深井火成巖侵入工作面沖擊礦壓防治

王義然,牟宗龍,2,3,阮國(guó)強(qiáng)

(1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東菏澤 274705;2.兗礦集團(tuán)有限公司博士后工作站,山東鄒城 273500; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

礦壓與災(zāi)害控制

深井火成巖侵入工作面沖擊礦壓防治

王義然1,牟宗龍1,2,3,阮國(guó)強(qiáng)1

(1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東菏澤 274705;2.兗礦集團(tuán)有限公司博士后工作站,山東鄒城 273500; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

基于趙樓煤礦 1302工作面運(yùn)輸巷火成巖侵入?yún)^(qū)二次底板型沖擊礦壓的分析,指出較高的原巖應(yīng)力和底板火成巖與圍巖變形不協(xié)調(diào),使得火成巖區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中和彈性能量積聚,火成巖突然斷裂導(dǎo)致能量突然大量釋放是底板沖擊的根源。通過(guò)煤體卸壓爆破、底板預(yù)裂爆破可減小火成巖兩翼的應(yīng)力和火成巖中部所受的彎矩,可有效改變火成巖的受力狀態(tài)和能量釋放速率,達(dá)到控制底板沖擊礦壓發(fā)生的目的。

深井;火成巖;沖擊礦壓;底板預(yù)裂爆破

沖擊礦壓是礦井開(kāi)采過(guò)程中,高應(yīng)力作用下聚集有大量彈性能的煤或巖體,在一定條件下突然發(fā)生破壞、冒落或拋出的動(dòng)力效應(yīng)。這種動(dòng)力現(xiàn)象常導(dǎo)致巷道破壞、設(shè)備損毀甚至人員傷亡[1]。深部開(kāi)采礦井原巖應(yīng)力高,礦壓顯現(xiàn)與淺部礦井明顯不同,深井產(chǎn)生的巖石力學(xué)問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外的技術(shù)難題之一[2]。火成巖入侵改變了巖層的連續(xù)性,同時(shí)火成巖與被入侵巖層的力學(xué)性質(zhì)不同,火成巖強(qiáng)度高,易聚集彈性能量,火成巖的脆性破斷是導(dǎo)致煤巖體動(dòng)力顯現(xiàn)的主要原因之一。本文基于趙樓煤礦火成巖侵入?yún)^(qū)的二次沖擊礦壓事故,分析了火成巖誘發(fā)沖擊的原因,提出了火成巖侵入工作面沖擊礦壓防治技術(shù),對(duì)工作面回采過(guò)程中的火成巖區(qū)域巷道防沖具有重要意義,同時(shí)為類(lèi)似條件礦井防沖提供有益參考。

1 工作面及沖擊概況

兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦是兗礦集團(tuán)有限公司在巨野煤田投產(chǎn)的第 1個(gè)礦井,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 3.0Mt/a。于 2009年 3月 28日開(kāi)始試生產(chǎn),首采工作面開(kāi)采深度達(dá)到 900m,屬深部礦井。礦井開(kāi)拓方式為 -860m單一水平立井開(kāi)拓。1302工作面為該礦首采放頂煤工作面,工作面長(zhǎng) 150m,走向長(zhǎng) 899.7m,地面標(biāo)高 43.6～45.7m,井下標(biāo)高 -858～-870m,西北方向?yàn)檎谑┕さ?1301工作面巷道,東南方向至 FZ14逆斷層煤柱。1302工作面設(shè)計(jì)回采 3號(hào)煤層,煤層傾角 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工作面頂、底板地質(zhì)情況如表 1所示。

表 1 1302工作面頂?shù)装迩闆r

工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中,發(fā)生了多次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),其中,在火成巖入侵區(qū)域發(fā)生的 2次底板沖擊礦壓尤為嚴(yán)重。第 1次在 1302運(yùn)輸巷導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn) P13前 32.5～50.5m地段,最大底鼓高度 1100mm,底板形成 2條 30～60mm寬的裂縫,底鼓巖層產(chǎn)生離層;第 2次在 1302運(yùn)輸巷導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn) P13后 6m至 P13前10m地段,最大底鼓高度 400mm,底板形成寬40mm的裂縫。兩次底板沖擊礦壓均造成強(qiáng)烈的震動(dòng)、煤壁及頂板煤渣剝落等動(dòng)力現(xiàn)象,顯現(xiàn)地點(diǎn)如圖 1所示。經(jīng)觀(guān)測(cè),兩次沖擊礦壓發(fā)生點(diǎn)底板均有1～2m厚火成巖分布。

圖1 沖擊礦壓顯現(xiàn)位置

2 底板沖擊原因分析

沖擊礦壓是煤體在高應(yīng)力作用下發(fā)生的突然破壞[3-6]。趙樓煤礦 1302面運(yùn)輸巷道的火成巖底板沖擊發(fā)生機(jī)理與煤體沖擊既有相同點(diǎn)又有區(qū)別,兩者都必須滿(mǎn)足強(qiáng)度條件和能量條件,但誘因不同。1302面采深約 900m,實(shí)測(cè)原巖最大水平應(yīng)力達(dá)到36.4MPa,構(gòu)造應(yīng)力較高,如表 2所示。

表2 原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)

從強(qiáng)度條件分析,火成巖發(fā)生沖擊時(shí)的應(yīng)力必須超過(guò)火成巖的強(qiáng)度;從能量條件分析,巷道開(kāi)挖后,受應(yīng)力重新分布影響,巷道兩側(cè)應(yīng)力升高,底板產(chǎn)生垂直方向的位移,由于火成巖強(qiáng)度高于周?chē)簬r層,火成巖變形量小,產(chǎn)生應(yīng)力集中,底板火成巖受力狀態(tài)類(lèi)似于三點(diǎn)受力彎曲,同時(shí)在高水平應(yīng)力作用下,集聚了大量彈性能量,當(dāng)所受應(yīng)力達(dá)到其極限強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生斷裂,彈性能突然釋放,發(fā)生底板沖擊礦壓。

3 沖擊礦壓防治

由于巷道底板層狀火成巖的存在,導(dǎo)致 1302工作面存在沖擊礦壓危險(xiǎn)性。為了預(yù)防工作面回采期間的沖擊礦壓災(zāi)害,需要提前對(duì)巷道底板層狀火成巖進(jìn)行處理。由于火成巖底板沖擊的主要原因?yàn)?在高應(yīng)力作用下,火成巖中部與兩翼受力不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致巷道底部 (火成巖中部)斷裂,故沖擊礦壓的防治應(yīng)主要從釋放應(yīng)力和弱化火成巖本身入手采取措施。

3.1 煤體卸壓爆破

煤體卸壓爆破可弱化巷道幫部淺部煤體,將高應(yīng)力區(qū)域向煤體深部轉(zhuǎn)移,降低巷道火成巖兩翼所受的應(yīng)力,減小火成巖中部截面的彎矩。煤體卸壓爆破是采用 <42mm鉆頭打眼,炮眼深度 10m左右,爆破采用礦用乳化炸藥,每孔裝藥長(zhǎng) 6～8m,封泥長(zhǎng)度 4～6m,反向裝藥。鉆孔數(shù)每組 5個(gè),間距 5m,鉆孔方向垂直巷幫,炮眼單排布置,距底板 1.2m,炮眼布置如圖 2。

圖2 煤體卸壓爆破炮眼布置

3.2 巷道底板預(yù)裂爆破

巷道底板預(yù)裂爆破的原理是在應(yīng)力還未達(dá)到底板火成巖斷裂強(qiáng)度、火成巖及周邊煤巖體彈性能量還未大量聚集時(shí),采用人工的方法對(duì)巷道底板火成巖進(jìn)行預(yù)裂爆破,釋放火成巖集聚的應(yīng)力和彈性能。爆破后,火成巖中部產(chǎn)生斷裂,改變了火成巖的三點(diǎn)受力狀態(tài),使后期火成巖在受力過(guò)程中與圍巖協(xié)調(diào)變形,能量緩慢釋放。

利用鉆機(jī)在距煤幫底腳約 200mm處,采用<42mm鉆頭向底板向下打斜鉆孔,鉆孔深度為5m,以能夠破壞整個(gè)火成巖厚度為準(zhǔn),鉆孔間距2m,鉆孔布置如圖 3所示。

圖3 底板預(yù)裂爆破鉆孔布置

用 PVC塑料管將藥卷裝到孔底,塑料管端部用膠帶塞住,采用反向耦合裝藥,鉆孔不裝藥部分用黏土炮泥填實(shí),裝藥量約占鉆孔長(zhǎng)度的一半,3～5個(gè)一組起爆。

在 1302工作面回采過(guò)程中,通過(guò)實(shí)施煤體卸壓爆破和巷道底板預(yù)裂爆破,火成巖區(qū)域巷道無(wú)明顯的動(dòng)壓顯現(xiàn),保證了工作面的安全回采,目前該工作面已基本回采完畢。

4 結(jié)論

(1)巷道底板火成巖侵入改變了底板巖層的連續(xù)性,巷道兩幫應(yīng)力升高區(qū)作用于火成巖的應(yīng)力不能傳遞到深部巖體,同時(shí)火成巖強(qiáng)度高,不易隨周?chē)鷰r體協(xié)調(diào)變形,火成巖應(yīng)力集中程度高,受力情況類(lèi)似三點(diǎn)彎曲受力,中部彎矩大。當(dāng)火成巖受力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí),集聚的彈性能量瞬間釋放導(dǎo)致底板沖擊。

(2)通過(guò)煤體卸壓可以改變巷道周?chē)后w的受力狀態(tài),將煤體高應(yīng)力區(qū)向深部轉(zhuǎn)移,減小作用于火成巖兩翼的應(yīng)力,降低火成巖中部的彎矩,從而降低火成巖突然斷裂形成沖擊的可能性。

(3)巷道底板預(yù)裂爆破可以改變火成巖受力狀態(tài)、釋放火成巖積聚的能量、降低工作面回采過(guò)程中圍巖釋放能量的速率,從而有效防止底板沖擊災(zāi)害的發(fā)生。

[1]竇林名,趙從國(guó),楊思光,等.煤礦開(kāi)采沖擊礦壓災(zāi)害防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[2]何滿(mǎn)潮,謝和平,彭蘇萍,等.深部開(kāi)采巖體力學(xué)研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(16):2803-2813.

[3]齊慶新,竇林名.沖擊地壓理論與技術(shù) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[4]陸菜平,竇林名,吳興榮,等.煤礦沖擊礦壓的強(qiáng)度弱化[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(11):1074-1078.

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[6]竇林名,何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[責(zé)任編輯:李宏艷]

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

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科技基金 (青年)資助項(xiàng)目 (2007A004);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目 (08KF09)。

王義然 (1968-),男,山東青島人,工程師,現(xiàn)任趙樓煤礦技術(shù)科防沖辦主任,從事采礦工程工作。