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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

窦林名团队构建孤岛工作面冲击危险防范解危体系

2018-11-29

  随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加,矿井各类煤岩动力灾害日益加剧。其中,冲击矿压已经成为严重制约煤矿安全高效开采的主要灾害形式。


  随着对冲击矿压发生机制的认识逐渐深入,在国内开发了一系列冲击矿压防治方法、技术。可以归纳为3种类型:一是坚持“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”的防冲原则,通过优化开采设计避免或降低采掘区域应力集中。二是对已具有冲击危险的煤岩区域进行卸压解危。三是依据巷道围岩的“强弱强”结构,采用主动、被动支护相结合,刚性、柔性支护相搭配的支护方法,即增大支护强度或改善支护方式提高围岩抗冲击能力。


  冲击矿压动力灾害发生的力源包括:煤岩体的静载应力和采动诱发的动载应力。当煤岩体中静载应力与矿震形成的动载应力之和大于煤岩体冲击破坏的临界应力,可诱发强矿压灾害。


  煤岩体的强度弱化减冲控制理论有3个方面的含义:一是在冲击危险区域,采取松散煤岩体的方式,降低煤岩体的强度和冲击倾向性,使得冲击危险性降低。二是对煤岩体的强度进行弱化后,使得应力高峰向岩体深部转移,并降低应力集中程度。三是采取一定的减冲解危措施后,使得发生冲击矿压时,冲击强度得到降低。


  煤体弱化控制技术


  大直径钻孔卸压技术,大直径钻孔具有工艺简单、效果明显、经济效益好、安全且适应性强等优点,是目前使用最多的卸压措施。


  煤体爆破卸压技术,煤体爆破可利用钻屑孔进行装药爆破,即先称取煤粉量,判断煤体内应力分布情况,然后进行小药量装药爆破。


  高压顺层水力割缝卸压技术,高压顺层水力钻割技术的核心是高压水,以水为介质,通过增压设备和一定形状的喷嘴把水介质转变成了高速、高压、高能级密度的水射流。高压射流钻割技术特别适合井下自然环境恶劣且高度要求防火、防爆、防瓦斯的作业场合。


  顶板弱化控制技术


  顶板深孔断顶卸压技术,一般,厚度越大的坚硬岩层越不易冒落,L值也就越大。所以厚度大的坚硬岩层顶板发生冲击矿压的可能性很大。对于顶板中聚集的弯曲弹性能,其主要的散能手段就是破坏顶板,缩短顶板来压步距,降低顶板中聚集的弯曲弹性能。


  定向水力致裂卸压技术,定向水力致裂技术通过水平致裂将顶板分层,降低顶板厚度,从而减小覆岩来压步距与强度,同时通过倾斜分层直接切割覆岩,弱化震动源,2种方法均能有效防止或降低冲击矿压的发生。目前该项技术在大同忻州窑、煤峪口、兖州济三煤矿、华亭砚北煤矿进行了试验,取得了良好的效果,致裂半径达9 m以上。


  工程概况


  徐庄煤矿东九采区7197孤岛工作面北部邻近7199采空区,南部为7195采空区,东部靠近矿井边界,西邻东七采区运输上山。煤厚平均7.8 m,倾角平均20°左右。工作面长126 m,采深525 m。


  7197工作面布置


  开采地质条件复杂,受孤岛结构、厚硬岩层、复杂构造、较大采深等因素影响,开采过程中存在较高冲击危险。


 

  复杂地质构造区冲击危险防范解危体系


  

  大直径卸压钻孔平剖面布置


  在7197工作面开始回采前,就需根据划分的不同危险等级区域,对工作面两巷的实体煤侧及宽断层保护煤柱侧进行大直径钻孔预卸压措施:钻孔直径取150 mm,孔间距为2.4 m,孔深不小于20 m,距巷道底板1.2 ~2.4 m,垂直煤壁,与掘进时所施工卸压孔间隔布置。


  

  顶板定向水力致裂钻孔布置示意


  工作面顶板垮落带的理论计算高度为14.95 m,而基本顶为厚度达11.54 m的中粒砂岩,所以需要对此中粒砂岩层基本顶进行致裂。


  水力致裂钻孔应垂直于巷道顶板,钻孔深度即垂直致裂高度应为15~18 m。沿巷道中部垂直向中粒砂岩基本顶施工致裂孔,通过水平致裂将基本顶分层,降低基本顶分层厚度,从而减小基本顶来压步距与强度。


  这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划的资金支持。研究成果以《基于动静载叠加原理的冲击矿压灾害防治技术研究》为题发表于《煤炭科学技术》2018年第10期。


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  责任编辑:宫在芹
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