开滦矿区深部构造区动力灾害防治技术研究

靖晓颖

(开滦(集团)有限责任公司,河北省唐山市,063018)

开滦矿区深部构造区动力灾害防治技术研究

靖晓颖

(开滦(集团)有限责任公司,河北省唐山市,063018)

针对开滦矿区开采深度大、地质条件复杂、原岩地应力大、采动应力叠加等不利因素,进行了本矿区动力灾害的防治研究。分析了冲击地压诱发因素,建立了构造区综合防范体系,采取了断顶、断底、大直径卸压、深孔爆破、加强支护和提高人员防护措施等防治技术,为开滦矿区深部煤层安全开采提供了技术保障。

深部开采 动力灾害 防治技术 开滦矿区

开滦矿区现已有130多年的开采历史,开采深度最深达到了－1200 m,随着开采深度的增加,采场压力越来越大,构造应力积聚严重,巷道变形越来越严重,受动力灾害的破坏和影响越来越明显,大埋深、构造复杂、冲击危险煤层的安全开采是目前我国急需研究解决的课题。随着煤矿开采深度的增加,势必造成深部、构造复杂和动压危险的煤层在未来开采中所占比重逐渐增加。为了实现冲击煤层的安全开采,对开滦矿区赵各庄矿、唐山矿等具有冲击倾向的煤层的构造区进行了动力现象预测与防治研究与试验,通过现场实施,实现了深部构造区动力灾害区域的安全生产。

1 概况

开滦矿区石炭二叠系总厚度为490～530 m,含煤15～20层,煤层总厚度20～28 m,含煤系数为3.91%～5.57%,其中7＃、8＃、9＃、12＃煤层为主要可采煤层,5＃、6＃、7＃、11＃、14＃煤层为局部可采煤层,3＃煤层等为不可采煤层。开滦矿区整体受到开平向斜的影响,动力灾害严重的矿井则受到构造的影响。如赵各庄矿的井口西翼区域是宽缓向斜轴部,动力灾害明显;唐山矿的485区域属于盆底区域,冲击灾害在盆底区域显现特别突出;吕家坨矿属于向背斜复合区域,煤系地层中断裂构造异常复杂,在大的断层附近伴随动力现象。这些矿井的深部构造区域总体上呈现出动力灾害较明显的特征,因此需要进行分析研究其成因与防治对策。

根据开滦矿区深部煤岩物理力学性质实验,深部所开采部分煤层为冲击倾向性煤层,特别是开采深度的增加、原岩地应力增大为诱发动力灾害提供了能量;生产区域地处断层地带,断层煤柱留设导致工作面呈现不规则分布,容易形成采动高应力区,同时,深部构造应力不易释放,使得开滦矿区深部煤层动力灾害发生的可能性增加。

2 开滦矿区动力灾害诱发因素分析

(1)冲击倾向性。冲击倾向性是动力灾害发生的内因,倾向性是动力灾害发生的必要条件。通过对赵各庄矿、唐山矿地质复杂区域的煤样及顶板现场取样,测定冲击特性,认为赵各庄矿12＃煤层、唐山矿5＃煤层具有冲击倾向性。开滦矿区的其他煤矿在构造区域部分煤层也同样存在冲击倾向性。

(2)开采水平原岩地应力的增加。随着开采深度的增加,矿山压力增大,冲击煤层容易发生动压型破坏,原始区域巷道掘进时有轻微冲击,在构造区域进行巷道掘进会伴随大的动压释放,出现明显的能量释放现象。

唐山矿在采深超过600 m的构造区域出现了动压显现,说明该矿的构造区域属于冲击能量释放范围。

通过现场地应力监测,赵各庄矿12＃煤层(均厚9.7 m)单轴抗压强度约为20 MPa,赵各庄矿不同埋深下自重应力的变化见表1。从表1可知,赵各庄矿1000 m以下埋深工作面的自重应力已经远超过煤体单轴抗压强度,再加上构造破坏与构造应力作用,煤体一开挖便会出现破坏,并伴随动力现象。同时,由于开采留有大量的煤柱,也会造成应力叠加现象,特别是断层、褶曲等不规则区域的煤柱,更容易出现应力异常现象,煤岩体内会存储大量的变形能,在掘进巷道时易引起动力现象。

表1 赵各庄矿不同埋深下自重应力的变化

(3)采动应力的叠加作用。煤岩冲击动力失稳的发生与采矿活动的扰动是密切相关的。由于煤矿的采掘活动破坏了原始应力场的平衡结构,产生与开采相关的动态应力场。而动态应力与构造应力耦合作用使局部区域出现超过原始应力2～5倍的高应力,该高应力区就是能量释放空间,也是动力现象的能量主要来源。

深部构造区域如果遗留下残存煤柱,更容易造成异常应力集中,主要原因是残存煤柱与构造应力一起释放叠加能量,当煤层具有冲击危险时,这种破坏属于脆性破坏,破坏时伴随能量释放,造成动力现象。

煤层开采后,在工作面煤体和围岩中产生应力集中现象,在工作面上下两巷道超前范围内承受较高的支承压力,在邻近采空区的煤体内还要受到侧向固定支承压力的作用,多种压力相互迭加使煤体内的应力集中程度增高,易于发生煤岩冲击动力失稳。

(4)断层褶曲区域动力现象。断层与牵引断层是开滦矿区的主要构造特征,断层尖端区域往往是高应力区域。存在褶曲的区域,特别是向斜区,具有残余水平应力。赵各庄矿井井口西翼区属于宽缓大向斜的轴部,开采该区域的12＃煤层时常伴有大的能量释放。

3 构造区域防范动力灾害技术

3.1 综合防范体系的建立

构造区域主要受到构造应力与采动应力的作用。综合考虑主要影响因素,在构造区域范围内进行合理开采与区域防控是进行整体防治的关键。

图1 3137工作面防治动力灾害示意图

老矿井除了遵守一般开采顺序外,还要分析构造区应力分布的异常性,设计解除构造应力的开采顺序与对应措施。为此,在赵各庄矿十三水平井口西翼向斜轴部区域的3137东工作面进行了区域试验研究,见图1。

将构造区域分为3个工作面开采,即东一、东二及东三工作面,首先开采3137东一工作面,作为试验工作面,在掘进与回采期间进行全程监测,东一工作面开采完毕,先掘进东二工作面运输巷,然后掘进回风巷与切眼,在东二面开采前,提前掘进东三面运输巷与切眼,等东二面回采完毕后掘进回风巷。对于向斜轴部的顶板采取断顶技术,切断构造应力的联系,释放残余构造能量;对该区域主要上山进行锚索加固,保持直接顶与基本顶的紧密状态;对上山两帮煤体进行深孔爆破,爆破采取连续、密集、强威力爆破措施,确保应力达到转移。

3.2 防治动力显现跨上山试验

为了解决两翼相向开采形成高应力而导致动压显现问题,在赵各庄矿位于十三水平二石门的3237西上面(3237工作面分上、中、下3个面开采)进行了跨上山开采试验,见图2。原上山沿12＃煤层顶板布置,为了实现跨上山开采,采用位于该工作面停采线附近的十三水平一石门代替原上山。3237西上面采用放顶煤开采技术,工作面进、回风巷沿煤层底板布置。通过进行跨上山的应力分析,划分了危险区域(图2中阴影部分),对危险区域的煤层采用了大直径卸压技术进行卸压。在原上山区域两帮布置卸压钻孔,钻孔孔深20 m,孔间距0.8 m,孔径110 mm。在两工作面巷道距离原上山20～60 m区域布置卸压钻孔,孔深15 m,孔间距0.8 m,孔径110 mm。采用跨上山开采措施,可实现工作面单向连续推进,将上山煤柱一并采出,避免了上山煤柱因相向开采发生动力灾害。跨上山期间进行动压监测,对监测到的危险区域进行二次卸压,实现了跨上山的安全开采。

图2 3237西上面跨上山开采示意图

4 动力灾害危险区域治理技术

开滦矿区开采历史悠久,在构造区域存在一些遗留煤柱,形成高应力影响区,该区域具有发生动力灾害的危险性,通过采用有效措施达到动压防控的目的。

4.1 大直径钻孔卸压技术

钻孔卸压技术作为防治动力现象的一种方法,是指在煤岩体应力集中区或可能的应力集中区域实施直径大于95 mm的钻孔,通过排出钻孔周围破坏区煤体或钻孔冲击所产生的大量煤粉,使钻孔周围煤体破坏区扩大,从而在钻孔周围一定区域内煤岩体的应力集中下降,高应力转移到煤岩体的深处或远离高应力区,实现对局部煤岩体进行解危或预卸压的目的。

在工作面巷道两帮超前工作面60 m采用大直径钻孔卸压,降低煤体强度,使应力向工作面深部转移,在围岩中形成应力的三向分布。如果煤粉不能及时、有效排出,则不能有效地缓解冲击压力,因此,强排粉是必须实施的方案。

卸压钻孔具体参数如下:卸压钻孔孔深大于18 m,卸压钻孔间排距1 m,卸压钻孔直径110～120 mm。

初次卸压完成后,容易发生应力恢复现象。因此,需要动力在线实时监测预警系统监测应力恢复程度。如果发现应力值达到报警值,则需要在原钻孔之间补打一个大直径卸压孔。

4.2 煤体爆破卸压技术

煤体卸载爆破是在已确认具有冲击危险的区域,通过对煤体实施爆破以达到解除冲击危险的一种动力现象防治措施。煤体卸压爆破对工作面煤体应力集中区域进行临时性解危,保证工作面安全回采。

卸压爆破具体参数如下:爆破孔位于工作面煤体,孔深25 m,孔径75 mm,爆破孔间距5 m;爆破装药量14.4 kg(8节大直径强力药卷),爆破装药方式为分段装药,每4节药卷为一段,两段药卷中间间隔1 m,利用直径60 mm水泥封堵剂进行间隔封堵,最后用水泥封堵剂将孔封满封实。

4.3 断底爆破卸压技术

为消除工作面巷道底板因应力集中造成底板鼓起、巷道变形等现象,在工作面巷道超前60 m范围内进行断底爆破,断底爆破具体参数如下:断底爆破位置位于工作面巷道底板,孔深15m,断底爆破孔角度－45°,垂直于巷道走向;断底爆破孔径75 mm,爆破孔间距5 m;断底爆破装药量7.2 kg(4节大直径强力药卷),最后用水泥封堵剂将孔封满封实。

巷道在经过断底爆破卸压以后,底板中水平应力峰值明显降低,并且应力已向深部转移,从而大大减小了底板发生动力现象的可能。

4.4 加强巷道支护技术

在工作面回采期间加强两巷的支护强度,即在原有支护的基础上,在工作面上、下巷距工作面50 m范围内支设单体液压支柱,排距1.6 m,每排3柱,并在支柱间加设走向和倾向两个方向的钢带链接装置,保证支柱可以承受较强的水平应力,防止支柱在受到水平应力时倒柱。

4.5 加强人员防护技术

针对开滦矿区深部开采中遇到的煤岩动力灾害问题,建立“健全机构、职工培训、预测预报、措施解危、效果检验、安全防护”综合防治措施为一体的防治动力现象防治体系和动力现象三级治理机构,健全煤矿各领导安全生产责任制,邀请科研单位和有关院校专家教授进行技术交流,开展防治动力灾害讲座,对矿级领导和中层干部进行培训,对技术骨干进行专业培训。

通过人员定位系统、井下小灵通、视频监控系统和安全监测系统,实现对冲击区域的人员监控管理。

5 结论

(1)开滦矿区动力灾害诱发因素主要为煤岩层的冲击倾向性、开采水平原岩地应力的增大、采动应力的叠加和断层等的影响。

(2)通过采取钻孔卸压、爆破卸压、断底爆破卸压、断顶爆破卸压、煤层注水卸压、加强支护治理和加强人员防护措施等动力灾害危险区域治理技术,有效地降低了开滦矿区动力灾害发生的可能,为开滦矿区深部煤层安全开采提供了技术保障。

[1] 齐庆新,彭永伟,李宏艳等.煤岩冲击倾向性研究[J].岩石力学与工程学报,2011(S1)

[2] 郑友刚.唐山矿深部孤岛工作面冲击地压危险区域划分及实测研究[J].中国煤炭,2013(3)

[3] 潘立友,张立俊,刘先贵.冲击地压预测与防治实用技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006

[4] 刘宝珠.深部不规则大孤岛工作面冲击地压预测与防治技术[J].中国煤炭,2013(6)

(责任编辑 郭东芝)

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

靖晓颖(1964－),男,高级工程师,1987年毕业于河北煤炭建筑工程学院采矿工程专业,现任开滦集团公司技术管理部生产技术室主任,常年从事煤炭采掘研究。