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        深井厚煤層綜放工作面動力災(zāi)害防治技術(shù)探究

        2014-11-26 12:12:54曹允欽魏振全
        中國煤炭 2014年7期

        曹允欽 魏振全 沈 偉

        (山東能源棗礦集團田陳煤礦,山東省滕州市,277523)

        田陳煤礦位于滕南礦區(qū)南部,井田內(nèi)地勢東北高西南低,地面標高+54.98~+35.11m。隨著開采深度的不斷延伸,北七采區(qū)開采深度已達到800m,采區(qū)煤層平均厚度6.5m,上覆頂板為80m厚的中細砂巖和53.5m厚的礫巖是誘發(fā)沖擊地壓和礦震的主要動力源,采掘過程中煤炮頻繁,礦壓顯現(xiàn)明顯。解決深部支護難題和有效防范沖擊地壓災(zāi)害成為田陳煤礦面臨的新課題。為提高沖擊地壓防治水平,田陳煤礦提出了震動場、應(yīng)力場一體化的沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)及分區(qū)治理思路,構(gòu)建了聯(lián)合監(jiān)測沖擊地壓的平臺,通過采用煤層大直徑鉆孔防沖技術(shù),有效降低了工作面沖擊危險程度。

        1 工作面概況

        3下7110工作面位于北區(qū)西翼下山右翼,標高-673~-740m,平均標高-720m,工作面東側(cè)為7-15斷層,與3下7108綜放工作面采空區(qū)毗鄰,西側(cè)為7-14斷層,切眼與金莊井田毗鄰,3下7110綜放工作面平面位置如圖1所示。

        圖1 3下7110綜放工作面平面位置示意圖

        3下7110工作面煤層賦存較穩(wěn)定,煤層厚3.5~9.0m,煤層大部分含1層0~0.5m泥巖夾矸,受左側(cè)較大斷層影響,煤層局部破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤層頂?shù)装鍡l件均為Ⅱ類。基本頂為厚66~100m的中、細砂巖,普氏硬度系數(shù)為8~12;直接頂為0.1~4.0m的粉砂質(zhì)泥巖,普氏硬度系數(shù)為3~4;直接底為2.5~3.8m的粉砂質(zhì)泥巖,煤層底板有0.2m炭質(zhì)泥巖,普氏硬度系數(shù)為3~4;基本底為20~35m的細砂巖,普氏硬度系數(shù)為6~8。

        2 監(jiān)測預(yù)警平臺

        田陳煤礦為研究沖擊地壓發(fā)生征兆,探明采動影響下應(yīng)力變化與微震變化規(guī)律,指導(dǎo)制定防沖措施,特別在3下7110工作面安裝了KJ21煤體應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)、ARA MIS m/E微震監(jiān)測系統(tǒng)。

        根據(jù)工作面沖擊危險區(qū)域及程度劃分結(jié)果,結(jié)合KJ21煤體應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)特點及工作面地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況,3下7110綜放工作面運輸巷重點監(jiān)測工作面初次來壓、一次見方、二次見方及工作面周邊情況,考慮工作面運輸巷側(cè)未進行采掘活動,主要采取一般觀察,布置三組應(yīng)力監(jiān)測測點收集數(shù)據(jù);3下7110綜放工作面軌道巷距離底板0.8~1.5m高度每30m布置一組測點,監(jiān)測距離超前工作面200m處。每組測點布置2個KSE-Ⅱ-1鉆孔應(yīng)力計,1個應(yīng)力計水平埋設(shè)在巷道幫煤體深度7m處,另1個應(yīng)力計水平埋設(shè)到巷道幫煤體深度15m處。

        通過對多個應(yīng)力曲線總結(jié),工作面超前支承壓力影響范圍在超前工作面35~45m之間,峰值在超前工作面10~15m,持續(xù)影響距離14~18m,工作面前采動影響距離130~150m。礦壓顯現(xiàn)主要集中在工作面初次來壓、周期來壓、過聯(lián)絡(luò)巷、末采期間及中間巷附近,主要表現(xiàn)為頂板下沉、巷道大變形、煤炮增加、錨桿錨索崩斷。

        結(jié)合ARA MIS m/E微震監(jiān)測系統(tǒng)特點及3下7110工作面布置方式,重點觀測軌道巷走向長度320~560m周邊區(qū)域 (見圖1),設(shè)計在軌道巷走向長度410m、570m,運輸巷走向長度410m、880m、1120m,西翼軌道下山位置安裝6個微震監(jiān)控探頭。

        3下7110綜放工作面實行 “四六制”作業(yè),中班檢修,早班、晚班、夜班均為生產(chǎn)。對能量事件按照班次進行統(tǒng)計分析,將事件按照能量大小分為大能量事件 (能量在104J以上事件為大能量事件)和小能量事件 (能量在104J以下事件為小能量事件),只有大能量事件才可能誘發(fā)沖擊災(zāi)害。在3下7110綜放工作面對大能量事件和小能量事件進行了統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

        表1 大能量事件和小能量事件統(tǒng)計結(jié)果 次

        從班次來看,大能量事件主要集中在生產(chǎn)班,小能量事件基本持平,無明顯差異。說明工作面采動過程中容易誘發(fā)沖擊危險。對檢修班45次大能量事件進行統(tǒng)計分析,前2h共有事件19次,總能量大小為4.3×107J,后4h共有事件26次,總能量大小為2.0×107J。

        從微震事件發(fā)生時間段來看,大能量事件主要集中在生產(chǎn)班與生產(chǎn)班結(jié)束之后2h內(nèi),說明這一時間段沖擊危險程度較高,工作面生產(chǎn)期間必須實行限員管理,除必要崗點外一律不準入內(nèi),生產(chǎn)任務(wù)結(jié)束后需封閉工作面2h再進行工作面檢修作業(yè)。

        從微震事件發(fā)生標高來看,微震事件發(fā)生高度集中在-673~-740m標高,以10月7日-10月10日59次微震事件為例,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果頂板事件占56%,煤層事件占20%,底板事件占24%;頂板事件距離最大者為距切眼306m處,距離煤層44m,說明上覆高位巖層依然未發(fā)生斷裂;底板事件距離最大者為距切眼622m處,距離煤層33m。

        統(tǒng)計結(jié)果表明,微震事件分布范圍廣,多集中在地質(zhì)構(gòu)造帶,說明微震時間不一定是受超前支承應(yīng)力影響發(fā)生的,更多的是地質(zhì)構(gòu)造受采掘活動影響活化重新達到應(yīng)力平衡的過程中產(chǎn)生的;從微震事件發(fā)生位置分析,沖擊地壓不一定發(fā)生在工作面超前支承應(yīng)力范圍內(nèi),還有可能發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造等應(yīng)力集中區(qū),進行采掘活動時過地質(zhì)構(gòu)造帶及煤層賦存變化帶要引起高度重視。

        3 卸壓解危方案

        3.1 強支護

        軌道巷采用錨網(wǎng)梯 (帶)索支護作為頂板永久支護,即頂部打設(shè)4根高強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿,錨桿間排距為1000mm×900mm,鋪掛鋼筋網(wǎng)及鋼筋梯 (W鋼帶),在煤層頂板或頂板破碎段每隔三排距離在巷中打設(shè)1根錨索;兩幫部各打設(shè)4根普通樹脂錨桿,掛鐵絲網(wǎng)配鋼筋梯,其間排距為1000mm×900mm。頂板錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm,幫部錨桿規(guī)格為?18mm×2000mm,頂板鋼筋梯規(guī)格為4000mm×70mm,W鋼帶規(guī)格為4000mm×275mm×2.75mm,錨索規(guī)格為?17.8mm的鋼絞線,其長度以其能錨入硬巖的深度不小于1.5m為準,兩幫鋼筋梯規(guī)格為3100mm×70mm,鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3400mm×1070mm,幫部鐵絲網(wǎng)規(guī)格為6000mm×1600mm。斷面形狀不規(guī)則,巷道凈寬為3.8m、凈高為3.2m,凈面積12.16m2。

        工作面安裝9000-23/50型支撐掩護式液壓支架對頂板進行支護,采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。最小控頂距5.05m,最大控頂距5.85m。

        軌道巷超前支護采用單體液壓支柱配合HDJB-1000型鉸接頂梁支護,三排支護長度不小于60m,柱距為1m (誤差±0.1m),每根單體液壓支柱必須穿?400mm鐵鞋,拴齊防倒繩或防倒桿。單體液壓支柱防倒繩不少于兩道,防倒繩拴在單體液壓支柱的中上部。

        機尾無液壓支架地段采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護。當(dāng)刮板輸送機機尾伸出支架超過0.5m時,必須在其上方架設(shè)4.4m長的π型鋼棚支護頂板。π型鋼棚必須成對使用,一梁三柱,交替邁步前移,正巷第一棚與液壓支架間距不大于0.5m,兩根π型鋼棚之間間距不大于0.3m。工作面兩端頭必須留下寬度不小于0.8m、高度不小于1.8m的安全出口。

        3.2 強卸壓

        沖擊地壓卸壓解危處理方法主要有頂板預(yù)裂、卸壓鉆孔及爆破卸壓等方法,根據(jù)田陳煤礦實際情況,最有效方法就是采取大孔徑卸壓鉆孔進行卸壓,通過實施大直徑鉆孔,煤體積聚能量高的地方將發(fā)生孔內(nèi)沖擊,排出大量煤粉,鉆孔周圍將形成一定破碎區(qū),破碎區(qū)相互連接后將造成巷道一定深度圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞,形成一個弱化帶,引起巷道周邊圍巖內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,從而使巷道周邊附近圍巖處于低應(yīng)力區(qū),當(dāng)發(fā)生沖擊時,一方面大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉,防止煤體沖出,另一方面卸壓區(qū)內(nèi)頂?shù)装宓拈]合產(chǎn)生楔形阻力帶,能夠一定程度阻止煤體沖出。

        采煤工作面卸壓鉆孔布置巷道靠工作面?zhèn)?,鉆孔仰角沿煤層布置,孔口距底板1.0~1.5m;孔徑?110mm,孔深25m,間距2m,監(jiān)測到高度沖擊危險時需要調(diào)整卸壓鉆孔密度。

        3.3 卸壓效果

        通過微震發(fā)生位置進行對比可以看出,微震事件逐漸遠離巷道幫部,向煤層深部轉(zhuǎn)移,將應(yīng)力集中區(qū)限定到工作面內(nèi)部,避免了誘發(fā)巷道沖擊。

        根據(jù)2013年9月10-9月17日微震觀測結(jié)果,預(yù)測運輸巷走向長度400~430m處受巷道開挖與7-15斷層影響形成的地質(zhì)孤島煤柱應(yīng)力集中,微震事件頻發(fā),屬于薄弱區(qū)段,容易出現(xiàn)微震事件誘發(fā)煤柱煤體沖出或大面積片幫,安全隱患大。鉆孔卸壓前微震事件投影見圖2。

        圖2 鉆孔卸壓前微震事件平面投影圖

        針對上述問題,9月18日-9月20日在該區(qū)域組織施工卸壓鉆孔,鉆孔深度以在施工過程中鉆進到巖層為準,孔口高度0.5~1.5m,鉆孔直徑110mm,孔間距3m。

        實際施工過程中以400~425m范圍為界,每3m使用氣動鉆機施工1個卸壓鉆孔,鉆桿直徑69mm,鉆頭直徑110mm,成孔直徑達到120 mm,累計施工卸壓鉆孔8個,深度都已見巖層200mm為準,平均深度8m。

        圖3 鉆孔卸壓后微震事件平面投影圖

        施工卸壓鉆孔后,對9月21-9月28日微震觀測結(jié)果進行分析,鉆孔卸壓后微震事件平面投影見圖3。由圖3中可以明顯看出微震事件次數(shù)明顯減少,能量明顯減弱, 維修成本高、影響安全生產(chǎn)等缺點,極大地減輕工人的勞動強度,與U形鋼可縮性拱形支架相比成本有了很大地降低,在同類型的巷道加固中具有很高的推廣價值。

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