大埋深矿井开采灾害防治技术体系浅谈.ppt

大埋深矿井开采灾害防治技术体系浅谈,张学景王义民河南煤业化工集团永煤公司车集矿，河南永城，476600,〔全国煤矿千米深井开采技术座谈会资料之十〕,摘要车集煤矿随着采深的不断加大，瓦斯、水害、地压等问题成为制约安全生产的主要因素，为此车集煤矿通过不断完善制度、加大创新力度，在瓦斯防治、水害防治、地压防治和顶板支护方面取得一定的成效，形成一套车集特色的大采深灾害防治技术体系。关键词深部开采灾害防治技术体系,前言车集煤矿是永煤公司建成投产的第二对大型现代化矿井，位于位于河省永城市东南部。北距陇海铁路商丘站90km，夏邑站77km，徐州站90km，东距徐阜铁路百善站15km，通往徐州市的两条主干公路分别经过井田北部和南部，区内各乡村之间均有简易公路相通，交通方便。矿井原设计生产能力180万t/a。1999年正式投产，2009年核定生产能力280万t/a。矿井采用立井单水平上、下山开拓方式，采煤方法为走向长壁，采煤工艺为综采。,车集煤矿2614工作面采深已达到-800m，正在准备的28采区落底标高达到-1000m，已进入了深井开采阶段，深部的岩石逐渐出现流变性，巷道压力现象明显，瓦斯涌出量增大，底板含水层水压越来越大，已成为制约安全生产的主要因素，为此，车集煤矿经过不断的摸索与尝试，取得了一定的效果与经验，具体如下,1、瓦斯治理方面1.1调整人力资源结构、建立瓦斯治理专门机构我矿围绕矿井瓦斯治理工作目标，在不增加矿井定员的情况下，对生产队伍进行了调整，进一步加强从事瓦斯综合治理队伍的力量，将采煤队由原来的4个减少为3个、掘进队由原来的4个减少为3个，并将分流人员分别补充到开拓区队、抽放队和巷修队。为满足矿井瓦斯治理的需要，我矿成立了防突科，组建了抽放队，配备了充足的瓦斯治理技术管理人员。,1.2、建立了矿井“128”瓦斯预警机制矿井“128”瓦斯预警机制为岩巷瓦斯浓度波动幅度达到0.1，煤巷瓦斯浓度波动幅度达到0.2，或者采掘巷道回风流中瓦斯浓度大于0.8，均属于瓦斯预警。瓦斯预警后即启动预警处理措施，停止生产，查找原因，排除隐患，做到瓦斯超限防范措施关口前移，防微杜渐。,附图车集煤矿128瓦斯预警管理机构体系,附表车集煤矿瓦斯预警追查分析报告,,,,,,,,,,,,,,1.3、推广三风机三电源局部通风保障措施我矿每个掘进工作面均安装三台局部通风机，实现三路供电，确保风机零停风，彻底杜绝因局部通风机停运而引起的瓦斯超限事故。,1.4、严格限位管理，杜绝超采超掘为进一步执行好防突措施，完善区域和局部防突限位管理，加强过程监督，我矿对原有的防突牌板进行了重新设计，掘进工作面防突牌板在原有基础上增加了预测（效检）超前距、措施超前距、剩余进尺、允许进尺等项目，采煤工作面防突牌板增加了上下巷测点位置及上下巷限位位置，每班进班后由班长、瓦检员、安检员签字确认，确保了数据的准确性，也便于上级单位监督检查，实现“区域局部双限位”，杜绝了超采超掘。,1.5、继续发挥矿井瓦斯实验室的引领作用自2012年矿井瓦斯实验室投入使用以来，累计完成煤层瓦斯含量测定实验近900个，瓦斯压力测定实验30余个、煤的坚固性系数20余个、煤的放散初速度15个，掌握了各采掘地点的瓦斯分布，使瓦斯异常地点采取的措施更有针对性。同时矿井瓦斯实验室也承担了永城本部其他四对矿井的取样及实验工作，充分发挥了瓦斯实验室的价值。,1.6、全面实现了瓦斯抽采钻孔进尺视频验收我矿在所有瓦斯抽采钻场均安装了视频监控探头，全程监督瓦斯抽采钻孔的打钻、拔钻、验收作业过程，并制定下发了瓦斯抽采钻孔视频验收管理办法，明确了管理责任和使用规范，由调度室和区队监控值班人员对各打钻作业地点拔钻验尺过程进行抽查监督。,1.7、实施底板岩巷硐室围岩注浆帷幕，强化抽采效果底板岩巷在掘进打钻硐室过程中，受爆破作业影响，硐室围岩产生以爆破点为中心的放射型裂隙，打钻联抽后将造成巷道和硐室顶板、帮部裂隙漏气，损耗抽放负压，影响抽放浓度。为此我矿在打钻硐室实施高压浅孔注浆帷幕工作，注浆后将在硐室围岩内形成一道高密封性的帷幕，隔断钻孔与巷道空间的裂隙通道。,,1.8、推广“中线投影测量法”,提高钻孔施工技术水平为降低钻孔实际施工与设计参数之间的误差，针对钻孔方位角的现场测定，我矿技术人员发明了“中线投影测量法”，此方法是将硐室中心线和钻杆投影在同一平面上，然后用角度尺直接测量投影线的夹角。较以往的测定方法，“中线投影测量法”易掌握、易操作且精准度更高，目前现场职工均采用此法进行钻孔方位角测量。,1.9、逐步完善瓦斯抽采钻孔封孔工艺我矿先后试验了封孔段全程合成树脂充填、囊袋式注浆封孔、速凝膨胀水泥注浆封孔、普通水泥与速凝水泥混合封孔等多种封孔方法，积累了丰富技术经验的同时，通过对各种工艺的抽采效果对比、结合现场实际情况，分别针对钻孔煤岩性质的区别和钻孔倾角大小的区别制定了专项封孔工艺执行标准，其中穿层钻孔实现了带压、高压封孔，逐步形成了矿井封孔工艺的规范化、模式化。,2、支护方面2.1、高强让压锚索支护技术随着我矿采深的不断增大，巷道原有的支护强度已不能满足深部巷道围岩支护的需要，我矿在寻求更有效的支护道路上进行了不断的探索，特别是在锚索的规格上进行了多次的变更，由最初规格Φ15.24mm变更为Φ18.9mm锚索，又变更为Φ22mm的锚索，但锚索仍出现被压断的现象。,为此引进了让压锚索，即在锚索托盘与锁具之间增加一个让压管，利于压管在一定强度的压力下产生微小的收缩，使巷道的压力得到一定的卸载，而不至于产生在硬生抗衡下锚索被压断的结果。高强让压锚索不仅能起到与普通锚索同样的支护强度，还可以随围岩变形提供一定的变形量而适度让压，通过强化支护和适度让压，充分发挥锚网-围岩整体力学效应。,2.2、高应力巷道底板卸压技术巷道的顶帮支护加强后，必然导致帮顶的围岩应力向底板转移，出现巷道底鼓变形现象，为了释放地压减小巷道变形量，在巷道永久支护结束后、前移耙装机之前，沿巷道走向开挖卸压槽，卸压槽使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移，使巷道处于应力降低区，卸压槽还为巷道围岩变形提供了补偿空间，从而使巷道变形量减小。,原设计在耙矸机移动后在耙矸机后巷道中央沿走向施工宽500mm，深2000mm的泄压槽，施工过程存在两个方面的问题，一是泄压槽宽度较小而深度较深爆破后矸石很难清出，二是耙矸机后施工影响轨道的铺设。经过现场的实验改进，最终完善为耙矸机移动前沿巷道中心爆破松动开挖一条深1m，宽1m的卸压槽，卸压槽采用碎矸填平，填平之后铺设轨道前移耙装机，待泄压2-3月后进行注浆回填加固，取得了较好的效果，解决了巷道底鼓变形的问题。,2.3、立体联合支护技术为了减小巷道表面围岩对喷浆体的应力作用，同时加强喷浆体和巷道围岩变形的协调性，我矿采用锚杆、锚索梯子梁对巷道进行加固支护，具体工艺如下,根据巷道断面尺寸加工两种型号梯子梁，一种为弧形梯子梁，一种为直型梯子梁，每根梯子梁采用φ16mm钢筋4根，中间用同型号钢筋焊接；锚网支护时，沿巷道断面轮廓线布置加工的梯子梁（根据巷道拱半径压制成弧形，以便安装），锚杆托盘托起梯子梁压紧钢筋网、贴紧岩面，相邻梯子梁搭接200mm，帮部铺设梯子梁与巷道底板齐；锚索支护时，梯子梁平行巷道掘进方向布置，锚索托盘托紧梯子梁，梁长2400mm，每三根锚索使用一根梯子梁。,横向、纵向梯子梁与锚杆、锚索形成立体联合结构，提高巷道立体支护效果，解决了由于局部巷道受压变形引起大范围的围岩失稳问题。,2.4、增强增韧喷浆支护技术进入深部巷道后，喷浆巷道普遍出现喷层开裂、脱落现象，为防止喷层开裂脱落，主要采取以下措施,（1）先喷后锚工艺对于巷道掘进光面爆破效果差，巷道一次成型效果不理想，存在大量超挖现象的巷道，采用常规的先挂网打锚杆后喷浆，造成浆体分布不均匀，且较厚地段喷浆厚度达到300～400mm以上，造成巷道浆皮变形快，容易开裂脱落等现象，我矿采用先喷后锚的措施改善喷浆效果。,具体工艺如下爆破后先对巷道进行初喷，初喷厚度控制在30～60mm，将光爆巷道超挖部分覆盖住，满足巷道表面基本平整为原则；初喷后对巷道进行永久支护，按照设计要求先挂网，然后施工锚杆锚索，支护完毕待巷道压力稳定后进行二次喷浆，喷浆厚度20～40mm，保证盖住金属网，两次喷浆的总厚度不超过120mm。该喷浆工艺有效的控制了巷道喷层厚度，降低了因巷道超挖，喷浆厚度不均且厚度过厚导致的喷层开裂的几率。,（2）增强增韧纤维由于混凝土本身具有的干缩性导致喷层处于受拉状态，巷道周围各点切线的法向拉应力大于混凝土的抗拉强度时，喷层就会产生断裂，混凝土本身的抗拉强度远远低于抗压强度，通过在喷浆料中掺入聚丙烯增强增韧纤维，可有效的阻止喷层内部裂纹的产生和扩展，其韧性能适应软岩巷道大变形的特点，达到大变形而不坏，坏而不碎，碎而不断的效果，大大降低了喷层开裂脱落现象的发生。,2.5、二次强支强注稳定成巷技术由于深部岩石体现出较为明显的流变性，随着时间的延长，围岩塑性变形区不断扩展导致巷道失稳，适时进行二次支护且二次支护适当地增加支护强度，以保证初期支护具有一定的柔性，在巷道不失稳的前提下，允许围岩有较大的变形，让其充分地释放能量，同时支护体后期要有足够的强度和刚度来有效控制围岩与支护的过量变形。,二次强支采用高强低松弛一级钢绞线锚索，配400mm400mm12mm大托盘，在一次适应应力调整支护基础上，再次进行承载结构协调合理的强支施工，实现更大范围的有效加固，促使进一步稳定成巷，以便巷道长久稳定可靠。,二次强注采用锚注加固技术，利用一种新型的特种中空锚杆做为注浆杆进行巷道围岩壁后注浆，同时起到锚杆支护的效果。最终形成了融锚固、封孔、注浆工艺为一体，对巷道围岩实施外锚内注加固支护的一种巷道支护方式。它能够将巷道围岩锚杆加固技术与注浆加固技术进行有机结合，既具有锚杆加固技术的的优点又能够注浆增加巷道围岩自身的承载能力，提高岩体强度和稳定性，使巷道围岩起到主动的支护能力，将围岩与加固结构有机地联合在一起共同发挥承载作用，达到矿压控制和巷道有效支护的目的。,2.6、梯次支护技术车集煤矿煤巷顶板多以砂质泥岩、泥岩为主，且常伴有淋水现象，单一长度的锚索加强支护,形不成稳固的承载结构，导致下位岩层离层,巷道围岩继续变形和破坏.提出了梯次支护原理。,首先采用锚杆支护在巷道顶板浅部围岩造壳一阶支护,再采用短锚索支护控制顶板中下部软弱煤岩形成二次强化锚固承载结构二阶支护，再应用长锚索对已形成的二阶锚固承载体向顶板上部深层煤岩体实施整体组合锚固三阶支护，在顶板岩层中形成一定厚度和承载强度的具有组合锚固效应的阶梯式立体支护结构。,顶板使用先施工Φ222200mm高强锚杆，排距700mm，每排6根，形成一阶支护；再在每两排锚杆之间间隔布置Φ18.94000mm锚索，每排两根，形成二阶支护；最后在每两排锚杆之间间隔布置Φ18.97200mm锚索，每排两根，形成三阶支护，构成梯次支护结构，很好的控制了顶板的变形下沉，取得较好的效果。,3、防治水方面3.1、精细地质“01234”管控模式“0”是地质工作零失误，工作面零突水，无误揭煤现象发生。“1”是坚持“逢掘必探”原则，建立一支专职探煤队伍，探清工作面煤层层位和构造赋存情况。,“2”是设好两个限位在工作面区域和局部探煤结束后，根据探煤结果由总工程师、地测副总、通风副总、地质、通风负责人共同评价前方煤层层位的控制程度并确定允许掘进的最大限位距离（区域限位和局部限位）；最大限位距离确定后交通风队，由放炮员设置限位牌，明确掘进位置，当掘进长度超过限位长度时，放炮员进行制止并停止放炮。,“3”是建立地质工作三级管理体系区队明确一名技术员负责收集工作面剖面和局部探煤（水）资料并进行上报；地质、防治水中心负责区域探煤和探放（防）水设计及日常精细地质管理工作；总工程师和地测副总负责工作协调和重大问题的处理工作。“4”是抓好防治水四项核心工作，即水害预测评价、隐患排查、专项检查和效果评价等。每项工作均有专人负责，层层推进，保障了水害治理效果。,3.2、钻探注浆快速施工技术在长期的钻探注浆施工过程中，我们不断总结施工经验，摸索出了一种快速施工方法，在每个钻场推行“三孔开局法”和“开孔异向法则”。,“三孔开局法”是指在新钻场开始施工时的开工方法。首先依次开好三个孔，下好三个孔口管，然后再依次做好耐水压试验，最后钻探成孔。它的优点在于钻探注浆工作可连续地进行下去，不会因工序问题而中断，大大地提高施工进度。,3.3、小水孔分流注浆技术2010年以来，井下小水钻孔的注浆封孔问题一直是困扰着我矿工作面底板改造的难题。底板改造钻孔约有少部分小水孔（涌水量在3m3/h以下），单孔直接通过地面注浆站注浆比较困难。在施工过程中通过现场钻研和攻关，并行了多次实验，让小水孔联带到大水孔上一起注大浆，解决了小水钻孔的注浆（封孔）难题。此项技术创新为注浆工程设备装置的改进，思路新颖，且效果立竿见影，实现了多孔同注，改变了一孔一注的传统模式，大大提高了注浆效率。,“异向法则”是在钻探施工中一向遵循的施工法则，意思是为避免钻探与注浆工作同时进行时发生浆液串孔现象而采取的预防措施。要求A孔与B孔必须是两个不同方向且扇形夹角最大的两个孔，这样不至于在注浆过程中发生串孔现象，保证施工按正常秩序进行。,快速施工方法推广应用后效果显著，我矿钻探进尺单台钻机月进最高达1700米，煤层底板注浆加固速度大大加快，底板改造工作由回采工作面转移到掘进工作面，给防治水工作创造了宽松环境，使我们有时间、有条件把防治水工作做得更细致、更扎实。,3.4、选择使用配套的高压控制闸阀，预防孔口事故随着开采深度的不断增加，巷道底板承受的水压也越来越大，预计深部地段太灰上段含水层水压将超过6.5MPa，目前使用的PN64DN100型控水闸阀已经不能满足深部防治水的要求。根据预计的水压值，在深部地点配备了PN100DN100型闸阀，闸阀的耐压值超过了预计的水压值，消除了潜在的隐患，保障了安全生产。,3.5、推广使用大功率钻探设备以往使用的ZDY1900型钻机（Φ63.5mm钻杆）由于扭矩力小，方向性差，已经不能满足目前的安全生产要求，2012年我矿全部推广使用大功率的ZDY3200型钻机（Φ73mm钻杆）。该钻机具有扭矩力大，方向性好、施工的孔径大等特点，因此所施工的钻孔偏斜幅度小，钻孔精度高，减小了因设备等因素而产生的注浆空白带；因为扭矩力大，在处理塌孔等方面可以发挥明显的优势，大大降低了塌孔埋钻事故率。,3.6、钻孔测斜技术的应用为了提高注浆钻孔的施工精度，寻找钻孔偏斜规律，消除底板注浆加固空白带，采用全方位钻孔测斜仪对钻孔进行测斜，总结出了钻孔偏斜规律，并且针对偏斜的钻孔，采用增加补孔的方式，有效地填补了注浆空白区域，提高了底板注浆加固的效果。,结论1）瓦斯治理需坚持多措并举，抽放钻孔要确保高质量的施工和封孔，确保抽放效果。2）通过测斜仪器检测注浆孔的施工质量，并及时进行补孔，填补注浆空白区，提高注浆加固效果。,3）深部地段太灰上段含水层水压将超过6.5MPa，需使用配套的高压控制闸阀，预防孔口事故。4）深部岩石在高应力下体现出较为明显的流变性，支护上一方面要通过让压、卸压方式使得高应力得到释放，另一方面要通过二次的强支强注控制围岩的进一步流变。,参考文献[1]周为军.高位钻孔瓦斯抽放效果考察与分析[J].煤炭技术。2009288.76-78[2]张农,候朝炯,杨米加,李伟,孙贤斌.软岩巷道的喷锚注支护技术[J].矿山压力与顶板管理.1997Z1.125-127[3]葛正峰,王启军,马合飞,马娟鸽.大采深高承压矿井水文地质条件及防治水技术[J].煤炭科学技术.201009.104-107,116作者简介张学景（197011-），河南南阳人，工程师，毕业于河南理工大学，毕业后一直从事生产技术管理工作，现任车集煤矿生产技术科科长。通讯地址河南省商丘市永城市城郊煤矿；邮编476600E-maillec-19871002;Tel13849688816,