礦井噴鉆、卡鉆的形成原因及預(yù)防

1.影響煤體采動(dòng)應(yīng)力的指標(biāo)這是對(duì)受地壓影響的礦山的初步預(yù)測(cè)方法。對(duì)于具有區(qū)位風(fēng)險(xiǎn)的礦山，在設(shè)計(jì)、布局和選擇采礦方法方面具有重要的指導(dǎo)意義。影響地壓的地質(zhì)方面的因素主要有以下幾個(gè)方面:煤層的傾向性、開采深度、頂板中堅(jiān)硬厚巖層距煤層的距離、開采區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力集中、頂板巖層厚度特征參數(shù)等。W1:該煤層是否發(fā)生過地壓,是判斷危險(xiǎn)程度最重要的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。如該煤層從未發(fā)生過地壓,證明在以往開采技術(shù)條件下,此煤層地質(zhì)條件不利于地壓發(fā)生,指數(shù)取-2。如該煤層中多次發(fā)生地壓,而預(yù)測(cè)區(qū)域仍采用同種作業(yè)方式采掘,則地壓發(fā)生的概率較高,指數(shù)取3。W2:開采深度影響。開采深度決定了垂直應(yīng)力的大小,是影響危險(xiǎn)程度的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及煤層傾向性測(cè)定結(jié)果,當(dāng)采深小于500m時(shí),W2取0。將指數(shù)與深度的關(guān)系擬合成線性函數(shù),以使指數(shù)的可以連續(xù)變化。W3:頂板中堅(jiān)硬厚巖層距煤層距離。頂板堅(jiān)硬巖石破斷釋放的巨大能量是誘發(fā)地壓的主要因素一。堅(jiān)硬巖石距離開采煤層越近,危險(xiǎn)性越大。為使W3指標(biāo)連續(xù)變化。W4:工作面距殘留區(qū)或停采線的垂直距離。殘留區(qū)或者停采線相當(dāng)于煤柱,如果工作面推到殘留區(qū)或者停采線附近這塊煤就是一個(gè)更小的孤島,集中應(yīng)力會(huì)更大,在停采線附近危險(xiǎn)會(huì)變得大。W5:未卸壓一次采全高的煤厚。沒有卸壓煤層厚度越大越容易發(fā)生地壓危險(xiǎn)。W6:煤的抗壓強(qiáng)度。煤體自身的特性是影響危險(xiǎn)程度的主要因素,煤體強(qiáng)度越大,煤體內(nèi)積聚的彈性能就越多,容易發(fā)生較大規(guī)模的。當(dāng)煤的強(qiáng)度很小時(shí),如小于5MPa,如果是高瓦斯煤層,則又容易發(fā)生突出。因此,煤的抗壓強(qiáng)度對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的影響呈現(xiàn),兩邊高中間低的規(guī)律,如下圖。W7:煤的能量指數(shù)。煤的能量指數(shù)是表達(dá)煤體傾向性的最直接指標(biāo)。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的煤體的能量指數(shù),并得出其與危險(xiǎn)指數(shù)的函數(shù):W8:接近采空區(qū)和煤柱的距離。接近采空區(qū)或者煤柱的區(qū)域應(yīng)力集中,危險(xiǎn)加大。接近采空區(qū)或煤柱的距離小于50m,工作面取3,煤柱取2。W9:兩側(cè)采空的工作面斜長(zhǎng)。兩側(cè)采空工作面為孤島工作面,這就形成開采引起的集中,孤島工作面斜長(zhǎng)越短,應(yīng)力集中就越明顯。W10:瓦斯作用影響。大量的研究成果表明,瓦斯壓力對(duì)煤體強(qiáng)度、煤體裂紋擴(kuò)展有重要影響,同時(shí),瓦斯壓力也是影響突出發(fā)生的重要指標(biāo),因此將瓦斯壓力引入綜合指標(biāo)體系中。W11:距開采集中應(yīng)力區(qū)距離。開采引起的集中應(yīng)力可能會(huì)達(dá)到原巖應(yīng)力的2～5倍,距開采集中應(yīng)力越近,危險(xiǎn)程度就越大。2.動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)根據(jù)動(dòng)力災(zāi)害動(dòng)力源分析,有針對(duì)性地提出相關(guān)預(yù)防及治理措施。確定李雅莊礦應(yīng)實(shí)行“合理規(guī)劃采掘布置方式,推進(jìn)保護(hù)層開采、加強(qiáng)局部防沖措施、強(qiáng)化重點(diǎn)部位防沖措施,實(shí)施防沖防突一體化的綜合防治和管理體系”的綜合一體化防治地壓等動(dòng)力災(zāi)害的技術(shù)措施。根據(jù)李雅莊礦動(dòng)力災(zāi)害實(shí)際情況,提出李雅莊煤礦動(dòng)力災(zāi)害解危措施包括:煤層注水、卸壓爆破等措施。2.1煤層注水2.1.1煤體含水率的測(cè)量條件大量實(shí)踐和研究表明,煤層注水是防治地壓的有效措施。煤層注水是通過增加煤層含水率或煤層中水的飽和度來(lái)改變煤巖變形狀態(tài),使其不發(fā)生失穩(wěn)破壞,從而避免地壓的發(fā)生。煤層注水防治地壓的方法簡(jiǎn)易、價(jià)廉、適應(yīng)性廣,同時(shí)具有降塵、降溫及軟化煤層功用,一舉數(shù)得,可以作為地壓防治的首選措施。煤系地層巖層的單向抗壓強(qiáng)度隨著其含水量的增加而降低,其關(guān)系可用下式表示,見圖7。式中:w0——強(qiáng)度最大時(shí)的含水量;a,b,c——系數(shù)。同樣,煤的強(qiáng)度與傾向指數(shù)WET也隨煤的濕度的增加而降低,見圖8。在所有的情況下煤的傾向指數(shù)與煤的濕度增量(含水率)的關(guān)系可用下式表示:式中:WET——注水后,煤層傾向性指數(shù);WET0——自然狀態(tài)下煤層傾向性指數(shù);ΔW——含水率。由圖9可知,隨著試樣含水率的增加,試樣單向抗壓強(qiáng)度減小,彈性模量減小,泊松比增大。當(dāng)達(dá)到飽和含水率時(shí),抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比趨于定值。表明煤被水濕潤(rùn)后其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。這種變化由兩個(gè)原因引起:(1)水及某些含陽(yáng)離子的溶液具有降低巖石顆粒間表面能的能力,因而降低了煤的破裂強(qiáng)度,這種現(xiàn)象稱為“軟化”;(2)由于裂隙的增加與擴(kuò)展,降低了煤的強(qiáng)度,造成煤的彈性性質(zhì)的差別。通過以上分析可知:煤層注水確實(shí)能夠改善煤體物理力學(xué)性質(zhì),達(dá)到防治地壓的目的。但煤層注水是否可行,能否達(dá)到預(yù)期效果,必須考慮煤層注水的難易程度。煤層注水的難易程度即煤體濕潤(rùn)的難易程度,其含義是水是否容易進(jìn)入煤體的裂隙、孔隙,同時(shí)還要考慮到水是否容易從煤體的部分裂隙中泄漏流失。如果水很難進(jìn)人煤體的裂隙、孔隙,或水很容易從煤體的裂隙中泄漏流失,都將給注水帶來(lái)困難或達(dá)不到預(yù)期效果。因此,掌握表征煤層注水難易程度的指標(biāo)十分重要。2.1.2澆注時(shí)間及澆注速率煤層注水工藝包括確定注水工藝參數(shù),選擇注水設(shè)備兩大內(nèi)容。注水工藝參數(shù)主要有注水半徑、注水時(shí)間、注水孔封孔長(zhǎng)度、注水壓力等。由圖10可見,注水時(shí)間隨注水半徑增大而迅速增加,隨注水壓力增大而迅速減小。為縮短注水時(shí)間,可減小注水半徑,但需要增加注水孔數(shù)量;如果增加注水壓力,又受到注水泵功率的限制。所以應(yīng)選擇合理的注水時(shí)間,既不增加太多的注水孔又使泵壓不太高,達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的。如果選擇注水時(shí)間為一天,則注水壓力與注水半徑的關(guān)系如圖10(c)所示。注水時(shí)間確定后,可根據(jù)注水泵的壓力決定注水半徑,進(jìn)而計(jì)算注水孔間距L=2R。注水時(shí)間不超過一天,則注水半徑應(yīng)不大于6m。2.2抗壓破裂試驗(yàn)2.2.1震動(dòng)卸壓爆破震動(dòng)爆破是一種特殊的爆破,它與爆破落煤不同。震動(dòng)爆破的主要任務(wù)是炸藥爆破后,形成強(qiáng)烈的波,使得巖體震動(dòng)。震動(dòng)爆破要使振動(dòng)范圍最大,甚至是整個(gè)工作面全長(zhǎng);在裝藥量一定的情況下,震動(dòng)效果最好。震動(dòng)爆破有振動(dòng)卸壓爆破、震動(dòng)落煤爆破、震動(dòng)卸壓落煤爆破和頂板爆破幾種。在采煤工作面及上下兩巷,震動(dòng)爆破能最大限度地釋放聚積在煤體中的彈性能,在采煤工作面附近及巷道兩幫形成卸壓破壞區(qū),使壓力升高區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。震動(dòng)爆破的合理布置及合理的裝藥量,不僅可形成巖體震動(dòng),還在一定程度上形成煤體的松動(dòng)帶,且落煤方便。合理的鉆孔布置應(yīng)使炸藥爆炸后,形成的彈性波以合理的方向傳播,使得炸藥爆炸形成的壓力與開采形成的壓力疊加,超過其極限狀態(tài),使巖體卸壓或引發(fā)地壓。這樣,震動(dòng)卸壓爆破的效果最好。鉆孔中合理布置炸藥,可有效經(jīng)濟(jì)地引發(fā)爆炸能,并最大限度地將其傳播給周圍巖體,以達(dá)到卸壓,將應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移的目的。炸藥的布置應(yīng)從煤層內(nèi)應(yīng)力最高點(diǎn)開始向里,而外部全部用炮泥封孔。因應(yīng)力集中地點(diǎn),煤層的密度最大,這樣可擴(kuò)大塑性區(qū),將應(yīng)力最高點(diǎn)向深部轉(zhuǎn)移。2.2.3爆破孔孔的布置對(duì)于回采工作面,工作面前方15m左右是采動(dòng)峰值壓力帶,為了使其向煤體深部轉(zhuǎn)移,采取深孔爆破方法。該方法的機(jī)理是使爆破孔附近一定范圍的煤體產(chǎn)生裂隙,改變煤體結(jié)構(gòu),消除和減輕爆破區(qū)段的應(yīng)力集中程度,并使采動(dòng)峰值壓力向煤層深部轉(zhuǎn)移,以及對(duì)遠(yuǎn)離爆破孔的煤巖體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)擾動(dòng)或者誘發(fā)已高度集中的應(yīng)力提前按照設(shè)計(jì)的意愿釋放,達(dá)到消除、減輕和誘發(fā)突出和的目的。爆破孔深度按下式計(jì)算:式中:L——煤層卸載爆破的深度,m;M——采高,m;A——工作面一個(gè)正規(guī)循環(huán)推進(jìn)度,m。卸壓爆破鉆孔平行煤層走向方向施工,深度不小于16.5m,孔徑89mm;每循環(huán)保留不少于3.5倍采高的保護(hù)帶?？拙?0m,風(fēng)巷向下、機(jī)巷向上各留20m不布置爆破孔。每孔裝藥12卷(330g/卷)水膠炸藥,三個(gè)毫秒電雷管;單孔雷管并聯(lián),孔與孔之間串聯(lián);孔底裝藥,向外依次裝水炮泥、砂,外口封黃泥。驗(yàn)炮時(shí)間不少于30min,4h內(nèi)不作業(yè)(見圖11)。2.2.3.2.3卸壓爆破前后巷道圍巖應(yīng)力及l(fā)d性能課題組之前在平煤十一礦做過的一次卸壓爆破效果檢驗(yàn):(1)采面正常工作循環(huán)卸壓爆破前后的采面S值對(duì)比測(cè)試在工作面未見顯著來(lái)壓情況下,執(zhí)行常規(guī)的卸壓抽放和卸壓爆破前,測(cè)得一組每米鉆屑量檢測(cè)S值,孔深10m,孔徑45mm。數(shù)據(jù)顯示,采面中部和風(fēng)巷一側(cè)鉆屑量較大,指示的是兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū),峰值應(yīng)力位于6m～8m區(qū)間(見圖11)。卸壓爆破后的數(shù)據(jù)顯示,鉆屑量總體下降且分布均勻了許多,高值區(qū)向10m以外的深部轉(zhuǎn)移,盡管風(fēng)巷一側(cè)鉆屑量仍然較大,但量值也降了許多。這些信息指示出,卸壓爆破后,采動(dòng)應(yīng)力趨于均勻,并有效的轉(zhuǎn)移到了超前10m以外,表明卸壓爆破效果顯著。但風(fēng)巷一側(cè)仍是相對(duì)應(yīng)力集中區(qū)(見圖12)。(2)采面正常工作循環(huán)卸壓爆破前后的巷道S值對(duì)比測(cè)試采面卸壓爆破前后,在機(jī)、風(fēng)兩巷超前采面10m開始,各布設(shè)6個(gè)鉆孔,孔距10m,孔深10m,孔徑45mm,進(jìn)行鉆屑指標(biāo)對(duì)比檢測(cè),考察采面卸壓爆破對(duì)兩巷的影響。采面卸壓爆破后,采面超前10m～40m、兩巷幫8m孔深范圍的鉆屑量顯著高于采面卸壓爆破前,已經(jīng)達(dá)到和超過了S值危險(xiǎn)臨界指標(biāo),6m～7m孔深段尤為顯著。表明采面內(nèi)部的應(yīng)力除向前方轉(zhuǎn)移外,還向兩順槽巷幫轉(zhuǎn)移。由此提示我們,采面卸壓爆破時(shí)需要注意巷幫的安全,留有足夠的安全屏障和充足的躲炮時(shí)間?；诖嗽?將此前采面卸壓爆破的“風(fēng)巷向下、機(jī)巷向上各留10m不布設(shè)爆破孔”修改為20m寬度,增大巷道的安全屏障。3.煤的應(yīng)力釋放與煤層質(zhì)量關(guān)系通過李雅莊礦動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防及治理措施分析,認(rèn)為地壓的防治應(yīng)遵循以下原則:1)盡量避免高應(yīng)力區(qū)的形成或在高應(yīng)力區(qū)布置采掘工作。調(diào)整開采順序,調(diào)整采區(qū)和工作面布置,實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采,避免形成應(yīng)力高度集中。2)保證與最大地應(yīng)力方向平行采煤或掘進(jìn)。調(diào)整開采方向,降低危險(xiǎn)性和危害程度。實(shí)踐表明,地應(yīng)力的方向與大小與地壓的發(fā)生具有密切的關(guān)系,當(dāng)采煤工作面或掘進(jìn)工作面的前進(jìn)方向與最大地應(yīng)力方向呈垂直或較大角度相交時(shí),工作面發(fā)生的危險(xiǎn)性和危害程度將大大增加。這已在北京門頭溝煤礦、棗莊陶莊煤礦和甘肅華亭煤礦的地壓防治實(shí)踐中得到驗(yàn)證。3)擴(kuò)大應(yīng)力釋放范圍,以降低應(yīng)力集中程度與應(yīng)力釋放速度。煤礦開采必然導(dǎo)致煤巖層應(yīng)力的重新分布與釋放,當(dāng)這種分布過程與釋放過程導(dǎo)致煤巖層的失穩(wěn)破壞或非穩(wěn)定破壞時(shí),發(fā)生地壓的可能性將大大提高。例如,在厚煤層開采條件下,如果采用分層開采,沿頂分層采煤時(shí),發(fā)生的危險(xiǎn)性最大,如果采用放頂煤開采方法采煤時(shí),則支架上方頂煤的變形與破壞使煤層中的能量能夠及時(shí)地釋放出來(lái),降低煤層中能量的存儲(chǔ),從而可降低采煤工作面發(fā)生的危險(xiǎn)性。4)控制煤層存貯能量的條件。對(duì)煤層實(shí)施卸壓鉆孔、切槽、卸載爆破等,以改變煤體承載能力,使應(yīng)力集中程度下降,并使煤體應(yīng)力峰值向煤巖體深部轉(zhuǎn)移,增加阻力、降低危險(xiǎn)性或誘發(fā)。5)控制頂板能量的突然釋放與加載。頂板的可控垮落實(shí)質(zhì)上就是改善煤巖層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)條件,因?yàn)轫敯逯写鎯?chǔ)著大量的能量,特別是堅(jiān)硬難冒頂板。對(duì)頂板實(shí)施定向斷裂,可改變工作面周圍煤巖層的應(yīng)力分布,使煤巖體中存儲(chǔ)的能量能夠及時(shí)、有效地以穩(wěn)定破壞的形式釋放出來(lái)。6)改善底板中的支承能力并加大煤層和頂板的變形。對(duì)底板進(jìn)行切槽卸壓,使煤層底板能及時(shí)破壞,可促使煤層和頂板巖層的變形加大,其彈性變形能的消耗也將增加,從而避免煤巖層中能量的高度集聚與突然釋放。7)優(yōu)先開采無(wú)傾向性和無(wú)危險(xiǎn)煤層。通過首先開采無(wú)或弱煤層,可使具有危險(xiǎn)煤層的應(yīng)力條件得到改善,從而使危險(xiǎn)煤層在采煤過程中危險(xiǎn)性下降。8)最大限度地降