唐山矿3654 工作面冲击失稳监测防治技术研究

2021-09-26 02:50
煤炭与化工 2021年8期
关键词:钻屑煤岩煤体

孙 胜

(开滦(集团) 有限责任公司,河北 唐山 063018)

0 引 言

我国资源禀赋特征是 “缺气、少油、相对富煤”,煤炭依然是我国的基础能源[1]。随着煤炭科技进步,煤炭安全生产形势持续好转,煤炭工业创新支撑了国民经济快速发展。这也意味着煤炭的开采强度、能源需求不断增加,浅部开采不再满足发展需求,不得不进行深部开采[2]。煤炭深部开采与浅部明显不同,深部开采受到环境的“三高” 和“三强” 的影响,更容易诱发冲击失稳、顶板垮落、矿震等灾害,造成严重破坏,人员伤亡,生产效益降低[3-5]。因此,开展煤炭深部开采动力灾害机理与防治基础研究,对于保证我国煤炭工业的持续、安全发展,保障能源的安全供给具有重要意义,也是建立以人为本和谐社会的必要条件。

1 工程概况

唐山矿3654 工作面为5 煤层开采工作面,煤层平均厚度2.84 m,倾角10°,走向长度393 m,倾斜长度137.5 m,工作面布置如图1 所示,开采深度为- 758 m,南侧为京山铁路保护煤柱,北侧为十二水平运输巷道保护煤柱,东侧未受采动影响,西部为3654 工作面,采面处于宽缓的向斜轴部,局部遇有落差小于1 m 的断层,煤层赋存基本稳定。

图1 3654 工作面工作面布置Fig. 1 Arrangement of 3654 working face

2 冲击失稳诱发因素分析

冲击失稳的发生往往是多因素共同作用的结果。开采深度、煤岩力学特征、地质动力作用等都是诱发动力灾害事故的主要因素。唐山矿采深- 530 m 以上时未发生过煤岩冲击动力失稳,在- 530~- 600 m 发生48 次;当采深达到- 630 m 以下后,甚至在工作面中也发生了煤岩冲击动力失稳。结合煤(岩) 物理力学性质(表1),数据表明5 煤层煤质中硬,脆性较大,具有中等以上的煤岩冲击动力失稳危险倾向;顶板坚硬,脆性高,当其断裂振动时,易于发生煤岩冲击动力失稳。同时,在上覆岩层内也存在多个坚硬岩层,这些坚硬顶板的活动、断裂失稳也易于导致煤岩冲击动力失稳。唐山矿井田主要发育的构造为新华夏系形成的陡河断裂,在浅部分支内有5 条断层。理论实践证明,在向斜轴部,尤其是在煤层褶皱,断层附近,构造变化区等因地质运动形成的活化带,煤层赋存较大的构造应力,很容易发生冲击失稳事故。因此,了解研究冲击失稳诱发因素对于保证职工生命财产安全,保障安全生产,提高生产效率、节约矿井开采工程成本具有深远且重大的意义[6-7]。

表1 煤(岩) 物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of coal (rock)

3 冲击失稳监测及防治技术

3.1 冲击失稳监测技术

防治工作的重要部分是煤岩冲击动力失稳预测,准确的预测对及时采取防范措施是十分重要的。只有较为准确地进行检测预报,才能有针对性地采取防治措施。3654 工作面使用地音监测、巷道支架变形观法、钻屑检法等监测方法。声发射监测采用北京煤科院开采所研制的BD4- 1 型便携式地音仪,对工作面采用定点监测法进行监测,随着工作面的推进,在风道、溜子道超前20~50 m 各保持1 个地音监测孔,为减少干扰,每天在交接班时间或准备班进行观测,通过监测能率,找到数据的变化规律,来分析煤岩体的应力变化情况。钻屑检测法使用MZ- 1.2 型矿用煤电钻,φ42 mm 麻花钻杆,孔深不小于6 m,向煤壁内垂直打孔,记录不同深度时每米孔深的煤粉量和动力现象,由检测结果判断煤岩冲击动力失稳的可能性。根据大量钻屑检测结果,将唐山矿冲击危险划分为3 个等级,即无危险、中等危险、严重危险。钻屑检测指标见表2。

表2 钻屑检测指标Table 2 Drilling cuttings detection index

3.2 冲击失稳防治技术

综合地音监测、钻屑检测等冲击失稳检测方法的结果,对潜在煤岩冲击动力失稳现象的发生做出判断,并及时采取煤层注水、卸压爆破等措施来降低冲击危险程度。

煤层注水法是对煤层进行压力预注水后,使煤体湿润,改变煤体的物理力学性质,减小煤体弹性,增加煤体塑性,改变煤体的应力状态,从而降低和减缓煤层的冲击危险程度[8-9]。3654 工作面从开采至结束,在风道共打有效钻孔10 个,孔深12.5~36 m,孔间距25 m,钻孔总长度180 m,累计注水量884 m3。图4.1 为注水钻孔布置,为了检测煤体的注水效果,对注水前后煤体含水率进行了现场测定。图2 为注水前后的钻屑检测结果,注水前峰值钻屑量为4.6 kg/m,注水后为3.25 kg/m,降低了29.3%,注水降低了煤体的应力集中程度,无明显应力集中现象,煤岩的冲击危险性减小,整体应用效果比较好。

图2 注水钻孔布置Fig. 2 Water injection drill hole layout

图3 注水前后的钻屑检测Fig. 3 Drilling cuttings testing before and after water injection

卸压爆破是针对可能存在冲击危险的煤岩体进行钻孔爆破,以达到减缓其应力集中程度的一种解危措施[10-12]。在3654 风道沿走向中部区段,有Ⅱ~Ⅲ级冲击危险,是首先需要卸压的部位。3654 工作面卸压爆破钻孔按垂直煤壁方式布置,倾角与工作面顶板相一致,钻孔深度5~7 m,钻孔间距3~5 m,每个钻孔装药量600~750 g,躲炮时间20~30 min,躲炮距离100~150 m,在开切眼前方133 m 位置,钻孔2 检测峰值钻屑量为30.2 kg/m,并产生卡钻现象,因此采用钻屑法在其两侧进行范围圈定,卸压爆破效果检测孔布置如图4 所示,图中1、2、3 为正常检测孔,为圈定范围检测孔,进行松动爆破。综合表2 和图5 表明,钻孔深度在6~7 m 时圈定范围检测孔的钻屑量明显低于钻孔2 说明该范围内的冲击危险等级由严重危险变成了Ⅰ级无危险。

图4 卸压爆破效果检测孔布置Fig. 4 Layout of test hole for relief blasting effect

图5 松动爆破前后的钻屑检测Fig. 5 Drilling cuttings detection before and after loose blasting

3.3 应用效果

3654 工作面自应用防治措施至开采结束,共发生了5 次煤岩冲击动力失稳,较之前当采深达到- 530 m 以下发生数十次煤岩冲击动力失稳而言,得到了明显改善。由于采取了合理的预测手段和综合治理措施,使该工作面的冲击危险程度得到降低和缓解,整个开采期间仅发生5 次煤岩冲击动力失稳,没有造成大的破坏,实现了该工作面的安全开采,产生了良好安全效益、经济效益。

4 结 论

(1) 通过对唐山矿3654 工作面冲击失稳诱发因素的分析,综合开采深度、煤岩力学特征、地质动力因素分析结果,为选择合理的冲击失稳监测方法提供重要依据。

(2) 根据唐山矿3654 工作面的地质条件及生产现状,确定3654 工作面采取的冲击失稳监测方法为钻屑法和地音监测法。

(3) 整个方法立足于冲击危险程度的预测,并尽可能地采取主动的积极有效的措施,减小煤岩冲击动力失稳的危险程度,降低3654 工作面发生冲击失稳失稳的频率,实现对冲击失稳有效防治的目的。

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