孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性預(yù)防技術(shù)研究

張海濤,董興軍,張 璟

(大同煤礦集團(tuán)同地龍馭煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041000)

孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性預(yù)防技術(shù)研究

張海濤,董興軍,張 璟

(大同煤礦集團(tuán)同地龍馭煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041000)

為避免開采深度較大時(shí),回采中的孤島工作面及巷道附近應(yīng)力集中程度高,發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)的情況,對(duì)2-228孤島工作面煤巖物理力學(xué)性質(zhì)特征進(jìn)行分析,運(yùn)用微震監(jiān)測技術(shù)確定發(fā)生沖擊地壓的能量來源,劃定存在沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域和等級(jí),并以此制定相應(yīng)的預(yù)防措施,實(shí)現(xiàn)了礦井工作面的安全高效回采。這為該礦井其他采區(qū)及類似條件礦井的安全生產(chǎn)提供了參考。

礦井開采;孤島工作面;沖擊地壓;微震監(jiān)測

隨著采深的不斷加大,礦井開采過程中的沖擊現(xiàn)象和災(zāi)害逐漸顯現(xiàn)[1-3]。對(duì)于開采深度較大的高瓦斯礦井孤島工作面,在高地應(yīng)力、高瓦斯及地質(zhì)構(gòu)造的耦合作用下,其煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理更為復(fù)雜,預(yù)測和防治也更加困難。本文針對(duì)2-228孤島工作面實(shí)際情況,根據(jù)煤巖物理力學(xué)特征、應(yīng)力場分布、瓦斯參數(shù)等開采技術(shù)條件,結(jié)合監(jiān)測技術(shù),分析動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生原因及能量來源,提前預(yù)判災(zāi)害程度及范圍,以便采取合適的防治手段,預(yù)防孤島工作面回采異常狀況發(fā)生。

圖1 2-228孤島工作面平面布置圖Fig.1 2-228 island coal face layout

1 2-228孤島工作面生產(chǎn)技術(shù)條件

2-228工作面位于二采區(qū)左翼,是上下兩側(cè)區(qū)段已采空孤島工作面(見圖1),其上側(cè)為2-220采空區(qū),留設(shè)有20 m煤柱;下側(cè)為2-224采空區(qū),留設(shè)有20 m煤柱。2-228工作面埋深650 m左右,工作面走向共計(jì)630 m,傾向共計(jì)130 m。主采2#煤層均厚3.16 m,煤層的普氏系數(shù)f=1.5,煤層平均傾角6°,含夾矸2層，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。該工作面由于受高原巖應(yīng)力、開采集中應(yīng)力、瓦斯等因素影響,在掘進(jìn)期間煤炮頻繁,打鉆時(shí)頂鉆、夾鉆嚴(yán)重,并伴隨噴孔現(xiàn)象,對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)及沖擊傾向性評(píng)價(jià)

多年來,國內(nèi)外學(xué)者在沖擊地壓方面取得了有價(jià)值的研究成果,認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓的發(fā)生須滿足兩個(gè)條件:一應(yīng)力條件；二煤巖體力學(xué)特性條件[4-12]。

為確定2-228工作面煤巖沖擊傾向性,采集了2-228工作面煤層及頂板煤巖樣,依據(jù)評(píng)判方法,根據(jù)煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性能指標(biāo)、沖擊能指標(biāo)結(jié)果綜合分析,2-228孤島工作面2#煤層測試具有中等程度的沖擊傾向性。而煤層頂板砂巖和中粒砂巖抗壓強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng),經(jīng)驗(yàn)算砂巖彎曲能量指數(shù)為7.6 kJ,彎曲能指標(biāo)UWQ≤10 kJ,分析屬于無沖擊性巖石;煤層頂板砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度中等,普氏系數(shù)為5.9,屬于中等堅(jiān)硬巖石類,亦屬于無沖擊傾向性巖石。

3 工作面覆巖應(yīng)力分布

采用三維FLAC計(jì)算模擬軟件對(duì)2-228采面覆巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬,模擬范圍為沿2-228孤島工作面走向600 m,傾向范圍為從2-220采空區(qū)至2-224采空區(qū),開挖形成工作面推進(jìn),模擬結(jié)果見圖2。

圖2 2-228工作面豎向應(yīng)力分布三維圖Fig.2 3D diagram of vertical stress distribution on 2-228 working face

通過圖2應(yīng)力分布三維圖可以看出,在2-228工作面兩側(cè)的采空區(qū)已經(jīng)卸壓,而2-228工作面及煤柱應(yīng)力集中,尤其是采面兩側(cè)煤柱。

圖3 2-228孤島工作面應(yīng)力分布沿X軸分布圖Fig. 3 X-axis stress distribution of 2-228 island coal face

截取2-228工作面應(yīng)力分布沿X軸方向截面圖,見圖3。由圖3可知,2-228孤島工作面內(nèi)部應(yīng)力(即垂直原巖應(yīng)力)為14 MPa,覆巖最大應(yīng)力接近24 MPa,工作面前方的聚集壓力區(qū)應(yīng)力達(dá)到20 MPa以上。工作面開采引起的集中應(yīng)力達(dá)到原始垂直應(yīng)力的兩倍左右,2-228工作面作為孤島工作面受到的集中應(yīng)力較大,可能引發(fā)動(dòng)力現(xiàn)象。

4 微震監(jiān)測沖擊地壓來源及能量

沖擊地壓的實(shí)質(zhì)是圍巖應(yīng)力、應(yīng)變、變形、破裂、失穩(wěn)及破壞等一系列動(dòng)態(tài)演變過程的一種表現(xiàn)形式。在煤礦采場推進(jìn)過程中,采面前方的煤巖體分為原始應(yīng)力區(qū)、高峰應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。煤巖體中應(yīng)力高的區(qū)域,在采掘活動(dòng)的擾動(dòng)下,應(yīng)力邊界條件發(fā)生改變,原巖應(yīng)力發(fā)生變化,應(yīng)力釋放使得煤巖體破碎進(jìn)而導(dǎo)致沖擊的發(fā)生。

微震技術(shù)能夠?qū)γ簬r體微震活動(dòng)實(shí)時(shí)、連續(xù)、在線監(jiān)測,已成為煤礦沖擊地壓災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)和機(jī)制研究的重要手段之一。在對(duì)2-228孤島工作面頂?shù)装迕簬r物理力學(xué)性質(zhì)和工作面應(yīng)力分布分析的基礎(chǔ)上,用微震在線監(jiān)測顯示系統(tǒng)共布置11個(gè)測點(diǎn)對(duì)2采區(qū)進(jìn)行了3個(gè)月連續(xù)監(jiān)測,現(xiàn)場監(jiān)測到的震源位置定位平面圖，見圖4。

圖4 微震震源定位平面圖Fig.4 Positioning plan of microseismic source

由圖4可知,3個(gè)月共在2采區(qū)監(jiān)測到1207次震動(dòng)。微震的發(fā)生,表明2-228工作面區(qū)域頂?shù)装搴兔褐呀?jīng)破裂,該處圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。微震震源分布主要集中在2-228工作面、220采空區(qū)與2-228工作面之間的煤柱、224采空區(qū)與2-228工作面之間的煤柱內(nèi),且基本處于2-228工作面上側(cè)20 m至工作面下側(cè)50 m之間的區(qū)域內(nèi),表明這部分區(qū)域頂?shù)装灏l(fā)生破損,并產(chǎn)生了微震現(xiàn)象。

微震在線監(jiān)測顯示系統(tǒng)記錄到2-228工作面微震能量在102～105J之間,本文以布置在2-228運(yùn)輸巷9#測點(diǎn)監(jiān)測到的能量在103J以上的微震的波形和頻譜特征為例對(duì)微震能量與發(fā)生沖擊地壓的關(guān)系進(jìn)行說明,見圖5。

5-a 9號(hào)通道振幅-時(shí)間圖

5-b 9號(hào)通道幅度-頻率圖圖5 能量大于103J的部分波形和頻譜圖Fig. 5 Oscillogram and spectrum of energy (more than 103J)

由圖5可知,震動(dòng)釋放能量大于103J的礦震,其振幅主要介于0.2×10-4m/s～5.0×10-4m/s之間,信號(hào)持續(xù)時(shí)間在600 ms～1 800 ms,衰減快。從頻譜上看,信號(hào)的頻帶分布介于0 Hz～160 Hz之間,主頻頻帶較寬,在10 Hz～75 Hz。這從一個(gè)側(cè)面說明該礦2-228工作面具備發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)的可能,斷層活化、采空區(qū)基本頂斷裂、采空區(qū)直接頂斷裂、切眼處頂板破裂等因素是引起微震信號(hào)的主要原因。

5 防治沖擊地壓措施

針對(duì)2-228孤島工作面已經(jīng)形成的事實(shí),研究采取如下幾個(gè)具體措施:

1)施工本煤層瓦斯預(yù)抽卸壓鉆孔,并在回采之前對(duì)預(yù)抽鉆孔進(jìn)行抽采。施工預(yù)抽鉆孔的主要目的是:一方面利用鉆孔的卸壓作用,降低煤體壓力,消除危險(xiǎn);另一方面利用瓦斯抽采,增加煤體自身強(qiáng)度,從而增加抵抗發(fā)生沖擊地壓的潛力。

預(yù)抽卸壓鉆孔可以采取正向平行鉆孔或斜向平行鉆孔方式布置(見圖6),鉆孔間距暫取5 m～7 m,孔深110 m。

圖6 預(yù)抽卸壓鉆孔布置示意圖Fig. 6 Boreholes layout in pre-draining and pressure releasing

2)煤層注水。2-228采面在回風(fēng)順槽位置沿煤層走向方向設(shè)計(jì)施工注水鉆孔,注水孔的間距設(shè)計(jì)為12 m,注水孔直徑75 mm,孔深60 m,每個(gè)鉆孔注水量約為3 056 t,且時(shí)間不小于30 d,注水壓力為6 MPa～12 MPa。

6 結(jié)論

1)通過煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試,2#煤層經(jīng)評(píng)判為中等沖擊傾向性,采面頂板巖層經(jīng)判定無沖擊傾向性。2-228孤島工作面由于應(yīng)力集中,工作面動(dòng)力危險(xiǎn)源主要為沖擊地壓,其危險(xiǎn)程度為弱性沖擊危險(xiǎn)。

2)通過對(duì)2-228工作面覆巖應(yīng)力分布分析,2-228應(yīng)力集中區(qū)主要集中在工作面兩側(cè)煤柱。

3)應(yīng)力集中、斷層活化、采空區(qū)基本頂斷裂、采空區(qū)直接頂斷裂、切眼處頂板破裂等因素促成了2-228工作面的弱性沖擊地壓危險(xiǎn)。

4)通過在煤層中施工瓦斯預(yù)抽卸壓鉆孔,經(jīng)過接抽一定時(shí)間后,結(jié)合采面煤層預(yù)注水,能有效減低沖擊危險(xiǎn)的可能性。

5)礦井在進(jìn)行采掘設(shè)計(jì)部署時(shí),應(yīng)合理規(guī)劃開采順序,調(diào)整采區(qū)及工作面布置,實(shí)現(xiàn)無煤柱開采,避免形成采面應(yīng)力的高度集中。

[1] 何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(16):2 803-2 813.

HE Manchao,XIE Heping,PENG Suping,etal.Study on Rock Mechanics in Deep Mining Engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(16):2803-2813.

[2] LI Tie,CAI Meifeng.A Review of Mining-induced Seismicity in China[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007,44(8):1149-1171.

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

[4] MT/T 174-2000, 煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法[S].中國煤炭工業(yè)出版社,2001.

[5] 潘結(jié)南,孟召平,劉保民.煤系巖石的成分、結(jié)構(gòu)與其沖擊傾向性關(guān)系[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 22(11):4422-4427.

PAN Jienan,MENG Zhaoping,LIU Baomin.Relationship between Rock Composition and Texture of Coal-Bearing Formation and Its Burst Potential[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,22(11):4422-4427.

[6] 鄒德蘊(yùn), 姜福興.煤巖體中儲(chǔ)存能量與沖擊地壓孕育機(jī)理及預(yù)測方法的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(4):159-163.

ZOU Deyun, JIANG Fuxing.Research of Energy Storing and Gestation Mechanism and Forecasting of Rockburst in the Coal and Rock Mass[J].Journal of Cina Coal Society,2004,29(4):159-163.

[7] 潘結(jié)南.煤巖單軸壓縮變形破壞機(jī)制及與其沖擊傾向性的關(guān)系[J].煤礦安全,2006 (8):1-4.

PAN Jienan.Relationship between Deformation and Failure of Coal and Its Burst Potential Under Uniaxial Compression[J].Safety in Coal Mines,2006 (8):1-4.

[8] 蘇承東.大理巖顆粒及試樣尺寸對(duì)沖擊傾向影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(22):3750-3753.

SU Chengdong.Testing Study on the Effect of Crystal Size and Specimen Length on the Rock Burst Tendency[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(22):3750-3753.

[9] 馮增朝,趙陽升.巖石非鈞質(zhì)性與沖擊傾向的相關(guān)規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(11):1863-1865.

FENG Zengchao,Zhao Yangsheng.Correlativity of Rock Inhomogeneity and Rock Burst Trend [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(11):1863-1865.

[10] 潘一山,李忠華,章夢(mèng)濤.我國沖擊地壓分布、類型、機(jī)理及防治研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(11):1 844-1 851.

PAN Yishan,LI Zhonghua,ZHANG Mengtao.Distribution,Type,Mechanism and Prevention of Rock Brustin China[J].2003,22(11):1844-1851.

[11] 李庶林.巖爆傾向性的動(dòng)態(tài)破壞實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,20 (4):436-438.

LI Shulin.Experimental Study of Dynamics Damage on Rock Burst Tendency[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2001,20(4):436-438.

[12] 郭建卿,蘇承東.不同煤試樣沖擊傾向性試驗(yàn)結(jié)果分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2009, 34 (7): 897-902.

GUO Jianqing,SU Chengdong.Analysis on Experimental Results of Rock Burst Tendency of Different Coal Samples[J].Journal of China Coal Society,2009,34 (7):897-902.

PreventiveTechnologyagainstImpactHazardsforIslandCoalFace

ZHANG Haitao, DONG Xingjun, ZHANG Jing

(TongdiLongyuCoalCo.,Ltd.,DatongCoalMineGroup,Linfen041000,China)

The deeper mining is, the higher stress concentration on island coal face and around roadways is and the more likely rock burst happens. The physical and mechanical properties of the coal rock of 2-228 island coal face were analyzed to determine the energy sources of the rock burst by microseismic monitoring technology, delineate hazardous areas and grades, and formulate corresponding preventive measures, in order to achieve the safe and efficient mining. This could provide references for the safe mining in similar mines.

coal mining; island coal face; rock burst; microseismic monitoring

1672-5050(2017)02-0058-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.016

2016-12-25

張海濤(1987-),男,天津?qū)氎嫒?大學(xué)本科,從事煤礦開采及煤礦安全方面的技術(shù)研究工作。

TD324

A

(編輯:薄小玲)