大采深条带开采放顶煤工作面冲击矿压治理研究.pdf

文章编号1 0 0 3 5 9 2 3 2 0 0 5 0 4 0 1 1 3 0 3 大采深条带开采放顶煤工作面冲击矿压治理研究 方新秋1 ，李海潮2 ，曹胜根‘ 1 ．中国矿业大学，江苏棘州2 2 1 0 0 8 ；2 ．长治煤矿安垒监察办事处，山西长治0 4 6 0 0 I 摘要本文对大采深条带开采放项煤条件下工作面冲击矿压发生的特点进行了分析，认为冲击矿压与 坚硬顶板厚度厦老顶的周期来压有密切关系；确定了冲击矿压的类型和进行了冲击倾向性试验，提出了冲击 矿压预测预报的方击和治理措施，取得了较好的治理效果。 关键词大采深；条带开采；放顶媒；冲击矿压 中图分类号T D 3 2 4文献标识码A 1 概述 古城煤矿3 号煤为主采煤层，平均厚度 8 ．4 9i n 。由于煤层地质构造复杂及为了保护地面 的村庄安全，采用倾斜长壁和走向长壁条带采煤 法，综采支架放顶煤、垮落法管理顶板。2 1 0 6 综放 工作面是2 1 采区第三个工作面，位于F ，及F ，。两 条斜交断层之间，上部至一8 5 0r n 水平大巷，下部 至一1 0 0 0m 水平底板等高线，南部为2 1 0 5 回采工 作面及条带煤柱，北部为正在掘进的2 1 0 7 工作面 条带煤柱，地面标高 5 1 ．2 ～ 5 2 ．7m ，工作面走 向长度1 4 2 5m ，倾斜长度1 1 0m 。煤层倾角6 。，工 作面倾角1 2 ～2 6 。，属缓倾斜煤层，裂隙发育。煤 层硬度系数， 2 ～3 ．3 ，煤为黑色烟煤。割煤高度 2 ．4n l ，放煤高度5 ．6m 。 2 1 0 6 面在回采期间，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，甚至将巷道内的皮带机掀翻、将柱子推倒或 压折。虽然未给矿井生产带来严重影响及造成人 员伤亡，但对矿井技术和安全管理敲响了警钟。 22 l 晰工作面冲击矿压特点分析 自从2 0 0 4 年1 1 月2 5 日以来，发生多次冲击 矿压矿压事故，最大一次为2 0 0 5 年1 月1 0 日，折 断轨道顺槽超前支护单体液压支柱4 6 棵。为此， 工作面顺槽进行了卸压爆破和其他强度弱化减冲 措施，取得了良好的效果。之后发生的几次小型矿 震，只有个别支护被震坏、震倒。 根据统计，发生的冲击矿压现象，通过分析，具 有如下特点 1 2 1 0 6 面发生冲击矿压现象的地点，其开 采深度达到9 0 0i l l 以上。 2 根据钻孔资料，煤层老顶为中粒砂岩，其 厚度为2 1 ．4 8m 。 3 来压的突然性这几次来压均比较突然， 没有任何压力缓慢变化显现征兆。 4 来压的猛烈性较大煤炮声，造成支柱瞬 时折断，顶板下沉和煤帮移近严重，最大煤帮移近 量达到1 ．2 i n 。 5 压力显现主要集中在轨道顺槽内，靠工作 面侧，距离主要为超前支护段5 01 1 1 范围内。 6 几次压力异常显现，现场未出现明显的底 鼓现象，但爆破后有底鼓现象。 7 几次来压与工作面推进距之间具有一定 的规律可循，主要发生在老顶周期来压期间，一般 是工作面每隔5 7d 、每推进1 5 2 0i n ，就发生一 次小的矿震。 8 采取治理措施后，冲击矿压强度明显减 弱，从2 0 0 5 年1 月2 4 以后，仅个别柱子折断，并且 发生的次数大大减少，三、四月份基本上未发生。 2 1 0 6 工作面上隅角观测的瓦斯 C H 。 和一氧 化炭 C O 气体，在发生小的矿震前，均有较大幅度 的增加，见图1 、2 所示，两图曲线中的三角块表示 发生了冲击矿压。这同样反映了工作面顶板活动 的规律。 收稿日期2 0 0 5 0 3 2 7 基金项目中国矿业大学科学基盘资助 项目编号7 9 0 0 4 2 3 作者筒介方新秋 1 9 7 4 一 ，1 9 9 6 年毕业于中国矿业太学采矿工程专业，博士，博上后，副教授，从事采矿工程的科研与教学研究。 矿山压力与颂板管理2 1 3 0 5 №41 1 3 万方数据 0 ．5 鬟 Z 0 ，3 0 ．1 3 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 21 1 011 81 2 62 3 2 1 l2 1 9 2 2 7 3 73 1 5 日期 、 图1C H 。随时间变化曲线 III l 一21 1 0 l1 8 1 2 6 2 32 1 12 1 92 2 73 73 1 5 日期 图2 3 冲击矿压类型确定与冲击倾向性试验 C O 随时问变化曲线 4 冲击矿压预测预报与治理措施 3 ．12 1 0 6 面冲击矿压类型 根据2 1 0 6 面发生冲击矿压的特点，可以看出， 3 煤性脆，具有强冲击倾向性，其老顶以中粒砂岩 为主，坚硬稳定，根据2 3 钻孔资料，厚度 2 1 ．4 8m 。冲击矿压发生后，底板未见明显鼓起。 顶板没有断裂，只是下沉。在采取卸压爆破措施 后，偶尔会有小的矿震出现；两顺槽煤帮煤压出的 少，但震动剧烈，支柱有震歪现象。 由此，可以确定2 1 0 6 面发生的冲击矿压主要 为冲击型 顶板冲击 冲击矿压和冲击压力型 顶 板与煤层冲击 。 3 ．2 煤岩组合冲击倾向性鉴定 通过对2 1 0 6 工作面煤岩组合试样的单轴抗压 强度、动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能量指数 的综合判定，最后确定该工作面煤层的的冲击倾向 性为强冲击倾向性 中等偏强 ，如表1 所示。 表12 1 0 6 煤岩组合冲击倾向性各项指数测定结果 冲击样别1 23 4 5 67 8 平均值 能量值36 092 04 ．5 053 83 ．9 951 465 85 ．7 255 1 指数冲击倾向性强冲击倾向 7 平均值 l7 120 7 冲击倾向性综合评判强冲击倾向 1 1 4 2 0 0 5 ．N 0 4 矿山压力与项板管理 4 ．1 预测预报 对于2 1 0 6 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 主要采用中国矿业大学生产的K B D 5 冲击矿压电 磁辐射监测仪，在工作面顺槽超前2 0 0I T I 范围内， 每1 0m 布置一个观测点，监测冲击矿压危险，同时 辅助采用钻屑法进行冲击矿压危险性的监测。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。 4 ．2 治理方法 由于古城煤矿3 煤层存在强冲击倾向性，而且 顶板厚而坚硬，其发生冲击矿压和矿震的主要类型 是冲击型 顶板冲击 冲击矿压和冲击压力型 顶 板与煤层冲击 为主。因此，采用冲击矿压的强度 弱化减冲原理，弱化煤岩体和冲击矿压发生的强 度，用煤体爆破卸压和采用柔性支护等措施进行解 危。 4 ．2 ．1 煤体卸压爆破 1 防治区域 重点针对电磁辐射和钻屑法预报出的危险区 域进行防治，主要集中在2 1 0 6 工作面两顺槽超前 支承压力区1 5 0 m 范围内。 2 卸压爆破参数的确定 6 蛇 己向，m 搬。蒜 ，H 2 1●∞ 置陛旬茗蝴 能数性指弹量 万方数据 对于监测到的冲击矿压危险高的地段，主要采 取煤体爆破等松散煤体的方法对冲击矿压解危措 施，消除或减轻冲击矿压危险，避免冲击矿压对设 备、人员等造成伤害。 顺槽的卸压爆破从工作面煤壁处开始，分别对 2 1 0 6 工作面的两条顺槽超前支承压力区1 5 0m 范 围内的两帮煤体进行卸压爆破，其爆破钻孔布置如 图3 所示，钻孔间隔5m ，而后随着工作面的推进 逐步向前爆破。封孔炮泥长度应在支承应力峰值 区内为3 4m ，炸药3 ．5k g 。爆破后要检查卸压 效果，如果在卸压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。 y ⋯⋯⋯⋯⋯ I 采空区 J ＼ 一用丽i 丽玎 ，L 。。。1 ‘。‘‘‘ 1 。。‘。。。’一 ⋯⋯⋯⋯⋯ 轨巷l 。∑ 1 i 姑∑二二二■ 图3 顺槽爆破钻7 L 布置图 3 爆破实施步骤 1 钻孔爆破卸压应随着工作面的推进而逐步 向前推进，保持在距煤壁1 5 0m 左右，不要太超前 爆破。 2 电磁辐射结合钻屑法监测，发现有异常区 域，及时在两边各1 0m 范围内熏新爆破。 3 电磁辐射监测指标幅值最大值或脉冲数 的值超标或其变化率超过一倍以上时，认为该区域 存在冲击危险，应采取爆破措施。 4 矿压观测和气体监测，在工作面周期来压 前一天，在两顺槽超前工作面8m 处开始，向外布 置5 个卸压爆破孔，炮眼间距5m ，眼深8m ，装药 深度5m ，封孔3m 。5 个钻孔同时爆破。力争消 除来压产生的矿震对顺槽的影响。 5 2 1 0 6 工作面的轨道顺槽的断层处，如果能 见到煤层，就应进行卸压爆破⋯ 4 ．2 ．2 采用柔性支护 工作面超前加强支护采用有弹性、能够吸收能 量和抗冲击的木顶梁，或铰接顶梁加木背板，加单 体液压支柱进行支护，同时给单体液压支柱穿木 鞋。超前支护支柱的安全阀采用大流量，快速卸载 的阀体，超前支护单体支柱的初撑力应保持在7 1 0M P a 以内，卸压阀压力保持在1 5 2 0M P a 以 内，以防止单体支柱被冲坏。 在底板遇较坚硬岩石时，超前支护的术柱鞋采 用两块，纹理交叉，增加缓冲行程，吸收更多的冲击 能量。单体支柱最好同时采用防冲击保护装置与 穿木鞋，起保护支柱双重保险作用。 工作面液压支架的安全阀也应当采用大流量、 快速溢流的阀体，以防止工作面支架被冲击压坏和 冲击造成支架的爆缸。 5 治理效果 古城煤矿2 1 0 6 工作面自从2 0 0 4 年1 1 月2 5 日发生冲击矿压现象以来，采取了一系列的冲击矿 压矿震预测与防治措施，取得了较好的效果。经过 采取治理措施后，冲击矿压的强度明显减弱，从 2 0 0 5 年1 月2 4 以后，只是个别柱子折断，并且发 生的次数大大减少，三、四月份基本j 二未发生。 上接第1 1 2 页 ②效率高。生产集中，放煤工艺劳动量小以及出 煤点增多。③成本低。放顶煤开采比分层开采减 少了分层数，由此节省了费用。④巷道掘进量小。 掘进量和维护费用减少，降低了吨煤生产成本。⑤ 减少搬面次数。节省了采面的安装、搬迁费用。⑥ 两面合一面进行回采，人工、电费、材料投入均减少 近一半，提高了生产效率。⑦对煤厚变化及小断 层适应性强。缺点①放煤时煤尘大。②因支架 后方落煤面积及高度大易于造成瓦斯积聚。③顶 板管理难度大。 6 经济效益分析 1 5 2 2 2 综放面回采三个多月以来，取得了良好 的经济效益。与分层综采的2 5 1 2 1 面比较结果见 表1 。通过比较，同样的工作面可少掘进1 7 0 0m 巷道，节约支护材料费1 5 6 万元，节省了金属网假 顶支护，节约假顶费用7 2 万元，节约人工5 5 2 个， 节约电费8 0 万元，从而使吨煤成本降低2 7 元，平 均月产提高了3 ．2 万t 。 表1 分层综采与综放经济指标对比表 项。箍赫霸探黑艨嚣嚣 项目掘进量材料费费用7 j 是兰成本灰份月产 分层综采3 9 8 0 1 9 97 29 5 21 4 5 7 81 4 ．53 综放 2 2 8 04 304 5 06 55 11 16 矿山压力与顶板管理2 0 0 5 №4 1 1 5 万方数据 大采深条带开采放顶煤工作面冲击矿压治理研究大采深条带开采放顶煤工作面冲击矿压治理研究 作者方新秋， 李海潮， 曹胜根 作者单位方新秋,曹胜根中国矿业大学,江苏,徐州,221008， 李海潮长治煤矿安全监察办事处,山 西,长治,046000 刊名 矿山压力与顶板管理 英文刊名GROUND PRESSURE AND STRATA CONTROL 年，卷期2005，224 被引用次数2次 相似文献10条相似文献10条 1.期刊论文 方新秋.窦林名.柳俊仓.彭立正.牟宗龙.FANG Xin-qiu.DOU Lin-ming.LIU Jun-cang.PENG Li-zheng. MU Zong-long 大采深条带开采坚硬顶板工作面冲击矿压治理研究 -中国矿业大学学报2006,355 为了解决大采深条带开采坚硬顶板工作面的冲击矿压问题,以古城煤矿2106工作面为例,采用现场分析、实验室试验、数值模拟的方法对其发生机理 进行了研究.结果表明在此条件下开采时发生的冲击矿压与煤岩性质、采深、坚硬顶板厚度及顶板的周期来压有密切关系.当冲击矿压发生的煤层具有强 冲击倾向性,煤层硬度系数大于3、采深900 m以上、顶板岩层坚硬且厚度大于20 m时,冲击矿压发生具有突然性和猛烈性;主要发生在顶板周期来压期间、 超前支护50 m范围内,此时工作面的CH4和CO气体含量同时升高.对此提出了钻屑法等预测预报的方法和煤体爆破卸压与柔性支护等治理措施. 2.期刊论文 刘贵.张华兴.徐乃忠 深部厚煤层条带开采地表沉陷规律模拟研究 -矿山测量2008,““1 通过对条带开采地表沉陷影响因素中开采几何尺寸的模拟,分析比较了不同采深地表沉陷特征.得出了在不同采深地表最大下沉量与采出率的回归公 式,在采深较大的情况下,随着采出率的增大,地表最大下沉量的增幅有减小的趋势.另外,地表最大水平拉伸变形与采出率符合多项式函数关系,随着采出 率的增加,采深较大时地表最大水平拉伸变形增加的幅度较小. 3.期刊论文 刘贵.张华兴.徐乃忠.LIU Gui.ZHANG Hua-xing.XU Nai-zhong 深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性 -煤 炭学报2008,3310 通过对三向应力状态下的煤柱极限强度计算公式分析得出我国目前普遍应用的A.H.威尔逊计算理论公式存在因简化带来的问题,并且随着采深的增 大,问题表现的越明显.理论分析表明,煤柱塑性区宽度不仅与采深、采厚有关,而且也同采出率有关.结合古城煤矿的实际情况,利用FLAC如模拟得出了不 同开采条件下煤柱塑性区宽度,通过二元线性回归分析,得出了煤柱塑性区宽度与采深、采厚及采出率的计算公式.最后给出了在深部厚煤层条带开采情况 下煤柱极限载荷的计算公式. 4.期刊论文 何荣.郭增长.陈俊杰.HE Rong.GUO Zeng-zhang.CHEN Jun-jie 大采深条带开采宽度确定方法研究 -河 南理工大学学报（自然科学版）2009,282 在建筑物下开采深部压煤通常采用条带开采法控制地表移动变形量,条带开采工作面倾斜方向容易形成极不充分工作面,结合某煤矿建筑物下深部压 煤条带开采试验,深入研究和探索深部条带开采采宽和留宽确定方法及其协调关系,并与下沉系数法、压力拱计算值法相比较,得出该煤矿条带开采的参数 ,试验结果表明,极不充分开采法确定开采宽度对于条带开采设计是十分有效的,能有效地控制地表移动和变形程度.本方法对于指导相似地质条件下开采 建筑物下压滞的大量煤炭具有较大的实用价值和指导意义. 5.期刊论文 李春意.崔希民.郭增长.袁德宝.胡青蜂.LI Chun-yi.CUI Xi-min.GUO Zeng-zhang.YUAN De-bao.HU Qing-feng 大采深条带开采地表移动和变形的预计 -采矿与安全工程学报2008,254 条带开采是进行建筑物下采煤时限制地表变形的措施之一,深部开采地表移动和变形规律与一般地质采矿条件下的地表移动规律相比发生了较大改变 .以极不充分务带开采地表沉陷理论为基础,以林南仓矿实测资料为依据,对开采区域-650水平深部条带开采进行了预计,预计下沉的最大偏差为68mm,预计 下沉中误差为39mm,远远小于经验公式预计下沉的最大偏差319mm和预计下沉中误差217mm.表明基于极不充分开采的地表沉陷预计理论改善了预计精度,对 于研究深部条带开采地表移动和变形的规律,解放建筑物下压煤,实现煤炭资源的可持续发展具有重要意义. 6.期刊论文 陈广印.解信德 大采高、大采深、“三下”条件下条带式开采试验 -山东煤炭科技2002,““3 结合开采实践经验，从采留宽、宽高比、地表的开采沉陷、煤柱的承受载荷、走向条带煤柱的抗滑性能等方面来分析条带式开采对地表变形的影响 以及条带煤柱的稳定性，进而对古城煤矿的条带式开采作出评价。 7.期刊论文 徐乃忠.刘成录.解信德.郁纪东.张玉卓 条带放顶煤开采技术在城镇下采煤的应用 -煤炭科学技术 2002,301 条带开采保护地面建构筑物是一种行之有效的部分开采技术,但该技术由于回收率低、掘进量大、生产效率低等缺点,影响了其推广应用.然而,对 于城镇密集型建构物下采煤来说,条带开采不失为解决这一难题的好方法.通过研究了大采深、特厚煤层放顶煤复杂条件下的条带开采,以及在古城煤 矿现场实践应用,证明是成功的. 8.期刊论文 马利.魏树群.米自波 ZY5000-25/50型支架大采深对接工艺的探讨 -河北煤炭2004,““3 介绍了邢东矿井1124工作面条带开采与对接工艺,扩大了高架支护的适应性,延长了矿井服务年限,减少了吨煤掘进费用. 9.会议论文 徐乃忠.张玉卓 深部条带放顶煤开采保护地面设施的试验研究 2000 条带开采是一种较为有效的保护地面设施的部分开采方法，但国内对于大采深、特厚、煤层一次采全高的条带开采研究甚少，同行学者普遍认为 ，采深大时资源的回收率相对更低，一般要求采用条带开采的煤层，埋藏深度小于500m。而通过文献检索，国外有采用深大于900m的条带开采实例，但 采厚都很小，一般于小2m。该文作者结合工程实际需要，探索了大采深，厚煤层一次采全高的条带条带开采应用试验，并通过工程实践证明是可行的。 10.学位论文 刘贵 古城煤矿深部厚煤层条带开采煤柱稳定性及对村庄的影响研究 2007 条带开采作为“三下”采煤的重要措施之一，在我国煤矿区被广泛应用，但大采深厚煤层条带开采的应用刚刚起步，有许多问题值得研究。本文就 条带开采中的煤柱稳定性问题，主要是针对深部条带开采的稳定性、破坏变形机理及地表变形特征进行了相应的研究。在对条带煤柱受力分析的基础上 ，针对水平煤柱，利用突变理论建立了水平条带煤柱的突变破坏失稳理论模型，对条带开采煤柱的稳定性及破坏失稳的非线性过程进行了探索研究；根 据关键层的破坏变形与控制理论，讨论了条带开采的极限采宽与关键层极限跨距的关系；在分析现有条带煤柱塑性区宽度计算方法的基础上，通过数值 模拟研究，对深部厚煤层条带开采的煤柱塑性区宽度进行了模拟分析，得出了适合研究区具体地质和开采条件下的塑性区宽度计算公式；另外，对不同 采深条带开采地表沉陷进行了模拟分析，结合相同采出率不同采宽条件下的模拟研究，得出了大采深厚煤层条带开采地表沉陷的特征，为深部条带开采 的优化设计提供了理论基础。 引证文献2条引证文献2条 1.牟宗龙.窦林名.王绪胜.王占成.郑玉友 工作面终采线附近冲击矿压综合防治技术[期刊论文]-矿业安全与环保 20101 2.方新秋.曹其伟.吕明俊.窦林名 冲击矿压工作面单体支柱防护技术[期刊论文]-煤炭科学技术 20086 本文链接 授权使用西安科技大学xakjdx，授权号dd46f8a3-a6a9-4e8f-ae79-9e1b009e4ca7 下载时间2010年10月26日