孤岛工作面冲击危险性预防技术研究

张海涛,董兴军,张 璟

(大同煤矿集团同地龙驭煤业有限公司,山西 临汾 041000)

孤岛工作面冲击危险性预防技术研究

张海涛,董兴军,张 璟

(大同煤矿集团同地龙驭煤业有限公司,山西 临汾 041000)

为避免开采深度较大时,回采中的孤岛工作面及巷道附近应力集中程度高,发生冲击地压的危险的情况,对2-228孤岛工作面煤岩物理力学性质特征进行分析,运用微震监测技术确定发生冲击地压的能量来源,划定存在冲击地压的危险区域和等级,并以此制定相应的预防措施,实现了矿井工作面的安全高效回采。这为该矿井其他采区及类似条件矿井的安全生产提供了参考。

矿井开采;孤岛工作面;冲击地压;微震监测

随着采深的不断加大,矿井开采过程中的冲击现象和灾害逐渐显现[1-3]。对于开采深度较大的高瓦斯矿井孤岛工作面,在高地应力、高瓦斯及地质构造的耦合作用下,其煤岩动力灾害发生的机理更为复杂,预测和防治也更加困难。本文针对2-228孤岛工作面实际情况,根据煤岩物理力学特征、应力场分布、瓦斯参数等开采技术条件,结合监测技术,分析动力现象的发生原因及能量来源,提前预判灾害程度及范围,以便采取合适的防治手段,预防孤岛工作面回采异常状况发生。

图1 2-228孤岛工作面平面布置图Fig.1 2-228 island coal face layout

1 2-228孤岛工作面生产技术条件

2-228工作面位于二采区左翼,是上下两侧区段已采空孤岛工作面(见图1),其上侧为2-220采空区,留设有20 m煤柱;下侧为2-224采空区,留设有20 m煤柱。2-228工作面埋深650 m左右,工作面走向共计630 m,倾向共计130 m。主采2#煤层均厚3.16 m,煤层的普氏系数f=1.5,煤层平均倾角6°,含夹矸2层，为复杂结构煤层。该工作面由于受高原岩应力、开采集中应力、瓦斯等因素影响,在掘进期间煤炮频繁,打钻时顶钻、夹钻严重,并伴随喷孔现象,对安全生产构成严重威胁。

2 煤岩物理力学参数及冲击倾向性评价

多年来,国内外学者在冲击地压方面取得了有价值的研究成果,认为发生冲击地压的发生须满足两个条件:一应力条件；二煤岩体力学特性条件[4-12]。

为确定2-228工作面煤岩冲击倾向性,采集了2-228工作面煤层及顶板煤岩样,依据评判方法,根据煤样的动态破坏时间、弹性能指标、冲击能指标结果综合分析,2-228孤岛工作面2#煤层测试具有中等程度的冲击倾向性。而煤层顶板砂岩和中粒砂岩抗压强度高、抗变形能力强,经验算砂岩弯曲能量指数为7.6 kJ,弯曲能指标UWQ≤10 kJ,分析属于无冲击性岩石;煤层顶板砂质泥岩强度中等,普氏系数为5.9,属于中等坚硬岩石类,亦属于无冲击倾向性岩石。

3 工作面覆岩应力分布

采用三维FLAC计算模拟软件对2-228采面覆岩应力分布情况进行模拟,模拟范围为沿2-228孤岛工作面走向600 m,倾向范围为从2-220采空区至2-224采空区,开挖形成工作面推进,模拟结果见图2。

图2 2-228工作面竖向应力分布三维图Fig.2 3D diagram of vertical stress distribution on 2-228 working face

通过图2应力分布三维图可以看出,在2-228工作面两侧的采空区已经卸压,而2-228工作面及煤柱应力集中,尤其是采面两侧煤柱。

图3 2-228孤岛工作面应力分布沿X轴分布图Fig. 3 X-axis stress distribution of 2-228 island coal face

截取2-228工作面应力分布沿X轴方向截面图,见图3。由图3可知,2-228孤岛工作面内部应力(即垂直原岩应力)为14 MPa,覆岩最大应力接近24 MPa,工作面前方的聚集压力区应力达到20 MPa以上。工作面开采引起的集中应力达到原始垂直应力的两倍左右,2-228工作面作为孤岛工作面受到的集中应力较大,可能引发动力现象。

4 微震监测冲击地压来源及能量

冲击地压的实质是围岩应力、应变、变形、破裂、失稳及破坏等一系列动态演变过程的一种表现形式。在煤矿采场推进过程中,采面前方的煤岩体分为原始应力区、高峰应力区和应力降低区。煤岩体中应力高的区域,在采掘活动的扰动下,应力边界条件发生改变,原岩应力发生变化,应力释放使得煤岩体破碎进而导致冲击的发生。

微震技术能够对煤岩体微震活动实时、连续、在线监测,已成为煤矿冲击地压灾害预测预报和机制研究的重要手段之一。在对2-228孤岛工作面顶底板煤岩物理力学性质和工作面应力分布分析的基础上,用微震在线监测显示系统共布置11个测点对2采区进行了3个月连续监测,现场监测到的震源位置定位平面图，见图4。

图4 微震震源定位平面图Fig.4 Positioning plan of microseismic source

由图4可知,3个月共在2采区监测到1207次震动。微震的发生,表明2-228工作面区域顶底板和煤柱已经破裂,该处围岩处于不稳定状态。微震震源分布主要集中在2-228工作面、220采空区与2-228工作面之间的煤柱、224采空区与2-228工作面之间的煤柱内,且基本处于2-228工作面上侧20 m至工作面下侧50 m之间的区域内,表明这部分区域顶底板发生破损,并产生了微震现象。

微震在线监测显示系统记录到2-228工作面微震能量在102～105J之间,本文以布置在2-228运输巷9#测点监测到的能量在103J以上的微震的波形和频谱特征为例对微震能量与发生冲击地压的关系进行说明,见图5。

5-a 9号通道振幅-时间图

5-b 9号通道幅度-频率图图5 能量大于103J的部分波形和频谱图Fig. 5 Oscillogram and spectrum of energy (more than 103J)

由图5可知,震动释放能量大于103J的矿震,其振幅主要介于0.2×10-4m/s～5.0×10-4m/s之间,信号持续时间在600 ms～1 800 ms,衰减快。从频谱上看,信号的频带分布介于0 Hz～160 Hz之间,主频频带较宽,在10 Hz～75 Hz。这从一个侧面说明该矿2-228工作面具备发生冲击地压危险的可能,断层活化、采空区基本顶断裂、采空区直接顶断裂、切眼处顶板破裂等因素是引起微震信号的主要原因。

5 防治冲击地压措施

针对2-228孤岛工作面已经形成的事实,研究采取如下几个具体措施:

1)施工本煤层瓦斯预抽卸压钻孔,并在回采之前对预抽钻孔进行抽采。施工预抽钻孔的主要目的是:一方面利用钻孔的卸压作用,降低煤体压力,消除危险;另一方面利用瓦斯抽采,增加煤体自身强度,从而增加抵抗发生冲击地压的潜力。

预抽卸压钻孔可以采取正向平行钻孔或斜向平行钻孔方式布置(见图6),钻孔间距暂取5 m～7 m,孔深110 m。

图6 预抽卸压钻孔布置示意图Fig. 6 Boreholes layout in pre-draining and pressure releasing

2)煤层注水。2-228采面在回风顺槽位置沿煤层走向方向设计施工注水钻孔,注水孔的间距设计为12 m,注水孔直径75 mm,孔深60 m,每个钻孔注水量约为3 056 t,且时间不小于30 d,注水压力为6 MPa～12 MPa。

6 结论

1)通过煤岩物理力学参数测试,2#煤层经评判为中等冲击倾向性,采面顶板岩层经判定无冲击倾向性。2-228孤岛工作面由于应力集中,工作面动力危险源主要为冲击地压,其危险程度为弱性冲击危险。

2)通过对2-228工作面覆岩应力分布分析,2-228应力集中区主要集中在工作面两侧煤柱。

3)应力集中、断层活化、采空区基本顶断裂、采空区直接顶断裂、切眼处顶板破裂等因素促成了2-228工作面的弱性冲击地压危险。

4)通过在煤层中施工瓦斯预抽卸压钻孔,经过接抽一定时间后,结合采面煤层预注水,能有效减低冲击危险的可能性。

5)矿井在进行采掘设计部署时,应合理规划开采顺序,调整采区及工作面布置,实现无煤柱开采,避免形成采面应力的高度集中。

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PreventiveTechnologyagainstImpactHazardsforIslandCoalFace

ZHANG Haitao, DONG Xingjun, ZHANG Jing

(TongdiLongyuCoalCo.,Ltd.,DatongCoalMineGroup,Linfen041000,China)

The deeper mining is, the higher stress concentration on island coal face and around roadways is and the more likely rock burst happens. The physical and mechanical properties of the coal rock of 2-228 island coal face were analyzed to determine the energy sources of the rock burst by microseismic monitoring technology, delineate hazardous areas and grades, and formulate corresponding preventive measures, in order to achieve the safe and efficient mining. This could provide references for the safe mining in similar mines.

coal mining; island coal face; rock burst; microseismic monitoring

1672-5050(2017)02-0058-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.016

2016-12-25

张海涛(1987-),男,天津宝坻人,大学本科,从事煤矿开采及煤矿安全方面的技术研究工作。

TD324

A

(编辑:薄小玲)