深井厚煤层掘进工作面应力异常机理研究及防冲治理对策 |
| 2012-12-07 10:58 作者：商传玉 辛超 赵荣学 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网12月7日文】据《硅谷》杂志2012年第18期刊文，采用理论分析并结合现场案例，指出冲击地压发生前存在潜在危险源，分析巷道掘进过程中受褶曲和断层等构造因素影响，动压显现强烈，“煤炮”发生频繁，其异常影响因素为巷道施工位置处于褶曲翼部双向受压状态，岩体内部积聚较多的弹性能，同时还处于强剪状态，易发生“板炮”或破坏性冲击。通过对巷道应力显现异常机理分析，查明原因，确定治理对策，起到预防发生破坏性冲击的良好效果，保障巷道施工安全，经济和社会效益显著。
0引言
新巨龙公司矿井二采区2304S下平巷里段位于-810m水平二采区中部，工作面以西为2303下平巷；以南为二采三条边界下山；以北为二采区北翼，尚未开拓。根据煤岩层综合柱状图及相邻已掘巷道揭露，3层煤直接顶为粉砂岩，顶板岩石比较脆，易破碎，所以顶板按Ⅳ类顶板进行管理；在断层带和顶板淋水较大时，会造成岩石破碎，造成支护材料锚固力下降，支护强度减弱。该巷道掘进至980m，进入构造（褶曲、断层）影响区后（如图1所示），受褶曲和断层FD11等构造因素影响，动压显现强烈，“煤炮”发生频繁，拟采取冲击地压综合治理措施保证巷道安全施工。
1工程概况
1.1地质赋存条件
该巷道布置在3层煤中，煤层平均厚度8.85m，黑色，条带状结构，以亮煤为主、暗煤次之，夹镜煤条带，棱角状～阶梯状断口，具玻璃光泽，内外生裂隙发育，局部黄铁矿及方解石充填，属半亮型煤，f＝1.5，煤层产状：走向为340°～18°，倾向为70°～108°，倾角为2°～16°；煤层中含夹石，夹石为炭质泥岩、泥岩，局部炭化，厚度0～0.35m，硬度较大，f＝3～4。
3层煤直接顶板为粉砂岩，灰色，薄层状，较致密，上部夹细沙岩条带，发育裂隙，充填方解石，含丰富的植物茎叶化石，发育水平层理，局部炭化，含黄铁矿散晶，底部含量较丰，并夹镜煤条带，具透镜状及波状层理，平均厚度19.87m，较硬，岩石抗压强度为28.69～33.91Mpa，平均32.13Mpa，为不稳定至较稳定顶板。
老顶为细砂岩，灰白色，薄层状，主要成分为石英、长石等矿物，颗粒呈次园状，分选较好，泥硅质胶结，夹深灰色泥质条纹，层理面见炭化的植物化石，含少量黄铁矿散晶，具缓波状及脉状层理，局部水平层理，底部粒度变粗，坚硬，平均厚度4.18m。
伪底为泥岩，浅灰色，泥质结构，含丰富的植物根部化石，参差状断口，含少量黄铁矿散晶，团块状构造，较硬，厚度1.45m。
直接底为粉砂岩，深灰色，较致密，裂隙发育，有充填黄铁矿，平坦状断口，含炭化植物化石，局部夹镜煤条带，块状构造，坚硬，厚度3.4m，岩石抗压强度为70.91～117.49Mpa，平均95.58Mpa，属坚固至较坚固底板。老底为细粒砂岩，灰白色，较致密，含较多植物根部化石及黄铁矿散晶，具波状层理及脉状层理，上部发育裂隙，充填泥质，坚硬，平均厚度3.35m。
2应力异常机理分析及危险区圈定
截止到4月23日，2304下平巷已掘进988m，已经进入构造（褶曲、断层）影响区。如图1所示，掘进工作面将先后通过向斜翼部、向斜轴、向斜翼部、背斜轴、翼部、向斜轴、翼部。
图12304下巷施工平面图
煤矿常见的褶皱是通过纵弯作用形成的，即岩层或岩层组在长期水平挤压载荷作用下发生缓慢变形，并形成褶皱。褶皱形成后，各部位的受力状态有较大差异。向斜、背斜内弧的波谷和波峰部位呈现水平压应力集中，向斜、背斜外弧的波谷和波峰部位呈现拉应力集中，翼部呈现压应力集中。根据褶皱的形成机制，可将褶皱各部位的受力状态分为5个区（见图2）：Ⅰ区铅直为拉力，水平为压力，采掘工程布置在该位置时易发生片帮；Ⅱ区铅直为压力，水平为拉力，采掘工程布置在该位置时易发生冒顶和冲击地压；Ⅲ区水平和铅直均为压力，采掘工程在布置该位置时易发生冲击地压；Ⅳ区的受力状态同Ⅱ区；Ⅴ区的受力状态同Ⅰ区。
图2褶曲不同部位的受力状态
此外，褶皱翼部还受到强剪应力，采掘工程在布置该位置时还易发生围岩剪切破坏。
另外，由于褶皱是受水平挤压应力形成的，褶皱区岩体内部将存有残余应力和弹性能。弹性能的进一步释放，也是造成冲击地压的一个重要因素。
根据目前2304下平巷掘进迎头位置，其正好处于翼部，该部位处于双向受压状态，岩体内部积聚较多的弹性能，易发生冲击地压，同时还处于强剪状态，易发生“板炮”。
随着掘进，工作面将进入褶曲的不同部位，这些部位或者是易冒区，或者是易冲区。
除褶曲影响之外，目前掘进迎头已进入断层FD11影响区。当前迎头到该断层的垂直距离为67m，根据新巨龙公司以往采掘工程的经验，采掘工程到断层的垂直距离小于80m时，易发生“煤炮”。
根据上述分析，2304下平巷从当前位置到停掘位置都是危险区。
3防冲治理对策
2304下平巷接下来一方面要防冲，另一方面要防冒。
对于向斜轴部、翼部，往往积聚着较多的能量，该区域要注重防冲。对于背斜轴部及翼部，由于经历强拉或强剪作用，煤体较为破碎，若受到震动影响，易发生冒顶。
3.1防冲治理措施
3.1.1防冲流程
监测预警或煤粉检验----危险区卸压----检验合格后生产----防冲管理。
3.1.2钻孔卸压
1）在掘进工作面迎头打卸压钻孔，每次施工2个孔，断面中心距巷道底板不小于0.5m的位置，孔距1.0m，卸压深度不小于25m，钻孔直径不小于120mm，保护带不小于10米。卸压钻孔的方向要平行于层面，垂直于煤壁（特殊构造地段平行于煤层倾斜方向）。若检验超标，需增加一个钻孔，可以采用三心布置方式。
2）巷道两帮每隔3m各打一个直径不小于120mm的卸压钻孔，孔深不小于20m，布置在距巷道底板不小于0.5m的位置，两帮卸压孔距迎头最大距离不得超过5m。所有卸压钻孔的方向都要平行于层面，垂直于煤壁（特殊构造地段平行于煤层倾向）。
3.1.3异常情况处理
出现以下情况，必须立即停止掘进，先将人员撤到安全地点，待压力稳定后，经跟班人员检查，确认无危险后，再进行工作；
1）掘进工作面及附近打锚杆孔时出现卡钻、顶钻、小冲击现象；
2）掘进工作面及附近顶板内、两帮内或迎头前方连续出现煤炮或小冲击现象；
3）有较大的煤炭突出，煤壁突然外臌；
4）出现煤壁有连续声响、煤炮声不断、突然退锚、围岩活动明显加剧等现象时。
3.1.4防冲管理
1）施工区域内的电缆、管线要悬挂固定牢靠。
2）将巷道内杂物清理干净，保持退路畅通；备用材料要存放在距迎头150米以外的范围内；所有设备、管路、材料集中码放并且固定，备用设备、材料上下5米之内不准人员休息，人员休息尽可能分散，躲开严重冲击危险区域。
3）所有支护锚杆、锚索应当采取防崩措施。
4）施工物料尽量放在巷道底板底脚处，且码放整齐；钻具、钻杆等工具不要悬挂、斜立在帮部。
5）迎头范围内作业人员要符合定员要求，掘进迎头作业时，无关人员要撤离到安全位置。
6）备用锚杆至少用两道不小于直径9.3㎜钢丝绳固定于人行道侧巷帮锚杆上。
7）风钻钻杆、锚索钻杆及风水钻钻杆应存放于固定的木箱或铁箱内，并且封口，且固定于人行道侧帮部锚杆上。
8）金属网至少用两道不小于直径9.3㎜钢丝绳固定于皮带支架或非人行道侧帮部锚杆上。
9）锚杆饼、锚索饼及锁具应分类存放于人行道侧的箱内（箱体固定在帮部锚杆上）；锚杆饼、锚索饼也可存放在制作的支架上，上端并用锚杆丝上紧固定，支架用不小于直径9.3㎜钢丝绳固定于帮部锚杆上。
10）各种钻机用不小于直径9.3㎜钢丝绳固定在帮部锚杆上。
11）托梁、钢带码放整齐，至少用两道不小于直径9.3㎜钢丝绳穿封固定非人行道侧帮部锚杆上。
12）卸压钻杆（包括备用钻杆）使用完后必须至少用两道不小于直径9.3㎜钢丝绳捆扎固定于巷帮的锚杆上或存放于固定的木箱（铁箱）内，并且封口。
3.2防冒措施
1）工作面迎头考虑斜拉锚索，一排两索，排距为1.6m；
2）迎头后方考虑锚索桁架支护，排距1.6m；
3）严重破碎区考虑辅棚，间距不大于1m；
4）做好人员管理，拉好警戒线，严禁无关人员进入掘进面影响区；
5）做好设备管理，杆件设备要平放。
4结论
巷道掘进过程中受褶曲和断层等构造因素影响，岩体内部积聚较多的弹性能，同时还处于强剪状态，在此状况下，巷道一旦受到扰动影响会发生较为严重的变形破坏，甚至诱发冲击地压。在2304下平巷掘进施工期间，按照防冲治理对策及方案施工大直径卸压钻孔及钻屑法煤粉监测检效，该巷道已施工至设计位置，没有发生破坏性冲击，卸压实施效果明显，有效地缓解了煤体应力集中程度，保障了巷道施工安全，经济和社会效益显著。
作者简介：
商传玉（1961-），山东宁阳人，毕业于山东科技大学，现任新巨龙公司副总工程师，从事安全管理工作。 |
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