靖曉穎

(開灤(集團)有限責(zé)任公司,河北省唐山市,063018)

開灤礦區(qū)深部構(gòu)造區(qū)動力災(zāi)害防治技術(shù)研究

靖曉穎

(開灤(集團)有限責(zé)任公司,河北省唐山市,063018)

針對開灤礦區(qū)開采深度大、地質(zhì)條件復(fù)雜、原巖地應(yīng)力大、采動應(yīng)力疊加等不利因素,進行了本礦區(qū)動力災(zāi)害的防治研究。分析了沖擊地壓誘發(fā)因素,建立了構(gòu)造區(qū)綜合防范體系,采取了斷頂、斷底、大直徑卸壓、深孔爆破、加強支護和提高人員防護措施等防治技術(shù),為開灤礦區(qū)深部煤層安全開采提供了技術(shù)保障。

深部開采 動力災(zāi)害 防治技術(shù) 開灤礦區(qū)

開灤礦區(qū)現(xiàn)已有130多年的開采歷史,開采深度最深達到了－1200 m,隨著開采深度的增加,采場壓力越來越大,構(gòu)造應(yīng)力積聚嚴(yán)重,巷道變形越來越嚴(yán)重,受動力災(zāi)害的破壞和影響越來越明顯,大埋深、構(gòu)造復(fù)雜、沖擊危險煤層的安全開采是目前我國急需研究解決的課題。隨著煤礦開采深度的增加,勢必造成深部、構(gòu)造復(fù)雜和動壓危險的煤層在未來開采中所占比重逐漸增加。為了實現(xiàn)沖擊煤層的安全開采,對開灤礦區(qū)趙各莊礦、唐山礦等具有沖擊傾向的煤層的構(gòu)造區(qū)進行了動力現(xiàn)象預(yù)測與防治研究與試驗,通過現(xiàn)場實施,實現(xiàn)了深部構(gòu)造區(qū)動力災(zāi)害區(qū)域的安全生產(chǎn)。

1 概況

開灤礦區(qū)石炭二疊系總厚度為490～530 m,含煤15～20層,煤層總厚度20～28 m,含煤系數(shù)為3.91%～5.57%,其中7＃、8＃、9＃、12＃煤層為主要可采煤層,5＃、6＃、7＃、11＃、14＃煤層為局部可采煤層,3＃煤層等為不可采煤層。開灤礦區(qū)整體受到開平向斜的影響,動力災(zāi)害嚴(yán)重的礦井則受到構(gòu)造的影響。如趙各莊礦的井口西翼區(qū)域是寬緩向斜軸部,動力災(zāi)害明顯;唐山礦的485區(qū)域?qū)儆谂璧讌^(qū)域,沖擊災(zāi)害在盆底區(qū)域顯現(xiàn)特別突出;呂家坨礦屬于向背斜復(fù)合區(qū)域,煤系地層中斷裂構(gòu)造異常復(fù)雜,在大的斷層附近伴隨動力現(xiàn)象。這些礦井的深部構(gòu)造區(qū)域總體上呈現(xiàn)出動力災(zāi)害較明顯的特征,因此需要進行分析研究其成因與防治對策。

根據(jù)開灤礦區(qū)深部煤巖物理力學(xué)性質(zhì)實驗,深部所開采部分煤層為沖擊傾向性煤層,特別是開采深度的增加、原巖地應(yīng)力增大為誘發(fā)動力災(zāi)害提供了能量;生產(chǎn)區(qū)域地處斷層地帶,斷層煤柱留設(shè)導(dǎo)致工作面呈現(xiàn)不規(guī)則分布,容易形成采動高應(yīng)力區(qū),同時,深部構(gòu)造應(yīng)力不易釋放,使得開灤礦區(qū)深部煤層動力災(zāi)害發(fā)生的可能性增加。

2 開灤礦區(qū)動力災(zāi)害誘發(fā)因素分析

(1)沖擊傾向性。沖擊傾向性是動力災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)因,傾向性是動力災(zāi)害發(fā)生的必要條件。通過對趙各莊礦、唐山礦地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域的煤樣及頂板現(xiàn)場取樣,測定沖擊特性,認(rèn)為趙各莊礦12＃煤層、唐山礦5＃煤層具有沖擊傾向性。開灤礦區(qū)的其他煤礦在構(gòu)造區(qū)域部分煤層也同樣存在沖擊傾向性。

(2)開采水平原巖地應(yīng)力的增加。隨著開采深度的增加,礦山壓力增大,沖擊煤層容易發(fā)生動壓型破壞,原始區(qū)域巷道掘進時有輕微沖擊,在構(gòu)造區(qū)域進行巷道掘進會伴隨大的動壓釋放,出現(xiàn)明顯的能量釋放現(xiàn)象。

唐山礦在采深超過600 m的構(gòu)造區(qū)域出現(xiàn)了動壓顯現(xiàn),說明該礦的構(gòu)造區(qū)域?qū)儆跊_擊能量釋放范圍。

通過現(xiàn)場地應(yīng)力監(jiān)測,趙各莊礦12＃煤層(均厚9.7 m)單軸抗壓強度約為20 MPa,趙各莊礦不同埋深下自重應(yīng)力的變化見表1。從表1可知,趙各莊礦1000 m以下埋深工作面的自重應(yīng)力已經(jīng)遠超過煤體單軸抗壓強度,再加上構(gòu)造破壞與構(gòu)造應(yīng)力作用,煤體一開挖便會出現(xiàn)破壞,并伴隨動力現(xiàn)象。同時,由于開采留有大量的煤柱,也會造成應(yīng)力疊加現(xiàn)象,特別是斷層、褶曲等不規(guī)則區(qū)域的煤柱,更容易出現(xiàn)應(yīng)力異?，F(xiàn)象,煤巖體內(nèi)會存儲大量的變形能,在掘進巷道時易引起動力現(xiàn)象。

表1 趙各莊礦不同埋深下自重應(yīng)力的變化

(3)采動應(yīng)力的疊加作用。煤巖沖擊動力失穩(wěn)的發(fā)生與采礦活動的擾動是密切相關(guān)的。由于煤礦的采掘活動破壞了原始應(yīng)力場的平衡結(jié)構(gòu),產(chǎn)生與開采相關(guān)的動態(tài)應(yīng)力場。而動態(tài)應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力耦合作用使局部區(qū)域出現(xiàn)超過原始應(yīng)力2～5倍的高應(yīng)力,該高應(yīng)力區(qū)就是能量釋放空間,也是動力現(xiàn)象的能量主要來源。

深部構(gòu)造區(qū)域如果遺留下殘存煤柱,更容易造成異常應(yīng)力集中,主要原因是殘存煤柱與構(gòu)造應(yīng)力一起釋放疊加能量,當(dāng)煤層具有沖擊危險時,這種破壞屬于脆性破壞,破壞時伴隨能量釋放,造成動力現(xiàn)象。

煤層開采后,在工作面煤體和圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,在工作面上下兩巷道超前范圍內(nèi)承受較高的支承壓力,在鄰近采空區(qū)的煤體內(nèi)還要受到側(cè)向固定支承壓力的作用,多種壓力相互迭加使煤體內(nèi)的應(yīng)力集中程度增高,易于發(fā)生煤巖沖擊動力失穩(wěn)。

(4)斷層褶曲區(qū)域動力現(xiàn)象。斷層與牽引斷層是開灤礦區(qū)的主要構(gòu)造特征,斷層尖端區(qū)域往往是高應(yīng)力區(qū)域。存在褶曲的區(qū)域,特別是向斜區(qū),具有殘余水平應(yīng)力。趙各莊礦井井口西翼區(qū)屬于寬緩大向斜的軸部,開采該區(qū)域的12＃煤層時常伴有大的能量釋放。

3 構(gòu)造區(qū)域防范動力災(zāi)害技術(shù)

3.1 綜合防范體系的建立

構(gòu)造區(qū)域主要受到構(gòu)造應(yīng)力與采動應(yīng)力的作用。綜合考慮主要影響因素,在構(gòu)造區(qū)域范圍內(nèi)進行合理開采與區(qū)域防控是進行整體防治的關(guān)鍵。

圖1 3137工作面防治動力災(zāi)害示意圖

老礦井除了遵守一般開采順序外,還要分析構(gòu)造區(qū)應(yīng)力分布的異常性,設(shè)計解除構(gòu)造應(yīng)力的開采順序與對應(yīng)措施。為此,在趙各莊礦十三水平井口西翼向斜軸部區(qū)域的3137東工作面進行了區(qū)域試驗研究,見圖1。

將構(gòu)造區(qū)域分為3個工作面開采,即東一、東二及東三工作面,首先開采3137東一工作面,作為試驗工作面,在掘進與回采期間進行全程監(jiān)測,東一工作面開采完畢,先掘進東二工作面運輸巷,然后掘進回風(fēng)巷與切眼,在東二面開采前,提前掘進東三面運輸巷與切眼,等東二面回采完畢后掘進回風(fēng)巷。對于向斜軸部的頂板采取斷頂技術(shù),切斷構(gòu)造應(yīng)力的聯(lián)系,釋放殘余構(gòu)造能量;對該區(qū)域主要上山進行錨索加固,保持直接頂與基本頂?shù)木o密狀態(tài);對上山兩幫煤體進行深孔爆破,爆破采取連續(xù)、密集、強威力爆破措施,確保應(yīng)力達到轉(zhuǎn)移。

3.2 防治動力顯現(xiàn)跨上山試驗

為了解決兩翼相向開采形成高應(yīng)力而導(dǎo)致動壓顯現(xiàn)問題,在趙各莊礦位于十三水平二石門的3237西上面(3237工作面分上、中、下3個面開采)進行了跨上山開采試驗,見圖2。原上山沿12＃煤層頂板布置,為了實現(xiàn)跨上山開采,采用位于該工作面停采線附近的十三水平一石門代替原上山。3237西上面采用放頂煤開采技術(shù),工作面進、回風(fēng)巷沿煤層底板布置。通過進行跨上山的應(yīng)力分析,劃分了危險區(qū)域(圖2中陰影部分),對危險區(qū)域的煤層采用了大直徑卸壓技術(shù)進行卸壓。在原上山區(qū)域兩幫布置卸壓鉆孔,鉆孔孔深20 m,孔間距0.8 m,孔徑110 mm。在兩工作面巷道距離原上山20～60 m區(qū)域布置卸壓鉆孔,孔深15 m,孔間距0.8 m,孔徑110 mm。采用跨上山開采措施,可實現(xiàn)工作面單向連續(xù)推進,將上山煤柱一并采出,避免了上山煤柱因相向開采發(fā)生動力災(zāi)害?？缟仙狡陂g進行動壓監(jiān)測,對監(jiān)測到的危險區(qū)域進行二次卸壓,實現(xiàn)了跨上山的安全開采。

圖2 3237西上面跨上山開采示意圖

4 動力災(zāi)害危險區(qū)域治理技術(shù)

開灤礦區(qū)開采歷史悠久,在構(gòu)造區(qū)域存在一些遺留煤柱,形成高應(yīng)力影響區(qū),該區(qū)域具有發(fā)生動力災(zāi)害的危險性,通過采用有效措施達到動壓防控的目的。

4.1 大直徑鉆孔卸壓技術(shù)

鉆孔卸壓技術(shù)作為防治動力現(xiàn)象的一種方法,是指在煤巖體應(yīng)力集中區(qū)或可能的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)嵤┲睆酱笥?5 mm的鉆孔,通過排出鉆孔周圍破壞區(qū)煤體或鉆孔沖擊所產(chǎn)生的大量煤粉,使鉆孔周圍煤體破壞區(qū)擴大,從而在鉆孔周圍一定區(qū)域內(nèi)煤巖體的應(yīng)力集中下降,高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤巖體的深處或遠離高應(yīng)力區(qū),實現(xiàn)對局部煤巖體進行解?；蝾A(yù)卸壓的目的。

在工作面巷道兩幫超前工作面60 m采用大直徑鉆孔卸壓,降低煤體強度,使應(yīng)力向工作面深部轉(zhuǎn)移,在圍巖中形成應(yīng)力的三向分布。如果煤粉不能及時、有效排出,則不能有效地緩解沖擊壓力,因此,強排粉是必須實施的方案。

卸壓鉆孔具體參數(shù)如下:卸壓鉆孔孔深大于18 m,卸壓鉆孔間排距1 m,卸壓鉆孔直徑110～120 mm。

初次卸壓完成后,容易發(fā)生應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。因此,需要動力在線實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)力恢復(fù)程度。如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)力值達到報警值,則需要在原鉆孔之間補打一個大直徑卸壓孔。

4.2 煤體爆破卸壓技術(shù)

煤體卸載爆破是在已確認(rèn)具有沖擊危險的區(qū)域,通過對煤體實施爆破以達到解除沖擊危險的一種動力現(xiàn)象防治措施。煤體卸壓爆破對工作面煤體應(yīng)力集中區(qū)域進行臨時性解危,保證工作面安全回采。

卸壓爆破具體參數(shù)如下:爆破孔位于工作面煤體,孔深25 m,孔徑75 mm,爆破孔間距5 m;爆破裝藥量14.4 kg(8節(jié)大直徑強力藥卷),爆破裝藥方式為分段裝藥,每4節(jié)藥卷為一段,兩段藥卷中間間隔1 m,利用直徑60 mm水泥封堵劑進行間隔封堵,最后用水泥封堵劑將孔封滿封實。

4.3 斷底爆破卸壓技術(shù)

為消除工作面巷道底板因應(yīng)力集中造成底板鼓起、巷道變形等現(xiàn)象,在工作面巷道超前60 m范圍內(nèi)進行斷底爆破,斷底爆破具體參數(shù)如下:斷底爆破位置位于工作面巷道底板,孔深15m,斷底爆破孔角度－45°,垂直于巷道走向;斷底爆破孔徑75 mm,爆破孔間距5 m;斷底爆破裝藥量7.2 kg(4節(jié)大直徑強力藥卷),最后用水泥封堵劑將孔封滿封實。

巷道在經(jīng)過斷底爆破卸壓以后,底板中水平應(yīng)力峰值明顯降低,并且應(yīng)力已向深部轉(zhuǎn)移,從而大大減小了底板發(fā)生動力現(xiàn)象的可能。

4.4 加強巷道支護技術(shù)

在工作面回采期間加強兩巷的支護強度,即在原有支護的基礎(chǔ)上,在工作面上、下巷距工作面50 m范圍內(nèi)支設(shè)單體液壓支柱,排距1.6 m,每排3柱,并在支柱間加設(shè)走向和傾向兩個方向的鋼帶鏈接裝置,保證支柱可以承受較強的水平應(yīng)力,防止支柱在受到水平應(yīng)力時倒柱。

4.5 加強人員防護技術(shù)

針對開灤礦區(qū)深部開采中遇到的煤巖動力災(zāi)害問題,建立“健全機構(gòu)、職工培訓(xùn)、預(yù)測預(yù)報、措施解危、效果檢驗、安全防護”綜合防治措施為一體的防治動力現(xiàn)象防治體系和動力現(xiàn)象三級治理機構(gòu),健全煤礦各領(lǐng)導(dǎo)安全生產(chǎn)責(zé)任制,邀請科研單位和有關(guān)院校專家教授進行技術(shù)交流,開展防治動力災(zāi)害講座,對礦級領(lǐng)導(dǎo)和中層干部進行培訓(xùn),對技術(shù)骨干進行專業(yè)培訓(xùn)。

通過人員定位系統(tǒng)、井下小靈通、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)對沖擊區(qū)域的人員監(jiān)控管理。

5 結(jié)論

(1)開灤礦區(qū)動力災(zāi)害誘發(fā)因素主要為煤巖層的沖擊傾向性、開采水平原巖地應(yīng)力的增大、采動應(yīng)力的疊加和斷層等的影響。

(2)通過采取鉆孔卸壓、爆破卸壓、斷底爆破卸壓、斷頂爆破卸壓、煤層注水卸壓、加強支護治理和加強人員防護措施等動力災(zāi)害危險區(qū)域治理技術(shù),有效地降低了開灤礦區(qū)動力災(zāi)害發(fā)生的可能,為開灤礦區(qū)深部煤層安全開采提供了技術(shù)保障。

[1] 齊慶新,彭永偉,李宏艷等.煤巖沖擊傾向性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011(S1)

[2] 鄭友剛.唐山礦深部孤島工作面沖擊地壓危險區(qū)域劃分及實測研究[J].中國煤炭,2013(3)

[3] 潘立友,張立俊,劉先貴.沖擊地壓預(yù)測與防治實用技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006

[4] 劉寶珠.深部不規(guī)則大孤島工作面沖擊地壓預(yù)測與防治技術(shù)[J].中國煤炭,2013(6)

(責(zé)任編輯 郭東芝)

Research on control technology of dynamic disasters in deep tectonic region in Kailuan mining area

Jing Xiaoying
(Kailuan(Group)Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063018,China)

Aimed at the unfavorable factors in Kailuan mining area such as large mining depth,complex geological conditions,large stress in virgin rock mass,mining superimposed stress,the author researched the control of dynamic disasters,analyzed the predisposing factors of rock burst,established a comprehensive control system in tectonic region,took the control technology measures such as breaking off the roof and floor,large diameter drillhole pressure relief,deep-hole blasting,reinforcing support and improving personal protection,provided technical support for the safe coal mining of the deep coal seams in Kailuan mining area.

deep mining,dynamic disaster,control technology,Kailuan mining area

TD324

A

靖曉穎(1964－),男,高級工程師,1987年畢業(yè)于河北煤炭建筑工程學(xué)院采礦工程專業(yè),現(xiàn)任開灤集團公司技術(shù)管理部生產(chǎn)技術(shù)室主任,常年從事煤炭采掘研究。