坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析.pdf

第 8卷 第 2期 总第 5 5期 2 0 0 3年 6月 煤矿 开采 C o a l Mi mn g T e c h n o l o g y Vo 1 ． 8 N o ． 2 S e r i e s N o ． 5 5 J u n e 2 0 0 3 坚硬 顶板 对 冲击矿 压 危 险 的影 响 分析 窦林 名 ，刘 贞堂 ，曹胜根 ，吴兴荣 1 ．中国矿业 大 学能 源学 院 ，江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8；2 ．徐州 三河 尖煤 矿 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 0 [ 摘要 】 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。通过实验研究、现场实测 、冲击矿压现象分析，说明 了顶板 坚硬岩层，特别是顶板 的关键层运 动、破 断对冲击矿压的发生有 巨大的影响。掌握顶板的运动规律 ，并对其进行监测 ，可达 到预测预报 冲击矿压危险的 目的 [ 关键词】 冲击矿压；坚硬顶板 ；电磁辐射；监测 [ 中图分类号】T D 3 2 4 ． 1 [ 文献标识码 】A [ 文章编号 】1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 30 2 - 0 0 5 8 - 0 3 Ana l ys i s o f t he i nf l ue nc e o n r o c k bur s t c au s e d by ha r d r o o f DOU Li n mi ng ， L I U Zhe n t a n g ， CAO S he ng g e n ， W U Xi n g r o n g 1 ． E n e r g y I n s ti t u t e ，C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 0 0 8，C h i n a ； 2 ． S a n h e j i an C o a l Mi n e o f Xu z h o u C o a l Mi n i n g Gr o u p。 Xu z h o u 2 2 1 0 0 0，C l I i n a Ab s t r a c t Ro o f s t r u c t u r e，e s p e c i a l l y h a r d a n d t h i c k s a n d s t o n e r o o f ，i s o n e o fthe ma i n f a c t o r s l e a d t o the o c c u r r e n c e o f r o c k b u rst ．B y l a b o r a t o r y s t u d y，fi e l d t e s t an d p h e n o me n a an a l y s i s o f r o c k b u r s t ，the p a p e r i n d i c a t es t h a t the h a r d s t r a ta o f r o o f esp e c i a l l y the mo v i n g o r b r e a k i n g o fth e k e y s t r a t a o r s t r a t u m h a s g r e a t i n fl u e n c e o n the oc c u r r e n c e o f r o c k b u r s t ． I t s f o r e c a s t c a n b e r e a l i z e d b y the u n d e r - s t a n d i n g o f r o o f mo v e me n t an d c o n s t a n tl y mo n i t o rin g ． Ke y wo r d sRoc k b u r s t ；Ha r d r o o f ； E l e c t r o ma g n e t i c r a d i a t i o n；Mo n i t o rin g 1 概 述 研究 表 明 ，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 顶板破断或 滑移失稳过 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 冲击压力 型 冲击矿压 或顶板 型 冲击型 冲击矿压 。三河尖矿坚硬顶板 的多次断裂 是造成矿 井西翼冲击矿 压频繁发生 的主要原 因。 三河尖煤 矿 是 2 0世 纪 8 0年 代 末 投 产 的新 矿 井 ，现年产 1 6 0万 t 。三河 尖 矿 主采煤 层 为 7煤 和 9煤 ，开采 深 度 已达 一7 0 0 m 以下 。随着 开 采深 度 的增加 ，煤 矿动力现象越 来越频繁 ，冲击矿压危 险 越来越 大。 自 1 9 9 1年 5月首次在 7 1 l 0工作 面材料 道发生 冲击 矿压 以来 ，累计发生破坏性 冲击矿压达 2 1次 以上 ，其 中西 翼坚 硬顶 板 区域 冲 击矿压 为 1 7 次 ，具有 冲击危 险的工 作面 回采中平 均每面发生 冲 击矿压 次数达 4次 以上。冲击矿压 已成 为威胁 该矿 安全生 产的 主要 自然 灾害之一 。 2坚硬厚层顶 板对冲击矿压 影响分析 2 ． 1 顶板 弯 曲弹性 能 根据前 苏联阿维尔 申的观点 ，煤层 内的弹性 能 是由体变弹性能 U 、形变 弹性 能 和顶 板 弯 曲弹 性 能 三部分组 成 ，即 U Uf Uw 而顶板 弯 曲弹性能在顶 板初次来 压和周期 来压 时 ，分别 为 q2 6 L S Uw 甾 式 中 ，q为顶板 及上覆 岩层 附加 载 荷 的单位 长 度载 荷 ；L为顶 板 来压 步 距 ；E为顶 板 岩 层 弹 性 模 量 ； ．， 顶板 断面惯矩 。 从上 述公式可知 ，顶板 弯曲弹性能 与顶板 来压 步距 的 5次方成正 比。因此 ，来压 步距越 大 ，聚集 【 收稿 E t 期】2 O 0 2 1 o一 2 2 【 作者简介】窦林名 1 9 6 3一 ，男，青海人 ，教授 ，博士生导师，1 9 8 6年毕业于中国矿业大学 。获硕士学位 ，1 9 9 8年在波兰西兰工业大 学获博士学位 ，现任中国矿业大学采矿地球物理应用研究所所长。 58 ● 维普资讯 窦林名等 坚硬顶板对冲击矿压危 险的影响分析 2 0 0 3年第 2期 能 量 也 越 多 ，顶 板 岩 层 越 厚 ，聚 集 的 弹 性 能 越 多 。 2 ． 2顶板岩 层厚度特征参 数 根据研究 ，影 响冲击矿压发 生的岩层 为煤层上 方 l O O m 范 围内的岩 层 ，其 中岩 体强 度 大 ，厚 度 大 的砂岩层起 主要作用 。因此 ，可 以用砂 岩为标准确 定顶板岩层 厚度特征参数 ，来描述顶板 岩层对 冲击 矿压 的影 响程度。 若定 义砂岩的强度 系数 和弱 面 系数 为 1 ． 0，煤 系地层各 岩层 的强度 比和弱 面 递 减系 数 比见表 1 。 则顶板 岩层厚度特 征参数可定义 为 2h f。 式 中，h 为顶 板在 l O O m 范 围 内第 i 种 岩层韵 总厚 度 ； 为所给岩层 的弱面递减系数 。 表 1 煤 系地层 岩层 的 强度 比和 弱面 系数 比 从 波兰发生 冲击矿 压 的统计分 析结果 ，冲击矿 压 仅发生在具 有坚硬 顶板岩层 的顶 板条件 下 ，且其 顶板 岩层参数值 为 t5 0 。 对于三 河尖 煤 矿 西翼 工作 面 ，根 据煤 层 综 合 柱 状 图 资 料 可 知 。 8 2 5 0 故顶板 岩层对冲击矿压 的发生具有 较大影 响。 2 ． 3顶板关键岩 层的作用 根据岩 层移动理论及 中 国矿业大学 钱鸣 高院士 的研究 ，在采场上覆岩层 中存在着 多层岩层 时 ，有 一 个对岩 体活动全部 或局部岩层起控 制作用 的关键 岩层 。该关键岩层 的破 断将导致全 部或相 当部分 的 上 覆岩层产生整体运 动。 离散元模拟研究 表明 关 键岩层破 断前 ，随采 出宽度增大 ，煤 柱支承压力逐 渐增大 ，当关键岩层 初次破断时 ，煤 柱支承压力达 最大值 ，见图 1的曲 线 3 。关键 岩层初次破 断后 ，随采 出宽 度增 大 ，煤 柱支 承压力 有所降低并最 终稳 定 ，见 图 1的 曲线 4 和 5 。采宽达一定程度 后 ，支 承压 力集 中系数 基 本保持不 变 ，见 图 1的曲线 4和 5 。关 键岩 层破 断 前后煤柱 上支承压力分 布的上述特 征 ，对 冲击矿 压 的发 生起 重要的作用 。 相似 材料模拟研究 和现场实测 同样反 映了关键 岩层 对整个岩层 的运 动及对 冲击 矿压 的影 响 。图 2 为距煤层 3 0 ． 5 m 处关 键 岩 层 下离 层 量 沿 走 向分 布 随工作面推进 变化 的相似 材料模拟试验结 果 。从 图 中可 以看 出 ，在关键岩层 破断前 ，其 离层 量是破 断 后离层量 的 3倍 多 。由于 存在 这样 大 的离 层 之差 ， 故关键岩层 破断时 ，将 其具有 的势能和运动 的动能 释放 ，将 产生强烈 的冲击载荷 ，从而有可能产 生破 坏性 冲击矿压 。 图1 关键岩层与煤柱支承压力分布 图 2模拟 关键 岩 层 离层 的 变化 图 3为距 工作面开 切 眼 9 0 m 处第 1关 键 岩层 、 关键岩层及 硬 岩 层 C 的下 沉 量 、下沉 速度 与 工 作 面相对位 置关系 曲线 。而关键岩层 的破断将产 生大 的矿 山震 动和释放大量 的能量 ，从 而很容易诱 发冲 击矿压 ，见 图 4所示 。 U 4 0 Z ’ 9 0 _． 1 2 0 1 5 0 - 一 l O 2 O 图3 各岩层下沉量、下沉速度 曲线 维普资讯 总第 5 5期 煤矿开采 2 0 0 3年第 2期 图4 震动和冲击矿压频次与能量关系 3现场观测 结果分析 3 ． 1 矿压观 测结果分析 三河尖 矿在 7 。 煤 层工 作 面 的矿 压 观测 同样 说 明 ，7 煤顶板坚硬 岩层 的变形破 坏 ，破 断 、下 沉是 非常剧烈 的 ，工作面及 其周围巷道 的矿 压显现非 常 明显 。图 5为 7 2 0 2工作 面初 次来 压 期 间顶 板 下沉 量 的曲线 图 ，可 以看 出 ，初 次来压期 间的顶板下沉 量是正 常回采期间 的 5～6倍 。而图 6则为 9 1 0 4工 作面顶板 断 裂来 压 前 2 4 h的顶 板 下 沉 速 度 变 化情 况 ，可以看 出，在坚 硬顶板条件下 ，顶板运动速 度 快 ，其 动能大 ，这很 容易引发 冲击 矿压 。 3 5 0 3 0 0 l 2 5 0 嗣 2 0 0 滏1 5 0 ’ 1 0 0 5 0 O 1 0 1 5 2 0 2 5 30 3 5 4 0 4 5 5 O 5 5 工作面推进， m 图5 7 2 0 2工作面初次来压期间顶板下沉量 曲线 此外 ，分析徐 州三河尖 矿发生 的几次 大的冲击 矿压现象 ，也 可 以说 明关 键 岩 层 对 冲 击矿 压 的影 响 。例如 7 2 04 工 作面 在 1 9 9 8年 1 2月 6日发 生 的 冲击 矿 压 ，是 工 作 面推 进 到 1 2 0 m 左 右 时发 生 的。 当时工作 面长 9 0 m左右 ，造 成 4 0 0 m 巷道和 6 2 m工 作面 的破坏 。再例如 2 0 0 0年 4月 1 7日发 生的震 级 为 3的 冲击 矿压 ，也是 在工 作 面推进 约 1 4 0 m 时发 生 的。当时工 作 面长 1 3 5 m，造成 工 作 面超 前 9 0 m 两条材料 道的破坏 。分析 两起 冲击原 因 ，主要是 上 覆岩层的活 动和破 断 ，不能形成 平衡 造成 的。 6O O．2 T 0 ． 1 5 目 o 1 目 0 ． 0 5 O O．2 0． 1 5 目 宣 o l 喜 o - 0 5 O 上作面 中部 | | ， J | J v 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 l 8 2 0 O h 工作 面 下部 | ～、 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 5 2 0 2 2 2 4 2 6 O h 图6 9 1 0 4工作面初次来压期间顶板下沉速度 曲线 3 ． 2 电磁辐 射观测结果 分析 2 0 0 0年 1 0月 3 1日，三 河 尖 矿 西 翼 7 煤 的 7 2 04 工 作面和 9 煤的 9 1 l 2工作 面观 测到 电磁辐 射 值突然增 大 ，而且是两 个工作面 同时增大 ，冲击矿 压危险指 数达 到 0 ． 9，见 图 7 。煤 粉 钻监 测 同样 反 映 了冲击 危 险。平 均 煤 粉 量 达 5 ． 5 3 k g ，大 大 超 出 煤粉量指 数。6 0 m 钻孔 内发生 5次板 炮 ，3 0 m 钻孔 内断 钻 杆 4根 、压 死 钻 杆l根 。 同 时 ，在 东 翼 7 1 4 1放顶煤工 作 面运 输 道 及 其 巷道 交 叉 点 处发 生 冲击矿 压 。电磁辐射 同样 是非 常高 ，见 图 8 。这说 明了上覆顶板岩层 大范 围的运 动造成 了井下较大范 围的动力显现 ，冲击 危险性 大幅度上升 。 l 童 } 藿 7 2 0 4 材料道 超前 电磁辐射数据曲线对比 l 4 O 嘉 蠡 馨42 0O O 测点位置， m 早班 ； 中班 9 1 1 2 I作面 上出口向下 电磁辐射 曲线 早班 测 点位 置， m 图 7 7 2 04 和 9 l 1 2工作 面 电磁 辐 射幅 值 的 变化 l 4 o 童 {强 翟16 08 O 7 1 4 1 电磁辐射数据曲线 中班 l 2 3 4 5 6 7 测 点 编 号 图8 7 1 4 1工作面及其周 围电磁辐射变化 下转 6 6页 维普资讯 总第 5 5期 煤矿开采 2 0 0 3年 第 2期 接钻 杆 ，采用水力排 粉 的方式 。 沿工作面 走 向每 隔 2～3 m 布置 1组孔 ，每 组 包括 3个 钻孔 ，呈 三花形 布 置 ，每 孔相距 0 ． 5 m 左 右 。孔 深不 小 于 1 0 m，倾 角 3 。 ，孔 径 1 1 5 ram，垂 直于巷帮施工 。实际施工 时受 空 间所 限 ，许多钻孔 与巷帮 水平 夹角 1 O 。 左右 ，孔 深有 1 0 ． 4 m、1 4 m 和 1 6 m 三种 。达到 了卸 压要 求 。该 钻孔布置形 式 ，可 保 证在工作 面前方支承压力 的作用下 ，每个钻孔周 围形成一个破 碎区 ，1组 3个 钻孔会 形成 一个 更 大 的破碎 区。这个 破碎 区在高应力作用 下将 向四周扩 展 ，最终 与邻 近破碎 区相贯 通 ，在钻 进平面 的煤体 形成一条 破碎带 ，起 到卸压作用 。并使应力峰值 向 岩体深部转 移 ，解除 冲击危险 。 4防治 效果 东滩 矿采用上述技 术 ，按照 确定 的工作思 路和 工作程 序开展应力集 中区的 冲击矿压 防治工作 取得 了 良好 的效果 。 目前 已在 4 3 o 7工作 面 切 眼 附近 应力 集 中区 、4 3 0 4工作 面开采 初 期应 力集 中区 、 4 3 0 4工作 面邻 近 一 分 层 采 空 区应 力 集 中 区等 多 个应 力集 中 区域 的生 产 过 程 中杜绝 了 冲击 矿 压 事 故 ，实现 了安全生产 。 5认识与体 会 1 通过开展应 力 集 中区 冲击矿 压防 治工作 ， 加 深 了对 冲击矿 压问题 的认 识 ，按照 已确定 的基本 上接 6 0页 4结 论 程 序开展 冲击 矿压 防治工作 ，形 成 了东滩煤矿 防治 冲击 矿压 的工 作体 系和程序 。 2 电磁 辐 射 监 测 是 非接 触 式 监 测 ，无 须 施 工 钻孔 ，简单 易行 ，测得 的数据 生成变化 曲线 ，便 于分析 ，显 示 冲击危 险直观 、可靠 ，是进行 较大范 围 内冲击矿 压危 险普 查的最佳选 择 。使用 电磁辐射 检测 ，关键 在 于 根 据 不 同煤层 性 质 确定 危 险 临 界 值 ；该 监测方法 的仪器和数 据分析软件需 要进一 步 优化完 善。 3 钻屑 法 是一 种 比较 成熟 的鉴 别 冲击 矿压 危险 的手段 ，具 有便于施工 、数据 可靠 等特点 ，但 是 由于 是 靠人 工 推进 ，劳 动 强度 较 大 ，施 工 周 期 长 ，不便进 行 大 范 围 的普 查 。为 便 于 进 行 煤 粉 监 测 ，应选 用合适 的钻进机具 ，同时要提 高施工 记录 的质 量 。 4深孔 卸 压 爆 破 是 一种 解 除 冲击 矿 压危 险 的有效方法 ，施工机具灵 便 ，方法 简单易行 ，关键 是确 定最佳 的爆 破 参数 ，确保 深 孔爆 破 的可 靠性 ， 避 免 出现瞎炮 ，以免 为工作面 回采带来安全 隐患 。 5 大直径 卸 压 钻 孔 避 免 了深 孔 卸 压爆 破 容 易 形成瞎炮 ，带来新 的安全 隐患的弊端 ，也是一种 解除 冲击矿 压危险 的有效方法 ，今后要研 制便 于搬 运安装 、适 合在 窄小 环境 下作 业 施工 的专用 机 具 ， 降低卡钻现 象 ，提 高该方法 的适 用范 围。 【 责 任编 辑 毛德 兵 ] 1 在 一定 的采 深 条 件 下 ，坚 硬 顶板 的 运 动 破 坏对 冲击矿压 的发生起重 要作用 。 2坚硬 顶板 对 冲击 矿 压 的影 响 程 度 可采 用 顶板 厚度参数来描述 。 3 数值 模 拟 实 验 、相似 材 料模 拟 实 验 、现 场 电磁辐射实 测及冲击矿压 发生 的实 例均表 明 ，顶 板关 键层运动 、破 断对 冲击矿 压 的发 生影 响 巨大 。 4通 过对 关 键 层 运 动 规 律 的分 析 监 测 ，可 以达到预测 预报 冲击矿压 的 目的。 【 参考文献] 十 ， 一 十 寻 [ 1 ]窦林 名 ，何 学秋 ．冲击矿 压 防治理 论 与技 术 [ M]．徐 州 中 国矿业 大学 出版 社 。2 0 01 ． [ 2] D o u L i n mi n g ， Dr z e z l a ． Z mo d k o w a n a k o mp l e k s o w a me t o d a o c e n y s l a n u z a g r o z e n i a t a p a n i a mi wk o p a l ni a c h we g l a k a m i e n ne g o [ J ] ． P l z e g l a d G o mi c z y ，No ． 1 l ，1 9 9 8 ． [ 3]窦 林名 ， 何 学秋 ， 王 恩 元 ， 等． 冲 击 矿 压 与 震 动 的 机 理 及 预报 研 究 [ J ] ．矿山 压力 与顶 板管 理 ， 1 9 9 9， 3～ 4 1 9 9 - 2 0 3 ． [ 4] 窦林 名 ，谷德 钟 ，曹树 刚 ．冲 击矿 压 及 其 防 治 [ J ] ．矿 山 压 力与 顶板 管理 ，1 9 9 9。 3～ 4 2 1 5 - 2 1 8 ． [ 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 ．2 0 0 1 ． [ 6 ] 钱鸣 高 ，缪协 兴 ，许家 林 ，等 ．岩层 控 制 的关 键 层 理论[ M] ． 徐州 中 国矿 业大 学 出版 社 ，2 0 0 0 ． 【 责任 编辑 毛 德兵 ] 维普资讯