华亭煤矿强矿压动力灾害防治技术分析

【关 键 字】 强矿压  动力灾害  微震监测  灾害防治
【摘    要】 复杂地质条件下开采深度的增加极易导致强矿压动力灾害的发生。以华煤集团华亭煤矿250102综放工作面及其回采巷道为研究背景,通过SOS微震监测系统拾取回采工作面推进过程中微震(声发射)信号,获取强矿压动力灾害前兆信息特征规律,分析3种不同危险等级(R,O,Y)强矿压的分布规律且判定其危险区域。综合现场开采特征,确定工作面开切眼至400 m范围为危险区域,此期间20 m煤柱侧强矿压显现尤为严重。最终确定了采用“超前顶板深孔爆破+帮侧煤体卸压爆破+顶板煤层注水”相结合的解危措施来减轻和消除强矿压动力灾害现象,保障井下工作人员在工作期间的安全。
 
开采深度的增加和复杂地质环境是造成强矿压动力灾害呈现愈演愈烈之势的主要因素,科学的确定强矿压动力灾害的危险区域对选取相应的卸压措施至关重要。陆菜平等[1]基于采动围岩的应力分布规律和能量的“时-空”演化特征,提出了动态防治技术体系;文献[2-5]通过分析多煤层破断顶板群结构的演变模型,阐述了多煤层开采条件下下部煤层发生强矿压的原因;刘昂等[6]借助“强-弱-强”理论来分析深部开采过程中的软岩巷道支护问题,提出采用组合承载壳全断面联合支护技术;耿养谋等[7]借助采用FLAC3D模拟软件分析工作面推进过程中的超前应力的分布规律,划分应力异常区的范围,为后续加强支护提供理论保障。
 
本文以华煤集团华亭煤矿250102综放工作面及其回采巷道为研究背景,在采场、回采巷道围岩赋存及开采方式详查的基础上,通过布置SOS微震检测系统收集在回采过程中的围岩强矿压动力灾害前兆信息,确定工作面及其周围巷道的强矿压显现危险区域。最终采用“超前顶板深孔爆破+帮侧煤体卸压爆破+顶板煤层注水”的多手段综合减压防冲措施,来缓解强矿压导致的动力灾害,保障井下工作人员在施工过程中的安全。
 
1 工程背景及开采技术特征
 
华煤集团华亭煤矿回采煤田位于鄂尔多斯地块的西南缘,井田受历史形成过程中强烈的地质作用影响而呈现出较严重的压性脆裂破坏特征[8]。本研究主要针对的250102综放工作面与首采工作面250101工作面之间留有20 m护巷煤柱,平均开采深度571.02 m,主要回采5号煤层,且煤层平均厚度37.5 m,该工作面采用走向长壁分层综采低位放顶煤采煤方法,首次开采分层厚度为12 m,采放比1︰3。工作面直接顶岩性变化复杂,厚度变化大,主要以厚度0.74~6.53 m的炭质泥岩及泥岩与粉砂岩为主;基本顶为厚度为0.48~29.74 m的各粒级的砂岩及含砾砂岩,致密较硬,层理较发育;底板岩性较为复杂,整体厚度为0.49~6.42 m。5号煤层顶底板物理力学特征如表1。
 
表1 煤层顶底板特征
Table 1 Characteristics of roof and floor of coal seam
 
2 综放工作面强矿压动力灾害微震监测
 
2.1 微震原理及监测布置
 
煤岩强矿压动力灾害是地应场和煤岩体相互作用最终导致煤岩体破裂失稳的过程。煤岩体在外加应力场作用下,内部尖端裂隙发育部位出现应力集中导致破裂,进而扩展到整个煤岩体形成失稳破裂。在煤岩体失稳破裂的过程中会释放丰富的微震(声发射)信号,不同的微震(声发射)信号反映了煤岩体内部裂隙的产生到扩展等一系列的变化。通过布置网状监测面连续收集回采过程中围岩煤岩体释放的微震(声发射)信号,分析推断煤岩体所处的强矿压应力场分布规律,进而对强矿压导致的动力灾害进行评价和预测。
 
华亭煤矿采用SOS微震监测系统收集工作面在回采过程中的围岩受应力集中与地质力叠加作用变形和破坏后自身释放出的地震波信号,从而对岩体稳定性进行监测,对强矿压危险区域进行预测[9-11]。SOS微震监测系统由DLM-SO信号采集站、本安装置、供电电源、信号传输线、以及井下检波测量探头等组成[12]。为提高微震监测系统定位的精度和获取大量反映现场实质的信息,减少不相关信息的干扰,本微震监测系统采用16个DLM-2001检波测量探头组成网状监测面,华亭煤矿强矿压微震测站布置方式如图1。
 
 
图1 测站布置方式图
Fig.1 Layout of monitoring system
2.2 微震监测分析
 
250102工作面矿压显现与微震活动规律分析如图2,250102工作面震动活跃期的门槛值定为105J,微震监测震源的总能量在1月29日之前经历一个震动活跃期,之后呈现出较大落差的下降现象,于1月29日开始呈现出强矿压动力灾害特征,根据现场反馈的实际情况对比分析,250102工作面与1月29日回采巷道发生明显的动力灾害显现,顶板锚网严重破损,巷道顶底板与两帮变化不明显;同样3月16日也监测到强矿压动力显现的发生,响一爆声,局部范围内巷道顶板下沉0.1 m,底臌达到0.4~0.6 m,影响生产近4 h之久。据以往微震收集到的总能量信息的变化与现场实际生产相结合表明:动态的微震能量之后若出现比较长时间的沉寂现象,则回采工作面此时具有强冲击矿压危险性。
 
 
图2 250102工作面强矿压显现微震监测特征
Fig.2 Microseismic characteristics of strong mine pressure in working face 250102
 
图3 105J以上震源分布图
Fig.3 Distribution of Focus above 105J
 
图4 250102工作面回采引发的强矿压危险区分布图
Fig.4 Distribution of dangerous zones of strong mine pressure induced by mining at working face 250102
250102综放工作面开采过程中冲击矿压多发生在运输巷内且靠近20 m煤柱侧,期间运输巷变形严重,表现出明显的煤柱型冲击矿压特征。如图3,为微震监测能量105J以上震源分布图,据分析因为250101工作面完成后,在采空区侧形成应力衰减区的同时在煤柱中则形成了一个应力集中区,导致250102工作面开采区域内20 m煤柱侧为重点强矿压防范区域。250102工作面回采引发的强矿压危险区分布如图4所示,所示位置为一个红色(R)危险区,代表最危险区域,表明工作面开采至易发生强矿压动力灾害的区域,且会发生103J以上能量微震;图中的橙色(O)区域表示为较高危险区域,工作面接近该区域时会发生103J以下能量微震,在工作面超前应力集中过程中具有变化为最危险区域的潜在可能;图中的黄色(Y)区域则表示为一般危险区域。最终确定工作面开切眼至400 m,为强矿压动力灾害危险区域,尤其是20 m煤柱侧极易造成动力灾害。
 
3 强矿压危险区域减危措施
 
在现场250102综放工作面详细地质调研的基础上,结合该工作面与相邻工作面的空间位置关系及开采方式的特点,通过微震检测系统的持续长时间连续监测,分析确定的强矿压危险区域,现确定采用“超前顶板深孔爆破+帮侧煤体卸压爆破+顶板煤层注水”的多手段综合减压防冲措施,并且在重点防护区域加大超前支护强度,构建完整的强矿压综合控制体系,从根本上有效地缓减和控制强矿压动力灾害的灾难性后果。
 
帮侧煤体卸压爆破,即超前回采工作面200 m范围的回采巷道的两帮进行卸压爆破。爆破钻孔布置在距巷底高度1.2 m处,钻孔深度为12 m,孔径42 mm,采用煤矿许用毫秒电雷管引爆。帮侧煤体卸压爆破实施的爆破顺序是从工作面侧开始朝着巷道向外实施,使高应力集中区域远离工作面。帮侧煤体卸压爆破平面设计如图5所示。顶板深孔爆破即利用深孔爆破释放储存在坚硬顶板中的大量能量,有效降低强矿压危险性。用于深孔爆破的炮眼布置在回采巷道的两侧,距离工作面超前20 m的位置开始,运输巷靠250101采空区方向每3 m布置一组钻孔,顶板深孔爆破设计平面布置如图6所示。注水卸压即超前回采工作面200 m以外动压注水,回采巷道分别每间隔10 m向煤壁侧打一顶板注水孔,一个巷帮煤层注水孔。顶板和巷道两侧进行同步动压注水,注水压力为8~13 MPa,动压注水30 h后,改为静压注水。动压注水参数及设计平面布置如图7。
 
4 减危效果分析
 
利用微震监测系统对工作面开采过程中强矿压动力灾害重点防范区域进行确定,并采用“超前顶板深孔爆破+帮侧煤体卸压爆破+顶板煤层注水”的多手段综合减压防冲措施,降低危险区域的应力集中情况。与减危措施实施之前相比较,减危措施实施期间强矿压大多在105J以上能量级别如图8所示,表明能量低于105J级别强矿压危险性解除和控制取得了很好的效果,能量大于105J且发生在巷道围岩深层范围内的强矿压的控制效果与之前相比较变化幅度较小,小能量级别和发生在浅部煤岩体的强矿压得到了有效的解除和控制。
 
 
图5 帮侧煤体卸压爆破平面设计图
Fig.5 Layout of blasting for pressure relief at seam side
 
图6 顶板深孔爆破设计平面布置图
Fig.6 Layout of deep hole blasting in roof
 
图7 动压注水设计平面布置图
Fig.7 Layout of water injection with dynamic pressure
250102工作面自切眼开始至切眼外300 m处的范围内,采煤工作面强矿压与250101工作面相比发生次数同比降低66.4%,掘进工作面同比降低14.3%。强矿压动力灾害显现破坏特点表现为回采巷道顶板略有下沉,巷道两帮稍有突出,底臌破坏情况明显好转。说明该减压防冲措施的实施达到了预期的效果,成功的降低了强矿压动力灾害预测危险范围内的应力集中情况,释放了储存在该危险区域中的势能,使强矿压动力显现强度显著降低,同时也杜绝了大型强矿压动力灾害事故的发生,保证了井下施工人员的安全。
 
 
图8 强矿压能量大于105J级别发生特征
Fig.8 Characteristics of strong pressure energy above 105J
5 结 论
 
a.结合现场开采状况以及微震(声发射)信号表明:微震监测总能量先经历一个震动活跃期,之后呈明显的下降趋势,此时能量积聚区具有冲击危险性,需要采取相应的卸压措施。
 
b.通过分析巷道103J以上能量分布特征,划定华亭煤矿250102工作面强矿压危险性区域为开切眼至400 m的范围,尤其是20 m煤柱侧需采取减压措施。
 
c.根据不同危险等级区域范围的判定,确定了采用“超前顶板深孔爆破+帮侧煤体卸压爆破+顶板煤层注水”相结合的减压防冲措施,对比之前工作面以及开采过程中的能量监测表明,该措施减轻和缓解了回采过程中动力灾害的发生。
 
参考文献
 
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(责任编辑 张宏)
 
Control of dynamic disasters induced by strong mine pressure in Huating Mine
 
ZHAO Feng1,2, QI Junde3, DING Ziwei4
(1.School of Construction Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China; 2.Xi′an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi′an 710077, China; 3.Huating Coal Group Co., Ltd, Huating 744100, China; 4.Energy School, Xi'an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China)
 
Abstract:Increased mining depth in complicated geological conditions is very easy to induce dynamic disaster due to strong mine pressure.According to caving working face NO.250102 and its roadways in Huating Mine, SOS microseismic monitoring system was applied to collect the precursory information of dynamic disaster induced by strong pressure during the advance of the working face.Dangerous zones and distribution rule of strong pressure at 3 kinds (R, O, Y) of level were analyzed and determined.It is dedicated that the dangerous zone ranks from open-off cutting to 400 m, and especially at the 20 m pillar side.Through the complicated analysis above, the multi-measures including advanced deep hole blasting and side-coal pressure relief blasting and roof seam infusion were applied to reduce and eliminate the huge disaster caused by strong pressure.Thus, this can make a great contribution to the safety of the underground workers.
 
Key words:strong mine pressure; dynamic disaster; microseismic monitoring; disaster prevention and control
 
中图分类号:TD3
 
文献标识码:A 
 
DOI:10.3969/j.issn.1001-1986.2015.06.015
 
文章编号:1001-1986(2015)06-0075-05
 
收稿日期:2014-10-05
 
作者简介:赵峰(1978—),男,陕西西安人,博士研究生,高级工程师,从事岩土工程方面的研究工作.



【作者机构】 西安科技大学建筑与土木工程学院;中煤科工集团西安研究院有限公司;华亭煤业集团有限责任公司;西安科技大学能源学院
【来    源】 《煤田地质与勘探》 2015年第6期P75-79页

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