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同忻矿综放工作面矿压显现分析及控制技术
2019-02-21
同忻矿石炭系煤层具有煤层厚、埋藏深、煤层及顶板较坚硬且开采强度大等特点,在 开采过程中工作面与端头部位压力大,特别是当石下部炭系工作面过上覆侏罗系遗留煤柱时出现 强矿压显现。根据现场矿井实际地质与开采条件,对工作面在煤柱下、采空区下的应力和液压支架 的压力进行监测,考察侏罗系煤层采空区及遗留煤柱下支架压力动载冲击演化规律,获得下部煤层 开采动载压力增加原理,提出采用注水软化和定向爆破相结合弱化侏罗系残存煤柱技术,有效降低 石炭系煤层工作面动载冲击特征。
总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 同忻矿综放工作面矿压显现分析及控制技术 王萌萌 山东能源淄矿集团唐口煤业公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 同忻矿石炭系煤层具有煤层厚、埋藏深、煤层及顶板较坚硬且开采强度大等特点,在 开采过程中工作面与端头部位压力大,特别是当石下部炭系工作面过上覆侏罗系遗留煤柱时出现 强矿压显现。 根据现场矿井实际地质与开采条件,对工作面在煤柱下、采空区下的应力和液压支架 的压力进行监测,考察侏罗系煤层采空区及遗留煤柱下支架压力动载冲击演化规律,获得下部煤层 开采动载压力增加原理,提出采用注水软化和定向爆破相结合弱化侏罗系残存煤柱技术,有效降低 石炭系煤层工作面动载冲击特征。 关键词ꢀ 双系煤层ꢀ 遗留煤柱ꢀ 强矿压显现ꢀ 矿压控制技术 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 057 ꢀ ꢀ 目前大同矿区侏罗系煤炭资源枯竭,主要下部 8207 工作面煤层倾角为 1° ~ 2°,基本顶为炭质 泥岩,厚度 13. 9 m,灰白色,夹有部分煤层;直接顶 为火成岩,厚度 3. 2 m,石英含量高,十分坚硬。 直 接底为泥岩,厚度 2. 61 m,褐灰色;基本底为高岭 岩,厚度为 6. 1 m,深灰色。 # 石炭系延伸。 由于石炭系 3-5 煤层厚度大,采用大 采高综放开采,工作面在经过上部侏罗系已采区遗 留煤柱时,矿压显现强烈,采空区顶板垮落范围大、 # 液压支架压死。 为保证 3-5 特厚煤层关键层破断前 # 后工作面能够安全回采,在同忻井田 3-5 煤层 8207 2ꢀ 应力监测方案 工作面进行矿压监测,分析同忻煤矿选择大采高综 2. 1ꢀ 煤柱监测方案 放液 压 支 架 的 合 理 性, 提 出 相 应 的 矿 压 防 治 措 对石炭系工作面煤柱进行煤柱应力监测,掌握 侏罗系遗留煤柱下及遗留煤柱影响范围以外煤柱应 [ 1-2] 。 施 [ 3-5] # 1 ꢀ 同忻矿 8207 工作面地质概况 力分布规律 。 观测内容主要包括:①14 煤层遗 # 1 . 1ꢀ 工作面位置 留煤柱下应力监测;②14 煤层采空区下应力监测; ③工作面前方煤柱应力监测。 监测现场位置如图 1 8 207 工作面地面标高为+908 ~ +933 m,工作面 # 标高:+425. 5 ~ +547. 8 m,地面位置位于 170 m 为 所示。 在 8209 工作面回采巷道—对应上覆 14 煤层 # # 3 2 村;南侧 138 m 为 42 村;井下位置:西接南翼胶 遗留煤柱处,向所留煤柱侧的帮上打不同深度的钻 孔。 监测现场共设 5 个测站,各测站安装 3 个钻孔 带大巷和南翼 1 号回风大巷,北接 S1205 工作面(未 掘);南面实体煤;东侧为实体煤。 工作面上部对应 # 为同家梁矿侏罗系 11 煤层 8906 工作面采空区和 # # 应力计。 1 ~ 5 测站分别布置在距 5209 巷交岔点 645,590,532,440,414 m 的位置。 # 1 1 4 煤层 8902-1、8902-2、8902-3 工作面采空区,与 (1)遗留煤柱下应力监测。 在 5209 运输巷— # # # 1 煤 层 间 距 120 ~ 200 m, 与 14 煤 层 间 距 140 对应上覆 14 煤层遗留煤柱,向 8207 侧的煤柱帮上 ~ 220 m。 打钻孔,钻孔直径为 48 mm,孔深 33,31,29 m,钻孔 距巷道底板高 1. 8 m,斜向上 1° ~ 2°,每个钻孔之间 的间距为 3 m。 得到不同位置钻孔应力分布数据, 并分析应力分布特点,为煤柱力学性状分析提供依 据,如图 2。 1 . 2ꢀ 地质概况 8 207 工 作 面 平 均 深 度 447. 5 m, 倾 向 长 度 193 m,可采走向长度为 1 406 m。 工作面煤厚 3. 7 ~ 23. 5 m,平均为 13. 6 m。 工作面选用放顶煤综 7 # 合机械化开采,采高是 3. 9 m,放煤厚度 9. 7 m,采放 比约是 1 ∶2. 5。 (2)14 煤层采空区下应力监测。 在 5209 运输 # 巷 —对应上覆14 煤层采空区处,向所留煤柱侧的 2 32 ꢀ ꢀ 王萌萌:同忻矿综放工作面矿压显现分析及控制技术ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 1ꢀ 测站布置平面(单位:m) 帮上打 3 个钻孔(见图 3),钻孔直径为 48 mm,深度 分别为 33,31,29 m,距巷道底板 1. 8 m,斜向上 1° ~ 2 °,每个钻孔之间的间距为 3 m。 # # 图 5ꢀ 4 、5 测站钻孔应力计布置 根据设计,现场监测有 5 组总数 15 个钻孔应力 计。 # 图 2ꢀ 1 测站布置 2 . 2ꢀ 液压支架应力监测方案 工作面共有 ZF15000 / 27. 5 / 42 型支撑掩护式低 位放顶煤液压支架 96 架,最大支撑高度 4. 2 m,中 心距 1. 75 m。 现场选用 KJ216 型计算机监测系统 持续监测工作面支架的载荷,共有 9 个压力分机,最 # 初由 10 支架开始依次将每 10 个支架编成 1 组,分 # 图 3ꢀ 2 测站布置平面 # # # # # # # # # 别在 10 、20 、30 、40 、50 、60 、70 、80 、90 上,具 # 3)14 煤层采空区边界下应力监测。 在 5209 ( 体布置如图 6 所示。 # 运输巷—对应上覆 14 煤层采空区边界处,向所留 煤柱侧 的 帮 上 打 3 个 钻 孔 ( 见 图 4 ), 钻 孔 直 径 为 48 mm, 深 度 分 别 为 33, 31, 29 m, 距 巷 道 底 板 1. 8 m,每个钻孔之间的间距为 3 m。 # 图 4ꢀ 3 测站钻孔应力计布置 ( 4)工作面前方煤柱应力监测。 5209 运输巷— 图 6ꢀ 工作面测站布置 超前 8207 工作面 100 m 靠留煤柱侧的帮上布置 2 个测站 ( 见图 5), 钻孔直径为 48 mm, 距巷道底 板 1. 8 m。 各站设 3 个钻孔,孔之间的间距是 3 m。 测站内各个应力钻孔深度分别为 33,31,29 m。 2 2 . 3ꢀ 现场矿压监测结果分析 . 3. 1ꢀ 煤柱应力监测结果 动态监测并记录 8207 工作面回采过程中煤柱 内钻孔应力计的数值,绘制二者关系曲线,监测数据 特征见图 7。 图 7ꢀ 各测站煤柱应力变化曲线 ■ ● ▲ —29 m; —31 m; —33 m 2 33 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 ꢀ ꢀ 从图 7 中可以看出,工作面远离测站 45 m 之外 29 m 孔深度,达到 6. 1 MPa,与相似材料和数值计 算结果基本一致。 由于应力计安装及监测时受各种 # 因素的影响,3 测站未获得监测数据。 需要说明的 时,煤柱内的应力没有明显变化;当工作面进入测站 5 m 范围之内时,应力开始逐步升高;工作面在距 4 # 测站 8 ~ 23 m 时, 煤 柱 压 力 较 大, 最 大 值 可 达 到 8. 3 MPa。 是,同忻矿 3-5 煤层 8207 工作面为该矿二盘区首采 面,因此矿山压力显现相比其他工作面较弱。 2. 3. 2ꢀ 液压支架应力监测结果 由图 7 可知,在距离测站 40 m 时,29,31 m 孔 深的应力增加,而 33 m 孔深的应力几乎没有增加; 工作面持续前进,煤柱内的应力逐步升高;与测站相 距ꢁ10 ~ 10 m 时,煤柱内的应力最高,其峰值位于 同忻煤矿 8207 工作面部分支架循环末阻力曲 线见图 8,基本顶周期来压期间支架阻力统计见表 1。 图 8ꢀ 支架循环末阻力曲线 # ꢀ ꢀ 由图 8 分析可知,同忻矿 3-5 煤层 8207 工作面 平均循环 末阻力 期间 测站 支架 最高阻力 平均值 开采时,液压支架载荷大部分情况下较为稳定,小于 支架额定工作阻力;只在关键层破断期间载荷偶有 高出额定工作阻力。 # 1 0 113 387. 0 11 332. 1 12 326 12 432 # # # # # # # # # # # # # # # 头部 20 11 428. 6 12 266 13 454 13 476 13 705 12 778 12 941 3 4 0 0 113 44. 5 12 126. 0 非 来 压 期 间 通过分析数据可知,来压期间最大工作阻力是 1 4 431. 6 kN,占额定工作阻力的 97. 3% ,且工作面 中部 50 11 828. 9 11 503. 1 10 804. 3 10 867. 2 11 819. 3 11 643. 1 中部压力明显大于两端部。 非来压期间最大工作阻 力是 11 643. 1 kN,占额定工作阻力的 76. 1% 。 因 此同忻矿 8207 工作面开采选用 ZF15000 / 27. 5 / 42 型高强度综采放顶煤支架较为合理,能够保证工作 面的安全开采。 60 7 0 尾部 80 10 772. 0 9 1 0 0 10 644. 4 13 221. 8 12 029 14 914 17 112 15 220 17 417 18 374 17 722 17 824 17 758 头部 20 13 406. 9 13 686. 4 13 438. 4 由现场观测得知,主关键层破断( 即遗留煤柱 下方) 时,周期来压显著,此时支架增阻明显,安全 阀大量开启。 因此,在工作面推进至遗留煤柱下方 前,液压支架应配合其他的矿压控制技术一同支护, 如钻孔卸压、水压致裂等。 3 4 0 0 来 压 期 间 15 500. 0 中部 50 15 793. 8 15 807. 3 14 431. 6 6 0 16 128. 0 15 129. 5 7 0 尾部 80# 14 914. 3 14 317. 7 3 ꢀ 强矿压显现原因分析 # 9 0 12 909. 4 14 854 强矿压是指在开采下部煤层时,因上部已运动 过的坚硬岩层或岩层组,沿着煤柱边缘失稳,断裂岩 表 1ꢀ 基本顶周期来压期间支架阻力统计 kN 2 34 ꢀ ꢀ 王萌萌:同忻矿综放工作面矿压显现分析及控制技术ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 层突发活动引起较强烈冲击矿压显现。 总之,高压注水强化了煤体塑性,使塑性区范围 扩大,集中应力沿煤壁深处转移且扩大,集中程度降 低,积聚的能力得到缓和,有效预防矿压的发生。 同忻矿强烈矿压显现的发生受多种因素影响, 但最主要的因素是侏罗系煤层群开采完毕后,各煤 层间隔岩层全部断裂,构成破断顶板群结构;其最底 4 . 1. 2ꢀ 煤层注水布置方式 1)短钻孔注水法。 短钻孔注水关键在钻孔数 # 部的 14 煤层遗留煤柱因承受着上部断裂顶板群主 ( 要压力而导致煤柱底部区域产生一个应力集中区; 目。 钻孔一般在靠近煤层中线处与煤壁垂直,孔间 距在 6 ~ 10 m,孔深大于 10 m,在各钻孔内分别塞入 一支注水枪,水压设计在 20 ~ 25 MPa,水枪可以自 动注水,封孔位于破裂范围之外。 # 下位 3-5 煤层平均厚 13. 6 m,属于特厚煤层,开采 强度高,其工作面过上覆煤柱时,双系煤层群断裂带 # 贯穿,上部煤柱下的集中应力传递给石炭系 3-5 煤 [ 6-7] 。 层,增大了此煤层回采过程中的顶板压力 短空注水不足之处:注水范围小;须在机道注水 作业,干扰回采;在冲击最危险地点采取注水作业。 (2)长孔注水法。 平行于工作面施工钻孔对煤 体高压注水,孔间距 10 ~ 20 m,根据渗透半径取值, 钻孔贯穿全部工作面。 4 ꢀ 侏罗系煤层工作面矿压控制措施 # 在同忻煤矿石炭系 3-5 煤层 8207 工作面开采 # 过程中,由于上方矿建煤柱及 14 煤层遗留煤柱位 于 8207 工作面中部位置,上方煤层破断顶板通过煤 # 柱向下传递,作用于 3-5 煤层工作面,在该煤柱周围 # 形成高应力区,致使 3-5 煤层工作面及巷道内矿山 注水作业通常在距离工作面前方 60 m 之外进 行,并依次向前推进直到整个工作面,水经两巷对应 的钻孔内注水枪注入。 压力较大,致使工作面端头支架压死、折架,巷道围 岩变形严重。 # 为了治理 3-5 煤层工作面及巷道内矿山压力较 长孔注水地点是在工作面前方两巷处,对回采 影响较小。 注水的时间以 3 个月为最佳,过早注水 会使效果降低。 缺点是在薄煤层等特殊条件下难以 操作。 大,可通过煤层注水软化或定向爆破等手段将上方 煤柱破坏,减小其对下方工作面端头及巷道的压 [ 8-9] 。 力 4 4 . 1ꢀ 煤层注水 ( 3)联合注水法。 联合注水法是采用长、短孔 . 1. 1ꢀ 煤层注水原理 相结合的方法。 水压要达到 10 MPa 以上,若水压 降到 5 MPa 之下,表示钻孔注水完成。 采用联合注 水法过程中,为了防止过早注水而导致的煤层干燥, 将注水钻孔连接在消防龙头上。 坚硬顶板及煤层注水是目前煤矿预防强矿压的 主要手段。 之所以如此,是因为煤岩石力学性质因 受到水的浸润作用而产生改变。 这种变化由 2 个原 因引起:①水与其中的阳离子使岩石颗粒之间表面 能下降,从而导致岩体力学强度减小,这种现象在生 产实践中叫“软化”;②裂隙的拓展同样使煤岩体强 4. 2ꢀ 煤层内卸压爆破 煤层内卸压爆破主要目的就是采用爆破的方式 [ 10] 度下降 。 减缓应力的集中程度从而到达解除冲击危险的方 [ 11-12] 。 研究证明,岩体单轴抗压强度与弹性模量随着 其含水份的升高而下降,岩石中积聚的弹性能显著 降低,图 9(a) 为浸水前后岩石的抗压强度曲线图, 岩石 破 裂 后 沿 CD 线 卸 载, CD/ / AB。 图 9 ( b ) 上 C′D′E′为岩石浸水后破坏过程中将释放出的最 大弹性能。 法,也是目前国际上通常采用的缷压措施 4. 2. 1ꢀ 爆破的动力作用 爆破造成煤体破裂,爆破产生的气体形成一定 的压力使得裂隙不断扩展。 裂隙的存在导致煤体强 度减弱,聚能降低,产生冲击地压的强度与能力条件 遭到破坏,从而有效预防了冲击地压。 4 . 2. 2ꢀ 卸压爆破的实施步骤 1)采用煤粉钻孔的方法确定冲击危险区。 判 ( 断标准是若钻孔煤粉量高出规定,就认定此区域有 冲击危险。 ( 2)对认定的冲击危险地段,按照相应参数实 施缷压爆破。 3)爆破效果检测。 通常运用煤粉钻孔的方法 35 图 9ꢀ 浸水前后煤岩全应力应变曲线 ( 2 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 检验缷压的效果,若煤粉量指数小于冲击危险值,即 表示爆破缷压效果好,否则需要进行二次爆破以解 除仍然存在的冲击危险。 到很好的控顶作用,保证了工作面的安全开采。 但 是,在工作面推进至遗留煤柱下方时,液压支架应配 合其他的矿压控制技术一同支护,如钻孔卸压、定向 爆破等。 4 . 2. 3ꢀ 工艺过程 1)钻孔。 根据设计参数,用煤电钻在需要缷 压区域垂直煤壁钻孔。 ( (2)随着侏罗系煤层开采结束,煤间的岩层基 # 本断裂,组成了破断顶板群结构;其最底部的 14 煤 ( 2)装药。 炸药与导爆索一同推进孔内。 见图 层遗留煤柱因承受着上部断裂顶板群主要压力而导 1 0 所示。 致煤柱底部区域产生一个应力集中区;下部石炭系 # 3 -5 煤层厚度大,开采强度高,其工作面过上覆煤柱 时,双系煤层群断裂带贯穿,上部煤柱下的集中应力 # 传递给石炭系 3-5 煤层,增大了此煤层回采过程中 的顶板压力。 图 10ꢀ 装药结构 ( 3)在此基础上提出可通过煤层注水、定向爆 1 —雷管;2—药卷;3—炮泥;4—引线;5—母线; 破等手段将上方煤柱破坏,减小其对下方煤层工作 面端头及巷道压力的影响。 6 —钻孔;7—煤壁;8—起爆器 ( ( 3)封孔。 将封孔器塞进孔内一定区间。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 4)起爆。 把各孔引线连在母线上,再把母线 转移安全区连接起爆器,打开开关进行引爆。 [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 1]ꢀ 苏林军. 大采高综放液压支架的设计研究 [ J]. 煤矿开采, 2010,15(3):77-79. 5 ꢀ 结ꢀ 论 2]ꢀ 王国法,庞义辉,马ꢀ 英. 特厚煤层大采高综放自动化开采技 术与装备[J]. 煤炭工程,2018,50(1):1-6. ( 1)根据大同矿区同忻矿的生产地质条件以及 推导的支架阻力计算公式,确定同忻矿 8207 工作面 的支架选择,并通过现场矿压观测得知,支架能够起 3]ꢀ 王永秀,齐庆新,陈ꢀ 兵,等. 煤柱应力分布规律的数值模拟分 析[J]. 煤炭科学技术,2004,32(10):59-62. 4]ꢀ 鲍永生. 复杂特厚煤层综放工作面煤柱应力分布规律研究 [ J]. 煤炭科学技术,2014,42(3):21-24. 5]ꢀ 许ꢀ 斌,于凤启,袁安营,等. 上边界煤柱对下采场应力分布规 律影响数值模拟[J]. 煤矿安全,2013,44(9):77-80. 6]ꢀ 张ꢀ 勋. 大同矿区多煤层组重叠开采矿压显现规律及控制技 术[D]. 阜新:辽宁工程技术大学, 2015. 7]ꢀ 柏桦林. 近距离煤层群下位工作面覆岩运动特征及矿压显现 规律研究[D]. 徐州:中国矿业大学, 2017. 8]ꢀ 李杭州. 坚硬煤层放顶煤注水弱化研究[D]. 西安:西安科技 大学,2003. 9]ꢀ 黄炳香. 煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[J]. 煤炭学 报,2010(10):1765-1766. 10]ꢀ 时延卿. 同忻煤矿回采工作面矿压显现与控制技术[J]. 技术 与市场,2016,23(9):122-122. 11]ꢀ 魏明尧,王恩元,刘晓斐,等. 深部煤层卸压爆破防治冲击地 压效果的数值模拟研究[ J]. 岩土力学,2011, 32 (8):2539- 2560. [ 12]ꢀ 宋焕虎,魏ꢀ 辉. 爆破卸压技术在深部煤层防治冲击地压中 的应用[J]. 中国煤炭,2015(12):53-56. ( 收稿日期 2018-08-02ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 2 36
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