平煤集团十二矿三水平冲击矿压原因分析及防治对策_李永杰.pdf

平煤集团十二矿三水平冲击矿压 原因分析及防治对策 李永杰 1 2 陈喜恩3 王唐龙3 魏思祥3 刘庆军3 1 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院 北京 100083 2 平顶山煤业 集团 有限责任公司 生产管理处 河南 平顶山 467000 3 平顶山煤业 集团 有限责任公司 十二矿 河南 平顶山 467000 摘 要 通过对平煤集团十二矿三水平垂深超过 1 000m 后发生的冲击矿压动力现象进行分析 提出了针对性的防治冲击地压措施 对今后安全生产及防治这种灾害提供经验和参考 关键词 冲击矿压 突出 措施 中图分类号 TD324 2 文献标识码 B 文章编号 1003 496X 2007 04 0033 03 冲击矿压是矿井巷道和采场周围煤岩体由于变 形能的释放而产生以突然 急剧 猛烈破坏为特征的 特殊的矿山压力现象 是煤矿重大灾害之一 我国 的冲击矿压及矿震灾害十分严重 近年来 随开采深 度增加 此类灾害有加重的趋势 在高突矿井冲击 矿压现象所引发的灾害后果更为严重 已成为制约 煤矿安全生产新的灾害 平煤集团公司十二矿即是 如此 在延深至三水平时 发生多次冲击矿压现象 1 发生冲击矿压地点概况 平煤集团十二矿始建于 1958年 初设计生产能 力 30万 t a 1989年扩建后 生产能力为 90万 t a 同年 鉴定为突出矿井 该矿经过生产技术改造 2005年产量达到 143万 t 目前有己六和己七 2个 生产采区 单一开采己组煤层 随着产量的提高 生 产采区已下延至三水平 采深已从 150 m 延深到 目前的 800 m 埋深达 1 100 m 发生冲击矿压的 地点为三水平 位于己七采区下部 北至李口向斜轴 部附近 平均标高在 600 m以下 仍开采己组单一 煤层 布置轨道 胶带 回风三条下山巷道 三水平工 程平面图如图 1 三水平回风下山在施工到对应标 高 730 m 垂深 1 100 m 位置时 发生一次冲击矿 压引起的岩石和煤与瓦斯动力现象 三水平胶带下 山在施工到距地表 1 035 m 位置时 开始较频繁的 发生岩爆现象 2006年 3月 19日 4点班己 15 17310机巷发生冲击矿压引起的煤与瓦斯动力现 象 2 己 15 17310工作面发生冲击矿压情况分析 三水平首采面己 15 17310工作面布置在己 15煤层中 其中机巷揭露层位标高在 747 773 m之间 煤层赋存稳定 煤厚平均为 3 58 m 煤层节 理裂隙较发育 煤的破坏类型为 煤的坚固性 系数 f 0 4 1 5 煤层瓦斯含量 18 25 m 3 t 煤层 瓦斯压力 2 85MPa 绝对瓦斯涌出量 1 7 4 0m 3 m in 煤层倾角 10b 走向 5b 直接顶为砂岩 泥 岩 平均厚 0 8m 老顶为砂岩及细砂岩 平均厚 8 0 m 直接底为灰黑色泥岩 平均厚 1 5 m 老底为己 16 17煤层 平均厚 1 65 m 煤层柱状图如图 2 2006年 2月底片盘 石门系统形成 3月份机巷 开始掘进施工 3月 19日 4点班迎头距回风口 21 m 当班措施允许进尺 2 m 当 17 48爆破后发生冲 应用 M 北京 科学出版社 2001 4 郭文兵 地表下沉系数计算的人工神经网络方法研 究 岩土工程学报 2003 2 212 215 5 杨 帆 麻凤海 地表移动预计参数选取的神经网络 法 中国地质灾害与防治学报 2004 1 102 106 6 张庆松 高延法 刘松玉 等 基于粗集与神经网络相 结合的岩移影响因素分析与开采沉陷预计方法研究 煤炭学报 2004 1 22 25 作者简介 高彦涛 1982 男 硕士研究生 主要从事 三下采煤 变形检测等研究工作 收稿日期 2006 09 30 责任编辑 梁绍权 33 技术经验 煤 矿 安 全 2007 04 图 1 三水平采掘工程布置平面图 图 2 三水平综合柱状图 击矿压现象 伴随巨大响声且顶底板较大震动掉渣 经勘查 本次动力现象有如下特征 1 长度 5 6m 前 4 0m 为全巷道堆积 后 1 6 m 为半巷道堆积 突出总量约为 46 t 2 突出物上部为一层破碎煤块 无分选性 其 内部有少量碎煤 3 从抛出的煤岩及堆积状态看 无瓦斯通道 4 抛出物表面及后部未见浮尘堆积 5 现场观察动力源主要来自巷道左侧 巷道 左侧煤壁外鼓 0 9 m 巷道顶板可见较大的向外冲 击力影响而导致的梯形梁及钢筋网的明显变形 锚 索锁头松动 直接顶板发生明显不均匀下沉 上帮梯 字梁变形 底板刮板输送机向巷道右帮偏移 5b 最 大推移距离达到 0 9 m 清理过后在迎头和迎头向 外的巷道发现下帮发生煤壁整体外移现象 下帮位 移长度 10 m 厚度 0 8 m 底板鼓起 0 5 m 迎头移 出煤体 3m 抛出煤量约 46 t 无明显分选现象 煤 体抛出角度接近自然安息角 涌出瓦斯 1 280 m 3 折 合吨煤瓦斯涌出量为 28m 3 t 接近煤层瓦斯含量 3 冲击矿压发生原因分析 3 1 动力现象特征分析 国家煤矿安全监察局煤安监办字 2005 11号 文件规定 煤与瓦斯突出鉴定依据之一 按抛出的吨 煤瓦斯涌出量判定 抛出的吨煤瓦斯涌出量大于或 等于 30m 3 t或原煤瓦斯含量的 2倍以上 含 2倍 的瓦斯动力现象应鉴定为煤与瓦斯突出煤层和煤与 瓦斯突出矿井 根据该煤层的瓦斯含量 约 18 25 m 3 t 发生动力现象后涌出的瓦斯量 28 m 3 t 来 判断 本次动力现象不属于煤与瓦斯突出现象 动力 现象发生后有明显的动力效应 如梯形梁及钢筋网 的明显变形 底板刮板运输面推移 0 9m 煤壁整体 外移现象等 因而属于冲击矿压现象 3 2 冲击矿压发生条件 己 15 17310机巷掘进位置巷道埋深约 1 100 m 巷道处于李口大向斜翼部下段 受构造应力影响 严重 考虑到巷道开挖后围岩应力重新分布引起的 应力集中 围岩处于高应力状态 根据柱状图可以 34 煤 矿 安 全 Total389 技术经验 看出 该煤层顶板为层厚 7 8 m的较坚硬致密的砂 质泥岩 同时 煤层干燥而呈性脆 巷道掘进过程中 受高地应力及巷道周围集中应力的影响 煤岩体达 到或超过承载的强度极限 脆性的巷道围岩必然满 足冲击矿压能量条件 图 3为巷道发生冲击矿压的 承载条件图 图 3 发生冲击矿压承载受力示意图 3 3 动力现象机理初步分析 为了探讨动力现象发生机理 可以将围岩系统 视为顶板 底板 煤层组成的力学体系 煤层中开掘 的巷道可视为被顶底板夹持弹性体 从极限平衡的 意义上来看 煤体夹持出现于高应力作用的掘进头 煤体夹持作用所产生的力学效应是 1 高应力及在顶板岩层和煤层中储存 积累 有相当高的弹性能 2 高压带和弹性能积聚区位于巷道周边的应 力集中带 3 顶底板岩体和煤层处于极限平衡状态 4 煤层系统失稳是由于顶板厚层弯曲断裂释 放的弹性能引起 综上所述 在煤体稍有扰动时 就可能导致煤体 破裂 一个内部具有一定程度破裂的整体 在冲击 能的作用下 煤岩体破坏并快速抛入巷道内 除了 高应力对掘进头产生的夹持压力外 煤体中若存在 较高的瓦斯压力 则瓦斯压力伴随煤体破裂而释放 出的瓦斯能则会降低由夹持而发生失稳的临界 能 量的叠加将使发生冲击和煤岩突出更加容易 强度 会更大 另外 该区域的巷道纵横交错 极易造成应力集 中区 从而增加了发生冲击矿压的可能性 根据上述分析 本次冲击矿压是在较高的地应 力 集中应力带以及较高的瓦斯压力区域 掘进放炮 人为诱导下发生的采矿动力现象 4 防治冲击矿压措施 1 合理的开拓布置和开采方式 以避免形成 应力集中区 合理布置的开拓和开采方式可避免应 力集中和叠加 是防治冲击矿压的根本性措施 多 数冲击矿压是由于开采技术不合理而造成的 不正 确的开拓开采方式一经形成就难于改变 临到煤层 开采时 只能采取局部措施 而且耗费很大 效果有 限 2 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 并释放瓦斯 降低瓦斯压力 在施工过程中 为了防治冲击矿压 在巷道两帮和迎 头施工卸压孔 巷道左右两帮每架各施工 2个卸压 孔 每帮的 1个孔与巷道施工方向夹角 45b 另 1个 孔与巷道施工方向夹角 30b 并且紧跟迎头 卸压孔 孔深 10m 孔径 89mm 为了防治迎头前方的冲击 矿压 同时起到前探孔的作用 进尺前在迎头施工一 排 3个钻孔 开孔位置为距煤层顶板 0 5 m 孔深 30m 孔径 89 mm 保留 10m 超前距 3 在迎头施工完排放钻孔后 有选择地对钻 孔进行高压磨射流割缝 以加快卸压和瓦斯释放速 度 也可进行中高压煤层注水 爆破卸压等方法 4 建立防冲击矿压的预测预报技术 为高突 工作面防冲击矿压和煤与瓦斯突出提供技术依据及 相关实践经验 如用钻屑