深井火成岩侵入工作面冲击矿压防治

王义然,牟宗龙,2,3,阮国强

(1.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿,山东菏泽 274705;2.兖矿集团有限公司博士后工作站,山东邹城 273500; 3.中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

矿压与灾害控制

深井火成岩侵入工作面冲击矿压防治

王义然1,牟宗龙1,2,3,阮国强1

(1.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿,山东菏泽 274705;2.兖矿集团有限公司博士后工作站,山东邹城 273500; 3.中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

基于赵楼煤矿 1302工作面运输巷火成岩侵入区二次底板型冲击矿压的分析,指出较高的原岩应力和底板火成岩与围岩变形不协调,使得火成岩区产生应力集中和弹性能量积聚,火成岩突然断裂导致能量突然大量释放是底板冲击的根源。通过煤体卸压爆破、底板预裂爆破可减小火成岩两翼的应力和火成岩中部所受的弯矩,可有效改变火成岩的受力状态和能量释放速率,达到控制底板冲击矿压发生的目的。

深井;火成岩;冲击矿压;底板预裂爆破

冲击矿压是矿井开采过程中,高应力作用下聚集有大量弹性能的煤或岩体,在一定条件下突然发生破坏、冒落或抛出的动力效应。这种动力现象常导致巷道破坏、设备损毁甚至人员伤亡[1]。深部开采矿井原岩应力高,矿压显现与浅部矿井明显不同,深井产生的岩石力学问题已成为国内外的技术难题之一[2]。火成岩入侵改变了岩层的连续性,同时火成岩与被入侵岩层的力学性质不同,火成岩强度高,易聚集弹性能量,火成岩的脆性破断是导致煤岩体动力显现的主要原因之一。本文基于赵楼煤矿火成岩侵入区的二次冲击矿压事故,分析了火成岩诱发冲击的原因,提出了火成岩侵入工作面冲击矿压防治技术,对工作面回采过程中的火成岩区域巷道防冲具有重要意义,同时为类似条件矿井防冲提供有益参考。

1 工作面及冲击概况

兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿是兖矿集团有限公司在巨野煤田投产的第 1个矿井,设计生产能力为 3.0Mt/a。于 2009年 3月 28日开始试生产,首采工作面开采深度达到 900m,属深部矿井。矿井开拓方式为 -860m单一水平立井开拓。1302工作面为该矿首采放顶煤工作面,工作面长 150m,走向长 899.7m,地面标高 43.6～45.7m,井下标高 -858～-870m,西北方向为正在施工的 1301工作面巷道,东南方向至 FZ14逆断层煤柱。1302工作面设计回采 3号煤层,煤层倾角 2～13°,平均 4°,厚度 0～7.4m,平均 4.17m。采高 2.9m,平均放煤高度1.27m。

1302工作面顶、底板地质情况如表 1所示。

表 1 1302工作面顶底板情况

工作面运输巷掘进过程中,发生了多次强矿压显现,其中,在火成岩入侵区域发生的 2次底板冲击矿压尤为严重。第 1次在 1302运输巷导线点 P13前 32.5～50.5m地段,最大底鼓高度 1100mm,底板形成 2条 30～60mm宽的裂缝,底鼓岩层产生离层;第 2次在 1302运输巷导线点 P13后 6m至 P13前10m地段,最大底鼓高度 400mm,底板形成宽40mm的裂缝。两次底板冲击矿压均造成强烈的震动、煤壁及顶板煤渣剥落等动力现象,显现地点如图 1所示。经观测,两次冲击矿压发生点底板均有1～2m厚火成岩分布。

图1 冲击矿压显现位置

2 底板冲击原因分析

冲击矿压是煤体在高应力作用下发生的突然破坏[3-6]。赵楼煤矿 1302面运输巷道的火成岩底板冲击发生机理与煤体冲击既有相同点又有区别,两者都必须满足强度条件和能量条件,但诱因不同。1302面采深约 900m,实测原岩最大水平应力达到36.4MPa,构造应力较高,如表 2所示。

表2 原岩应力实测

从强度条件分析,火成岩发生冲击时的应力必须超过火成岩的强度;从能量条件分析,巷道开挖后,受应力重新分布影响,巷道两侧应力升高,底板产生垂直方向的位移,由于火成岩强度高于周围煤岩层,火成岩变形量小,产生应力集中,底板火成岩受力状态类似于三点受力弯曲,同时在高水平应力作用下,集聚了大量弹性能量,当所受应力达到其极限强度时产生断裂,弹性能突然释放,发生底板冲击矿压。

3 冲击矿压防治

由于巷道底板层状火成岩的存在,导致 1302工作面存在冲击矿压危险性。为了预防工作面回采期间的冲击矿压灾害,需要提前对巷道底板层状火成岩进行处理。由于火成岩底板冲击的主要原因为:在高应力作用下,火成岩中部与两翼受力不协调而导致巷道底部 (火成岩中部)断裂,故冲击矿压的防治应主要从释放应力和弱化火成岩本身入手采取措施。

3.1 煤体卸压爆破

煤体卸压爆破可弱化巷道帮部浅部煤体,将高应力区域向煤体深部转移,降低巷道火成岩两翼所受的应力,减小火成岩中部截面的弯矩。煤体卸压爆破是采用 <42mm钻头打眼,炮眼深度 10m左右,爆破采用矿用乳化炸药,每孔装药长 6～8m,封泥长度 4～6m,反向装药。钻孔数每组 5个,间距 5m,钻孔方向垂直巷帮,炮眼单排布置,距底板 1.2m,炮眼布置如图 2。

图2 煤体卸压爆破炮眼布置

3.2 巷道底板预裂爆破

巷道底板预裂爆破的原理是在应力还未达到底板火成岩断裂强度、火成岩及周边煤岩体弹性能量还未大量聚集时,采用人工的方法对巷道底板火成岩进行预裂爆破,释放火成岩集聚的应力和弹性能。爆破后,火成岩中部产生断裂,改变了火成岩的三点受力状态,使后期火成岩在受力过程中与围岩协调变形,能量缓慢释放。

利用钻机在距煤帮底脚约 200mm处,采用<42mm钻头向底板向下打斜钻孔,钻孔深度为5m,以能够破坏整个火成岩厚度为准,钻孔间距2m,钻孔布置如图 3所示。

图3 底板预裂爆破钻孔布置

用 PVC塑料管将药卷装到孔底,塑料管端部用胶带塞住,采用反向耦合装药,钻孔不装药部分用黏土炮泥填实,装药量约占钻孔长度的一半,3～5个一组起爆。

在 1302工作面回采过程中,通过实施煤体卸压爆破和巷道底板预裂爆破,火成岩区域巷道无明显的动压显现,保证了工作面的安全回采,目前该工作面已基本回采完毕。

4 结论

(1)巷道底板火成岩侵入改变了底板岩层的连续性,巷道两帮应力升高区作用于火成岩的应力不能传递到深部岩体,同时火成岩强度高,不易随周围岩体协调变形,火成岩应力集中程度高,受力情况类似三点弯曲受力,中部弯矩大。当火成岩受力超过其强度极限时,集聚的弹性能量瞬间释放导致底板冲击。

(2)通过煤体卸压可以改变巷道周围煤体的受力状态,将煤体高应力区向深部转移,减小作用于火成岩两翼的应力,降低火成岩中部的弯矩,从而降低火成岩突然断裂形成冲击的可能性。

(3)巷道底板预裂爆破可以改变火成岩受力状态、释放火成岩积聚的能量、降低工作面回采过程中围岩释放能量的速率,从而有效防止底板冲击灾害的发生。

[1]窦林名,赵从国,杨思光,等.煤矿开采冲击矿压灾害防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006.

[2]何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究 [J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.

[3]齐庆新,窦林名.冲击地压理论与技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[4]陆菜平,窦林名,吴兴荣,等.煤矿冲击矿压的强度弱化[J].北京科技大学学报,2007,29(11):1074-1078.

[5]何 烨,彭 飞,胡学军,等.济二矿首例孤岛综放面冲击矿压监测治理 [J].中国矿业大学学报,2004,33(5).

[6]窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2001.

[责任编辑:李宏艳]

Rock-burst Prevention and Control of DeepM in ing Face Influenced by Intrusive Igneous Rock

WANG Yi-ran1,MOU Zong-long1,2,3,RUAN Guo-qiang1

(1.Zhaolou Colliery,Yanmei Heze Energy Chemical Co.,Ltd,Heze 274705,China; 2.PostdoctoralWorking Station,YanzhouMining Group Co.,Ltd,Zoucheng 273500,China; 3.State KeyLaboratory of Coal Resource&SafeMining,Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

Based on the analysisof floor rock-burst influenced by intrusive igneous rock in transportation roadwayof 1302 mining face in Zhaolou Colliery,the paper pointed out that higher geo-stress and defor mation discordance of floor igneous rock and surrounding rock made stress concentration and elastic energy accumulation in igneous rock area.Sudden rupture of igneous rock caused energy release rapidly and induced floor rock-burst.Stress at two sides and bending moment at the middle of igneous rock might be reduced and stress state and energy relief ratio might be changed by pressure-relief blasting and floor pre-crack blasting to control floor rock-burst.

deep mine;igneous rock;rock-burst;floor pre-crack blasting

TD324

A

1006-6225(2010)06-0077-03

2010-07-13

中国矿业大学科技基金 (青年)资助项目 (2007A004);中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金项目 (08KF09)。

王义然 (1968-),男,山东青岛人,工程师,现任赵楼煤矿技术科防冲办主任,从事采矿工程工作。