義馬煤田沖擊礦壓分析及防治實(shí)踐

田富軍

(義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南義馬 472300)

義馬煤田沖擊礦壓分析及防治實(shí)踐

田富軍

(義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南義馬 472300)

針對(duì)義馬煤田的沖擊礦壓災(zāi)害,通過分析形成原因,確定沖擊類型,創(chuàng)立健全機(jī)構(gòu)、安全培訓(xùn)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、解危措施、效果檢驗(yàn)、安全防護(hù)等多種手段為一體的防治體系,沖擊礦壓防治取得了良好的效果。

沖擊礦壓;原因分析;防治體系

Analysis and Prevention Practice of Rock-burst in Y ima Coal Field

義馬煤業(yè)集團(tuán)主要礦區(qū)煤田規(guī)模開采歷史已有數(shù)十年,開采深度 400～600m的有 6對(duì),600～800m的有 3對(duì),800～950m的有 3對(duì);3處新建礦井采深也在 700～800m左右,主力礦井千秋煤礦、躍進(jìn)煤礦和常村煤礦采深已接近和超過 900m,并且開采深度以 15～40m/a的速度增加。隨著采深的增加,義馬煤業(yè)集團(tuán)躍進(jìn)、千秋等礦先后發(fā)生過嚴(yán)重的沖擊礦壓。集團(tuán)公司從掌握沖擊礦壓的發(fā)生規(guī)律入手,建立安全培訓(xùn)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、解危措施、巷道支護(hù)和管理制度等一整套適合義馬特色的防沖體系,取得了顯著效果。

1 礦區(qū)沖擊礦壓概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)情況

義馬煤田位于河南省西部義馬一澠池縣境內(nèi),是河南省境內(nèi)唯一的中生代巨厚層煤田。東起澠池縣坡頭村,西部和北部到煤層露頭線,南至 F16斷層。礦區(qū)東西走向長 25km,南北傾向?qū)?3～5km,面積 100km2。從西到東依次分布有千秋礦、躍進(jìn)礦、常村礦、耿村礦和楊村礦。義馬煤田開采侏羅系中統(tǒng)義馬組煤層,共含煤 5層,自下而上依次為底煤 2-3、底煤 2-2、中層煤 2-1、上層煤 1-2和上層煤 1-1,其中 2-1煤、2-3煤普遍可采。煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂巖及礫巖為主。煤田煤層瓦斯含量在 2.19～9.72m3/t,礦井地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件均較為簡單。煤種為長焰煤,揮發(fā)份32%～39%。2-1煤層煤厚在 0～9.55m,平均煤層厚度 3.2～4.7m;2-3煤層煤厚在 0～23.7m,平均煤層厚度 4.6～9.8 m。煤層具有沖擊傾向性。

1.2 沖擊礦壓情況

義馬煤田沖擊礦壓從 20世紀(jì) 80年代就有顯現(xiàn)。主要表現(xiàn)為響煤炮和局部支架損壞。首次有人員傷亡的沖擊礦壓是千秋煤礦。1998年 9月 3日18152下巷開口掘進(jìn) 100m,沖擊礦壓造成巷道破壞約 55m,損壞工字鋼支架的 105棚,沖擊出煤量約 532m3,停產(chǎn)約 60d。該段巷道埋深 455m。

近兩年,有記錄的沖擊礦壓有 20多次,主要發(fā)生在躍進(jìn)煤礦和千秋煤礦。最典型的是 2007年躍進(jìn)煤礦 “6.19”和千秋煤礦 “8.21”沖擊。

2 沖擊礦壓實(shí)例及原因分析

從 2007年以來,沖擊礦壓頻發(fā),破壞程度超過其他礦井災(zāi)害,已成為義馬礦區(qū)深部開采礦井安全生產(chǎn)的重大威脅。

2.1 典型沖擊礦壓實(shí)例

(1)躍進(jìn)礦 2007年 “6.19”沖擊礦壓25090工作面是 25盤區(qū)西翼第 5個(gè)工作面,回采 2-1煤。2005年投產(chǎn),綜采工作面,受水害影響,新下巷內(nèi)錯(cuò)改造,留煤柱寬度 25m,2007年 1月完成改造恢復(fù)生產(chǎn)。到 6月初,下巷可采長度余285m。巷道斷面寬 4.8m、高 2.8m;支護(hù)形式為強(qiáng)力錨網(wǎng)索支護(hù)。此時(shí),下山煤柱東翼 25090工作面回采結(jié)束并拆除,留 110m下山保護(hù)煤柱。2007年6月 19日 23時(shí),25080工作面新下巷發(fā)生沖擊,造成新下巷及外平巷 350m巷道頂?shù)组]合或半閉合,出煤量 3453m3。

這次沖擊礦壓發(fā)生,初步分析是：下巷采深超過 950m,屬嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn)區(qū);25080下巷改造留設(shè)煤柱,形成局部應(yīng)力集中;兩翼工作面對(duì)采加劇采動(dòng)動(dòng)壓作用;下巷雖采取強(qiáng)力錨網(wǎng)支護(hù),但底板存在支護(hù)弱面;巷道雖采取放炮卸壓解危措施,但沒有從根本上消除沖擊威脅。

這是一次典型的 “大采深、留設(shè)煤柱、對(duì)頭采”共同作用形成的沖擊礦壓。

(2)千秋礦 2008年 “8.21”沖擊礦壓 千秋礦 21141下巷掘進(jìn)工作面采深 680m,采用錨網(wǎng)索+可縮性拱型支架支護(hù),巷道斷面寬 4.8m,高3.7m。掘進(jìn) 657m,與正在回采的 21201工作面(采深 750m)傾向上相差 2個(gè)區(qū)段 (21161未采工作面和 21181已采工作面間距 290m),走向上對(duì)頭推進(jìn) (間距 150m)。2008年 8月 21日 13時(shí) 05分,21141下巷掘進(jìn)工作面距下巷口 550～642m范圍 (距正頭 15m)發(fā)生沖擊礦壓,其中 550m處出現(xiàn) 1m左右的明顯底鼓臺(tái)階,590m處前后共 51m沖擊最嚴(yán)重,最大底鼓量達(dá) 2m。

初步分析有以下幾個(gè)方面原因：21141下巷在孤島煤柱中掘進(jìn)受高應(yīng)力影響;同期單翼采掘相向進(jìn)行,生產(chǎn)集中,工程擾動(dòng)大;21141下巷與正在回采的 21201綜放工作面對(duì)頭推進(jìn),進(jìn)一步加深了應(yīng)力集中;下巷 680m的采深已超過中部礦井沖擊礦壓發(fā)生臨界深度;下巷雖采取了放炮卸壓等解危措施,但參數(shù)不合理,沒有實(shí)現(xiàn)誘發(fā)沖擊。

從以上實(shí)例分析可以看出,義馬礦區(qū)開采深度已經(jīng)到了沖擊地壓的臨界采深,但由于認(rèn)識(shí)不夠、措施不完善,導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

3 沖擊礦壓治理的具體對(duì)策

3.1 加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo),建立隊(duì)伍,深入治理

(1)義馬煤業(yè)集團(tuán)建立了健全的專業(yè)沖擊礦壓防治隊(duì)伍和管理機(jī)構(gòu)。集團(tuán)防沖工作由總工全面負(fù)責(zé),公司成立礦壓所,從沖擊礦壓經(jīng)驗(yàn)豐富的老虎臺(tái)礦、華豐礦引進(jìn)專業(yè)人才,組建了博士后流動(dòng)站,加強(qiáng)研究和防治能力,培養(yǎng)技術(shù)骨干。

躍進(jìn)、常村、千秋等礦于 2007先后成立沖擊礦壓防治辦公室,單獨(dú)成立科室,下設(shè)技術(shù)組、防沖專業(yè)監(jiān)測(cè)組、打鉆防治組,負(fù)責(zé)全礦沖擊礦壓防治措施的制定、現(xiàn)場施工措施的落實(shí)和防沖效果的檢驗(yàn),并開展沖擊礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和資料管理工作。從集團(tuán)到各礦優(yōu)秀防沖工作人員高度重視防沖研究,有力地保證了各項(xiàng)科研工作的順利開展。

(2)落實(shí)責(zé)任,狠抓管理。集團(tuán)公司明確規(guī)定對(duì)現(xiàn)場防沖措施不落實(shí)或落實(shí)不到位的礦井一樣追究主要領(lǐng)導(dǎo)責(zé)任。

(3)沖擊礦壓礦井確立 “安全第一、防沖在先”的管理理念,生產(chǎn)必須服從于防沖工作。

3.2 全員培訓(xùn),落實(shí)工程質(zhì)量,提高防沖水平

(1)開展職工防沖培訓(xùn)。井下作業(yè)人員全部開展沖擊礦壓防治安全培訓(xùn),沖擊礦壓危險(xiǎn)區(qū)域的工作人員必須培訓(xùn)考試合格,持證上崗。

(2)加強(qiáng)防沖工程質(zhì)量管理。制定標(biāo)準(zhǔn)、組織會(huì)戰(zhàn),確保各項(xiàng)防沖措施的落實(shí),保證防沖工程進(jìn)度和質(zhì)量。

3.3 多手段監(jiān)測(cè),建立多參數(shù)預(yù)警識(shí)別系統(tǒng)

采用綜合的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段,建立多參數(shù)預(yù)警識(shí)別系統(tǒng),防患未然。

(1)嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn)區(qū)域必須建立 KBD5和KBD7電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并建立具有寬頻段、低頻段微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2)掘進(jìn)工作面采用鉆屑法進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。每次施工測(cè)試孔 1～2個(gè),每個(gè)測(cè)試孔 10～15m,測(cè)定每米鉆粉量,確定沖擊危險(xiǎn)的鉆屑臨界指標(biāo)。無沖擊危險(xiǎn),每次可掘進(jìn) 3～5m,留 5m超前距,不準(zhǔn)留有空白帶;有沖擊危險(xiǎn),必須停止工作,采取卸壓措施,待效果檢驗(yàn)解除沖擊危險(xiǎn)時(shí),方可恢復(fù)作業(yè)。

(3)采煤工作面巷道采用電磁輻射法、鉆屑法和微震法進(jìn)行預(yù)測(cè),確定臨界指標(biāo)和變化特征曲線,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、超前預(yù)警,對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域,采取措施進(jìn)行卸壓解危。

(4)著重加強(qiáng)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)震動(dòng)總能量與頻次的變化規(guī)律的分析,分析震動(dòng)與電磁輻射、鉆屑量、頂板破斷來壓、巷道變形量、支架工作阻力以及煤體鉆孔采動(dòng)應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立基于多參量的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù),進(jìn)一步提高沖擊礦壓的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

3.4 采取綜合解危措施,根本解除隱患

根據(jù)監(jiān)測(cè)情況分類,分別指導(dǎo)采取卸壓爆破、煤層高靜注水、鉆孔卸壓或多種措施聯(lián)合使用的方法進(jìn)行煤體卸壓解危。

(1)卸壓爆破炮眼布置及爆破參數(shù) 工作面前方上巷兩幫及下巷上幫,炮眼間距均為 3m,孔深 15～30m,孔徑 75mm。上巷下幫鉆孔方向?yàn)楦┙?10～15°,垂直煤幫單排布置,距底板 0.5m;上巷及下巷上幫鉆孔方向?yàn)檠鼋?10～15°,垂直煤壁,距底板 0.5m。炮眼每孔裝藥量 8～10kg,封泥長度大于 6.5m,正向裝藥,雙雷管起爆。

掘進(jìn)工作面爆破卸壓如圖 1,回采工作面爆破卸壓如圖 2。

圖1 掘進(jìn)工作面爆破卸壓

圖2 回采工作面爆破卸壓

(2)煤層注水軟化 通過實(shí)驗(yàn),義馬煤田煤層注水軟化效果較好,煤巖強(qiáng)度可降低 11%以上。依此制定標(biāo)準(zhǔn),采取高低壓注水結(jié)合的措施,改變煤巖沖擊傾向,轉(zhuǎn)移和疏導(dǎo)應(yīng)力集中。具體分掘進(jìn)正頭注水和巷道中部鉆場注水 2種形式。掘進(jìn)正頭注水如圖 3、回采工作面注水如圖 4。

圖3 掘進(jìn)工作面正頭注水鉆孔布置

圖4 回采工作面注水鉆孔布置

3.5 開展區(qū)域防治,提升防范水平

(1)優(yōu)化生產(chǎn)布局,減少應(yīng)力集中區(qū) 優(yōu)先進(jìn)行解放層開采,不具備解放層開采的,800m以深原則上“一個(gè)采區(qū)布置一個(gè)工作面生產(chǎn)”;工作面動(dòng)壓影響以 0.4倍采深為半徑重點(diǎn)是避免相鄰礦、鄰近采區(qū)和煤層之間超強(qiáng)度開采和無秩序開采。確定地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)帶,包括斷層、褶曲、煤層厚度和傾角突然變化區(qū)域重點(diǎn)防沖地段;綜采面及前方 30～300m的采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū);鄰近工作面的下山煤柱或邊界煤柱;孤島煤柱內(nèi)的掘進(jìn)和回采工作面;中部礦井采深大于 550m的地區(qū);工作面初采和末采及停產(chǎn) 3d以上恢復(fù)生產(chǎn)的采掘工作面。以上區(qū)域必須采取措施重點(diǎn)防治。

(2)加強(qiáng)沖擊礦壓地區(qū)巷道支護(hù)改革 推行無煤柱支護(hù)和沿空送巷支護(hù)技術(shù),高應(yīng)力區(qū)采取“先卸壓、后強(qiáng)支”的支護(hù)理念,強(qiáng)沖擊地區(qū)采取全封閉式高強(qiáng)度支護(hù)形式;在集中應(yīng)力比較大的巷道岔口處,采用巷道液壓支架加強(qiáng)支護(hù);現(xiàn)有巷道斷面應(yīng)擴(kuò)修到 18m2,新掘巷道斷面不低于 24m2;采煤工作面上下巷超前加強(qiáng)支護(hù)長度不低于 100m,掘進(jìn)工作面從正頭 15m至 120m范圍內(nèi)必須加強(qiáng)支護(hù),制定專項(xiàng)的加強(qiáng)支護(hù)安全技術(shù)措施;加強(qiáng)巷道底板支護(hù),積極推廣使用底板錨桿、底梁等底板支護(hù)措施;巷道及時(shí)采取“松幫卸壓”的管理措施,保證巷道支架不變形。

3.6 個(gè)體安全防護(hù)

(1)加強(qiáng)人身安全防護(hù)措施的落實(shí)。從清理作業(yè)環(huán)境入手,對(duì)設(shè)備物料固定管理,進(jìn)入沖擊礦壓地區(qū)人員佩帶防震帽、防震背心;抓好放炮躲炮時(shí)間和半徑的重點(diǎn)環(huán)節(jié)落實(shí)和管理,確保作業(yè)人員的人身安全。

(2)采掘工作面建立健全壓風(fēng)管路、排水管路和電話通訊線路。壓風(fēng)管路每 50m建立一組壓風(fēng)自救系統(tǒng),每組 5個(gè)風(fēng)嘴?？词匦詬徫辉O(shè)置自救硐室,硐室內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)并采取防沖防撞處理。

3.7 完善技術(shù)管理規(guī)范和防治體系

通過總結(jié)沖擊礦壓發(fā)生規(guī)律,義煤集團(tuán)編制《義煤集團(tuán)沖擊礦壓綜合治理總體方案》、《義煤集團(tuán)沖擊礦壓綜合防治實(shí)施細(xì)則》、《義煤集團(tuán)沖擊礦壓治理補(bǔ)充規(guī)定》等一系列沖擊礦壓治理規(guī)范性文件,并協(xié)調(diào)礦壓研究所、生產(chǎn)處、安監(jiān)局、通風(fēng)處等相關(guān)單位,對(duì)有沖擊礦壓威脅的礦井進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督。沖擊礦壓礦井治理專項(xiàng)提取費(fèi)用,提供技術(shù)支撐和資金保證。

3.8 開展科研合作,解決防沖技術(shù)難題

2008年以來,與中國礦業(yè)大學(xué)、煤科總院和北京科技大學(xué)等沖擊礦壓專門研究機(jī)構(gòu)簽訂合作協(xié)議,礦壓研究所牽頭進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。解決防治沖擊礦壓的關(guān)鍵難題,如認(rèn)清義馬礦區(qū)沖擊礦壓形成機(jī)理,建立底板型沖擊模型,確立大斷面、強(qiáng)支護(hù),以支為主的防沖理念。通過改進(jìn)鉆機(jī)和改進(jìn)工藝,初步解決了千米采深卸壓解危中打鉆難的問題,現(xiàn)打鉆成孔深度由原來的 10～15m加深到 30～50m,提高沖擊礦壓防治效果。

4 已經(jīng)取得的效果

通過一年多的實(shí)踐,義煤集團(tuán)沖擊礦壓治理取得明顯效果。

根據(jù)統(tǒng)計(jì),義煤集團(tuán) 2008年發(fā)生沖擊礦壓 20次,2009年到目前為止僅發(fā)生 11次。沖擊次數(shù)明顯降低,強(qiáng)度減小。2008年下半年以來,發(fā)生的20多次沖擊礦壓絕大多數(shù)為人工誘發(fā),杜絕了因沖擊礦壓造成的人員傷亡事故的發(fā)生。

躍進(jìn)礦采用爆破法進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域解危和誘沖,23130下巷危險(xiǎn)區(qū) 7次沖擊礦壓均為爆破誘發(fā)沖擊,誘發(fā)率達(dá)到 100%。23130工作面貫通期間,采用切眼讓壓防沖技術(shù),工作面順利貫通,保證正常接替,穩(wěn)定了礦井產(chǎn)量。23130工作面安全貫通和安裝生產(chǎn),目前已經(jīng)安全回采煤炭 500kt以上,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值 1.5億元。

千秋煤礦 21201工作面采取主動(dòng)卸壓措施,擴(kuò)大巷道斷面、加強(qiáng)巷道支護(hù),從 2008年 7月份以來,推進(jìn)近千米,沒有出現(xiàn)嚴(yán)重沖擊事件,實(shí)現(xiàn)了大的沖擊提前誘發(fā)不傷人,小的沖擊不壞巷。

通過近兩年的科研投入和現(xiàn)場的積極治理,義煤集團(tuán)沖擊礦壓治理已經(jīng)取得了明顯的安全效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效果,沖擊礦壓的多發(fā)勢(shì)頭得到抑制,礦區(qū)生產(chǎn)穩(wěn)定。

[1]陳炎光,錢鳴高 .中國煤礦采場圍巖控制 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1994.

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

TD324

B

1006-6225(2010)04-0100-03

2010-05-18

田富軍 (1965-),男,河南周口人,高級(jí)工程師,義煤集團(tuán)從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

王興庫]