唐口煤矿3上煤层冲击地压形成机制及防治措施.pdf

第 2 0卷 5期 2 0 0 8年 5月 中国煤炭地质 C0AL GE0L0GY 0F CHI NA Vo 1 ． 2 0 No ． 5 Ma lv． 2 0 0 8 文章编号 1 6 7 4 1 8 0 3 2 0 0 8 0 5 0 0 1 3 0 4 唐 口煤矿 3上 煤层冲击地压形成机制及防治措施 王淑霞 一 ， 杨 家恩 。 ， 王秀 东 1 ,2 ， 刘正风 1 ． 山东科技 大学地球 信息科学 与工程学 院， 山东 青岛2 6 6 5 1 0 ； 2 ． 山东省煤 田地质局物探 测量 队 ， 山东 泰安2 7 1 0 0 0 ； 3 ． 淄博矿业 集团唐 口煤矿 山东 济宁2 7 2 0 0 0 摘 要 通过对唐 口煤矿地应力 、 3_ 匕 煤层及 顶板岩层 冲击地压测试 结果分析 ， 认 为 3 煤层属强 冲击倾 向性煤层 ， 3 煤层顶板 属弱 冲击倾 向性岩层 ； 在采深 1 0 0 0 m条件下 ， 随着地 应力的增大 ， 煤 、 岩层 的冲击倾 向性 将会增大。因 3 L 煤层为易碎煤 ， 厚度较大 ， 顶板弹性 能易突然全部 释放 ， 形成 冲击地 压 ； 3- 匕 煤 顶板主要为 中砂 岩 、 细砂岩及泥岩 ， 质 地坚硬 ． 在煤层 开采过程中 ， 煤壁 附近出易现高应力集 中带 ， 在顶板 中聚集 的弹性能在 自重力和采掘干扰下 会突然 释放 ， 形成冲击地压。在生产过程中采取钻屑法 、 沿采煤工作 面轨道顺槽安装顶板离层报警系统 、 合理开拓避免应力 集中和叠加 、 对煤层进行注水 。 降低煤体弹性和强度 、 提高支护结构 的承载能力等一 系列措施 ， 较好 地预防了冲击地 压 的 发 生 。 关键 词 冲击地压 ； 防治措施 ； 唐 口煤 矿 中图 分 类 号 T D3 2 4 文 献标 识 码 A 采场冲击地压是在煤层 回采和准备过程 中。 突 然发 生 的以急 剧 、猛 烈破坏 为 特征 的矿 山压 力 的动 力现象 ， 并伴有很大的声响 、 岩体震动 和冲击波 ， 向 采空空间抛出大量的碎煤或岩块 ，有时还同时释放 出大量瓦斯 ，导致工作面和巷道支架破坏 ，设备被 埋、 空间被堵塞。本文根据唐 口煤矿地应力 、 地压测 试结果对冲击地压倾 向性进行预测 ，提 出有效防治 措 施 。 唐 口煤矿位于山东省济宁市西北部 ，设计生产 能力 3 ． 0 Mt ／ a ， 第一开采水平 一 9 9 0 m， 可采 区内煤层 合并区平均厚度 8 ． 7 7 m、 分又区 3 ． 8 6 m。 由于地压大 ， 岩层松软 ， 井筒及大巷开挖及支护相当困难 ， 随着掘 进深度不断增加 ， 冲击地压的影 响越来越明显 ， 需采 取有效的防治措施。 1 地应 力测试 1 ． 1测试地 点选 定 测 量方 法 采用 空心 包体类 三 维应 力测 量 。根 据 地应 力测 点确 定原 则 ，结合 唐 口煤 矿 的生 产 技术 条 件 ． 确定了三处测量地点 图 1 。 1 、 3 测站选择在回 风石 门大巷， 测点布置在 3 E 煤层顶板岩层 中。2 测 站选择在西翼辅助运输石门中，测点位于 3上 煤层 底板岩层 中。 1 ． 2测 试结 果 ①1 测点 的最大主应力 P m a x 3 1 ． 1 1 MP a ，与垂 作者简介 王淑霞 1 9 6 7 一 ， 女 ， 山东 泰安人 ， 1 9 9 0年毕业 于 山东矿 业学院地质工程专业 ， 高级工 程师 ， 现在 山东煤 田地 质局 物探测量队从 事地质 技术丁 二 作 。 收 稿 日期 2 0 0 8 一 O 卜2 9 责任编辑 唐锦秀 Fi g ur e 1 S c h e ma t i c l o c a tio n map o f g r o un d s t r e s s o br v a fio n po i n 直方向夹角约 3 4 。 ， 垂直应力分量 ／ ,y 2 5 ． 6 2 MP a ， E W 向的 水 平应 力分 量 P x 1 9 ． 1 5 MP a ， S N 向的应 力分 量 P z 1 1 ． 4 9 MP a 。取 上 覆 岩层 的平 均容 重 2 ． 5 k g ／ m 来估算铅垂应力 O U 该测点处埋深 l 0 2 8 m ， 二者十 分接近。结果显示 ， 该处以垂直应力为主， 属 自重应 力场 型 。 E W 向的水平 应 力分 量较 大 ， 但 基本 平行 于 回风 石 门方 向 ， S N 向水 平分 量较 小 ，基 本与 回风 石 门垂直 ， 对大巷的维护较为有利 。 ②3 测 点距 1 测 点约 4 0 0 m，最 大 主应力 P ma x 3 6 ． 0 9 MP a ． 与垂直方 向夹角约 7 O 。 ， 水平应力分 量 P z 3 0 ． 6 5 MP a ， 远 大 于 垂 直 应 力 分 量 P y 8 ． 7 9 MP a ．水 平 应 力 分 量 沿 S N 向与 回风 石 门近 正 交 。该 处 以水 平 应力 为 主 ， 与 1 测点 在应 力 方 向上 差异很大 ． 表明该处地质构造 比较复杂 。 该测点处于 向斜 的轴部 ． 因此构 造应 力 明显 。 ③2 测点最大主应力 P ma x 2 7 ． 9 1 MP a ，与垂直 维普资讯 1 4 中 国 煤 炭 地 质 第2 0 卷 方 向夹角 约 4 1 。 ， 垂 直 应力分 量 P y 2 3 ． 7 7 MP a ， S N 向 的应力 分量较 大为 2 3 ． 0 4 MP a 。2 测 点与 1 测 点 垂直应 力分量较 接 近 ， 以垂 直 应力为 主导 因此 ，唐 口煤矿垂深 1 0 2 8 m处整体地应 力较 高 ． 以 自重 应 力 为主 ， 属 自重 应 力场 型 ， 局 部 由于 向 斜 构造 的影 响 ， 地 应力有 所差 异 ， 水 平应 力突 出 。 从地应力测量过程和实验室岩性试验可知 ， 1 、 2 测点区域砂岩强度较低 ， 节理发育 ， 遇水软化 ， 岩 石结 构松 散 ； 3 测 点砂 岩 强度 高 ， 致 密 ， 胶结 好 。此 情况 表 明该 区岩层 沉 积不均 质 ，是 造成应 力 变化 的 因素之一 。 2 冲击地压测试 2 。 1采样 煤 、 岩样取 自 3 一 煤 层及 其顶 、 底 板 岩层 。顶 、 底 板 采取 钻孔 取样方 式 ， 顶 板 钻孔 深度 为 2 7 ． 7 m， 底 板 钻 孔深度 为 l 1 ． 0 5 m。 2 - 2 3 煤层 冲击倾 向测试 对 3 煤层冲击倾向性的评判标准以 煤层 冲 击倾向性分类及指数的测定方法 MT ／ I 1 7 4 2 0 0 0 为依据 表 1 表 1 煤 层 冲 击 倾 向性 评 判 标 准 T a b l e 1 C o a l s e a m r o c k b u r s t t e n d e n c y j u d n g c r i t e r i o n 类别名称 动态破坏时间／ ms弹性能量指数冲击能量指数 3 煤层动态破坏时间 、 冲击能量指数和弹性能 量指数i 见 0 定结果如表 2 。 表 2 3煤层 冲 击 倾 向性 各项 指 数 测 定 结 果 Tab l e 2 De t e r mi n i n g r e s ul t s o f No ．3U c o a l s e a m r o c k b u rs t t e n d e nc y i n d i c e s 稃 藕 丽 3 煤层 的单轴抗压强度较高 ， 平均 1 9 ． 2 5 MP a ， 加 载后呈 尖锥破 坏 ． 说 明煤 层粘 结性较 好 ， 为脆性 破 坏 其动态破坏时间平 均值为 7 2 m s ， 属弱冲击倾 向 范围 ； 弹性能量指数测试 平均值为 l 3 ． 1 7 ， 属于强 冲 击倾 向范围； 冲击能量指数测试平均值为 2 ． 3 9 ， 1 ． 5 且 5的强冲击倾 向性范 围内， 隶属度达 0 ． 7 9 ； 当冲 击能量指数平均值为 2 ． 3 9时， 在 1 ． 5 ～ 5的弱冲击倾 向性 范 围 内 ，隶 属 度 为 0 ． 1 4 。3个 隶 属 度 的 和 为 1 ． 2 7 1 ． 由此判定 3 煤层属于 3类 。 为具有强冲击 倾 向性 的煤层 。 2 ． 3顶板 岩 层冲击 倾 向性 判 定 测定并计算煤 层以上 3 0 m 内复合顶板弯 曲能 量 ． 作为判定顶板冲击倾 向性的依据 表 3 。 单一顶 板弯曲能量指数的计算公式如下 U o O ．0 2 善 ， Et U ， 厂 弯 曲能量指 数 k J ； 尺 一抗 弯 强 度 ， 根 表3顶板冲击倾向性 据标准此参数可用抗拉 类别、 名称及指数 强度代 替 MP a ； T a b I nd l e i 3 Ca 。 t f e s 。 , c k na t a n d 一 单 一 顶 板 厚 度t e n d e n c y m ； E 一弹性模量 MP a ； 3 t 煤 层 顶 板 弯 曲 能量计算结果 表 4 ， 属于 2类 ， 为具有弱冲击倾向 性 的顶 板岩层 。 表 4 3煤 层顶 板 各 分 层 的 弯 曲能量 Ta bl e 4 Be n di n g e n e r g y o f e a c h l a y e r o f No ．3U c o a l s e a m r o o f 3 测试 结论 ①3 煤层属于 3类 ， 为具有强冲击倾向性的煤 层 。 ②3 煤层顶板属于 2类 ， 为具有弱冲击倾向性 的岩层 。 ③在采深1 0 0 0 m的条件下 ，随地应力的增大， 煤 、 岩层的冲击倾向性将会加剧。 开采 中。 煤 、 岩层是否发生冲击地压 ， 与开采深 度 、 开采 方式 和地 应力状 况有 关 。 4 采场 冲击地压 的形成条件及机理 根据矿井生产实际。冲击地压发生主要受以下 因素影响． 也是在生产中需认真研究 、 避免冲击地压 发生 的主要方 面 。 维普资讯 5期 王 淑 霞 。 等 唐 口煤 矿 3 煤 层 冲 击地 压 形 成 机 制及 防治 措 施 1 5 4 ． 1厚层 坚硬 顶板 矿井下钻探揭露 3煤层顶 、 底板主要为中砂岩 、 细砂岩及泥岩 ， 质地坚硬 ， 平均厚度 2 7 ． 7 0 m， 平均单 轴抗拉强度 4 ． 0 2 ～ 7 ． 2 2 MP a ，单轴全应力一 应变极 限 强度 o m a x 3 1 ． 6 9 ～ 1 5 3 ． 7 6 MP a 。弹性模量 E 3 9 ． 2 2 ～ 9 0 ． 4 0 G P a ， 泊 松 比 Ix O ． 1 6 ～ 0 ． 2 8 ， 而 应 力 解 除 过 程 随 解 除距离 mm 加 大应 变值 ￡ 增 大 ， 当解 除距离 为 2 0 0时 ． 应变值趋于稳定至1 2 0 0 1x e 。岩石的力学 特征符合厚层坚硬顶板易形成 冲击地压的条件 ， 硐 室 掘进 和煤 层开 采 过程 中 ，形成 了煤 层 顶板 大面 积 悬空， 在煤壁附近出现很高应力集中带， 同时在坚硬 巨厚顶板中聚集的弹性能，在 自重力和采掘干扰下 突然释放 ． 形成冲击地压 。 4 ． 2坚硬而 性脆 的煤 层 3煤 层 单 轴 抗 拉 强 度 0 ． 8 8 MP a ． 弹 性 模 量 l 1 ． 0 2 G P a ，泊 松 比 0 ． 4 3 ，可 磨 性 系 数 变 化 4 1 ％～ 7 1 ％， 一般为 6 0 ％， 属 易碎煤 ， 而性脆煤层易造成顶 板弹性能突然全部释放的条件 。 易于形成冲击地压 ， 与本 区条件相似的枣庄矿区曾多次发生冲击地 压 。 上 山煤柱发生 的冲击地压 ，使 3 0 m巷道被摧毁 ， 煤 被挤出 。 相当于 1 ． 2 ～ 1 ． 6级地震 。本 区煤层较厚 ， 对 冲击地压的发生也有 一定 的影响。据波兰 1 9 5 2 1 9 5 7年 统计 资料 ，厚 4 ～ 8 m煤 层 中 比 1 - 2 m厚 的煤 层发生冲击地压的次数约大 6倍。 4． 3深度 因素 一 般情况下， 深度越大 ， 其冲击地压的危险性和 强度均增大 ， 本区开采深度 已达1 O 0 0 m 以深 ， 且 自 重应力场与构造应力场类型并存 ，随着开采深度增 大， 始突的危险及强度均不断增大。 另外影响始突深 度的因素很多 。 除煤层 、 顶板的岩性和厚度 、 开采技 术条件以外， 最重要 的是原始地应力状态 。 4 ． 4应力 集 中带 回采工作造成的应力集 中带 ，也是发生冲击地 压最 频繁 的部 位 。如本 区煤 层 顶板 主要 为砂 岩及 泥 岩 ， 易形成 较 大 的顶 板 悬空 区域 ， 在煤 壁 附近 形成 应 力集 中带 ； 矿井构造复杂 ， 开采中留设 的各种煤 柱 ， 易造成各方向应力叠加， 形成强烈冲击地压 ， 且极 易 对下伏煤层造成影响。 5 采场冲击地压的预测 方法 为预测冲击地压对矿井安全的影响，主要采取 了 以下方 法 。 5 ． 1煤 、 岩心物 理 力学性 质 预测 唐 口煤矿在煤炭资源勘探阶段作 为中 日合作 、 国家重点项 目。对开采技术条件评价作 了大量的工 作 ， 积累了丰富的资料， 作为煤层及顶底板评价的依 据。生产阶段取得 了丰富的采掘资料及煤岩力学性 质测试成果 ， 根据煤层 、 岩石力学性质及应力特征对 顶板进行 了划分 ． 圈定 冲击地压可能发生 区域 5 _ 2煤 的动态 破 坏 时间 、 弹 性 能量指 数 的测定 根据 岩煤 样力 学 性质 测试 、 煤 动态破 坏 时间 、 弹 性 能量 指数 、 冲击 能量 指数 测试 结 果 ， 确 定煤 层及顶 板冲击倾 向。 并对多个煤样进行 了加压试验 ， 取得了 应 力一 应变曲线及应力解除过程 曲线 ．获得弹性应 变能和卸载消耗能， 做为评价冲击倾 向的指标。 6 采场冲击地压的 防治措施 针对矿井的具体地质特征 ，主要采取 了以下措 施 ， 较好地预防了冲击地压的发生 ， 降低了对煤矿生 产 安 全 的影 响 。 6 ． 1回 采工作 面顶 板动 态 法的应 用 冲击地 压发生 前是 有 预兆 的 ，表 现 为煤岩 层 向 采空区运动加剧 。 顶板岩层断裂声加剧 ， 采空区有雷 声 ， 顶板下沉 ， 煤壁片帮 ， 有炮声 ； 打煤层眼时， 钻杆 卡住不易拔 出， 出现支柱折断 、 柱 帽压缩等 ； 采煤工 作面和巷道压力有明显的增大现象。只要认真观察 分析 。 掌握其规律 。 就能及时进行预报 。目前采煤工 作面轨道顺槽都安装了顶板离层报警系统 。 6 ． 2回采 工作面 钻屑 法 的应 用 经过 实 测 。唐 口煤 矿 3 煤 危 险煤 粉 量 如 表 5 所 示 。 当煤粉 量超 过 危险煤 粉 量时 ，应进 行卸 压爆 破 。 在深部开采条件下 ， 受地质条件和开采技术 的影 响。 不同区域 、 不 同深度 的煤粉量是不 同的 ， 应根据 实 际情况及时调整标准煤粉量和危险煤粉量。 表 5 唐 口煤 矿 3 煤冲击危险钻屑检 测指标 Ta bl e 5 Ta ng ko u c o a l mi n e r o c k b ur s t h a z a r d i n s p e c t i n g i n di c e s o f dr i l l i n g b i t s me t ho d 钻孔深度／ m 煤粉量危险指标／ k g m- 钻 屑粒度 大于 3 m m 的组分／ ％ 6 ． 3合理 开拓 布局 实践表明， 合理开拓布局和正确的开采方法， 对 于避免应力集中和叠加 ，防止冲击地压产生关系极 大 。 ①开采煤层时， 为了降低潜在危险层的应力， 首 先应 当开采保护层 ；当所有煤层都有冲击地压危险 时 ． 应开采冲击地压危险性最小 的煤层 ； 当有冲击地 压危险的煤层的顶底板都赋存有保护层时，应先开 采顶 板保 护层 。 ②划分井田或采区时， 应保证合理的开采顺序。 最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。因为煤柱 承受 的压力很高 ，特别是岛形或半岛形煤柱要承受 维普资讯 1 6 中 国 煤 炭 地 质 第2 0 卷 几个方面的叠加应力 ， 最易产生冲击地压。 ③采区的采煤工作面应朝一个方 向推进，避免 相向开采． 以免应力叠加。 因为相 向采煤时上山煤柱 逐渐减小 ．支承压力 逐 渐增大 ，很容 易引起 冲击 地 压 要合理安排开采程序 。 防止采煤工作面三面被采 空 区包 围． 形成“ 半岛” 。 ④在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减 缓应力集中和叠加的开采程序 。在 向斜和背斜构造 区．应 从轴 部开 始 回采 ；在有 断层 和采 空 区 的条件 下 。 应从断层或采空区开始开采。 ⑤开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮 落 法管理 顶板 的长壁 开采法 。回采 线尽 量是 直线且 有 规律地 按正确 的开 采速 度推进 。 ⑥顶板管理采用全部垮落法 ，工作面支架应采 用具有整体性和防护能力的支架。采用非正规采煤 法的采区冲击地压发生次数多 、 强度大。 6 ． 4注水 煤层预注水是在采掘工作前对煤层进行长时向 压力注水 煤层预注水的目的主要是降低煤体的弹性 和强度 ． 使相邻巷道 、 采煤工作面的煤岩层边缘区内 部黏结力减少． 弹性降低减少其潜能。注水一般是在 已掘好的回采巷道内或临近的巷道内进行。 注水的施 工应按照 冲击地压煤层安全开采暂行规定 进行。 为 了提高 注水效 果 ， 可 以采 用 间歇 注水 ， 以利 于消 除裂 隙表面的气泡． 提高毛细作用 ， 达到湿润效果。 6 ． 5巷 道硐 室群支 护措 施 ①首次提出了平面锚索桁架支护结构 ，有效改 善围岩的受力状态 ． 提高 了支护结构的承载能力 ， 控 制 围岩 的变形 。 ②泵房处于粉砂质泥岩中， 抗干扰能力差 ， 流变 时 间长 ， 塑性 变形 大 ， 变 形速 度 快 ， 造成 起 重 梁严 重 弯曲， 拱顶混凝土剥离露筋。在基础加固治理中． 采 用 锚注 、 预应 力锚索 、 平 面锚束桁 架 等复合锚 索桁 架 技术进行加 固。 并首次采用抗让结合 的支护体系， 泵 基础底部采用强抗支护 、两泵基础之间采用以让为 主适 当支护的支护体系，有效地控制住 了底板的变 形 ． 加 固一 年来硐 室 底板一 直保持 较好 的稳定状 态 。 ③深井高应力软岩巷道支护加固。采用有限元 软件 A N S YS对辅助运输大巷进行数据模拟 ， 选择合 理的支护方式 。在锚 网喷支护的基础上增设注浆锚 杆进行全断面注浆加固，且浇注钢筋混凝土底板反 底拱 ， 有效提高了围岩及支护结构的承载力 ， 较好解 决 了深井高应力巷道的支护问题。 ④在副井马头 门摇台治理中， 首次提出抗 、 让 、 防的治理方案． 有效地解决了巷道底鼓问题 ， 保证 了 巷道的整体稳定。 ⑤井下试验结果表明，对巷道的底角进行锚注 加固后 ， 有效地控制了巷道底板的变形， 达到了控制 底鼓的 目的， 保证 了巷道支护结构的整体稳定 ， 进一 步说明了锚注加固支护技术方案的有效性 。 生产中主要采用了顶板动态法 、 钻屑法 、 煤层注 水等措施 ， 缓慢释放坚硬顶板积聚的弹性能， 并针对 性地采取合理的支护措施 ，取得了良好的效果 。因 此 ． 在现有 的技术水平下 ， 正确认识冲击地压产生的 机理 ， 并采取有效防治措施 ， 是可以完全消除或大大 减少 冲击 地压 安全事 故 。 志谢 本文撰写过程中得到李献水总工程师的 精心指导 。 在此表示感谢 参 考文 献 [ 1 ]于双忠． 煤 矿工程地质 研究 [ M] ． 江苏 徐 州 中国矿业大学 出版 社 ， 1 9 9 1 ． [ 2 ]苏学贵 ， 李彦斌 ． 采 区矿压观测 与来压 规律探讨 [ J ] ． 山西煤 炭 ， 1 9 9 6 5 1 5N 1 8 ． f 3 ] 林韵梅 l地压讲座『 M] ． 北京 煤炭工、 I 出版社 ， 1 9 8 1 4 1 2 ～ 4 1 7 ． ～ ； 一～～一一 一 一 ～～一一一一一一～一～一～ ～ 一一～一一一一一～一一 ～ ～一 ～耋．一一～～一一 ～～一一一一一一一一～一一～ 一一一一一一一～～一一～一～一 ～ ～ ～ 一 一 ～ ～ 一 ～ 一 一 ～ 维普资讯