古城矿850水平冲击矿压防治专向设计.docx
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古城矿850水平冲击矿压防治专向设计
古城煤矿
-850m水平冲击矿压防治
设计说明书
山东东山矿业公司古城煤矿
2005年5月20日
一、矿井慨况
山东东山矿业有限责任公司古城煤矿,地处兖州市东北郊,曲阜市以西,南邻327国道,东依泗河,坐标位置为东经116°50′12″~116°54′00″,北纬35°33′12″~35°36′10″,交通便利,地理位置优越。
矿井采用立井暗斜井多水平开采的开拓方式,采用倾斜长壁采煤法和走向长壁采煤法。
采用综采放顶煤工艺,一次采全高全部跨落法管理顶板。
二、水平范围及生产情况
-850m水平上部以-505m水平(11、12、13采区)及单家村煤矿为界,下部至井田边界(-1200m),南部至F5断层及井田边界,北部至井田边界(包括小井区),走向长6.5KM,倾斜宽1.2-2.1KM,面积为24.5KM2。
该水平共设计有21、22、23、24、25和小井区共5个采区。
1、生产情况
该水平21采区于2003年开始投入生产,目前该采区的2105工作面和2102工作面已回采结束,正在回采的2106综放工作面是21采区第三个综采放顶煤工作面。
2、冲击地压情况
2105工作面和2102工作面在回采过程中冲击地压均不明显,仅有少量煤炮声,对工作面回采影响不大。
2106工作面于2004年11月25日2106轨道顺槽距工作面4~23m范围内,较大煤炮声,工作面侧第4、12、13、16、20棵支柱折断,条带煤柱侧第20棵支柱折断;扬起大量煤尘,顶板有下沉、煤帮有移近。
随后,在回采过程中又多次发生冲击地压事故,造成了支柱不同程度折断、弯曲及巷道变形损坏。
三、冲击地压原因分析
1、随着开采深度的增加,煤层中的自重应力随之增加,煤岩体中聚积的弹性能也随之增加;开采深度越大,冲击矿压发生的可能性也越大(见图1),当深度H≤350m时,当采深在500~700m以上时,冲击矿压危险急剧上升。
目前古城矿21采区采深已超过1000米,原始垂直应力已达25Mpa,故发生冲击的危险性很大。
图1采深与冲击矿压的关系
2、根据煤炭科学院北京开采所以及中国矿业大学所做的煤层冲击倾向性鉴定结果可知,3煤在煤层冲击倾向性分类中属于3类,为具有强冲击倾向性的煤层;3煤的煤样呈脆性破坏,说明它具有瞬间释放大量能量的性质;而顶底板在岩石冲击倾向性分类中属于2类,为具有弱冲击倾向性的岩层,同时都具有较高的单轴抗压强度,因此,该煤层为强冲击性。
3、煤层厚度较大,平均8.5m,为厚煤层。
根据统计分析,冲击危险程度与煤层厚度及其变化紧密相关。
煤层越厚、变化越大,冲击矿压发生得越多,越强烈。
4、该采区煤层顶板为中粒砂岩的坚硬顶板,其厚度达到20m以上。
坚硬顶板容易积聚弹性能。
四、开采方案调整
(一)、开采方法调整
1、改变原来集中开采的方法,加快13采区的掘进速度,使13采区尽快投入生产,改变原来多个工作面在同一水平同时开采的现象,另外采取分散布置工作面的开拓方案,加快-850水平北翼22、23采区的开拓和深部31、32采区的开拓,改变原来21采区两个工作面同时生产的局面。
将南翼的2100、2101工作面加大推进长度,采用跨-850大巷开采,尽量减少煤柱,人为地消除了煤柱的冲击威胁,同时减少了初采、初放、撤面期间的冲击威胁。
2、开采程序、开采方法的调整。
将原来的走向条带开采改为倾斜条带开采,使工作面推进方向平行于断层走向,避免了工作面过断层期间,发生冒顶带来的冲击。
3、淘汰了悬移支架,由轻放支架逐步过渡到综放支架,并且加大综放支架的初撑力。
据统计,90%的冲击发生在顶板来压期间,所以积极推广应用综放技术。
其优点是:
综放支架强度大,造成以综放面为中心的椭圆形应力衰减区较其它方法开采时大,综放开采的破碎带裂深高度增大,其采空区冒落较充分,这就是综采面采动影响范围大,但工作面来压强度小,来压步距改变的重要原因。
工作面沿煤层底板布置,液压支架稳定性好、支护强度大、工作面采用采煤机割煤且顶板来压对工作影响较小,有利冲击煤层的安全开采。
(二)、回采巷道设计的调整。
古城煤矿的煤层倾角12~26o左右,由于地层建筑物较多,村庄较密集,采用条带式开采。
-760m水平以上基本上沿走向布置条带,工作面为倾斜布置;-850m水平工作面为倾斜方向布置,这种布置方法减小了工作面的角度,一般按10o以下设计,有利于支架、运输机防滑。
两顺槽均沿煤层底板布置,其顶板为煤层,受煤层顶板的影响较小,有利于冲击地压的治理。
五、冲击地压预测预报设计
在采掘活动过程中必须对施工地点进行冲击地压预报、预测,以便及时采取措施。
(一)、工作面矿压观测
工作面初采期间进行矿压观测。
由于冲击地压一般发生在顶板来压期间,因此用矿压监测法主要监测预报工作面初采期间直接顶初次垮落、老顶初次来压及正常推采期间的周期来压,并找出局部应力集中区,从而预报工作面的冲击危险。
1、测区布置及观测内容
根据回采工作面顶板来压规律,在工作面上、下部10m及工作面中部各布置一个测区,测量活柱缩量、顶底板移近量进行循环观测及顺槽单体支柱活缩量。
2、实施步骤
工作面初采就开始设点观测,观测经历初次来压、三次周期来压。
3、劳动组织及观测仪器
分三班观测,每班观测二次。
使用DY-40型支柱阻力检测仪、2m钢卷尺进行观测。
(二)、电磁辐射监测设计
1、用KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪对回采工作面两条顺槽进行监测。
监测方式采用定点监测和普查相结合的方式,即对工作面两条顺槽超前150m范围采用定点监测,定点监测时间为每天或每班监测一次,每个点测量时间2分钟。
监测指标为电磁辐射幅值最大值、幅值平均值、脉冲数等。
其测点布置为每10m一个,即自工作面煤壁向外10,20,30,……15000m处各布置一个测点(见图2)。
图2电磁辐射仪监测点布置图
2、当掘进工作面出现压力变大、煤炮频繁时,用KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪异常区域进行监测。
监测方式采用定点监测,即对掘进头处50m范围内监测,每点测量时间2分钟。
监测指标为电磁辐射辐值最大值、脉冲数两个指标。
随时推进在掘进头附近加设测点。
其测点布置为每10m一个,自掘进头向外10,20,30,40,50m处各布置一个测点(见图3)。
图3掘巷过程电磁辐射测点布置
(三)钻屑量检测
1、监测地点:
对煤帮冲击地压危险区域和电磁辐射法监测的同时,量测钻孔中的煤粉量,以确定和分析应力的大小和危险的程度。
2、检测孔布置:
钻孔直径42mm,孔深8m,间距5m,孔距底板1.2m左右,单排布置,钻孔方向为平行于煤层,垂直巷帮(见图4、5)。
图4钻孔布置纵剖面图5钻孔布置横剖面
3、检测内容:
主要检测每米钻孔的钻屑量,另外还需记录卡钻、孔内冲击等情况,
4、实施方法:
采用帮锚杆钻机打眼,螺纹式联接的麻花钻杆,每节长1.0米,φ42mm的钻头,钻孔的深度为8米。
用胶结袋收集钻出的煤粉,用1升的容器称量煤粉的体积,每钻进1m测量1次钻屑量。
用专用表格记录打眼地点、时间、钻屑排出量,以及打眼过程中出现的钻杆跳动、卡钻、劈裂声和微冲击等动力现象。
5、每一个施工地点在施工前,必须对该施工地点的钻屑量临界值进行确定,以标准煤粉量的1.5倍作为临界煤粉量指标。
标准钻粉量是在支承压力影响带范围以外测得的煤粉量。
测定煤层标准钻粉量时,钻孔数不应少于5孔,并取各孔每米煤粉量的平均值作为标准煤粉量。
6、在施工过程中,如果检测到的煤粉量超过以上临界指标,或出现卡钻、吸钻、异响等动力现象,应认为煤体处于临界危险状态,必须立即采取解危措施。
六、冲击危险性解危设计
(一)、危险性区域及效果对比
1、对定点观测的区域,如果钻屑法检测或电磁辐射已处于临界危险状态,必须将两者检测结果进行对比,如果确认处于危险状态必须采取解危措施。
2、在实施松动卸压爆破等解危后,要对实施卸压爆破的区域或地段进行卸压爆破前后的检测,并将检测结果进行比较,以确定卸压爆破的效果。
3、在实施解危措施后,仍然要坚持用两种监测方法进行监测。
若出现危险状态,必须再采取解危措施。
(二)、卸压爆破
采用煤电钻、麻花钻杆配合φ42mm钻头施工。
炮眼距底板1.2m,眼深10m,间距4~5m,单排布置,炮眼角度平行于底板、垂直于煤帮。
封孔长度4m,装药长度5.0m,装药量为3.5kg,爆破采用煤矿安全许用水胶炸药、毫秒延期第一段电雷管配合FMB-200型发爆器起爆。
一个炮眼中采用4个炮头,一次爆破5个钻孔,联线方式,孔内并联,孔间串联(见图6)。
图6卸压爆破炮眼布置图
(三)、煤层注水
煤层注水是一种区域性的冲击地压治理措施,对工作面实行全面超前注水、均匀提高煤体含水率,减弱了煤体的冲击倾向性能,有利于降低煤体的应力集中程度。
1、注水孔布置在上顺槽下帮、下顺槽上帮,孔距10~20m,孔深:
达到工作面斜长2/3以上,顺槽内第一个注水孔距切眼15m。
下帮注水孔孔口距底板0.2m左右,上帮注水孔孔口距底板1.6~2m。
上顺槽注水孔注水量不小于100m3,下顺槽注水孔注水量不小于230m3。
2、注水孔采用煤层注水泵高压注水,超前注水时间20天,含水率达到4%以上。
注水压力按规定应达到6~12MPa。
3、当含水率达到要求时,可停止注水。
(四)、老顶强制断裂
当对巷道实施卸压爆破和煤层注水后,对冲击地压防治效果仍不明显,则对工作面老顶强制断裂,钻孔深度和装药量根据顶板厚度的实际情况确定。
七、开采冲击危险程度的分级
(一)冲击危险程度的分级
根据原煤炭工业部(【87】煤生字第337号)《冲击地压煤层安全开采暂行规定》,工作地区按冲击危险程度分为三级:
Ⅰ级(严重冲击危险区):
必须立即停止作业进行解危处理的地区。
Ⅱ级(中等冲击危险区):
需要进行解危处理的地区。
Ⅲ级(无冲击危险区):
可以正常工作的地区。
严重冲击危险区与中等冲击危险区统称为有冲击危险区。
(二)冲击危险区域
1、Ⅰ级(严重冲击危险区)
(1)采空区周围
A、回采工作面切眼及上下顺槽,从切眼向外30m走向范围内。
B、回采工作面上顺槽自切眼开采到停采线范围内。
(2)采掘工作面通过上层或上部遗留煤柱及其它应力集中区
A、工作面及其上下顺槽,距停采线50m走向范围内的构造区。
B、工作面开采时在初次来压及周期来压期间为应力集中区。
(3)采煤工作面的超前压力影响
回采工作面自切眼开采向前60m超前压力影响范围内的工作面上下顺槽。
(4)断层或其它大型地质构造附近
(5)被大量巷道分割的的煤层
(6)同时开采的两个以上采煤工作面应力叠加区
(7)本煤层中开采边界和残留煤柱的影响区
(8)相向推进的采煤工作面之间的煤柱
(9)孤岛采煤及回收煤柱
2、Ⅱ级(中等冲击危险区)
除Ⅰ级(严重冲击危险区)外,经监测确认的有冲击危险的其它区域。
3、Ⅲ级(无冲击危险区)
除Ⅰ级(严重冲击危险区)和Ⅱ级(中等冲击危险区)以外的可以正常工作的地区。
(三)工作面错距设计
根据中国矿业大学的古城矿数值三维模拟报告,冲击地压当两工作面同向推进到距离小于250m时,老顶上方垂直应力产生叠加,此时发生冲击矿压的概率非常大。
所以,如果两工作面要同时开采的话,两工作面错距至少在250m以上,否则发生冲击矿压的可能性很大,建议对于这样的单工作面开采都存在强冲击倾向的煤层地质状况,不要采用两工作面同时开采。
八、防护措施
(一)掘进方面
1、巷道应采用锚杆支护,避免使用金属钢性支架,如必须使用时,必须用铁丝将棚头、棚腿固定在顶网及帮网上,每根梁或腿至少拴两道,防止冲击倒棚伤人,
2、扒装机两侧避免有人逗留。
3、迎头后60m范围严禁使用铁管,应全部使用软管,机电设备要用细钢丝绳固定在锚杆上,严禁存放铁质物料。
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