防治-冲击地压防治措施

冲冲击击地地压压防治措施防治措施 煤矿冲击地压防治措施的主要原则是及时查明冲击危险煤层 及 时采取综合防治措施 它包括区域性防范措施和局部性解危措施 前 者旨在消除产生冲击地压的条件 具有时空上的长期性和区域性 后 者旨在对已形成冲击危险的区段进行解危处理和安全防护 属于暂时 的局部性措施 优先考虑使用区域性防范措施 但局部性解危措施也 必不可少 常用的冲击地压防治措施如图 5 1 所示 图 5 1 常用的冲击地压防治措施 冲冲击击地地压压防范措施防范措施 由于冲击地压问题的复杂性和我国煤矿生产地质条件的复杂性 增加了冲击地压防治工作的困难 为了有效地防范冲击地压危害 应 当根据具体条件因地制宜地优先采取防范措施 在大范围内降低应力 冲击地压防治措施 区域性防范措施局部性解危措施 开采方式 合理开拓布置和 开采保护层 预处理 厚层坚硬顶板 卸压爆破 钻孔卸压 防护措施 冲击地压显现 诱发爆破 控制冲击地压显现 煤层顶注水 集中程度 控制弹性能积蓄和释放的外部条件 以及从改变煤岩体本 身结构和力学性质入手 消除和减缓其积聚和突然释放弹性能的内部 条件 二 采用合理的开拓布置和开采方式二 采用合理的开拓布置和开采方式 采用合理的开拓布置和开采方式 对防治冲击地压至关重要 它 包括在勘探和矿井设计阶段 就力图尽早查明冲击危险煤层和区段 可以在设计中就考虑和规定冲击地压防治措施 并在开拓和准备阶段 中实现合理的开拓开采方式和顺序 以便完全消除冲击地压危险 或 把它减小到最小程度 经验表明 多数矿井的冲击地压是由于开采技 术不合理造成的 不正确的开拓开采方式一经形成就难以改变 所以 煤炭部颁布的 冲击地压煤层安全开采暂行规定 的总则中明确规定 冲击地压矿井有关的长远规划和年度计划中必须包括防治冲击地压 措施 开采冲击地压煤层的新水平 必须以冲击倾向鉴定等资料为基 础 编制包括冲击地压防治措施的专门设计 已开采的煤层一经确定 为冲击地压煤层 对正在开采的水平 必须在三个月内补充编制专门 设计 开采冲击地压煤层必须采取防治冲击地压的生产技术措施和专 门措施 在采掘工作前必须编制包括防治冲击地压内容的掘进和回采 作业规程和专项防治措施的实施规程 冲击地压矿井的开采设计原则 开采冲击地压煤层的专门设计内 容和规范 掘进和回采工作的专项措施等 必须遵照执行 煤矿安全 规程 和 暂行规定 的有关条文规定 现有的评价和预测冲击危险的手段和方法 对尽早的查明冲击危 险煤层和矿井区域 为在矿井 水平 设计和煤层开拓期间考虑和采取 防范措施奠定了基础 井田的合理开拓是开采设计中的重大问题 开拓和准备巷道应布 置在底板岩层中或没有冲击危险的薄煤层中 当岩体中存在远大于重 力的构造应力情况下 主要开拓或准备巷道的方向最好是与构造应力 作用方向一致 以使巷道周边应力分布趋于均匀 在煤层中尽量少布 置巷道和把对煤层的切割破坏限制在最低程度 是控制因开采活动造 成冲击危险性增加的基本原则之一 对于煤层群的开拓布置应有利于 保护层开采 要首先开采无冲击危险或危险性小的煤层 并以此作为 保护层 且优先开采上保护层 例如抚顺 辽源等煤矿 虽为厚煤层上 行水砂充填法开采 但作为解放层的第一分层的开采都尽量布置在冲 击危险性小的煤层中进行 西安矿为了发挥上保护层的作用 改变自 下而上的分层开采顺序 首先开采顶板层作为保护层 采完顶板层后 再反过来自下而上的开采其它各分层 甚至改用下行金属网分层假顶 全部垮落法开采 井田划分必须保证合理的开采顺序 最大限度地避免形成煤柱等 应力集中区 因为煤柱承受的压力很高 特别是岛形或半岛形煤柱 要承受几个方向的叠加应力 最易产生冲击地压 上层遗留的煤柱还 会向下传递集中压力 影响深度可达百米以上 导致下部煤层开采时 也易发生冲击地压 统计资料表明 陶庄矿在回收煤柱时发生的冲击 地区占全矿冲击次数的 29 8 唐山矿 城子矿约占一半 龙凤矿实际 资料抽样分析表明 两侧为采空区的工作面在回采过程中 冲击地区 发生次数显著增多 在开采方向和回采顺序上 采区或盘区的工作面 应朝一个方向推进 避免相向或背向开采 杜绝应力叠加 因为相向 采煤时上山煤柱逐渐 减小 支承压力逐渐增大 很容易引起冲击地压 在地质构造等特殊 部位 应采取能够避免或减缓应力集中和叠加的开采程序 在向斜和 背斜构造区 应从轴部开始开采 在构造盆地应从盆底开始开采 开 采程序是由下至上 在有断层和采空区的条件下 应从断层或采空区 开始开采 龙凤矿的统计资料表明 采掘工作面接近断层或向斜轴部 附近时 冲击地压频度增加 强度加大 开采有冲击危险的煤层 不仅开拓或准备巷道应布置在底板岩层 或无冲击危险煤层中 而且回采巷道也应尽可能避开支承压力峰值范 围 采用宽巷掘进 少用或不用双巷或多巷同时平行掘进 对于水采 区的回采枪眼应躲开高应力集中区 选在采空区附近的压力降低区 塑性区 为好 例如唐山矿十一水平 5287 北 区发生的 32 次冲击地 压 有 12 次发生在回采前的巷道维修过程中 3 次发生在高应力区新 掘巷道时 7 次发生在受采动影响的巷道 砚石台矿冲击地压大多数 发生在支承压力影响区的掘进头 其中双巷平行掘进时发生的次数最 多 占 46 2 城子矿 1971 年回收八层 250 水平西巷护巷煤柱时按 常规布置方法 造成严重的冲击地压伤亡事故 被迫停采封闭 时隔 近 20 年后再行回收时 采用底板集中大巷 分区小石门进入煤层 以 及避峰送巷 宽巷掘进等开采方式 仅历时 11 个月就安全回收该煤 柱 取得了可喜的经济效益和社会效益 分析研究表明 不同的采煤方法 矿山压力的大小 分布也不相 同 房柱式 刀柱式等柱式采煤法由于掘进的巷道多和在采空区遗留 的煤柱多 顶板不能及时充分的冒落 造成支承压力较高 在工作面 前方掘进巷道势必受到叠加压力的影响 增加了危险性 水力采煤法 虽然系统简单 高效 但回收率低 遗留的煤垛在采空区形成支撑 顶 板不能及时 规律地冒落 又要经常在支承压力带开掘水道和枪眼 加之推进速度快 开采强度大 一次暴露顶板面积过大 产生大面积 悬顶的危害 所以不能解决冲击地压问题 相对而言 长壁式开采方 法有利于减缓冲击地压的危险 但并不能避免冲击地压的发生 倒台 阶采煤法由于工作面不成一条直线 在台阶部位形成高应力集中 也 易导致冲击地压的发生 砚石台矿在采用走向长壁式采煤法时 没有 发生过冲击地压事故 仅出现过煤炮和小型冲击 而改用倒台阶工作 面回采时 经常发生冲击地压 且大多数发生在台阶上隅角 约占回 采时冲击地压总次数的 90 不仅次数多 而且强度也大 平均每次 冲击煤炭 130t 以上 长壁式开采法只适合开采煤层块段规整和断层构造少的冲击地 压煤层的采区 由于长壁式开采法工作面成一直线 一般只掘上下顺 槽和开切眼 遇断层等原因补掘巷道是个别的 对煤层切割少 而且 勿需在工作面前方支承压力带掘巷 同时顶板多能随工作面推进顺序 冒落 即使顶板难冒也可采取注水或爆破等预处理措施 因此 采用 长壁式开采法相对其它采煤方法 有利于减缓或消除冲击地压发生的 条件 但采取长壁式开采法仍有发生冲击地压的可能 其冲击危险点 多集中于下述部位 在采空区附近掘进顺槽和开切眼时 在工作面前 方支承压力高峰地带 特别是上下顺槽与工作面交汇处的 10 40m 范围 另外 在回采煤柱 时 断层 褶曲地带或构造应力异常地带也易发生冲击地压 所以在 暂行规定 中 规定在冲击危险区内掘进与回采工作 必须始终在保 护带内进行 在煤层应力高度集中时 必须进行解危处理 否则不得 进行回采与掘进工作 顶板管理应尽量采用全部垮落法 工作面支架要采用具有整体和 防护能力的可缩性支架 统计表明 非正规采煤法的采区冲击地压次 数多 强度大 我国冲击地 压煤层的顶板大多又厚又硬 不易冒落 由于顶板不均衡 位移和破断 往往引起支承 压力分布的急剧改变和很大 的加载速度 以及顶板和煤 层接触面上发生很大的剪切 应力 而且砂岩等致密岩层 顶板都能悬垂很大面积 积 聚大量变形能 因此 为了 消除或减缓冲击地压发生条 件 必须采取有力措施 把 顶板悬垂面积尽可能减小 使工作面和工作空间上方老 顶具有最小的挠度 采用注水 爆破等方法 使顶板软化或冒落 能够 减缓冲击地压 三 开采保三 开采保护层护层 图 5 2 开采保护层卸压带示意图 l 工作面长度 3 充分移动角 断裂角 变形滑移角 1 应力升高区边界线 2 卸压带边 界线 3 保护层 4 被保护层 5 压缩变形区 6 拉 伸变形区 开采保护层是防治冲击地压 的一项有效的 带有根本性的区域 性防范措施 由于煤层开采的结果 导致上 覆岩层变形 破断和向已采空间移 动 根据岩层移动的观测研究 采 空区上覆岩层的移动情况见图 5 2 所示 观测研究表明 采空后上覆岩层虽然破断为岩块 但仍处于整 齐排列之中 因而在岩层移动过程中仍能互相制约 形成一系列的力 学结构 一般情况下 可把岩层的排列情况分为冒落带 裂隙带和弯曲下 沉带 紧靠采空区上方岩层剧烈移动和冒落 冒落高度多数情况下不 超过采高的 4 6 倍 冒落带以上为裂隙带 岩层产生大量裂隙并使 天然裂隙张开 虽然岩层在采空区已破断 但仍然是排列整齐的岩层 裂隙带以上至地表的岩层 由于采动后裂隙不发育 为弯曲下沉带 如果从采煤工作面开始分析 则采空区上岩层的移动形态如图 5 3 所 示 一般情况下从 线开始移动 但变形量很小 待工作面通过时 线产生离层和剧烈移动 而到 线后才进入稳定移动区 根 据国内外实测 一般情况下 上覆岩层下沉始于工作面前方 30 40m 终止于工作面后方 100 150m 而剧烈移动在工作面后方 图 5 3 回采工作面上方岩层 移动状态 10 40m 处于采空区下部煤层的变形和应力变化特征 取决于地质条件和 开采工艺条件 经历着变形和应力的扩散和衰减过程 受到复杂的加 载和卸载作用 升高应力区中 遭到压实 而在卸载区中受到 松动 其作用半径一般可达几 十米到上百米 如果层间距超 过上方采空的作用半径 则下 部煤层实际上就不受什么影 响了 但是上方采空的作用是 不固定的 随着上层工作面的推进或时间的延长而周期性变化 可以 引起各种不同的变形 在升高应力区和卸载区邻接处可使已有裂隙张 开或产生新的裂隙 试验表明 下部煤岩层中支承压力扩展范围 可 近似地用 55 的角度线圈定 如图 5 4 所示 在 角度线以外应力 增加相当小 近于 H 而且在一定条件下可以改变下部煤层的聚合 状态和层间岩层性质 裂隙度 透气性等 但是 对下部煤层开采时 影响最大的是上层开采过程中遗留的煤柱 影响深度可达 50 100m 影响宽度将比煤柱宽度大一倍多 在 暂行规定 中规定的开采设计原则第一条就是首先开采保护层 所谓开采保护层是指一个煤层 或分层 先采 能使临近煤层得到一定 图 5 4 上保护层开采后卸压带示意 图 时间的卸载 先采的保护层必须根据煤层赋存条件选择无冲击倾向或 弱冲击倾向的煤层 实施时必须保证开采的时间和空间同步 不得在 采空区内留煤柱 以使每一个先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤 层得到最大限度的保护 保护层开采后 在其围岩中产生裂隙 引起 围岩向采掘空间移动 使采空区上下方的岩层卸载 形成 卸压带 以及附近岩层产生破裂 刚开始时岩层破裂移动是很剧烈的 特别是 离保护层较近的地方 随着与保护层的距离增大而减弱 采空区垮落 的矸石或充填料 随着时间的延长逐渐被压实 同时采空区和围岩中 的应力相应地逐渐增加 趋于原岩应力水平 所以保护层的作用是有 时间性的 卸压作用和效果随时间的延长而减小 因此开采保护层的 间隔时间不能太久 一般卸压有效期为 用全部垮落法开采保护层时 为三年 用全部充填法时为二年 此外 保护层上部煤层的老顶已提 前折断 使以后开采时老顶的动态显现要缓和得多 对于下部煤层 由于受到保护层开采时的前 后支承压力产生的加载和卸载的交替作 用 在很大程度上改变了下部煤层的结构和层间岩石的性质 特别是 改变了它们的裂隙度和透气性 也就是说 处于保护层卸压带范围内 的被保护层 由于降低了压力 煤岩体中产生大量的裂隙 改变了煤 岩结构和属性 释放了潜在的弹性能 消除或减缓了冲击地压危险 保护层先行开采之后 周围煤岩层向采空区方向移动 变形 其 范围可由岩石冒落角和移动角限定 随着层间距加大 岩层移动和变 形减弱 由于岩层不断移动变形 在采空区上方形成 压力拱 使岩 层压力转移给采空区之外的岩层承受 在岩层移动直接影响的区域 应力降低 岩体卸载膨胀 在垂直煤层层面方向呈现膨胀变形 在煤 岩层内不仅产生大量新裂隙 而且原有裂隙也张开扩大 导致煤岩结 构和属性的变化 裂隙度增加 透气性增大 从而消除或减缓了冲击 地压和瓦斯突出的危险 但是 在卸压带范围内 卸载作用随着向上或向下远离保护层而 衰减 所以层间距大的煤层虽然处于卸压带范围 但开采时也不能绝 对保证不发生冲击地压 只有在卸压带的某些范围内 应力降低到一 定程度时 开采工作才会免遭冲击地压的危害 在高度上达到 20 30 倍采高的范围内的岩层中 由于产生大量裂隙 基本上消除了冲击地 压危险 但要注意岩石组成和岩层排列次序 可能对卸压带尺寸和卸 压作用有影响 例如存在坚硬厚层岩层就可能会起隔离作用 此外 为了不使卸压带煤层重复加载 必须在空间上和时间上保证合理的开 采顺序 相邻煤层的回采工作线不许超出有效卸压带范围 否则将造 成更为不利的条件 实际上 根据保护层所在 位置不同 煤层可以按下行顺 序开采 也可以按上行顺序开 采 或者是按混合顺序开采 图 5 5 确定卸压带尺寸示意图 1 保护层 2 被保护层 图 5 6 保护层开采方案 a 开采上保护层 b 开采下保护 层 c 开采上 下保护层 其原则是要选择无冲击危险或冲击危险性最小的煤层 或能保证安全 开采的煤层作为保护层 在安排保护层和被保护层中的采掘工作时 首先要确定保护层的卸压范围和卸压程度 卸压带的结构尺寸如图 5 5 所示 垂直于保护层方向上的最大卸压距离 S1和 S2 取决于开采 深度 采空区处理方式和围岩种类等 在平行于保护层方向上的最大 卸压距离取决于采空区的形状 煤层倾角 和卸压角 1 2 上述参 数可以根据具体条件计算 或根据各矿井的实际情况确定 一般取 S1 50 100m S2 30 60m 卸压角 1 2取 70 80 充分移动角 3取 60 开采保护层的常用方案如图 5 6 所示 为了有效利用保护层的作 用 可以采用开采上保护层 开采下保护层或混合开采形式 煤层群 开采时可以采用上行 下行或混合的开采顺序 在层间距合适的情况 下 应优先考虑开采下保护层 其基本原则是不能破坏上层煤的开采 条件 四 煤四 煤层预层预注水注水 煤层预注水是在采掘工作前 对煤层进行长时压力注水 注水一 般是在已掘好的回采巷道内或临近的巷道内进行 目的是通过压力水 的物理化学作用 改变煤的物理力学性质 降低煤层冲击倾向和应力 状态 煤层预注水是一种积极主动的区域性防范措施 不仅能消除或 减缓冲击地压威胁 而且可起到消尘 降温 改善劳动条件的作用 煤 层预注水的施工应按照 暂行规定 中有关规定进行 在国外煤层注水很早就已应用 目前该项技术已趋完善 欧美国 家已广泛用于降尘 防治冲击地压和瓦斯突出 在煤岩层的生成过程中 由于各种地质力学和地球化学的作用 在煤岩体内部产生节理 裂隙等许多弱面 压力水进入煤体后沿弱面 流动 起到压裂和冲刷作用 以及水对裂隙尖端的楔入作用 水楔作 用 使煤体扩大了原有裂隙 产生了新的裂隙 破坏了煤体的整体性 降低了强度 煤层注水过程一般都是开始阶段泵压持续上升 当上升 到一定值后 10 20MPa 左右 突然下降 5 10MPa 并相对稳定 在某个泵压上 这表明煤体被压裂 裂隙开始扩展 泵压最初上升达 到的最高值称破裂压力 一 煤 一 煤层层注水防治冲注水防治冲击击地地压压的原理的原理 冲击地压的防治实践表明 发生冲击地压的煤岩体 都具有某种 产生冲击式破坏的能力 冲击倾向 它是煤岩的固有属性 而煤岩 的性质则取决于它本身的结构 如果能够改变煤岩的结构和物化性质 那也就能够改变煤岩的力学性质 试验研究表明 水对煤岩的强度特 性 变形特性和冲击倾向特性都有着重要影响 水对煤岩强度的影响 已在实验室对煤岩进行不同浸水和不同浸 泡时间的大量试验研究所证明 煤岩试样浸水随煤岩含水率增加 孔 隙率和泊松比增大 但其强度和弹性模量降低 并在一定时间内 随 浸水时间的延长而加剧 对抚顺龙凤矿本层煤 烟煤 三 四 五 六分 层煤层及其顶底板岩石 采用自然浸泡水的方法进行了试验研究 测 定出不同浸泡时间直至水饱和时 煤岩试样的物理力学性质 得到如 下规律 煤岩的含水率随浸水时间的增加而增加 浸水 15 天以后即达到 饱和含水量 4 5 由于组成岩石的矿物颗粒之间联结力减弱和摩 擦力降低 煤岩强度发生不同程度降低 同时由于水及某些合阳离子 溶液对煤岩表面的化学作用 具有降低岩石破裂表面能的效应 因而 降低了煤岩的破裂强度 使煤岩中原有的裂隙扩大 并产生新的裂隙 煤岩的弹性模量与其所含裂隙的数量和长度有关 随裂隙的增多和加 长而减小 在三向应力条件下 煤岩体中储存的弹性能 W 可按 估算 式中 cp为平均应力 E 为弹性模量 虽然注水后 E 减 E w cp 2 2 少 但 W 与 cp的平方成正比 所以从总体上来讲 注水后煤岩体中 所储存的弹性能大为减少 利用弹塑性有限元法计算比较煤体注水前 后储存弹性能的情况 得出注水后煤体中储存的弹性能仅为注水前 的 44 7 对北京局门头沟矿二槽煤层煤样浸水试验结果也表明 尽管二槽 煤层为无烟煤 煤质远比龙凤矿烟煤坚硬的多 但煤的抗压强度随含 水率和浸水时间的增加而显著降低 自然浸水两周后强度降低率为 19 7 浸水四周后降低率为 31 煤样自然浸水时间与强度的关系 见表 5 1 表 5 1 煤样自然浸水时间与抗压强度的关系 自然浸水状态 周 含水情况 参 数 自然含 水 状 态 24810 抗压强度 MPa 35 928 824 820 215 4 强度降低率 19 730 943 957 2 水对煤岩变形特性的影响也被试验所证实 煤炭科学研究总院等 单位在实验室进行了大量煤试样的试验研究 图 5 7 为煤层注水后煤 样和未注水煤样的应力 与纵向 应变 l 横向应变 d和体积应变 v的关系曲线 图 5 8 为煤的自 然样和浸水样的应力 应变曲线 的对比情况 可以看出 注水前 后煤样变形有显著差异 图 5 7 煤自然样和注水样试验 结果 1 注水样 l关系 2 自然样 l关系 3 注水样 v关系 4 自然样 l关系 5 注水样 d关系 6 自然样 l关系 煤样的应力应变曲线大致分为 塑 弹型和塑 弹 塑型两类 未 注水样的变形曲线多呈塑 弹型 初始阶段是向上凹 然后进入直线 段 破坏前没有明显的永久变形 表现为突 然的脆性破坏 塑 弹 塑型曲线 具有明显的弯曲部分而呈 S 型 注水区的煤样变形曲线呈现较大 的压缩性能 比在同样载荷下未注 水区的煤样变形明显 塑化 变形 量增大 变形曲线呈压缩的 S 型 且多为剪切破坏 试样破坏时声响 小 无碎块抛射 注水后煤样的应 力应变全曲线与未注水样相比也 发生了相应变化 如图 5 9 所示 全程应力 应变曲线明显变缓 而 且大多数全曲线的前半程曲线与横坐标所围的面积增大 表明煤的塑 性变形变大 塑性增加 脆性减弱 水对煤的冲击倾向有着显著的降低作用 国内外试验结果都证明 注水煤样或是浸水煤样的冲击倾向都比未注水的煤样低 现场实测也 图 5 8 煤样应力 应变曲线 对比 1 注水前煤样 2 干样 3 注水后煤样 图 5 9 含水率对全应力 应变 曲线的影响 1 浸水前试样 2 浸水后试样 证明了这点 对抚顺龙凤矿本层煤三 四 五 六分层煤层的冲击倾向 指标 包括弹性能指数 WET 冲击能指数 KE 弹性变形指数 K 弹性 变形与总变形之比 刚度指数 KcF 全曲线峰值前刚度与峰值后刚度 之比 进行了对比试验 试验结果表明 注水后由于煤的结构发生改变 导致强度下降 变形特性明显 塑化 煤体积蓄弹 性能的能力下降 以塑性变形方式 消耗弹性能的能力增加 煤的冲击 倾向大为减弱 甚至完全失去冲击 能力 煤炭科学研究总院北京开采所 等对门头沟等冲击地压矿井的煤样 进行了更为广泛的试验 试 验结果进一步证明 水对煤 的弱化作用 能使强烈冲击 图 5 12 煤层注水前后钻屑量平均变化 情况 a 天池煤矿 b 龙凤煤矿 图 5 13 注水前后支承压力 分布变化 1 注水前 2 注水后 图 5 11 不同含水状态的莫尔 包络线 风干状态包络线 饱水 状态包络线 图 5 10 冲击倾向指标与浸水 时间关系 倾向煤层变成无冲击倾向或弱冲击倾向煤层 见图 5 10 试验还表 明 饱和水煤样和风干煤样的莫尔破坏包络线也存在明显差异 如图 5 11 所示 煤的强度降低 摩擦角变小 龙凤矿 天池矿的注水实践 也证明 煤层注水后含水量平均增加 0 9 1 5 以上 钻屑量平均 下降 20 左右 钻进过程中的动力现象消失 钻屑量峰值位置向煤壁 深处转移 2m 以上 如图 5 12 所示 对龙凤矿煤层注水进行的有限元 分析结果如图 5 13 所示 注水前支承压力峰值为 30MPa 峰值点距 煤壁 7m 注水后支承压力分布曲线大为平缓 压力峰值降至约 21MPa 峰值位置距煤壁增至 10m 左右 天池煤矿的观测表明 注水 期间顶板下沉速度明显增加 注水前下沉速度缓慢而均匀 平均为 0 167mm d 而注水期间平均达 4 16mm d 约为注水前的 25 倍 说明注水降低了煤层硬度 增加了塑性 注水前测定的煤层普氏系数 f 2 05 注水后降至 1 04 降低 40 根据有限元分析的随工作面推 进 沿煤层走向的能量积聚和释放的分布情况说明 未注水煤层能量 释放极不均匀 而注水煤层能量释放的空间范围增大 也相对较均匀 综上所述 煤层压力预注水后 经过水力压裂和长时间的湿润作 用 煤体性质发生了变化 不仅从根本上消除或减缓了冲击地压危险 而且起到消尘 降温和改善劳动条件的作用 二 煤 二 煤层层注水的工注水的工艺艺参数参数 煤层压力预注水是在煤层采掘前 向有冲击倾向的煤体进行压力 注水 以减缓或消除其冲击能力的一种防范措施 但是 要达到改变 煤体特性 增加塑性 的目的 只有煤体达到饱和水量后才有可能 而 煤体湿润程度和水分增加量主要取决于孔隙率和透水性 孔隙率表征 煤体蓄水能力 透水性表示水在煤体缝隙中的流动能力 而且受到煤 层地质开采条件的影响 例如不同的煤种有不同的裂缝和节理 煤层 倾角不同或存在断层就能造成 水分的不均匀分布 在工作面前 方支承压力带中 煤层孔隙可 能闭合 造成煤层透气性和透 水性降低等 研究表明 煤层注 水效果明显受到回采边界 残 留煤柱和支承压力带的影响 试验表明 煤体孔隙率小于 4 时难以注水 一般要在 5 6 以 上才能顺利注水 水压是通过 导水性能好的张性裂缝和裂隙 传到煤体内部而发生作用 并使流动通道扩大 含水率增加 因此 为 了保证注水效果 应该按照 暂行规定 注水技术规范选择合理的注水 工艺参数 正确地进行煤层预注水 一般煤层预注水都是采用长钻孔 图 5 14 注水孔布置方式 a 沿倾向布置的下行钻孔 b 沿 倾向布置的上 下行钻孔 c 沿走向布置的水平钻孔 d 特 厚煤层综合布孔方式 施工工艺 1 注水孔布置和参数 注水孔布置和参数 注水孔根据具体条件可以沿走向布置 也可以沿倾斜布置 对特 厚煤层还可以穿层布置 常用的注水孔布置方式如图 5 14 所示 但是 注水孔必须远离断层带 对于顶底起伏较大的煤层 应采用相对布孔 使孔长减小 孔口应布置在煤层中较坚硬的分层中 以利于封孔和防 止漏水 注水孔直径一般为 45 90mm 长度一般为 20 100m 一般按待 注水煤体尺寸减 15m 计算 或者按待注水煤体尺寸 2 3 来确定 对 于长度较大的长壁工作面 注水钻孔由工作面上下巷平行于工作面线 钻进 注水孔长度取决于工作面斜长 应使相对孔底之间的距离不大 于有效注水半径的 2 倍 如图 5 15 所示 注水孔布置位置要考虑煤层倾角 在倾角小于 15 的情况下 在 工作面上下顺槽皆可布孔 钻孔 倾角应考虑钻杆下沉的影响 使 成孔倾角与煤层倾角一致 不致 穿入顶底板 注水孔间距取决于 湿润半径 应根据具体条件确定 一般情况下注水孔湿润半径平均 为 10m 左右 因此孔距 20m 为图 5 15 长壁工作面上下钻孔注 水方式 1 注水管道 2 注水泵 3 工作 面 4 钻孔 宜 实测证明 在注水孔的湿润范围内 煤体湿润程度和水分增加量 以钻孔中心附近为最高 随着远离钻孔而逐渐减少 因此 对透水性 差的煤层 注水孔间距要小些 以使注水煤层能得到均匀湿润 保证 注水效果 2 注水量 注水量 注水量应根据煤层性质通过试验确定 并以煤层冲击倾向消失为 原则 确定合理的含水率增值或总含水率 例如龙凤矿煤层总含水量 达 4 增值 1 5 就可基本上消除冲击地任危险 门头沟矿二槽煤 层则需达到 4 5 增值 1 5 以上才能减缓或消除冲击地压危险 在 试验确定合理的含水率增值后 根据钻孔承担的湿润煤量计算注水量 一般按下式计算 Q KTW 5 1 式中 Q 每个注水孔的注水量 t T 一个注水孔承担的湿润煤量 t W 合理的含水率增值 K 富余系数或水量不均衡系数 根据调查 注水流失率 有时较大 平均为 50 左右 K 值不少于 1 5 为宜 一个注水孔承担的湿润煤量可按下式计算 T LSM 5 2 式中 L 待注煤体沿钻孔轴向方向的尺寸 m S 注水孔间距 m M 煤层平均厚度 m 煤的容重 t m3 为了提高注水效果 还可以采取间歇注水 以利于消除裂隙表面 的汽泡 提高毛细作用 改善湿润效果 3 注水 注水压压力和流量力和流量 注水压力和流量应按实际条件试验确定 试验时可逐级增加注水 压力 测定实际的注水流量 作出压力 流量曲线 一般情况下 煤层的注水流量随注水压力升高而增加 流量与压 力成抛物线关系 即 q Kp2 5 3 式中 q 每 m 钻孔的注水流量 p 注水压力 k 系数 对于孔隙率大 透水性好的煤层 注水压力不大即开始进水 而 孔隙率小 透水性差的煤层 注水压力必须超过一定值后 临界压力 才开始进水 注水流量随压力升高而增大 注水临界压力值随煤层的 条件不同而有一定差异 一般为 4 10MPa 而有的煤层孔隙率低 透 水性极差 虽然开始进水压力不高 但注水流量并不随压力升高而明 显增加 由此可见 对透水性不同的煤层 应采用不同的注水压力 对透 水性好的煤层可以采取低压注水或静压注水 对透水性一般的煤层 注水压力应超过注水临界压力 当注水时间紧迫时 可提高注水压力 以便在短时间内注入更多的水量 对于透水性差的煤层 可相应提高 注水压力 但要根据实际情况试验确定 4 注水 注水时间时间 浸水试验表明 煤的冲击倾向的降低 不仅与含水率有关 而且 与浸泡时间长短有关 煤层注水效果还受到支承压力带的影响 因此 煤层注水应尽可能地安排在采掘之前进行 通常注水的超前时间需 要 10 15 天 一般不少于 15 20 天 煤层的纯注水时间可以根据所需的注水量和实际的注水流量进 行计算 t Q qL 1000 5 4 式中 Q 钻孔需要的注水量 t t 纯注水时间 h q 每米钻孔的注水流量 一般可取 20L h L 注水孔长度 m 5 注水工 注水工艺艺 煤层注水工艺包括钻孔 封孔和注水等三个工序 钻孔一般用轻 型液压钻机 有的矿采用 YZ 2S 型架式自动推进钻机或 YDX40B 型和 YDX80A 型自动推进钻机 也可采用天津 洛阳 抚顺等地生产 的 2kw 岩石电钻 注水泵常用 3DS 1 8 200 型等煤层注水泵 也可 以利用高差进行静压注水或联合注水等形式 具体应根据煤层条件选 定 注水系统一般由水源泵站和管路组成 水泵出口装有压力表和高 压阀门 压力水经高压软管和钻孔阀门注入钻孔 高压流量表串联在 水泵出口处 也可以使用普通水表统计流量 但要安装在水泵的入口 处 一般采用单孔注水 在多孔同时注水时应安装流量分配调节装置 封孔方式有水泥封孔和封孔器封孔两种方式 封孔质量是保证注 水效果的关键之一 封孔长度视煤的硬度 煤层层理和节理 煤的致 密程度 注水压力大小等条件而定 一般要求封孔长度至少应超过巷 道破碎带宽度 一般情况下破碎带宽度为巷道宽度的 1 2 倍 考虑 到水的渗透 封孔长度至少应在 4 6m 以上 并随注水压力的提高而 相应加大 由于在煤层中钻孔 有时孔壁难以保持光滑 采用封孔器 有困难 所以多采用水泥封孔方式 三 煤 三 煤层层注水的效果注水的效果检查检查和适用条件和适用条件 煤层注水后应通过煤层含水率测定和矿压观测进行效果检查 一 般作法是 在注水前进行取样测定煤层自然含水率 注水后在回采过 程中利用钻屑法检测并取样测定含水率 并进行矿压观测 根据测定 结果判定注水效果 对注水不充分或注水 盲区 应及时采取补救措施 为了提高注水效果 可以采取间歇注水法 孔内松动爆破法 添 加增湿剂法等措施 煤层注水是防治冲击地压行之有效的方法 只要条件允许就应该 积极采用 因为煤层注水工艺比较简单 所需设备资金和材料较少 比较适合我国现有条件 但是 煤层注水必须在一定的条件下才能进 行 主要有 1 煤层要具有一定的孔隙率和亲水性 可采取孔内松动爆破的 办法提高孔隙率 采取在水中添加增湿剂的方法增加煤的亲水性 2 煤层赋存较稳定 能够保证钻孔施工和成孔后的钻孔孔壁稳 定 3 煤层顶 底板较完整 无断层等较大的漏水通道 必须根据煤 层地质条件变化布置钻孔和确定参数 4 要有一定的注水超前时间和钻孔作业场地 五 冲五 冲击击地地压压解危措施解危措施 合理的开采顺序 超前开采解放层等防范措施 是防治冲击地压 最有效的 长期性的措施 但是 在煤层开采中 生产地质条件极为复 杂 往往由于人们对冲击地压发生条件不能完全掌握 造成开拓布置 和开采方式不合理 没有预先采取防范措施或防范措施不完善 不可 避免地形成局部煤层地段的高应力集中和冲击地压危险 因此 在煤 层开采过程中必须对这些地段进行及时处理 以保证安全生产 这种 对已形成冲击危险或具有潜在冲击危险地段的处理措施称解危措施 它属于暂时的局部性措施 包括煤层卸压爆破 卸压钻孔和诱发爆破 等 按照冲击地压发生的强度条件和能量条件 工作面附近煤层被顶 底板紧紧地夹持着 承受极高的载荷 虽然并未破碎 却积聚大量的 变形能 这时煤体和围岩形成的三轴压缩应力与矿山压力处于临界平 衡状态 采取的各种卸压解危措施正是为了减缓这种临界状态 把夹 持状态下煤层的侧向约束解除掉 使已形成的局部高压力分散转移到 较广区域 由于卸压措施造成煤体局部破裂 降低了强度 应力重新 分布 从而释放或降低了煤体 岩体 中的弹性能 使工作面前方一定 范围内成为安全区 六 卸六 卸压压爆破爆破 卸压爆破是对已形成冲击危险的煤体 用爆破方法减缓其应力集 中程度的一种解危措施 实施卸压爆破应采取深孔爆破方法 孔深应 达到支承压力峰值区 装药位置越靠近峰值区 炸药威力越大 爆破 解除煤层应力的效果越好 卸压爆破能同时局部解除 冲击地压发生的强度条件和能 量条件 即在有冲击危险的工 作面卸压和在近煤壁一定宽度 的条带内破坏煤的结构 但不落 煤 使它不能积聚弹性能或达 不到威胁安全的程度 这样在 工作面前方形成一条卸压保 护带 如图 5 16 所示 隔绝了 工作空间与处于煤层深处的 高应力区 显然 从防治冲击 地压的角度看 用适量的炸药 爆破出尽量宽的保护带为好 根据多年的观测实践证明 如果能保证在工作面前方和巷道两帮始终 保持一个宽为 5 10m 的保护带 就能防止冲击地压的危害 卸压爆破属于内部爆破 主要物理作用是使煤层产生大量裂隙 试验表明 爆破使炮孔周围形成破碎区和裂隙区 破碎区远小于裂隙 区 径向裂隙穿过切向裂隙 说明径向裂隙扩展在前 切向裂隙形成 在后 如图 5 17 所示 爆破后 冲击波首先使煤体破裂 继之爆生气 体进一步使煤体破裂 在气体压力作用下 煤体沿径向移动 形成切 图 5 16 卸压爆破示意图 图 5 17 实验室装置和裂隙分布 a 爆破试验装置 b 裂隙分布 向拉应力 产生径向拉破裂 随着裂隙的扩展 气体通过裂隙扩散到 煤体中 与煤体产生热交换 同时气体的体积增大 而温度和压力下 降 当裂隙前端的应力强度因子小于断裂韧性时 裂隙停止扩展 当 压力小于临界值时 因原先受压贮存在煤体中的弹性能释放 使煤体 向炮孔中心移动 在煤体中产生径向拉伸作用 导致切向破裂 但径 向裂隙的扩展远大于切向裂隙 造成煤层性质变化的主要因素是径向 裂隙 根据弹塑性理论 把采煤工 作面简化为平面应变的力学模型 以龙凤矿为例的计算结果表明 卸压爆破使煤壁前方的支承压力 重新分布 应力梯度变小 峰值 压力移往煤体深部 7m 以远 如 图 5 18 所示 屈服区比爆破前增 加近一倍 能量密度明显减小 综上所述 卸压爆破在煤体 中产生大量裂隙 使煤体的力学性质发生变化 弹性模量减小 强度 降低 弹性能减少 破坏了冲击地压发生的强度条件和能量条件 由 于煤体内裂隙的长度和密度增加 按照失稳理论 还具有致稳作用和 止裂作用 防止了冲击地压的发生 图 5 18 支承压力分布曲线 说明 实线为爆破前 虚线为爆破 后 实施卸压爆破前必须先进行 钻屑法检测 确认有冲击危险时 才进行卸压爆破 爆破后还要用 钻屑法检查卸压效果 如果在实 施范围内仍有高应力存在 则应 进行第二次爆破 直至解除冲击 危险为止 为了安全生产 通过卸压爆 破在工作面前方和巷道两帮形成 一个有足够宽度 大于 3 倍采高 的卸压保护带 所以卸压爆破的深度 对巷道两帮应等于保护带宽度 对采煤工作面应等于保护带宽度加上 工作面进度 爆破孔的孔深取决于卸压深度 一般要求等于或大于整个应力集 中区的宽度 由于孔深药量多 为保证殉爆可用导爆索连接加强引爆 为使药卷能装到孔底 可先把药卷装在软管里或用非金属材料绑扎后 进行装药 如图 5 19 所示 爆破孔布置方式应根据具体条件确定 通 常用煤电钻打眼 孔径 50 55mm 孔间距 4 10m 每孔装药量按不 超过孔深一半计算 一般为 1 5 3 0kg 钻孔不装药部分必须填满水 炮泥或粘土炮泥 躲炮距离 150m 躲炮时间 30 40min 以上 门头沟矿 龙凤矿 唐山矿 天池矿等都成功地使用卸压爆破方法 图 5 19 卸载爆破钻孔示意图 1 弯曲的炮泥卷 2 钻孔 直径 50mm 3 带滑动保护罩的侧 翼炮泥 4 药卷软管 5 一导爆 索 6 一引爆线 7 20 卷直径为 30mm 的炸药 取得良好的效果 门头沟矿在二槽煤条件下 进行了卸压爆破试验 并逐步 推广应用 二槽煤开采时采用 刀柱式采煤法 采深 420 500m 煤层厚度 1 82 3 2m 倾角 10 15 煤 层有较大起伏 试验区是冲击 地压严重区 采掘过程中曾发 生 7 次 2 级以上的冲击地压 为了选择确定合理的爆破参数和测定爆 破效果 首先进行了有限元分析 在试验过程中进行了相对应力测试 地音监测和钻屑法检测 试验结果表明 在相同的炸药和相同的煤岩 性质条件下 不同孔深和孔距 不同爆破工艺其爆破效果是不同的 孔深合适 封孔质量好 则爆破效果也好 爆破孔附近煤体的爆破效 果最佳 应力明显降低 约降低 20 随着离爆破孔距离的增大 爆 破作用逐步衰减 一般卸压范围 8 16m 钻屑法检测表明 卸压爆破 后钻屑量明显降低 应力峰值移向煤体深部 如图 5 20 所示 在门头沟二槽煤层条件下 卸压爆破的参数为 孔径 45mm 孔 深 5 8m 孔距 4 8m 装药量每孔 1 1 5kg 装药方式为偶合装药 反向爆破 用黄泥封孔 封孔长度不小于 1m 图 5 20 煤层卸压爆破对煤粉的影 响 天池煤矿的卸压爆破参数为 孔深 4 8m 孔间距 3 6m 孔径 50 55mm 用 42mm 钻头 每孔装药量 1 0 3 5kg 用瞬发雷管引 爆 6m 以上深孔装两发雷管 炮泥封孔 龙凤矿进行卸压爆破时 用普通煤电钻打眼 用 42mm 钻头 按 垂直煤壁方式布孔 钻孔倾向与工作面顶板线一致 孔深 4 6m 孔 间距 3 5m 每孔装药量 1 1 4kg 黄泥封孔 填满填实 瞬发雷管起 爆 在孔底药卷中加一段煤矿安全型导爆索 每次起爆二孔 也可多 孔起爆 城子矿的 250 水平八层西大巷煤柱 由于采取卸压爆破等措施 得当 安全回收全部煤炭 没有发生冲击地压事故 该煤柱在 1971 年 曾回收过 由于冲击地压严重 并造成人员伤亡事故 而被迫停采封 闭 时隔近 20 年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱 再行回收存在着 冲击地压和培顶的严重威胁 在回收过程中严格执行每循环都进行超 前卸压爆破的措施 开切眼掘进时 就开始进行超前卸压爆破 孔数 3 4 个 孔深 4 5m 回采工作面沿倾向方向每 5m 布置一个卸压爆 破孔 孔深为循环进度的 3 倍 每孔装药量 3 5 个药卷 0 5 1 0kg 卸压炮眼与工作面落煤炮眼同时起爆 取得较好效果 唐山矿在 5287 北 工作面中部二西大巷 采用卸压爆破方法防 治冲击地压取得成效 使用 1 2kw 煤电钻和普通麻花钻杆 42mm 钻 头 炮眼沿巷道壁中部走向布孔 每帮布置 2 3 孔 孔距 2 4m 孔 深 5 8m 钻孔角度斜向工作面 与煤壁夹角呈 50 60 上仰 10 使用矿用安全炸药 平均每米装药量 100g 300g 水炮泥封孔 全部 封满 为不影响生产 在准备班放炮 一次起爆 4 6 个孔 用钻屑法 检测爆破前后的钻屑参数和统计 板炮 微冲击 次数以验证卸压爆 破的效果 检测表明 卸压爆破后支承压力峰值往煤壁深部转移 应 力降低 中型 板炮 次数减少 44 67 大型 板炮 减少 64 但 小型 板炮 次数却增加 62 说明卸压爆破使煤体内微破裂增强 裂 隙增多 脆性减弱 塑性增加 反映了原有的集中应力转化为连续的 低能量释放 大大减少了弹性能的大量积聚和集中释放 从而减缓或 消除了冲击地压及其危害 陶庄矿开采 270 下山煤柱交汇区煤柱时 在工作面前方巷道中采 用卸压爆破法卸压 该区地质构造简单 工作面长度 90 140m 煤层 厚度 4 6m 倾角 5 6 11 5 顶板为坚硬中粒石英砂岩 煤层属强烈 冲击倾向 WET 7 02 煤层 沿工作面前方 10 50m 内的各巷道交替 连续进行卸压爆破 并用钻屑法检验爆破效果 检测曲线见图 5 21 检验结果表明 在开采交汇区期间 前方巷道没有发生冲击地压 卸 压爆破参数为孔深 6 8m 孔间距 5 10m 装药量每孔 3 4kg 使 用 45mm 钻头打眼 瞬发雷管起爆 2 3 孔为一组 由掘进头 10 15m 开始 依次向外施工 波兰在上西里西亚煤田各矿也广泛 采用卸压爆破方法松动煤体 以减少冲 击地压危险性 根据多年的经验 几米宽 的安全带对减缓和消除冲击地压对工作 面的威胁是足够的 该安全带宽度的形 成所需的炸药量应根据不同条件试验确 定 按 A 克拉维茨建议 炸药量 单孔 中为 3kg 炮眼长度 全部垮落长壁工作面为 6m 水砂充填长壁工作 面 按顶板暴露长度选取 顶板暴露 4m 以下 最有利的炮眼长度为 6m 5m 以下为 7 m 6m 以下为 7m 7m 以下为 8m 8m 以下为 9m 相邻炮眼的间距为 2 5 3m 炮眼布置在工作面高度的一半处 炮眼方向应垂直于煤壁 线并平行于层理 炮眼的炮泥必须填满填实 在使用导爆索引爆时 应采用电动瞬时起爆器 卸压爆破的优越之处在于 一是简便易行 尤其对于炮采工作面 卸压爆破可以作为采掘的一道工序 而且爆破时人员远离危险地点 比较安全 与其它解危措施相比 工时消耗也较低 二是卸压爆破效 果可以用钻屑法等方法检查 装药量也可适当控制 因此也比较可靠 其不足之处是卸载范围不易掌握 卸载效果不能持久 爆破技术尚需 改进 目前世界上几乎所有煤矿有冲击地压的国家 都把卸压爆破作 图 5 21 卸压爆破效果 检验曲线 为冲击地压的主要解危措施 七 七 钻钻孔卸孔卸压压 钻孔卸压是利用钻孔方法消除或 减缓冲击地压危险的解危措施 此法 基于施工钻屑法钻孔时产生的钻孔冲 击现象 钻进愈接近高应力带 由于 煤体积聚能量愈多 钻孔冲击频度越 高 强度也越大 尽管钻孔直径不大 但钻孔冲击时煤粉量显著增多 因此 每一个钻孔周围形成一定的破碎区 当这些破碎区互相接近后 便能 使煤层破裂卸压 煤层支承压力峰值部位钻孔的破裂和卸压作用如 图 5 22 所示 钻孔卸压的实质是利用高应力条件下 煤层中积聚的弹 性能来破坏钻孔周围的煤体 使煤层卸压 释放能量 消除冲击危险 向煤体钻孔时 排出的煤粉量由两部分组成 一部分是钻孔过程 中与孔径相同的圆柱煤体破碎而成的煤粉 另一部分是成孔后孔周围 应力重新分布 孔内壁发生收缩变形 在钻进过程中形成的煤粉 前 者与钻头直径有关 后者与煤的力学性质和孔周围应力状态有关 采 用通常的假设 视其为均质 各向同性 具有圆孔的无限大平面应变 弹塑性问题 采用库仑一摩尔准则为钻孔后出现非弹性变形的屈服条 图 5 22 在煤层中钻孔的卸 压作用 件 把载荷视为静水压力状态的轴对称问题并考虑出现非弹性区后煤 的应变软化性质和扩容 建立煤体应力和钻屑量之间的关系 煤的本 构关系如图 5 23 所示 钻孔周围弹塑性分析如第四章图 4 4 所示 根据公式 4 4 4 10 的分析 钻屑量 G 与其正常值 Gc a2的 比值为 5 5 ccc q q p q q Ea R GG 1 1 2 1 11 1 2 2 以上公式中参数的选择很重要 例如钻孔半径 a 由于钻孔时出现非 弹性变形区 煤体强度降低 在应力 作用下孔壁破裂塌落 孔径扩大 非 弹性区也随之扩大 非弹性变形增加 又可能产生新的塌落 孔径继续 扩大 但另一方面由于非弹性变 形区扩大 最大主应力降低 最 小主应力增加 使钻孔稳定性增 加 孔壁停止塌落 最终达到平 衡 所以式中孔径 a 不是钻头的 半径 而是实际成孔的半径 理 论和实践证明 成孔后的孔径随 图 5 23 煤的本构关系 图 5 24 卸压钻孔布置方式 a 巷道内布置方式 b 采煤工 作面布置方式 1 钻孔 2 巷道 3 工作面 煤体应力的增加而增大 在特殊情况下 可能出现孔壁塌落失稳现象 钻屑量呈数十倍增加 而式中的塑性性质系数 m 理应根据实验室测 得的 全程曲线拟合求取 但很难办到 但可以利用专门围压装置 进行试验求取 参见钻屑法部分 一般 m 值变动在 0 2 0 4 之间 钻孔卸压作为防治冲击地压的积极措施 正逐渐得到普遍应用 卸压钻孔的布置方式如图 5 24 所示 钻孔直径 76 500mm 在前苏 联和联邦德国等国家 采用了能打直径 250 300mm 钻孔的遥控钻 机 钻孔卸压得到广泛应用 经验表明 在多数情况下煤层钻孔是防 治冲击地压的有效方法 钻孔卸压在德国等国家被认为是最为实用有效的方法 作为安全 措施 该法是德国唯一得