王義然,牟宗龍,2,3,阮國強

(1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東菏澤 274705;2.兗礦集團有限公司博士后工作站,山東鄒城 273500; 3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

礦壓與災害控制

深井火成巖侵入工作面沖擊礦壓防治

王義然1,牟宗龍1,2,3,阮國強1

(1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東菏澤 274705;2.兗礦集團有限公司博士后工作站,山東鄒城 273500; 3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

基于趙樓煤礦 1302工作面運輸巷火成巖侵入?yún)^(qū)二次底板型沖擊礦壓的分析,指出較高的原巖應力和底板火成巖與圍巖變形不協(xié)調(diào),使得火成巖區(qū)產(chǎn)生應力集中和彈性能量積聚,火成巖突然斷裂導致能量突然大量釋放是底板沖擊的根源。通過煤體卸壓爆破、底板預裂爆破可減小火成巖兩翼的應力和火成巖中部所受的彎矩,可有效改變火成巖的受力狀態(tài)和能量釋放速率,達到控制底板沖擊礦壓發(fā)生的目的。

深井;火成巖;沖擊礦壓;底板預裂爆破

沖擊礦壓是礦井開采過程中,高應力作用下聚集有大量彈性能的煤或巖體,在一定條件下突然發(fā)生破壞、冒落或拋出的動力效應。這種動力現(xiàn)象常導致巷道破壞、設備損毀甚至人員傷亡[1]。深部開采礦井原巖應力高,礦壓顯現(xiàn)與淺部礦井明顯不同,深井產(chǎn)生的巖石力學問題已成為國內(nèi)外的技術難題之一[2]。火成巖入侵改變了巖層的連續(xù)性,同時火成巖與被入侵巖層的力學性質(zhì)不同,火成巖強度高,易聚集彈性能量,火成巖的脆性破斷是導致煤巖體動力顯現(xiàn)的主要原因之一。本文基于趙樓煤礦火成巖侵入?yún)^(qū)的二次沖擊礦壓事故,分析了火成巖誘發(fā)沖擊的原因,提出了火成巖侵入工作面沖擊礦壓防治技術,對工作面回采過程中的火成巖區(qū)域巷道防沖具有重要意義,同時為類似條件礦井防沖提供有益參考。

1 工作面及沖擊概況

兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦是兗礦集團有限公司在巨野煤田投產(chǎn)的第 1個礦井,設計生產(chǎn)能力為 3.0Mt/a。于 2009年 3月 28日開始試生產(chǎn),首采工作面開采深度達到 900m,屬深部礦井。礦井開拓方式為 -860m單一水平立井開拓。1302工作面為該礦首采放頂煤工作面,工作面長 150m,走向長 899.7m,地面標高 43.6～45.7m,井下標高 -858～-870m,西北方向為正在施工的 1301工作面巷道,東南方向至 FZ14逆斷層煤柱。1302工作面設計回采 3號煤層,煤層傾角 2～13°,平均 4°,厚度 0～7.4m,平均 4.17m。采高 2.9m,平均放煤高度1.27m。

1302工作面頂、底板地質(zhì)情況如表 1所示。

表 1 1302工作面頂?shù)装迩闆r

工作面運輸巷掘進過程中,發(fā)生了多次強礦壓顯現(xiàn),其中,在火成巖入侵區(qū)域發(fā)生的 2次底板沖擊礦壓尤為嚴重。第 1次在 1302運輸巷導線點 P13前 32.5～50.5m地段,最大底鼓高度 1100mm,底板形成 2條 30～60mm寬的裂縫,底鼓巖層產(chǎn)生離層;第 2次在 1302運輸巷導線點 P13后 6m至 P13前10m地段,最大底鼓高度 400mm,底板形成寬40mm的裂縫。兩次底板沖擊礦壓均造成強烈的震動、煤壁及頂板煤渣剝落等動力現(xiàn)象,顯現(xiàn)地點如圖 1所示。經(jīng)觀測,兩次沖擊礦壓發(fā)生點底板均有1～2m厚火成巖分布。

圖1 沖擊礦壓顯現(xiàn)位置

2 底板沖擊原因分析

沖擊礦壓是煤體在高應力作用下發(fā)生的突然破壞[3-6]。趙樓煤礦 1302面運輸巷道的火成巖底板沖擊發(fā)生機理與煤體沖擊既有相同點又有區(qū)別,兩者都必須滿足強度條件和能量條件,但誘因不同。1302面采深約 900m,實測原巖最大水平應力達到36.4MPa,構(gòu)造應力較高,如表 2所示。

表2 原巖應力實測

從強度條件分析,火成巖發(fā)生沖擊時的應力必須超過火成巖的強度;從能量條件分析,巷道開挖后,受應力重新分布影響,巷道兩側(cè)應力升高,底板產(chǎn)生垂直方向的位移,由于火成巖強度高于周圍煤巖層,火成巖變形量小,產(chǎn)生應力集中,底板火成巖受力狀態(tài)類似于三點受力彎曲,同時在高水平應力作用下,集聚了大量彈性能量,當所受應力達到其極限強度時產(chǎn)生斷裂,彈性能突然釋放,發(fā)生底板沖擊礦壓。

3 沖擊礦壓防治

由于巷道底板層狀火成巖的存在,導致 1302工作面存在沖擊礦壓危險性。為了預防工作面回采期間的沖擊礦壓災害,需要提前對巷道底板層狀火成巖進行處理。由于火成巖底板沖擊的主要原因為:在高應力作用下,火成巖中部與兩翼受力不協(xié)調(diào)而導致巷道底部 (火成巖中部)斷裂,故沖擊礦壓的防治應主要從釋放應力和弱化火成巖本身入手采取措施。

3.1 煤體卸壓爆破

煤體卸壓爆破可弱化巷道幫部淺部煤體,將高應力區(qū)域向煤體深部轉(zhuǎn)移,降低巷道火成巖兩翼所受的應力,減小火成巖中部截面的彎矩。煤體卸壓爆破是采用 <42mm鉆頭打眼,炮眼深度 10m左右,爆破采用礦用乳化炸藥,每孔裝藥長 6～8m,封泥長度 4～6m,反向裝藥。鉆孔數(shù)每組 5個,間距 5m,鉆孔方向垂直巷幫,炮眼單排布置,距底板 1.2m,炮眼布置如圖 2。

圖2 煤體卸壓爆破炮眼布置

3.2 巷道底板預裂爆破

巷道底板預裂爆破的原理是在應力還未達到底板火成巖斷裂強度、火成巖及周邊煤巖體彈性能量還未大量聚集時,采用人工的方法對巷道底板火成巖進行預裂爆破,釋放火成巖集聚的應力和彈性能。爆破后,火成巖中部產(chǎn)生斷裂,改變了火成巖的三點受力狀態(tài),使后期火成巖在受力過程中與圍巖協(xié)調(diào)變形,能量緩慢釋放。

利用鉆機在距煤幫底腳約 200mm處,采用<42mm鉆頭向底板向下打斜鉆孔,鉆孔深度為5m,以能夠破壞整個火成巖厚度為準,鉆孔間距2m,鉆孔布置如圖 3所示。

圖3 底板預裂爆破鉆孔布置

用 PVC塑料管將藥卷裝到孔底,塑料管端部用膠帶塞住,采用反向耦合裝藥,鉆孔不裝藥部分用黏土炮泥填實,裝藥量約占鉆孔長度的一半,3～5個一組起爆。

在 1302工作面回采過程中,通過實施煤體卸壓爆破和巷道底板預裂爆破,火成巖區(qū)域巷道無明顯的動壓顯現(xiàn),保證了工作面的安全回采,目前該工作面已基本回采完畢。

4 結(jié)論

(1)巷道底板火成巖侵入改變了底板巖層的連續(xù)性,巷道兩幫應力升高區(qū)作用于火成巖的應力不能傳遞到深部巖體,同時火成巖強度高,不易隨周圍巖體協(xié)調(diào)變形,火成巖應力集中程度高,受力情況類似三點彎曲受力,中部彎矩大。當火成巖受力超過其強度極限時,集聚的彈性能量瞬間釋放導致底板沖擊。

(2)通過煤體卸壓可以改變巷道周圍煤體的受力狀態(tài),將煤體高應力區(qū)向深部轉(zhuǎn)移,減小作用于火成巖兩翼的應力,降低火成巖中部的彎矩,從而降低火成巖突然斷裂形成沖擊的可能性。

(3)巷道底板預裂爆破可以改變火成巖受力狀態(tài)、釋放火成巖積聚的能量、降低工作面回采過程中圍巖釋放能量的速率,從而有效防止底板沖擊災害的發(fā)生。

[1]竇林名,趙從國,楊思光,等.煤礦開采沖擊礦壓災害防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2006.

[2]何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等.深部開采巖體力學研究 [J].巖石力學與工程學報,2005,24(16):2803-2813.

[3]齊慶新,竇林名.沖擊地壓理論與技術 [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2008.

[4]陸菜平,竇林名,吳興榮,等.煤礦沖擊礦壓的強度弱化[J].北京科技大學學報,2007,29(11):1074-1078.

[5]何 燁,彭 飛,胡學軍,等.濟二礦首例孤島綜放面沖擊礦壓監(jiān)測治理 [J].中國礦業(yè)大學學報,2004,33(5).

[6]竇林名,何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術 [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2001.

[責任編輯:李宏艷]

Rock-burst Prevention and Control of DeepM in ing Face Influenced by Intrusive Igneous Rock

WANG Yi-ran1,MOU Zong-long1,2,3,RUAN Guo-qiang1

(1.Zhaolou Colliery,Yanmei Heze Energy Chemical Co.,Ltd,Heze 274705,China; 2.PostdoctoralWorking Station,YanzhouMining Group Co.,Ltd,Zoucheng 273500,China; 3.State KeyLaboratory of Coal Resource&SafeMining,Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

Based on the analysisof floor rock-burst influenced by intrusive igneous rock in transportation roadwayof 1302 mining face in Zhaolou Colliery,the paper pointed out that higher geo-stress and defor mation discordance of floor igneous rock and surrounding rock made stress concentration and elastic energy accumulation in igneous rock area.Sudden rupture of igneous rock caused energy release rapidly and induced floor rock-burst.Stress at two sides and bending moment at the middle of igneous rock might be reduced and stress state and energy relief ratio might be changed by pressure-relief blasting and floor pre-crack blasting to control floor rock-burst.

deep mine;igneous rock;rock-burst;floor pre-crack blasting

TD324

A

1006-6225(2010)06-0077-03

2010-07-13

中國礦業(yè)大學科技基金 (青年)資助項目 (2007A004);中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放研究基金項目 (08KF09)。

王義然 (1968-),男,山東青島人,工程師,現(xiàn)任趙樓煤礦技術科防沖辦主任,從事采礦工程工作。