1年岩石力学委员会交流材料李建民课件

开滦赵各庄矿在3137东一面

防治动力现象的措施2011年10月探讨的主要问题1.前言2.开滦赵各庄矿动力现象分析3.工作面概况及位置4.采掘方法及工作面布置5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法6.动力现象显现预兆7.动力现象防治措施8.缺陷卸压爆破的作用9.主要结论1.前言冲击地压是世界范围内煤矿中最严重的自然灾害之一。我国大多数矿山的煤层与岩层都具有不同程度的冲击倾向性，在一定的临界深度下煤岩突出极为严重，特别是随着我国煤矿开采深度的不断增加，已成为制约矿山生产和安全的主要重大灾害性事故之一。在冲击地压的防治方面，由于对开采后上覆岩层运动变化规律及采场围岩的应力场的时空分布规律不清，开拓与回采的决策理论不完善，目前在冲击地压煤层的采掘设计基本上依靠统计经验来决策，因而经常出现在高应力区内进行采掘工作，采掘作业的时间关系不合理，为冲击地压的发生提供了力源条件。我国煤矿冲击地压的煤层开采设计和监控仍然停留在对开采覆岩运动和应力场分布发展规律不清的发展阶段。这是当前煤矿冲击地压事故频繁，特别是重大灾害事故没有从根本上得到控制。

2.开滦赵各庄矿动力现象分析赵各庄矿采深已达1257m，为典型的深部开采矿区。深井重力应力场，在重力应力场约束下保存的构造应力场以及采动造成的集中应力已使煤（岩）体产生“强烈”的破坏，在构造区域内时常发生动力现象。可见动力现象问题是赵各庄矿深部开采存在的重大技术性难题。为保障3137东一面安全施工，通过系统、全面研究、观测、分析和采取措施。进一步发展和完善了对动力现象综合预测与防治技术的创新。3137东一面位于13水平井口向斜轴附近，因受矿井宽缓向斜影响，煤层走向变化大，100°～180°之间。煤层倾角在9°～32°之间，平均倾角20°，煤层结构简单，煤层厚度在9.7～13.4m之间，平均11.2m。该工作面12水平以上开采完毕，2337东面尚未开采；下至3139东二面以下尚无采掘工程；西至13西1石门上山，上山以西为3137西面已经开采完毕；东至东Ⅲ断层煤柱线。3.工作面概况及位置图13137东一面采掘关系及位置示意图4.采掘方法及工作面布置根据地质和煤层赋存条件，为保证安全施工，同时考虑爆破卸压防止动力现象，巷道掘进采用炮掘，回采采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤工艺，工作面布置见图2所示。掘进施工顺序。回风巷---运输巷---切眼---瓦斯抽放巷---缺陷卸压巷。图2工作面布置图5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法动力现象防治原则预测为无危险时，采取安全防护措施下进行施工。当预测预报有危险或施工过程中有危险预兆时，采取防治动力现象措施，经采取措施后，且效果检验措施有效，采取安全防护措施进行施工，若效果检验无效则继续实施防治动力现象措施直至有效。5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法表1开滦赵各庄矿3137东一面参考指标表钻孔深度(m)危险煤粉量(kg/m)危险性备注1-3≥3有危险性如有吸钻、卡钻、煤炮等动力现象时，无论预测结果如何都按有动力现象危险管理＜3无危险性大于3≥4有危险性＜4无危险性临界值确定1)钻屑法极限煤粉量确定①危险区域实际观测确定。在煤炮显现较大、且连续、集中出现的区域，进行钻屑量观测，一般打8-10个孔，间距3m，然后取平均值作为极限煤粉量，得出对照指标进行参考。②用钻粉率指数方法确定。正常钻粉量是在支承压力影响带范围以外测得的煤粉量。测定煤层正常钻粉量时，钻孔数不少于5孔，并取各孔煤粉量的平均值，开滦赵各庄矿12煤层钻粉率指数取1.5。5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法2)电磁辐射临界值的确定①电磁辐射临界值是电磁辐射识别动力现象前兆的关键参数，可以采用钻孔极限煤粉量进行对比确定。在钻孔煤粉量达到极限值时，进行电磁辐射监测，获得脉冲的幅值与数量，进行多次监测，取其平均数作为临界值。其计算公式为：临界值法预报：电磁辐射预报指标有幅值平均值、幅值最大值、脉冲数，首先分别标定三个预报参数的平均值，取平均值的1.3倍作为预警临界值。当电磁辐射强度或脉冲数超过设定的预警临界值时，判定为存在冲击危险。开滦赵各庄矿3137东一面电磁辐射强度预警临界值为100mv，电磁辐射脉冲预警临界值为1500。②动态趋势法。通过分析相同地点不同时间电磁辐射值的变化趋势和不同地点相同时间电磁辐射值的变化趋势进行危险预报。当电磁辐射强度或脉冲数随时间呈现增长趋势时或当电磁辐射强度或脉冲数先期随时间呈增长趋势，而后突然降低，之后又呈增长趋势时判定为存在动力危险。5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法3)钻孔应力计安装①动力现象是煤层应力集中造成的，应力的变化可作为冲击地压的前兆信息。因此，对煤体应力变化进行识别，就可预测动力危险。应力计布置图②钻孔应力计布置方法。结合开滦赵各庄矿3137东一面设计，在巷道掘进期间进行间隔布置，主要在进风巷和上山区域进行安装。钻孔深度3~4m，仰角3~5°。钻孔间距50m，分别安装主动型与机械式两类，确保数据及时可靠。图应力计安装示意图5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法预测预报方法采用钻屑法、KBD5电磁辐射仪和钻孔应力计三种方法。1）钻屑法监测①在掘进施工前方开工前即进行一次预测，以后每天进行一次，每次布置两个孔，钻孔位置距巷帮1m，距巷道底板1.5m，钻孔垂直煤壁。在掘进巷道两帮每隔10m各打一个预测钻孔，钻孔垂直巷帮距底板1.5m。钻孔孔径42mm，孔深7.0m，收集钻屑，每钻进1.0m测量1次钻屑量。当出现连续两杆钻粉量超标时,视为有危险性。②工作面回采期间距工作面煤壁超前60m区域内进行监测。在巷道两帮每隔10m各打一个预测钻孔，钻孔垂直巷帮距底板1.5m。钻孔孔径42mm，孔深7.0m，收集钻屑，每钻进1.0m测量1次钻屑量。当出现连续两杆钻粉量超标时,视为有危险性。5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法2）电磁辐射监测①监测范围：在掘进工作面前方煤壁两帮各布置一个测点，后方巷道两帮每10m布置一个测点，检测掘进巷道的地应力变化。回采过程中对工作面及超前工作面煤壁100m范围内布置的测点进行监测。②对用电磁辐射法检测的高动力危险区域，再用钻屑法做进一步的检测，进行对比分析。如果电磁辐射已处于临界状态，采取诱发爆破措施。在实施诱发爆破时，对所实施诱发爆破的区域或地段进行诱发爆破前后的电磁辐射检测，将检测结果进行比较，以确定诱发爆破的效果。5.动力现象防治原则、临界值确定及预测预报方法3）顶板动态监测①巷道掘进期间。使用钻孔应力计进行连续监测，当钻孔应力计出现突变时，采用顶板动态仪进行顶板动态监测，以确定顶板活动范围和活动的强烈地点，一般采取在危险区域进行临时设点、快速测速的监测方法进行观测。②工作面推进期间。对超前工作面煤壁60m范围内的巷道进行顶板动态监测，获得支承压力的范围和峰值位置，为其他方法监测提供范围依据。③收尾期间。工作面接近停采线30m，对超前工作面煤壁的巷道和上山（工作面正对区域）进行顶板动态观测，确定动态应力在超前移动的范围和速度，特别是上山围岩的变形突变特性，为确定工作面合理的推进速度提供依据。6.动力现象显现预兆煤层层理紊乱；煤体突然变软或变硬；打钻时出现顶钻、夹钻情况；巷道煤(岩)壁出现裂缝、裂隙；巷道压力突然增大，“煤炮”、“板炮”发生频繁；“煤炮”、“板炮”较大并伴有强烈震感及煤尘飞扬，支架压力突然增大、支架突然变形而且变形严重、巷道出现底鼓严重等现象；瓦斯涌出浓度发生突变。7.动力现象防治措施掘进施工动力现象防治措施掘进施工，监测有动力危险时，采取大直径钻孔与深孔爆破卸压措施，并优先考虑爆破卸压措施。①卸压钻孔布置。根据以往经验，参考卸压半径理论数据，卸压孔径采用φ75mm以上，孔间距为钻孔直径的10倍，深度不少于10m，在掘进前方保留5m的预留超前距。在已掘巷道两帮沿水平方向打卸压钻孔，钻孔距巷道底1～1.5m，钻孔深度8～10m，钻孔间距为孔径的10倍。末个卸压钻孔滞后掘进前方距离不超过10m。卸压钻孔布置平面示意图7.动力现象防治措施②诱发爆破卸压爆破：进行诱发爆破降低动力危险或消除威胁。每天在掘进巷道前方布置3个诱发爆破钻孔，孔深10m，每眼装药量为1500g；后路两帮每5m分别布置1个爆破钻孔，距离巷道底板1～1.5m平打，眼深8～10m，每眼装药量为1500g。诱发爆破采用串联、正向装药、一次起爆。末个帮爆破孔滞后掘进前方距离不超过10m。验炮时间在爆破后30min以后进行。巷道诱发爆破钻孔群布置图

7.动力现象防治措施回采动力现象防治措施选择合理的开采方法和巷道布置是有效预防动力现象最好措施之一。3137东一面属于半孤岛煤柱，工作面局部区域属于高应力的状态，采用综放开采是防治动力现象的最佳方法。①采用综放开采技术，老顶第一次来压对工作面冲击大为缓和。实际工作中，针对具体工作面的顶板结构和强度特征，对来压部位的煤层进行针对性卸压，通过降低煤层应力、制造缓冲带控制动力现象。3137东一面初次来压步距预计在30～40m之间，因此在来压前对切眼前方30～40m范围进行深孔爆破卸压措施。②正常推进动力现象防治根据工作面的实践，正常推进时动力现象的重点释放范围为工作面前方60m范围内，由于综放开采的能量释放空间大、推进速度慢，能量能及时释放，没有产生破坏性动力现象。只有在周期来压时伴随着小型煤炮出现。只在高应力区域、构造区域进行深孔爆破卸压。7.动力现象防治措施深孔爆破卸压参数：孔径Ф42mm；孔深7.0m；孔间距5m；孔方位平行工作面方向，仰角3～5°，距离底板1.2～1.5m；装药长度1/2或1/3孔深。工作面卸压钻孔布置平面示意图在向斜轴部动力现象防治措施根据监测超前支承压力大约在工作面前方41m处从原岩应力开始增加，随着工作面的推进增幅只是缓慢增加，由于煤体松软，支承压力的作用范围较大，所以峰值较小，在煤壁前方15m处达到峰值又逐渐减小趋向于原岩应力，明显影响范围在30m左右。工作面超前支承压力分布图7.动力现象防治措施考虑到3137东一面推进是逐步接近轴部区域的布置方式和支承压力明显影响范围在30m左右，确定合理停采线位置距离上山35m。因此在3137东一面副上山进行大空间缺陷卸压防治技术措施。缺陷卸压巷道布置示意

8.缺陷卸压爆破的作用卸压爆破属于内部爆破，主要作用是使煤层产生大量裂隙。爆破后，冲击波首先破坏煤体，然后爆生气体进一步使煤体破裂，由于气压的作用，形成切向拉应力，产生径向拉破裂。当裂隙前端的应力强度因子小于断裂韧性时，裂隙止裂。造成煤层物理力学性质变化的主要因素是径向裂隙。裂隙的存在，导致弹性模量减小，强度降低，积聚的弹性能减少，破坏了动力现象发生的强度条件和能量条件。9.主要结论①通过对3137东一面开采环境的全面、系统分析，划分了动力现象危险区域。②结合巷道经历的不同位置和危险区域的空间关系，全面分析评价了巷道掘进和工作面初采、初压