強(qiáng)岱民

(河南永錦能源有限公司)

深部煤層沖擊礦壓防治技術(shù)的探討

強(qiáng)岱民①

(河南永錦能源有限公司)

介紹了煤礦開(kāi)采過(guò)程中沖擊礦壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防治技術(shù),其治理過(guò)程是先確定沖擊危險(xiǎn)指數(shù),再采用電磁輻射儀和鉆屑法進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),對(duì)危險(xiǎn)區(qū)段立即采用卸壓爆破技術(shù)進(jìn)行防治,最后用電磁輻射儀來(lái)檢驗(yàn)爆破效果。

沖擊礦壓;預(yù)測(cè)預(yù)報(bào);防治

沖擊礦壓是聚集在礦井巷道和采場(chǎng)周?chē)鷰r體中的能量突然釋放,在井巷發(fā)生爆炸性事故,產(chǎn)生的動(dòng)力將煤巖拋向巷道,同時(shí)發(fā)出劇烈聲響,造成煤巖體震動(dòng)和煤巖體破壞,支架與設(shè)備的損壞,人員傷害,部分巷道跨落破壞等。它還會(huì)引起瓦斯爆炸、火災(zāi)及水災(zāi),嚴(yán)重時(shí)造成地面的震動(dòng)和建筑物破壞等,是煤礦重大的災(zāi)害之一,通常情況具有突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、巨大破壞性和復(fù)雜性的特點(diǎn)。隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加,我國(guó)深部煤層的沖擊礦壓現(xiàn)象越來(lái)越明顯,危害越來(lái)越大。因此,研究深部煤層沖擊礦壓防治技術(shù)對(duì)提高煤礦的安全生產(chǎn)是十分必要的。

1 開(kāi)采深度對(duì)沖擊礦壓的影響

隨著開(kāi)采深度的增加,煤層中的自重壓力也隨著增加,煤巖體中聚集的彈性能也隨著增加,致使支撐壓力增大并傳播疊加在煤層上,使沖擊危險(xiǎn)的范圍擴(kuò)大。因此,在一定的開(kāi)采技術(shù)條件下,具有沖擊傾向的煤層都存在一個(gè)沖擊礦壓的臨界深度。

統(tǒng)計(jì)分析表明,開(kāi)采深度越大,沖擊礦壓發(fā)生的可能性也越大。相關(guān)資料表明,深度H≤350 m時(shí)沖擊礦壓不會(huì)發(fā)生;深度350

2 電磁輻射沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)的確定

煤巖體產(chǎn)生電磁輻射源于煤巖體的非勻質(zhì)性,是由于在壓力作用下煤巖體中產(chǎn)生非勻質(zhì)變形而引起的。在煤巖材料變形階段,由于顆粒之間的力學(xué)變形特性不同,必然發(fā)生顆粒之間的滑移,其結(jié)果是在滑移面發(fā)生強(qiáng)烈的激發(fā),甚至在滑移面尖端形成了帶電粒子發(fā)射。這種強(qiáng)烈的激發(fā)對(duì)外產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射信息綜合反映了沖擊礦壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的主要影響因素。通常情況下,可以按照以下兩種方法來(lái)確定電磁發(fā)射沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)。

1)實(shí)驗(yàn)法確定。對(duì)于經(jīng)常發(fā)生沖擊礦壓的礦井,可以選取具有代表性的煤巖體若干,并做成符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試件,對(duì)煤樣在自然條件下加載,分別采用一次壓壞、循環(huán)加載與分級(jí)加載,進(jìn)行沖擊傾向性測(cè)定。最后,可以確定出所有煤樣的平均參數(shù),如單軸抗壓強(qiáng)度、彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù),進(jìn)而確定電磁輻射平均值與脈沖數(shù)。

2)實(shí)測(cè)法確定。煤巖體所受力與電子輻射之間存在耦合關(guān)系。煤巖體所受的應(yīng)力越高,電磁輻射的強(qiáng)度越大。利用電磁輻射儀測(cè)定的信息可以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊礦壓。從誘發(fā)和發(fā)生的沖擊礦壓前后電磁輻射變化情況看,存在一定規(guī)律,即沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間,電磁輻射值較高,之后有一段時(shí)間相對(duì)較低,但這段時(shí)間內(nèi),其電磁輻射值均達(dá)到或超過(guò)臨界值,之后發(fā)生沖擊礦壓,也就是說(shuō),沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間,電磁輻射連續(xù)增長(zhǎng)或先增長(zhǎng),然后下降,之后又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此,利用這一規(guī)律,通過(guò)實(shí)測(cè)電磁輻射數(shù)值變化以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的沖擊危險(xiǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)確定電磁輻射的預(yù)警指標(biāo)。然后,將兩種方法進(jìn)行比較來(lái)選取合適的指標(biāo)。

3 沖擊礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)

1)電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。電磁輻射監(jiān)測(cè)的原理是:利用電磁輻儀接收采掘生產(chǎn)過(guò)程中煤巖體在礦壓作用下產(chǎn)生、發(fā)射電磁輻射的信號(hào),監(jiān)測(cè)到的電磁輻射強(qiáng)度能反映出煤巖內(nèi)部應(yīng)力的變化尺度及破壞程度的特征信息。在所有測(cè)定的區(qū)域內(nèi),按要求布置電磁輻射儀,在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè),若發(fā)現(xiàn)電磁輻射幅值超過(guò)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)且脈沖異常,即采用鉆屑法驗(yàn)證,在鉆屑發(fā)現(xiàn)異常時(shí),應(yīng)及時(shí)組織卸壓解危。

2)鉆屑法檢測(cè)。當(dāng)電磁輻射監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊危險(xiǎn)性高的地方,在施工卸壓鉆孔、卸壓爆破鉆孔、煤層防突鉆孔、煤層注水鉆孔等時(shí),同時(shí)測(cè)量孔內(nèi)的煤粉量,以確定和分析應(yīng)力的大小和沖擊危險(xiǎn)的強(qiáng)度。檢測(cè)孔參數(shù)及布置方式:鉆孔直徑4 250 mm,孔深7～8 m,間距5～6 m,孔距底板112 m,單排布置,鉆孔方向平行于煤層垂直巷幫。用膠結(jié)袋收集鉆出的煤粉每鉆進(jìn)1 m測(cè)量一次。如果檢測(cè)到的煤粉量與正常排粉量之比,即鉆屑量指數(shù)超過(guò)表1中的規(guī)定值或出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、異響等動(dòng)力現(xiàn)象,就可認(rèn)為煤體處于臨界危險(xiǎn)狀態(tài),必須立即采取解危措施。

表1 判別沖擊礦壓危險(xiǎn)性的鉆屑量指數(shù)

4 深孔松動(dòng)爆破的防治技術(shù)

1)深孔爆破卸壓原理。卸壓爆破不僅可以在有沖擊危險(xiǎn)的工作面卸壓,同時(shí)也可以在一定寬度的條帶煤壁內(nèi)破壞煤的結(jié)構(gòu),在工作面前方形成一條卸壓保護(hù)帶,使工作面不能積聚大量彈性能,隔絕工作空間與處于煤層深處的高應(yīng)力區(qū),達(dá)到防治沖擊礦壓的目的。在一定的振動(dòng)頻率和應(yīng)力作用范圍內(nèi),煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化。煤巖體在受振后的應(yīng)力應(yīng)變曲線變的較平緩。深孔松動(dòng)爆破卸壓措施可以在煤體中產(chǎn)生大量裂隙,使煤體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化,導(dǎo)致煤巖體的強(qiáng)度降低,彈性模量減小,使煤巖內(nèi)積聚的彈性能減少,從而破壞沖擊礦壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件。由于煤體內(nèi)裂隙的長(zhǎng)度和密度增加,按照失穩(wěn)理論還具有致穩(wěn)作用和止裂作用,可以有效防止沖擊礦壓的發(fā)生。

2)深孔松動(dòng)爆破卸壓實(shí)施方案。深孔松動(dòng)爆破卸壓分為振動(dòng)爆破卸壓和頂板爆破卸壓。采用頂板爆破卸壓可以將砌體梁破斷,從而破壞堅(jiān)硬老頂?shù)恼w性,減小老頂大面積懸露對(duì)煤柱和工作面前方煤壁的壓力,使堅(jiān)硬老頂斷裂時(shí)的能量提前釋放出來(lái),從而減小沖擊礦壓發(fā)生的可能性。在進(jìn)行爆破前,需要對(duì)爆破參數(shù),主要包括鉆孔深度、炮眼間距、炮眼角度等進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)施卸壓爆破,鉆孔深度應(yīng)達(dá)到支承壓力峰值區(qū),裝藥位置越靠近峰值區(qū),炸藥威力越大,爆破效果越好。深孔卸壓爆破不裝藥部分需填滿黏土炮泥,其深度不僅要保證爆破不破壞煤幫,同時(shí)使靠近巷幫的煤體免受支承壓力作用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例和打鉆結(jié)果分析,支承壓力的峰值在煤壁內(nèi)3～4 m處時(shí),鉆孔深度在6 m以上,可以使支承壓力峰值向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移3 m左右。因此,卸壓爆破地段炮眼深度確定為7 m,裝藥和不裝藥深度均為3.5 m。另外炮眼間距一般為3 m左右。

3)利用電磁輻射儀監(jiān)測(cè)深孔松動(dòng)爆破卸壓效果。采用松動(dòng)爆破卸壓措施前,電磁輻射強(qiáng)度值和脈沖數(shù)都較高,電磁輻射強(qiáng)度值普遍在沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)以上,脈沖數(shù)也較高,部分超過(guò)了報(bào)警臨界值,脈沖數(shù)變化也比較大;采取爆破卸壓措施后,若電磁輻射強(qiáng)度值和脈沖數(shù)都明顯降低,則說(shuō)明深孔松動(dòng)爆破卸壓措施效果較好。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)深部煤層開(kāi)采是解決我國(guó)煤炭需求的必經(jīng)之路,我國(guó)已有很多煤礦進(jìn)入了深部開(kāi)采,如果仍采用淺部條件下的理論去分析深部開(kāi)采的問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因此,應(yīng)進(jìn)行深部煤層理論的研究來(lái)解決諸如沖擊礦壓的問(wèn)題。

2)電磁輻射監(jiān)測(cè)、煤粉鉆屑法檢測(cè)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)沖擊礦壓的前兆現(xiàn)象,沖擊礦壓的防治是建立于動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)之上的防治。采區(qū)內(nèi)應(yīng)劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域,對(duì)于特別危險(xiǎn)區(qū)域要重點(diǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。要建立采區(qū)沖擊礦壓危險(xiǎn)級(jí)別測(cè)定、編制防治措施計(jì)劃及規(guī)程、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)分析、效果檢測(cè)、防治工作總結(jié)、調(diào)整改進(jìn)防治措施等沖擊礦壓的防治體系。

3)爆破卸壓方案是有效可靠的解危手段。只要爆破威力達(dá)到相應(yīng)要求就能夠控制沖擊礦壓的發(fā)生。只要在危險(xiǎn)區(qū)域調(diào)整爆破藥量和炮眼密度就能夠有效地將煤層內(nèi)積聚的彈性能釋放出來(lái),大大減少工作面沖擊礦壓的發(fā)生且能采用電磁輻射儀監(jiān)測(cè)深孔松動(dòng)爆破卸壓效果。

[1] 錢(qián)鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:294-324.

[2] 竇林名,何學(xué)秋,王恩元.沖擊礦壓預(yù)測(cè)的電磁輻射技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(4):396-399.

[3] 趙從國(guó),竇林名.波蘭沖擊礦壓防治方法研究[J].江蘇煤炭,2004,19(2):11-12.

[4] 喬元棟.對(duì)沖擊礦壓的預(yù)測(cè)和治理[J].同煤科技,2006,26(3):21-22.

Discussion on Prevention and Control Technology of Rock Burst in Deep Coal Seam

Qiang Dai-min

The paper systematically introduces the forecast and control technology of rock burst in coal mining.The process is to determine the risk index and then the use of electromagnetic radiationmeter and method of drilling bits carries out forecast.Based on the forecast of rock burst,the working men can adopt pressure release blasting technology in the dangerous section quickly,the effect can be tested by electromagnetic radiation meter at last.

Rock Burst;Forecast;Control

book=6,ebook=207

TD324

A

1672-0652(2010)06-0038-03

2010-04-22

強(qiáng)岱民 男 1966年出生 1988年畢業(yè)于河南理工大學(xué) 工程師 禹州 461670