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爆破处理坚硬顶板防治冲击矿压研究

发布:genglizhonggong 浏览:928次

  摘 要:针对兖州矿区济三煤矿6303工作面的冲击矿压问题,分析了冲击矿压发生的主要原因及影响因素.根据现场条件和数值模拟分析,提出了采用顶板爆破解除冲击矿压危险的技术措施,并确定了爆破参数.最后采用矿用钻孔窥视仪并配合电磁辐射法和钻屑法对爆破进行了效果检验.结果表明,通过顶板爆破措施可以破坏工作面上方坚硬厚层砂岩顶板的完整性,提前释放顶板聚集的弹性能,减弱和消除了工作面的冲击矿压危险性,保证了工作面的安全生产.现场实践证明,该项技术流程:冲击原因分析→顶板爆破→效果检验等整套技术,对具有厚层坚硬砂岩顶板煤层冲击矿压即坚硬顶板型冲击矿压的防治效果明显,可以为具有类似地质条件矿井中的冲击矿压灾害治理提供参考.

  关键词:冲击矿压;坚硬顶板;顶板爆破;钻孔窥视仪;电磁辐射;钻屑

  1 前言

  水、火、瓦斯、顶板、煤尘等五大自然灾害历来是困扰和制约煤矿安全高效生产的主要因素,随着我国矿井开采深度的逐年增加(约20m/a),许多矿井采深已经超过800m,甚至超过1000m,冲击矿压问题越来越严重,发生的次数越来越多.冲击矿压不仅可造成工作面停产,而且严重危害生产设备甚至造成人身伤亡.冲击矿压发生时,煤岩体中的能量在极短时间内急剧释放,产生的爆炸性动力将煤岩抛向自由空间,严重破坏矿井内的设备、巷道结构等,同时还可能引发瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾等其他矿井灾害,这种并发矿井灾害比单纯一种事故要严重的多,就目前状况来看,冲击矿压也是煤矿生产中重大自然灾害之一,大震级、大能量的冲击矿压还可造成地面震动和建筑物破坏.因此,进行冲击矿压防治工作是保证矿井安全生产的重要措施之一.本文针对兖州矿区济三煤矿6303工作面冲击矿压灾害问题,提出采用顶板爆破技术措施破坏上覆顶板岩层的完整性和储能条件,解除冲击矿压危险,并采用钻孔窥视仪、电磁辐射法和钻屑法等技术措施检验爆破及解危效果.

  2 6303工作面冲击矿压灾害

  兖州矿区济三煤矿6303工作面是六采区的第四个工作面,该工作面位于六采区中部.工作面自北向南推进,推进长度2057.8m,工作面长239.8m,采深600~710m.开采山西组3下煤层,煤层厚度为2.8~6.8m,平均厚度为4.75m,工作面东临6302采空区、6301采空区、6300采空区,与6302采空区之间留设4 m保护煤柱,西临6304工作面.煤层直接顶为灰黑色粉细砂岩互层,厚度为0~13.75m,赋存不稳定,普氏系数f=4~6.老顶以中砂岩为主,坚硬稳定,厚度为16.77~42.12m,平均厚度在26m左右,f=8~10.

  2004年11月30日,工作面推进至1310.7m处,前方66~96m段轨道巷发生强烈冲击矿压,实体煤帮侧冲出深度为2.0m左右的煤体,局部煤体与顶板离层达200mm,深入煤体达5m;2005年2月14日,工作面推进至1460m处,轨道巷超前段又发生一次冲击矿压,煤壁前方12.6~48m段冲出0.3~1.0m煤体,顶板下沉600mm,底板鼓起200~700mm,之后又发生了几次小型冲击矿震.2次冲击矿压发生位置如图1所示.

  3 冲击矿压发生原因分析

  冲击矿压影响因素主要包括开采深度、顶板岩层结构特征、煤岩物理力学特性、地质构造和开采技术条件,济三煤矿曾采用煤体钻孔卸压、煤层注水和煤体松动爆破等措施试图解除冲击危险,但效果不彻底.通过分析,确定该工作面冲击矿压危险性的主要影响因素为煤层上覆坚硬厚层砂岩顶板.

  煤岩体内聚集的弹性能Uw与顶板悬顶长度L的5次方成正比,即L值越大,积聚的能量也越多,厚度越大的坚硬岩层越不易冒落,形成的L值也就越大。

  6303工作面临近6302工作面采空区,工作面推进过程中,轨道巷后方较大范围内形成悬空区.因此,确定6302工作面采空区的顶板还没有完全破断,临近6302工作面采空区侧的顶板存在较大范围内的悬顶,随工作面推进周期性冒落,大量弹性能突然释放形成强烈震动,导致煤体超过应力极限,造成顶板型冲击矿压的发生.

  理论分析和实践表明,爆破卸压可以大量释放坚硬顶板和煤岩体中所积聚的弹性能,从煤岩体的随机损伤本构关系和突变理论的角度来看,只要把坚硬顶板和煤岩体中积聚的弹性能降低到引发冲击矿压的临界值以下,就可避免冲击矿压的发生.通过对煤层上覆坚硬老顶进行处理,破坏其完整性、降低老顶强度、缩小工作面老顶的垮落步距以降低煤体内的应力集中程度和对煤体的冲击破坏力,才能从根本上消除诱发冲击矿压的根源.

  4 顶板爆破技术的实施

  目前,国内外对坚硬顶板的处理方法主要有:一、坚硬顶板岩层高压注水;主要采用长期高压注水的方法,通过注水降低岩石强度,改变其物理力学性质,主要有地面钻孔高压预注水和井下深孔高压预注水;二、在坚硬顶板岩层中形成预裂面;包括水力切割形成预裂面和爆破形成预裂面:a、人为地在岩层中,预先制造一个裂缝,利用高压水在较短的时间内将岩体沿预先制造的裂缝破裂,在高压水的作用下,岩体的破裂半径范围可达15~25 m,有的甚至更大.b、根据与工作面推进的关系可分为工作面后方强制放顶、超前工作面预裂爆破等方式.

  考虑到方案的可操作性和经济可行性及实用效果,上述方法大都难以实现或使用后效果难以检验.通过对现有设备和技术考察,研究采用顶板爆破技术,处理煤层上方的厚层坚硬砂岩顶板,使其提前预裂、降低强度,减少弹性能的聚集,从而避免或减少冲击矿压事故的发生.

  根据现场条件和数值模拟结果,见图2(a)所示,采用顶部锚杆钻机、1.5m六角中空钢钎配合φ30.5mm钻头单排施工布置炮眼,炮眼距采空区侧巷帮300mm,与水平方向成75°夹角朝向采空区,炮眼深度为10.0m,见图2(b)所示,炮眼间距为3.0m,封孔长度为3~3.5m,装药长度为6.0m,爆破采用煤矿安全许用水胶炸药,毫秒延期第一段电雷管配合FMB-200型发爆器起爆,一个炮眼中采用4个炮头,一次爆破5个炮孔.联线方式为孔内并联、孔间串联.施工顶部炮眼时每隔100m施工一组相同规格的观测炮眼,以检查爆破效果.

  2004年12月4日到12月10日,从距工作面前方约80m处起,共施工顶板炮眼89个,爆破64个,其中的1450m~1470m处由于顶板暴露太高,无法打钻,没有进行爆破,这也是第二次冲击矿压发生的原因之一。后为了加大对顶板的破坏程度,将钻孔深度加大到了13 m.旨在通过爆破,在顶板内形成裂隙,降低顶板整体强度,降低能量的聚集,并释放部分能量,减少顶板由于采动影响和时间效应而产生的断裂对煤体的冲击震动.

  5 顶板爆破效果评价

  如何检验顶板爆破后对顶板岩石完整性造成的破坏效果是一个关键的技术问题,目前国内许多矿井还没有掌握该项技术.针对这种情况,济三煤矿采用中国矿业大学研制生产的DG80-1型矿用钻孔窥视仪对顶板爆破孔进行了爆破效果观测,该仪器的工作原理是利用微型摄像头在钻孔中将顶板裂隙产状进行录相采集,并将采集的录像和图像通过计算机进行处理,可以清楚地观测到检测孔内的岩石产状情况,该仪器使用方便快捷,成像质量较好,同时配合电磁辐射法、钻屑法对冲击解危效果进行检验.

  5.1 DG80—1型矿用钻孔窥视仪观测效果

  观测方法:在两炮眼之间与炮眼平行方向打观测孔,钻孔深10m,直径为30mm.将DG80—1型钻孔窥视仪摄像探头伸入钻孔内自上而下缓慢移动探头,对钻孔内各层位方向的孔壁裂隙产状进行录像.测杆每取出一米停留约10秒钟,可作为观测深度的一个标记,同时可以安装下一节测杆,观测结果如图3所示.对比爆破前后观测结果,在未爆破或离爆破钻孔较远的范围内岩石未发生破坏,而在爆破孔和两爆破孔之间的顶板岩石发生了破坏,爆破裂隙圈直径大于爆破孔间距,使裂隙圈得已贯通.顶板爆破破坏了煤层上方坚硬顶板岩石的完整性,同时在顶板岩层中形成条痕,顶板弯曲下沉时,在条痕处形成拉应力而断裂,切断了6302工作面采空区的顶板,其中,L为爆破后的悬顶等效长度(由于爆破深度和力度所限,不能将顶板完全切断),则爆破前后的悬顶储能比′5)/(LLUUww′=′=λ,以原悬顶长度=20m、爆破后悬顶等效长度LL′=15m为例,得到爆破前后的悬顶储能比λ=4.2,即爆破后可降低原顶板储能的76.3%.通过此次爆破,释放了聚集在上覆顶板中的大部分能量,降低了因煤层上方坚硬顶板断裂释能而引发冲击矿压的危险性.

  5.2 电磁辐射效果检测

  研究表明, 由于煤岩体的非均质性,在应力作用下煤岩体中的非均匀变速形变产生电磁辐射.在煤岩材料的变形阶段,由于颗粒之间的力学变形特性不同,必然导致颗粒之间的滑移,其结果是在滑移面发生强烈的激发,甚至在滑移面尖端形成带电粒子的发射,这种强烈的激发对外产生电磁辐射.若不考虑阻尼因素,则煤岩体的损伤因子的增长过程与电磁辐射的能量释放密切相关。

  因此,电磁辐射信号的脉冲数和强度能量指标与煤岩体的损伤和应力状态密切相关,煤岩体所受应力与电磁辐射之间存在耦合关系,煤岩体所受的应力越高,电磁辐射强度和脉冲数值也越大,因此,采用电磁辐射技术可以监测煤岩体的应力状态和冲击危险性.

  6303工作面轨道巷实体煤侧对应放炮点的电磁辐射监测点在放炮卸压前(2004年11月26日),电磁辐射强度值和脉冲数值较高,一般在120mV和1400以上;顶板爆破后(2004年12月12日),电磁辐射强度值和脉冲数都有明显降低,见图4所示.对比结果表明,顶板爆破后,6302采空区悬顶的完整性遭到破坏,顶板施加到煤体的压力减小,同时冲击危险性也随之降低.

  5.3 钻屑法效果检测

  钻屑法是通过在煤层中打直径d=42~50mm的钻孔,根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应来鉴别冲击危险的一种方法.其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系,即其他条件相同的煤体,当应力状态不同时,其钻孔的煤粉量也不同.当单位长度的排粉率增大或超过临界值时,表示应力集中程度增加和冲击危险性升高.根据煤粉量的变化,即可预测煤体的应力状态,并进一步预测冲击危险性.本次钻屑地点为对应爆破区域的实体煤帮,钻孔直径为42mm,孔深为10m,孔间距为5m,距底板距离为1.2m,单排布置,钻孔方向与煤层平行、垂直巷帮,主要检测单位深度钻孔的煤粉量(L·m-1),爆破前后煤粉量对比结果如图5所示.加,同时在进钻过程中,出现了明显的卡钻、吸钻和进钻困难等动力现象,表明煤体内应力、冲击危险性较高;爆破后煤粉量明显降低,进钻过程中也很少出现动力现象,表明煤体内应力状态得到改善,冲击危险性大为降低.

  6 结论

  1) 6303工作面煤层上方20~30m厚的坚硬砂岩顶板和6302工作面采空区侧悬顶是造成冲击矿压发生的主要原因,坚硬顶板聚积了大量弹性能,随工作面推进周期性冒落,大量的弹性能突然释放形成强烈冲击和震动,造成顶板型冲击矿压的发生.

  2) 要从根本上解决顶板型冲击矿压灾害问题,必须处理上方的坚硬顶板,通过爆破可以提前预裂顶板、切断悬顶、降低顶板强度、减少弹性能的聚集,达到转移高应力、降低或消除冲击矿压危险的目的,前述2005年2月14日的冲击矿压事故刚好发生在没有进行爆破的地段,说明了坚硬顶板对冲击矿压危险性的影响程度.

  3) 济三煤矿成功实施了坚硬顶板型冲击矿压灾害治理技术流程:冲击原因分析→顶板爆破→效果检验,破坏了坚硬厚层砂岩顶板的完整性和储能条件,配合钻孔窥视仪、电磁辐射法和钻屑法检验实施效果,结果表明,通过顶板爆破技术的实施,消除了工作面的冲击矿压危险,保证了工作面的安全生产.



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