1、近直立特厚煤层中间层岩柱破裂致灾因 素及其治理研究 张新战 神华新疆能源有限责任公司 摘 要： 为研究乌东煤矿南区近直立特厚煤层工作面冲击地压围岩失稳致灾的过程, 采 用钻孔窥视探测围岩的裂隙发展, 利用数值模拟研究近直立特厚煤层分层开采 过程的破坏失稳过程, 基于微震监测获得围岩裂隙产生、扩展、破坏失稳过程产 生的微震事件, 进而揭示冲击地压围岩破坏失稳致灾过程。 关键词： 微震监测; 马丽散封孔技术; 近直立特厚煤层; 作者简介：张新战 (1972-) , 男, 新疆乌鲁木齐人, 神华新疆能源有限责任公 司安监局局长, 总经理助理, 工程师, 硕士, 研究方向:矿山灾害治理及企业管 理。
2、急倾斜复杂难采煤层安全开采技术依然是世界性难题。 急倾斜煤层属于复杂难采 煤层之一, 其探明储量约占世界同类煤层 30%, 新疆煤炭的预测储量 (18180亿 t) 约占我国总预测储量 (55600亿t) 的30%。 2013年至今, 近直立特厚煤层开 采过程频繁发生冲击地压, 对煤炭资源安全高效开采造成严重影响。 冲击地压是 很多学者研究的重要课题, 作为影响矿井安全生产的煤岩动力灾害之一, 已引 起了新疆各集团公司和地区安全监管部门的关注。 但由于近直立特厚煤层冲击地 压灾害发生较晚, 国内外煤层动力灾害防治主要针对水平、 近水平和缓倾斜煤层 开展研究, 对急倾斜厚煤层动力灾害理论的研究还
3、不深入, 学者更多关注在地 表及岩层移动、 采动应力等常规矿压显现规律, 对近直立特厚煤层冲击地压机理 及防治、近直立特厚煤层动力灾害发生机理、监测预警技术、综合防治技术的研 究还有待深入。 1 工程背景 1.1 矿井概况 乌东煤矿井田处于准南煤田东南段, 位于八道湾向斜南、 北两翼, 其中南区和西 区位于八道湾向斜南翼, 北区位于八道湾向斜北翼, 含煤地层为侏罗系中统西山窑组, 如图1所示。 井田面积约 19.94km, 地质资源量12.8亿t, 设计可采储 量6.61 亿t, 乌东煤矿南区为一单斜构造, 煤岩层走向自西向东N5860, 倾向西北, 倾角平均 87。井田含煤地层为西山窑组,
4、含煤32层, 编号B1B32, 现主采B1+2和B3+6组合煤层, 均具有弱冲击倾向性, 其中B1+2煤层平均厚度37.45m, B3+6煤层平均厚度48.87m, 属近直立特厚煤层。最大水平应力最大为 14.31MPa, 最小水平主应力最大为 8.05MPa, 以近南北方向水平应力为主, 最大水平主应 力方向与回采巷道轴线方向夹角大于 70。B1+2和B3+6煤层直接顶为粉砂岩及灰 质泥岩, 直接底为粉砂岩, 该煤层顶板岩石应属 II类, 具有弱冲击倾向性。 图1 乌东煤矿煤层赋存立面示意图 下载原图 1.2 冲击地压发生情况 2014年 3月24日5 点12分, 在B3+6煤层工作面 B3
5、巷道一起动力灾害事故, 冲 击造成B3巷11201150m区域底臌变形, 主要集中在B3巷南帮侧, 平均底臌量为 400mm;11201150m 区域内有5副U型钢支架受到不同程度的变形, 其中3副支 架钢箍崩断;冲击伴随巨大声响, 现场破坏情况如图 2所示。 图2 乌东煤矿“3.24”冲击显现现场情况 下载原图 2 近直立特厚煤层中间层岩柱致灾因素分析 2.1 近直立特厚煤层中间层岩柱失稳过程分析 监测采用武汉GD3Q-G型煤矿专用数字孔内电视, 该设备采用了一种特殊的反射 棱镜成像的CCD光学耦合器件将钻孔孔壁图像以360全方位连续显现出来, 利 用计算机来控制图像的采集和图像的处理, 实
6、现模-数之间的转换, 自动地对孔 壁图像进行采集、展开、拼接、记录并保存。 监测区域位于500水平 B3+6工作面超前150m 处岩柱。从图3 (a) 可以看出, 由 于该区域应力比较集中且矿压显现明显, 导致该区域岩柱内部出现了严重的破 坏, 破坏范围为 0.5m, 破坏深度为2.12.9m。图3 (c) (d) 中可以明显看到 岩柱产生了多条裂缝, 最大裂隙宽度达到2cm。在动压的影响下, 巷道围岩内的 应力平衡状态再次遭到破坏而产生局部应力集中, 在局部, 集中的应力作用下, 围岩沿着其各个区域内的弱结构面发生破坏并产生新生裂隙。 图3 B2B3 岩柱裂隙发育情况 下载原图 为了研究近直
7、立特厚煤层开采的采场围岩运移特征, 以乌东煤矿南区地质和开 采技术条件为依据, 建立3DEC 三维计算模型。模型的水平方向宽 400m, 竖直方 向高380m, 煤层倾角 87, 岩层成层性好, 与煤层近似平行, 基岩上覆一层水 平厚度约15m的表土层。岩体力学计算取值根据室内外岩石力学试验、实际监测 数据的分析和相关文献进行确定。 图4 近直立特厚煤层围岩破坏发展过程 下载原图 如图4 所示, 数值模拟结果表明, 围岩的破裂失稳是开采数分层的结果。 随着开 采深度的进一步加大, 岩柱的弯曲程度进一步加大, 部分顶板岩层已发生弯曲 断裂, BB岩柱的弯曲断裂将趋于严重, 当顶底板岩层发生大面积
8、断裂时, 容易 引起动力灾害。 2.2 近直立特厚煤层中间层岩柱致裂监测分析 微震是由地下开采活动诱发的, 其震动能量为 1010J;震动频率低, 大约 0150Hz;影响范围从几百米到几百千米, 甚至几千千米。 相比大地地震, 微震震 中浅, 强度低;震动频率高, 影响范围小;而与地音相比, 其为一种低频率、 高能 量的震动。矿井采用 ARAMIS M/E微震监测系统对矿井围岩破坏过程进行监测。 矿井围岩中共发生微震事件 1321次, 其中, B2B3岩柱发生微震事件 743次、B6 顶板产生微震事件 306次、B1底板产生微震事件 272次, B2B3岩柱中的微震事件 占围岩总微震事件的
9、56%。 B2B3岩柱处于两煤层中间, 同时受到两个工作面的采 动影响, 且两煤层上覆采空区充填不实使得 B2B3岩柱存在一定的自由度, 致使 B2B3岩柱活动相对剧烈, 微震事件发生较为频繁。 图5 矿井围岩微震事件分布图 下载原图 围岩破坏是开采一定程度、分层逐渐破坏的, 围岩破坏失稳从裂隙出现、扩展、 破坏失稳到最终稳定的过程, 岩体沿原生和新生破裂面产生滑移、错动、剪胀变 形, 并释放出大量的变形能。岩体破裂的萌生、发展、贯通等失稳过程, 并伴随 有弹性波或应力波在周围岩体快速释放和传播的动力现象。 围岩破坏失稳时伴随 高能量微震事件产生, 极易诱发冲击地压。 2.3 近直立特厚煤层围
10、岩失稳致灾分析 “3.24”冲击地压发生时, 微震监测系统监测到岩柱活动产生的事件, 通过定 位和能量计算, 该事件发生在中间岩柱, 走向距离B3+6工作面76m, 走向距离B1+2 工作面130m, 倾向距离 B3巷55m, 倾向距离 B2巷44m, 能量为210J, 如图6 所示。 图6“3.24”冲击事件定位结果 下载原图 微震监测表明, 岩柱在弯曲变形过程中积聚了大量弯曲变形能, 随着工作面的 开采, 岩柱中产生裂隙、 扩展过程主要释放低能量, 当岩柱破坏发展到一定程度 产生大的破裂甚至失稳过程, 则产生高能量微震事件, 从而释放岩柱所积聚的 能量造成工作面冲击地压致灾。 3 近直立特
11、厚煤层中间层岩柱防治措施及效果 3.1 中间层岩柱防治措施 为进一步降低中间层岩柱整体性, 防止岩柱中形成应力集中现象, 在岩柱中每 隔300m 布置1石门, 在石门中布置12个爆破硐室进行爆破预裂, 在每个硐室 中布置2排钻孔, 每排布置10个钻孔;在岩柱2侧沿岩柱倾向方向施工顶底板爆 破孔, 每隔 10m施工 1排顶底板爆破孔, 每排布置 2个钻孔。 爆破钻孔均采用人 工进行装药, 马丽散封孔技术进行封孔, 具体布置如图7所示。 图7 中间岩柱石门硐室爆破示意图 下载原图 3.2 中间层岩柱防治效果 针对岩柱采取爆破卸压措施前后进行 PASSAT (TM) 检测, 通过爆破前后应力分 布云
12、图可以得出: (1) 爆破后岩柱整体应力集中范围大幅降低, 卸压爆破效果 明显; (2) 岩柱爆破降低应力的同时, 也使岩柱应力部分发生转移。 图8 岩柱爆破前后 PASSAT探测结果 下载原图 4 结论 本文采用钻孔窥视、数据模拟、微震监测和现场冲击案例分析的方法, 研究了围 岩的裂隙扩展、 岩层断裂以及围岩破坏过程的微震事件, 进而揭示围岩破坏失稳 过程诱发冲击地压, 得到主要结论如下: (1) 钻孔窥视电视探测、数值模拟结果表明, 岩柱在超前工作面150m 范围, 岩 柱内部出现了严重的破坏, 破坏范围为0.5m, 破坏深度为2.12.9m, 岩柱产生 了多条裂缝, 最大裂隙宽度达到 2
13、cm。随着近直立特厚煤层分层数增多, 围岩的 破裂失稳。 岩柱的弯曲一定程度, 则导致岩层发生弯曲断裂, 随着开采深度增大, B2B3岩柱的弯曲断裂将趋于严重。 (2) ARAMIS M/E 微震监测到围岩破坏失稳从裂隙出现、扩展、破坏失稳到最终 稳定的过程产生大量微震事件, 统计表明岩柱的事件比重最大, 岩柱沿原生和 新生破裂面产生滑移、错动、剪胀变形, 并释放出大量的变形能。 (3) 中间岩柱在弯曲变形过程中积聚了大量弯曲变形能, 随着工作面的开采, 岩柱中产生裂隙、 扩展过程主要释放低能量, 当岩柱破坏发展到一定程度产生大 的破裂甚至失稳过程, 则产生高能量微震事件, 释放的能量造成了工
14、作面冲击 地压发生。 (4) 采取岩柱顶底板爆破联合石门硐室中间爆破, 可以有效降低岩柱中应力集 中程度, 但爆破的同时有少部分能量进行了不定向转移。 参考文献 1窦林名, 何学秋.冲击地压防治理论与技术M.徐州:中国矿业大学出版社, 2001. 2窦林名, 赵从国, 杨思光, 等.煤矿开采冲击矿压灾害防治M.徐州:中国矿 业大学出版社, 2006. 3蓝航.浅埋煤层冲击地压发生类型及防治对策J.煤炭科学技术, 2014, 42 (1) . 4蓝航, 齐庆新, 潘俊锋, 等.我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析J.煤 炭科学技术, 2011, 39 (1) . 5石平五, 高召宁.急斜特厚煤层开
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