孤岛工作面冲击矿压的防治实践.pdf

2 0 0 7 年第 1 1 期 西部探矿工程 1 0 7 孤岛工作面冲击矿压的防治实践 王富有 中国中煤 能源股份有 限公司， 北京 1 0 0 0 1 1 摘要 孤 岛工作面及其周围巷道 附近应力集 中程度 高， 顶板运动剧烈 ， 再加上地质构造的影响 ， 采深 较大时， 冲击危险程度就高， 很容 易引发冲击矿压。针对木城涧矿发生的几起 冲击矿压事故， 实验 测 定 了该矿顶板和煤层的冲击倾向性， 分析 了其发生的原 因和特点， 防治过程 中采用电磁幅射进行冲击 矿压预测预报 ， 采用爆破卸压进行 了治理 ， 最后提 出了进一步防冲的建议 。 关键词 孤 岛工作面； 冲击矿压； 预测预报 ； 治理 中图分类号 TD 3 2 4 文献标识码 B文章编号 1 o O 4 5 7 1 6 2 0 0 7 1 1 一O 1 O 7 一O 3 1 概 况 北京吴华矿业公司木城涧矿 4 5 0水平西四采区三 槽东一壁工作面开采深度为 6 5 0 7 9 0多米， 工作面位 于4 5 0 水平西四采区三南平石门斜坡三槽， 东以主南 上山为边界线， 西 以边界切巷为界线 ， 南 、 北均以 F 一1 、 F 一2 断层为界， 上部与东部局部回采， 如图 1 所示。 开采煤层 y 3 煤层赋存稳定， 煤层厚度 1 ． 2 ～3 ． 3 m， 平均厚度 2 ． 5 m， 倾角平均 2 1 。 。煤层顶底板皆为坚硬 岩石， 老顶为细砂岩， 厚度为3 0 3 5 m。 2 典型冲击矿压发生现象 在该面 回采期间 ， 先后几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， 给矿井的 安全生产带来了很大的威胁。2 0 0 5 年 4月 2 6日该工 作面仅推进大约 6 3 m， 便发生一次强烈的冲击矿压， 造 成人员伤亡， 巷道多处片帮严重和堵塞。2 0 0 5 年 7 月 2 5日 工作面推进到只剩 2 8 m时， 因工作面上部和东部 已局部回采， 又处于 F 一1 和 F 一2 两条大断层之间， 工 作面实际上已呈孤岛煤柱开采状态。下午 3 时中顺槽 下邦发生显著变形， 长度约为2 5 m， 上顺槽变形严重， 空 间已非常小 。 3 冲击矿压的原因分析 3 ． 1 开采深度及地质构造 3 ． 1 ． 1 开采深度 该工作面整体煤层埋藏较深， 埋深达到了 6 5 0 ～ 7 9 0多米。该工 作 面超过 了发生 冲击 危 险的 临界深 度口 ] ， 具备了发生冲击 的开采深度条件。 3 ． 1 ． 2 断层和皱曲的影响 本工作面位于 F 一1和 F 一2 大断层之间， 同处于 大断层的下盘， 大断层构造将本工作面抬升。而断层附 近是容易发生冲击矿压的[ 2 _引 。故认为两个大断层对冲 如果含水层与煤层在推进方向上基本平行， 中间所含 岩层强度差异不大且赋存平稳。则相关曲线近似方程为 含水层底板曲线方程 y a x B H 裂断拱边缘曲线方程 ； 6 y 一 h 。 一 h x 。 7 当裂断拱波及含水层 h ≥H 时， 其交汇点 A 距开 切眼间距 I - A ， 可由式 6 及 7 联立求解 L A-- 8 ■ ～ L 6 其中 h 0 ． 5 I ， 由此得 L A--1 ． i J L - 一 4 Hz 9 一 显然， 当含水层富水区宽度为 B的情况下， 开切眼 距富水区边缘事故的最小距离 I 为 I 枷一 LA -- B 1 O 同样， 当已知开切眼距含水层富水区位置， 则可反 求出不出现透水事故的最大允许工作 面长度 I 为 I 一H2 L B B 2 1 1 I B B ～ 5 结论 根据大佛寺煤矿首采区工作面开采实际情况， 洛河 组砂岩组距 4 煤层 2 2 0 m， 设计开切眼距富水区范围的 距离， 工作面长度 1 5 0 m， 走 向推进 2 9 7 m时垮落拱高 2 1 0 m， 离层裂隙发展高度达到砂岩含水层。通过采用 工作面透水预测模型计算结果可得， 首采工作面综放开 采过程中可能因裂隙发展到达含水层， 潜水发生渗流导 致顶板透水 ， 应采取防治措施 。 维普资讯 1 0 8 西部探矿工程 2 0 0 7 年第 1 l 期 图 1四采 区三槽工作面 示意 图 击矿压显现有一定的影响。工作面回采期问发生的几 次冲击矿压显现， 其地点皆位于两条大断层问隔距离的 最短位置， 而且该处工作面上下顺槽距离大断层交面线 仅 l O m左右。 3 ． 2 煤层赋存状态及其变化 3 ． 2 ． 1 煤层的冲击倾 向性 在本煤层中采取了煤样 ， 委托中国矿大岩层试验中 心对本工作面煤样和顶板进行冲击倾向性鉴定， 平均抗 压强度 2 9 ． 3 MP a ， 动态破坏时间 3 0 ms ， 弹性能量指数 1 0 ． 9 ， 冲击能量指数 1 4 ． 9 ， 鉴定结果为强冲击倾向。 根据中国矿大岩层试验中心试验结果， 对照煤岩样 冲击倾向性评判标准， 该煤层属于高冲击倾向性煤层， 具有发生冲击矿压的能力。 3 ． 2 ． 2 顶板岩层结构特征 本工作 面 y 3 煤 层顶板 中老顶 为坚 硬稳定 的细 砂 岩 ， 厚度大 ， 厚度为 3 0 3 5 m左右， f 一8 ～1 0 。厚度大 、 坚硬的老顶是产生冲击危险的一个主要因素。 3 ． 3 邻近工作面开采引起的残余支承压力影响 本工作面上部和东部均已部分采空， 东部工作面采 空区距离主南上山煤柱在 5 、5 0 m， 由于工作面顶板为坚 硬矿岩， 其传递应力的能力很强， 东部工作面开采引起 的支撑压力使煤柱、 主南上山周围煤体产生破坏的基础 上， 应力峰值向煤岩体深部转移。在本工作面东部区域 产生局部应力集中， 并积聚大量能量， 东一壁面回采至 后期时 主南上山与工作面间煤柱为 S in ， 主南上山两 侧煤柱已全部处于极高应力集中区， 其最大应力集 中系 数达到 6 ． 0 ， 顶底板岩层在模型范围内也已处于高应力 状态。此时， 如工作面有爆破等其他因素扰动， 很有可 能发生冲击矿压。 3 ． 4 本工作面开采的影响 3 ． 4 ． 1 本工作面开采引起 的支承压力 根据本工作面开采前方垂直应力分布的监测结果， 在 工作面前方 5 0 m范围内是本工作面超前支承压力影响范 围， 而且最大值在工作面超前2 0 m左右。由于超前支撑压 力的作用， 再加上本工作面上方的坚硬老顶， 其破断对工 作面前方顶板有扰动作用， 成为发生冲击的诱发因素。工 作面开采至后期， 本工作面开采引起的支承压力和东部与 上部已采工作面采空区残余支撑压力的叠加， 使本工作面 发生冲击的危险很大。2 0 0 5 年 7 月 2 5日工作面顺槽发生 的冲击就是叠加后的高应力作用的结果。 3 ． 4 ． 2 本工作面爆破落煤的影响 2 0 0 5 年 7 月 2 5日的冲击矿压显现是发生工作面 爆破落煤后， 由于工作面作业人员全部进行了躲炮， 才 未造成更大的人身伤亡事故。放炮 爆破 是一个复杂 的动态过程， 钻孔中药包起爆后 ， 爆炸引起的应力波使 钻孔周围的煤岩体 获得一定 的动能， 产生一定的动应 力 。显然工作面放炮 落煤以后 ， 造成煤体内瞬间支撑 压力和爆炸力迭加 ， 造成煤体周边应力急剧变化， 局部 发生高应力集中。如果爆破前煤岩体已处于冲击危险 状态， 那么放炮 爆破 的动载荷作用就很可能触发冲击 矿压的发生 。 4 工作面的冲击矿压监测与防治 工作面主要考虑采用煤体爆破卸压措施进行解危。 监测则采用电磁辐射法， 采用电磁辐射监测仪对工作面 的煤岩体进行 多点动态跟踪监测 。 4 ． 1 煤体卸压爆破的位置 卸压爆破从初始在工作面顺槽中开始， 对实体煤帮 进行卸压爆破， 而后随着工作面逐步向西推进， 除了在 工作面顺槽中进行卸压爆破外， 在工作面和主南上山内 也进行卸压爆破。爆破后要检查卸压效果， 如果在卸压 维普资讯 2 0 0 7年第 1 1 期 西部探矿工程 1 0 9 爆破范围内仍有冲击危险存在， 则应进行第二次爆破， 直至解除冲击危险为止。从 2 0 0 5 年 5 月 7日以后， 工 作面多次采取了进行卸压爆破措施。 4 ． 2 煤体卸压爆破参数的选择 爆破参数选为 煤帮炮眼采用煤电钻、 麻花钻杆配 合j2 『 4 2 mm钻头施工。炮眼距底板 1 ． 2 m， 眼深 l O re 视 打眼难易程度， 最小不能低于8 m ， 间距 5 m， 单排布置， 炮眼角度平行于底板、 垂直于煤帮。封孔长度5 m， 装药 长度 5 ． O m， 爆破采用煤矿安全许用水胶炸药、 毫秒延期 电雷管配合 F MB 一2 0 0 型发爆器起爆。联线方式 孔 内并联， 孑 L 间串联。 4 ． 3 煤体卸压爆破的效果及检验 在东一壁面进行冲击矿压治理的整个过程中， 进行 了全程的冲击矿压监测预报和治理效果的检验工作。 其采用的主要方法为电磁辐射法， 并结合工作面的支护 阻力监测 。 如图 2 所示， 7 月 2 5日冲击前有明显的电磁辐射 异常前兆， 1 9日到 2 2日电磁辐射呈增强趋势， 2 3日突 然平静， 2 4日 测值较大。2 5日冲击后电磁辐射整体降 低， 但 2 2 号测点值增强。2 6日 早班和中班电磁辐射较 低， 但 2 6日晚班下顺槽和中顺槽测值都非常大， 2 7日 上午下顺槽、 下壁面工作面、 上壁面靠近上山处测值较 大， 2 7日上午煤炮比较大， 且比较频繁。 根据工作面内的电磁辐射测试结果及矿压显现， 对 工作面进行了卸压处理。采取措施后测点电磁幅射信 号减弱， 煤炮减弱。但由于工作面后期为孤岛煤柱开 采， 电磁幅射信号返增较快， 应加强观测， 及时采取卸压 爆破措施 。 图2 7月 1 9 3 1日测点电磁辐射图 5 体会与建议 通过对东一壁后期孤岛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 危险区并收面结束。实践证明， 冲击矿压是有规律可循 的， 是可以监测并且进行有效防治的。针对木城涧实际 情况， 建议如下 1 现有卸压措施单一。在现有卸压措施的基础 上， 积极考虑其他卸压措施， 如煤层注水、 爆破断顶等， 以探寻不同地点不同条件最适合的卸压措施。 2 优化巷道布置。现在工作面布置受多处巷道切 割 ， 极易造成应力集 中。 3 对巷道进行防护。主要是采用菱形铁丝网加 M 型钢带， 防护巷道的煤壁， 特别是巷道的上帮煤壁。防护 时， 将菱形铁丝网和钢带锚固在煤壁， 将钢带锚固在顶底 板， 以起到冲击煤壁片帮时， 防止人员受伤的作用。 参考文献 [ 1 ] 窦林名 ， 何学秋． 冲击矿压防治理论与技术E M] ． 徐州 中 国矿业 大学出版社 ， 2 O O 1 ． ‘ [ 2 ] 赵本钧． 冲击矿压及其 防治F M- ] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 5 ． [ 3 ] 窦林名 ， 何学秋． 采矿地球物理学E M3 ． 徐州； 中国矿业大 学出版社 ， 2 0 0 2 ． 维普资讯