顶板管理及冲击地压安全技术措施
第一节?顶板管理
为认真贯彻落实“安全第一,预防为主”的方针,进一步加强顶板管理工作,规范现场管理,提高工程质量和技术管理水平,杜绝顶板事故的发生,实现我矿安全生产形式持续稳定发展。根据《煤矿安全规程》的有关规定,结合我矿实际,特制定顶板管理专项措施如下:
一、顶板管理专项措施工作目标:消灭顶板伤亡事故;力争顶板事故为零。
二、顶板管理措施及要求:
1、严格执行有关文件精神,提高采掘工作面支护质量,规范现场管理,提高采掘安全可靠性。
2、加强采掘工作面生产技术管理。要继续作好采掘工作面优化设计,巷道维修必须有专门经过审批的针对性措施,巷修队伍必须经过专门培训后方可从事巷修工作。
3、严格执行敲帮问顶制度,采掘工作面必须按作业规程的规定及时支护,严禁空顶作业。
4、加强采掘工作面巷道管理,始终保持巷道完好。凡发现巷道出现顶部绞架不接顶、背设不实的一定要追究责任,并做出相应的处罚。
5、加强顶板事故多发地点和工序的日常管理工作。
6、采煤工作面上下端头、超前支护、工作面煤壁区、放顶区以及放顶、采煤等工序是工作面顶板事故多发区,要加强日常管理。
7、加强掘进工作面工程质量管理,确保掘进巷道的工程质量,正确使用前探梁、防倒棚装置,严防掘进工作面发生冒顶。
8、掘进工作面贯通、施工大断面峒室、过老巷、老空、过断层及大断面巷道扩刷等必须有专项措施,并坚持矿、队干跟班。
9、坚持推广应用先进的技术成果经验,科学管理顶板。
三、管理的一般措施
1、施工单位在施工前必须编制作业规程,并按规定进行审批。矿井生产科负责顶板管理的技术工作。
2、矿井技术负责人应每月组织召开一次矿井顶板管理工作分析会,总结经验,吸取教训,研究现状,并提出改善顶板管理的意见、方法、措施。
矿井要认真做好顶板岩性观测工作,根据观测资料及顶板岩性和压力显现情况,对所开采煤层的顶板进行分类。并结合顶板的具体条件,确定响应的支护形式及支护参数。
4、采煤工作面开采初次放顶、首尾回撤、过老空、过局部破碎带、过断层、过网边、过煤柱等区域时,必须制定安全措施。初次放顶和收尾工作,必须由生产矿长亲自组织,并责成有关人员现场指挥,生产矿长负责解决初次放顶和收尾期间必须的设备、材料,确保初放和收尾工作的顺利进行。
5、综采工作面开切眼扩面、支架安装、初次放顶(放煤)、工作面结束前的开采程序及支架回撤必须有针对性的技术组织措施。
6、应开展顶板来压和冲击地压的观测工作,根据观测情况编制专门设计和安全措施。矿井应有专人负责冲击地压预测预报和防治工作,认真执行《煤矿安全规程》关于开采有冲击地压危险煤层的规定。7、7、成立顶板鉴定小组,采掘工作面要认真执行“地质预测制”掘进工作面要认真执行“现场鉴定制”,巷修在布置工作任务时,要重点提出防止顶板事故的针对性措施。
四、掘进工作面顶板管理
1、掘进工作面开口前,必须由工程技术人员根据现场实际制定开口措施。作业前必须维护好开口位置10米范围内的支架,给好抬棚。抬棚的规格及穿梁的规格、数量要在作业规程中明确规定。
2、掘进工作面严禁空顶下作业。在爆破前必须加固靠近工作面10米范围内的支护,爆破中破坏的支架必须及时修复,必须检查帮顶,并由外向里逐架进行,爆破后严格执行敲帮问顶制度,必须采取前探支护后方可进入工作面作业。
3、在松软的煤、岩层或地质破碎带、断层、采迹等掘进巷道时必须采取前探支护或其它措施。
4、根据顶板岩性观测数据选择巷道支护材料,并制定爆破设计,支护材料的规格必须符合《煤矿安全规程》的要求。支架必须按设计要求架设牢固,支架间应设牢固的撑木或拉杆。支架与顶帮之间的空隙必须塞紧背实,巷道冒顶、空顶部分,必须用支护材料接顶。
5、掘进工作面临时停工时,巷道支架必须架设到迎头,保持正常通风,并随时对巷道支护变化情况进行检查。临时封闭时,必须对巷道支护进行加固。恢复开工时,必须严格执行开工检查制度,并根据支护变化情况采取相应的措施。
6、矿井工程技术人员在贯通前必须做好测量工作,两巷对头贯通相距20米时,其中一个掘进面必须停止作业,并严格执行打探眼制度,准确掌握预透距离及位置,同时对被贯通的支架进行加固。巷道贯通旧巷或老空时必须执行打探眼的制度,并重新制定安全措施。
7、掘进工作面遇断层、旧巷、松软破碎顶板等特殊情况时,在作业规程中必须有明确规定的爆破措施。岩石掘进在距煤层10米内要打探眼,并在作业规程中应有探眼设计,边探边掘,探到煤层时要采取加强支护措施。
更换巷道支护时,在拆除原支护前必须先备好临时支架,并加固相临近支架。拆除原有支架后,必须及时除掉顶帮活矸并架设永久支护。在倾斜巷道中,必须有防止矸石,物料滚落和支架歪倒的安全措施。?9、9、采用锚杆、锚喷、锚网等支护形式时必须严格执行《煤矿安全规程》第四十四条规定。
五、井巷维修的顶板管理
1、矿井在进行巷道维修前必须指定施工安全措施,井筒维修的安全措施必须履行审批手续。
2、在拆除原支架(打上临时支护,给好撑木、拉杆等),拆除和架设前必须护好帮顶,防止帮顶漏渣,翻一架给一架,严禁大翻大挑。在一架棚未完成之前不得终止作业。撤换支架的工作要连续进行,如不能连续施工,每次工作结束时必须背实帮顶。
3、扩大断面和维修井巷时,必须保证有在发生冒顶堵塞井巷时能撤出人员的安全出口。在独头巷道维修时,必须由外向里逐架进行,严禁维修人员进入维修地点里侧;倾斜巷道维修要由上向下进行;巷道对头维修时两处都必须有安全出口,距离小于20米时停止一处作业。发生冒顶时必须木垛接顶。
4、生产采区的巷道有连续3架失效支架或有冒顶危险时,必须立即处理,否则应停止生产。
5、独头井巷维修和掘进工作面的后路,必须加强维护。如出现断梁折柱、歪斜、弯曲、片帮、帮顶杆脱落、低矮等情况,必须停止作业,防止发生顶板冒落伤人、堵人事故。
六、掘进迎头临时支护
1、掘进工作面施工时不得空顶作业,永久支护前必须有临时支护。临时支护必须具有足够的强度、对顶板有足够的控制力、对现场条件有较好的适应性。
2、掘进作业规程或施工安全技术措施要对使用的临时支护的方式、操作程序、技术要求等进行规定。
3、采用的临时支护方式要由矿生产技术部认可。
4、掘进工作面的循环进尺必须依据现场条件在作业规程中明确规定,永久支护离迎头的距离不得超过一个循环的进尺。地质条件变化时,应及时补充措施并调整循环进尺的大小。
5、巷道顶部锚杆施工时应由外向里逐个逐排进行,不得在所有的锚杆眼施工完后再安装锚杆。
6、采用架棚支护时,应对巷道迎头至少10m的架棚进行整体加固。加固装置必须是刚性材料,并能适应棚距的变化。
七、巷道交岔点支护
1、巷道交岔点的位置尽量选在岩性好、地质条件稳定的地点。巷道交岔点要有专门的设计,对支护方式、支护材料、巷道断面等进行规定。
2、巷道交岔点施工前,要由生产技术部门组织现场会审,根据现场实际情况,编制施工安全技术措施,绘制施工放大图,并向职工传达贯彻。施工结束后,生产技术部门必须组织有关部门按设计要求进行竣工验收,验收合格后,方可正常掘进。
3、采用锚杆(锚索)对巷道交岔点支护时,要进行顶板离层监测,并在安全技术措施中对支护的技术参数、监测点的布置及监测方法等进行规定。监测中发现支护问题及时采取措施进行处理。
4、架棚巷道的交岔点采用抬棚支护时,要进行抬棚设计,根据设计对抬棚材料专门加工,抬棚梁和插梁要焊接紧密,抬棚架设后的巷道断面不得小于原巷道断面,并满足运输、行人、通风等所需的安全距离。
八、生产采区顶板管理
(一)采煤工作面上下顺槽、上下两口的管理
1、采煤工作面上下顺槽,必须保证规定的断面和高度,凡有折梁断腿及空帮空顶处必须及时处理,距工作面20米范围内必须有加强支护。
2、经常检查采煤工作面上下两口的支护情况,支护方式、支护密度必须符合作业规程的规定,运输机机头部位必须采取加强支护措施;作业的方式方法必须在作业规程中明确规定,综采工作面两端应使用端头支架或增设其他形式的支护,要指定移设运输机头的措施,并指派有经验的工人作业。
(二)采煤工作面必须保证一定数量的备用支护材料,其数量、规格、存放地点和管理方法,必须在作业规程中明确规定。开工前班组长必须对工作面进行全面的检查,确认无危险后方可开工。严禁使用折损的坑木,损坏的金属顶梁,失效的摩擦支柱和失效的单体液压支柱,在入井前必须逐根进行压力实验;在工作面回采结束后或使用时间超过8个月必须进行检修,检修后的支柱必须进行压力实验,方可投入使用。采煤工作面严禁空顶作业。所有支架必须架设牢固,并有防倒柱措施,严禁在浮煤或浮矸上架设支架。工作面的排柱距要在作业规程中明确规定,使用木支护工作面的坑木规格要在作业工程中明确规定,碰倒或损坏的支柱必须立即恢复或更换;综采工作面必须有可靠的防止顶端顶煤冒落和煤壁片帮的措施,移动运输机头、机尾需要拆除支架时必须先架好临时支架。使用摩擦金属支架时,必须使用液压升柱器,初撑力不得小于50kn;单体液压支柱的初撑力,柱径100mm的不得小于90kn;柱径80mm的不得小于60kn。工作面发生冒顶或超高时,不得给高棚,必须用木垛接顶,严禁空顶。采用金属网方法及要求、连网扣距及顶网破碎冒落漏矸处理方法,都要在作业规程中明确规定。翻打支柱,必须先打后撤,给棚支柱或移综采支架时必须成一直线,支柱、支架必须牢固接顶,木支护工作面要大楔子,顶板破碎是必须加强支护,刹好顶。如煤层底板松软,支柱钻底时必须采取措施,并在作业规程中说明。工作面形成后,开切眼巷道内支架必须完成并打好中心支柱,否则不得开采。工作面遇到断层、旧巷、顶板破碎、冒落等情况时,必须采取措施指派专人提前处理。综放及单一长壁放顶煤工作面,遇到顶板(煤)来压、来水、来杂物、来矸石等情况时不准放顶煤,要查明原因,补充修改放顶煤措施。机采工作面应根据工作面长度及顶板情况在作业规程中明确,割顶煤时顶梁要随割随伸前探梁。支设煤壁支柱的距离和回撤煤壁支柱的距离应在作业规程中明确规定。采用综合机械化采煤时必须严格遵守《煤矿安全规程》第六十六条和第六十七条的规定。采煤工作面必须及时回柱放顶,放顶时要保持支架完整。壁式放顶煤工作面根据采放高度在作业规程中明确放煤方法及放煤量,空区内的充填物不准低于工作面顶板,应对放煤量予以控制,放煤口要及时连好以防漏货造成空顶;用垮落法控制顶板时,作业规程中要明确规定回柱放顶的方法和安全措施。顶板悬顶距离超过作业规程规定时,必须停止采煤,采取人工强制放顶措施。采煤工作面因片帮造成最大控顶距超过规定距离时要采取安全措施;
(三)切眼支护与初次放顶
工作面切眼要有设计,施工前编制作业规程或施工措施,对切眼的断面、支护方式、支护参数、切眼安装程序及顶板监测方法等进行规定。
切眼掘进采用锚杆或架棚支护时,必须对顶板的活动情况进行监测、分析,顶板活动异常的必须采取有效措施后方可进行切眼安装、刷大或初放。架棚支护的切眼替料前或工作面切眼刷大前要组织由切眼施工单位、安装单位、扩切眼单位和有关部门参加的现场会审,然后编制施工措施,由相关单位集体审查后方可贯彻执行。回采工作面初放要制定初放措施并成立以生产矿长为组长的初次放顶领导小组。初次放顶前,初次放顶领导小组组长要组织有关人员进行现场会审,在确认现场条件符合放顶要求时方可按措施要求进行初次放顶。初放期间要有安全、生产管理部门的人员现场把关,并有初放记录。初放结束要由初放领导小组认定。单体液压支柱支护的工作面采高超过2.4m或工作面采高大于1.6m、倾角大于15°时,必须在老塘侧架设一趟首尾相接的倾斜架棚,架棚梁使用木料时,应为小头直径不小于20cm的半园木;面内支柱必须有防倒设施。综采放顶煤工作面初放期间的放煤次序、放煤量及对支架工作阻力的要求要在作业规程中明确规定。工作面遇地质变化带、老峒或顶板悬顶过大等特殊情况要补充加强顶板管理的安全技术措施。
第二节冲击地压安全技术措施
根据发生冲击地压的成因和机理,防治冲击地压的措施的基本原理有两方面:一是降低应力的集中程度;二是改变煤岩体的物理力学性能,以减弱积聚弹性能的能力和释放速率。
(一)降低应力的集中
减弱煤层区域内的矿山压力值的方法有:
1、超前开采保护层;
2、无煤柱开采,在采区内不留煤柱和煤体突出部分,禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采;
3、合理安排开采顺序,避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在采煤工作面前方掘进巷道,必要时应在岩石或安全层内掘进巷道,禁止工作面对采和追采。
(二)采用合理的开拓布置和开采方式
实践表明,合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加,防止冲击地压关系极大。大量实例证明,多数冲击地压是由于开采技术不合理而造成的。不正确的开拓开采方式一经形成就难于改变,临到煤层开采时,只能采取局部措施,而且耗费很大,效果有限。所以,合理的开拓布置和开采方式是防治冲击地压的根本性措施。其主要原则是:
1、开采煤层群时,开拓布置应有利于保护层开采。首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层作为保护层,且优先开采上保护层。例如抚顺、辽源等煤矿,属厚煤层上行水砂充填法开采。作为保护层的第一分层开采都尽量布置在冲击危险性小的煤层中进行。西安矿为了发挥上保护层的作用改变自下而上的分层开采顺序,首先开采顶分层作为保护层,采完顶分层后再反过来自下而上开采其他各分层,甚至改用下行金属网分层假顶全部垮落法开采。
2、划分井田或采区时,应保证合理的开采顺序,最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。因为煤柱承受的压力很高,特别是岛形或半岛形煤柱,要承受几个方面的叠加应力,最易产生冲击地压。上层遗留的煤柱还会向下传递集中压力,导致下部煤层开采时也易发生冲击地压。统计资料表明:陶庄煤矿回收煤柱时发生的冲击地压占全矿冲击次数的29.8%;唐山煤矿、城子煤矿约占50%。龙风煤矿实际资料抽样分析表明,两侧为采空区的工作面在回采过程中,冲击地压发生次数显著增多。
3、采区或盘区的采煤工作面应朝一个方向推进,避免相向开采,以免应力叠加。因为相向采煤时上山煤柱逐渐减小,支承压力逐渐增大,很容易引起冲击地压。例如陶庄煤矿272水采区五号上山西翼开采时,在上山附近发生了17次冲击地压。而且相向采煤又要被迫在高压力区中掘进开切眼,造成冲击地压频繁发生(占总次数的60%)。为了改变这种状况,提出实行单翼采区跨上山采煤的办法。并把单区段独立回采的开采程序改为多区段联合开采程序,使回采与掘进工作在不同区段中交替进行,能够实现沿采空区边缘(低应力区)掘进开切眼,避免了往高应力区掘进和维护回采开切眼的弊端。
4、在地质构造等特殊部位,应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。在向斜和背斜构造区,应从轴部开始回采;在构造盆地应从盆底开始回采;在有断层和采空区的条件下应从断层或采空区附近开始回采的开采程序。龙风煤矿的统计资料表明,采掘工作面接近断层或向斜铀部附近时,冲击地压频度增加强度加大。随机抽样50例,其中与断层有关的36例,占72%,其中有62%的冲击地压发生在工作面接近断层时,只有10%发生在离开断层以后,而且34%的冲击地压发生在工作面接近断层5m~20m的范围内。
5、有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中,以利于维护和减小冲击危险。回采巷道应尽可能避开支承压力峰值范围,采用宽巷掘进,少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。对于水采区的回采开切眼应躲开高应力集中区,选在采空区附近的压力降低区为好。例如,唐山煤矿十一水平5287(北)区发生的32次冲击地压,有12次发生在回采前的巷道维修过程中,3次发生在高应力区新掘巷道时,7次发生在受采动影响的巷道。砚石台煤矿冲击地压大多数发生在支承压力影响区的掘进工作面,其中双巷平行掘进时发生的次数最多,占46.2%。城子煤矿回收八层-250m水平西护巷煤柱的前后两次经验教训值得借鉴:1971年回收时按常规布置方法,造成严重的冲击地压伤亡事故,被迫停采封闭;时隔近20年后再进行回收时,采用底板集中大巷、分区小石门进入煤层,以及避开应力峰值送巷、宽巷掘进等开采方式,仅历时11个月就安全回收该煤柱,取得了较好的经济效益和社会效益。
6、开采有冲击危险的煤层,应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采方法。回采线尽量是直线且有规律地按正确的开采速度推进。经统计,1992年以前,全国发生冲击地压的50余对矿井中,有水采、综采、分层开采、正规和非正规开采方法等多种情况。分析表明,不同的采煤方法,其矿山压力的分布也不相同。
房柱式等柱式采煤法,由于掘进的巷道多和在采空区遗留的煤柱多、顶板不能及时充分地垮落,造成支承压力较高。在工作面前方掘进巷道势必受到叠加压力的影响,增加了危险性。
水力采煤法虽然系统简单、高效,但遗留的煤垛在采空区形成支撑,顶板不能及时、规则地垮落,又要经常在支承压力带开掘水道和枪眼,加之推进速度快,开采强度大,易造成大面积悬顶的危害,导致发生冲击地压。所以,水采矿井要改进开采设计。
采用长壁式开采方法,有利于减缓冲击地压的危害。
倒台阶采煤法由于工作面不成一直线,在台阶部位形成高应力集中,则易导致发生冲击地压。
砚石台煤矿在采用走向长壁式采煤法时,没有发生过冲击地压,仅出现过煤炮声;而改用倒台阶工作面回采时,经常发生冲击地压,且大多数发生在台阶上隅角,约占回采时冲击地压总次数的90%,不仅次数多,而且强度也大,平均每次冲出煤炭130t以上。
7、顶板管理尽量采用全部垮落法,工作面支架应采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。统计表明:采用非正规采煤法的采区冲击地压次数多、强度大;水力充填次之;全部垮落法次数少且强度弱。我国发生冲击地压的煤层其顶板大多又厚又硬,不易垮落。采用注水、爆破等方法,使顶板弱化或垮落,能够减缓冲击地压。在有冲击地压的矿井中,有6个采用水砂充填方法管理顶板,并不能避免冲击地压的发生。例如抚顺煤矿特厚煤层的顶板,虽为较软的厚层油母页岩,采用水砂充填上行分层开采,但第一分层开采时,冲击地压仍较严重。除煤层性质外,厚层油母页岩老顶的整体弯曲下沉是造成煤层边缘的高应力集中的重要因素。根据抚顺、阜新等煤矿冲击地压危害情况,伤亡事故主要由于冲击震动推倒或折断支架,造成片帮和冒顶伤人。所以冲击危险工作面必须采取特殊的支护形式,加强支护,提高支架的整体性和稳定性。
(三)冲击地压的解危措施
在煤层开采中,生产地质条件极为复杂。往往由于人们对冲击地压发生条件不能完全掌握,造成开拓布置和开采方式不合理,没有预先采取防范措施或防范措施不完善,不可避免地形成局部煤层地段的高应力集中和冲击地压危险。因此,在煤层开采过程中必须对这些地段进行及时处理,以保证安全生产。这种对已形成冲击危险或具有潜在冲击危险地段的处理措施称为解危措施。它属于暂时的局部性措施,包括煤层爆破卸压、钻孔卸压和诱发爆破等。
按照冲击地压发生的强度条件和能量条件,工作面附近煤层被顶底板紧紧地夹持着,承受极高的载荷,虽并未破碎,却积聚大量的变形能。这时煤体和围岩形成的三轴压缩应力与矿山压力处于临界平衡状态。采取的各种卸压解危措施,正是为了减缓这种临界状态,把夹持状态下煤层的侧向约束解除掉,使已形成的局部高压力分散转移到较广区域。由于卸压措施造成煤体局部破裂,降低了强度,应力重新分布,从而释放或降低了煤岩体中的弹性能,使工作面前方一定范围内成为安全区。
1、爆破卸压
爆破卸压是指对形成冲击危险的煤体,用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。实施爆破卸压应采取深孔爆破方法,孔深应达到支承压力峰值区。装药位置越靠近峰值区,炸药威力越大,爆破解除煤层应力的效果越好。该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。
爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件,即在有冲击地压危险的工作面卸压和在近煤壁一定宽度的条带内破坏煤的结构(但不落煤),使它不能积聚弹性能或达不到威胁安全的程度。这样在工作面前方形成一条卸压保护带,隔绝了工作空间处于煤层深处的高应力区。显然,从防治冲击地压的角度看,应用尽量多的炸药爆破出尽量宽的保护带,但实际上要达到这个目的,目前技术条件还不够。不过根据多年的观测实践证明,如果能保证在工作面前方和巷道两帮始终保持一个宽5m~10m的保护带,就能防止冲击地压的危害。
可以采用爆破断顶的方法进行爆破卸压,即在待采煤层隔离煤柱一侧的老采空区内,对采空区顶板内造成宽约6m、深约6m~8m的断沟,用以削弱采空区与待采区之间的顶板连续性、减小待采煤层开采时的应力集中,以消除冲击地压危害。
爆破参数和施工工艺应按《冲击地压煤层安全开采暂行规定》确定。爆破断顶措施在门头沟煤矿的实际使用(见图2)中取得了一定的成效。在-230m水平二槽煤东区,有计划地共断顶五个已采区,总长约230m。断顶前在该区曾发生过两次冲击地压,断顶后则未曾发生。在断顶前后进行的围岩变形观测和地音监测表明,断顶后围岩变形和地音指标均大幅度降低,证实了断顶效果。
爆破卸压属于内部爆破,主要物理作用是使煤层产生大量裂隙。试验表明,爆破使炮孔周围形成破碎区和裂隙区,破碎区远小于裂隙区。径向裂隙穿过切向裂隙,说明径向裂隙扩展在前,切向裂隙形成在后。炸药爆炸后,冲击波首先使煤体破裂。继之爆破产生气体进一步使煤体破裂,在气体压力作用下,煤体沿径向移动,形成切向拉应力,产生径向拉破裂。随着裂隙的扩展,气体通过裂隙扩散到煤体中,与煤体产生热交换。同时,气体的体积增大,而温度和压力下降。当裂隙前端的应力强度因子小于断裂韧性时,裂隙停止扩展。当压力小于临界值时,因原先受压贮存于煤体中的弹性能释放,使煤体向炮孔中心移动,在煤体中产生径向拉伸作用,导致切向破裂。但径向裂隙的扩展远大于切向裂隙。造成煤层性质变化的主要因素是径向裂隙。
根据弹塑性理论,把采煤工作面简化为平面应变的力学模型。以龙风煤矿采煤工作面为例的计算结果表明,爆破卸压使煤壁前方的支承压力重新分布,应力梯度变小,峰值压力移往煤体深部7m以远屈服区,比爆破前增大近一倍,能量密度明显减小。
综上所述,爆破卸压在煤体中产生大量裂隙,使煤体的力学性质发生变化,弹性模量减小,强度降低,弹性能减少,破坏了冲击地压发生的强度条件和能量条件。由于煤体内裂隙的长度和密度增加,按照失稳理论,还具有致稳作用和止裂作用,防止了冲击地压发生。
实施爆破卸压前必须先进行钻屑法检测,确认有冲击危险时才进行爆破卸压,爆破以后还要用钻屑法检查卸压效果。如果在实施范围内仍有高应力存在,则应进行第二次爆破,直至解除冲击危险为止。
为了安全生产,通过爆破卸压在工作面前方和巷道两帮形成一个有足够宽度(大于3倍采高)的卸压保护带。所以,对巷道两帮,爆破卸压的深度应等于保护带宽度;对采煤工作面,爆破卸压的深度应等于保护带宽度加上工作面进度。
爆破孔的孔深取决于卸压深度。由于孔深药量多,为保证殉爆可用导爆索连接加强引爆,使药卷能装到孔底,可先把药卷装在软管里或用非金属材料绑扎后进行装药。爆破孔布置方式应根据具体条件确定。通常用煤电钻打眼,孔径50mm~55mm,孔间距4m~10m,每孔装药量按不超过孔深一半计算,一般为1.5k8~3.5kg。钻孔不装药部分必须填满水炮泥或黏土炮泥。躲炮距离100m~150m,躲炮时间30min~40min。
门头沟煤矿、龙凤煤矿、天池煤矿等都成功地使用爆破卸压方法,取得良好的效果。
天池煤矿的爆破卸压参数为:孔深4m~8m,孔间距3m~6m,孔径50mm~55mm(用φ42mm钻头),每孔装药量1.0kg~3.5kg,瞬发雷管引爆(6m以上深孔装两发雷管),炮泥封孔。
龙风煤矿进行爆破卸压时,用普通煤电钻打眼,φ42mm钻头。按垂直煤壁方式布孔。钻孔倾向与工作面顶板线一致。孔深4m~6m,孔间距3m~5m。每孔装药量1.0kg~1.4kg,黄泥封孔,填满填实。瞬发雷管起爆,在孔底药卷中加一段煤矿安全型导爆索,每次起爆二孔(也可多孔起爆)。
城子煤矿的-250m水平八层西大巷煤柱,由于采取爆破卸压等措施得当,安全回收全部煤柱,没有发生冲击地压事故。该煤柱在1971年曾回收过,由于冲击地压严重,并造成人员伤亡事故而被迫停采封闭。时隔近20年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱,再进行回收存在着冲击地压和垮顶的严重威胁,在回收过程中严格执行每循环都进行超前爆破卸压的措施。开切眼掘进时就开始进行超前爆破卸压,孔数3个~4个,孔深4m~5m。采煤工作面沿倾向方向每5m布置一个爆破卸压孔,孔深为循环进度的3倍。每孔装药量3个~5个药卷(0.5kg~1.0kg)。卸压炮眼与工作面落煤炮眼同时起爆,取得较好效果。
2、诱发爆破
诱发爆破是在监测到有冲击危险的情况下,利用较多药量进行爆破,人为地诱发冲击地压,使冲击地压发生在一定的时间和地点,从而避免更大损害的一种解危措施。
实行诱发爆破必须慎重行事。作为辅助手段,诱发爆破只有在存在严重冲击危险的情况下,其他方法无效或无法实施时才应用。实施地点多用于煤柱回收时,与钻屑法检测孔配合互用。孔距2m~5m,孔深按冲击危险区范围确定。可平行走向或倾斜布置,也可混合布置。一般采用深孔爆破法,钻大量较长的钻孔直达高应力带。采用大药量、集中装药和同时引爆的方法,以便使煤岩体强烈震动,诱发冲击地压,或造成煤体强烈卸压、释放能量,把高应力带移向煤体深部。集中爆破的药量越多,诱发冲击地压的可能性越大。因为这样在煤体中造成的动应力就大,动应力叠加在原来存于煤体中的静应力上的总和越大,超过临界应力值机会就愈多,就会诱发冲击地压。
实施诱发爆破应按《煤矿安全规程》的有关规定施工。实施前必须采用钻屑法确定冲击危险地点,加固支架,掩护或撤出机械设备及电缆工具等。爆破时必须设专人警戒所有通往爆破地点的通道。躲炮半径不得小于150m,躲炮时间30min以上。
天池煤矿、门头沟煤矿等都应用过诱发爆破。天池煤矿在采掘过程中,特别是回收煤柱时,始终坚持以爆破卸压为主,诱发爆破为辅的措施。诱发爆破参数视具体情况而定。一般孔径为50mm~60mm,孔深6m~8m以上,每孔装药量2kg~3kg以上,孔间距2m~3m。炮泥封孔,填满填实。瞬发雷管,同时引爆。门头沟煤矿1980年开始试验应用诱发爆破,其钻孔布置方式在正规煤柱支撑法工作面为平行煤层走向或倾向布置,孔深为煤柱宽度的3/4。在非正规工作面如残柱式回采,视煤柱尺寸进行布置,但孔深均不超过煤柱宽度的3/4。诱发爆破后要及时回采,不要停留过长时间(不超过一个月),以防能量重新积聚,产生新的冲击危险。
诱发爆破应作为爆破卸压的辅助手段,用于特殊情况下。其效果是有限的,不能保证按时诱发,有时一小时后才发生冲击地压。而且大药量同时引爆,必然造成一定程度的破坏作用。所以要慎重行事,有限度地使用。
3、改变煤层的物理力学性能改变煤层的物理力学性能主要有:高压注水、放松动炮和钻孔槽卸压等方法。
(1)高压注水是通过注水,人为地在煤岩内部造成一系列的弱面,并使其软化,以降低煤的强度和增加塑性变形量。注水后,煤的湿度平均增加1.0%~2.2%时,可使其单向受压的塑性变形量增加13.3%~14.5%。
(2)放松动炮,是通过放炮人为地释放煤体内部集中应力区积聚的能量。在采煤工作面中使用时,一般是在工作面沿走向打4m~6m深的炮眼,进行松动爆破。它的作用是可以诱发冲击地压和在煤壁前方经常保持一个破碎保护带,使最大支撑压力转入煤体深处,随后即便发生冲击地压,对采煤工作面的成胁也大为降低。
(3)钻孔槽卸压是用大直径钻孔或切割沟槽使煤体松动,以达到卸压效果。卸载钻孔的深度一般应穿过应力增高带,在掘进石门揭开有冲击危险的煤层时,应距煤层5m~8m处停止掘进,使钻孔穿透煤层,进行卸压。
此外,还可依靠选择最佳采煤方法、回采设备、开采参数和工作制度等方法,局部降低煤层边缘的冲击危险程度。例如,当开采有冲击危险的单一煤层时,应采用直线式长壁工作面的前进式采煤方法,并在巷道侧不留煤柱。对有冲击危险的厚煤层,应采用倾斜分层长壁式采煤方法。上分层的开采厚度应当最小。
开采有冲击危险的煤层时,无论是在采煤工作面还是在掘进工作面中,都应采用支撑力大的可缩性金属支架。
综上所述可以认为,在现有技术水平下对冲击地压认真地进行测定和预报工作,并针对具体情况采取有效的防治措施,完全可以消除或大大减少冲击地压事故。
四、开采有冲击地压煤层时应注意的问题
1、开采有冲击地压煤层的矿务局(公司)、煤矿都应有专人负责防治冲击地压的工作。应装备微震、地音监测等装备,进行冲击地压预测预报工作。
2、开采有冲击地压的煤层,必须编制设计,报矿务局(公司)、矿总工程师批准。有冲击地压的煤层中,掘进工作面临近大型地质构造、采空区和通过其他集中应力区以及回收煤柱时,必须制订措施,报矿总工程师批准。
3、开采有冲击地压危险煤层的工作人员,都必须接受有关防治冲击地压基本知识的教育,熟悉冲击地压发生的原因、条件和征兆以及应急措施。防治冲击地压的措施中,必须规定发生冲击地压时的撤人路线。每次发生冲击地压后,必须组织人员到现场进行调查,记录好发生前的征兆、发生经过、有关数据及其破坏情况,并制订恢复工作的防治措施,报矿务局(公司)、矿总工程师批准。
4、有严重冲击地压煤层在开拓时,应在岩层或无冲击地压的煤层中掘进集中巷道。开采时,在采空区不得留有煤柱。如果在采空区留有煤柱,必须将煤柱的位置尺寸以及影响范围标在采掘工程图上。永久硐室不得布置在有冲击地压的煤层中。
5、开采煤层群时,首先开采无冲击地压或弱冲击地压煤层作为保护层,开采保护层后,在被保护层中确实受到保护的地区,可按无冲击地压煤层进行采掘工作。在未受保护的地区,必须采取放顶卸压、煤层注水、打卸压钻孔、超前爆破松动煤体或其他防治措施。
开采有严重冲击地压的单一煤层和无保护层可采的煤层时,必须采取规定的防治冲击地压的措施。
6、保护层有效范围的划定方法和保护层回采的超前距离,应根据对矿井实际考察的结果确定。
7、开采有冲击地压煤层时,冲击危险程度和采取措施后的实际效果,都可采用钻屑法、地音法、微震法或其他方法确定。对有冲击地压危险的煤层,可根据预测预报等实际考察资料和积累的数据。划分煤层的冲击地压危险程度等级,以便按其等级制定冲击地压的综合防治措施。
8、对有冲击地压的煤层,应根据顶板岩性掘进宽巷或沿采空区边缘掘进巷道,巷道支护应采用可缩性支架,严禁采用混凝土、金属等刚性支架。
9、有严重冲击地压的厚煤层中,所有巷道都应布置在应力集中圈外。煤巷双巷掘进时,2条平行巷道之间的煤柱不得小于8m,联络巷道应与2条平行巷道成直角。
10、开采有冲击地压的煤层,应用垮落法控制顶板,并提高切顶支架的工作阻力,采空区中所有支柱必须回净。
11、有冲击地压的煤层中,在1个或相邻的2个采区中,同一煤层的同一分阶段,在应力集中的影响范围内,不得布置2个工作面同时相向或向背回采。如果2个工作面相向掘进,在相距30m时,必须停止其中一个掘进工作面,以免引起严重冲击危险;停产3d以上的采煤工作面,恢复生产的前一班,应鉴定冲击地压危险程度,以便采取安全措施。
12、严重冲击地压的煤层中,采掘工作面的爆破撤人距离和爆破后进人工作面的时间,必须在作业规程中明确规定。
13、三面或四面被采空区所包围的地区和构造应力区、进行回采和回收煤柱时,必须制订防治冲击地压的安全措施,报矿总工程师批准。
篇2:顶板管理及冲击地压安全技术措施
第一节?顶板管理
为认真贯彻落实“安全第一,预防为主”的方针,进一步加强顶板管理工作,规范现场管理,提高工程质量和技术管理水平,杜绝顶板事故的发生,实现我矿安全生产形式持续稳定发展。根据《煤矿安全规程》的有关规定,结合我矿实际,特制定顶板管理专项措施如下:?
一、顶板管理专项措施工作目标:消灭顶板伤亡事故;力争顶板事故为零。
二、顶板管理措施及要求:
1、严格执行有关文件精神,提高采掘工作面支护质量,规范现场管理,提高采掘安全可靠性。
2、加强采掘工作面生产技术管理。要继续作好采掘工作面优化设计,巷道维修必须有专门经过审批的针对性措施,巷修队伍必须经过专门培训后方可从事巷修工作。
3、严格执行敲帮问顶制度,采掘工作面必须按作业规程的规定及时支护,严禁空顶作业。
4、加强采掘工作面巷道管理,始终保持巷道完好。凡发现巷道出现顶部绞架不接顶、背设不实的一定要追究责任,并做出相应的处罚。
5、加强顶板事故多发地点和工序的日常管理工作。
6、采煤工作面上下端头、超前支护、工作面煤壁区、放顶区以及放顶、采煤等工序是工作面顶板事故多发区,要加强日常管理。
7、加强掘进工作面工程质量管理,确保掘进巷道的工程质量,正确使用前探梁、防倒棚装置,严防掘进工作面发生冒顶。
8、掘进工作面贯通、施工大断面峒室、过老巷、老空、过断层及大断面巷道扩刷等必须有专项措施,并坚持矿、队干跟班。
9、坚持推广应用先进的技术成果经验,科学管理顶板。
三、管理的一般措施
1、施工单位在施工前必须编制作业规程,并按规定进行审批。矿井生产科负责顶板管理的技术工作。?
?2、矿井技术负责人应每月组织召开一次矿井顶板管理工作分析会,总结经验,吸取教训,研究现状,并提出改善顶板管理的意见、方法、措施。
矿井要认真做好顶板岩性观测工作,根据观测资料及顶板岩性和压力显现情况,对所开采煤层的顶板进行分类。并结合顶板的具体条件,确定响应的支护形式及支护参数。
4、采煤工作面开采初次放顶、首尾回撤、过老空、过局部破碎带、过断层、过网边、过煤柱等区域时,必须制定安全措施。初次放顶和收尾工作,必须由生产矿长亲自组织,并责成有关人员现场指挥,生产矿长负责解决初次放顶和收尾期间必须的设备、材料,确保初放和收尾工作的顺利进行。
5、综采工作面开切眼扩面、支架安装、初次放顶(放煤)、工作面结束前的开采程序及支架回撤必须有针对性的技术组织措施。?
6、应开展顶板来压和冲击地压的观测工作,根据观测情况编制专门设计和安全措施。矿井应有专人负责冲击地压预测预报和防治工作,认真执行《煤矿安全规程》关于开采有冲击地压危险煤层的规定。7、7、成立顶板鉴定小组,采掘工作面要认真执行“地质预测制”掘进工作面要认真执行“现场鉴定制”,巷修在布置工作任务时,要重点提出防止顶板事故的针对性措施。?
四、掘进工作面顶板管理
1、掘进工作面开口前,必须由工程技术人员根据现场实际制定开口措施。作业前必须维护好开口位置10米范围内的支架,给好抬棚。抬棚的规格及穿梁的规格、数量要在作业规程中明确规定。
2、掘进工作面严禁空顶下作业。在爆破前必须加固靠近工作面10米范围内的支护,爆破中破坏的支架必须及时修复,必须检查帮顶,并由外向里逐架进行,爆破后严格执行敲帮问顶制度,必须采取前探支护后方可进入工作面作业。
3、在松软的煤、岩层或地质破碎带、断层、采迹等掘进巷道时必须采取前探支护或其它措施。
4、根据顶板岩性观测数据选择巷道支护材料,并制定爆破设计,支护材料的规格必须符合《煤矿安全规程》的要求。支架必须按设计要求架设牢固,支架间应设牢固的撑木或拉杆。支架与顶帮之间的空隙必须塞紧背实,巷道冒顶、空顶部分,必须用支护材料接顶。
5、掘进工作面临时停工时,巷道支架必须架设到迎头,保持正常通风,并随时对巷道支护变化情况进行检查。临时封闭时,必须对巷道支护进行加固。恢复开工时,必须严格执行开工检查制度,并根据支护变化情况采取相应的措施。
6、矿井工程技术人员在贯通前必须做好测量工作,两巷对头贯通相距20米时,其中一个掘进面必须停止作业,并严格执行打探眼制度,准确掌握预透距离及位置,同时对被贯通的支架进行加固。巷道贯通旧巷或老空时必须执行打探眼的制度,并重新制定安全措施。?
?7、掘进工作面遇断层、旧巷、松软破碎顶板等特殊情况时,在作业规程中必须有明确规定的爆破措施。岩石掘进在距煤层10米内要打探眼,并在作业规程中应有探眼设计,边探边掘,探到煤层时要采取加强支护措施。
更换巷道支护时,在拆除原支护前必须先备好临时支架,并加固相临近支架。拆除原有支架后,必须及时除掉顶帮活矸并架设永久支护。在倾斜巷道中,必须有防止矸石,物料滚落和支架歪倒的安全措施。?9、9、采用锚杆、锚喷、锚网等支护形式时必须严格执行《煤矿安全规程》第四十四条规定。?
五、井巷维修的顶板管理?
1、矿井在进行巷道维修前必须指定施工安全措施,井筒维修的安全措施必须履行审批手续。?
2、在拆除原支架(打上临时支护,给好撑木、拉杆等),拆除和架设前必须护好帮顶,防止帮顶漏渣,翻一架给一架,严禁大翻大挑。在一架棚未完成之前不得终止作业。撤换支架的工作要连续进行,如不能连续施工,每次工作结束时必须背实帮顶。?
3、扩大断面和维修井巷时,必须保证有在发生冒顶堵塞井巷时能撤出人员的安全出口。在独头巷道维修时,必须由外向里逐架进行,严禁维修人员进入维修地点里侧;倾斜巷道维修要由上向下进行;巷道对头维修时两处都必须有安全出口,距离小于20米时停止一处作业。发生冒顶时必须木垛接顶。?
4、生产采区的巷道有连续3架失效支架或有冒顶危险时,必须立即处理,否则应停止生产。?
5、独头井巷维修和掘进工作面的后路,必须加强维护。如出现断梁折柱、歪斜、弯曲、片帮、帮顶杆脱落、低矮等情况,必须停止作业,防止发生顶板冒落伤人、堵人事故。
六、掘进迎头临时支护
1、掘进工作面施工时不得空顶作业,永久支护前必须有临时支护。临时支护必须具有足够的强度、对顶板有足够的控制力、对现场条件有较好的适应性。
?2、掘进作业规程或施工安全技术措施要对使用的临时支护的方式、操作程序、技术要求等进行规定。
3、采用的临时支护方式要由矿生产技术部认可。
?4、掘进工作面的循环进尺必须依据现场条件在作业规程中明确规定,永久支护离迎头的距离不得超过一个循环的进尺。地质条件变化时,应及时补充措施并调整循环进尺的大小。
5、巷道顶部锚杆施工时应由外向里逐个逐排进行,不得在所有的锚杆眼施工完后再安装锚杆。
6、采用架棚支护时,应对巷道迎头至少10m的架棚进行整体加固。加固装置必须是刚性材料,并能适应棚距的变化。
七、巷道交岔点支护
1、巷道交岔点的位置尽量选在岩性好、地质条件稳定的地点。巷道交岔点要有专门的设计,对支护方式、支护材料、巷道断面等进行规定。
2、巷道交岔点施工前,要由生产技术部门组织现场会审,根据现场实际情况,编制施工安全技术措施,绘制施工放大图,并向职工传达贯彻。施工结束后,生产技术部门必须组织有关部门按设计要求进行竣工验收,验收合格后,方可正常掘进。
3、采用锚杆(锚索)对巷道交岔点支护时,要进行顶板离层监测,并在安全技术措施中对支护的技术参数、监测点的布置及监测方法等进行规定。监测中发现支护问题及时采取措施进行处理。
4、架棚巷道的交岔点采用抬棚支护时,要进行抬棚设计,根据设计对抬棚材料专门加工,抬棚梁和插梁要焊接紧密,抬棚架设后的巷道断面不得小于原巷道断面,并满足运输、行人、通风等所需的安全距离。
八、生产采区顶板管理?
(一)采煤工作面上下顺槽、上下两口的管理
1、采煤工作面上下顺槽,必须保证规定的断面和高度,凡有折梁断腿及空帮空顶处必须及时处理,距工作面20米范围内必须有加强支护。
2、经常检查采煤工作面上下两口的支护情况,支护方式、支护密度必须符合作业规程的规定,运输机机头部位必须采取加强支护措施;作业的方式方法必须在作业规程中明确规定,综采工作面两端应使用端头支架或增设其他形式的支护,要指定移设运输机头的措施,并指派有经验的工人作业。?
(二)采煤工作面必须保证一定数量的备用支护材料,其数量、规格、存放地点和管理方法,必须在作业规程中明确规定。开工前班组长必须对工作面进行全面的检查,确认无危险后方可开工。严禁使用折损的坑木,损坏的金属顶梁,失效的摩擦支柱和失效的单体液压支柱,在入井前必须逐根进行压力实验;在工作面回采结束后或使用时间超过8个月必须进行检修,检修后的支柱必须进行压力实验,方可投入使用。采煤工作面严禁空顶作业。所有支架必须架设牢固,并有防倒柱措施,严禁在浮煤或浮矸上架设支架。工作面的排柱距要在作业规程中明确规定,使用木支护工作面的坑木规格要在作业工程中明确规定,碰倒或损坏的支柱必须立即恢复或更换;综采工作面必须有可靠的防止顶端顶煤冒落和煤壁片帮的措施,移动运输机头、机尾需要拆除支架时必须先架好临时支架。使用摩擦金属支架时,必须使用液压升柱器,初撑力不得小于50KN;单体液压支柱的初撑力,柱径100mm的不得小于90KN;柱径80mm的不得小于60KN。工作面发生冒顶或超高时,不得给高棚,必须用木垛接顶,严禁空顶。采用金属网方法及要求、连网扣距及顶网破碎冒落漏矸处理方法,都要在作业规程中明确规定。翻打支柱,必须先打后撤,给棚支柱或移综采支架时必须成一直线,支柱、支架必须牢固接顶,木支护工作面要大楔子,顶板破碎是必须加强支护,刹好顶。如煤层底板松软,支柱钻底时必须采取措施,并在作业规程中说明。工作面形成后,开切眼巷道内支架必须完成并打好中心支柱,否则不得开采。工作面遇到断层、旧巷、顶板破碎、冒落等情况时,必须采取措施指派专人提前处理。综放及单一长壁放顶煤工作面,遇到顶板(煤)来压、来水、来杂物、来矸石等情况时不准放顶煤,要查明原因,补充修改放顶煤措施。机采工作面应根据工作面长度及顶板情况在作业规程中明确,割顶煤时顶梁要随割随伸前探梁。支设煤壁支柱的距离和回撤煤壁支柱的距离应在作业规程中明确规定。采用综合机械化采煤时必须严格遵守《煤矿安全规程》第六十六条和第六十七条的规定。采煤工作面必须及时回柱放顶,放顶时要保持支架完整。壁式放顶煤工作面根据采放高度在作业规程中明确放煤方法及放煤量,空区内的充填物不准低于工作面顶板,应对放煤量予以控制,放煤口要及时连好以防漏货造成空顶;用垮落法控制顶板时,作业规程中要明确规定回柱放顶的方法和安全措施。顶板悬顶距离超过作业规程规定时,必须停止采煤,采取人工强制放顶措施。采煤工作面因片帮造成最大控顶距超过规定距离时要采取安全措施;
(三)切眼支护与初次放顶
工作面切眼要有设计,施工前编制作业规程或施工措施,对切眼的断面、支护方式、支护参数、切眼安装程序及顶板监测方法等进行规定。
切眼掘进采用锚杆或架棚支护时,必须对顶板的活动情况进行监测、分析,顶板活动异常的必须采取有效措施后方可进行切眼安装、刷大或初放。架棚支护的切眼替料前或工作面切眼刷大前要组织由切眼施工单位、安装单位、扩切眼单位和有关部门参加的现场会审,然后编制施工措施,由相关单位集体审查后方可贯彻执行。回采工作面初放要制定初放措施并成立以生产矿长为组长的初次放顶领导小组。初次放顶前,初次放顶领导小组组长要组织有关人员进行现场会审,在确认现场条件符合放顶要求时方可按措施要求进行初次放顶。初放期间要有安全、生产管理部门的人员现场把关,并有初放记录。初放结束要由初放领导小组认定。单体液压支柱支护的工作面采高超过2.4m或工作面采高大于1.6m、倾角大于15°时,必须在老塘侧架设一趟首尾相接的倾斜架棚,架棚梁使用木料时,应为小头直径不小于20cm的半园木;面内支柱必须有防倒设施。综采放顶煤工作面初放期间的放煤次序、放煤量及对支架工作阻力的要求要在作业规程中明确规定。工作面遇地质变化带、老峒或顶板悬顶过大等特殊情况要补充加强顶板管理的安全技术措施。
?第二节冲击地压安全技术措施
根据发生冲击地压的成因和机理,防治冲击地压的措施的基本原理有两方面:一是降低应力的集中程度;二是改变煤岩体的物理力学性能,以减弱积聚弹性能的能力和释放速率。
?(一)降低应力的集中
减弱煤层区域内的矿山压力值的方法有:
?1、超前开采保护层;
?2、无煤柱开采,在采区内不留煤柱和煤体突出部分,禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采;
?3、合理安排开采顺序,避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在采煤工作面前方掘进巷道,必要时应在岩石或安全层内掘进巷道,禁止工作面对采和追采。
(二)采用合理的开拓布置和开采方式
实践表明,合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加,防止冲击地压关系极大。大量实例证明,多数冲击地压是由于开采技术不合理而造成的。不正确的开拓开采方式一经形成就难于改变,临到煤层开采时,只能采取局部措施,而且耗费很大,效果有限。所以,合理的开拓布置和开采方式是防治冲击地压的根本性措施。其主要原则是:
?1、开采煤层群时,开拓布置应有利于保护层开采。首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层作为保护层,且优先开采上保护层。例如抚顺、辽源等煤矿,属厚煤层上行水砂充填法开采。作为保护层的第一分层开采都尽量布置在冲击危险性小的煤层中进行。西安矿为了发挥上保护层的作用改变自下而上的分层开采顺序,首先开采顶分层作为保护层,采完顶分层后再反过来自下而上开采其他各分层,甚至改用下行金属网分层假顶全部垮落法开采。
?2、划分井田或采区时,应保证合理的开采顺序,最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。因为煤柱承受的压力很高,特别是岛形或半岛形煤柱,要承受几个方面的叠加应力,最易产生冲击地压。上层遗留的煤柱还会向下传递集中压力,导致下部煤层开采时也易发生冲击地压。统计资料表明:陶庄煤矿回收煤柱时发生的冲击地压占全矿冲击次数的29.8%;唐山煤矿、城子煤矿约占50%。龙风煤矿实际资料抽样分析表明,两侧为采空区的工作面在回采过程中,冲击地压发生次数显著增多。
?3、采区或盘区的采煤工作面应朝一个方向推进,避免相向开采,以免应力叠加。因为相向采煤时上山煤柱逐渐减小,支承压力逐渐增大,很容易引起冲击地压。例如陶庄煤矿272水采区五号上山西翼开采时,在上山附近发生了17次冲击地压。而且相向采煤又要被迫在高压力区中掘进开切眼,造成冲击地压频繁发生(占总次数的60%)。为了改变这种状况,提出实行单翼采区跨上山采煤的办法。并把单区段独立回采的开采程序改为多区段联合开采程序,使回采与掘进工作在不同区段中交替进行,能够实现沿采空区边缘(低应力区)掘进开切眼,避免了往高应力区掘进和维护回采开切眼的弊端。
?4、在地质构造等特殊部位,应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。在向斜和背斜构造区,应从轴部开始回采;在构造盆地应从盆底开始回采;在有断层和采空区的条件下应从断层或采空区附近开始回采的开采程序。龙风煤矿的统计资料表明,采掘工作面接近断层或向斜铀部附近时,冲击地压频度增加强度加大。随机抽样50例,其中与断层有关的36例,占72%,其中有62%的冲击地压发生在工作面接近断层时,只有10%发生在离开断层以后,而且34%的冲击地压发生在工作面接近断层5m~20m的范围内。
?5、有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中,以利于维护和减小冲击危险。回采巷道应尽可能避开支承压力峰值范围,采用宽巷掘进,少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。对于水采区的回采开切眼应躲开高应力集中区,选在采空区附近的压力降低区为好。例如,唐山煤矿十一水平5287(北)区发生的32次冲击地压,有12次发生在回采前的巷道维修过程中,3次发生在高应力区新掘巷道时,7次发生在受采动影响的巷道。砚石台煤矿冲击地压大多数发生在支承压力影响区的掘进工作面,其中双巷平行掘进时发生的次数最多,占46.2%。城子煤矿回收八层-250m水平西护巷煤柱的前后两次经验教训值得借鉴:1971年回收时按常规布置方法,造成严重的冲击地压伤亡事故,被迫停采封闭;时隔近20年后再进行回收时,采用底板集中大巷、分区小石门进入煤层,以及避开应力峰值送巷、宽巷掘进等开采方式,仅历时11个月就安全回收该煤柱,取得了较好的经济效益和社会效益。
?6、开采有冲击危险的煤层,应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采方法。回采线尽量是直线且有规律地按正确的开采速度推进。经统计,1992年以前,全国发生冲击地压的50余对矿井中,有水采、综采、分层开采、正规和非正规开采方法等多种情况。分析表明,不同的采煤方法,其矿山压力的分布也不相同。
房柱式等柱式采煤法,由于掘进的巷道多和在采空区遗留的煤柱多、顶板不能及时充分地垮落,造成支承压力较高。在工作面前方掘进巷道势必受到叠加压力的影响,增加了危险性。
水力采煤法虽然系统简单、高效,但遗留的煤垛在采空区形成支撑,顶板不能及时、规则地垮落,又要经常在支承压力带开掘水道和枪眼,加之推进速度快,开采强度大,易造成大面积悬顶的危害,导致发生冲击地压。所以,水采矿井要改进开采设计。
采用长壁式开采方法,有利于减缓冲击地压的危害。
倒台阶采煤法由于工作面不成一直线,在台阶部位形成高应力集中,则易导致发生冲击地压。
砚石台煤矿在采用走向长壁式采煤法时,没有发生过冲击地压,仅出现过煤炮声;而改用倒台阶工作面回采时,经常发生冲击地压,且大多数发生在台阶上隅角,约占回采时冲击地压总次数的90%,不仅次数多,而且强度也大,平均每次冲出煤炭130t以上。
?7、顶板管理尽量采用全部垮落法,工作面支架应采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。统计表明:采用非正规采煤法的采区冲击地压次数多、强度大;水力充填次之;全部垮落法次数少且强度弱。我国发生冲击地压的煤层其顶板大多又厚又硬,不易垮落。采用注水、爆破等方法,使顶板弱化或垮落,能够减缓冲击地压。在有冲击地压的矿井中,有6个采用水砂充填方法管理顶板,并不能避免冲击地压的发生。例如抚顺煤矿特厚煤层的顶板,虽为较软的厚层油母页岩,采用水砂充填上行分层开采,但第一分层开采时,冲击地压仍较严重。除煤层性质外,厚层油母页岩老顶的整体弯曲下沉是造成煤层边缘的高应力集中的重要因素。根据抚顺、阜新等煤矿冲击地压危害情况,伤亡事故主要由于冲击震动推倒或折断支架,造成片帮和冒顶伤人。所以冲击危险工作面必须采取特殊的支护形式,加强支护,提高支架的整体性和稳定性。
?(三)冲击地压的解危措施
在煤层开采中,生产地质条件极为复杂。往往由于人们对冲击地压发生条件不能完全掌握,造成开拓布置和开采方式不合理,没有预先采取防范措施或防范措施不完善,不可避免地形成局部煤层地段的高应力集中和冲击地压危险。因此,在煤层开采过程中必须对这些地段进行及时处理,以保证安全生产。这种对已形成冲击危险或具有潜在冲击危险地段的处理措施称为解危措施。它属于暂时的局部性措施,包括煤层爆破卸压、钻孔卸压和诱发爆破等。
按照冲击地压发生的强度条件和能量条件,工作面附近煤层被顶底板紧紧地夹持着,承受极高的载荷,虽并未破碎,却积聚大量的变形能。这时煤体和围岩形成的三轴压缩应力与矿山压力处于临界平衡状态。采取的各种卸压解危措施,正是为了减缓这种临界状态,把夹持状态下煤层的侧向约束解除掉,使已形成的局部高压力分散转移到较广区域。由于卸压措施造成煤体局部破裂,降低了强度,应力重新分布,从而释放或降低了煤岩体中的弹性能,使工作面前方一定范围内成为安全区。
1、爆破卸压
爆破卸压是指对形成冲击危险的煤体,用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。实施爆破卸压应采取深孔爆破方法,孔深应达到支承压力峰值区。装药位置越靠近峰值区,炸药威力越大,爆破解除煤层应力的效果越好。该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。
爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件,即在有冲击地压危险的工作面卸压和在近煤壁一定宽度的条带内破坏煤的结构(但不落煤),使它不能积聚弹性能或达不到威胁安全的程度。这样在工作面前方形成一条卸压保护带,隔绝了工作空间处于煤层深处的高应力区。显然,从防治冲击地压的角度看,应用尽量多的炸药爆破出尽量宽的保护带,但实际上要达到这个目的,目前技术条件还不够。不过根据多年的观测实践证明,如果能保证在工作面前方和巷道两帮始终保持一个宽5m~10m的保护带,就能防止冲击地压的危害。
可以采用爆破断顶的方法进行爆破卸压,即在待采煤层隔离煤柱一侧的老采空区内,对采空区顶板内造成宽约6m、深约6m~8m的断沟,用以削弱采空区与待采区之间的顶板连续性、减小待采煤层开采时的应力集中,以消除冲击地压危害。
爆破参数和施工工艺应按《冲击地压煤层安全开采暂行规定》确定。爆破断顶措施在门头沟煤矿的实际使用(见图2)中取得了一定的成效。在-230m水平二槽煤东区,有计划地共断顶五个已采区,总长约230m。断顶前在该区曾发生过两次冲击地压,断顶后则未曾发生。在断顶前后进行的围岩变形观测和地音监测表明,断顶后围岩变形和地音指标均大幅度降低,证实了断顶效果。
爆破卸压属于内部爆破,主要物理作用是使煤层产生大量裂隙。试验表明,爆破使炮孔周围形成破碎区和裂隙区,破碎区远小于裂隙区。径向裂隙穿过切向裂隙,说明径向裂隙扩展在前,切向裂隙形成在后。炸药爆炸后,冲击波首先使煤体破裂。继之爆破产生气体进一步使煤体破裂,在气体压力作用下,煤体沿径向移动,形成切向拉应力,产生径向拉破裂。随着裂隙的扩展,气体通过裂隙扩散到煤体中,与煤体产生热交换。同时,气体的体积增大,而温度和压力下降。当裂隙前端的应力强度因子小于断裂韧性时,裂隙停止扩展。当压力小于临界值时,因原先受压贮存于煤体中的弹性能释放,使煤体向炮孔中心移动,在煤体中产生径向拉伸作用,导致切向破裂。但径向裂隙的扩展远大于切向裂隙。造成煤层性质变化的主要因素是径向裂隙。
根据弹塑性理论,把采煤工作面简化为平面应变的力学模型。以龙风煤矿采煤工作面为例的计算结果表明,爆破卸压使煤壁前方的支承压力重新分布,应力梯度变小,峰值压力移往煤体深部7m以远屈服区,比爆破前增大近一倍,能量密度明显减小。
?综上所述,爆破卸压在煤体中产生大量裂隙,使煤体的力学性质发生变化,弹性模量减小,强度降低,弹性能减少,破坏了冲击地压发生的强度条件和能量条件。由于煤体内裂隙的长度和密度增加,按照失稳理论,还具有致稳作用和止裂作用,防止了冲击地压发生。
实施爆破卸压前必须先进行钻屑法检测,确认有冲击危险时才进行爆破卸压,爆破以后还要用钻屑法检查卸压效果。如果在实施范围内仍有高应力存在,则应进行第二次爆破,直至解除冲击危险为止。
为了安全生产,通过爆破卸压在工作面前方和巷道两帮形成一个有足够宽度(大于3倍采高)的卸压保护带。所以,对巷道两帮,爆破卸压的深度应等于保护带宽度;对采煤工作面,爆破卸压的深度应等于保护带宽度加上工作面进度。
爆破孔的孔深取决于卸压深度。由于孔深药量多,为保证殉爆可用导爆索连接加强引爆,使药卷能装到孔底,可先把药卷装在软管里或用非金属材料绑扎后进行装药。爆破孔布置方式应根据具体条件确定。通常用煤电钻打眼,孔径50mm~55mm,孔间距4m~10m,每孔装药量按不超过孔深一半计算,一般为1.5k8~3.5kg。钻孔不装药部分必须填满水炮泥或黏土炮泥。躲炮距离100m~150m,躲炮时间30min~40min。
门头沟煤矿、龙凤煤矿、天池煤矿等都成功地使用爆破卸压方法,取得良好的效果。
天池煤矿的爆破卸压参数为:孔深4m~8m,孔间距3m~6m,孔径50mm~55mm(用φ42mm钻头),每孔装药量1.0kg~3.5kg,瞬发雷管引爆(6m以上深孔装两发雷管),炮泥封孔。
龙风煤矿进行爆破卸压时,用普通煤电钻打眼,φ42mm钻头。按垂直煤壁方式布孔。钻孔倾向与工作面顶板线一致。孔深4m~6m,孔间距3m~5m。每孔装药量1.0kg~1.4kg,黄泥封孔,填满填实。瞬发雷管起爆,在孔底药卷中加一段煤矿安全型导爆索,每次起爆二孔(也可多孔起爆)。
城子煤矿的-250m水平八层西大巷煤柱,由于采取爆破卸压等措施得当,安全回收全部煤柱,没有发生冲击地压事故。该煤柱在1971年曾回收过,由于冲击地压严重,并造成人员伤亡事故而被迫停采封闭。时隔近20年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱,再进行回收存在着冲击地压和垮顶的严重威胁,在回收过程中严格执行每循环都进行超前爆破卸压的措施。开切眼掘进时就开始进行超前爆破卸压,孔数3个~4个,孔深4m~5m。采煤工作面沿倾向方向每5m布置一个爆破卸压孔,孔深为循环进度的3倍。每孔装药量3个~5个药卷(0.5kg~1.0kg)。卸压炮眼与工作面落煤炮眼同时起爆,取得较好效果。
2、诱发爆破
诱发爆破是在监测到有冲击危险的情况下,利用较多药量进行爆破,人为地诱发冲击地压,使冲击地压发生在一定的时间和地点,从而避免更大损害的一种解危措施。
实行诱发爆破必须慎重行事。作为辅助手段,诱发爆破只有在存在严重冲击危险的情况下,其他方法无效或无法实施时才应用。实施地点多用于煤柱回收时,与钻屑法检测孔配合互用。孔距2m~5m,孔深按冲击危险区范围确定。可平行走向或倾斜布置,也可混合布置。一般采用深孔爆破法,钻大量较长的钻孔直达高应力带。采用大药量、集中装药和同时引爆的方法,以便使煤岩体强烈震动,诱发冲击地压,或造成煤体强烈卸压、释放能量,把高应力带移向煤体深部。集中爆破的药量越多,诱发冲击地压的可能性越大。因为这样在煤体中造成的动应力就大,动应力叠加在原来存于煤体中的静应力上的总和越大,超过临界应力值机会就愈多,就会诱发冲击地压。
实施诱发爆破应按《煤矿安全规程》的有关规定施工。实施前必须采用钻屑法确定冲击危险地点,加固支架,掩护或撤出机械设备及电缆工具等。爆破时必须设专人警戒所有通往爆破地点的通道。躲炮半径不得小于150m,躲炮时间30min以上。
天池煤矿、门头沟煤矿等都应用过诱发爆破。天池煤矿在采掘过程中,特别是回收煤柱时,始终坚持以爆破卸压为主,诱发爆破为辅的措施。诱发爆破参数视具体情况而定。一般孔径为50mm~60mm,孔深6m~8m以上,每孔装药量2kg~3kg以上,孔间距2m~3m。炮泥封孔,填满填实。瞬发雷管,同时引爆。门头沟煤矿1980年开始试验应用诱发爆破,其钻孔布置方式在正规煤柱支撑法工作面为平行煤层走向或倾向布置,孔深为煤柱宽度的3/4。在非正规工作面如残柱式回采,视煤柱尺寸进行布置,但孔深均不超过煤柱宽度的3/4。诱发爆破后要及时回采,不要停留过长时间(不超过一个月),以防能量重新积聚,产生新的冲击危险。
诱发爆破应作为爆破卸压的辅助手段,用于特殊情况下。其效果是有限的,不能保证按时诱发,有时一小时后才发生冲击地压。而且大药量同时引爆,必然造成一定程度的破坏作用。所以要慎重行事,有限度地使用。
3、改变煤层的物理力学性能改变煤层的物理力学性能主要有:高压注水、放松动炮和钻孔槽卸压等方法。
(1)高压注水是通过注水,人为地在煤岩内部造成一系列的弱面,并使其软化,以降低煤的强度和增加塑性变形量。注水后,煤的湿度平均增加1.0%~2.2%时,可使其单向受压的塑性变形量增加13.3%~14.5%。
(2)放松动炮,是通过放炮人为地释放煤体内部集中应力区积聚的能量。在采煤工作面中使用时,一般是在工作面沿走向打4m~6m深的炮眼,进行松动爆破。它的作用是可以诱发冲击地压和在煤壁前方经常保持一个破碎保护带,使最大支撑压力转入煤体深处,随后即便发生冲击地压,对采煤工作面的成胁也大为降低。
(3)钻孔槽卸压是用大直径钻孔或切割沟槽使煤体松动,以达到卸压效果。卸载钻孔的深度一般应穿过应力增高带,在掘进石门揭开有冲击危险的煤层时,应距煤层5m~8m处停止掘进,使钻孔穿透煤层,进行卸压。
此外,还可依靠选择最佳采煤方法、回采设备、开采参数和工作制度等方法,局部降低煤层边缘的冲击危险程度。例如,当开采有冲击危险的单一煤层时,应采用直线式长壁工作面的前进式采煤方法,并在巷道侧不留煤柱。对有冲击危险的厚煤层,应采用倾斜分层长壁式采煤方法。上分层的开采厚度应当最小。
开采有冲击危险的煤层时,无论是在采煤工作面还是在掘进工作面中,都应采用支撑力大的可缩性金属支架。
综上所述可以认为,在现有技术水平下对冲击地压认真地进行测定和预报工作,并针对具体情况采取有效的防治措施,完全可以消除或大大减少冲击地压事故。
四、开采有冲击地压煤层时应注意的问题
1、开采有冲击地压煤层的矿务局(公司)、煤矿都应有专人负责防治冲击地压的工作。应装备微震、地音监测等装备,进行冲击地压预测预报工作。
2、开采有冲击地压的煤层,必须编制设计,报矿务局(公司)、矿总工程师批准。有冲击地压的煤层中,掘进工作面临近大型地质构造、采空区和通过其他集中应力区以及回收煤柱时,必须制订措施,报矿总工程师批准。
3、开采有冲击地压危险煤层的工作人员,都必须接受有关防治冲击地压基本知识的教育,熟悉冲击地压发生的原因、条件和征兆以及应急措施。防治冲击地压的措施中,必须规定发生冲击地压时的撤人路线。每次发生冲击地压后,必须组织人员到现场进行调查,记录好发生前的征兆、发生经过、有关数据及其破坏情况,并制订恢复工作的防治措施,报矿务局(公司)、矿总工程师批准。
4、有严重冲击地压煤层在开拓时,应在岩层或无冲击地压的煤层中掘进集中巷道。开采时,在采空区不得留有煤柱。如果在采空区留有煤柱,必须将煤柱的位置尺寸以及影响范围标在采掘工程图上。永久硐室不得布置在有冲击地压的煤层中。
5、开采煤层群时,首先开采无冲击地压或弱冲击地压煤层作为保护层,开采保护层后,在被保护层中确实受到保护的地区,可按无冲击地压煤层进行采掘工作。在未受保护的地区,必须采取放顶卸压、煤层注水、打卸压钻孔、超前爆破松动煤体或其他防治措施。
开采有严重冲击地压的单一煤层和无保护层可采的煤层时,必须采取规定的防治冲击地压的措施。
6、保护层有效范围的划定方法和保护层回采的超前距离,应根据对矿井实际考察的结果确定。
7、开采有冲击地压煤层时,冲击危险程度和采取措施后的实际效果,都可采用钻屑法、地音法、微震法或其他方法确定。对有冲击地压危险的煤层,可根据预测预报等实际考察资料和积累的数据。划分煤层的冲击地压危险程度等级,以便按其等级制定冲击地压的综合防治措施。
8、对有冲击地压的煤层,应根据顶板岩性掘进宽巷或沿采空区边缘掘进巷道,巷道支护应采用可缩性支架,严禁采用混凝土、金属等刚性支架。
9、有严重冲击地压的厚煤层中,所有巷道都应布置在应力集中圈外。煤巷双巷掘进时,2条平行巷道之间的煤柱不得小于8m,联络巷道应与2条平行巷道成直角。
10、开采有冲击地压的煤层,应用垮落法控制顶板,并提高切顶支架的工作阻力,采空区中所有支柱必须回净。
11、有冲击地压的煤层中,在1个或相邻的2个采区中,同一煤层的同一分阶段,在应力集中的影响范围内,不得布置2个工作面同时相向或向背回采。如果2个工作面相向掘进,在相距30m时,必须停止其中一个掘进工作面,以免引起严重冲击危险;停产3d以上的采煤工作面,恢复生产的前一班,应鉴定冲击地压危险程度,以便采取安全措施。
12、严重冲击地压的煤层中,采掘工作面的爆破撤人距离和爆破后进人工作面的时间,必须在作业规程中明确规定。
13、三面或四面被采空区所包围的地区和构造应力区、进行回采和回收煤柱时,必须制订防治冲击地压的安全措施,报矿总工程师批准。