孤島工作面沖擊危險性預防技術研究

張海濤,董興軍,張 璟

(大同煤礦集團同地龍馭煤業有限公司,山西 臨汾 041000)

孤島工作面沖擊危險性預防技術研究

張海濤,董興軍,張 璟

(大同煤礦集團同地龍馭煤業有限公司,山西 臨汾 041000)

為避免開采深度較大時,回采中的孤島工作面及巷道附近應力集中程度高,發生沖擊地壓的危險的情況,對2-228孤島工作面煤巖物理力學性質特征進行分析,運用微震監測技術確定發生沖擊地壓的能量來源,劃定存在沖擊地壓的危險區域和等級,并以此制定相應的預防措施,實現了礦井工作面的安全高效回采。這為該礦井其他采區及類似條件礦井的安全生產提供了參考。

礦井開采;孤島工作面;沖擊地壓;微震監測

隨著采深的不斷加大,礦井開采過程中的沖擊現象和災害逐漸顯現[1-3]。對于開采深度較大的高瓦斯礦井孤島工作面,在高地應力、高瓦斯及地質構造的耦合作用下,其煤巖動力災害發生的機理更為復雜,預測和防治也更加困難。本文針對2-228孤島工作面實際情況,根據煤巖物理力學特征、應力場分布、瓦斯參數等開采技術條件,結合監測技術,分析動力現象的發生原因及能量來源,提前預判災害程度及范圍,以便采取合適的防治手段,預防孤島工作面回采異常狀況發生。

圖1 2-228孤島工作面平面布置圖Fig.1 2-228 island coal face layout

1 2-228孤島工作面生產技術條件

2-228工作面位于二采區左翼,是上下兩側區段已采空孤島工作面(見圖1),其上側為2-220采空區,留設有20 m煤柱;下側為2-224采空區,留設有20 m煤柱。2-228工作面埋深650 m左右,工作面走向共計630 m,傾向共計130 m。主采2#煤層均厚3.16 m,煤層的普氏系數f=1.5,煤層平均傾角6°,含夾矸2層，為復雜結構煤層。該工作面由于受高原巖應力、開采集中應力、瓦斯等因素影響,在掘進期間煤炮頻繁,打鉆時頂鉆、夾鉆嚴重,并伴隨噴孔現象,對安全生產構成嚴重威脅。

2 煤巖物理力學參數及沖擊傾向性評價

多年來,國內外學者在沖擊地壓方面取得了有價值的研究成果,認為發生沖擊地壓的發生須滿足兩個條件:一應力條件；二煤巖體力學特性條件[4-12]。

為確定2-228工作面煤巖沖擊傾向性,采集了2-228工作面煤層及頂板煤巖樣,依據評判方法,根據煤樣的動態破壞時間、彈性能指標、沖擊能指標結果綜合分析,2-228孤島工作面2#煤層測試具有中等程度的沖擊傾向性。而煤層頂板砂巖和中粒砂巖抗壓強度高、抗變形能力強,經驗算砂巖彎曲能量指數為7.6 kJ,彎曲能指標UWQ≤10 kJ,分析屬于無沖擊性巖石;煤層頂板砂質泥巖強度中等,普氏系數為5.9,屬于中等堅硬巖石類,亦屬于無沖擊傾向性巖石。

3 工作面覆巖應力分布

采用三維FLAC計算模擬軟件對2-228采面覆巖應力分布情況進行模擬,模擬范圍為沿2-228孤島工作面走向600 m,傾向范圍為從2-220采空區至2-224采空區,開挖形成工作面推進,模擬結果見圖2。

圖2 2-228工作面豎向應力分布三維圖Fig.2 3D diagram of vertical stress distribution on 2-228 working face

通過圖2應力分布三維圖可以看出,在2-228工作面兩側的采空區已經卸壓,而2-228工作面及煤柱應力集中,尤其是采面兩側煤柱。

圖3 2-228孤島工作面應力分布沿X軸分布圖Fig. 3 X-axis stress distribution of 2-228 island coal face

截取2-228工作面應力分布沿X軸方向截面圖,見圖3。由圖3可知,2-228孤島工作面內部應力(即垂直原巖應力)為14 MPa,覆巖最大應力接近24 MPa,工作面前方的聚集壓力區應力達到20 MPa以上。工作面開采引起的集中應力達到原始垂直應力的兩倍左右,2-228工作面作為孤島工作面受到的集中應力較大,可能引發動力現象。

4 微震監測沖擊地壓來源及能量

沖擊地壓的實質是圍巖應力、應變、變形、破裂、失穩及破壞等一系列動態演變過程的一種表現形式。在煤礦采場推進過程中,采面前方的煤巖體分為原始應力區、高峰應力區和應力降低區。煤巖體中應力高的區域,在采掘活動的擾動下,應力邊界條件發生改變,原巖應力發生變化,應力釋放使得煤巖體破碎進而導致沖擊的發生。

微震技術能夠對煤巖體微震活動實時、連續、在線監測,已成為煤礦沖擊地壓災害預測預報和機制研究的重要手段之一。在對2-228孤島工作面頂底板煤巖物理力學性質和工作面應力分布分析的基礎上,用微震在線監測顯示系統共布置11個測點對2采區進行了3個月連續監測,現場監測到的震源位置定位平面圖，見圖4。

圖4 微震震源定位平面圖Fig.4 Positioning plan of microseismic source

由圖4可知,3個月共在2采區監測到1207次震動。微震的發生,表明2-228工作面區域頂底板和煤柱已經破裂,該處圍巖處于不穩定狀態。微震震源分布主要集中在2-228工作面、220采空區與2-228工作面之間的煤柱、224采空區與2-228工作面之間的煤柱內,且基本處于2-228工作面上側20 m至工作面下側50 m之間的區域內,表明這部分區域頂底板發生破損,并產生了微震現象。

微震在線監測顯示系統記錄到2-228工作面微震能量在102～105J之間,本文以布置在2-228運輸巷9#測點監測到的能量在103J以上的微震的波形和頻譜特征為例對微震能量與發生沖擊地壓的關系進行說明,見圖5。

5-a 9號通道振幅-時間圖

5-b 9號通道幅度-頻率圖圖5 能量大于103J的部分波形和頻譜圖Fig. 5 Oscillogram and spectrum of energy (more than 103J)

由圖5可知,震動釋放能量大于103J的礦震,其振幅主要介于0.2×10-4m/s～5.0×10-4m/s之間,信號持續時間在600 ms～1 800 ms,衰減快。從頻譜上看,信號的頻帶分布介于0 Hz～160 Hz之間,主頻頻帶較寬,在10 Hz～75 Hz。這從一個側面說明該礦2-228工作面具備發生沖擊地壓危險的可能,斷層活化、采空區基本頂斷裂、采空區直接頂斷裂、切眼處頂板破裂等因素是引起微震信號的主要原因。

5 防治沖擊地壓措施

針對2-228孤島工作面已經形成的事實,研究采取如下幾個具體措施:

1)施工本煤層瓦斯預抽卸壓鉆孔,并在回采之前對預抽鉆孔進行抽采。施工預抽鉆孔的主要目的是:一方面利用鉆孔的卸壓作用,降低煤體壓力,消除危險;另一方面利用瓦斯抽采,增加煤體自身強度,從而增加抵抗發生沖擊地壓的潛力。

預抽卸壓鉆孔可以采取正向平行鉆孔或斜向平行鉆孔方式布置(見圖6),鉆孔間距暫取5 m～7 m,孔深110 m。

圖6 預抽卸壓鉆孔布置示意圖Fig. 6 Boreholes layout in pre-draining and pressure releasing

2)煤層注水。2-228采面在回風順槽位置沿煤層走向方向設計施工注水鉆孔,注水孔的間距設計為12 m,注水孔直徑75 mm,孔深60 m,每個鉆孔注水量約為3 056 t,且時間不小于30 d,注水壓力為6 MPa～12 MPa。

6 結論

1)通過煤巖物理力學參數測試,2#煤層經評判為中等沖擊傾向性,采面頂板巖層經判定無沖擊傾向性。2-228孤島工作面由于應力集中,工作面動力危險源主要為沖擊地壓,其危險程度為弱性沖擊危險。

2)通過對2-228工作面覆巖應力分布分析,2-228應力集中區主要集中在工作面兩側煤柱。

3)應力集中、斷層活化、采空區基本頂斷裂、采空區直接頂斷裂、切眼處頂板破裂等因素促成了2-228工作面的弱性沖擊地壓危險。

4)通過在煤層中施工瓦斯預抽卸壓鉆孔,經過接抽一定時間后,結合采面煤層預注水,能有效減低沖擊危險的可能性。

5)礦井在進行采掘設計部署時,應合理規劃開采順序,調整采區及工作面布置,實現無煤柱開采,避免形成采面應力的高度集中。

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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

張海濤(1987-),男,天津寶坻人,大學本科,從事煤礦開采及煤礦安全方面的技術研究工作。

TD324

A

(編輯:薄小玲)