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煤矿开采类论文 常村煤矿深部开采冲击地压防治技术研究

2018-12-19 13:30:35来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  随着矿山开采深度的增加,冲击地压将成为煤矿最严重的灾害之一。河南能源义煤公司常村煤矿,因单采区集中开采影响,同时受到上覆岩层悬臂形成的应力和F16断层构造应力叠加影响,下部工作面存在严重的冲击危险。

  本文对常村煤矿深部冲击地压的地质构造条件、深部岩体特征及相互作用机制研究,进行常村煤矿冲击危险区域划分。基于深部冲击地压多参量前兆信息识别理论,确定常村煤矿(2-3)煤深部开采冲击地压监测预警敏感指标(钻屑临界值);提出常村煤矿深部冲击地压监测预警技术方案。在对已有数据进行分析的基础上,考虑工作面参数,进行回采工作面关键区域(初次来压、周期来压、超前支撑压力范围)的确定及解危措施的研究;研究满足深孔卸压防治冲击地压要求的参数及施工工艺解危参数,确定最佳效果检验方法;提出常村煤矿深部冲击地压综合防治技术方案。正确评价21采区深部冲击危险性,实施有效地防冲措施,实现常村煤矿21采区深部工作面的安全开采具有巨大的经济效益和社会效益。

  关键词:深部开采;冲击地压;监测预警;深孔卸压;

  1绪论

  1.1研究背景

  目前,我国煤炭资源已转入深部开采,但相关的基础研究还不够系统深入,缺乏对深部开采条件下动力灾害的孕育-发生-演化机理、基础科学问题以及预警防治对策的系统研究,亟待在相关的基础理论方面取得突破,建立煤矿深部动力灾害综合防治的理论与技术体系。

  义马煤田常村煤矿现采深超过800m,随采深的增加冲击地压有严重增加的趋势。2009年在21132下巷掘进过程中发生冲击地压事故一次。21220工作面在下巷掘进和回采期间煤炮增多,动力显现活动频繁,导致巷道变形速度加快,增大了巷道二次支护难度,维护费用相对增加。工人在打钻时出现顶钻、卡钻现象,矿井安全生产受到威胁。随着开采深度的逐年增加,冲击地压灾害将会愈加严重,常村煤矿临近的千秋煤矿已发生过冲击地压事故,因常村煤矿与千秋煤矿同属义马煤田,地质条件与千秋煤矿类似,故常村煤矿同会受到冲击地压威胁;随着常村煤矿开采深度的不断加大,冲击地压危险区域也不断增加,本项目的开展迫在眉睫。

  1.2国内外研究现状

  世界各国防治冲击地压的技术的发展经历了三个阶段,在走过以安全防护措施为主和普遍采用防治技术措施两个阶段之后,近二十年来进入了综合防治阶段,即把煤矿冲击地压防治技术明确地归结为危险性预测、防治措施、效果检验、安全防护四个方面。

  在冲击地压的防治方面,国内主要发展与完善了保护层开采、煤层注水、煤层卸载爆破、深孔断顶爆破等方法,并对煤层钻孔卸压、煤层顶底板处理等措施进行了局部解危实验。

  在冲击地压发生后煤岩变形破坏震级分布规律[31-40]研究方面,日本对水力采煤工作面微震(2到0.8级)进行了统计分析,发现基本符合Gutenberg-Richter公式通过建立断层地震模型从理论上证明了对于断层地震其发生的震级和次数符合Gutenberg-Richter公式。但对于深部开采的构造型冲击地压的震级分布规律没有进行深入地研究。

  冲击地压发生理论发展至今,主要形成了强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则理论及失稳理论等几大理论。强度理论、能量理论、冲击倾向理论提出了发生冲击地压的三个准则,即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。其中强度准则是煤体破坏准则,能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立,才是产生冲击地压的充分必要条件。在目前的各种理论当中,强度、能量和冲击倾向理论是根本性的理论,其余的均是这三种理论的总结和发展。

  “冲击矿压的强度弱化减冲机理”是窦林名教授对冲击矿压机理和防治深入研究后提出的。冲击矿压的强度弱化减冲机理,包含三个方面的含义:一是在冲击危险区域,采取松散煤岩体的方式,降低煤岩体的强度和冲击倾向性,使得冲击危险性降低;二是对煤岩体的强度进行弱化后,使得应力高峰区向岩体深部转移,并降低应力集中程度;三是采取一定的减冲解危措施后,使得发生冲击矿压时,降低冲击的强度。

  冲击地压作为世界疑难问题之一,由于国际能源结构的转换和生产成本的对比以及新型能源的诞生,国外主要采煤大国关闭了许多矿井尤其是冲击地压矿井、高瓦斯矿井。目前仅仅波兰、澳大利亚、中国等国家在致力研究冲击地压预测与防治技术。冲击地压研究的关键在于其形成机制及其准确预测预报问题。近年来由于资金和人才问题国内冲击地压研究进展缓慢,主要冲击地压矿区以被动防治为主,由于没有弄清其形成原因和没有做到准确预测,往往是耗费大量财力、人力,顾此失彼,不但造成伤亡事故还制约生产。目前波兰、澳大利亚等西方国家研制的微震、地音等先进监测手段逐渐被人们所认可,这也是我国引进国外技术设备的重要内容。

  我国深部冲击地压的研究目前仍然采用过去冲击地压的研究思路,因此在预测理论、信息采集系统、信息处理软件等方面需要做大量的研究工作。初步分析认为,义马煤业公司常村煤矿冲击地压的发生主要与构造应力、采动应力及原始应力有关,因此,结合国内外冲击地压理论与技术水平,应从区域构造特性、开拓布署、时间和空间连续监测、区域危险性预测与解危等方面进行综合研究,并最终形成深部冲击地压的控制决策体系。

  冲击地压的预测技术,除了经验类比法外,大致可以分为两类。一类是以钻屑法为主的局部探测法。第二类是系统监测法,包括地音系统监测法和微震系统监测法,以及其它地球物理方法,如电磁辐射法、地温法、地磁法等。

  冲击地压的防治方法由冲击地压的危险性评价方法和冲击地压的治理方法组成。冲击地压的治理方法可分为长期治理措施和临时解危措施。长期治理方法是从考虑煤层有冲击危险开始,在设计阶段就考虑治理问题。最大限度在使用开采解放层卸压,选择支护方式。临时解危措施有松散煤岩体的放炮方法,注水方法及卸压方法来破坏巷道周围煤岩体结构,形成缓冲带。

  目前国内防治冲击矿压的技术手段主要分为区域性措施和局部性措施两个方面。区域性措施主要是根据各种地质因素对整个井田的冲击矿压危险指数进行预测,并根据预测的结果制定相应的措施,主要包括:采区布置、开采顺序和方向、开采工艺、支护方式、组织管理措施等内容;局部性措施主要是针对已进入冲击矿压危险区域的工作面和巷道,根据各生产地点(包括工作面、掘进面、煤层巷道)的实际情况,制定相应的临时解危措施,主要包括煤层预注水、卸压爆破和技术工艺控制等方法。其中,区域性防治措施属于防范性措施,是主动防御冲击地压的措施,采取科学合理的区域性措施可以最大限度避免冲击矿压发生。防治冲击矿压区域性措施的主控因素是如何合理的设计开采技术条件。

  常村矿开采技术条件复杂,且由于历史开采原因,巷道系统布置不合理,这对冲击矿压的防治十分不利。因此,考虑到常村矿目前的开采技术条件,进行后续的开采技术研究以减少冲击矿压及其灾害显得尤为重要。

  1.3研究内容

  研究区域:常村煤矿(2-3)煤层当前采区断层以北区域,以21150工作面为主。

  (1)常村煤矿深部冲击地压的地质构造条件及特征研究

  研究常村煤矿深部煤层地质构造特征;进行常村煤矿冲击危险区域划分。

  (2)常村煤矿深部冲击地压监测预警技术研究

  确定常村煤矿(2-3)煤深部开采冲击地压监测预警敏感指标(钻屑临界值);提出常村煤矿深部冲击地压监测预警技术方案。

  (3)常村煤矿深部冲击地压综合防治技术研究

  在对已有数据进行分析的基础上,考虑工作面参数,进行回采工作面关键区域(初次来压、周期来压、超前支撑压力范围)的确定及解危措施的研究;研究满足深孔卸压防治冲击地压要求的参数及施工工艺解危参数,确定最佳效果检验方法;提出常村煤矿深部冲击地压综合防治技术方案。

  1.4技术路线及方案

  采用现场调查、室内试验、理论分析、数值仿真和现场试验相结合的研究方法,对煤矿深部动力灾害的灾变机制及其防护措施开展深入细致的研究,见技术方案路线图。

  (1)通过现场调研,掌握常村煤矿地质条件、开采技术条件、冲击地压发生情况及目前采取的预测与防治技术措施,并进行统计分析。

  (2)结合现场调研及统计分析结果,分析常村煤矿深部煤层地质构造特征。

  (3)结合现场调研及统计分析结果、室内实验结果、数值模拟结果、理论分析结果,进行常村煤矿(2-3)煤冲击危险区域划分。

  (4)选择典型回采工作面进行数值模拟实验,确定关键区域初次来压、周期来压、超前支撑压力范围。

  (5)通过钻屑法现场实验,确定常村煤矿(2-3)煤钻屑法临界指标。

  (6)结合现场实验结果、数值模拟计算结果,通过理论分析,建立深部煤岩动力灾害的多参量前兆信息识别理论。

  (7)通过大直径卸压钻孔现场实验,满足防治冲击地压要求的参数及施工工艺解危参数,确定最佳效果检验方法。

  现场调研

  理论分析

  室内试验

  数值模拟分析

  现场试验

  确定钻屑法临界指标

  选取适合高应力区煤(岩)层不同条件下钻孔卸压参数

  深部冲击地压监测预警技术方案,

  深部煤岩动力灾害的多参量前兆

  信息识别理论

  典型回采工作面关键区域初次来压、周期来压、支撑压力范围

  煤岩物理力学性质测定

  常村煤矿

  2-3煤冲击危险区域划分

  动力灾害的监测预警理论与综合防治体系

  地质条件、开采条件、冲击地压发生情况及目前采取的预防措施

  一套适

  合常村

  煤矿使

  用的深

  部危险

  评价预

  测及危

  险程度

  评价体

  系及防

  冲安全

  防范标

  准和防

  治体系

  研究方法

  最终目标

  研究内容

  图1-1技术方案路线图

  Fig1-1 Technology roadmap

  2.常村煤矿冲击地压发生规律及特点分析

  2常村煤矿冲击地压发生规律及特点分析

  2.1矿井概况

  2.1.1矿井地质条件

  (1)地层

  常村井田地层由下向上依次为:三叠系上统潭庄组,侏罗系中统义马组、马凹组和上统,白垩系,第三系,第四系,各结构层厚度、岩性如下:

  1、三叠系上统潭庄组:厚564~590m,主要由泥岩、细砂岩和粉砂岩组成。

  2、侏罗系中统义马组:厚0~112.4m,平均厚98m,主要由砾岩、砂岩、泥岩和煤层组成。

  3、侏罗系中统马凹组:一般厚度185m,主要由紫色泥岩、粉砂岩、灰绿色粉砂岩、细砂岩和杂色砾岩组成,在井田内有自西北向东南渐薄之趋势。

  4、侏罗系上统:一般厚410m,主要由石灰岩、石英砂岩、石英砾岩、岩浆岩组成。

  5、白垩系:厚0~269.98m,一般厚150m,主要由砂砾岩、杂色砾岩组成。

  6、第三系:厚0~50.8m,井田内呈不规则分布,主要由肉红色、灰白色泥灰岩组成。

  7、第四系:厚0~52m,主要由砂质粘土、含砾粘土、粘土砂砾层组成。

  (2)煤层及顶底板

  义马组共含煤二组四层,其中普遍可采一层(2-3煤),局部可采一层(2-1煤),不可采的两层(1-2、1-1煤),煤层平均总厚度12.38m。

  煤层直接顶为泥岩,厚度16~45m,平均抗拉强度98.1MPa,平均抗压强度1961.3MPa。老顶以砾岩、细砂岩、泥岩互层为主,具透水性。煤层直接底为炭质泥岩厚0.5~6.0m,煤层硬度1.5—2.0。

  图2-1煤岩层综合柱状图

  Fig2-1 Integrated coal strata histogram

  图2-2义马常村矿27勘探线义马组岩性岩相剖面图

  Fig2-2 Righteousness horse Chang Village ore prospecting line 27 righteousness group lithologic facies profile

  图2-3常村矿义马组走向岩性岩相剖面图

  Fig2-3 Chang Village ore righteousness horse group to lithology profile

  (3)构造特征

  常村井田位于渑池向斜东部,构造形态为轴向东偏北,倾向南偏东之不对称向斜。不对称性表现在北翼宽缓,8线以西地层走向120°左右,倾向南偏西、倾角9°~12°,8线以东走向80°~85°,倾向南偏东,倾角23°左右;南翼窄陡,地层产状变化较大,总体走向76°、倾向北西、倾角在14线两侧近直立,向东渐趋平缓。南北两翼基本以F16断裂划界、下盘为北翼,上盘为南翼;下盘煤层沿倾向和走向都较平直,只是12线东沿走向略有波状起伏,上盘煤层沿倾向或走向都有较明显的波状起伏。

  1、F16逆断层,为一区域性逆冲断层,发育于井田东南部,井田内延展长度大于5000m,走向近东西,倾向160°-170°,倾角一般15°-35°。该断层断距大,落差50-450m、水平错距120-1080m,自东向西水平断距和落差有逐渐增大趋势,在剖面上与一组45°-60°的派生逆断层构成“入”字型构造,断裂面在剖面或平面上皆表现出显著的波状起伏。

  2、F16-1逆断层,平面上位于F16之南、剖面上位于F16之上、向深部归并于F16,为F16分支断裂,井田内延展长度大于4000m。其走向,倾向同于F16、倾角20~60°,落差自14线的100m左右向东逐渐减小,至5线尖灭。在6线剖面因分岔合并形成构造透镜体。该断层为8孔穿过,落差依据地层重复推定,基本可靠。

  3、F3正断层,斜切于井田中西部,沿2101~II-0号孔延展,井田内长度大于5400m,据二水平下山实测产状为170°∠75-80°,落差在16线剖面推定为200m,二水平下山为140m,向西南渐小,至F8附近尖灭。

  (4)水文地质条件

  本区位于洛河支流南涧河流域,渑池~义马不对称向斜的北翼,低山丘陵地貌,沟壑纵横,冲沟发育。南涧河发源于陕县观音堂一带,于洛阳兴龙寨并入洛河,全长约104km,流域面积约576km2。据以往有关资料,该河最大流量约为1446.5m3/s,最小流量0.5m3/s左右。1972、1982、1992、1994、1995年发生断流,为一典型的山区河流,雨季流量大,旱季流量小,是山区行洪的主要河道。该河流自西而东横穿常村井田浅部,流经井田长度约4km,其流向自西向东与煤系地层走向基本一致,1982年在该区段测得最高洪水位为+429.19m。本区西北部由中低山构成二级分水岭,标高+748~+1463m。南涧河南岸有一近东西向高地构成的三级分水岭,标高+520~+670m,该分水岭南北翼的地表水经发育密布的冲沟分别汇入洛河和南涧河。

  矿井水文地质中等,以孔隙~裂隙承压水为主,补给源不易补给,充水水源为侏罗系中统砾岩水,正常涌水量60m3/h最大涌水量300m3/h。

  2.1.2矿井开采技术条件

  常村煤矿为斜井开拓方式。

  现矿井共有+320m和+110m两个水平,现生产采区为21区。

  常村煤矿主要采用走向长壁后退式采煤法,自然跨落法管理顶板。回采工艺为综采放顶煤;煤巷采用综掘;岩及半煤岩巷以炮掘为主。

  截止2016年3月常村煤矿回采工作面为21000及21220工作面,掘进工作面为21170及21162工作面。

  2.2常村煤矿冲击地压概况

  常村煤矿在采掘生产过程中,共发生了43次冲击事件,为一般性冲击地压事件,现场多数无明显的破坏情况,未造成任何人员伤亡,但对安全生产带来一定程度的影响。其中相对较大的一次冲击事件为2009年3月22日发生在21区21132下巷,共造成263 m巷道不同程度的破坏,67个抬棚损坏严重,底板瞬间鼓起,巷道最大底鼓量达到0.7m。

  图2-4常村煤矿冲击地压现场破坏情况

  Fig2-4 Changcun coal mine bumps damage at the scene常村煤矿冲击地压发生的强度大、危害严重,发生前没有明显的前兆,回采面巷道和掘进巷道发生都很频繁、并且冲击位置以底板冲击为主、冲击地压具有随着开采深度的增加,频度加大和强度增大的趋势,已成为了矿井重大自然灾害;多起冲击地压事故给工作面安全回采和巷道掘进带来了巨大威胁,也给矿井造成了巨大的经济损失,造成人员伤亡。并且随着煤层开采继续向深部转移,工作面布置逐渐接近F16断层,采场条件将进一步恶化,冲击地压的危害问题将更加严重、更加突出。因此迫切需要对常村煤矿冲击地压开展全面的研究工作,提出合理可行的预测和治理措施,以确保矿井的安全高效生产。

  2.3矿井冲击地压灾害影响因素初步分析

  虽然冲击地压发生的影响因素是多方面的,但可以将其分为三大类,即地质因素、开采技术因素和组织管理因素。地质因素包括原岩应力和煤岩的力学性质。原岩应力是基本影响因素,由岩体的重力和构造应力组成。岩体的重力由采深决定,构造应力则十分复杂。煤岩材料具有应变软化性质,在峰值强度前,随着变形的增加,岩石的承载能力是增加的,为稳定材料;但是当达到峰值强度后,随着变形的增加,承载能力下降,成为非稳定材料。因为煤岩材料具有应变软化性质,所以具有冲击倾向性。

  由于开采引起煤岩体局部应力集中,弹性应变能积聚,所以开采条件和生产技术是冲击地压发生的重要影响因素。

  下面结合常村煤矿具体工程地质条件主要对自然地质因素和开采技术因素进行分析。

  2.3.1地质因素

  地质因素包括原岩应力和煤岩的力学性质。原岩应力由岩体的重力和构造应力组成。煤岩的力学性质包括煤层性质和围岩性质。

  1)岩体的重力因素

  随着落开采深度的增加,岩层中的自重应力也随之增加,岩体中积聚的弹性应变能也随之增加。目前常村煤矿目前开采深度已超过500m己达到重力型冲击地压发生的临界深度。常村煤矿在开采21采区时曾发生多次冲击地压,该区域煤层上限标高约-180下限标高约-600m,地面标高+500~+600m,采深680~1200m,目前开采深度已经超过800m,而且随着采深增加,危险性会逐渐增加。所以采深大是义马矿区冲击地压发生的主要因素,并且是不能人为控制的。

  2)构造应力因素

  F16断层为向压扭性逆冲断层,属于三门峡~平舆断层的组成部分,在陕渑~义马矿区,走向110°,延展长度约45 km,走向近东西,倾向南略偏东,浅部倾角75°,深部倾角一般15~35°,逆冲面上陡下缓,落差50~500 m,水平错距120~1080m,北接千秋井田,向东延入常村、常村井田,向西延入耿村、杨村井田。在采动影响易于发生“活化”,煤层顶板岩层难以控制,尤其是当开采区域断层比较发育时,断层对矿压分布规律的影响十分明显;并且常村井田处在义马煤田大向斜轴部,构造应力集中,增加了发生冲击地压的机率。

  3)煤层性质因素

  义马矿区煤层大部分具有冲击倾向性,义马煤田2-1煤和2-3煤硬度系数f=0.9-1.6,具有冲击地压倾向性,常村煤矿煤层具有弱冲击倾向性。

  表2-1常村矿煤样冲击倾向性测定结果

  Tab.2-1 Impact Chang Village mine coal sample measurement results

  单轴抗压强度/MPa弹性能指数冲击能指数动态破坏时间/ms综合评价11.489.883.2579.9弱冲击倾向弱冲击强冲击弱冲击弱冲击4)顶板巨厚坚硬的砾岩影响

  研究表明,顶板岩层结构,特别是煤层上方坚硬、厚层顶板是影响冲击地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)冲击地压或顶板型(冲击型)冲击地压。

  根据研究,影响冲击地压发生的岩层为煤层上方100m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。一般情况下,厚度越大的坚硬岩层越不易冒落,形成的跨距(悬顶)L值也就越大。所以厚度大的坚硬岩层顶板发生冲击地压的可能性很大。

  义马矿区2-1煤层顶板有巨厚的粗砾岩、粉砂岩,厚度400m以上且稳定性好,整体性强,容易大面积悬露。在巨厚坚硬砾岩破碎或滑移过程中,可能会突然释放大量的弹性能,形成强烈冲击震动,从而诱发冲击地压。

  2.3.2开采技术因素

  随着煤炭资源转向深部,采区和工作面接替紧张,工作面回采、掘进相互干扰严重,针对义马煤田矿井冲击地压发生条件、原因、表现形式的共同特点,有必要从整个煤田考虑,从矿井采区工作面布置、巷道布置形式、巷道支护方式、施工工艺、冲击危险预警及解危措施、老顶砾岩的处理等方面采取协调一致的方案,形成适合义马煤田冲击地压特点的冲击地压预测、解危、管理等多方位为一体的统一的治理模式和体系。

  2.4冲击地压发生规律

  常村煤矿共发生冲击事件43次,其中弱冲击35次,中等冲击8次,强冲击0次,常村煤矿整体表现为具有弱冲击地压危险性。

  根据前面对常村煤矿发生的冲击事故分析,在掘进和回采过程中都有冲击事故发生,且其发生具有明显的规律性。

  2.4.1掘进工作面

  (1)掘进面发生的冲击地压事故主要是以掘进割煤为诱发因素。

  (2)冲击地压事故发生时间,以割煤同时或滞后一段时间发生为主。

  (3)冲击地压发生地点距离掘进工作面10-150m左右。

  (4)冲击地压发生的位置以底板和上帮为主。

  2.4.2回采工作面

  (1)回采期间发生冲击的位置位于20m、83m、188m、254m、308m、340m、349m等区段,这些位置基本位于直接顶初次来压、老顶初次来压、工作面见方、老顶周期来压、与相临工作面双见方等位置。

  (2)发生地点以下巷上帮和底板为主。

  (3)发生冲击地压的位置一般位于回采工作面前方应力集中区,距离工作面煤壁20-70m,最严重一次工作面前方30-370m。

  集团公司组织专家对义马矿区冲击地压发生原因进行分析,认为常村煤矿冲击地压的发生受开采深度、顶板岩层性质、煤的物理力学性质、煤层厚度变化、地质构造等多方面影响。冲击地压类型属于大采深、受巨厚坚硬砾岩层影响的底板冲击地压。

  2.5本章小结

  1、常村矿采深大,煤层坚硬,具有弱冲击倾向性。

  2、历史上形成采掘布置不合理,造成冲击危险性增加。

  3、煤层上覆巨厚砾岩层造成冲击地压治理困难。

  4、F16逆冲断层的影响增加了冲击地压的治理难度

  3常村煤矿深部开采矿压显现规律实测研究

  3.1矿压观测内容及方法

  3.1.1矿压观测预测冲击地压指标的确定

  工作面矿压观测是预测冲击地压的重要手段之一。工作面煤岩变形规律、支承压力作用范围及支承压力峰值的大小和位置作为预测冲击地压的指标。

  当出现以下情况之一时,都预示出现冲击地压危险:

  (1)煤层支承压力强度升高,而峰值位置距煤壁较近。

  (2)顶板下沉速度在增大,而煤层的侧向变形速率减小,甚至停滞。

  (3)顶板下沉速度急增,或相反地,几个班、甚至更长时间顶板下沉滞后。

  (4)老顶周期性折断时。

  3.1.2矿压观测地点及内容

  21150工作面矿压观测主要内容为工作面液压支架工作阻力和超前煤体应力及其影响范围和强度。

  1)液压支架工作阻力观测

  图3-1工作面测站布置图

  Fig3-1 Working station layout

  21150工作面长183m,在工作面内共设12个测站,其中1号、12号测站为工作面上下巷的端头支架,2~11号测站为工作面内测站,每个测站观测1个液压支架。矿压观测采用KJ653工作面支架工作阻力监测系统。

  2)超前煤体应力观测

  超前支煤体应力观测站设在21150工作面下巷,通过在超前工作面的煤体内安设钻孔应力计进行观测。测点设在21150下巷上帮,从距工作面25m处的下巷上帮开始设测点1,每间隔25m设一个测点,每个测点处打2个不同深度钻孔安装2个通道,深为18m的钻孔安装偶数通道,深为12m的钻孔安装奇数通道。工作面推进到测点1后,把测点1设在测点10后方25m。

  图3-2钻孔应力计布置图

  Fig3-2 Borehole stress meter arrangement

  3.2矿压实测数据分析

  3.2.1顶板周期来压分析

  21150工作面倾向长183m,可采长度983m,工作面使用的是放顶煤液压支架。监测时间从2013年8月1日至11月30日,监测期间工作面共推进161m,选取具有代表性的3号测站(19#支架)、6号测站(49#支架)、10号测站(108#支架),对应工作面下、中、上三区段的支架进行统计分析。

  表3-1液压支架技术特征表

  Tab.3-1 Hydraulic support technical characteristics of the table

  支架型号ZF7000/18/28四柱支撑掩护式初撑力5649~5764KN支护范围1800~2800mm工作阻力6925-7064KN支架中心距1500mm移架步距800mm泵站压力31.4MPa操作方式临架各支架来压判据如表3-2所示。

  表3-2各支架来压判据

  Tab.3-2 Each bracket to pressure criterion

  支架循环末阻力/MPa来压时(瞬时)最大阻力平均阻力均方差判据19#38.828.08.536.549#44.829.98.538.4108#44.120.710.130.8常村煤矿21150工作面各支架的循环末阻力曲线如图3-14。

  图3-3各个支架循环末工作阻力曲线图

  Fig3-3 Each support working resistance curve at the end of the cycle

  表3-3基本顶周期来压步距

  Tab.3-3 Cycle of basic roof weighting interval

  来压次序工作面下部(来压步距/m)中部(来压步距/m)上部(来压步距/m)支架号19#49#108#123191221813113222215419121252819176--1815720--988平均/m21.617.212.3总平均/m16.8工作面初次来压步距为60m;基本顶周期来压步距情况如表3-3所示。

  表3-4基本顶周期来压期间支架阻力统计简表

  Tab.3-4 During the period of basic roof periodic support resistance statistical summary table

  区间测站支架号平均阻力/MPa最大阻力/MPa总平均/MPa非来压期间下部1926.934.233.5中部4927.537.2上部10825.629.1来压期间下部1936.944.835.9中部4937.538.8上部10835.644.1表3-5基本顶周期来压动载系数统计表

  Tab.3-5 Dynamic load coefficient of basic roof periodic TAB

  支架号19#

  18#

  19#49#

  48#

  49#108#

  108#

  109#平均值总平均值周

  期

  来

  压

  11.2

  1.53

  1.751.5

  1.33

  1.361.56

  1.4

  1.361.471.4421.3

  1.6

  1.411.49

  1.36

  1.491.2

  1.76

  1.381.4631.4

  1.32

  1.461.15

  1.36

  1.691.25

  1.36

  1.21.3441.31

  1.6

  1.461.23

  1.26

  1.231.73

  1.26

  1.231.3751.71

  1.21

  1.311.45

  1.31

  1.811.45

  1.31

  1.21.4461.88

  1.65

  1.841.38

  1.26

  1.211.26

  1.66

  1.211.5171.55

  1.34

  1.321.86

  1.26

  1.131.56

  1.26

  1.551.4681.3

  1.87

  1.241.26

  1.61

  1.451.26

  1.61

  1.451.46整理分析工作面基本顶周期来压数据,分析结果见表3-3~3-5。工作面基本顶来压步距为12.3~21.6m,平均16.8m;来压期间平均阻力35.9MPa,支架最大工作阻力44.8MPa,平均末阻力27.14MPa,工作面来压期间工作阻力增加不大;最大工作阻力远低于额定工作阻力;动载系数为1.15~1.88;平均动载系数为1.44;总体上看,工作面上、中、下来压特征具有明显的差异性,如上部108支架工作阻力大部时间处于低阻状态,来压现象不明显,来压步距小、动载系数低,下部来压步距较大、动载系数大。综上,从21150工作覆岩垮落规律来看,工作面开采后覆岩的周期性断裂对工作面下巷影响较明显,因此,建议工作面回采期间重点监测下巷冲击危险程度,做到及时监测、及时预警,及时采取解危措施,防治冲击事故发生。

  3.2.2超前支承压力观测结果与分析

  根据现场实际情况取11月1日~11月30日的监测数据进行分析,监测期间各应力计监测数据原始曲线见图3-4,由于安装和一些其它因素使1#、2#、3#、6#测点的应力数值失真,不做分析。

  1#测站2#测站

  3#测站4#测站

  5#测站6#测站

  7#测站8#测站

  9#测站10#测站

  图3-4工作面前方煤体应力监测曲线图

  Fig3-4 Face in front of the stress monitoring curves of coal

  由图3-4可见,在常村21150工作面进行的超前煤体应力监测,获得了采动过程中工作面前方煤体应力变化曲线。

  例,4#(7、8通道)测站两个孔应力计分别布置在距巷道煤壁18m、12m深的煤体内,仪表安装的初始应力为5.0MPa,当11月24号工作面推进距测试点104m时,7通道仪表应力开始升高,而后随着工作面的开采出现应力波动,当工作面距离4测站82m时,7通道应力值上升至16.2MPa,此时工作面采动应力为16.2-5.0=11.2MPa,即工作面前方在采动扰动下,煤体内压力增加了11.2MPa;从5#测站9、10通道应力变化曲线可知,11月6号工作面距离测站129m,9通道应力值开始升高,此后随着工作面的开采,应力值缓慢增加,当测站距离工作面105m时,9通道应力值增加明显,当测站距离工作面94m时,应力值上升值12.5MPa,煤体内压力增加了7.5MPa;从7#、8#、9#、10#测站的应力变化曲线可以看出,在此期间随着工作面的推进各个测站的应力值稳定保持在初始应力状态,因此可以确定21150工作面采动支承压力超前影响范围平均为130m左右。由此可见,重视和加强工作面超前段的煤体应力是非常至关重要的,应力是引起冲击重要的原因也是根本原因,加强煤体应力的实时监测并及时做出预警对于冲击地压的防治具有重要意义。

  3.3本章小结

  1、21150工作面周期来压步距最小为8.0m,最大为27.0m,来压步距相差较大,且工作面上、中、下来压规律存在明显差异性,上部,来压现象不明显,来压步距小、动载系数低,下部来压步距较大、动载系数大,建议工作面回采期间特别是工作面周期来压时重点监测下巷冲击危险程度,做到实时监测、及时预警,及时采取解危措施。

  2、21150工作面来压时来压期间平均阻力35.9MPa,最大工作阻力达到48.6MPa,个别支架平时运行工作阻力偏低,如48、108支架,表明工作面在来压时可能存在个别支架不能很好控制顶板,可能造成局部冒顶,从而引发冲击事故,为了使顶板得到更好的控制,来压期间工作面必须加强顶板管理;

  3、常村21150工作面采动支承压力超前影响范围平均为130m左右,因此建议工作面回采期间,工作面前方130m范围内煤体作为关键重点区域,应特别加强工作面前130m范围内的冲击监测预警及防冲措施。

  4.常村煤矿深部开采冲击地压发生机理研究

  4.常村煤矿冲击地压危险区域划分

  4常村煤矿冲击地压危险区域划分

  4.1冲击危险区域划分的原则

  (1)开采前依据矿井地质构造环境,圈定因地质构造形成的高应力区。

  一般情况下,断层或火成岩侵入体附近区域、向背斜轴部及附近区域、煤(岩)层厚度急剧变化区域,易于存在构造应力,成为地质构造形成的高应力区。

  (2)矿井开采所形成的垂直应力集中区。

  此区域是指开采层上方留有整体煤柱或有重叠煤柱的区域。

  (3)开采后顶板冒落不充分地区的附近区域。

  (4)开采中发生过冲击地压地区的附近区域。

  2)根据多因素致灾机理与预警技术划分冲击地压危险区域

  冲击地压的自身规律显示,一般情况下冲击地压发生在高应力集中区的煤岩体上。

  矿井井田的高应力区主要集中在:地质构造复杂的变化带处(煤层厚度急剧变化带、活动断层两侧);具有弹性能的煤柱的上、下方;开采支撑压力增高区,由于应力的增高变化,往往受外界微小扰动而失稳破坏,也是冲击地压危险地带。

  4.2冲击区域性危险性划分

  主要采用综合指数法对常村煤矿2-3煤未开采区域进行冲击危险区域划分。

  1)地质因素影响区域划分

  表4-1地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数

  Tab.4-1 Geological conditions affect the state of the impact ground pressure hazard factors and index

  序号因素冲击矿压危险状态影响因素采深<500m采深

  500~700m采深>700m1W1该煤层发生过冲击矿压-2-202W2开采深度0123W3顶板坚硬厚岩层距煤层3134W4开采区域内构造应力集中0015W5顶板岩层厚度特征参数Lst≥502226W6煤的抗压强度Rc<=16Mpa0007W7煤的冲击能量指数WET=3.743222Wt1=∑Wi/∑Wimax0.260.210.52

  2)开采技术条件影响区域划分

  表4-2开采技术条件影响冲击地压危险状态的因素及指数

  Tab.4-2 The state of the mining technical conditions affect the impact ground pressure hazard factors and index

  序号因素危险状态影响因素影响因素的定义危险指数1W1工作面距残留区或停采线的距离>60 m030~60m2<30m32W2未卸压的厚煤层留顶煤或底板厚度大于1.0m33W3未卸压的一次采全高的煤厚<3.0m03.0m~4.0m1>4.0m34W4接近煤柱的距离小于50m掘进面1回采面35W5回采工作面接近落差大于3m断层的距离小于50m接近上盘1接近下盘26W6回采工作面接近煤层倾角剧烈变化的褶落距离小于50m>15°27W7开采过中来压强度初次来压阶段前30m~60m2周期来压阶段前30m~60m1工作面见方位置前后50m38W8采空区处理方式充填法2跨落法03)根据开采地质和开采技术条件评定的冲击地压危险指数Wt1、Wt2,用式4-1确定出冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt,最终根据表3-3确定冲击危险程度。

  (4-1)

  表4-3综合指数法分类、指数

  Tab.4-3 Synthetic index method classification,index

  分类指标ABCDE无冲击弱冲击中等冲击强冲击不安全综合指数Wt<0.30.3~0.50.5~0.750.75~0.95>0.95

  图4-1常村矿冲击地压危险区划分

  Fig4-1 Chang Village ore rock bursts of danger

  常村矿冲击地压危险等级划分:Ⅱ区属于无冲击区域,Ⅰ区属于弱冲击区域、Ⅲ区属于中等冲击危险区。由图可见,井田深部大部分地区具有中等冲击危险。特别是随着采深不断增加,冲危险程度就会大幅度上升。

  4.3工作面危险区域划分

  以在掘工作面21170工作面为例,进行工作面危险性评价。

  4.3.1采动应力分布规律

  σmax=krH(4-1)

  式中:σmax——采掘面最大应力,MPa;

  r——上覆岩层平均密度,一般取2.5×104N/m3;

  H——采深,m;取729m;

  K——煤层上应力集中系数,

  根据理论和矿山压力分布的一般规律,应力集中系数为2;在放顶煤采场如果出现较大塑形区,可取1.6~1.8;在顶板出现来压或煤柱等特殊条件时,一般取2.5~3.5;根据理论和矿山压力分布的一般规律,取2。

  则:21170工作面最大应力为36.45MPa。

  4.3.2综合指数法

  1、根据地质因素确定的冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt1=0.67。

  2、根据开采技术条件确定影响冲击地压危险指数Wt2=0.62。

  根据式4-1确定出冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt=0.67。根据表4-3分析结果,21170工作面为中等冲击工作面,在掘进过程中必须采取相应的解危措施。

  4.3.2经验类比法

  1、采深

  21170工作面最大采深729m,具备发生冲击地压的深度条件。

  2、断层

  21170工作面下巷掘进期间预计揭露1条落差为5-10米的三维地震勘探断层,是影响下巷掘进期间发生冲击地压的因素,特别是断层面前后30m极易发生冲击地压。

  3、停采线和采空区

  21170工作面上巷沿21150采空区掘巷,上下巷外段分别在21区延深煤柱工作面采空区下向实体煤掘进,特别是在21150工作面停采线和里段开切眼附近以及21延深煤柱工作面东采空区边缘等区域施工时,煤体受侧向应力和煤柱支撑压力以及扰动等综合作用,存在较高应力集中,具有发生冲击地压的可能。

  4、邻近的21150工作面回采期间冲击地压情况。

  21170上部为21150工作面,该工作面于2012年11月开始回采,2014年10月回采完毕。在回采过程中,基于SOS微震监测统计,21150回采过程中共发生105J微震事件213次,未发生106J微震事件。

  4.3.2结论及冲击危险性区域划分

  结合冲击地压发冲击倾向评价法、经验类比法及综合指数法等对21170工作面冲击地压危险程度进行评价,经综合分析,得出如下结论:

  (1)21170工作面存在冲击危险性。

  (2)21170上巷为沿空掘巷,布置在减压区内,应力集中度相对较弱,属弱冲击危险区域。

  (3)21170下巷和切眼均布置在实体煤中,受采深和煤柱以及扰动影响,属于中等冲击危险区域。

  (4)、结合21170工作面巷道布置和局部高应力分布,提前预测了3个重点冲击危险区域,在各个重点冲击危险区域,冲击危险性提升一级管理(A区域按中等冲击危险管理、B区域和C区域按强冲击危险管理)。(附图3:21170工作面冲击危险区域划分示意图)

  冲击危险区域一(A区域):上巷口以里82~232m区域。该区域受21150工作面停采线附近集中应力、21延深煤柱工作面东采空区边缘侧向支承压力影响,易发生冲击地压。

  冲击危险区域二(B区域):整个下巷全长。下巷受21延深煤柱工作面东采空区边缘侧向支承压力及采深影响,易发生冲击地压。

  冲击危险区域三(C区域):整个切眼全长。切眼除受上下端头直角区域应力叠加的影响,还要受到F16逆断层的影响。因此,发生冲击地压的危险性较大。

  图4-2 21170工作面冲击地压危险区划分

  Fig4-2 21170 working face of percussive ground pressure of danger

  4.4本章小结

  1、对常村煤矿进行冲击危险区域划分;

  2、根据采动应力场分布在工作面划分危险区域。

  5.常村煤矿深部开采冲击地压多参量监测预警技术

  5常村煤矿深部开采冲击地压多参量监测预警技术

  5.1钻屑法

  钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔,根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应,来鉴别冲击危险的一种方法。其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系,对于其他条件相同的煤体,当应力状态不同时,其钻孔的煤粉量也不同。

  图5-1钻孔效应示意图

  Fig5-1 Drilling effect diagram

  5.1.1钻屑法的现场试验

  1)现场试验概况

  试验区位于义马煤田常村煤矿21000工作面及21220下巷。

  实验地点:掘进巷道、回采工作面两顺槽中煤帮的危险区域。

  钻孔布置:钻孔参数及布局如图6-2所示。运输顺槽钻孔布置:工作面外200m范围,从前置端头向外5m处开始在煤壁侧每隔10m布置一个钻孔,共10个。回风顺槽钻孔布置:从上口向外5m处开始在煤壁侧每隔10m布置一个钻孔,共10个。在回采工作面每一顺槽中,打两轮钻粉孔。21220下巷下帮监测范围选定在从前置端头向外10m处开始,在下帮处每隔10m布置一个检测孔,共20个。

  钻孔参数:直径为42mm,钻孔深度10m,钻孔距离底板高度为1.0~1.3m,单排布置,钻孔方向平行于煤层,垂直巷帮。

  a回采工作面

  10m

  b掘进工作面

  图5-2工作面钻屑测点布置图

  Fig5-2 Face drilling cuttings arrangement of measuring points

  2)钻屑法的现场试验结果及分析

  本次现场测试共打有效测试钻孔120个,累计钻孔深度约为1200m,取得数据约为840个,包括钻屑量、大于3mm的钻屑粒度、钻孔总钻屑量、钻屑量平均值、最大钻屑量及其峰值位置等,其具体数据记录如表5-3所示。

  表5-3钻屑量的测定结果

  Tab.5-3 The amount of drilling cuttings determination results

  孔号孔深/m钻屑量总量/kg钻屑量平均值/kg钻屑量最大值/kg钻屑量峰值出现位置/m钻屑粒度平均值/%动力现象4/m5/m6/m7/m8/m9/m10/m钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%1481.1182.482.5122.3133.21315.52.582.571222202.2182.7222.6232.1242.8212.4816.82.42.892032.4292.3302.3262.2272.3222.4172.21416.12.322.442443272.4211.9212.4212.22311.92.382.472252.2272.7262.2233133202.2183.21918.52.553.2102161.8221.7122.482.292102.61212.72.122.69129m吸钻72.4252.7302.2272.2272.8212.3172.421172.432.88245m声响82.3222.6192.4173172151.8113.81317.92.352.671692.2272.4132.1142.4132.6191.6192.61215.92.222.6817102.4172352401.8332302.9211.81714.92.182.4427111.4292204152.6232.62323022516.62.432.6724121.8112.2142.2142.4172.2182102.29152.132.4713132.2362.6312.5322252.4172.7152.21416.62.42.69245m声响142.6273272.2272.2274.4272202.615192.733824152.6232.4172.4172.391.8172152.21415.72.252.4616162.7222.8252.6231.8222.2142.4132.41316.92.422.8519172.6192302.5162.2182.4173.43521017.12.522.6921182.152.482.48252.292102.2915.32.182.458192.7152.1292.4211.8112152.11421015.12.182.7416201.91121025251.7122.31321013.91.982.379212.2182.4252202202152.1142.21414.92.122.45188m卡钻222.1142.2142.4132.292202152.2915.12.152.4613232.3262.4291.9213.5232.32612.42.482.47255m吸钻241.9212152.4132.292.2921021014.72.122.4612251.8222.2182.1142.4172.2142.2921014.92.132.4715262.2272.4212.3222.2182.3172.2182.21815.82.262.492010m卡钻272.3262.8292.2272.8252.6232.42122017.12.4462.8724282.1242.4252.8212.2189.52.382.8622292.2322.1241.9322.6192.223112.22.67264m跳钻301.6132.2142.4212.6192.292.21421015.22.172.6714311.5202.3262.6153.1322.4252.4253.21317.52.53.210227m声响321.8222.1192.2142.2182152.21421014.52.072.2716332.392.4172.6122.4172.4172.2921016.32.332.6613342202.2272.5202.2232.2182.21413.32.222.5620352.772.292.442.251.86252.4815.72.242.746362153272.6192.4212.2142.61521016.82.42.6817371.8112.392.292.2142.4172.3921015.22.172.4811382.2182.292.252.292.342.252515.32.192.388391.8172.682.292.292510.82.162.6510401.8332152.2142.292.482302.21814.82.112.4818411.8112102.2142102.392.292514.52.072.3810422152.292.292.413252.1102.2915.12.162.4710431.8112252.292.6122.11421012.72.122.671444215220210252.2910.22.042.28128m吸钻452202152.6152152.1142102.41715.12.162.6615462102.292.3132101.8112.292.11414.62.092.3611472.6152151.8112152152102.21814.62.092.64145m声响481.862.482101.9112.2182.31721514.62.092.4512492.433.32.222.723.622.224.922.453202.810.712.69.6921.53.073820.16501.811.14252.5161.717.652.19.522.114.292.810.94172.432.81014.93512.822.22.226.312.9252.723.522.637.5023015.22.532.9627.43522.520.72.418.502.516.723.322.652.930.10322.963.119.9919.72.813.3721.66531.513.32101.910.532.19.521.75.882.29.0911.41.92.299.73542.337.32.114.292.29.092.711.113.19.683.26.2539.6718.62.663.2913.93553.414.74.214.293.112.902.67.692.810.711.910.531832.8811.81562.29.093.912.823.414.712.29.092.77.412.19.522.114.2918.62.662.7810.99572.67.692.77.412.711.112.627.692.14.762.5815.22.532.7511.11582.918.52.8202.714.812.7252.5122.210.0915.82.632.9416.746m卡钻592.520323.332.714.811.910.532.38.702.5112.711.1117.62.513514.15602101.711.762.412.503252.817.862.67.692.810.7117.32.473713.65612.5122.411.112.78.332.615.382.19.521.912.532.51416.72.392.7611.84622.611.54313.333.218.753.718.923.517.14313.332.713.1121.73.13.7715.16632.416.62.313.042.611.543.430.592.5162.119.0515.32.552.6617.827m声响642.5162102.29.092.29.092.633.542.416.6713.92.322.6815.73652.315.62.715.892.321.532.424.162.99.672.810.59318.7818.42.6331016.6066313.32.711.112.619.732.817.863.313.332.714.813.119.3520.22.893.3815.65672.821.42.516.67316.672.314.292.910.342.119.052.218.1817.82.543616.66682.314.92.416.672.9102.810.712.714.812102.321.7417.42.492.9614.127m跳钻692.414.72.513.332.914.71317.142.812.122.815.153.29.3819.62.83.21013.8070316.63.116.133.417.653.316.123103.312.123.112.9022.23.173.4614.51713.112.92.910.343.315.15316.672.810.713.112.9018.23.033.3613.11722.718.53.420.594.211.904.36.982.5162.814.292.611.5422.53.213.4514.26732.618.32.914.292.313.042.114.392.514.292.814.292.313.0417.52.52.9514.53742.821.42.317.393.517.142.5202.412.502.416.672.814.2918.72.672.8417.06752.812.52.416.672151.816.672102.412.5013.42.232.8413.91762.614.02.313.042.513.042.916.672102.29.092.412.5016.92.412.9712.63772.812.02.5112.592.210.132.811.111.910.532.51117.22.462.8810.706m吸钻782.615.32152.313.043.19.092.910.532102.313.0417.22.463.1712.30792.411.20210323.333.923.082.619.231.910.532.213.64182.573615.86802.315.32.917.241.811.112.416.672.615.382.313.0421016.32.332.9514.12812.518.12.317.392101.811.112.6102.7102.913.0416.82.42.91012.81822.219.42.317.392.412.502.313.042.413.041.711.762.412.5015.72.242.4814.24832.217.12.119.052.514.292.114.292.1162102.38.7015.32.192.5614.225m吸钻842.5222152102.19.522.718.522.412.502.48.3316.12.32.7813.62852.213.62.5162102.416.672.111.111.811.112.313.0415.32.192.5513.08862.415210.712.313.042.38.702.221.432.4102.19.5215.72.242.4912.63872.114.22.412.502101.711.762.5162.5202.29.0915.42.22.5813.38882.213.62102.615.382.611.542.38.701.711.762.51615.92.272.6712.43892192.317.392.218.182.5122.619.232.317.32.313.0416.22.312.6816.64901.816.02.317.392.317.392.313.041.811.112.619.232.213.6415.32.192.6915.417m卡钻912.521.02202.119.052.114.292.317.392.510.5313.52.252.5917.05922.615.02.3122.213.642.313.042.38.702.714.812.615.3817.22.462.7913.2931.718.52.6162.5162.412.502.611.382.412.502.412.5016.52.362.6814.20942.514.82.511.541.911.382.412.522.5122.78.7021016.62.372.7911.56952.215.82.214.812.313.042.213.642.211.642.7102.412.516.72.392.7913.07962.617.22.216216.672.5162.29.642.5122.51216.82.42.6414.227m跳钻97215.62.9122.211.642.313.042.9102102.313.0416.22.312.9812.20983.416.62.3102.19.521.811.112.313.041.915.7913.52.252.3812.69991.918.0213.052.213.642.4132102102.114.2914.72.12.4713.081002191.718.752.315.742151.711.762.610.532.213.6414.42.062.6914.9210m声响1013.5322293.1252.6262.5122.81616.52.753.16231021.8222.3173202.51221011.62.3236161033.2282.7192.4213.1163.4123.2162.21420.22.893.48181042.3302.3302.4212.6232.8211.5201.42115.32.192.88241053302.7223.2312202201.5272.82117.22.4638246m吸钻1063.2280.8251.8391.6313272.2182.62315.22.1738276m跳钻1071.8222.2272.2232.2181.9161.61921513.91.992.27201084.2293.3272.9213204.3213.82631724.53.54.38231091.6382252.6231.7245.2233.61716.72.783.69251102.6312.3262.8212.6152.8142.41715.52.582.88211112.2272.4251.8282.2272.21421522014.82.112.45221121.4362.9211.7242.5121.2173.6172.4815.72.243.69191131.8442.4421.8332.6312.6232.52413.72.282.68331142.4172.4171.8222.8112152.4131.81115.62.232.87151152.2322.8252.6312.1242.8251.7241.822162.292.88265m跳钻1162.4251.6382.2271.8281.6191.7241.82213.11.872.44261172.7332.4292.8292.2272.4251.71831317.22.462.86251182.4252202.2181.7181.81110.12.022.44185m声响1192302301.8331.8332202.72212.32.052.79281202401.9372.6312303272.8213.82118.12.593830

  为寻求每米钻孔钻屑量变化规律,根据现场测试所取得的大量数据,绘制钻屑量分布曲线图,为方便统计分析,又将钻屑量分布曲线图分为四种类型,分别为:孔底升高型、波浪型、经典型和双峰型,如图5-3~5-6所示,图中左侧纵坐标为钻屑量,右侧纵坐标为直径大于3mm的钻粉粒度组成,横坐标为钻孔深度。正确分析现场试验测试结果,排除误差数据,确定有效数据是应用钻屑法预测冲击地压的关键,分析四种类型曲线的特征和成因可以排除误差数据,确定有效数据。

  如图5-3所示的“孔底升高型”曲线,该类曲线的特征是在9、10m处的钻屑量增大,尤其是10m处的钻屑量有较大幅度的提升,大于前面每米的钻屑量。形成的原因主要是,钻孔深度超过应力集中区后钻屑量降低并趋于稳定,但是随着钻孔深度加深,钻进阻力增大,完成一米钻孔的时间增加,导致钻孔排粉量增大;根据曲线的特征和原因,可以确定10m处的钻屑量为误差数据,可排除。

  如图5-4所示的“波浪型”曲线,该类曲线的特征是出现多个波峰,每条曲线的每个波峰值相差在0~1kg之间。该类曲线的成因明显是人为操作因素,钻进速度不均,钻进过程中遇见煤湿或煤矸石,推拉钻杆,导致钻屑量时増时减形成波浪型曲线;根据曲线的特征和成因,可以确定最大波峰值为最大钻屑量。

  如图5-5所示的“经典型”曲线,该类曲线的特征是只出现一个峰值,而且峰值与其临近值相差幅度在0.5~2之间。出现该类曲线的原因是,人工操作合理,推进速度均匀,测试曲线理想;因此,可确定该峰值即为最大值。

  如图5-6所示的“双峰值型”曲线,该类曲线主要因为前后两米钻孔钻进过程中钻孔排粉时间长短不同,或是发生煤炮导致孔口塌落煤屑数量偏大,推进到支承压力峰值区时,钻屑量偏大,因此出现两个峰值,其中一个为“伪峰值”,通过对比其他钻孔同位置数据、本钻孔前后数据结合本钻孔钻屑粒度组成曲线可以排除或修正该“伪峰值”。

  总之,通过分析修正四种类型图直观的展示了钻屑量及钻屑粒度随孔深(距离煤壁距离)的变化规律,形象的反应了支承压力分布的特征,对于排除误差数据起到了很大的作用,为冲击危险指标的确定奠定了基础。

  图5-3孔底升高型

  Fig5-3 The rising of the bottom of the bore type

  图5-4波浪型

  Fig5-4 wavy

  图5-5经典型

  Fig5-5 The typical

  图5-6双峰型

  Fig5-6 Bimodal type

  5.1.2冲击危险指标的确定

  1)钻屑量指标

  根据表5-3所示的钻屑量测得结果,绘制了每一区段钻屑量所占比例和最大钻屑量所占比例,如图5-7所示。每米钻屑量位于2.0~2.5kg之间的占总数的53.15%,而当每米钻屑量位于该区间段时,未发过冲击地压,几乎未发过任何动力效应,表明煤层内压力较低,煤层不具备冲击危险性。

  每米钻屑量位于2.5~3.0kg之间的占总数的24.69%,当每米钻屑量位于该区间段时,打钻的动力效应显著,冲击声响和卡钻现象出现。表明煤层内应力水平增高,冲击危险有所增加。

  图5-7钻屑量分布情况

  Fig5-7 Drilling cuttings volume distribution

  当每米钻屑量大于3.0kg时,动力效应显著,但冲击和诱发冲击并未出现,说明每米的钻屑量有所增大时,冲击地压的危险不是很大,无严重冲击危险。

  2)峰值位置至煤壁距离指标

  根据实测数据,确定全部钻孔的最大钻屑量分布情况,如图5-8所示。全部钻孔的最大钻屑量绝大部分出现在距煤壁6~8m之间,约占总数的61.67%,出现在9、10m的占19.17%,参照最大钻屑量沿孔深分布情况,可以得到以下几点重要结论。

  (1)峰值位置距煤壁越近越危险。距煤壁4~5m最危险,6~8m内仍处于危险状态,8m以后危险性降低,超过9m后才不存在直接冲击危险,本矿井所测全部数据中最大钻屑量绝大部分出现在距煤壁6~8m之间,约占总数的61.67%,从钻屑峰值位置距煤壁距离来看,所测试区域具备冲击危险因素。钻孔检测深度必须超过8m,一般情况下应达到8~10m,达到10m最好,以穿过支承压力峰值区,大于此深度后煤体难于形成冲击地压。

  (2)随着应力峰值距煤壁距离的增加,深处煤体形成冲击地压所需的能量也加大,相应的最大钻屑量也增多。超过8m以后,即使发生冲击,由于距煤壁远,阻力大,只是深部冲击,其动力效应仅是深部的声响和震动,直接危害是有限的。

  (3)全部钻孔在1~3m处的钻屑量变化不定。由于该处煤壁已形成破坏带,加之开钻时钻头摇动,钻屑量难以控制。同时考虑到该处煤壁的支撑能力已经降低,弹性能随煤体破坏而逐渐释放,一般已失去冲击的能力。所以1~3m的钻屑量不能作为检测指标,但可作为估计煤壁破坏情况和稳定性时参考。

  图5-8最大值所占比例的分布情况

  Fig5-8 The distribution of the maximum proportion

  3)钻屑粒度指标

  钻屑粒度指标是指钻屑量中粒度大于3mm所占的百分含量,当钻屑粒度大于3mm的百分含量小于30%时为无直接冲击危险状态,大于30%时为危险状态。现场120个测试钻孔数据表明,钻屑粒度大于3mm的组成百分数基本上都低于30%,即使出现大于30%的情况时,是因为巷道浅部围岩比较破碎,钻杆跳动引起破碎小煤块混入钻粉中。因此,从钻屑粒度指标来看,当前采深下该矿井冲击危险性较小。

  4)动力现象

  通过对现场的观察,在打钻过程中出现过钻杆跳动、卡钻等动力现象。

  5.1.3冲击危险等级确定

  根据现场实测和综合分析结果,将监测区域冲击危险等级划分为三级:

  I级——无直接冲击地压危险;

  II级——有冲击地压危险。应注意观察,加强支护,进行必要的卸压处理;

  III级——有冲击地压严重危险。必须进行卸压处理,待经钻屑法检测确认解除危险后方可继续采掘。

  检测标准和冲击危险等级的鉴别按表5-4中各项指标综合判定。

  表5-4常村煤矿冲击等级和检测标准表

  Tab.5-4 Chang Village coal impact and table and testing standards

  指标

  等级最大钻屑量/kgm钻屑粒度组成/%动力现象估算支承压力

  kg/cm26m8 mI<2.5<3.5>4.0<30无1.2II2.5~3.03.5~4.0>4.5>30卡钻、声响、跳钻1.5III无5.2微震系统监测

  5.2.1微震事件统计

  对常村煤矿21150工作面自开采以来,至2014年8月10日之间的微震监测数据进行统计分析。在监测区域共监测到微震322个,其中最大能量为1411727J,最小能量为28J,平均能量为26330.4J,震动能量分级统计见表5-5和图5-9,可见,震动能量主要集中在103~104J之间,占总数的42.24%,说明21150工作面微震强度比较小,仍以小能量释放的微震事件为主。

  表5-5微震数据统计

  Tab.5-5 Seismic data statistics

  能量分级(J)震动次数所占比例/%小于1000.00%101~102185.59%102~1038526.40%103~10413642.24%104~1056620.50%105~106164.97%大于10610.31%

  图5-9微震数据统计图

  Fig5-9 Seismic data statistical figure

  5.2.2微震事件频次及能量时间序列分析

  1)能量时间序列分析

  图5-10 6、7月份震动能量随时间变化曲线图5-11 9、10月份震动能量随时间变化曲线

  Fig5-10、5-11 October 6,7,9,10,vibration energy changing with time curve

  图5-10~5-11为震动能量随时间变化曲线,由6、7月份曲线图可以看出,2013年6月30日、7月12日出现两次较高能量释放,6月30日前最大能量释放小,发生频率出现均衡累积现象,当能量释放后发生频率明显降低,释放最大能量明显减少,随时间的推进,微震时间频繁发生,检测到小能量事件发生,至7月12日出现一次较高能量的释放,能量释放后检测到微震事件明显减少,大能量释放事件没有发生。由矿压观测可知,6月30、7月12日微震事件发生的原因是由于顶板断裂,老顶来压所致,但能量释放相对较小,出现煤炮,对生产未造成危害。

  由9、10月份曲线图可以看出,2013年9月10日,26日出现两次大的微震事件,此时支架循环末工作阻力出现较大值,由微震记录表格可以看出此时微震事件发生在顶板,说明顶板出现断裂、回转、下沉,老顶出现周期来压,岩体结构的内部首先出现损伤裂纹,裂隙发生和扩展,发生微震事件,之后岩层断裂。事件发生后,微震事件频率出现明显降低,之后能量又处于积聚状态。从能量检测过程中看释放的能量不会对生产构成威胁。

  图5-12 11、12月份最大震动能量随时间变化曲线

  Fig5-12 October 11,12,vibration energy changing with time curve

  由11、12月份最大震动能量随时间变化曲线图可以看出,2013年11月3日,11月9日,11月28日出现三次大能量微震事件,在2013年11月3日支架循环末工作阻力出现较大值,11月9日微震事件的发生是由于放炮卸压,使煤层弹性能释放,煤层支撑压力发生变化,顶板下沉、断裂,煤体内应力释放,顶板旋转,压力转移造成微震事件的发生。能量释放小不会对生产造成威胁。11月28日,当日触发事件8例,能量最大为1411727J,位于工作面后方,预计为采空区老顶断裂,弹性能量波释放,并未对工作面造成影响,上巷剩余进尺729.7m,下巷剩余进尺722.4m,对实际生产不会造成威胁,但以后开采过程中需要加强管理,实时进行矿压观测,保证安全的生产。

  综上观察统计可得出结论,随工作面的推进,老顶出现周期压力显现,受地层断层构造、褶曲构造、人工放炮、采煤活动的影响,微震事件发生频繁,微震事件频次呈周期性升高,在以后的生产过程中需加大观测力度。

  2)频次时间序列分析

  由统计图可得,7月17日,微震事件最多,由矿压观测及现场调研可知是老顶初次来压所致。随着时间的推移,工作面的推进,微震事件发生次数围绕其平均值上下波动,微震事件频次以围绕平均值居多,当微震事件频次突然增大后,后几天微震事件明显减少。总之,常村煤矿微震事件每天发生微震事件少,释放能量小,对安全生产不构成威胁。随着工作面的推进,构造的增多,需要增加微震检测力度,具体责任落实到个人,实现更加高效安全的生产。

  a 6、7月份b 9、10月份

  c 11、12月份d 6~12月份

  图5-13微震频次随时间变化曲线

  Fig5-13 Seismic frequency changing with time curve

  3)微震能量、频次对比分析

  图5-14震动能量和分级比率统计图图5-15震动最大能量分级比率统计图

  Fig5-14、5-15(Maximum)Vibration energy and classification ratio statistical figure

  图5-14、图5-15为工作面自从开采到2014年8月份微震事件的能量和分级比率统计图和震动最大能量分级比率统计图,从震动能量分级比率图可以看出。常村煤矿发生微震事件的能量显集中在1×103J、1×104J处,存在煤炮事件,震级均在0.6级以下,对生产造不成威胁,微震能量发生比较大处,位置位于煤体深部,应力释放被煤体与原岩吸收对采煤面与巷道不构成威胁,如10月28日,能量为1411727J,震级为0.57级。最大能量没有超过107J,对煤矿生产不会造成大的危险。随着工作面的推进,需要加强观察力度,派专人进行矿压观测,确保安全生产。

  5.2.3微震事件与工作面矿压显现相关性分析

  依据井下支架测力计统计数据,统计了17号架、18号架、19号架、47号架、48号架、49号架、107号架、108号架、109号架、观察期内支架载荷变化情况与微震事件发生情况如图5-16~图5-17所示。通过对比分析周期来压与微震事件随工作面开采时间-空间的变化关系,判别两者发生时间-空间上的相关性,从而确定微震事件性质,进而进行性冲击危险预测预报,从图中可以看出,随着开采的进行,工作附近围岩应力不断调整,形成应力集中,导致顶板周期性出现断裂、回转、下沉,微震事件频繁发生,同样表现为周期性的增减规律,周期来压前后1~2天范围内微震事件的频次与能量明显增加趋势。如9月26号前后各个支架工作阻力明显增高,微震事件的频次与能量也明显增加,图中支架阻力升高先与微震事件升高1~2天左右,此时工作面累计推进距离为150m左右,处于“单见方”范围内,工作面顶板大范围断裂。

  对比图5-16与图5-17可以看出,各个支架周期来压与微震事件相关性存在差异性,下部与中部相关性较好,上部相关性较差。如11月28日前后下部与中部工作面支架17#、47#工作阻力明显升高,微震事件与微震的能量明显增高,出现一个106的最大能量事件,分析微震事件与支架工作阻力数据可以看出,该次大能量事件具有明显的前兆,即该次大能量事件前两天小震事件特别多,而在前一天与频次突然减少,随后大事件发生,这表明大能量事件发生前1~2天,微震事件频次有所下降,再往前有增多现象,这说明破裂是逐步发生、逐步扩展的。而此期间工作面上部支架工作阻力并没增高现象,说明这种相关性限制在在一定空间范围内的。结合支架阻力数据与微震数据(包括微震事件位置)分析这种差异性的原因主要是工作面上部、中部、下部来压特征具有明显的差异性,来压不同步、来压强度也不同,主要表现为中下部来压特征明显,强度较大,上部来压特征不明显,来压强度小。此外,个别支架是由于人为操控与顶煤放出等原因未能很好的发挥支护作用,支架工作阻力运行曲线不能正确的反应顶板的来压情况。因此,各个支架周期来压与微震事件相关性存在差异性。相关性较好区域或时刻,可以更准确的判别工作面周期来压强度与来压步距,从而判断冲击危险区域与危险时刻,相关性较差的区域,应该重点分析该区域微震事件的频次与位置变化规律结合该区域内支架工作阻力规律,确定该时刻或区域的危险程度。对于常村煤矿21150工作面来讲,工作面中下部顶板周期来压与微震事件具有良好的相关性,微震事件大都集中在21150工作面中下部。因此,建议工作面回采过程中应重点加强工作面中下部的危险监测与预报。

  a下部b中部

  5-16工作面下部及中部周期来压与微震事件的能量与频次对比图

  Fig5-16 The lower and middle cycle to pressure compared with energy and frequency of seismic events

  图5-17工作面上部周期来压与微震事件的能量与频次对比图

  Fig5-17 The upper cycle to pressure compared with energy and frequency of seismic events

  综上,微震事件与工作面矿压显现规律的相关性分析,主要是确定工作面回采过程中上覆岩层的运动规律与顶板破坏规律,通过相关性分析能够更准确的确定出上覆岩层的运动规律与特征,从而确定开采过程中工作面的危险区域与危险时段。对于工作面前方回采巷道的危险区域却不能够完全准确的给出,而冲击地压事件多数都是发生在工作面回采巷道超前几米到几十米范围内,因此建议,工作面回采过程中首先利用微震事件与工作面矿压显现规律的相关性分析确定冲击危险时段,然后利用煤体应力与钻屑监测等信息划定出回采巷道超前危险区域。

  5.3本章小结

  1)确定了钻屑各项(钻屑量,峰值位置至煤壁距离、钻屑粒度、动力现象)临界指标及冲击危险等级划分。

  2)微震事件大都集中在21150工作面中下部。因此,建议工作面回采过程中应重点加强工作面中下部的危险监测与预报。

  3)监测期间常村煤矿共计监测到322个微震事件,其中最大能量为1411727J,最小能量为28J,平均能量为26330.4J,震动能量主要集中在103~104J之间,占总数的42.24%,说明21150工作面微震强度比较小,仍以小能量释放的微震事件为主。

  4)提出以微震监测、矿压监测、钻屑监测的多参量监测预警技术。

  6常村煤矿深部开采冲击地压防治技术研究

  针对常村矿的冲击地压特点和地质动力条件,常村矿从优化采区设计和工作面设计入手,坚持“以防为主、防治结合”的综合治理原则,严格落实“六位一体”综合防治措施,重点加强深部开采区域的监测预警,不断采用新技术、新工艺,优化工作面的支护体系、卸压解危体系和矿井防护装备,全力打造“科学设计、科学监测、科学卸压、科学支护、科学防护”的“5S”冲击地压治理示范矿井,在冲击地压机理、监测、防治方面,认真学习、借鉴和吸收国内矿震和冲击地压防治方面的先进技术和综合防治措施,建立完善了具有常村特色综合防治技术体系,实现了防冲工作阶段性工作目标。

  1、监测预警体系

  根据以往经验和常村煤矿的实际情况,防治冲击地压必须进行分级分区预测:时间上从早期综合分析预测到即时预测,早期综合分析预测主要采用综合指数的方法,而即时预测则采用地音、钻屑和围岩动态观察等方法;空间上从区域预测到局部、点预测,区域预测主要采用综合指数法、微震法和围岩动态(应力)监测方法,而局部预测采用综合指数方法,点预测则采用钻屑方法。

  图6-1冲击地压监测分级体系

  Fig6-1 Impact ground pressure monitoring and grading system

  常村煤矿目前已建立多级监测预警体系(图6-1),即:矿区监测、采区监测、工作面监测和局部监测,并建立了监测预警中心,对井下地压进行24小时实时监测。

  2、卸压解危体系

  冲击地压的防治措施主要是避免产生应力集中区,对已产生的应力集中区域或构造等因素存在的高应力,在满足安全生产的条件下,应采取改变煤岩体物理力学性能,降低或释放煤岩体积聚的弹性潜能的办法。

  采掘工作面冲击危险区域采用主动和被动相结合的综合防治措施,并按照每项解危措施的特点和综合效应进行合理安排施工的先后顺序,科学优化。

  图6-2冲击防治卸压顺序

  Fig6-2 Shock prevention and control of pressure relief order

  3、安全防护体系

  (1)强支护

  树立“主动支护稳固围岩、被动支护防护空间”理念,强力推行“大断面、高强度、复合支护”巷道支护理念,实行“三级”支护体系,以锚网索主动支护为主,全面提高巷道的防冲抗压等级。

  ①掘进工作面采用全断面锚网(索)架36U拱型可缩性支架配合巷道架液压抬棚加强支护,增加支护体抗冲击和破坏的能力。

  ②回采工作面超前30米范围巷道采用ZT2×4000/23/50型巷道支架进行支护,向外顺巷道中心打一排连续液压抬棚超前加强支护,上巷超前支护不低于150m,下巷超前支护不低于300m。

  (2)强防护

  强化实施采掘工作面“四保险”安全防护措施,从系统、管理、环境、个体四个方面全面加强安全防护,确保人身安全和系统安全。

  ①系统防护:在工作面上下巷设置紧急避险硐室,并每50米安装一组面罩式新型压风自救装置。

  ②个体防护:进入冲击危险区域必须穿戴防冲背心,严禁在重点危险地段停留歇息。

  ③物料捆绑:巷道内的设备、物料、管线、皮带架、支护体等进行可靠地捆绑和固定。

  ④卡缆及背网防护:在支架卡缆处和冲击危险区域巷道两帮安装专用防护网,以防止螺栓、锚杆、锚索冲击崩断伤人。

  ⑤人员管控:冲击危险区域实行限员把口制度,发牌登记管理,严控人员数量;回采工作面生产期间,下巷实行封闭式管理,严禁人员进入;掘进头割煤期间30m范围不能超过3人,30-150m范围严禁有人。人员交班必须在巷道外口进行,严禁现场交接班。

  图6-3冲击复合支护体系图

  Fig6-3 Impact of composite supporting system diagram

  6.1钻孔卸压

  6.1.1大直径钻孔卸压影响因素分析

  1)埋深

  钻孔间煤体的应力集中系数随着深度的增加呈线性下降;钻孔周围煤体塑性区和卸压区的半径随深度的增加而增加。

  2)煤体内聚力C

  内聚力增加时,煤体强度提高,钻孔周边承压能力增强,钻孔产生的应力叠加减弱;钻孔周围煤体塑性区和卸压区的半径随内聚力的增加而减少,呈指数关系。

  3)煤体内摩擦角φ

  煤体内摩擦角增加时,煤体强度提高,钻孔周边承压能力增强,钻孔产生的应力叠加减弱;钻孔周围煤体塑性区和卸压区的半径随内摩擦角的增加而减少。

  4)钻孔直径

  钻孔周围煤体塑性区和卸压区的半径随钻孔直径的增加呈线性增大。

  5)孔间距

  钻孔间距对应力峰值和集中系数的影响较大。

  6.1.2 21150工作面钻孔卸压效果评价

  1)卸压孔布置

  常村煤矿21150工卸压钻孔孔深20m,孔间距1.2m,距离底板高度约为1.2m,孔直径100mm。

  2)钻屑检测钻孔布置

  为了检测目前卸压钻孔方法的有效性,在21150回采工作面的两个顺槽各打两轮钻屑检测孔。21150回采工作面的轨道巷生产环境比较复杂,从前置端头向外50m不利于布置检测孔和取钻粉,因此,轨道巷第一轮(未钻孔)监测范围选定在从前置端头向外50m处开始,在下帮处每隔10m布置一个检测孔,共24个。轨道巷第二轮(钻孔)监测范围选定在从前置端头向外55m处开始,在下帮处每隔10m布置一个检测孔,共24个,所取得的数据如表7-1~7-2所示。皮带巷第一轮(未钻孔)监测范围选定在从前置端头向外10m处开始,在上帮处每隔10m布置一个检测孔,共17个。轨道巷第二轮(钻孔)监测范围选定在从前置端头向外15m处开始,在上帮处每隔10m布置一个检测孔,共17个,所取得的数据如表7-3~7-4所示。测试钻孔用具有较大扭矩的电钻打眼,插接式麻花钻杆,每节钻杆长1.0m,钻杆和钻头直径为42mm,钻孔深度10m,钻孔距离底板高度为1.0~1.3m。

  表6-1轨道巷第一轮(未钻孔)钻屑量的测定结果

  Tab.6-1 The first round of orbital lane(not)drilling cuttings volume of determination results

  孔号孔深/m钻屑量总量/kg钻屑量平均值/kg钻屑量最大值/kg钻屑峰值出现位置/m钻屑粒度平均值/%动力现象4m5m6m7m8m9m10m钻

  屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%1481.1182.482.5122.3133.21315.52.582.571222202.2182.7222.6232.1242.8212.4816.82.42.892032.4292.3302.3262.2272.3222.4172.21416.12.322.442443272.4211.9212.4212.22311.92.382.472252.2272.7262.2233133202.2183.21918.52.553.2102161.8221.7122.482.292102.61212.72.122.69129m吸钻72.4252.7302.2272.2272.8212.3172.421172.432.88245m声响82.3222.6192.4173172151.8113.813%17.92.352.671692.2272.4132.1142.4132.6191.6192.61215.92.222.6817102.4172352401.8332302.9211.81714.92.182.4427111.4292204152.6232.62323022516.62.432.6724121.8112.2142.2142.4172.2182102.29152.132.4713132.2362.6312.5322252.4172.7152.21416.62.42.69245m声响142.6273272.2272.2274.4272202.615192.733824152.6232.4172.4172.391.8172152.21415.72.252.4616162.7222.8252.6231.8222.2142.4132.41316.92.422.8519172.6192302.5162.2182.4173.43521017.12.522.6921182.152.482.48252.292102.2915.32.182.458192.7152.1292.4211.8112152.11421015.12.182.7416201.91121025251.7122.31321013.91.982.3798m卡钻212.2182.4252202202152.1142.21414.92.122.4518222.1142.2142.4132.292202152.2915.12.152.4613232.3262.4291.9213.5232.32612.42.482.47255m吸钻241.9212152.4132.292.2921021014.72.122.4612表6-2轨道巷第二轮(钻孔)钻屑量的测定结果

  Tab.6-2 Second round orbit lane(drilling)drilling cuttings volume determination results

  孔号孔深/m钻屑量总量/kg钻屑量平均值/kg钻屑量最大值/kg钻屑量峰值出现位置/m钻屑粒度平均值/%动力现象4/m5/m6/m7/m8/m9/m10/m钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%11.8222.2182.1142.4172.2142.2921014.92.132.471522.2272.4212.3222.2182.3172.2182.21815.82.262.492010m卡钻32.3262.8292.2272.8252.6232.42122017.12.4462.872442.1242.4252.8212.2189.52.382.862252.2322.1241.9322.6192.223112.22.67264m跳钻61.6132.2142.4212.6192.292.21421015.22.172.671471.5202.3262.6153.1322.4252.4253.21317.52.53.210227m声响81.8222.1192.2142.2182152.21421014.52.072.271692.392.4172.6122.4172.4172.2921016.32.332.6613102202.2272.5202.2232.2182.21413.32.222.5620112.772.292.442.251.86252.4815.72.242.746122153272.6192.4212.2142.61521016.82.42.6817131.8112.392.292.2142.4172.3921015.22.172.4811142.2182.292.252.292.342.252515.32.192.388151.8172.682.292.292510.82.162.6510161.8332152.2142.292.482302.21814.82.112.4818171.8112102.2142102.392.292514.52.072.3810182152.292.292.413252.1102.2915.12.162.4710191.8112252.292.6122.11421012.72.122.671420215220210252.2910.22.042.28128m吸钻212202152.6152152.1142102.41715.12.162.6615222102.292.3132101.8112.292.11414.62.092.3611232.6152151.8112152152102.21814.62.092.64145m声响241.862.482101.9112.2182.31721514.62.092.4512

  表6-3皮带巷第一轮(未钻孔)钻屑量的测定结果

  Tab.6-3 Belt lane first round(not)drilling cuttings volume determination results

  孔号孔深/m钻屑量总量/kg钻屑量平均值/kg钻屑量最大值/kg钻屑量峰值出现位置/m钻屑粒度平均值/%动力现象4/m5/m6/m7/m8/m9/m10/m钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%12.433.332.222.723.622.224.922.453202.810.712.69.6921.53.073820.1621.811.114252.5161.717.652.19.522.114.292.810.94172.432.81014.9332.822.222.226.312.9252.723.522.637.5023015.22.532.9627.4342.520.702.418.502.516.723.322.652.930.10322.963.119.9919.72.813.3721.6651.513.332101.910.532.19.521.75.882.29.0911.41.92.299.7362.337.392.114.292.29.092.711.113.19.683.26.2539.6718.62.663.2913.9373.414.714.214.293.112.902.67.692.810.711.910.531832.8811.8182.29.093.912.823.414.712.29.092.77.412.19.522.114.2918.62.662.7810.9992.67.692.77.412.711.112.627.692.14.762.5815.22.532.7511.11102.918.522.8202.714.812.7252.5122.210.0915.82.632.9416.746m卡钻112.520323.332.714.811.910.532.38.702.5112.711.1117.62.513514.15122101.711.762.412.503252.817.862.67.692.810.7117.32.473713.65132.5122.411.112.78.332.615.382.19.521.912.532.51416.72.392.7611.84142.611.54313.333.218.753.718.923.517.14313.332.713.1121.73.13.7715.16152.416.672.313.042.611.543.430.592.5162.119.0515.32.552.6617.827m声响162.5162102.29.092.29.092.633.542.416.6713.92.322.6815.73172.315.602.715.892.321.532.424.162.99.672.810.59318.7818.42.6331016.60表6-4皮带巷第二轮(钻孔)钻屑量的测定结果

  Tab.6-4 Second round belt lane(drilling)drilling cuttings volume determination results

  孔号孔深/m钻屑量总量/kg钻屑量平均值/kg钻屑量最大值/kg钻屑量峰值出现位置/m粒度平均值/%动力现象4/m5/m6/m7/m8/m9/m10/m钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%钻屑量/kg钻屑粒度/%12.812.592.416.672151.816.672102.412.5013.42.232.8413.9122.614.082.313.042.513.042.916.672102.29.092.412.5016.92.412.9712.6332.812.062.5112.592.210.132.811.111.910.532.51117.22.462.8810.706m吸钻42.615.382152.313.043.19.092.910.532102.313.0417.22.463.1712.3052.411.20210323.333.923.082.619.231.910.532.213.64182.573615.8662.315.392.917.241.811.112.416.672.615.382.313.0421016.32.332.9514.1272.518.132.317.392101.811.112.6102.7102.913.0416.82.42.91012.8182.219.432.317.392.412.502.313.042.413.041.711.762.412.5015.72.242.4814.2492.217.182.119.052.514.292.114.292.1162102.38.7015.32.192.5614.225m吸钻102.5222152102.19.522.718.522.412.502.48.3316.12.32.7813.62112.213.642.5162102.416.672.111.111.811.112.313.0415.32.192.5513.08122.415210.712.313.042.38.702.221.432.4102.19.5215.72.242.4912.63132.114.292.412.502101.711.762.5162.5202.29.0915.42.22.5813.38142.213.642102.615.382.611.542.38.701.711.762.51615.92.272.6712.43152192.317.392.218.182.5122.619.232.317.32.313.0416.22.312.6816.64161.816.072.317.392.317.392.313.041.811.112.619.232.213.6415.32.192.6915.417m卡钻172.521.022202.119.052.114.292.317.392.510.5313.52.252.5917.053)测试效果分析

  (1)最大钻屑量出现位置和最大钻屑量对比分析

  根据轨道巷实验得知,施工卸压钻孔前后的煤粉量最大值出现在距离煤壁位置分别为(7~9m和6~8m)。

  根据皮带巷实验得知,施工卸压钻孔前后的煤粉量最大值出现在距离煤壁位置分别为(6~8m和7~8m)。

  通过以上分析可以看出,本次钻孔卸压参数未能有效降低冲击地压危险性。

  图6-4轨道巷未打卸压钻孔时钻屑量最大值分布情况

  Fig6-4 Unloading rail lane did not play in a maximum amount of drilling cuttings distribution

  图6-5轨道巷打卸压钻孔时钻屑量最大值分布情况

  Fig6-5 Track lane played unloading drill cuttings maximum volume distribution

  图6-6皮带巷未打卸压钻孔时钻屑量最大值分布情况

  Fig6-6 Belt lane not dozen unloading a maximum amount of drilling cuttings distribution

  图6-7皮带巷打卸压钻孔时钻屑量最大值分布情况

  Fig6-7 Belt lane played unloading drill cuttings maximum volume distribution

  (2)钻屑粒度对比分析

  轨道巷卸压前后钻屑粒度变化情况对比:

  卸压前,钻屑粒度大于3mm的组成百分数在13%~21%,平均值为17.8%。

  卸压后,钻屑粒度大于3mm的组成百分数在12%~17%,平均值为14.6%。

  皮带巷卸压前后钻屑粒度变化情况对比:

  卸压前,钻屑粒度大于3mm的组成百分数在13%~18%,平均值为15.35%。

  卸压后,钻屑粒度大于3mm的组成百分数在11%~15%,平均值为13.76%。

  轨道巷与皮带巷卸压降低效果均不明显。

  图6-8钻屑粒度平均值沿孔深变化关系

  Fig6-8 Drilling cuttings particle size average along the deep hole

  (3)钻屑量对比分析

  根据对比可知,实施卸压钻孔措施后,每个孔的钻屑总量最大值、每个孔的钻屑总量最小值、每个孔的钻屑平均值都有一定的降低,但是降低程度较小。

  图6-9未打卸压钻孔的每个孔的钻屑总量和平均值沿煤层走向分布情况

  Fig6-9 Not playing each unloading drill hole drilling cuttings and total average along the seam to distribution

  图6-10打卸压钻孔的每个孔的钻屑总量和平均值沿煤层走向分布情况

  Fig6-10 Call each unloading drill hole drilling cuttings along the seam to the total and average distribution

  图6-11未打卸压钻孔的每个孔的钻屑总量和平均值沿煤层走向分布情况

  Fig6-11 Not playing each unloading drill hole drilling cuttings and total average along the seam to distribution

  图6-12打卸压钻孔的每个孔的钻屑总量和平均值沿煤层走向分布情况

  Fig6-12 Call each unloading drill hole drilling cuttings along the seam to the total and average distribution

  21150工作面一共布置了82个测点,轨道巷(48个)、皮带巷(34个)。

  通过钻屑法现场实测数据分析可知,实施卸压钻孔措施,虽然在一定程度上释放了煤体中积聚的弹性能,降低了轨道巷和皮带巷的最大钻屑量、每个孔的钻屑总量和平均值、钻屑粒度等值,但是各个参考参数的降低值不是很明显,说明当前钻孔卸压参数不是很合理。

  6.1.3合理的大直径钻孔卸压参数确定

  1、钻孔直径的确定

  通过数值模拟确定不同直径钻孔卸压的效果,找出最优参数。

  a钻孔直径90mm

  b钻孔直径100mm

  c钻孔直径120mm

  d钻孔直径150mm

  e钻孔直径200mm

  图6-13不同钻孔直径水平应力云图(扩孔系数取2)

  Fig6-13 Different hole diameter horizontal stress nephogram(expanding coefficient 2)

  图6-13为不同钻孔直径下水平应力云图,不同的钻孔直径的卸压区和应力集中区分布有很大不同。为方便对比分析,将不同直径钻孔的水平应力卸压程度与影响范围统计如表6-5所示。

  表6-5不同直径钻孔水平应力卸压效果统计

  Tab.6-5 Effect of different diameter drilling horizontal stress unloading statistics

  卸压效果

  钻孔直径/mm横向(钻孔孔间)纵向(钻孔上下)应力降低/%影响范围应力降低/%影响范围/m90mm20%0.6m-7.6%0.52m100mm22.1%0.6m-3.2%0.63m120mm33.8%0.6m15.8%0.42m150mm62.3%0.6m19.70.31m200mm75.1%0.6m37.5%0.65m由表6-5可知,随着钻孔直径的增大,钻孔卸压效果增强。但当钻孔直径增加至200mm时,水平应力在钻孔上下出现了大范围的应力集中区域。因此,钻孔直径应保持在120-150mm左右。

  a钻孔直径90mm

  b钻孔直径100mm

  c钻孔直径120mm

  d钻孔直径150mm

  e钻孔直径200mm

  图6-14不同钻孔直径垂直应力云图(扩孔系数取2)

  Fig6-14 Different hole diameter vertical stress nephogram(expanding coefficient 2)

  图6-14为不同钻孔直径下的垂直应力云图,由此可以看出由于钻孔的出现,使得钻孔周围煤体的应力集中在了钻孔左右两侧,从而使得钻孔上部和下部的煤体应力降低,起到了卸压作用。不同直径钻孔的垂直应力卸压程度与影响范围统计如表6-6所示。

  表6-6不同直径钻孔垂直应力卸压效果统计

  Tab.6-6 Different diameter borehole vertical stress unloading effect of statistics

  卸压效果

  钻孔直径/mm横向(钻孔孔间)纵向(钻孔上下)应力降低/%影响范围/m应力降低/%影响范围/m90mm27%0.643%2.5100mm20%0.645%3.3120mm14.3%0.247.2%3.9150mm40%0.650%4.5200mm77%0.653%5.4综上分析,对于常村煤矿2-3煤层,最优钻孔直径应为120mm。

  2、钻孔间距的确定

  通过数值模拟确定不同间距(0.6m、1.2m、l.8m、2.4m)钻孔卸压的效果,找出最优参数。

  a钻孔间距0.6m

  b钻孔间距1.2m

  c钻孔间距1.8m

  d钻孔间距2.4m

  图6-15不同钻孔间距水平应力云图(扩孔系数取2)

  Fig6-15 Different borehole spacing of horizontal stress nephogram(expanding coefficient 2)

  a钻孔间距0.6m

  b钻孔间距1.2m

  c钻孔间距1.8m

  d钻孔间距2.4m

  图6-16不同钻孔间距垂直应力云图(扩孔系数取2)

  Fig6-16 Different borehole spacing vertical stress nephogram(expanding coefficient 2)

  图6-15与图6-16分别显示了4种不同钻孔间距条件下大直径卸压孔水平应力和垂直应力分布云图。结合常村煤矿实际,钻孔卸压钻孔间距取0.6m。

  3、钻孔布置方式的确定

  不同的钻孔布置方式,卸压区和应力集中区的分布情况不同,卸压效果必然不同,因此,对目前常用的单排眼、三花眼、四方眼三种布置方式进行模拟分析,找出最优布置方式。

  a单排布置

  b三花布置

  c四方布置

  6-17不同钻孔布置方式水平应力云图

  Fig6-17 Different drilling arrangement level stress nephogram

  a单排布置

  b三花布置

  c四方布置

  6-18不同钻孔布置方式垂直应力云图

  Fig6-18 Different drilling arrangement vertical stress nephogram

  图6-17和图6-18分别为钻孔单排布置/钻孔三花布置和钻孔三花布置的垂直应力与水平应力云图。由图可以看出,钻孔单排布置时,垂直应力卸压范围明大于三花与四方布置。综上,单排布置钻孔卸压效果最为理想。

  4、钻孔长度的确定

  合理的钻孔长度应该与待卸压煤体的应力集中范围、峰值位置相适应,理想的卸压效果应为应力峰值区向煤体深转移明显远离巷道。由钻屑监测与数值模拟结果可知,常村煤矿21150工作面工作上下两巷应力影响范围在20~30m范围内,应力峰值位置距离煤壁8~10m。此外,由于常村煤矿属于高瓦斯矿井,煤炭安全规程规定工作面开采前必须进行瓦斯抽放,考虑降低吨煤成本,减少工程量,降低工人劳动强度,消除卸压孔对瓦斯抽放的影响,设计卸压钻孔兼做瓦斯抽放孔。因此,结合常村煤矿具体工程地质条件及开采技术条件设计大直径卸压钻孔长度为25m。

  6.1.4结论

  常村煤矿钻孔卸压:采用煤体钻孔可以释放煤体中聚集的弹性能,消除应力升高区,使巷道两帮的应力峰值向煤体深部转移,达到降低冲击地压危险的目的。回采工作面上下巷实煤体侧始终超前300米实施大直径卸压钻孔;掘进工作面正前及两帮卸压采用“大小循环”模式,正前大循环坚持“40进20”,始终留有不小于20m的安全距离。巷帮及底板卸压小循环5m实施一次,始终保持滞后窝面距离不大于7m。

  卸压后采用应力监测、微震监测等手段及时检查卸压效果,对于局部应力仍然集中的区域,继续采用大直径钻孔卸压。卸压钻孔的布置参数见图6-19、20。

  图6-19掘进面卸压钻孔布置图

  Fig6-19 Face pressure relief drilling plan

  图6-20回采面卸压钻孔布置图

  Fig6-20 Stoping face pressure relief drilling plan

  6.2煤层注水

  6.2.1实施指标

  煤层预注水的实施指标为含水率增值(或总含水率)以及煤层湿润时间。

  预注水实施指标初步定为:含水率增值为1.5%,使总含水率达到9%,煤层湿润时间为20天,即在开采前20天对煤层进行注水。

  6.2.1注水孔布置方式

  图6-21掘进面巷帮注水钻孔布置图

  Fig6-21 Face lane for water injection drilling plan

  图6-22回采面巷帮注水钻孔布置图

  Fig6-22 For water injection hole stoping face lane arrangement

  6.3底板卸压

  常村煤矿采深大,巷道围岩表现出的高应力特征越来越明显,这是冲击地压发生的重要因素,巨厚坚硬的砾岩形成大支承压力也是冲击地压发生的力学条件和能量条件,对巷道采取断底爆破卸压和注水措施,钻孔隔一放一。爆破后,未装药的钻孔进行注水,以达到软化底板,释放底板煤岩体内的弹性能的作用,大大降低了底板冲击危险性,有利于矿井的安全生产。

  断底爆破炮眼孔深以见底板岩层为准,孔径75mm,钻孔与煤层底板呈-45°打设,间隔装药爆破,未装药的钻孔内灌水湿润煤体,以达到软化底板,释放底板煤岩体内的弹性能。

  图6-23巷道底板钻孔布置图

  Fig6-23 The floor of roadway borehole layout

  6.3本章小结

  1、建立了以监测预警、卸压解危、安全防护为主的冲击地压防治体系。

  2、确定了大直径卸压钻孔的布置方式及各项参数。

  3、确定了煤层注水工艺及标准。

  4、确立了底板卸压参数,首次提出断底爆破卸压和注水措施间隔实施的新型卸压方式。

  7.主要结论

  7主要结论

  1、常村矿冲击地压危险等级划分:Ⅱ区属于无冲击区域,Ⅰ区属于弱冲击区域、Ⅲ区属于中等冲击危险区。由图可见,井田深部大部分地区具有中等冲击危险。特别是随着采深不断增加,冲危险程度就会大幅度上升

  2、通过分析煤体应力监测数据确定常村21150工作面采动支承压力超前影响范围平均为130m左右,因此建议工作面回采期间,工作面前方130m范围内煤体作为关键重点区域,应特别加强工作面前130m范围内的冲击监测预警及防冲措施。

  3、工作面回采过程中应重点加强工作面中下部的危险监测与预报。

  4、采用现场实测法对理论计算法,结合现场实测的102个钻孔每米钻屑量分布规律及钻屑粒度变化情况,最终确定了极限钻屑量为3.5kg/m,峰值位置距离煤壁6~8m。

  5、建立了常村煤矿深部开采冲击矿压防治体系(监测预警体系-卸压解危体系-安全防护体系)。

  6、提出实施大直径钻孔卸压、煤层注水和底板卸压等局部解危措施,依据钻屑法对解危措施进行了检验,完善了局部解危措施的参数,使局部解危措施起到了较好的效果。

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