1年巖石力學(xué)委員會(huì)交流材料李建民課件

開(kāi)灤趙各莊礦在3137東一面

防治動(dòng)力現(xiàn)象的措施2011年10月探討的主要問(wèn)題1.前言2.開(kāi)灤趙各莊礦動(dòng)力現(xiàn)象分析3.工作面概況及位置4.采掘方法及工作面布置5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法6.動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)預(yù)兆7.動(dòng)力現(xiàn)象防治措施8.缺陷卸壓爆破的作用9.主要結(jié)論1.前言沖擊地壓是世界范圍內(nèi)煤礦中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。我國(guó)大多數(shù)礦山的煤層與巖層都具有不同程度的沖擊傾向性，在一定的臨界深度下煤巖突出極為嚴(yán)重，特別是隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的不斷增加，已成為制約礦山生產(chǎn)和安全的主要重大災(zāi)害性事故之一。在沖擊地壓的防治方面，由于對(duì)開(kāi)采后上覆巖層運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律及采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律不清，開(kāi)拓與回采的決策理論不完善，目前在沖擊地壓煤層的采掘設(shè)計(jì)基本上依靠統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)決策，因而經(jīng)常出現(xiàn)在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)進(jìn)行采掘工作，采掘作業(yè)的時(shí)間關(guān)系不合理，為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件。我國(guó)煤礦沖擊地壓的煤層開(kāi)采設(shè)計(jì)和監(jiān)控仍然停留在對(duì)開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力場(chǎng)分布發(fā)展規(guī)律不清的發(fā)展階段。這是當(dāng)前煤礦沖擊地壓事故頻繁，特別是重大災(zāi)害事故沒(méi)有從根本上得到控制。

2.開(kāi)灤趙各莊礦動(dòng)力現(xiàn)象分析趙各莊礦采深已達(dá)1257m，為典型的深部開(kāi)采礦區(qū)。深井重力應(yīng)力場(chǎng)，在重力應(yīng)力場(chǎng)約束下保存的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以及采動(dòng)造成的集中應(yīng)力已使煤（巖）體產(chǎn)生“強(qiáng)烈”的破壞，在構(gòu)造區(qū)域內(nèi)時(shí)常發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象?？梢?jiàn)動(dòng)力現(xiàn)象問(wèn)題是趙各莊礦深部開(kāi)采存在的重大技術(shù)性難題。為保障3137東一面安全施工，通過(guò)系統(tǒng)、全面研究、觀測(cè)、分析和采取措施。進(jìn)一步發(fā)展和完善了對(duì)動(dòng)力現(xiàn)象綜合預(yù)測(cè)與防治技術(shù)的創(chuàng)新。3137東一面位于13水平井口向斜軸附近，因受礦井寬緩向斜影響，煤層走向變化大，100°～180°之間。煤層傾角在9°～32°之間，平均傾角20°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度在9.7～13.4m之間，平均11.2m。該工作面12水平以上開(kāi)采完畢，2337東面尚未開(kāi)采；下至3139東二面以下尚無(wú)采掘工程；西至13西1石門(mén)上山，上山以西為3137西面已經(jīng)開(kāi)采完畢；東至東Ⅲ斷層煤柱線。3.工作面概況及位置圖13137東一面采掘關(guān)系及位置示意圖4.采掘方法及工作面布置根據(jù)地質(zhì)和煤層賦存條件，為保證安全施工，同時(shí)考慮爆破卸壓防止動(dòng)力現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)采用炮掘，回采采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，工作面布置見(jiàn)圖2所示。掘進(jìn)施工順序?；仫L(fēng)巷---運(yùn)輸巷---切眼---瓦斯抽放巷---缺陷卸壓巷。圖2工作面布置圖5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法動(dòng)力現(xiàn)象防治原則預(yù)測(cè)為無(wú)危險(xiǎn)時(shí)，采取安全防護(hù)措施下進(jìn)行施工。當(dāng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)有危險(xiǎn)或施工過(guò)程中有危險(xiǎn)預(yù)兆時(shí)，采取防治動(dòng)力現(xiàn)象措施，經(jīng)采取措施后，且效果檢驗(yàn)措施有效，采取安全防護(hù)措施進(jìn)行施工，若效果檢驗(yàn)無(wú)效則繼續(xù)實(shí)施防治動(dòng)力現(xiàn)象措施直至有效。5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法表1開(kāi)灤趙各莊礦3137東一面參考指標(biāo)表鉆孔深度(m)危險(xiǎn)煤粉量(kg/m)危險(xiǎn)性備注1-3≥3有危險(xiǎn)性如有吸鉆、卡鉆、煤炮等動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，無(wú)論預(yù)測(cè)結(jié)果如何都按有動(dòng)力現(xiàn)象危險(xiǎn)管理＜3無(wú)危險(xiǎn)性大于3≥4有危險(xiǎn)性＜4無(wú)危險(xiǎn)性臨界值確定1)鉆屑法極限煤粉量確定①危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嶋H觀測(cè)確定。在煤炮顯現(xiàn)較大、且連續(xù)、集中出現(xiàn)的區(qū)域，進(jìn)行鉆屑量觀測(cè)，一般打8-10個(gè)孔，間距3m，然后取平均值作為極限煤粉量，得出對(duì)照指標(biāo)進(jìn)行參考。②用鉆粉率指數(shù)方法確定。正常鉆粉量是在支承壓力影響帶范圍以外測(cè)得的煤粉量。測(cè)定煤層正常鉆粉量時(shí)，鉆孔數(shù)不少于5孔，并取各孔煤粉量的平均值，開(kāi)灤趙各莊礦12煤層鉆粉率指數(shù)取1.5。5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法2)電磁輻射臨界值的確定①電磁輻射臨界值是電磁輻射識(shí)別動(dòng)力現(xiàn)象前兆的關(guān)鍵參數(shù)，可以采用鉆孔極限煤粉量進(jìn)行對(duì)比確定。在鉆孔煤粉量達(dá)到極限值時(shí)，進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測(cè)，獲得脈沖的幅值與數(shù)量，進(jìn)行多次監(jiān)測(cè)，取其平均數(shù)作為臨界值。其計(jì)算公式為：臨界值法預(yù)報(bào)：電磁輻射預(yù)報(bào)指標(biāo)有幅值平均值、幅值最大值、脈沖數(shù)，首先分別標(biāo)定三個(gè)預(yù)報(bào)參數(shù)的平均值，取平均值的1.3倍作為預(yù)警臨界值。當(dāng)電磁輻射強(qiáng)度或脈沖數(shù)超過(guò)設(shè)定的預(yù)警臨界值時(shí)，判定為存在沖擊危險(xiǎn)。開(kāi)灤趙各莊礦3137東一面電磁輻射強(qiáng)度預(yù)警臨界值為100mv，電磁輻射脈沖預(yù)警臨界值為1500。②動(dòng)態(tài)趨勢(shì)法。通過(guò)分析相同地點(diǎn)不同時(shí)間電磁輻射值的變化趨勢(shì)和不同地點(diǎn)相同時(shí)間電磁輻射值的變化趨勢(shì)進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)報(bào)。當(dāng)電磁輻射強(qiáng)度或脈沖數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)時(shí)或當(dāng)電磁輻射強(qiáng)度或脈沖數(shù)先期隨時(shí)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而后突然降低，之后又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)時(shí)判定為存在動(dòng)力危險(xiǎn)。5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法3)鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝①動(dòng)力現(xiàn)象是煤層應(yīng)力集中造成的，應(yīng)力的變化可作為沖擊地壓的前兆信息。因此，對(duì)煤體應(yīng)力變化進(jìn)行識(shí)別，就可預(yù)測(cè)動(dòng)力危險(xiǎn)。應(yīng)力計(jì)布置圖②鉆孔應(yīng)力計(jì)布置方法。結(jié)合開(kāi)灤趙各莊礦3137東一面設(shè)計(jì)，在巷道掘進(jìn)期間進(jìn)行間隔布置，主要在進(jìn)風(fēng)巷和上山區(qū)域進(jìn)行安裝。鉆孔深度3~4m，仰角3~5°。鉆孔間距50m，分別安裝主動(dòng)型與機(jī)械式兩類(lèi)，確保數(shù)據(jù)及時(shí)可靠。圖應(yīng)力計(jì)安裝示意圖5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法采用鉆屑法、KBD5電磁輻射儀和鉆孔應(yīng)力計(jì)三種方法。1）鉆屑法監(jiān)測(cè)①在掘進(jìn)施工前方開(kāi)工前即進(jìn)行一次預(yù)測(cè)，以后每天進(jìn)行一次，每次布置兩個(gè)孔，鉆孔位置距巷幫1m，距巷道底板1.5m，鉆孔垂直煤壁。在掘進(jìn)巷道兩幫每隔10m各打一個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔，鉆孔垂直巷幫距底板1.5m。鉆孔孔徑42mm，孔深7.0m，收集鉆屑，每鉆進(jìn)1.0m測(cè)量1次鉆屑量。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)兩桿鉆粉量超標(biāo)時(shí),視為有危險(xiǎn)性。②工作面回采期間距工作面煤壁超前60m區(qū)域內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在巷道兩幫每隔10m各打一個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔，鉆孔垂直巷幫距底板1.5m。鉆孔孔徑42mm，孔深7.0m，收集鉆屑，每鉆進(jìn)1.0m測(cè)量1次鉆屑量。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)兩桿鉆粉量超標(biāo)時(shí),視為有危險(xiǎn)性。5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法2）電磁輻射監(jiān)測(cè)①監(jiān)測(cè)范圍：在掘進(jìn)工作面前方煤壁兩幫各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，后方巷道兩幫每10m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)掘進(jìn)巷道的地應(yīng)力變化?；夭蛇^(guò)程中對(duì)工作面及超前工作面煤壁100m范圍內(nèi)布置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。②對(duì)用電磁輻射法檢測(cè)的高動(dòng)力危險(xiǎn)區(qū)域，再用鉆屑法做進(jìn)一步的檢測(cè)，進(jìn)行對(duì)比分析。如果電磁輻射已處于臨界狀態(tài)，采取誘發(fā)爆破措施。在實(shí)施誘發(fā)爆破時(shí)，對(duì)所實(shí)施誘發(fā)爆破的區(qū)域或地段進(jìn)行誘發(fā)爆破前后的電磁輻射檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定誘發(fā)爆破的效果。5.動(dòng)力現(xiàn)象防治原則、臨界值確定及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法3）頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)①巷道掘進(jìn)期間。使用鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)鉆孔應(yīng)力計(jì)出現(xiàn)突變時(shí)，采用頂板動(dòng)態(tài)儀進(jìn)行頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以確定頂板活動(dòng)范圍和活動(dòng)的強(qiáng)烈地點(diǎn)，一般采取在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)設(shè)點(diǎn)、快速測(cè)速的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行觀測(cè)。②工作面推進(jìn)期間。對(duì)超前工作面煤壁60m范圍內(nèi)的巷道進(jìn)行頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲得支承壓力的范圍和峰值位置，為其他方法監(jiān)測(cè)提供范圍依據(jù)。③收尾期間。工作面接近停采線30m，對(duì)超前工作面煤壁的巷道和上山（工作面正對(duì)區(qū)域）進(jìn)行頂板動(dòng)態(tài)觀測(cè)，確定動(dòng)態(tài)應(yīng)力在超前移動(dòng)的范圍和速度，特別是上山圍巖的變形突變特性，為確定工作面合理的推進(jìn)速度提供依據(jù)。6.動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)預(yù)兆煤層層理紊亂；煤體突然變軟或變硬；打鉆時(shí)出現(xiàn)頂鉆、夾鉆情況；巷道煤(巖)壁出現(xiàn)裂縫、裂隙；巷道壓力突然增大，“煤炮”、“板炮”發(fā)生頻繁；“煤炮”、“板炮”較大并伴有強(qiáng)烈震感及煤塵飛揚(yáng)，支架壓力突然增大、支架突然變形而且變形嚴(yán)重、巷道出現(xiàn)底鼓嚴(yán)重等現(xiàn)象；瓦斯涌出濃度發(fā)生突變。7.動(dòng)力現(xiàn)象防治措施掘進(jìn)施工動(dòng)力現(xiàn)象防治措施掘進(jìn)施工，監(jiān)測(cè)有動(dòng)力危險(xiǎn)時(shí)，采取大直徑鉆孔與深孔爆破卸壓措施，并優(yōu)先考慮爆破卸壓措施。①卸壓鉆孔布置。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，參考卸壓半徑理論數(shù)據(jù)，卸壓孔徑采用φ75mm以上，孔間距為鉆孔直徑的10倍，深度不少于10m，在掘進(jìn)前方保留5m的預(yù)留超前距。在已掘巷道兩幫沿水平方向打卸壓鉆孔，鉆孔距巷道底1～1.5m，鉆孔深度8～10m，鉆孔間距為孔徑的10倍。末個(gè)卸壓鉆孔滯后掘進(jìn)前方距離不超過(guò)10m。卸壓鉆孔布置平面示意圖7.動(dòng)力現(xiàn)象防治措施②誘發(fā)爆破卸壓爆破：進(jìn)行誘發(fā)爆破降低動(dòng)力危險(xiǎn)或消除威脅。每天在掘進(jìn)巷道前方布置3個(gè)誘發(fā)爆破鉆孔，孔深10m，每眼裝藥量為1500g；后路兩幫每5m分別布置1個(gè)爆破鉆孔，距離巷道底板1～1.5m平打，眼深8～10m，每眼裝藥量為1500g。誘發(fā)爆破采用串聯(lián)、正向裝藥、一次起爆。末個(gè)幫爆破孔滯后掘進(jìn)前方距離不超過(guò)10m。驗(yàn)炮時(shí)間在爆破后30min以后進(jìn)行。巷道誘發(fā)爆破鉆孔群布置圖

7.動(dòng)力現(xiàn)象防治措施回采動(dòng)力現(xiàn)象防治措施選擇合理的開(kāi)采方法和巷道布置是有效預(yù)防動(dòng)力現(xiàn)象最好措施之一。3137東一面屬于半孤島煤柱，工作面局部區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力的狀態(tài)，采用綜放開(kāi)采是防治動(dòng)力現(xiàn)象的最佳方法。①采用綜放開(kāi)采技術(shù)，老頂?shù)谝淮蝸?lái)壓對(duì)工作面沖擊大為緩和。實(shí)際工作中，針對(duì)具體工作面的頂板結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特征，對(duì)來(lái)壓部位的煤層進(jìn)行針對(duì)性卸壓，通過(guò)降低煤層應(yīng)力、制造緩沖帶控制動(dòng)力現(xiàn)象。3137東一面初次來(lái)壓步距預(yù)計(jì)在30～40m之間，因此在來(lái)壓前對(duì)切眼前方30～40m范圍進(jìn)行深孔爆破卸壓措施。②正常推進(jìn)動(dòng)力現(xiàn)象防治根據(jù)工作面的實(shí)踐，正常推進(jìn)時(shí)動(dòng)力現(xiàn)象的重點(diǎn)釋放范圍為工作面前方60m范圍內(nèi)，由于綜放開(kāi)采的能量釋放空間大、推進(jìn)速度慢，能量能及時(shí)釋放，沒(méi)有產(chǎn)生破壞性動(dòng)力現(xiàn)象。只有在周期來(lái)壓時(shí)伴隨著小型煤炮出現(xiàn)。只在高應(yīng)力區(qū)域、構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行深孔爆破卸壓。7.動(dòng)力現(xiàn)象防治措施深孔爆破卸壓參數(shù)：孔徑Ф42mm；孔深7.0m；孔間距5m；孔方位平行工作面方向，仰角3～5°，距離底板1.2～1.5m；裝藥長(zhǎng)度1/2或1/3孔深。工作面卸壓鉆孔布置平面示意圖在向斜軸部動(dòng)力現(xiàn)象防治措施根據(jù)監(jiān)測(cè)超前支承壓力大約在工作面前方41m處從原巖應(yīng)力開(kāi)始增加，隨著工作面的推進(jìn)增幅只是緩慢增加，由于煤體松軟，支承壓力的作用范圍較大，所以峰值較小，在煤壁前方15m處達(dá)到峰值又逐漸減小趨向于原巖應(yīng)力，明顯影響范圍在30m左右。工作面超前支承壓力分布圖7.動(dòng)力現(xiàn)象防治措施考慮到3137東一面推進(jìn)是逐步接近軸部區(qū)域的布置方式和支承壓力明顯影響范圍在30m左右，確定合理停采線位置距離上山35m。因此在3137東一面副上山進(jìn)行大空間缺陷卸壓防治技術(shù)措施。缺陷卸壓巷道布置示意

8.缺陷卸壓爆破的作用卸壓爆破屬于內(nèi)部爆破，主要作用是使煤層產(chǎn)生大量裂隙。爆破后，沖擊波首先破壞煤體，然后爆生氣體進(jìn)一步使煤體破裂，由于氣壓的作用，形成切向拉應(yīng)力，產(chǎn)生徑向拉破裂。當(dāng)裂隙前端的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于斷裂韌性時(shí)，裂隙止裂。造成煤層物理力學(xué)性質(zhì)變化的主要因素是徑向裂隙。裂隙的存在，導(dǎo)致彈性模量減小，強(qiáng)度降低，積聚的彈性能減少，破壞了動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件。9.主要結(jié)論①通過(guò)對(duì)3137東一面開(kāi)采環(huán)境的全面、系統(tǒng)分析，劃分了動(dòng)力現(xiàn)象危險(xiǎn)區(qū)域。②結(jié)合巷道經(jīng)歷的不同位置和危險(xiǎn)區(qū)域的空間關(guān)系，全面分析評(píng)價(jià)了巷道掘進(jìn)和工作面初采、初壓