冲击地压防治技术研究论文_郭建勋1,殷齐浩1

冲击地压防治技术研究论文_郭建勋1,殷齐浩1

1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室 山东青岛 266590

摘要:在煤矿工程中,冲击地压对生产安全造成了巨大威胁。为了保证冲击地压巷道在掘进过程中的安全,本文结合王楼煤矿-1150外环水仓工作面的地质条件,分析了冲击地压产生原因,提出了冲击地压的防治方法。工程实践表明:采用微震法进行监测预警,可以准确预判巷道冲击地压产生位置;通过卸压和支护相结合的方法,能够有效控制深部冲击地压巷道变形与破坏,保证工程安全高效完成。

关键词:冲击地压;监测预警;卸压;巷道支护

随着对煤炭资源的不断开采,浅层煤炭资源已接近枯竭,目前的矿井建设深度不断加大,冲击地压等动力灾害也越发严重,严重威胁着煤矿的安全生产[1]。2006-2013年,先后有新汶、抚顺、华亭、北京、义马、阜新、鹤岗、七台河、平顶山等煤炭生产企业因冲击地压而导致的重大伤亡事故多达 35 次,造成300 余人死亡,上千人受伤[2]。冲击地压一旦产生就会伴随着大量的人员伤亡和财产损失,面对以上情况,如何以经济有效的手段防治冲击地压成为摆在我们面前的课题。

对于如何在矿井建设过程中防治冲击地压,许多学者进行了大量的研究工作。吕进国[3]总结了现有监测方式的优点和弊端,认为可以结合各种监测手段的优势进行互补式的监测;康红普[3]根据工程实际情况提出了在冲击地压巷道中选择支护方式原则,提供了抗冲击地压锚杆的支护材料力学性能及参数设计方法。目前在冲击地压的防治技术方面虽有进展,但研究的还不够充分,仍然需要进行长期艰苦的探索和实践。结合王楼煤矿-1150外环水仓工作面的地质条件,对冲击地压的产生原因和防治手段进行研究。

1工程背景和冲击地压原因分析

-1150外环水仓工作面位于王楼煤矿七采区,布置在3上煤层底板中,从七采轨道下山、胶带下山下方穿过,环形巷道距3上煤层垂高为14.1~23.9m,与-1150内环水仓水平距离为15m。巷道设计总长度329.2m,沿3上煤层底板砂岩段掘进。建设此巷道的目的在于形成七采区排水系统,满足七采区及下部采区排水需要。巷道工作面标高-1150.066~-1154.137m,为岩石掘进巷道,采深大,岩体的自重应力高,在静载作用下已处于或接近自身极限状态。另外,巷道距离3上煤层较近,在巷道掘进以及3上煤层开采过程会诱发大能量矿震动载,这些震动以应力波的形式对围岩施加动载荷,围岩在自身高应力和动载荷共同作用下总应力超过岩体的极限强度,在这种状态下任何微小的扰动都可能导致处于极限状态的煤岩体系统冲击破坏[5]。

2 冲击地压的防治

巷道冲击地压发生后除了造成巷道的破坏、伤害作业人员、耗费大量资金进行修复外,当出现高强度冲击地压时,还可能对地面建筑物造成破坏。冲击地压造成的后果严重但是又由于影响因素众多而难以防治。这导致在冲击地压的防治中存在两种极端倾向:一种倾向是采用尽可能多的防治手段,这种做法导致效率低下、成本增加;另一种倾向于只简单处理甚至不进行治理,使得生产环境异常危险。通过对王楼煤矿-1150外环水仓工作面工程实际的研究,发现对易产生冲击地压的巷道采用微震法进行检测预警,提前判断可能产生冲击地压的区域,之后通过卸压和支护相结合的手段,可以有效避免前述的两种极端,维护巷道围岩的稳定。

2.1监测预警

监测的目的在于能够提前发现出现冲击倾向的区域,这就要求监测系统应该具有实时、远程和准确的特点。现有的监测手段众多,发展速度较快,但效果参差不齐。若监测手段选用不当,往往会造成人力、物力以及经济上的损耗,所以应该针对实际工程中不同地质条件选用恰当的监测方式,以便保证冲击地压监测预警的准确性。

目前煤矿冲击地压的监测方法主要分为两类:一类是地球物理方法,另一类为岩石力学方法。其中地球物理方法具有明显优势,特别是其中的微震法更是能够进行远程实时监测,其监测区域大,可靠性高。微震监测的基本原理为:在高应力作用下的岩体在受到外部环境的扰动后会发生微破裂,在微破裂过程中产生震动和声波。通过在工作区域内设置多组设备对震动数据进行实时收集,经过数据处理后,利用定位原理,可确定破裂发生的位置。相比于其它监测技术,微震定位监测可以做到对危险区域提前进行远距离、动态、实时监测。

针对-1150外环水仓工的地质条件,在工作面采用微震法进行监测。根据工作面的掘进情况在七采轨道下山、七采胶带下山、七采轨道下车场分别安装SOS微震监测拾震仪,用于监测工作面的震动能量及震动次数。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该系统可以对工作面的矿震信号进行实时收集,给出矿震信号的完全波形。通过分析研究检测所得数据,可准确计算出能量大于100J的震动,并且可以得到冲击矿压发生的时间及位置,根据这些分析可以对工作面可能产生冲击矿压危险的区域进行预判。

2.2卸压与支护手段

通过对冲击地压产生原因的分析,可以看出冲击地压巷道围岩变形与破坏的主要原因是高应力、冲击载荷的共同作用,因此,冲击地压巷道的防治也应从这方面入手:①采用有效的卸压手段,提前释放一部分围岩应力;②合理的进行巷道支护形式及相关参数的设计,选用适当的支护体系,增强围岩的稳定性。

(1)卸压:巷道开挖后自帮部向里依次为应力降低区、升高区和原岩应力区。其中升高区容易产生冲击地压,可以采用钻孔的方式进行卸压,降低应力集中程度,使得高应力区转移至深部。同时在钻孔周围的岩体可以通过破碎的形式释放能量,起到降压、释能的作用。

(2)支护:在冲击地压巷道中,围岩是承受各种荷载的主体,利用各种支护方式保持围岩完整性是非常重要的。一旦围岩完整性变差,围岩整体强度、承载能力会受到严重影响。对于冲击地压巷道,最恰当的选择是锚杆与锚索联合支护体系,这在实际工程的应用中也证明这种支护方式的正确性。其中锚杆支护实质上就是在围岩中形成支护应力场,能够有效改善巷道围岩应力分布,增加围岩的稳定性,改善围岩应力状态。此外,锚杆与锚索联合支护施加较大的预应力后支护效果更佳,因此可以通过在锚杆与锚索的尾部布置托板、钢带等构件,有效实现预应力的扩散。

(3)实际工程中的应用:当监测出工作面存在冲击危险时,进行钻孔卸压。钻孔后孔洞周边岩体在能量释放过程中产生变形破碎现象,应该进行及时的支护。根据变形观测资料显示,-1150水仓外环巷道深部掘进期间收敛变形明显,围岩移近量在100~150mm。为控制巷道围岩变形量、充分发挥锚杆及锚索主动支护性、保证掘进施工安全,在工作面采用锚网索支护。

巷道顶部和帮部均使用Φ22×2500mm等强树脂锚杆,间排距均为700×700mm,每根锚杆配1卷K2370树脂锚固剂。金属网采用Ф6mm钢筋编制的网孔150×100mm的经纬网,规格2050×850mm,零搭接直联。锚索配合“W”形钢带采用五花方式布置,锚索使用Φ22×8000mm低松弛钢绞线,每根配2卷K2370树脂锚固剂。喷射混凝土标号C20,喷厚60mm;铺底100mm,混凝土标号C20。对锚杆和锚索都施加预应力,其中锚杆预紧力不小于设计值200N•m,锚杆锚固力不小于设计值85kN,锚杆露出螺母长度为10~40mm,锚杆盘贴紧岩面;锚索预应力不小于20MPa,锚索露出锁具长度为150~250mm。

3结论

1)分析了巷道冲击地压产生原因,认为冲击地压的产生是高地应力和动荷载共同结果。

2)在实际工程中应根据地质条件选用恰当的监测方式,能够预判可能产生冲击地压的区域。依据-1150水仓外环工作面的实际情况,选用微震监测手段,可以安全准确判断冲击危险区,对冲击危险区进行重点防护。

3)通过钻孔方式对冲击危险区卸压,之后根据卸压效果和变形监测结果,选择合理的支护方式,能够达到共同维护冲击地压巷道的稳定性,最大程度上避免了冲击地压灾害的发生,保证了安全生产。

参考文献:

[1]姜耀东.煤岩冲击失稳的机理和实验研究[M].北京:科学出版社,2009.

[2]姜耀东,潘一山,姜福兴,等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报,2014,39(2):205-213.

[3]吕进国,姜耀东,赵毅鑫,等.冲击地压层次化监测及其预警方法的研究与应用[J].煤炭学报,2013,38(07):1161-1167.

[4]康红普,吴拥政,何 杰,等.深部冲击地压巷道锚杆支护作用研究与实践[J].煤炭学报,2015,40(10):2225-2233.

[5]曾 晋,刘振江.煤矿冲击地压巷道支护-卸压协同控制技术[J].煤矿安全,2017,48(06):138-141

论文作者:郭建勋1,殷齐浩1

论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期

论文发表时间:2020/1/15

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