压爆破后，电 1 0 0 0 籁8 0 0 是6 0 0 营4 0 0 2 0 0 O 2 03 04 0 5 0 6 0 7 08 09 01 0 0 1 1 0 距切眼的距离／m a 爆破前的电磁辐射 磁辐射变化剧烈，说明爆破后煤体内部破碎剧烈， 卸压爆破的效果明显． 3 0 0 0 墅勰5 0 薹勰 5 0 0 0 2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 1 1 0 距切n 艮的距离／m b 爆破后的电磁辐射 图6 卸压爆破前后轨顺内帮的电磁辐射变化图 F i g ．6E M Ec h a n g i n gg r a p hi ni n s i d eo ft h er e t u r na i r w a yb e f o r ea n da f t e Ir e l i e v i n gs h o t 2 3 0 3 工作面的卸压爆破工作分5 次进行．前3 次为对原煤体进行爆破，第4 次是在原煤体爆破后 的基础上，实行2 次爆破．从宏观上看，卸压爆破 后，煤壁较完整，没有出现大的煤壁破坏现象，而且 爆破后，煤壁有明显的外凸现象，说明爆破起到了 松散煤岩体的效果． 通过对孤岛面2 3 0 3 工作面冲击矿压危险的分 析和控制治理，保证了工作面的安全生产，取得了 较好的社会效益和经济效益．工作面安全通过了冲 击矿压危险区和断层带，月推进度2 5 0m ，创造了 月产3 7 万t 的好成绩． 6 结论 1 孤岛工作面的煤柱区．域是高应力集中区． 工作面走向前方0 H 1 0 0m 范围内，煤层底板支承 压力集中系数达1 ．2 ～3 ．8 ，峰值位置在工作面前 方2 0m 附近；沿倾斜方向，两端煤层底板垂直应 力集中系数可达1 ．2 ～2 ．4 ，该区．域内冲击矿压危 险性最大． 2 根据工作面应力集中和冲击危险性分析， 轨道顺槽在开采初期1 0 0m 煤柱区域和断层带附 近是应力集中区，是冲击危险区域． 3 采用电磁辐射和钻屑法相结合的力法，监 测预报了工作面的冲击矿压危险，并且检验了冲击 矿压防止措施的效果． 4 孤岛工作面冲击矿压危险监测及治理技术 是先分析冲击危险程度，提出早期预报；采用电磁 辐射和钻屑法进行及时预报；采用卸压爆破进行处 理，并采用电磁辐射和钻屑法检验防治措施的效 果． 5 实践证明，这套技术安全、可靠、有效，能够 保证工作面的安全高效生产． 参考文献 [ 1 3 窦林名，何烨，张卫东．孤岛工作面冲击矿压危险及 其控制[ ，] ．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 ． D o uLM ，H eY ，Z h a n gWD ．．H a z a r d so fz o c kb u r s t i ni s l a n dc o a lf a c ea n di t sc o n t r o i [ T ] 。C h i n e s e ．J o u r n a l o fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 2 11 1 8 6 6 1 8 6 9 ． 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术I N ] ．．徐 州中国矿业大学出版社，2 0 0 1 ． D u b i n s k iJ ．K o n o p k oW ．T a p n i a o c e n a ，p r o g n o z a ， z w a l e z a n i e [ M ] ．K a t o w i , c e G l o w n yI n s t y t u t G o t n i c t w aP r e s s ，2 0 0 0 ． 张迎弟，张贵山，齐力跃，等．．东滩煤矿矿山压力控制 实践与研究[ M ] ．北京煤炭工业出版社1 9 9 9 ．． 何学秋，刘明举。含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[ M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，1 9 9 5 ． 窦林名．．煤岩突变的声电效应规律及其应用研究 [ D ] ．．徐州中国矿业大学能源与安全工程学院， 2 0 0 1 ． 窦林名，曹其伟，何学秋，等．．冲击矿压危险的电磁辐 射监测技术[ J ] ．．矿山压力与顶板管理，2 0 0 2 ，1 9 4 8 9 9 1 ．． D o uLM ，C a oQW ．．H eXQ ，e ta 1 ．E M E m o n i t o r i n gt e c h n i q u e o fr o c kb u r s t [ J ] ．G r o u n d P r e s s H r ea n dS t r a t aC o n t r o l ，2 0 0 2 ．1 9 4 8 9 9 1 ． 窦林名，何学秋，王恩元，等．由煤岩变形破坏所产生 的电磁辐射[ J ] ．．清华大学学报 自然科学版 ，2 0 0 1 ， 4 l 1 2 8 6 8 8 ．． D o uL ，M ，H eXQ ，W a n gEY ，e ta 1 ．．R e s e a t c ho n t h ee l e c t i o m a g n e t i ce m i s s i o ni nt h er o c ka n dc o a lb u r s t f a i l u r e [ J ] ．J o u r n a lo fT s i n g h u aU n i v e r s i t y2 0 0 1 ，4 1 1 2 8 6 8 8 ．． D o uLM ，H eXQ ，W a n gEY ，e ta 1 ．．E x p e r ’i m e n t a l r e s e a I c ho nt h ee l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o no fr o c k ＆ c o a lb u r s tf a i l u r eD ] ．Z e s z y t yN a u k o w eP o l i t e c h n i k i S l a s k i e i ，2 0 0 0 2 4 6 3 7 1 3 7 6 ，， 责任编辑王玉浚 ． 一0 一 胡 妇 阳 胡 刀 明 叼 [ [ [ [ [ [ [ [ 万方数据