第s七章 孙村煤矿深部冲击地压及其防治技术.doc

第七章 孙村煤矿深部冲击地压防治技术煤矿冲击地压是开采过程中承受高应力的煤岩体在破坏瞬间骤然释放弹性变形能的矿山压力动力现象。随着开采深度增加,孙村煤矿开采引起的矿山压力逐渐显现出动力现象,自1987年以来,多次发生矿震(矿上称为震顶)、煤炮、巷道短时间内急剧变形、钻孔夹钎杆等冲击地压现象。最早出现明显冲击地压特征的地点位于-600m水平后组煤层一采区掘进中的1315工作面回风平巷,埋深在720m左右。继新汶局西部矿井华丰矿于1992年3月发生较强烈冲击地压后,从1994年起，孙村煤矿多次发生较强烈的冲击地压,与孙村煤矿相邻的张庄煤矿也出现了类似的情况。第一节 冲击地压显现规律一、煤岩冲击倾向性测定煤岩是否具有冲击危险,首先取决于煤岩自身的固有特性。在深部1217房柱式工作面和1417长壁工作面发生较强烈的冲击地压后,孙村煤矿在1218和1417工作面分别采取煤岩样,由煤科院北京开采所进行冲击倾向试验,试验结果如表7-1、表7-2和表7-3所列。表7-1 2#煤层冲击倾向性鉴定项目工作面煤层上部的煤样工作面煤层下部的煤样干样湿样干样湿样抗压强度压（MPa）29.316.517.715.5弹性能量指数WET2.542.141.790.7动态破坏时间DT(ms)3312939250冲击倾向综合评判结果强烈中等中等弱备注湿样浸水时间22d；采样埋深838839m表7-2 4#煤层冲击倾向性鉴定项目工作面煤层上部的煤样工作面煤层下部的煤样干样湿样干样湿样抗压强度压（MPa）17.616.518.916.4弹性能量指数WET2.01.172.341.9动态破坏时间DT(ms)5172116170冲击倾向综合评判结果中等弱中等弱备注湿样浸水时间22d；采样埋深825841m表7-3 2#、4#煤层顶板岩石冲击倾向性鉴定项目1218工作面1417工作面抗弯强度弯（MPa）11.813.0弯曲能量指数(KJ)17.294.97冲击倾向鉴定类别中等冲击倾向无冲击倾向由实验结果作出如下结论:a1218工作面的2#煤层属强烈冲击倾向,顶板属中等冲击倾向。b1417工作面的4#煤层属中等冲击倾向,顶板无冲击倾向。c顶底板岩性对煤层冲击强度有很大影响。d浸水对冲击地压防治有一定效果,但应与其它方法相结合。二、支承压力峰值位置冲击地压发生的理论有强度理论、能量理论、刚度理论、失稳理论和冲击倾向理论，这些理论从某个方面解释冲击地压发生的机理，并提出了相应的判别准则。无论用什么样的理论解释冲击地压发生的机理，冲击地压都是在高应力下发生的，因为强度高、弹性大的煤层只有在高应力条件下才可能积存较多的弹性能。开采深度和煤岩体中的应力是直接相关的，原岩应力和开采深度成正比，长壁工作面开采期间和停采后，煤壁前方和侧方形成移动支承压力和固定支承压力，这些支承压力以原岩应力为基数，在地层中形成应力集中，采深愈大，应力的绝对值愈大。高应力是发生冲击地压的必要条件，在采用垮落法处理采空区的长壁工作面，煤壁前方和侧方实体煤层内形成支承压力是不可避免的。孙村煤矿深部已经发生的冲击地压均与支承压力直接相关。1移动支承压力峰值位置根据孙村煤矿长壁工作面开采期间在运输平巷和回风平巷内的变形观测，推断-600m和-800m水平移动支承压力峰值在采场上端分别超前工作面煤壁25m和30m，在采场下端分别超前15m和20m。2侧向固定支承压力峰值位置侧向固定支承压力峰值位置由以下矿压观测资料推断。(1)1215工作面跨采3号石门附近4#煤层辅助轨道上山的观测如图7-1，-600m水平上山阶段一采区2#煤层1215工作面跨采石门的同时，跨采了3号石门附近的4#煤层辅助轨道上山。该上山与2#煤层的垂距为15m，采用锚网支护，矩形断面。在1215工作面跨过该上山15.4m后,4#煤层辅助轨道上山的顶底板和两帮闭合量如图7-2所示。该上山的变形是侧向固定支承压力与移动支承压力共同作用的结果，由此推断，侧向固定支承压力峰值位于距采空区边缘2030m的范围内。图7-1 1215工作面与辅助上山的相对位置图7-2 1215工作面跨过上山15.4m后上山的变形量1 - 两帮闭合量 2 - 顶底闭合量（2）-600m水平下山阶段4#煤层回风下山在侧向固定支承压力作用下的观测-600m水平下山阶段2219工作面跨采了下方的下山后，位于煤柱下方的4#煤层回风下山长期承受侧向固定支承压力作用，多次修复后又严重变形。4#煤层回风下山与2219工作面的相对位置如图7-3，该下山在1996年10月观测时的净高如图7-4所示。4#煤层回风下山最低处距煤柱边缘的距离在34m左右，由此推断侧向固定支承压力峰值位置深入煤体34m左右。图7-3 2219工作面与4#煤层回风下山相对位置图7-4 4#煤层回风下山高度（3）1212工作面跨采4#煤层上山变形观测2#煤层1212工作面跨采4#煤层上山时，在上山中布置了、和号观测点，、和V号观测点分别距1211工作面采空区边缘85m、57m和20m，工作面跨过上山20m后，在侧向固定支承压力与移动支承压力共同作用下，、IV和V号测点的顶底板闭合量分别为270mm，780mm和1300mm，V号测点上下5m左右上山的变形情况同V号测点，由此推断侧向固定支承压力峰值位置深入煤体25m左右。三、深部长壁工作面支承压力作用下的冲击地压1本煤层工作面移动支承压力峰值与侧向固定支承压力峰值叠加区内重掘回风平巷引发的冲击地压2219工作面是-600m水平以下二采区2#煤层第3个工作面，埋深为838905m，由于该工作面的回风平巷与2218工作面采空区之间留设了68m的区段煤柱，当2219工作面推进到距停采线160m时，回风平巷变形严重，经多次维修后仍无法使用，被迫沿倾向方向下拉31m补掘新回风平巷。2219工作面及相关巷道布置如图7-5所示。图7-5 2219工作面及相关巷道布置1994年12月15日，新补回风平巷掘至32m时，放炮诱发了冲击地压，巷内支架大部分被摧垮，断面缩小了三分之一以上，工作面上部10m范围内刮板输送机被推移0.30.5m，有8棵单体液压支柱被推倒。2219工作面发生冲击地压的原因在于补掘的回风平巷沿倾向开掘在本煤层侧向固定支承压力峰值位置附近，沿走向也开掘到本煤层移动支承压力峰值位置附近，即补掘的回风平巷开掘在侧向固定支承压力峰值和移动支承压力峰值叠加区内是引发冲击地压的根本原因。2本煤层工作面移动支承压力峰值和上煤层侧向固定支承压力峰值叠加区内重掘运输平巷引发的冲击地压1417工作面是-600m水平以下一采区4#煤层第一个工作面，埋深775 846m，部分采段之上有2#煤层1217工作面停采后形成的两侧采空的煤柱，2#、4#煤层间距15m左右。当1417工作面推进至距上覆1217工作面停采线14m时，距工作面40m范围内的运输平巷变形破坏严重，多次扩修后仍无法使用，被迫在工作面前方50m处补掘贯眼，欲通过贯眼由西往东重补运输平巷与回采工作面相通。1417工作面及相关巷道布置如图7-6所示。图7-6 1417工作面及相关巷道布置1994年6月23日，当贯眼掘至15m处时，放炮诱发了冲击地压。已掘的15m贯眼内木支架全部被摧垮，冲出煤炭约62t，在贯眼开口处运输平巷东西两侧20m范围内，靠上帮侧的木支架柱腿有三分之一被折断，局部出现漏顶，刮板输送机由上帮冲至下帮。1417工作面发生冲击地压的根本原因在于补掘的贯眼开掘在2#煤层开采后侧向固定支承压力峰值区内（1417工作面运输平巷距2#煤层煤柱边缘的距离为31m），在与本工作面的移动支承压力峰值叠加后掘进放炮诱发了冲击地压。3在上煤层三侧采空的煤柱形成的固定支承压力作用下掘巷引发的冲击地压4#煤层2419西工作面运输平巷埋深897m，该平巷在掘进过程中由2#煤层的采空区下方进入2#煤层2219东和2219西工作面由于断层影响而留设的三侧采空的煤柱下方。2419西工作面运输平巷与煤柱的相对位置如图7-7所示。图7-7 2419工作面运输平巷与煤柱的相对位置2419工作面运输平巷进入煤柱下方15m后，受固定支承压力影响，巷道片帮程度逐渐加剧，平均片帮深度达1.5m，矿震和煤炮不断，掘进头煤壁压酥、塌落，严重时每班无需放炮工人就能攉出一个棚距的进度。当掘至煤柱下方40m时，放炮诱发了冲击地压，约8t煤被抛出，在距掘进头10m范围内底鼓0.5m左右。由于工作人员在150m以外躲炮，以上三次冲击地压均未造成人员伤害，这一个人防护措施应在深部长期坚持。四、深部柱式体系采煤法引发的冲击地压柱式体系采煤法开掘巷道多，巷道交岔多，遗留的煤柱也多，发生冲击地压的可能性高于长壁采煤法，它们之间的差异在于支承压力的分布形式明显不同。在采用垮落法处理采空区的长壁工作面，其采空区至多承受原岩应力，煤壁前方的实体煤承受较高的支承压力。相反，采用房柱式采煤法开采后，煤房间较窄的煤柱要承受较高的支承压力，两侧没有形成煤房而较宽的实体煤承受较小的支承压力，煤房间的煤柱和一侧采空煤体上的支承压力分布如图7-8所示。因此，深部采用房柱式采煤法开采更容易引发冲击地压。图7-8 煤房间的煤柱和一侧采空的煤体上支承压力分布1 - 两侧采空的煤柱上支承压力分布 2 - 一侧采空的煤体上支承压力分布孙村煤矿2#煤层1217煤柱工作面位于-600m水平下山阶段一采区，是1217长壁工作面推进至落差为3m的断层附近停采后遗留下来的一块煤柱，该煤柱呈两侧采空状态，上方和东部为采空区，西部和下部与落差为45m的F5断层斜交，呈上宽下窄的三角形状。1217煤柱工作面煤厚3.7m，上端埋深为826m，下端埋深为841m。该煤柱采用房柱式采煤法回收，沿走向煤房间的中心距为8m，两煤房间煤柱的净宽为4.5m，沿倾斜方向上每隔20m开掘一联络贯眼将两煤房联通。1217煤柱工作面房柱式开采布置如图7-8所示。图7-8 1217煤柱工作面房柱式开采布置1994年5月17日，当第三个煤房由下向上掘至22m处，在向东掘横贯时掘进迎头放炮诱发了冲击地压，放炮后炮尘飞扬，第三个煤房已掘的22m处底臌0.81.0m，支柱歪斜，局部冒顶（冒落高度0.5m）范围长达10m，下部运煤平巷20m范围内巷道上帮的木棚柱腿全部折断，刮板输送机由上帮推至下帮，位移1.5m，约150t煤被抛出，在100m以外躲炮的人员被冲倒，安全帽被冲跑，三人受轻伤。1217煤柱工作面发生冲击地压的根本原因在于深部采用了房柱式采煤法回收两侧采空的煤柱。五、深部原岩应力作用下的冲击地压1100m水平管子道副暗斜井在原岩应力作用下沿4#煤层掘进，掘至标高-900m时,迎头出现较强烈的动力现象，每班在钻眼过程中或爆破后出现较强的震顶。随着向下延深，震顶次数增多，震感变烈，每次震后巷道围岩瞬时下沉量增大，锚杆托盘向里明显位移，迎头以外10m左右巷道喷体多处开裂，底臌量增大，迎头煤体明显突出。第二节 深部冲击地压防治技术一、深部冲击地压危险性分析孙村煤矿深部主采的2#煤层属强烈冲击倾向煤层，其顶板属中等冲击倾向,4#煤层属中等冲击倾向煤层，其顶板无冲击倾向。在煤岩冲击倾向不变的情况下,随着开采深度增加,外在因素中的地质因素使冲击地压发生的可能性增大,增大的原因如下:（1）随着开采深度增加,原岩垂直应力增加,在-600m水平总体上已经达到或超过2#煤层和4#煤层的单向抗压强度。埋深愈大,它们之间的差值也就愈大,煤体中储存的弹性能也就愈大,冲击地压发生的危险也就愈大。2003年，在-800m开采水平西大巷2#煤层直接顶板砂岩中进行了地应力测试，其最大水平应力已达38.13MPa，预计在-1100m水平，其地应力将会达到40MPa以上。-1100m水平管子道副暗斜井在掘进中过程中频繁发生冲击地压是由于深度大和原岩应力高所致。（2）随着开采深度增加,断层构造增多。断层对冲击地压的影响表现在两个方面,一是对本煤层采掘工作面产生影响。当工作面前方存在较大的断层时，由于断层阻隔，煤体内积聚的弹性能不容易向周围传递，断层附近往往存在着未能完全释放的残余应力,深度愈大,残余应力愈不容易释放，因而在断层附近形成较高的聚能区。在受到开采压力影响和力学平衡条件遭到破坏时，聚积的能量就从薄弱环节释放而产生冲击破坏,在断层附近作业引发冲击地压的可能性也就加大。另一方面是对底板附近煤层的影响,由于断层的存在,采煤工作面回采过程中不可避免地要遗弃一定数量的断层煤柱,这些断层煤柱在本煤层中形成多侧采空的固定支承压力,并传递到底板附近的煤层中,开采深度愈大,应力的绝对值也就愈高,在支承压力峰值附近开掘巷道或采煤引发地压的可能性也就愈大。二、冲击地压的危害冲击地压是一种破坏性极强自然灾害，采掘工作面发生冲击地压将产生以下危害：（1）造成围岩强烈震动，加大了采煤工作面的顶底板移近量和巷道表面位移量，造成采掘工作面棚式支架失稳、损坏，发生倾倒或歪斜现象；或使锚喷巷道的喷层开裂和锚杆托盘弹出。（2）产生冲击波，造成风门损坏，使通风系统风流紊乱。（3）产生大量煤尘，使采掘工作面煤尘爆炸的危险加大。（4）使采掘工作面的煤体突然破碎和抛出，导致支架失效后引发冒顶。（5）使设备和物料产生位移和破坏。（6）危及作业人员。三、深部防治冲击地压的根本措施防治冲击地压的根本措施是战略性的和区域性的，旨在消除产生冲击地压的条件。在认识和总结深部冲压地压显现规律的基础上，孙村煤矿在深部开采中实施了合理开采部署、煤层注水和上行开采顺序开采解放层等三项根本措施。1合理开采部署合理进行开采部署，避免应力集中是一项无需较多投入而能从根本上防治冲击地压的有效措施。孙村煤矿从1994年以来发生的冲击地压大多数是由于不合理的开采部署造成的。在深部开采部署中，孙村煤矿注意了以下问题。（1）杜绝采用房柱式采煤法回收煤柱。（2）新采区或新区段的投产要保证合理的开采顺序，避免形成多面采空的孤岛煤柱。（3）实施初采先跨的上下山保护措施，避免留设两侧采空甚至三侧采空的上下山保护煤柱。（4）杜绝在上下山附近两侧同时开采，使上下山保护煤柱变的愈来愈小。（5）深部采煤工作面回风平巷单巷掘进，沿空掘巷，所留的区段煤柱宽度小于5m，一般为3m。（6）避免两侧工作面同时相向开采，使待采区域逐渐缩小。（7）杜绝在移动支承压力和固定支承压力峰值叠加区中补掘巷道。（8）加大采区尺寸，减少煤柱留设；首采煤层或上部的煤层应尽量多采，不留或少留煤柱。（9）在未进行有效的卸压处理前，避免在固定支承压力峰值区中开掘本煤层的巷道和同组底部煤层中开掘巷道。2采煤工作面煤层注水煤层注水是通过高压水将煤体压裂，并通过煤岩水化反应改变煤岩体物理性质和结构的措施。注水后能使煤体的强度和积蓄弹性能的能力下降，使煤体冲击倾向减弱。孙村煤矿具有强烈冲击倾向的2#煤层（取自2#煤层上部）干样浸水后变为中等冲击倾向；具有中等冲击倾向的2#煤层干样（取自2#煤层下部）和4#煤层干样浸水后变为弱冲击倾向。同时，煤层注水后，可以使支承压力峰值降低，峰值点位置向煤体深处转移，从而能达到改变煤体（或局部煤体）应力状态的目的。煤体注水后，能够改善能量释放过程中在时间上的稳定性和在空间上的均匀性。注水方法是：钻孔沿煤层倾向平行于顶底板布置，距底板高度为1m。上平巷注水孔布置在下帮，孔距30m，孔深40m。下平巷注水孔布置在上帮，孔距30m，孔深80m，采用3DZ-SZ高压柱塞泵配SD2/50水管高压注水，注水压力为410MPa，用DC-4.5/20型高压流量计计量每孔的注水量，流量不少于0.6m3/min,纯注水时间为1520d。上平巷注水孔采用岩石电钻钻眼，下平巷采用SGZ-IB型钻机钻眼。孔口采用水泥封孔，封泥长度6m。工作面正常推采后超前注水距离要求大于50m，含水率达到4以上。3 采用上行开采顺序开采解放层经比值判别法、三带判别法和数理统计判别法判别和三带高度的实测，孙村煤矿深部前组煤层中的4#煤层可以作为2#煤层的下解放层，先采下部的4#煤层，后采上部的2#煤层，既能起到松动卸压作用，又对2#煤层的结构不造成破坏。从孙村煤矿深部前组煤层中已有的上行顺序开采实践来看，在4#煤层采空区之上开采2#煤层，巷道压力显现明显减弱，易于维护，冲击地压危险变小或消失。因此，上行开采顺序开采解放层也成为孙村煤矿深部防治冲击地压的主要技术措施。四、深部防治冲击地压的监测措施1钻屑法煤粉监测孙村煤矿自发生冲击地压以来,钻屑法成为日常监测和预报的主要方法。确定冲击地压危险程度的依据是监测孔的实测煤粉量，当实测煤粉量大于危险煤粉量指标时，就可确定监测孔附近煤岩有冲击地压危险。正常情况下2#煤层的标准煤粉量为2.32kg/m,4#煤层的标准煤粉量为2.30kg/m。2#和4#煤层的危险煤粉量指标如表7-4所列。表7-4 煤粉量危险指标孔深(m)13467危险煤粉量2#煤层3.486.09.3(kg/m)4#煤层3.455.89.2在2#和4#煤层工作面上下平巷中，超前工作面100m范围内进行煤粉监测。监测孔间距20m，每天监测一遍。第一天监测孔位于工作面前方10m、30m、50m、70m、90m、100m，第二天监测孔位于工作面前方20m、40m、60m、80m、100m，依次类推。上帮监测孔深10m，下帮监测孔深7m。在2#和4#煤层工作面上下端头30m范围内进行煤粉监测，孔深7m，孔距5m，每天监测一次。2电磁辐射监测利用KBD-5型流动电磁辐射仪对工作面上下平巷100m范围及工作面进行监测。测点布置在上平巷上帮、下平巷下帮和工作面煤壁。测点间距10m，每测点监测2分钟，每天监测一遍。在超前工作面2040m处的上下平巷中设置固定电磁辐射探头，利用电磁辐射监测系统对工作面实时监测。工作面初采前，首先找出工作面三个参数的正常值，然后乘以1.5倍的预警系数，作为电磁辐射的预报参数。工作面正常推进后，根据监测数据，确定出工作面电磁辐射的预报指标。3工作面矿压观测每班对上下平巷内超前工作面的加强支护及工作面的支架进行支护阻力监测，确定工作面超前支承压力影响范围，预报工作面顶板来压，配合其他监测手段预报工作面冲击地压危险。4钻孔应力计监测在超前工作面100m的上下平巷范围内埋设钻孔应力计，对巷道煤体应力变化进行监测。钻孔应力计设在上平巷的下帮和