新兴煤矿冲击地压防治方法研究

【摘要】：煤矿冲击地压是由于地下煤炭开采,使得地下巷道围岩应力状态重新分布,产生应力集中,当高应力达到某一临界值时,其力学平衡系统失稳,岩体发生急剧脆性破坏,产生以突然、急剧、强烈的破坏为特征的动力现象。随着煤炭开采深度的增加,开采环境及岩石性质等工程参数将发生较大的改变,主要的表现是高地应力引起的一系列矿井深部动力灾害,以及围岩大变形等非线性现象。在人为扰动下,随着釆动影响,次生应力以及煤柱、采空区和地质构造等形成的集中应力会使采矿环境更加恶化。煤岩体自身的物理力学也是诱发冲击地压的又一要素,其次,煤岩体的冲击倾向性也是煤岩体自身的属性。新兴矿冲击地压显著与国内外常见的中厚煤层、中硬煤及构造或煤柱区冲击的特点不同,具有薄硬煤层、坚硬厚顶板、大倾角等明显的特点,其冲击地压的类型是以坚硬顶板造成的顶板拉伸型冲击地压为主,部分为受构造应力及断层影响的断层错动型冲击。本论文结合新兴矿实际生产条件及冲击地压发生特点,统计新兴矿已发生的冲击地压现象,分析其原因、类型、机理、特征以及主要影响因素;开展新兴矿冲击地压区域预测、工作面预测及治理、开采优化设计等研究工作;确定了合理的冲击地压预防措施和开采设计方案;在此基础上建立冲击地压预警、防治体系,并通过在现场实施,达到初步控制严重冲击地压灾害和降低冲击地压对生产影响的目的。通过研究取得如下结论:一、煤岩冲击倾向性及物理力学参数测定结果分析通过煤岩冲击倾向性及物理力学参数的测定,根据煤样破坏的动态破坏时间、弹性能量指数和冲击能量指数,综合评判六采区58层和60层煤的冲击倾向性类别为3类,即为强冲击倾向性;根据岩石的弯曲能量指数,评判六采区58、60煤层顶、底板岩石的冲击倾向性类别均为2类,即为弱冲击倾向性。通过对煤样的吸水率和其接触角的测试综合评判,确定了采取煤层注水软化煤体降低发生冲击危险的合理性。新兴矿煤岩吸水率及接触角测试结果表明:新兴矿58层和60层煤饱和吸水率和接触角处于中等水平,58层煤吸水率和接触角的测试皆表明其吸水效果好于60层,因此可以考虑先在58层实施注水措施。二、地应力现场测试结果分析确定井田区域内的集中应力区和应力分布状态是预测预防矿井动力现象的前提。通过地应力测量和理论计算,确定新兴矿井田区域内的集中应力区和应力分布状态,新兴矿最大水平应力的实测数值是理论计算结果的5倍以上,实测应力水平方向是垂直方向的两倍以上,说明该矿构造应力场显现是十分明显的,构造应力是引起冲击地压的主要因素之一。因此在以后的矿井开拓开采设计布置中,应充分考虑构造应力的影响,采取合理的开拓开采设计,提前降低发生冲击的潜在可能性。三、新兴矿冲击地压机理分析统计新兴矿历年发生的冲击地压特点,通过对煤层冲击倾向性、开采深度、构造应力、瓦斯压力、坚硬顶板和煤柱等各方面的分析,确定了新兴矿发生冲击地压的主要影响因素,包括地质条件影响因素和开采技术影响因素。影响新兴矿冲击地压的主要因素是六采区58层、60层煤煤岩的强冲击倾向性,顶板和底板岩层的中等冲击倾向性,同时新兴矿的采深也达到了500m,达到了冲击地压发生的临界深度。由于相邻采空区,开采工作面上巷始终承受同层上区段采空区悬臂顶板的压力,上巷下帮煤体一侧为增压区,采空区一侧为减压区,上下巷附近煤体内部应力集中程度相差很大,上部采空区所造成的上巷下帮煤体内的应力集中是导致冲击发生的一个重要原因。工作面的开采过程中煤垛的留设导致工作面上端头采空区顶板不能及时垮落,砂岩顶板积聚了大量的弹性能,且由模拟结果可知,在煤垛内的支承压力很大范围内都处于高应力状态,因此工作面上端头附近为高危险区域,易于发生冲击地压冲击地压。通过统计分析、数值模拟、理论分析、现场测试,确定了新兴矿冲击地压的发生条件及机理,新兴煤矿冲击地压的类型是以坚硬顶板造成的顶板拉伸型冲击地压为主,部分为受构造应力及断层影响的断层错动型冲击。四、新兴矿工作面突出危险区域划分通过工作面开采技术条件和开采因素分析,依据沿空留巷围岩矿压显现规律及倾斜煤层开采工作面、巷道围岩应力分布特征,确定了41051和41062工作面的危险区域和高危险区域,为41051和41062的工作面的正常生产提供理论依据,并在危险区域加强支护和监测。五、新兴矿工作面冲击地压电磁辐射监测预报及分析通过监测煤岩体在外部载荷作用下变形破裂过程中发出的电磁信号的强度、频率及变化关系来综合分析测试区域应力变化,并以此推断冲击地压发生的可能性。使用通过使用KBD-5和KBD-7电磁辐射监测仪对采掘工作面进行监测,分析了压力集中区的电磁辐射强度,初次来压前后及周期来压的电磁辐射信号规律,同时利用模糊模式识别方法确定冲击地压电磁辐射预测临界值,评价了工作面的冲击危险性,对冲击事故的发生进行了较为准确的预测。新兴矿监测区域包括:428上巷,156上巷,现场监测过程中,保证长期进行现场监测指导和仪器的维护,通过一段时间以来的监测基本掌握了冲击前兆及高危区域的电磁响应规律。六、新兴矿高冲击危险区域防治措施通过对新兴矿65煤的开采情况进行模拟,得出以下结论:作为65煤的解放层开采的63煤,其开采后,底板的卸压破坏深度约为15m,卸压深度在30m以上,而65煤与63煤的间距在40m左右,因此,63煤的开采对65煤起到一定的应力解放作用,但是不够充分;在65煤开采过程中,距上巷10~30m处的工作面前方2m范围内存在着较高的应力集中,主要是走向超前支承压力与侧向支承压力的迭加所致。另外,由于工作面上部煤垛的留设,使得上部顶板悬顶现象较为严重,当悬露面积过大时,老顶一旦断裂,极有可能发生冲击危害;上解放层开采,65煤的开采对于67煤起到了解放作用,由于65煤开采后底板破坏深度最大为24m,卸压深度最高达65m左右,对67煤的顶底板起到卸压作用;下解放层开采,67煤的开采顶板破坏高度要大于底板破坏深度,其卸压高度约为70m左右,对65煤起到了很好的解放作用。针对具体情况提出不同的解危措施,在采取解危措施后再进行危险程度预测,以检验解危措施的合理性和有效性。新兴矿采煤工作面冲击地压防治的主要措施为:大直径平行钻孔卸压;煤层卸载爆破,在上顺槽距离工作面上端头20m范围内,沿煤层倾角方向交叉打钻孔,进行煤层卸载爆破;顺槽深孔断顶爆破,分走向和倾斜两种。考虑应力释放充分,在顶板爆破前后应力变化明显,将爆破高度按20m确定。七、开采设计优化方案及治理效果分析制定了新兴矿冲击地压预警、解危及检验的流程。新兴矿自研究开展以来,积极采取顶板深孔松动预爆破,煤层卸压等措施,同时在部分高危险区域加强巷道支护;通过合理采取实施方案中的各项监测预警和冲击地压的解危和治理措施,极大地减少了冲击发生的次数和冲击破坏的范围;并随着各项治理措施的实施,电磁辐射强度值呈总体下降趋势,这表明发生冲击的危险性也由于措施的实施而减弱。本文针对新兴矿设计生产条件和冲击地压发生的基本特点,从冲击地压发生的机理、监测预报及防治技术等方面进行了初步研究,得出了一些有益的结论。但是由于冲击地压发生机理本身的复杂性,加之由于时间以及其它因素所限,论文还存在不足之处,为了完善本文的研究,今后还应从以下几方面着手继续开展工作:(1)本文提出的冲击地压发生机理着重从统计分析、理论研究方面进行了探讨,今后要在不断的实践中检验理论的正确性,并对之加以完善和补充。(2)本研究利用电磁辐射方法对采掘工作面进行监测,分析压力集中区的电磁辐射响应,评价了工作面的冲击危险性,但该方法是基于现场监测进行评定,缺乏一定的理论依据,且文中仅利用了一种评价方法,加入其他评价方法,进行综合性的对比分析将使结果更为可信。