煤矿冲击矿压监测与防治的实践与研究

某煤矿是典型的大产量矿井,于上世纪八十年代末期开始投产,矿区分东翼、西翼生产,矿区东翼主要开采二叠系七号煤、九号煤,经过勘察,七号煤平均厚度为2.3m,煤层倾角约为29°,该区域的直接顶上部多为中砂岩,厚度约为13m,底板为同为中砂岩,平均厚度为4.4m。九号煤煤层平均厚度为2.1m,煤层倾角存在变化,具体表现为12°-27°,平均倾角度数为23°,顶层为中砂岩,平均厚度为1.2m,老顶为中砂岩或者粉砂岩,平均厚度为8.9m,底板为粉细砂岩,平均厚度为8.5m。伴随开采深度的增加,煤层应力越来越突出,动力现象屡次出现,冲击矿压危害出现几率因此提高,据不完全统计,该矿区共发生冲击性矿压灾害约26次,对1500余米巷道造成破坏性损伤。矿区管理人员和当地行政管理部门共同商议,决定立项对冲击矿压灾害进行治理,综合利用电磁辐射技术、钻屑技术方法,具体监测、防治内容如下。

1.煤矿冲击矿压主要特征

冲击矿压灾害的主要特征表现在三个方面:一是冲击矿压具有明显的突然性,主要表现为冲击矿压在发生前没有明显的预兆;二是冲击矿压发生的过程相对短暂,一般在10s内可完全释放压力;三是冲击矿压有着显著破坏性,一旦发生冲击矿压,多表现为煤炭抛出、片帮抛出,顶板断裂,巷道支护结构损坏,以致于人员受到严重伤亡,且不同地质条件下均有可能会发生冲击矿压。该矿区西翼工作面冲击矿压表现出以下特征:一是该矿区发生的冲击矿压,不仅仅和开采深度有关联,和顶板的断裂情况也有直接关联,在回采的过程中,顶板多次出现断裂、失稳的情况,且在断裂区域工作面,顶板厚度相对较大,而顶板厚度和冲击矿压发生次数成反比;二是冲击矿压多发生在超前回采巷道,少数发生在采空区巷道;三是冲击矿压多出现在回采的过程中,在掘进的过程中不曾出现,且多数冲击矿压灾害都发生在三角门、四角门交叉处;四是冲击矿压造成的破坏存在一定的差异,在巷道内发生冲击矿压时,造成的破坏相对较小,破坏形式以设备倾倒为主,但是冲击矿压发生在回采工作面时,压力以及破坏范围都比较大,不仅仅导致采煤设备发生位移,同时还导致支架被剧烈碰撞,进而对巷道造成破坏[1,2]。

如上文所述,该矿区冲击矿压灾害多发生在西翼,多数灾害都发生在深度大于550m的开采区域,针对冲击矿压灾害的严峻性,为确保安全生产、正常生产,矿区领导进行冲击矿压动态化研究,并采取了相应的处理措施。

2.冲击矿压监测

(1)电磁辐射监测技术

煤层岩体变形过程中会产生电磁辐射现象,该现象是煤层岩体各个部分非规则性、非均匀变形所导致的电荷迁移现象,是伴随裂纹发展而产生的。一般而言,煤矿井下作业在形成采掘空间后,采掘工作面附近煤层岩体会失去原有的平衡,应力处于不稳定状态,煤层在采掘作用下必然发生破裂、变形等问题,直至形成新的平衡体系。在这个过程中会产生相应的电磁辐射情况,而该情况在工作面顶板断裂或者在动力作用下更为明显[3]。具体作用过程为:在采掘作用下,工作面前方煤层岩体的松弛状态消失,应力越发集中,活动越来越密集,因此电磁辐射信号也就越强,在应力越集中的区域,电磁辐射越强,这就为电磁辐射监测技术的应用奠定了基础。电磁辐射监测技术就是通过监测电磁辐射情况反映应力集中情况的技术,该煤矿每班监测一次工作面电磁辐射,共布置15个监测点,每次的监测时间为120s,综合考虑到工作面周围应力属于不均匀状态,而冲击矿压灾害多发生在工作面附近100m范围内,所以电磁辐射监测点布置在工作面区域、两巷区域,测试间距控制在13m左右[4]。根据电磁辐射监测结果,若通过电磁辐射变化情况,发现电磁辐射上升,则需要采取爆破等方式来实现有效卸压。

(2)钻屑技术

钻屑技术基于煤层钻出粉末和应力集中的相互关系来判断煤层应力集中状态,若在规定单位长度内钻出煤粉大于标准值,那么就可判断存在冲击压力突发的可能。钻屑技术的应用过程为:①在受采掘活动影响较小煤层采用钻屑技术钻探煤粉,并以标准单位长度判断煤粉量是否合理;②在电磁辐射监测初步判断具有冲击危害的区域钻孔,观察在钻孔过程中的动力变化现象,确定危险煤粉量以及极限煤粉量,以实现冲击压力的有效预测[5]。根据该矿区近几年的煤层岩体冲击矿压灾害防治经验,应力越高,煤粉钻出量越大,在煤粉钻出量到达危险标准值时,就需要采取爆破卸压措施。

3.防治实践

(1)电磁辐射、钻屑和冲击矿压灾害

自该矿区应用电磁辐射监测技术以来,以重点监测、大范围普查的方式实现有效观测,每班观测2次左右,且在轨道巷的位置安装记录仪,判断冲击压力变化,经过有效监测、判断,规避了多次冲击矿压灾害事故。图1为该矿区冲击矿压电磁辐射的变化规律,在出现冲击矿压灾害前3d,电磁辐射值逐步减小至某一最低水平,然后又急速增加[6]。图中22日、25日、26日发生剧烈冲击,在冲击矿压发生后,工作面相应煤层岩体应力水平、电磁辐射水平大幅度降低。

根据该变化规律,对工作面进行有针对性的爆破卸压,起到提前诱发冲击压力灾害、避免灾害的作用。如图2所示,工作面在3日、9日、14日出现多次冲击压力显现的情况,而后冲击压力又开始下降,在出现冲击压力前8h-16h,又出现压力值急速上升的情况,矿区技术人员以监测数据为基础,实现了有效的冲击压力预报、防治。

基于电磁辐射监测技术,还利用钻屑技术,在重点区域对监测结果可靠性进行监测,达到检验压力变化监测效果的目的(值得注意的是,该矿区对危险程度进行划分,仅在24h内不会发生冲击压力灾害的地点利用钻屑法检验,以确保人员安全)。

(2)深孔爆破

该矿区工作面上部为中砂岩,顶板相对坚固,为大量弹性能的累积创造了良好的基础条件。如图3所示,Ut表示任意时刻冲击煤层岩体的能量,Ukmin表示发生冲击压力灾害时煤层岩体赋存的能量,在煤层岩体中能量达到Ukmin值前,就需要采取有效的爆破来释放能量。深孔爆破能够确保能量释放的有效性。尤其是老顶的冲击压力,因老顶厚度较大,在冲击压力发生时,还可能导致释放大量的弯曲弹性能。具体应用方法为:沿切顶线方向,以3m间距布置深孔,然后在能量累积时,在深孔内安装炸药,实现有效的爆破处理,减少顶板中赋存的弯曲弹性能[7]。

该矿区在防治冲击压力危害的过程中,综合应用深孔爆破卸压、电磁辐射监测、钻屑技术辅助监测,共发现钻孔动力现象198次,钻孔出现动力现象的几率为57.8%,钻孔期间诱发小型冲击矿压灾害次数大约为57次,卸载爆破诱发冲击压力灾害次数为138次,防治方法有效避免了意料之外的冲击压力灾害,在确保生产安全方面发挥了极其重要的作用。

4.结束语

综上所述,煤矿采掘产生的物理作用会导致煤层岩体原有的应力状态被破坏,并诱发震动叠加载荷,在载荷、应力集中度超过临界值时,就会导致冲击矿压发生。一般而言,煤矿顶板的强度越大,那么发生冲击的倾向也就越强,上述煤矿工作面老顶的厚度较大,硬度较大,所以冲击灾害一旦发生必然会形成严重的破坏,矿区综合利用电磁辐射监测技术以及深孔爆破技术,起到了良好的预测效果、卸载效果,其方法值得广大从业者参考借鉴。

摘要：矿区井下作业,会面对煤矿冲击矿压动力,当前我国煤矿生产正朝着“深、复杂”的方向不断发展,煤矿冲击矿压灾害问题也越发突出,部分矿区报告显示,在浅部工作面也遭遇了冲击矿压现象。煤矿冲击矿压实质上是在人为因素干扰下、自然条件作用下,煤层岩体能量累积、释放的发展过程,该过程处于动态变化的状态,所以煤矿冲击矿压的防治、应对也是一个动态过程,在防治煤矿冲击矿压的过程中,需要保证煤层岩体中所积聚的应变能始终保持在最小冲击能标准以下,以达到避免冲击矿压出现的目的。

关键词：矿压监测,煤矿冲击压,动态防治,煤矿生产

参考文献

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[2] 冯栩瑞,李小青,张彦克.煤矿冲击地压灾害及其控制技术[J].能源与环保,2019,41(8):202-206.

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