矿井喷钻、卡钻的形成原因及预防

矿井喷钻、卡钻的形成原因及预防

1.影响煤体采动应力的指标这是对受地压影响的矿山的初步预测方法。对于具有区位风险的矿山，在设计、布局和选择采矿方法方面具有重要的指导意义。影响地压的地质方面的因素主要有以下几个方面:煤层的倾向性、开采深度、顶板中坚硬厚岩层距煤层的距离、开采区域内的构造应力集中、顶板岩层厚度特征参数等。W1:该煤层是否发生过地压,是判断危险程度最重要的经验指标。如该煤层从未发生过地压,证明在以往开采技术条件下,此煤层地质条件不利于地压发生,指数取-2。如该煤层中多次发生地压,而预测区域仍采用同种作业方式采掘,则地压发生的概率较高,指数取3。W2:开采深度影响。开采深度决定了垂直应力的大小,是影响危险程度的关键因素之一。根据经验及煤层倾向性测定结果,当采深小于500m时,W2取0。将指数与深度的关系拟合成线性函数,以使指数的可以连续变化。W3:顶板中坚硬厚岩层距煤层距离。顶板坚硬岩石破断释放的巨大能量是诱发地压的主要因素一。坚硬岩石距离开采煤层越近,危险性越大。为使W3指标连续变化。W4:工作面距残留区或停采线的垂直距离。残留区或者停采线相当于煤柱,如果工作面推到残留区或者停采线附近这块煤就是一个更小的孤岛,集中应力会更大,在停采线附近危险会变得大。W5:未卸压一次采全高的煤厚。没有卸压煤层厚度越大越容易发生地压危险。W6:煤的抗压强度。煤体自身的特性是影响危险程度的主要因素,煤体强度越大,煤体内积聚的弹性能就越多,容易发生较大规模的。当煤的强度很小时,如小于5MPa,如果是高瓦斯煤层,则又容易发生突出。因此,煤的抗压强度对动力灾害的影响呈现,两边高中间低的规律,如下图。W7:煤的能量指数。煤的能量指数是表达煤体倾向性的最直接指标。根据室内实验测得的煤体的能量指数,并得出其与危险指数的函数:W8:接近采空区和煤柱的距离。接近采空区或者煤柱的区域应力集中,危险加大。接近采空区或煤柱的距离小于50m,工作面取3,煤柱取2。W9:两侧采空的工作面斜长。两侧采空工作面为孤岛工作面,这就形成开采引起的集中,孤岛工作面斜长越短,应力集中就越明显。W10:瓦斯作用影响。大量的研究成果表明,瓦斯压力对煤体强度、煤体裂纹扩展有重要影响,同时,瓦斯压力也是影响突出发生的重要指标,因此将瓦斯压力引入综合指标体系中。W11:距开采集中应力区距离。开采引起的集中应力可能会达到原岩应力的2～5倍,距开采集中应力越近,危险程度就越大。2.动力灾害防治技术根据动力灾害动力源分析,有针对性地提出相关预防及治理措施。确定李雅庄矿应实行“合理规划采掘布置方式,推进保护层开采、加强局部防冲措施、强化重点部位防冲措施,实施防冲防突一体化的综合防治和管理体系”的综合一体化防治地压等动力灾害的技术措施。根据李雅庄矿动力灾害实际情况,提出李雅庄煤矿动力灾害解危措施包括:煤层注水、卸压爆破等措施。2.1煤层注水2.1.1煤体含水率的测量条件大量实践和研究表明,煤层注水是防治地压的有效措施。煤层注水是通过增加煤层含水率或煤层中水的饱和度来改变煤岩变形状态,使其不发生失稳破坏,从而避免地压的发生。煤层注水防治地压的方法简易、价廉、适应性广,同时具有降尘、降温及软化煤层功用,一举数得,可以作为地压防治的首选措施。煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低,其关系可用下式表示,见图7。式中:w0——强度最大时的含水量;a,b,c——系数。同样,煤的强度与倾向指数WET也随煤的湿度的增加而降低,见图8。在所有的情况下煤的倾向指数与煤的湿度增量(含水率)的关系可用下式表示:式中:WET——注水后,煤层倾向性指数;WET0——自然状态下煤层倾向性指数;ΔW——含水率。由图9可知,随着试样含水率的增加,试样单向抗压强度减小,弹性模量减小,泊松比增大。当达到饱和含水率时,抗压强度、弹性模量、泊松比趋于定值。表明煤被水湿润后其物理力学性质发生了变化。这种变化由两个原因引起:(1)水及某些含阳离子的溶液具有降低岩石颗粒间表面能的能力,因而降低了煤的破裂强度,这种现象称为“软化”;(2)由于裂隙的增加与扩展,降低了煤的强度,造成煤的弹性性质的差别。通过以上分析可知:煤层注水确实能够改善煤体物理力学性质,达到防治地压的目的。但煤层注水是否可行,能否达到预期效果,必须考虑煤层注水的难易程度。煤层注水的难易程度即煤体湿润的难易程度,其含义是水是否容易进入煤体的裂隙、孔隙,同时还要考虑到水是否容易从煤体的部分裂隙中泄漏流失。如果水很难进人煤体的裂隙、孔隙,或水很容易从煤体的裂隙中泄漏流失,都将给注水带来困难或达不到预期效果。因此,掌握表征煤层注水难易程度的指标十分重要。2.1.2浇注时间及浇注速率煤层注水工艺包括确定注水工艺参数,选择注水设备两大内容。注水工艺参数主要有注水半径、注水时间、注水孔封孔长度、注水压力等。由图10可见,注水时间随注水半径增大而迅速增加,随注水压力增大而迅速减小。为缩短注水时间,可减小注水半径,但需要增加注水孔数量;如果增加注水压力,又受到注水泵功率的限制。所以应选择合理的注水时间,既不增加太多的注水孔又使泵压不太高,达到经济高效的目的。如果选择注水时间为一天,则注水压力与注水半径的关系如图10(c)所示。注水时间确定后,可根据注水泵的压力决定注水半径,进而计算注水孔间距L=2R。注水时间不超过一天,则注水半径应不大于6m。2.2抗压破裂试验2.2.1震动卸压爆破震动爆破是一种特殊的爆破,它与爆破落煤不同。震动爆破的主要任务是炸药爆破后,形成强烈的波,使得岩体震动。震动爆破要使振动范围最大,甚至是整个工作面全长;在装药量一定的情况下,震动效果最好。震动爆破有振动卸压爆破、震动落煤爆破、震动卸压落煤爆破和顶板爆破几种。在采煤工作面及上下两巷,震动爆破能最大限度地释放聚积在煤体中的弹性能,在采煤工作面附近及巷道两帮形成卸压破坏区,使压力升高区向煤体深部转移。震动爆破的合理布置及合理的装药量,不仅可形成岩体震动,还在一定程度上形成煤体的松动带,且落煤方便。合理的钻孔布置应使炸药爆炸后,形成的弹性波以合理的方向传播,使得炸药爆炸形成的压力与开采形成的压力叠加,超过其极限状态,使岩体卸压或引发地压。这样,震动卸压爆破的效果最好。钻孔中合理布置炸药,可有效经济地引发爆炸能,并最大限度地将其传播给周围岩体,以达到卸压,将应力集中区向深部转移的目的。炸药的布置应从煤层内应力最高点开始向里,而外部全部用炮泥封孔。因应力集中地点,煤层的密度最大,这样可扩大塑性区,将应力最高点向深部转移。2.2.3爆破孔孔的布置对于回采工作面,工作面前方15m左右是采动峰值压力带,为了使其向煤体深部转移,采取深孔爆破方法。该方法的机理是使爆破孔附近一定范围的煤体产生裂隙,改变煤体结构,消除和减轻爆破区段的应力集中程度,并使采动峰值压力向煤层深部转移,以及对远离爆破孔的煤岩体产生动态扰动或者诱发已高度集中的应力提前按照设计的意愿释放,达到消除、减轻和诱发突出和的目的。爆破孔深度按下式计算:式中:L——煤层卸载爆破的深度,m;M——采高,m;A——工作面一个正规循环推进度,m。卸压爆破钻孔平行煤层走向方向施工,深度不小于16.5m,孔径89mm;每循环保留不少于3.5倍采高的保护带。孔距10m,风巷向下、机巷向上各留20m不布置爆破孔。每孔装药12卷(330g/卷)水胶炸药,三个毫秒电雷管;单孔雷管并联,孔与孔之间串联;孔底装药,向外依次装水炮泥、砂,外口封黄泥。验炮时间不少于30min,4h内不作业(见图11)。2.2.3.2.3卸压爆破前后巷道围岩应力及ld性能课题组之前在平煤十一矿做过的一次卸压爆破效果检验:(1)采面正常工作循环卸压爆破前后的采面S值对比测试在工作面未见显著来压情况下,执行常规的卸压抽放和卸压爆破前,测得一组每米钻屑量检测S值,孔深10m,孔径45mm。数据显示,采面中部和风巷一侧钻屑量较大,指示的是两个应力集中区,峰值应力位于6m～8m区间(见图11)。卸压爆破后的数据显示,钻屑量总体下降且分布均匀了许多,高值区向10m以外的深部转移,尽管风巷一侧钻屑量仍然较大,但量值也降了许多。这些信息指示出,卸压爆破后,采动应力趋于均匀,并有效的转移到了超前10m以外,表明卸压爆破效果显著。但风巷一侧仍是相对应力集中区(见图12)。(2)采面正常工作循环卸压爆破前后的巷道S值对比测试采面卸压爆破前后,在机、风两巷超前采面10m开始,各布设6个钻孔,孔距10m,孔深10m,孔径45mm,进行钻屑指标对比检测,考察采面卸压爆破对两巷的影响。采面卸压爆破后,采面超前10m～40m、两巷帮8m孔深范围的钻屑量显著高于采面卸压爆破前,已经达到和超过了S值危险临界指标,6m～7m孔深段尤为显著。表明采面内部的应力除向前方转移外,还向两顺槽巷帮转移。由此提示我们,采面卸压爆破时需要注意巷帮的安全,留有足够的安全屏障和充足的躲炮时间。基于此原因,将此前采面卸压爆破的“风巷向下、机巷向上各留10m不布设爆破孔”修改为20m宽度,增大巷道的安全屏障。3.煤的应力释放与煤层质量关系通过李雅庄矿动力灾害预防及治理措施分析,认为地压的防治应遵循以下原则:1)尽量避免高应力区的形成或在高应力区布置采掘工作。调整开采顺序,调整采区和工作面布置,实现无煤柱开采,避免形成应力高度集中。2)保证与最大地应力方向平行采煤或掘进。调整开采方向,降低危险性和危害程度。实践表明,地应力的方向与大小与地压的发生具有密切的关系,当采煤工作面或掘进工作面的前进方向与最大地应力方向呈垂直或较大角度相交时,工作面发生的危险性和危害程度将大大增加。这已在北京门头沟煤矿、枣庄陶庄煤矿和甘肃华亭煤矿的地压防治实践中得到验证。3)扩大应力释放范围,以降低应力集中程度与应力释放速度。煤矿开采必然导致煤岩层应力的重新分布与释放,当这种分布过程与释放过程导致煤岩层的失稳破坏或非稳定破坏时,发生地压的可能性将大大提高。例如,在厚煤层开采条件下,如果采用分层开采,沿顶分层采煤时,发生的危险性最大,如果采用放顶煤开采方法采煤时,则支架上方顶煤的变形与破坏使煤层中的能量能够及时地释放出来,降低煤层中能量的存储,从而可降低采煤工作面发生的危险性。4)控制煤层存贮能量的条件。对煤层实施卸压钻孔、切槽、卸载爆破等,以改变煤体承载能力,使应力集中程度下降,并使煤体应力峰值向煤岩体深部转移,增加阻力、降低危险性或诱发。5)控制顶板能量的突然释放与加载。顶板的可控垮落实质上就是改善煤岩层结构系统的能量存储条件,因为顶板中存储着大量的能量,特别是坚硬难冒顶板。对顶板实施定向断裂,可改变工作面周围煤岩层的应力分布,使煤岩体中存储的能量能够及时、有效地以稳定破坏的形式释放出来。6)改善底板中的支承能力并加大煤层和顶板的变形。对底板进行切槽卸压,使煤层底板能及时破坏,可促使煤层和顶板岩层的变形加大,其弹性变形能的消耗也将增加,从而避免煤岩层中能量的高度集聚与突然释放。7)优先开采无倾向性和无危险煤层。通过首先开采无或弱煤层,可使具有危险煤层的应力条件得到改善,从而使危险煤层在采煤过程中危险性下降。8)最大限度地降