毕业设计（论文）深井特厚冲击倾向性煤层巷道围岩稳定控制及防冲技术研究

西安科技大学成人高等教育2012届本科生毕业设计（论文）题 目：深井特厚冲击倾向性煤层巷道 围岩稳定控制及防冲技术研究专 业 采矿工程 班 级 2012级姓 名 指导老师 完成日期 2014年9月25日深井特厚冲击倾向性煤层巷道围岩稳定控制及防冲技术研究【摘 要】：砚北煤矿是华亭煤业集团公司的骨干矿井，设计年生产能力600万吨，目前开采的有二水平的2502采区和一水平的1502采区，另外还有一水平的1504采区，准备巷道施工临近尾声，年掘进巷道达一万三千多米，随着开采强度的不断加大和采深的逐步加深，矿压显现愈来愈强烈，在采掘过程中表现十分突出，集中表现在巷道四周变形凸出，巷道底鼓尤为严重，锚索、锚杆拔断，皮带震翻，从2005年来，较为严重的来压有百余次，困扰着生产秩序，给安全生产造成严重威胁，针对现状，我们从围岩控制、区段煤柱尺寸留设，巷道和顶板的位置关系等设计因素着手，实施长远规划预防，利用微震监测，钻屑量监测，表面位移监测，电磁辐射监测，锚杆应力监测等监测手段对高应力区域实施监测，采取煤体卸压爆破，顶板卸压爆破等措施，对高应力危险区域进行主动解危卸压，制定高应力危险时期组织管理细则，完善防范措施等综合治理方案，开展矿压显现治理，取得了明显的效果。【关键词】：地质特征 开采技术条件 放顶煤开采 矿压显现 煤矿第一章绪论1.1 课题背景砚北煤矿目前采掘的三个采区，在施工开采过程中，不同程度发生强矿压显现，特别在2502采区和1502采区表现突出，为此，组织人员在这两个采区开展重点监测与防治。第二章矿压现象及分析2.1 工作面开采技术条件150206工作面回风顺槽位于1502采区，沿煤层顶板布置，为1502采区第六分层工作面，南部为华矿隔离煤柱，北部为砚峡乡保护煤柱，上部为150205采煤工作面（见图1502采区煤5层底板等高线平面图）。分层高度11米。巷道长1446.792m，开口处坐标：X为3184.554m，Y为7806.624m，Z为986.830m。巷道标高为986m994m，地面标高为+1510+1598米，巷道埋深已经达到500m以上。150206工作面开采区域煤层为急倾斜煤层，总体呈单斜状，煤层产状：在工作面北部（第一段）走向341°,倾向251°,倾角35°40°；在工作面中部走向356°,倾向266°,倾角40°50°；工作面南部走向341°,倾向251°,倾角50°53°。煤层厚为43.4360.29米，平均厚度为48.8米；煤层以块状、碎块状为主，煤层坚固性系数为1.32.9，平均1.9；煤层赋存较为稳定，由南向北煤层厚度逐渐变厚。煤层结构较为复杂，中、下部结构简单，有一层厚0.451.0米的泥岩和泥质砂岩夹矸,较稳定,在运输顺槽第二拐点前后50米范围内将揭露该夹矸。煤层上部结构复杂，共含3-8层泥岩夹矸，靠近顶板为煤与夹矸互层，互层厚36米，单层夹矸厚0.050.8米。中下部煤层较硬，上部煤层松软。回风顺槽沿煤层顶板布置靠近顶板煤层较软且破碎，在回风顺槽第二拐点前后200米范围内，进入煤矸互层段，煤层本身无承压能力，巷道支护困难。煤层伪顶岩性是一层深灰、灰黑色，松软易碎泥岩，厚度一般为0.10.3m，赋存不稳定，容易垮落；直接顶为灰、灰黑色泥岩夹煤线,厚度2.05.8m，硬度1.22.2；老顶为胶结致密、层理发育粉砂岩，厚度5.612.5m，硬度3.84.9。煤层底板直接底为灰-灰黑色以石英为主的含砾粗砂岩，厚度1.55.9m，硬度2.13.4。老底为灰白、灰黑色泥质胶结粉-细砂岩，厚度1.79.7m，硬度2.13.4。图1 砚北煤矿150206工作面煤5层综合柱状图250206工作面位于2502采区中部，地面标高15111606m工作面标高10401216m地面位于杨家山白草咀一带,其北部为井田边界，接山寨煤矿，东部为250205上工作面采空区，南部为二水平回风、皮带及辅运大巷，西部为设计250207上工作面,工作面走向长26382642m,倾斜宽208.5m。 煤层为煤5，煤层总厚20.538.0m,平均厚28.5m, 煤层倾角3°16°煤层为黑色，具有沥青光泽、贝壳状断口，内生裂隙较发育。煤层中下部以暗煤为主，煤质较硬且稳定性好，煤层结构简单，局部含12层透镜状夹矸；煤层上部以亮煤为主，煤质较软且结构复杂，含37层夹矸，局部呈煤矸互层，煤矸互层厚23m，其中单层夹矸厚0.050.8m，一般0.050.2m，夹矸以泥岩为主，少数为泥质砂岩。本工作面区域煤层总厚度变化较大，为20.538.0m，在工作面南北两侧较厚，中部受背斜影响，煤层较薄；同时在进风顺槽侧煤层较薄，在运输顺槽一侧，煤层较厚。由于煤层底板起伏不平，次级褶曲发育，造成煤层分层厚度变化大。本工作面（上分层）通过探顶揭露，煤层厚度在9.515.4m之间，平均煤厚12.0m。工作面煤层顶、底板情况见表,工作面地质构造：从南向北，由背斜转入向斜。工作面中南部背斜与工作面呈29°夹角，轴向331°，向南东倾伏；切眼处进入向斜轴部，轴向316°，向南东倾伏，与工作面呈44°夹角，因此工作面北高南低。工作面南部位于背斜西南翼，走向270°，倾向180°，倾角511°，平均6°；工作面中部位于背斜轴部，倾角34°；工作面北部位于背斜东北翼，即向斜西南部，走向360°，倾向90°，倾角1016°，平均14°，切眼处，位于向斜轴部，倾角610°。煤层底板沿走向次级褶曲发育，底板起伏不平，呈波浪状。 煤 层 顶 底 板 情 况 表顶底板名称岩石名称厚 度(m)岩 性 特 征老 顶粉砂岩5.018.0胶结致密，层理发育 直 接 顶砂质泥岩2.05.0 灰、深灰色，层理明显伪 顶泥 岩0.10.3深灰，灰黑色，松软易碎直 接 底泥 岩0.050.2灰黑色，松软，富含炭质 老 底中粗砂岩6.519.0灰、灰黑色，含小石英砾岩2.2 掘进工作面来压的现象及特点从250206掘进工作面25次来压和1502掘进工作面13次（150205工作面2次）共40次来压情况来看：1502采区掘进工作面15次来压，14次发生在回风顺槽，运输顺槽只有1次；10次发生在茬面50米范围，5次发生在后巷；来压能量104J就能使巷道受到破坏；巷道破坏主要是内帮底鼓，顶板下沉量不大；个别锚杆锚索有拔断现象；来压主要发生在1、2拐点附近和回风顺槽与切眼贯通60米范围。250206掘进工作面来压25次，其中运输顺槽来压16次，回风顺槽来压2次，切眼来压7次；全部在茬面向后50米范围，来压能级在104J时，巷道破坏主要表现为底鼓，顶板下沉量不大；来压能级在105J时，巷道破坏范围较大，在茬面向后100米内，底鼓严重，顶板下沉量大；来压区域基本都在250205工作面切眼前方360米范围。从冲击地压的发生时间来看，破坏性动压灾害发生的时间主要集中在顶板岩石的活动期间。从动压现象的发生空间来看，掘进工作面及巷道发生动压的频度相对较高，且强度较大。此外，历次较严重的动压事故均发生在受掘进工作面和采动工作面影响范围内，可见开采造成的应力集中对动压灾害的发生有很大的影响，尤其是在同时受多个回采或掘进工作面影响时最为严重。从动压现象的发生强度上来看，急倾斜煤层水平分段工作面顶板顺槽发生的动压现象较底板顺槽发生的动压现象更为严重。此外，随着开采深度的增加，动压的频度与强度也随之增加。从动压现象在顺槽附近的发生情况来看，褶曲构造的拐点附近应力集中程度较高，动压现象在拐点附近发生较多，发生强度也较大。22250206工作面掘时期矿压显现统计表编号时 间地 点回风顺槽来压破坏情况12008年3月17日15：38回风开口以里32703305排之间距茬面2530mm范围顶板煤体破碎，有离层现象，距茬面2030m之间顶沉300mm，底鼓300mm；外帮帮鼓100mm，内帮肩部下沉严重，距茬面205m范围顶沉100mm，底鼓100mm，茬面外帮顶板冒落600mm。23月25日17：10回风顺槽开口以里3324排3346排.距茬面1540m顶板下沉0.10.3m、底鼓0.10.4m，其中距茬面2025m最为严重，巷道仅有2.3m，金属网掉包严重。时 间地 点运输反掘来压破坏情况12008年4月30日早班9点运输反掘（开口470550排）470550排范围底鼓0.405m，顶板下沉0.2m，22008年5月2日中班5：20运输反掘（开口510540排）距茬面3050m范围底鼓0.10.3m、顶板稍有下沉，不太明显，外帮掉包严重。皮带托滚震落。32008年5月10日13：17运输反掘（开口510590排）茬面660排510590#范围来煤爆，560590排之间最为严重，底鼓0.20.4m、顶板稍有下沉；帮没有明显变化。510560排范围几次煤爆累计底鼓0.4m、顶板稍有下沉，帮没有明显变化能量为2.54E442008年5月20日11:37运输反掘造成茬面后5米到35米底鼓400mm500mm，面略有下沉，两帮没有明显变化。来压能量：1.87E4J 52008年5月26日14：31运输反掘722到753排底鼓300mm-400mm,753到769排底鼓400mm-500mm,770到784排底鼓200mm-300mm，从722到753排皮带架子翻向外帮，873排向后连续四排空顶严重，无超前锚杆。两帮没有明显变化，外帮顶部略下沉。震动能量1.96*104J时 间地 点运输正掘来压破坏情况12008年2月24日17：37运输正掘造成距茬面20米到45米范围底鼓400mm600mm，顶沉200mm300mm，内帮略有帮鼓现象22008年4月13日22：0206运输顺槽开口以里（05切眼过60m）茬面后巷29m范围，底鼓1.0m、顶沉0.5m，能量为：4.97E5震源位于对应的回风顺槽308年4月22日中班放炮诱发一次运输顺槽距茬面30m范围卸压爆破后1分钟来压，声响较大，底鼓0.10.3m42008年4月25日8：22茬面处运输正掘茬面在打眼时来压一次，未造成巷道破坏52008年5月14日夜1：27运输顺槽距茬面（1714排）2050m范围茬面20m50m范围，底板几次累计底鼓0.40.5m、顶沉0.20.3m，能量为：1.39E4震源位于工作面煤体后巷62008年5月18日夜00：27运输顺槽距茬面（1753排）2550m范围距茬面25m50m范围，底板几次累计底鼓0.60.8m、顶沉0.30.4m，两帮有轻微的突出。能量为：3.5104E4震源位于工作面煤体后巷72008年5月319：24运输顺槽正掘来压造成茬面顶部靠内帮冒落,距茬面20m范围内底鼓达0.4m0.5m，顶略有下沉，距茬面69m44m（1770排1802排）顶沉0.20.3m，底鼓累计达0.8m1.2m，两帮没有明显变化。能量为5.00E4J。震源位于茬面西部150m煤体内。（茬面1858排）茬面冒顶2米，82008年6月2日20：12运输顺槽正掘造成茬面2040米巷道底鼓300400mm,顶板略有下沉。能量：4.31E292008年6月7日夜3：06运输顺槽正掘来压造成距茬面(1903排)1020米（18911879排）巷高2.1米，2040米（18791854排）巷高2.4米，4060米（18541830排）巷高1.8米，6070米（18301818排）巷高2.2米，7085米(18181800排)巷高2.1米，自茬面10m向后75米范围累计底鼓1.21.4m, .其中4060米范围顶沉0.60.8米。来压能量1.26*105 J,来压位置在茬面向后170米的工作面内。该面从1445排开始底鼓，巷道变形，架设木垛支护。102008年6月17日18：37运输顺槽正掘来压造成巷道从茬面（1966排，距切眼贯通点余13米）向后8米积煤到顶1.2米，茬面4排帮部未支护，茬面后816米（19561946排）顶沉0.20.3米，巷道高度余2.3米，茬面向后1618.4米（19461943排）顶沉0.5米，巷高余1.7米，茬面至此范围内帮鼓出0.50.6米，茬面向后18.423.2米（19431937排）顶沉0.5米，巷高余2.5米；茬面向后23.234.2米（19371922排）顶沉0.5米，巷高2.2米;茬面向后34.251.8米（19221900排）顶沉0.30.4米，巷高余2.2米；茬面向后51.868.6米（19001879排）顶沉0.2米，巷高1.8米；茬面向后68.674.2米（18791872排）顶沉0.3米，巷高3米;茬面向后74.291.8米（18721850排）顶沉0.3米巷高2.6米此段有两个木垛压垮。本次来压造成切眼变形严重。震动能量4.38E5J,震源位置250205切眼上方250206工作面内。112008年8月27日凌晨0:51250206运输顺槽正掘来压位置：巷道从外端开口，掘进340米与其反掘段（反掘937排，720米）贯通，贯通后，来压造成贯通点后15米范围底鼓0.8米，巷道顶板完好，来压能量2.36*104J，时 间地 点切眼来压破坏情况12008年4月21日16：45切眼掘进70m时来压（距茬面1020m）距茬面1020范围底鼓0.10.3m、顶板稍有下沉，不太明显，帮没有明显变化。部分锚索长托梁和变形较大，垫片呈凹形。22008年4月28日早班12：30切眼掘进125m时来压（距茬面1025m）来煤爆，将综掘机掀至左帮考死，底鼓0.10.3m。32008年4月29日早10：05切眼掘进130m时来压（距茬面1025m）距茬面1025范围底鼓0.10.3m、顶板稍有下沉，不太明显，帮没有明显变化。部分锚索长托梁和变形较大，垫片呈凹形。42008年5月6日13：30切眼掘进170m时来压（距茬面1025m）距茬面1025范围底鼓0.10.3m、顶板稍有下沉，不太明显，帮没有明显变化。部分锚索长托梁和变形较大，垫片呈凹形。52008年5月25日14：28250206切眼来压下口向上2239米老塘侧巷道底鼓，累计巷道最大底鼓量2米、巷道高度余1.5米，木垛枕木有压折现象。震动能量7.49E4,位置14微震点后134米。62008年5月28日夜班10：33250206切眼来压18、19木垛压歪，部分枕木压扁或破坏，此段巷高2.4米，1817木垛间巷高1.6米，1613木垛压歪，175180排切眼中间顶部震冒抽楔三角形长*宽*高4*1.2*2米。来压能量1.1*104 J,定位震源14#微震点靠近运输顺槽煤体内。72008年6月17日18：37250206切眼来压运输顺槽来压造成切眼破坏： 54排处巷高2.6米，93排处巷高2.6米，125排处巷高2.6米，157排处2.4米，169排处2.06米，183排处巷高1.7米，188排以下木垛压力大，个别枕木压碎，一个木垛压倒，198排前后3个木垛压斜，195排2.0米，213排处巷高2.1米，有部分抬棚震翻，单体柱压倒，距下口20米所有木垛与抬棚失效，下口20米处56个木垛底鼓0.4米，顶沉1米，爆声持续不断。来压能量：4.72E4J150206掘进工作面来压统计时 间地 点来压现象及特征 2007年10月13日中班12：21150205运输开口65m范围巷道外帮底鼓300mm；内帮底鼓100200mm；顶沉200mm；内外帮帮鼓100mmm。能量7.830E05（J）2008年2月26日夜班9：16150205回风开口530810m分三段，530570m为一段，底鼓700mm最为严重，帮也有鼓，轨道变形，皮带架倾倒，有锚索拉断；580m720m较为严重底鼓400mm；730810mm为三段巷道变形较小。能量：8.47E6J2008年3月31日150206煤门底鼓0.10.4m、顶沉0.10.3m2008年6月13日早7：39150206回风顺槽613668排40米范围（茬面为670排），顶沉0.5米0.2米，底鼓，0.21.2米，巷道最低余1.7米，左帮鼓0.5米，震动位置在茬面附近，震动能量3.82*104J，2008年6月22日14：13150206回风顺槽677717排30米范围（茬面717排）来压，巷道底鼓0.50.8米，顶沉0.20.3米。震动位置1拐点附近，震动能量1.27E5J.震动时工作面人员交接班。2008年8月5日7：30150206回风顺槽因150205回风顺槽来压致使150206回风顺槽850870排底鼓0.20.3米。震动能量2.60E5J2008年8月7日15：11150206回风顺槽来压造成570排655排（茬面为1162排）66米巷道顶沉底鼓，变形量为底鼓0.30.6米，顶沉0.20.3米，600排处巷道高度为2.3米，611排处最为严重，巷道高度为2.0米，570排处一根锚索拉断，隔爆水袋全部撕裂，轨道倾斜，巷道内帮鼓出0.20.3米，外帮完好。来压能量3.18*104J，来压位置：150206后巷325米处，1拐点附近。2008年8月18日15：11150206回风顺槽来压造成自茬面向后14米（12031221排）巷道底鼓0.5米，茬面左帮冒顶高8米，1拐点位置727排2008年9月10日凌晨2:30150206回风顺槽因150205来压影响该巷来压，造成0631点前10米40米范围（此上方是150205采煤工作面），巷道左侧底鼓0.4米，顶板下沉0.30.4米，在此范围有一梁扭结严重，超前抬棚摩擦支柱全部倾斜，巷道最低处1.8米。2008年9月12日凌晨0：40150206回风顺槽因150205来压影响该巷来压，造成880930排36米巷道底鼓0.30.4米顶沉0.3米，轨道倾斜严重，巷道两帮完好。震动能量：3.76E4J2008年9月19日16：02150206回风顺槽（2727、7969、987）造成550排590排段内帮底鼓0.2m，巷道高度为2.3m，620排675排段内帮底鼓0.8m1.0m，顶沉0.2m左右，轨道严重倾斜，上部托梁有部分折断，锚索有两根拉断，675排685排内帮底鼓0.1m左右，685排825排段内帮底鼓0.3m0.4m，顶沉0.1m，震动能量为1.09E5J，震源位于1拐点以外50m处，825排1000排由于长时间受压使处帮肩部下沉，掉包严重。2008年10月17日12：59150206回风顺槽造成150206回风顺槽840880排底鼓400mm，外帮鼓200300mm，震源在05工作面1拐点附近靠近运输侧工作面老塘17m处。（2704、8052、1017），震动能量为9.18E4J。2008年11月9日4：06150206回风顺槽迎头往后6m16m（10m）范围底鼓0.8m，内帮鼓出0.20.3m，巷道拱肩变形严重，巷道最低处为1.9m，迎头往后1632m底鼓0.50.6m，顶板略有下沉，两帮变化不明显，震动能量为3.86E4J，位置在回风掘进茬面附近，坐标为（1872、8105、624）2008年11月12日15：14150206回风顺槽造成茬面转载机段底鼓200mm300mm，顶沉100mm，使转载机掉道。能量为1.61E4J，震源位于茬面附近，坐标（1066、8299、1093）2008年11月16日9：01150206回风顺槽造成茬面后515米巷道底鼓0.50.6米，顶沉0.10.2米，茬面距贯通剩余30米，震动能量7.03×103J,震源（1850，8202，964）茬面处。 第三章巷道冲击矿压影响因素3.1砚北煤矿应力场根据砚北煤矿1120水平和2502采区所取煤、岩试样做的力学性质测定，可知煤5层的力学参数。根据砚北煤矿1120水平和2502采区所做煤试样冲击倾向鉴定，砚北煤矿煤5层为具有冲击倾向性煤层，且冲击倾向性随采深增加而增大。根据在1120水平和2502采区所做地质力学测试可知：砚北煤矿地应力场为H型应力场，最大主应力为水平主应力，因此属于构造应力场类型。并且随采深增加地应力随之增大，到2502采区最大水平主应力已达到25.53MPa；最小主应力也达到11.3MPa；垂直应力达到13.19MPa。2502采区附近应力场中最大水平主应力方向主要集中在N14.2°EN32.9°E之间，主体为北偏东方向。另外，从1120水平急倾斜煤层测试结果可以看出，煤层顶板应力比煤层底板应力要大。因此，在急倾斜煤层段，随采深增加，靠近煤层顶板的150206工作面回风顺槽围岩应力会较大，并受“上采下掘”开采方式的上部150205工作面采动影响。砚北煤矿急倾斜煤层段煤体强度平均为11MPa。二水平煤的平均单轴抗压强度集中在12.818.7 MPa之间，最小为6.8MPa，最大为28.7MPa。直接顶以泥岩、砂质泥岩和泥质砂岩为主，强度主要集中在 31.248.3 MPa之间，抗压强度较小。表1 砚北煤矿1120水平煤5层及围岩试样力学性质测定结果项 目煤岩编号平均抗压强度y(MPa)平均抗拉强度l (MPa)y/l备注煤11.90.1866.1煤样的总平均指标1岩17.590.4935.9煤层底板粉砂岩2岩41.041. 3829.7煤层底板粉砂岩岩25.20.5347.5煤层底板粉砂岩表2 砚北煤矿2502采区煤5层及围岩试样力学性质测定结果项 目样 别单向抗压强度(MPa)单向抗拉强度(MPa)弹性模量(×103MPa)泊松比内凝聚力(MPa)内摩擦角(°)煤5上分层18.480.758.350.46.9922.1煤5中分层16.260.896.890.365.6825.2煤5下分层18.820.838.680.446.4624.8顶 板50.942.739.370.31底 板113.118.65136.180.3833.0120.4表3 砚北煤矿1120水平地应力测量结果测点应力大小（MPa）1120水平煤层底板1（第一主应力）14.492（第二主应力）8.233（第三主应力）3.981120水平煤层顶板1（第一主应力）18.72（第二主应力）10.553（第三主应力）7.2表4 砚北煤矿2502采区地应力测量结果序号测站名称埋深（m）垂直应力（MPa）最大水平主应力（MPa）最小水平主应力（MPa）最大水平主应力方向1第一测点436.8511.5821.4011.40N14.2°E2第二测点395.8610.4920.4011.30N19.7°E3第三测点497.7113.1925.5313.41N32.9°E4第四测点477.3112.6524.6613.02N25.4°E5第五测点448.8611.8921.4811.70N8.8°W3.2 巷道冲击矿压影响因素煤层顶底板影响。统计砚北煤矿上部急倾斜煤层段在采掘过程中冲击矿压发生情况可以看出，冲击矿压绝大多数发生在靠近煤层顶板的巷道，并且从1120水平地应力测试结果也可以看出，煤层顶板应力比煤层底板应力要大，因此，急倾斜煤层段冲击矿压的发生与煤层顶板有很大关系。地质条件变化。地质条件变化主要反映在煤层倾角的变化和构造方面，煤层倾角变化在150206工作面两巷的两个拐点处；构造变化在250206工作面切眼和250205工作面切眼附近，统计冲击矿压发生地点和巷道变形严重地段可以看出，绝大部分都发生在巷道两个拐点附近和向斜轴附近，其主要原因一是残余构造应力的影响，二是巷道拐弯造成应力集中。褶曲是岩层在水平应力挤压下形成的，一般情况下，对于巷道和采煤工作面来说，在褶曲的各个部位，出现的危险性是不一样的，如图所示，I区褶曲向斜部分，其应力铅直为压力，水平为拉力，最容易出现冒顶和冲击矿压；II区褶皱翼，这部分的应力，铅直和水平均为压力，最容易出现冲击矿压；III区褶皱背斜，其应力状态铅直为拉力，水平为压力，这部分也是最大矿山压力区域。 （3）煤层本身具有冲击倾向性。根据中国矿业大学岩层控制实验室关于砚北煤矿2502采区煤样冲击倾向性及围岩物理力学性质测试：砚北煤矿250205工作面纯煤样的单向抗压强度最大为21.0Mpa，最小为4.33 Mpa，平均10.58 Mpa煤样平均动态破坏时间为243ms，平均弹性能指数为8.06，平均冲击能指数5.41对比中华人民共和国行业标准MT/T174-2000,认为该工作面煤样具有强冲击倾向性。故2502采区煤层属于强冲击倾向性煤层。矿压显现形成的煤炮震动使锚杆支护的锚固效果有很大降低，巷道围岩产生位移，并且变的破碎、扩容，为巷道动力破坏提供了必要条件。根据工作面附近地质钻孔资料可知，煤层上部存在一层比较坚硬致密的砂岩顶板。在这种情况下，坚硬砂岩顶板容易聚积大量的弹性能，在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，容易形成强烈震动。 由于急倾斜煤层水平分层开采顶板冒落规律的特殊性，因此推测这层坚硬顶板没有充分冒落，形成一个倾斜的悬臂梁，在支撑点附近形成较大的应力集中，也是巷道发生冲击矿压失稳破坏的主要诱因。顶板的不规则活动。顶板的不规则活动是急倾斜煤层开采的一个特点，也是导致矿压显现明显的根本原因。急倾斜特厚煤层大段高开采，必然会形成大体积的采空区，顶板的破断运动对开采有着很大的影响，是下方煤体受力的主要来源。从现场来看，在巷道矿压显现较大的地方，许多锚杆、锚索都断裂或托梁被撕裂，因此存在支护强度不足的情况，这也是巷道发生破坏失稳的一个重要原因。采动应力的叠加作用矿井开采必然导致煤岩层应力重新分布。在煤岩层中开掘巷道、布置回采工作面，必将使巷道周围煤岩体发生应力集中。这些因采动而形成的应力叠加作用使煤岩层的应力集中程度进一步增加，从而增加了发生动压的可能性。 从砚北煤矿急倾斜煤层段的生产部署看，存在多水平多阶段同采同掘现象，这也是急倾斜开采的特点。在这样小的层间距和开采区域内，多水平多阶段同采同掘，回采工作面与掘进工作面之间的相互影响严重，开采活动造成工作面前方应力集中，集中应力可以通过煤体向下方传递。很容易形成采掘相互影响，造成应力叠加，煤岩体处于动态的应力变化状态之下，更加重了矿压显现的激烈程度，为动压的发生提供了应力条件，极易使煤岩体在极限受力状态下因受采动影响而发生冲击地压。高强度开采放顶煤开采使顶底板岩层悬臂长度增大，煤层和顶板岩层中储存的能量增加。当顶板岩层垮断时，释放的能量必然很大，从而使煤岩体发生冲击式破坏即冲击地压的发生。高强度放顶煤开采使顶底板岩层悬臂长度增大，储存的能量和垮断时释放的能量增加；综合分析，巷道发生冲击矿压失稳变形是以上多个因素共同作用的结果。第四章巷道危险预测和分析根据掘进工作面的来压现象和特点，在工作面实施电磁辐射监测、钻屑监测、微震监测、表面位移监测等手段，对危险区域进行监测、分析和预报。4.1电磁辐射监测电磁辐射监测原理煤岩体在受载变形过程中有不同程度的电磁辐射产生，电磁辐射强度与载荷有很好的一致性。随着载荷的增加，电磁辐射强度增加，强度越大，电磁辐射强度也就越大。在采掘行为的影响下，工作面前方煤体处于高应力状态裂隙裂缝快速发展，煤体电磁辐射信号较强，或者煤体处于逐渐增强的变形破裂过程中，煤体电磁辐射信号逐渐增强。电磁辐射和煤体的应力状态有关，应力高时，煤体变形破坏量大，电磁辐射信号也就越强。电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度，因此可用电磁辐射法进行煤层强矿压危险性预测。监测方法及测点布置电磁辐射每天由矿压防治队用电磁辐射仪器（KBD5型）在掘进工作面进行监测。监测采用定点监测的方法。定点监测的覆盖范围为掘进迎头及掘进迎头起往外60m范围内巷道两帮，每隔10m监测布置一个测点，总共13个监测点，随掘进前移（由掘进施工队制作电磁牌板113要求现场挂牌）。将监测结果与临界值（105mv）比较,确定工作面的危险状况。4.2钻屑法监测：钻屑法监测技术原理钻屑法是通过在煤层中打直径4250mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别强矿压危险的一种方法。 其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系，即其他条件相同的煤体，当应力状态不同时，其钻孔的煤粉量也不同。当单位长度的排粉率增大或超过标定值时，表示应力集中程度增加和矿压危险性提高。对于一定条件的煤体，在正常应力作用下，不同钻孔深度的煤体的应力状态是不同的，此时钻孔的煤粉量也不相同。当煤层的应力集中程度增加或应力状态异常时，钻孔的煤粉量将发生改变。根据煤粉量的变化，即可预测煤体的受力状态，并进一步预测矿压危险性。覆盖范围为掘进迎头起往外60m范围内，间隔10m布置一个测点，共12个测点。由掘进施工队在巷帮打钻孔检测钻粉量。钻孔布置于底板往上1.2m处，孔径42mm，孔深10m ，孔平行于层面，并垂直于巷帮。第二米起，分别记录每钻进1m时的钻粉量，并与临界钻粉量(1.75kg/m)进行比较，以确定危险状态。在钻孔施工过程中注意记录钻进过程中的钻孔动力效应，即钻孔动力现象。钻孔效应是钻孔产生的卡钻、吸钻、孔内冲击以及钻杆卡死、钻粉粒度变大等现象。如果钻粉量超过了临界钻粉量，或在打钻过程中出现卡钻、吸钻、孔内冲击以及钻杆卡死、钻粉粒度变大等现象时，说明此处存在强矿压危险，需要及时进行卸压处理。4.3 微震监测利用布设的微震监测系统，对工作面及附近发生的震动事件进行记录、分析，预测预报工作面附近的危险状况。第五章砚北煤矿掘进巷道冲击危险性区域预测受上分段采动影响的冲击危险区域预测根据监测结果，工作面的采动对下分段顺槽的影响区域集中在工作面后方30m至工作面推进前方100m所对应的位置，由于上分段采动引起的应力集中通过煤岩体向下方传递，因此导致下分段煤岩体也处于较高应力水平，即便下分段没有出现应力集中区域，但由于上方存在一定范围的高应力区，在特定的扰动条件下，也可能导致严重的动压事故。因此，该区域属于动压危险区域。拐点引起的动压危险区域预测受地质条件影响，在砚北煤矿井下顺槽存在拐点布置现象。现场可以容易看出，在拐点附近区域，由于受拐点的影响，巷道变形更严重，周围应力集中程度更高，几次较严重的动压事故均发生在拐点附近区域，根据现场观测，拐点影响范围约为前后200m，因此该范围属于动压危险区域，应加强支护，并在必要时采取解围措施，防治应力的高度集中导致动压事故的发生。褶曲构造引起的动压危险区域预测分析砚北煤矿2502采区冲击矿压发生的原因，不难发现它与位于采区东部呈北西南东南南的大的向斜构造有直接关系。正是形成这一大向斜的构造力的残余应力在煤岩体蓄积了大量的变形能。当煤岩体受到扰动或形成空间，给应力的释放提供了条件时，蓄积在煤岩体内的变形能就会瞬时释放，形成震动、冲击。因此接近2502采区向斜轴部的巷道掘进头属于动压危险区域。顶板来压引起的的动压危险区域预测在该煤层具有一定冲击倾向性的条件下，任何原因造成的应力增加都可以增加了冲击危险程度。应力集中的程度越高，冲击危险性越大。砚北矿开采煤层的顶板多为坚硬致密砂岩，在急倾斜特厚煤层水平分段综放开采或近水平特厚煤层分层综放开采条件下，顶板来压都将会对煤体应力产生较大的冲击，瞬间高度的应力集中将会导致冲击地压的发生。顶板来压影响区域属于动压危险区域，必须加强监测和防护工作。根据监测结果，如果监测数据显示异常，随时对有冲击危险性巷道区域进行爆破卸压。四、危险区域的解危卸压通过对来压机理和来压特征分析，我们从长期性方案、主动解危、组织管理等方面着手，对掘进工作面的矿压显现开展治理： 长期性解危5.1 在2502026工作面护巷煤柱设计时，做了护巷煤柱计算和数值模拟：护巷煤柱计算：护巷煤柱合理留设尺寸是煤柱受本区段工作面回采影响时能保持稳定的最小尺寸。而保持煤柱稳定的基本条件是保证采动引起的超前侧向支承压力峰值低于煤柱本身的极限抗压强度，使向深部扩展的巷道侧破裂区不与采空区侧破裂区贯通。即在煤柱中间保持一定宽度的弹性核区。通过理论计算得区段煤柱宽度B7.19m图5-2 煤柱侧向支承压力分布2）数值模拟：当煤柱宽度30m时，巷道受到明显的采动影响，导致顶板下沉量增加67mm，两帮移近量增加129mm。随着煤柱尺寸减小，巷道变形逐渐增加。当煤柱宽度为15m时，顶板下沉又增加了57mm，两帮移近量增加了141mm。当煤柱宽度10m时，与煤柱宽度15m时相比，顶板下沉量增加了8mm，变化不大；两帮移近量增加64mm，其中煤柱侧帮位移增加52mm，煤柱的剪切破坏深度为当煤柱宽度只有5m时，巷道顶板下沉量比煤柱宽度10m时反而降低44mm，两帮移近量增加了36mm，变化不大，煤柱全部发生剪切破坏。当煤柱宽度3m时，巷道顶板下沉量比煤柱宽度5m时降低28mm，两帮移近量也降低25mm，煤柱全部发生剪切破坏。模拟结果显示10m左右的煤柱是比较合理的。图5-1 煤柱宽度与巷道围岩变形的关系综合考虑理论计算和数值模拟结果及综放工作面的矿压显现情况，为了防止本区段工作面回采引起的超前支承压力使煤柱塑性区贯通，引起漏风和采空区发火，煤柱宽度确定为8m。5.2 锚杆支护：在250206工作面锚杆支护设计采用有限差分数值计算程序FLAC3D，进行多方案比较，最后得出合理的锚杆支护初始设计。巷道采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强。5.2.1 顶板支护锚杆形式和规格：杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24。锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为K2335，另一支规格为Z2360。钻孔直径为30mm，锚固长度为1675mm。W钢带规格：厚度4mm，宽280mm，长度5224mm。托板：采用拱型高强度托盘。锚杆角度：沿顶板法线方向。网片规格：采用菱形金属网护顶。锚杆布置：锚杆排距800mm，每排7根锚杆，间距835mm。锚索形式和规格：锚索材料为f17.8mm，1´7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7.3m，树脂加长锚固，采用一支K2335和两支Z2360树脂药卷锚固，锚固长度1500mm。锚索布置：五花布置锚索，每排1.5根，锚索安装在两排顶板锚杆中间。用14b型槽钢（宽140mm，厚8mm）作为托梁，长度300mm，中心钻¢20mm孔。内置12mm厚钢板加强。5.2.2 巷帮支护锚杆形式和规格：杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.2m，杆尾螺纹为M24。锚固方式：树脂加长锚固，采用一支K2335和一支Z2360锚固剂锚固。钻孔直径为30mm，锚固长度1675mm。W钢带规格：厚度4mm，宽280mm，长度2400mm。托板：采用拱型高强度托盘。网片规格：采用菱形金属网护帮。锚杆布置：锚杆排距800mm，每排每帮4根锚杆，间距为760mm。锚杆角度：锚杆垂直巷帮，底角锚杆与水平线呈10度角。5.3主动解危当危险区域在掘进迎头时，在断面中部、平行巷道走向，底板往上1.6m处打卸压爆破孔。采用煤电钻施工，钻孔深度1020米，孔径为42mm，每孔采用反向装药，装药量3 10kg采用3个炮头，炮线孔内串联，炮泥封孔长度不得小于4m。当危险区域在后巷时，在巷道两帮实施放炮卸压措施，爆破孔每隔5m布置巷道两帮，距底板往上1.2m，眼垂直巷帮。钻孔深度10米。每孔采用反向装药，装药量3kg（20码），采用3个炮头，炮线孔内串联，孔间串联。每孔炮泥封孔长度不得小于4m，要求35个炮眼同时爆破。对高应力危险区域按照上述方法实施反复卸压。5.4 劳动组织管理针对掘进工作面的来压现象及特征，在掘进过程中，制定了切实可行的防护措施：掘进机割煤时，人员要撤到茬面后20米外，并设立警戒。锚索要紧跟茬面，对帮部压力大的区域，采用3.5米的锚索实施补强支护；对后巷压力大的区域使用抬棚加强支护。进入工作面的所有人员要穿戴防震服。第六章结论与建议通过大量的理论研究与现场实践工作，对砚北煤矿掘进巷道动压现象的发生机理取得更进一步的认识，并掌握了一套行之有效的动压预测与防治方法。研究与实践结果表明：实验研究表明，砚北煤矿煤5层及其顶板均具有较强冲击倾向性。根据所掌握的砚北煤矿动压资料，认为发生动压的重要力源条件是褶曲构造造成的局部应力集中和坚硬顶板不规则冒落形成的悬臂梁造成的应力集中，是发生动压现象最根本原因。砚北煤矿动压现象主要采用的监测方法有：煤粉钻孔法、电磁辐射监测法、微震监测法和声发射监测法等。此外，在研究过程中还利用FLAC3D软件对应力场进行数值模拟，为监测预报提供了可靠的补充手段，预测效果更为理想。砚北煤矿主要通过对顶板实施卸载爆破的方法来防治动压灾害的发生。现场实践表明，对顶板的爆破处理可以改变顶板的物理力学性质并使顶板岩石及时垮落，降低并转移煤岩体的应力集中，进而降低了动压危险。对防治动压灾害至关重要，此方法需坚定执行。锚杆支护是防止巷道动压现象的有效支护形式，可以有效避免动压现象的发生或减小其破坏程度。对于动压危险巷道，宜加大支护强度和支护的整体性。可采用超高强锚杆、强力锚索、可压缩锚索托盘，加大锚杆支护预紧力，对巷道底板应采取加固措施。动压现象是矿压显现的特殊形式，在具有冲击倾向性的巷道掘进过程中，积极采取预测和防治措施并加强巷道支护，动压事故是可以避免或减弱的。动压灾害的防治并不是采用某一种方法就能完全解除的，需要采取综合的防治措施。动压灾害的治理工作必须从勘探、地质、设计、巷道布置、掘进、回采等方面做工作。动压灾害的预测和治理必须采用多种措施进行综合预测和综合治理。在以后的工作中，必须坚持科学的态度，实事求是做好防治动压灾害相关工作，减轻动压灾害所造成的危害，保证安全生产。鉴于砚北煤矿对掘进巷道冲击矿压的认识和研究尚处于初级阶段，对后期冲击矿压研究和现场工作提出如下建议：国内外针对急倾斜特厚煤层分段开采矿压显现的研究取得了一些成效，但该条件下动压现象的发生机理还有待进一步分析。因此要继续探讨急倾斜特厚煤层条件下动压现象的孕育机理。与此同时，探讨急倾斜条件下坚硬厚顶板与动压现象发生的关系也尤为重要。动压灾害仍是世界难题,并不是采用某一种方法就能完全解除动压现象的发生。因此，仍需采取动压综合治理措施。本文给出了砚北煤矿动压防治的相关方案，防治方案及其相关参数需要根据现场实际条件和实际应用情况作进一步修正，从而达取得更为理想的动压防治效果。煤矿动压现象是极其复杂的岩石力学理论问题和工程问题，影响动压发生的因素复杂多样，认识动压发生的机理及其有效预测和防治具有相当的难度。但是只要坚持科学的态度，实事求是做好相关工作，减轻动压危害，保证安全生产是完全可能的。要解决动压问题，需要有针对性地开展一系列的研究和实践工作，同时也需要加大人力、物力和财力的投入。在动压预测与治理方面，要坚持预测预报与治理并重的原则，将预测与治理系统化、科学化，求其实效性，以减少盲目性,追求防治措施的可靠度和防治效果的最大化。参考文献1张周权，吴兴荣，陈立高.2009.煤矿冲击矿压控制技术2窦文名，何学秋.2001.冲击矿压防治理论与技术.3郭金明，张登明.2007.采煤概论.电子邮箱：675189721 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