深部煤層沖擊礦壓防治技術的探討

強岱民

(河南永錦能源有限公司)

深部煤層沖擊礦壓防治技術的探討

強岱民①

(河南永錦能源有限公司)

介紹了煤礦開采過程中沖擊礦壓的預測預報及防治技術,其治理過程是先確定沖擊危險指數,再采用電磁輻射儀和鉆屑法進行預測預報,對危險區段立即采用卸壓爆破技術進行防治,最后用電磁輻射儀來檢驗爆破效果。

沖擊礦壓;預測預報;防治

沖擊礦壓是聚集在礦井巷道和采場周圍巖體中的能量突然釋放,在井巷發生爆炸性事故,產生的動力將煤巖拋向巷道,同時發出劇烈聲響,造成煤巖體震動和煤巖體破壞,支架與設備的損壞,人員傷害,部分巷道跨落破壞等。它還會引起瓦斯爆炸、火災及水災,嚴重時造成地面的震動和建筑物破壞等,是煤礦重大的災害之一,通常情況具有突發性、瞬時震動性、巨大破壞性和復雜性的特點。隨著煤礦開采深度的不斷增加,我國深部煤層的沖擊礦壓現象越來越明顯,危害越來越大。因此,研究深部煤層沖擊礦壓防治技術對提高煤礦的安全生產是十分必要的。

1 開采深度對沖擊礦壓的影響

隨著開采深度的增加,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,使沖擊危險的范圍擴大。因此,在一定的開采技術條件下,具有沖擊傾向的煤層都存在一個沖擊礦壓的臨界深度。

統計分析表明,開采深度越大,沖擊礦壓發生的可能性也越大。相關資料表明,深度H≤350 m時沖擊礦壓不會發生;深度350

2 電磁輻射沖擊危險預警指標的確定

煤巖體產生電磁輻射源于煤巖體的非勻質性,是由于在壓力作用下煤巖體中產生非勻質變形而引起的。在煤巖材料變形階段,由于顆粒之間的力學變形特性不同,必然發生顆粒之間的滑移,其結果是在滑移面發生強烈的激發,甚至在滑移面尖端形成了帶電粒子發射。這種強烈的激發對外產生電磁輻射。電磁輻射信息綜合反映了沖擊礦壓等煤巖動力災害的主要影響因素。通常情況下,可以按照以下兩種方法來確定電磁發射沖擊危險預警指標。

1)實驗法確定。對于經常發生沖擊礦壓的礦井,可以選取具有代表性的煤巖體若干,并做成符合實驗標準的試件,對煤樣在自然條件下加載,分別采用一次壓壞、循環加載與分級加載,進行沖擊傾向性測定。最后,可以確定出所有煤樣的平均參數,如單軸抗壓強度、彈性能指數、沖擊能指數,進而確定電磁輻射平均值與脈沖數。

2)實測法確定。煤巖體所受力與電子輻射之間存在耦合關系。煤巖體所受的應力越高,電磁輻射的強度越大。利用電磁輻射儀測定的信息可以預測預報沖擊礦壓。從誘發和發生的沖擊礦壓前后電磁輻射變化情況看,存在一定規律,即沖擊礦壓發生前的一段時間,電磁輻射值較高,之后有一段時間相對較低,但這段時間內,其電磁輻射值均達到或超過臨界值,之后發生沖擊礦壓,也就是說,沖擊礦壓發生前的一段時間,電磁輻射連續增長或先增長,然后下降,之后又呈增長趨勢。因此,利用這一規律,通過實測電磁輻射數值變化以及現場實際的沖擊危險的對應關系來確定電磁輻射的預警指標。然后,將兩種方法進行比較來選取合適的指標。

3 沖擊礦壓預測預報技術

1)電磁輻射監測預報。電磁輻射監測的原理是:利用電磁輻儀接收采掘生產過程中煤巖體在礦壓作用下產生、發射電磁輻射的信號,監測到的電磁輻射強度能反映出煤巖內部應力的變化尺度及破壞程度的特征信息。在所有測定的區域內,按要求布置電磁輻射儀,在該區域內進行監測,若發現電磁輻射幅值超過沖擊危險預警指標且脈沖異常,即采用鉆屑法驗證,在鉆屑發現異常時,應及時組織卸壓解危。

2)鉆屑法檢測。當電磁輻射監測到沖擊危險性高的地方,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,同時測量孔內的煤粉量,以確定和分析應力的大小和沖擊危險的強度。檢測孔參數及布置方式: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。用膠結袋收集鉆出的煤粉每鉆進1 m測量一次。如果檢測到的煤粉量與正常排粉量之比,即鉆屑量指數超過表1中的規定值或出現卡鉆、吸鉆、異響等動力現象,就可認為煤體處于臨界危險狀態,必須立即采取解危措施。

表1 判別沖擊礦壓危險性的鉆屑量指數

4 深孔松動爆破的防治技術

1)深孔爆破卸壓原理。卸壓爆破不僅可以在有沖擊危險的工作面卸壓,同時也可以在一定寬度的條帶煤壁內破壞煤的結構,在工作面前方形成一條卸壓保護帶,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力區,達到防治沖擊礦壓的目的。在一定的振動頻率和應力作用范圍內,煤巖體內部結構可能發生變化。煤巖體在受振后的應力應變曲線變的較平緩。深孔松動爆破卸壓措施可以在煤體中產生大量裂隙,使煤體的力學性質發生了變化,導致煤巖體的強度降低,彈性模量減小,使煤巖內積聚的彈性能減少,從而破壞沖擊礦壓發生的強度條件和能量條件。由于煤體內裂隙的長度和密度增加,按照失穩理論還具有致穩作用和止裂作用,可以有效防止沖擊礦壓的發生。

2)深孔松動爆破卸壓實施方案。深孔松動爆破卸壓分為振動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,從而破壞堅硬老頂的整體性,減小老頂大面積懸露對煤柱和工作面前方煤壁的壓力,使堅硬老頂斷裂時的能量提前釋放出來,從而減小沖擊礦壓發生的可能性。在進行爆破前,需要對爆破參數,主要包括鉆孔深度、炮眼間距、炮眼角度等進行設計。實施卸壓爆破,鉆孔深度應達到支承壓力峰值區,裝藥位置越靠近峰值區,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,同時使靠近巷幫的煤體免受支承壓力作用。通過現場實例和打鉆結果分析,支承壓力的峰值在煤壁內3～4 m處時,鉆孔深度在6 m以上,可以使支承壓力峰值向煤體內轉移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)利用電磁輻射儀監測深孔松動爆破卸壓效果。采用松動爆破卸壓措施前,電磁輻射強度值和脈沖數都較高,電磁輻射強度值普遍在沖擊危險預警指標以上,脈沖數也較高,部分超過了報警臨界值,脈沖數變化也比較大;采取爆破卸壓措施后,若電磁輻射強度值和脈沖數都明顯降低,則說明深孔松動爆破卸壓措施效果較好。

5 結 語

1)深部煤層開采是解決我國煤炭需求的必經之路,我國已有很多煤礦進入了深部開采,如果仍采用淺部條件下的理論去分析深部開采的問題是遠遠不夠的,因此,應進行深部煤層理論的研究來解決諸如沖擊礦壓的問題。

2)電磁輻射監測、煤粉鉆屑法檢測能夠比較準確地預報沖擊礦壓的前兆現象,沖擊礦壓的防治是建立于動態基礎之上的防治。采區內應劃分沖擊危險區域,對于特別危險區域要重點預測預報。要建立采區沖擊礦壓危險級別測定、編制防治措施計劃及規程、預測預報、數據分析、效果檢測、防治工作總結、調整改進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。只要爆破威力達到相應要求就能夠控制沖擊礦壓的發生。只要在危險區域調整爆破藥量和炮眼密度就能夠有效地將煤層內積聚的彈性能釋放出來,大大減少工作面沖擊礦壓的發生且能采用電磁輻射儀監測深孔松動爆破卸壓效果。

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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

強岱民 男 1966年出生 1988年畢業于河南理工大學 工程師 禹州 461670