頂板管理及沖擊地壓安全技術措施
第一節?頂板管理
為認真貫徹落實“安全第一,預防為主”的方針,進一步加強頂板管理工作,規范現場管理,提高工程質量和技術管理水平,杜絕頂板事故的發生,實現我礦安全生產形式持續穩定發展。根據《煤礦安全規程》的有關規定,結合我礦實際,特制定頂板管理專項措施如下:
一、頂板管理專項措施工作目標:消滅頂板傷亡事故;力爭頂板事故為零。
二、頂板管理措施及要求:
1、嚴格執行有關文件精神,提高采掘工作面支護質量,規范現場管理,提高采掘安全可靠性。
2、加強采掘工作面生產技術管理。要繼續作好采掘工作面優化設計,巷道維修必須有專門經過審批的針對性措施,巷修隊伍必須經過專門培訓后方可從事巷修工作。
3、嚴格執行敲幫問頂制度,采掘工作面必須按作業規程的規定及時支護,嚴禁空頂作業。
4、加強采掘工作面巷道管理,始終保持巷道完好。凡發現巷道出現頂部絞架不接頂、背設不實的一定要追究責任,并做出相應的處罰。
5、加強頂板事故多發地點和工序的日常管理工作。
6、采煤工作面上下端頭、超前支護、工作面煤壁區、放頂區以及放頂、采煤等工序是工作面頂板事故多發區,要加強日常管理。
7、加強掘進工作面工程質量管理,確保掘進巷道的工程質量,正確使用前探梁、防倒棚裝置,嚴防掘進工作面發生冒頂。
8、掘進工作面貫通、施工大斷面峒室、過老巷、老空、過斷層及大斷面巷道擴刷等必須有專項措施,并堅持礦、隊干跟班。
9、堅持推廣應用先進的技術成果經驗,科學管理頂板。
三、管理的一般措施
1、施工單位在施工前必須編制作業規程,并按規定進行審批。礦井生產科負責頂板管理的技術工作。
2、礦井技術負責人應每月組織召開一次礦井頂板管理工作分析會,總結經驗,吸取教訓,研究現狀,并提出改善頂板管理的意見、方法、措施。
礦井要認真做好頂板巖性觀測工作,根據觀測資料及頂板巖性和壓力顯現情況,對所開采煤層的頂板進行分類。并結合頂板的具體條件,確定響應的支護形式及支護參數。
4、采煤工作面開采初次放頂、首尾回撤、過老空、過局部破碎帶、過斷層、過網邊、過煤柱等區域時,必須制定安全措施。初次放頂和收尾工作,必須由生產礦長親自組織,并責成有關人員現場指揮,生產礦長負責解決初次放頂和收尾期間必須的設備、材料,確保初放和收尾工作的順利進行。
5、綜采工作面開切眼擴面、支架安裝、初次放頂(放煤)、工作面結束前的開采程序及支架回撤必須有針對性的技術組織措施。
6、應開展頂板來壓和沖擊地壓的觀測工作,根據觀測情況編制專門設計和安全措施。礦井應有專人負責沖擊地壓預測預報和防治工作,認真執行《煤礦安全規程》關于開采有沖擊地壓危險煤層的規定。7、7、成立頂板鑒定小組,采掘工作面要認真執行“地質預測制”掘進工作面要認真執行“現場鑒定制”,巷修在布置工作任務時,要重點提出防止頂板事故的針對性措施。
四、掘進工作面頂板管理
1、掘進工作面開口前,必須由工程技術人員根據現場實際制定開口措施。作業前必須維護好開口位置10米范圍內的支架,給好抬棚。抬棚的規格及穿梁的規格、數量要在作業規程中明確規定。
2、掘進工作面嚴禁空頂下作業。在爆破前必須加固靠近工作面10米范圍內的支護,爆破中破壞的支架必須及時修復,必須檢查幫頂,并由外向里逐架進行,爆破后嚴格執行敲幫問頂制度,必須采取前探支護后方可進入工作面作業。
3、在松軟的煤、巖層或地質破碎帶、斷層、采跡等掘進巷道時必須采取前探支護或其它措施。
4、根據頂板巖性觀測數據選擇巷道支護材料,并制定爆破設計,支護材料的規格必須符合《煤礦安全規程》的要求。支架必須按設計要求架設牢固,支架間應設牢固的撐木或拉桿。支架與頂幫之間的空隙必須塞緊背實,巷道冒頂、空頂部分,必須用支護材料接頂。
5、掘進工作面臨時停工時,巷道支架必須架設到迎頭,保持正常通風,并隨時對巷道支護變化情況進行檢查。臨時封閉時,必須對巷道支護進行加固。恢復開工時,必須嚴格執行開工檢查制度,并根據支護變化情況采取相應的措施。
6、礦井工程技術人員在貫通前必須做好測量工作,兩巷對頭貫通相距20米時,其中一個掘進面必須停止作業,并嚴格執行打探眼制度,準確掌握預透距離及位置,同時對被貫通的支架進行加固。巷道貫通舊巷或老空時必須執行打探眼的制度,并重新制定安全措施。
7、掘進工作面遇斷層、舊巷、松軟破碎頂板等特殊情況時,在作業規程中必須有明確規定的爆破措施。巖石掘進在距煤層10米內要打探眼,并在作業規程中應有探眼設計,邊探邊掘,探到煤層時要采取加強支護措施。
更換巷道支護時,在拆除原支護前必須先備好臨時支架,并加固相臨近支架。拆除原有支架后,必須及時除掉頂幫活矸并架設永久支護。在傾斜巷道中,必須有防止矸石,物料滾落和支架歪倒的安全措施。?9、9、采用錨桿、錨噴、錨網等支護形式時必須嚴格執行《煤礦安全規程》第四十四條規定。
五、井巷維修的頂板管理
1、礦井在進行巷道維修前必須指定施工安全措施,井筒維修的安全措施必須履行審批手續。
2、在拆除原支架(打上臨時支護,給好撐木、拉桿等),拆除和架設前必須護好幫頂,防止幫頂漏渣,翻一架給一架,嚴禁大翻大挑。在一架棚未完成之前不得終止作業。撤換支架的工作要連續進行,如不能連續施工,每次工作結束時必須背實幫頂。
3、擴大斷面和維修井巷時,必須保證有在發生冒頂堵塞井巷時能撤出人員的安全出口。在獨頭巷道維修時,必須由外向里逐架進行,嚴禁維修人員進入維修地點里側;傾斜巷道維修要由上向下進行;巷道對頭維修時兩處都必須有安全出口,距離小于20米時停止一處作業。發生冒頂時必須木垛接頂。
4、生產采區的巷道有連續3架失效支架或有冒頂危險時,必須立即處理,否則應停止生產。
5、獨頭井巷維修和掘進工作面的后路,必須加強維護。如出現斷梁折柱、歪斜、彎曲、片幫、幫頂桿脫落、低矮等情況,必須停止作業,防止發生頂板冒落傷人、堵人事故。
六、掘進迎頭臨時支護
1、掘進工作面施工時不得空頂作業,永久支護前必須有臨時支護。臨時支護必須具有足夠的強度、對頂板有足夠的控制力、對現場條件有較好的適應性。
2、掘進作業規程或施工安全技術措施要對使用的臨時支護的方式、操作程序、技術要求等進行規定。
3、采用的臨時支護方式要由礦生產技術部認可。
4、掘進工作面的循環進尺必須依據現場條件在作業規程中明確規定,永久支護離迎頭的距離不得超過一個循環的進尺。地質條件變化時,應及時補充措施并調整循環進尺的大小。
5、巷道頂部錨桿施工時應由外向里逐個逐排進行,不得在所有的錨桿眼施工完后再安裝錨桿。
6、采用架棚支護時,應對巷道迎頭至少10m的架棚進行整體加固。加固裝置必須是剛性材料,并能適應棚距的變化。
七、巷道交岔點支護
1、巷道交岔點的位置盡量選在巖性好、地質條件穩定的地點。巷道交岔點要有專門的設計,對支護方式、支護材料、巷道斷面等進行規定。
2、巷道交岔點施工前,要由生產技術部門組織現場會審,根據現場實際情況,編制施工安全技術措施,繪制施工放大圖,并向職工傳達貫徹。施工結束后,生產技術部門必須組織有關部門按設計要求進行竣工驗收,驗收合格后,方可正常掘進。
3、采用錨桿(錨索)對巷道交岔點支護時,要進行頂板離層監測,并在安全技術措施中對支護的技術參數、監測點的布置及監測方法等進行規定。監測中發現支護問題及時采取措施進行處理。
4、架棚巷道的交岔點采用抬棚支護時,要進行抬棚設計,根據設計對抬棚材料專門加工,抬棚梁和插梁要焊接緊密,抬棚架設后的巷道斷面不得小于原巷道斷面,并滿足運輸、行人、通風等所需的安全距離。
八、生產采區頂板管理
(一)采煤工作面上下順槽、上下兩口的管理
1、采煤工作面上下順槽,必須保證規定的斷面和高度,凡有折梁斷腿及空幫空頂處必須及時處理,距工作面20米范圍內必須有加強支護。
2、經常檢查采煤工作面上下兩口的支護情況,支護方式、支護密度必須符合作業規程的規定,運輸機機頭部位必須采取加強支護措施;作業的方式方法必須在作業規程中明確規定,綜采工作面兩端應使用端頭支架或增設其他形式的支護,要指定移設運輸機頭的措施,并指派有經驗的工人作業。
(二)采煤工作面必須保證一定數量的備用支護材料,其數量、規格、存放地點和管理方法,必須在作業規程中明確規定。開工前班組長必須對工作面進行全面的檢查,確認無危險后方可開工。嚴禁使用折損的坑木,損壞的金屬頂梁,失效的摩擦支柱和失效的單體液壓支柱,在入井前必須逐根進行壓力實驗;在工作面回采結束后或使用時間超過8個月必須進行檢修,檢修后的支柱必須進行壓力實驗,方可投入使用。采煤工作面嚴禁空頂作業。所有支架必須架設牢固,并有防倒柱措施,嚴禁在浮煤或浮矸上架設支架。工作面的排柱距要在作業規程中明確規定,使用木支護工作面的坑木規格要在作業工程中明確規定,碰倒或損壞的支柱必須立即恢復或更換;綜采工作面必須有可靠的防止頂端頂煤冒落和煤壁片幫的措施,移動運輸機頭、機尾需要拆除支架時必須先架好臨時支架。使用摩擦金屬支架時,必須使用液壓升柱器,初撐力不得小于50kn;單體液壓支柱的初撐力,柱徑100mm的不得小于90kn;柱徑80mm的不得小于60kn。工作面發生冒頂或超高時,不得給高棚,必須用木垛接頂,嚴禁空頂。采用金屬網方法及要求、連網扣距及頂網破碎冒落漏矸處理方法,都要在作業規程中明確規定。翻打支柱,必須先打后撤,給棚支柱或移綜采支架時必須成一直線,支柱、支架必須牢固接頂,木支護工作面要大楔子,頂板破碎是必須加強支護,剎好頂。如煤層底板松軟,支柱鉆底時必須采取措施,并在作業規程中說明。工作面形成后,開切眼巷道內支架必須完成并打好中心支柱,否則不得開采。工作面遇到斷層、舊巷、頂板破碎、冒落等情況時,必須采取措施指派專人提前處理。綜放及單一長壁放頂煤工作面,遇到頂板(煤)來壓、來水、來雜物、來矸石等情況時不準放頂煤,要查明原因,補充修改放頂煤措施。機采工作面應根據工作面長度及頂板情況在作業規程中明確,割頂煤時頂梁要隨割隨伸前探梁。支設煤壁支柱的距離和回撤煤壁支柱的距離應在作業規程中明確規定。采用綜合機械化采煤時必須嚴格遵守《煤礦安全規程》第六十六條和第六十七條的規定。采煤工作面必須及時回柱放頂,放頂時要保持支架完整。壁式放頂煤工作面根據采放高度在作業規程中明確放煤方法及放煤量,空區內的充填物不準低于工作面頂板,應對放煤量予以控制,放煤口要及時連好以防漏貨造成空頂;用垮落法控制頂板時,作業規程中要明確規定回柱放頂的方法和安全措施。頂板懸頂距離超過作業規程規定時,必須停止采煤,采取人工強制放頂措施。采煤工作面因片幫造成最大控頂距超過規定距離時要采取安全措施;
(三)切眼支護與初次放頂
工作面切眼要有設計,施工前編制作業規程或施工措施,對切眼的斷面、支護方式、支護參數、切眼安裝程序及頂板監測方法等進行規定。
切眼掘進采用錨桿或架棚支護時,必須對頂板的活動情況進行監測、分析,頂板活動異常的必須采取有效措施后方可進行切眼安裝、刷大或初放。架棚支護的切眼替料前或工作面切眼刷大前要組織由切眼施工單位、安裝單位、擴切眼單位和有關部門參加的現場會審,然后編制施工措施,由相關單位集體審查后方可貫徹執行。回采工作面初放要制定初放措施并成立以生產礦長為組長的初次放頂領導小組。初次放頂前,初次放頂領導小組組長要組織有關人員進行現場會審,在確認現場條件符合放頂要求時方可按措施要求進行初次放頂。初放期間要有安全、生產管理部門的人員現場把關,并有初放記錄。初放結束要由初放領導小組認定。單體液壓支柱支護的工作面采高超過2.4m或工作面采高大于1.6m、傾角大于15°時,必須在老塘側架設一趟首尾相接的傾斜架棚,架棚梁使用木料時,應為小頭直徑不小于20cm的半園木;面內支柱必須有防倒設施。綜采放頂煤工作面初放期間的放煤次序、放煤量及對支架工作阻力的要求要在作業規程中明確規定。工作面遇地質變化帶、老峒或頂板懸頂過大等特殊情況要補充加強頂板管理的安全技術措施。
第二節沖擊地壓安全技術措施
根據發生沖擊地壓的成因和機理,防治沖擊地壓的措施的基本原理有兩方面:一是降低應力的集中程度;二是改變煤巖體的物理力學性能,以減弱積聚彈性能的能力和釋放速率。
(一)降低應力的集中
減弱煤層區域內的礦山壓力值的方法有:
1、超前開采保護層;
2、無煤柱開采,在采區內不留煤柱和煤體突出部分,禁止在鄰近層煤柱的影響范圍內開采;
3、合理安排開采順序,避免形成三面采空狀態的回采區段或條帶和在采煤工作面前方掘進巷道,必要時應在巖石或安全層內掘進巷道,禁止工作面對采和追采。
(二)采用合理的開拓布置和開采方式
實踐表明,合理的開拓布置和開采方式對于避免應力集中和疊加,防止沖擊地壓關系極大。大量實例證明,多數沖擊地壓是由于開采技術不合理而造成的。不正確的開拓開采方式一經形成就難于改變,臨到煤層開采時,只能采取局部措施,而且耗費很大,效果有限。所以,合理的開拓布置和開采方式是防治沖擊地壓的根本性措施。其主要原則是:
1、開采煤層群時,開拓布置應有利于保護層開采。首先開采無沖擊危險或沖擊危險小的煤層作為保護層,且優先開采上保護層。例如撫順、遼源等煤礦,屬厚煤層上行水砂充填法開采。作為保護層的第一分層開采都盡量布置在沖擊危險性小的煤層中進行。西安礦為了發揮上保護層的作用改變自下而上的分層開采順序,首先開采頂分層作為保護層,采完頂分層后再反過來自下而上開采其他各分層,甚至改用下行金屬網分層假頂全部垮落法開采。
2、劃分井田或采區時,應保證合理的開采順序,最大限度地避免形成煤柱等應力集中區。因為煤柱承受的壓力很高,特別是島形或半島形煤柱,要承受幾個方面的疊加應力,最易產生沖擊地壓。上層遺留的煤柱還會向下傳遞集中壓力,導致下部煤層開采時也易發生沖擊地壓。統計資料表明:陶莊煤礦回收煤柱時發生的沖擊地壓占全礦沖擊次數的29.8%;唐山煤礦、城子煤礦約占50%。龍風煤礦實際資料抽樣分析表明,兩側為采空區的工作面在回采過程中,沖擊地壓發生次數顯著增多。
3、采區或盤區的采煤工作面應朝一個方向推進,避免相向開采,以免應力疊加。因為相向采煤時上山煤柱逐漸減小,支承壓力逐漸增大,很容易引起沖擊地壓。例如陶莊煤礦272水采區五號上山西翼開采時,在上山附近發生了17次沖擊地壓。而且相向采煤又要被迫在高壓力區中掘進開切眼,造成沖擊地壓頻繁發生(占總次數的60%)。為了改變這種狀況,提出實行單翼采區跨上山采煤的辦法。并把單區段獨立回采的開采程序改為多區段聯合開采程序,使回采與掘進工作在不同區段中交替進行,能夠實現沿采空區邊緣(低應力區)掘進開切眼,避免了往高應力區掘進和維護回采開切眼的弊端。
4、在地質構造等特殊部位,應采取能避免或減緩應力集中和疊加的開采程序。在向斜和背斜構造區,應從軸部開始回采;在構造盆地應從盆底開始回采;在有斷層和采空區的條件下應從斷層或采空區附近開始回采的開采程序。龍風煤礦的統計資料表明,采掘工作面接近斷層或向斜鈾部附近時,沖擊地壓頻度增加強度加大。隨機抽樣50例,其中與斷層有關的36例,占72%,其中有62%的沖擊地壓發生在工作面接近斷層時,只有10%發生在離開斷層以后,而且34%的沖擊地壓發生在工作面接近斷層5m~20m的范圍內。
5、有沖擊危險的煤層的開拓或準備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回風巷應布置在底板巖層或無沖擊危險煤層中,以利于維護和減小沖擊危險。回采巷道應盡可能避開支承壓力峰值范圍,采用寬巷掘進,少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進。對于水采區的回采開切眼應躲開高應力集中區,選在采空區附近的壓力降低區為好。例如,唐山煤礦十一水平5287(北)區發生的32次沖擊地壓,有12次發生在回采前的巷道維修過程中,3次發生在高應力區新掘巷道時,7次發生在受采動影響的巷道。硯石臺煤礦沖擊地壓大多數發生在支承壓力影響區的掘進工作面,其中雙巷平行掘進時發生的次數最多,占46.2%。城子煤礦回收八層-250m水平西護巷煤柱的前后兩次經驗教訓值得借鑒:1971年回收時按常規布置方法,造成嚴重的沖擊地壓傷亡事故,被迫停采封閉;時隔近20年后再進行回收時,采用底板集中大巷、分區小石門進入煤層,以及避開應力峰值送巷、寬巷掘進等開采方式,僅歷時11個月就安全回收該煤柱,取得了較好的經濟效益和社會效益。
6、開采有沖擊危險的煤層,應采用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開采方法。回采線盡量是直線且有規律地按正確的開采速度推進。經統計,1992年以前,全國發生沖擊地壓的50余對礦井中,有水采、綜采、分層開采、正規和非正規開采方法等多種情況。分析表明,不同的采煤方法,其礦山壓力的分布也不相同。
房柱式等柱式采煤法,由于掘進的巷道多和在采空區遺留的煤柱多、頂板不能及時充分地垮落,造成支承壓力較高。在工作面前方掘進巷道勢必受到疊加壓力的影響,增加了危險性。
水力采煤法雖然系統簡單、高效,但遺留的煤垛在采空區形成支撐,頂板不能及時、規則地垮落,又要經常在支承壓力帶開掘水道和槍眼,加之推進速度快,開采強度大,易造成大面積懸頂的危害,導致發生沖擊地壓。所以,水采礦井要改進開采設計。
采用長壁式開采方法,有利于減緩沖擊地壓的危害。
倒臺階采煤法由于工作面不成一直線,在臺階部位形成高應力集中,則易導致發生沖擊地壓。
硯石臺煤礦在采用走向長壁式采煤法時,沒有發生過沖擊地壓,僅出現過煤炮聲;而改用倒臺階工作面回采時,經常發生沖擊地壓,且大多數發生在臺階上隅角,約占回采時沖擊地壓總次數的90%,不僅次數多,而且強度也大,平均每次沖出煤炭130t以上。
7、頂板管理盡量采用全部垮落法,工作面支架應采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。統計表明:采用非正規采煤法的采區沖擊地壓次數多、強度大;水力充填次之;全部垮落法次數少且強度弱。我國發生沖擊地壓的煤層其頂板大多又厚又硬,不易垮落。采用注水、爆破等方法,使頂板弱化或垮落,能夠減緩沖擊地壓。在有沖擊地壓的礦井中,有6個采用水砂充填方法管理頂板,并不能避免沖擊地壓的發生。例如撫順煤礦特厚煤層的頂板,雖為較軟的厚層油母頁巖,采用水砂充填上行分層開采,但第一分層開采時,沖擊地壓仍較嚴重。除煤層性質外,厚層油母頁巖老頂的整體彎曲下沉是造成煤層邊緣的高應力集中的重要因素。根據撫順、阜新等煤礦沖擊地壓危害情況,傷亡事故主要由于沖擊震動推倒或折斷支架,造成片幫和冒頂傷人。所以沖擊危險工作面必須采取特殊的支護形式,加強支護,提高支架的整體性和穩定性。
(三)沖擊地壓的解危措施
在煤層開采中,生產地質條件極為復雜。往往由于人們對沖擊地壓發生條件不能完全掌握,造成開拓布置和開采方式不合理,沒有預先采取防范措施或防范措施不完善,不可避免地形成局部煤層地段的高應力集中和沖擊地壓危險。因此,在煤層開采過程中必須對這些地段進行及時處理,以保證安全生產。這種對已形成沖擊危險或具有潛在沖擊危險地段的處理措施稱為解危措施。它屬于暫時的局部性措施,包括煤層爆破卸壓、鉆孔卸壓和誘發爆破等。
按照沖擊地壓發生的強度條件和能量條件,工作面附近煤層被頂底板緊緊地夾持著,承受極高的載荷,雖并未破碎,卻積聚大量的變形能。這時煤體和圍巖形成的三軸壓縮應力與礦山壓力處于臨界平衡狀態。采取的各種卸壓解危措施,正是為了減緩這種臨界狀態,把夾持狀態下煤層的側向約束解除掉,使已形成的局部高壓力分散轉移到較廣區域。由于卸壓措施造成煤體局部破裂,降低了強度,應力重新分布,從而釋放或降低了煤巖體中的彈性能,使工作面前方一定范圍內成為安全區。
1、爆破卸壓
爆破卸壓是指對形成沖擊危險的煤體,用爆破方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。實施爆破卸壓應采取深孔爆破方法,孔深應達到支承壓力峰值區。裝藥位置越靠近峰值區,炸藥威力越大,爆破解除煤層應力的效果越好。該法適用于頂板比較完整的條件下或作為煤層注水時的輔助措施。
爆破卸壓能同時局部解除沖擊地壓發生的強度條件和能量條件,即在有沖擊地壓危險的工作面卸壓和在近煤壁一定寬度的條帶內破壞煤的結構(但不落煤),使它不能積聚彈性能或達不到威脅安全的程度。這樣在工作面前方形成一條卸壓保護帶,隔絕了工作空間處于煤層深處的高應力區。顯然,從防治沖擊地壓的角度看,應用盡量多的炸藥爆破出盡量寬的保護帶,但實際上要達到這個目的,目前技術條件還不夠。不過根據多年的觀測實踐證明,如果能保證在工作面前方和巷道兩幫始終保持一個寬5m~10m的保護帶,就能防止沖擊地壓的危害。
可以采用爆破斷頂的方法進行爆破卸壓,即在待采煤層隔離煤柱一側的老采空區內,對采空區頂板內造成寬約6m、深約6m~8m的斷溝,用以削弱采空區與待采區之間的頂板連續性、減小待采煤層開采時的應力集中,以消除沖擊地壓危害。
爆破參數和施工工藝應按《沖擊地壓煤層安全開采暫行規定》確定。爆破斷頂措施在門頭溝煤礦的實際使用(見圖2)中取得了一定的成效。在-230m水平二槽煤東區,有計劃地共斷頂五個已采區,總長約230m。斷頂前在該區曾發生過兩次沖擊地壓,斷頂后則未曾發生。在斷頂前后進行的圍巖變形觀測和地音監測表明,斷頂后圍巖變形和地音指標均大幅度降低,證實了斷頂效果。
爆破卸壓屬于內部爆破,主要物理作用是使煤層產生大量裂隙。試驗表明,爆破使炮孔周圍形成破碎區和裂隙區,破碎區遠小于裂隙區。徑向裂隙穿過切向裂隙,說明徑向裂隙擴展在前,切向裂隙形成在后。炸藥爆炸后,沖擊波首先使煤體破裂。繼之爆破產生氣體進一步使煤體破裂,在氣體壓力作用下,煤體沿徑向移動,形成切向拉應力,產生徑向拉破裂。隨著裂隙的擴展,氣體通過裂隙擴散到煤體中,與煤體產生熱交換。同時,氣體的體積增大,而溫度和壓力下降。當裂隙前端的應力強度因子小于斷裂韌性時,裂隙停止擴展。當壓力小于臨界值時,因原先受壓貯存于煤體中的彈性能釋放,使煤體向炮孔中心移動,在煤體中產生徑向拉伸作用,導致切向破裂。但徑向裂隙的擴展遠大于切向裂隙。造成煤層性質變化的主要因素是徑向裂隙。
根據彈塑性理論,把采煤工作面簡化為平面應變的力學模型。以龍風煤礦采煤工作面為例的計算結果表明,爆破卸壓使煤壁前方的支承壓力重新分布,應力梯度變小,峰值壓力移往煤體深部7m以遠屈服區,比爆破前增大近一倍,能量密度明顯減小。
綜上所述,爆破卸壓在煤體中產生大量裂隙,使煤體的力學性質發生變化,彈性模量減小,強度降低,彈性能減少,破壞了沖擊地壓發生的強度條件和能量條件。由于煤體內裂隙的長度和密度增加,按照失穩理論,還具有致穩作用和止裂作用,防止了沖擊地壓發生。
實施爆破卸壓前必須先進行鉆屑法檢測,確認有沖擊危險時才進行爆破卸壓,爆破以后還要用鉆屑法檢查卸壓效果。如果在實施范圍內仍有高應力存在,則應進行第二次爆破,直至解除沖擊危險為止。
為了安全生產,通過爆破卸壓在工作面前方和巷道兩幫形成一個有足夠寬度(大于3倍采高)的卸壓保護帶。所以,對巷道兩幫,爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度;對采煤工作面,爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度加上工作面進度。
爆破孔的孔深取決于卸壓深度。由于孔深藥量多,為保證殉爆可用導爆索連接加強引爆,使藥卷能裝到孔底,可先把藥卷裝在軟管里或用非金屬材料綁扎后進行裝藥。爆破孔布置方式應根據具體條件確定。通常用煤電鉆打眼,孔徑50mm~55mm,孔間距4m~10m,每孔裝藥量按不超過孔深一半計算,一般為1.5k8~3.5kg。鉆孔不裝藥部分必須填滿水炮泥或黏土炮泥。躲炮距離100m~150m,躲炮時間30min~40min。
門頭溝煤礦、龍鳳煤礦、天池煤礦等都成功地使用爆破卸壓方法,取得良好的效果。
天池煤礦的爆破卸壓參數為:孔深4m~8m,孔間距3m~6m,孔徑50mm~55mm(用φ42mm鉆頭),每孔裝藥量1.0kg~3.5kg,瞬發雷管引爆(6m以上深孔裝兩發雷管),炮泥封孔。
龍風煤礦進行爆破卸壓時,用普通煤電鉆打眼,φ42mm鉆頭。按垂直煤壁方式布孔。鉆孔傾向與工作面頂板線一致。孔深4m~6m,孔間距3m~5m。每孔裝藥量1.0kg~1.4kg,黃泥封孔,填滿填實。瞬發雷管起爆,在孔底藥卷中加一段煤礦安全型導爆索,每次起爆二孔(也可多孔起爆)。
城子煤礦的-250m水平八層西大巷煤柱,由于采取爆破卸壓等措施得當,安全回收全部煤柱,沒有發生沖擊地壓事故。該煤柱在1971年曾回收過,由于沖擊地壓嚴重,并造成人員傷亡事故而被迫停采封閉。時隔近20年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱,再進行回收存在著沖擊地壓和垮頂的嚴重威脅,在回收過程中嚴格執行每循環都進行超前爆破卸壓的措施。開切眼掘進時就開始進行超前爆破卸壓,孔數3個~4個,孔深4m~5m。采煤工作面沿傾向方向每5m布置一個爆破卸壓孔,孔深為循環進度的3倍。每孔裝藥量3個~5個藥卷(0.5kg~1.0kg)。卸壓炮眼與工作面落煤炮眼同時起爆,取得較好效果。
2、誘發爆破
誘發爆破是在監測到有沖擊危險的情況下,利用較多藥量進行爆破,人為地誘發沖擊地壓,使沖擊地壓發生在一定的時間和地點,從而避免更大損害的一種解危措施。
實行誘發爆破必須慎重行事。作為輔助手段,誘發爆破只有在存在嚴重沖擊危險的情況下,其他方法無效或無法實施時才應用。實施地點多用于煤柱回收時,與鉆屑法檢測孔配合互用。孔距2m~5m,孔深按沖擊危險區范圍確定。可平行走向或傾斜布置,也可混合布置。一般采用深孔爆破法,鉆大量較長的鉆孔直達高應力帶。采用大藥量、集中裝藥和同時引爆的方法,以便使煤巖體強烈震動,誘發沖擊地壓,或造成煤體強烈卸壓、釋放能量,把高應力帶移向煤體深部。集中爆破的藥量越多,誘發沖擊地壓的可能性越大。因為這樣在煤體中造成的動應力就大,動應力疊加在原來存于煤體中的靜應力上的總和越大,超過臨界應力值機會就愈多,就會誘發沖擊地壓。
實施誘發爆破應按《煤礦安全規程》的有關規定施工。實施前必須采用鉆屑法確定沖擊危險地點,加固支架,掩護或撤出機械設備及電纜工具等。爆破時必須設專人警戒所有通往爆破地點的通道。躲炮半徑不得小于150m,躲炮時間30min以上。
天池煤礦、門頭溝煤礦等都應用過誘發爆破。天池煤礦在采掘過程中,特別是回收煤柱時,始終堅持以爆破卸壓為主,誘發爆破為輔的措施。誘發爆破參數視具體情況而定。一般孔徑為50mm~60mm,孔深6m~8m以上,每孔裝藥量2kg~3kg以上,孔間距2m~3m。炮泥封孔,填滿填實。瞬發雷管,同時引爆。門頭溝煤礦1980年開始試驗應用誘發爆破,其鉆孔布置方式在正規煤柱支撐法工作面為平行煤層走向或傾向布置,孔深為煤柱寬度的3/4。在非正規工作面如殘柱式回采,視煤柱尺寸進行布置,但孔深均不超過煤柱寬度的3/4。誘發爆破后要及時回采,不要停留過長時間(不超過一個月),以防能量重新積聚,產生新的沖擊危險。
誘發爆破應作為爆破卸壓的輔助手段,用于特殊情況下。其效果是有限的,不能保證按時誘發,有時一小時后才發生沖擊地壓。而且大藥量同時引爆,必然造成一定程度的破壞作用。所以要慎重行事,有限度地使用。
3、改變煤層的物理力學性能改變煤層的物理力學性能主要有:高壓注水、放松動炮和鉆孔槽卸壓等方法。
(1)高壓注水是通過注水,人為地在煤巖內部造成一系列的弱面,并使其軟化,以降低煤的強度和增加塑性變形量。注水后,煤的濕度平均增加1.0%~2.2%時,可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3%~14.5%。
(2)放松動炮,是通過放炮人為地釋放煤體內部集中應力區積聚的能量。在采煤工作面中使用時,一般是在工作面沿走向打4m~6m深的炮眼,進行松動爆破。它的作用是可以誘發沖擊地壓和在煤壁前方經常保持一個破碎保護帶,使最大支撐壓力轉入煤體深處,隨后即便發生沖擊地壓,對采煤工作面的成脅也大為降低。
(3)鉆孔槽卸壓是用大直徑鉆孔或切割溝槽使煤體松動,以達到卸壓效果。卸載鉆孔的深度一般應穿過應力增高帶,在掘進石門揭開有沖擊危險的煤層時,應距煤層5m~8m處停止掘進,使鉆孔穿透煤層,進行卸壓。
此外,還可依靠選擇最佳采煤方法、回采設備、開采參數和工作制度等方法,局部降低煤層邊緣的沖擊危險程度。例如,當開采有沖擊危險的單一煤層時,應采用直線式長壁工作面的前進式采煤方法,并在巷道側不留煤柱。對有沖擊危險的厚煤層,應采用傾斜分層長壁式采煤方法。上分層的開采厚度應當最小。
開采有沖擊危險的煤層時,無論是在采煤工作面還是在掘進工作面中,都應采用支撐力大的可縮性金屬支架。
綜上所述可以認為,在現有技術水平下對沖擊地壓認真地進行測定和預報工作,并針對具體情況采取有效的防治措施,完全可以消除或大大減少沖擊地壓事故。
四、開采有沖擊地壓煤層時應注意的問題
1、開采有沖擊地壓煤層的礦務局(公司)、煤礦都應有專人負責防治沖擊地壓的工作。應裝備微震、地音監測等裝備,進行沖擊地壓預測預報工作。
2、開采有沖擊地壓的煤層,必須編制設計,報礦務局(公司)、礦總工程師批準。有沖擊地壓的煤層中,掘進工作面臨近大型地質構造、采空區和通過其他集中應力區以及回收煤柱時,必須制訂措施,報礦總工程師批準。
3、開采有沖擊地壓危險煤層的工作人員,都必須接受有關防治沖擊地壓基本知識的教育,熟悉沖擊地壓發生的原因、條件和征兆以及應急措施。防治沖擊地壓的措施中,必須規定發生沖擊地壓時的撤人路線。每次發生沖擊地壓后,必須組織人員到現場進行調查,記錄好發生前的征兆、發生經過、有關數據及其破壞情況,并制訂恢復工作的防治措施,報礦務局(公司)、礦總工程師批準。
4、有嚴重沖擊地壓煤層在開拓時,應在巖層或無沖擊地壓的煤層中掘進集中巷道。開采時,在采空區不得留有煤柱。如果在采空區留有煤柱,必須將煤柱的位置尺寸以及影響范圍標在采掘工程圖上。永久硐室不得布置在有沖擊地壓的煤層中。
5、開采煤層群時,首先開采無沖擊地壓或弱沖擊地壓煤層作為保護層,開采保護層后,在被保護層中確實受到保護的地區,可按無沖擊地壓煤層進行采掘工作。在未受保護的地區,必須采取放頂卸壓、煤層注水、打卸壓鉆孔、超前爆破松動煤體或其他防治措施。
開采有嚴重沖擊地壓的單一煤層和無保護層可采的煤層時,必須采取規定的防治沖擊地壓的措施。
6、保護層有效范圍的劃定方法和保護層回采的超前距離,應根據對礦井實際考察的結果確定。
7、開采有沖擊地壓煤層時,沖擊危險程度和采取措施后的實際效果,都可采用鉆屑法、地音法、微震法或其他方法確定。對有沖擊地壓危險的煤層,可根據預測預報等實際考察資料和積累的數據。劃分煤層的沖擊地壓危險程度等級,以便按其等級制定沖擊地壓的綜合防治措施。
8、對有沖擊地壓的煤層,應根據頂板巖性掘進寬巷或沿采空區邊緣掘進巷道,巷道支護應采用可縮性支架,嚴禁采用混凝土、金屬等剛性支架。
9、有嚴重沖擊地壓的厚煤層中,所有巷道都應布置在應力集中圈外。煤巷雙巷掘進時,2條平行巷道之間的煤柱不得小于8m,聯絡巷道應與2條平行巷道成直角。
10、開采有沖擊地壓的煤層,應用垮落法控制頂板,并提高切頂支架的工作阻力,采空區中所有支柱必須回凈。
11、有沖擊地壓的煤層中,在1個或相鄰的2個采區中,同一煤層的同一分階段,在應力集中的影響范圍內,不得布置2個工作面同時相向或向背回采。如果2個工作面相向掘進,在相距30m時,必須停止其中一個掘進工作面,以免引起嚴重沖擊危險;停產3d以上的采煤工作面,恢復生產的前一班,應鑒定沖擊地壓危險程度,以便采取安全措施。
12、嚴重沖擊地壓的煤層中,采掘工作面的爆破撤人距離和爆破后進人工作面的時間,必須在作業規程中明確規定。
13、三面或四面被采空區所包圍的地區和構造應力區、進行回采和回收煤柱時,必須制訂防治沖擊地壓的安全措施,報礦總工程師批準。
篇2:頂板管理及沖擊地壓安全技術措施
第一節?頂板管理
為認真貫徹落實“安全第一,預防為主”的方針,進一步加強頂板管理工作,規范現場管理,提高工程質量和技術管理水平,杜絕頂板事故的發生,實現我礦安全生產形式持續穩定發展。根據《煤礦安全規程》的有關規定,結合我礦實際,特制定頂板管理專項措施如下:?
一、頂板管理專項措施工作目標:消滅頂板傷亡事故;力爭頂板事故為零。
二、頂板管理措施及要求:
1、嚴格執行有關文件精神,提高采掘工作面支護質量,規范現場管理,提高采掘安全可靠性。
2、加強采掘工作面生產技術管理。要繼續作好采掘工作面優化設計,巷道維修必須有專門經過審批的針對性措施,巷修隊伍必須經過專門培訓后方可從事巷修工作。
3、嚴格執行敲幫問頂制度,采掘工作面必須按作業規程的規定及時支護,嚴禁空頂作業。
4、加強采掘工作面巷道管理,始終保持巷道完好。凡發現巷道出現頂部絞架不接頂、背設不實的一定要追究責任,并做出相應的處罰。
5、加強頂板事故多發地點和工序的日常管理工作。
6、采煤工作面上下端頭、超前支護、工作面煤壁區、放頂區以及放頂、采煤等工序是工作面頂板事故多發區,要加強日常管理。
7、加強掘進工作面工程質量管理,確保掘進巷道的工程質量,正確使用前探梁、防倒棚裝置,嚴防掘進工作面發生冒頂。
8、掘進工作面貫通、施工大斷面峒室、過老巷、老空、過斷層及大斷面巷道擴刷等必須有專項措施,并堅持礦、隊干跟班。
9、堅持推廣應用先進的技術成果經驗,科學管理頂板。
三、管理的一般措施
1、施工單位在施工前必須編制作業規程,并按規定進行審批。礦井生產科負責頂板管理的技術工作。?
?2、礦井技術負責人應每月組織召開一次礦井頂板管理工作分析會,總結經驗,吸取教訓,研究現狀,并提出改善頂板管理的意見、方法、措施。
礦井要認真做好頂板巖性觀測工作,根據觀測資料及頂板巖性和壓力顯現情況,對所開采煤層的頂板進行分類。并結合頂板的具體條件,確定響應的支護形式及支護參數。
4、采煤工作面開采初次放頂、首尾回撤、過老空、過局部破碎帶、過斷層、過網邊、過煤柱等區域時,必須制定安全措施。初次放頂和收尾工作,必須由生產礦長親自組織,并責成有關人員現場指揮,生產礦長負責解決初次放頂和收尾期間必須的設備、材料,確保初放和收尾工作的順利進行。
5、綜采工作面開切眼擴面、支架安裝、初次放頂(放煤)、工作面結束前的開采程序及支架回撤必須有針對性的技術組織措施。?
6、應開展頂板來壓和沖擊地壓的觀測工作,根據觀測情況編制專門設計和安全措施。礦井應有專人負責沖擊地壓預測預報和防治工作,認真執行《煤礦安全規程》關于開采有沖擊地壓危險煤層的規定。7、7、成立頂板鑒定小組,采掘工作面要認真執行“地質預測制”掘進工作面要認真執行“現場鑒定制”,巷修在布置工作任務時,要重點提出防止頂板事故的針對性措施。?
四、掘進工作面頂板管理
1、掘進工作面開口前,必須由工程技術人員根據現場實際制定開口措施。作業前必須維護好開口位置10米范圍內的支架,給好抬棚。抬棚的規格及穿梁的規格、數量要在作業規程中明確規定。
2、掘進工作面嚴禁空頂下作業。在爆破前必須加固靠近工作面10米范圍內的支護,爆破中破壞的支架必須及時修復,必須檢查幫頂,并由外向里逐架進行,爆破后嚴格執行敲幫問頂制度,必須采取前探支護后方可進入工作面作業。
3、在松軟的煤、巖層或地質破碎帶、斷層、采跡等掘進巷道時必須采取前探支護或其它措施。
4、根據頂板巖性觀測數據選擇巷道支護材料,并制定爆破設計,支護材料的規格必須符合《煤礦安全規程》的要求。支架必須按設計要求架設牢固,支架間應設牢固的撐木或拉桿。支架與頂幫之間的空隙必須塞緊背實,巷道冒頂、空頂部分,必須用支護材料接頂。
5、掘進工作面臨時停工時,巷道支架必須架設到迎頭,保持正常通風,并隨時對巷道支護變化情況進行檢查。臨時封閉時,必須對巷道支護進行加固。恢復開工時,必須嚴格執行開工檢查制度,并根據支護變化情況采取相應的措施。
6、礦井工程技術人員在貫通前必須做好測量工作,兩巷對頭貫通相距20米時,其中一個掘進面必須停止作業,并嚴格執行打探眼制度,準確掌握預透距離及位置,同時對被貫通的支架進行加固。巷道貫通舊巷或老空時必須執行打探眼的制度,并重新制定安全措施。?
?7、掘進工作面遇斷層、舊巷、松軟破碎頂板等特殊情況時,在作業規程中必須有明確規定的爆破措施。巖石掘進在距煤層10米內要打探眼,并在作業規程中應有探眼設計,邊探邊掘,探到煤層時要采取加強支護措施。
更換巷道支護時,在拆除原支護前必須先備好臨時支架,并加固相臨近支架。拆除原有支架后,必須及時除掉頂幫活矸并架設永久支護。在傾斜巷道中,必須有防止矸石,物料滾落和支架歪倒的安全措施。?9、9、采用錨桿、錨噴、錨網等支護形式時必須嚴格執行《煤礦安全規程》第四十四條規定。?
五、井巷維修的頂板管理?
1、礦井在進行巷道維修前必須指定施工安全措施,井筒維修的安全措施必須履行審批手續。?
2、在拆除原支架(打上臨時支護,給好撐木、拉桿等),拆除和架設前必須護好幫頂,防止幫頂漏渣,翻一架給一架,嚴禁大翻大挑。在一架棚未完成之前不得終止作業。撤換支架的工作要連續進行,如不能連續施工,每次工作結束時必須背實幫頂。?
3、擴大斷面和維修井巷時,必須保證有在發生冒頂堵塞井巷時能撤出人員的安全出口。在獨頭巷道維修時,必須由外向里逐架進行,嚴禁維修人員進入維修地點里側;傾斜巷道維修要由上向下進行;巷道對頭維修時兩處都必須有安全出口,距離小于20米時停止一處作業。發生冒頂時必須木垛接頂。?
4、生產采區的巷道有連續3架失效支架或有冒頂危險時,必須立即處理,否則應停止生產。?
5、獨頭井巷維修和掘進工作面的后路,必須加強維護。如出現斷梁折柱、歪斜、彎曲、片幫、幫頂桿脫落、低矮等情況,必須停止作業,防止發生頂板冒落傷人、堵人事故。
六、掘進迎頭臨時支護
1、掘進工作面施工時不得空頂作業,永久支護前必須有臨時支護。臨時支護必須具有足夠的強度、對頂板有足夠的控制力、對現場條件有較好的適應性。
?2、掘進作業規程或施工安全技術措施要對使用的臨時支護的方式、操作程序、技術要求等進行規定。
3、采用的臨時支護方式要由礦生產技術部認可。
?4、掘進工作面的循環進尺必須依據現場條件在作業規程中明確規定,永久支護離迎頭的距離不得超過一個循環的進尺。地質條件變化時,應及時補充措施并調整循環進尺的大小。
5、巷道頂部錨桿施工時應由外向里逐個逐排進行,不得在所有的錨桿眼施工完后再安裝錨桿。
6、采用架棚支護時,應對巷道迎頭至少10m的架棚進行整體加固。加固裝置必須是剛性材料,并能適應棚距的變化。
七、巷道交岔點支護
1、巷道交岔點的位置盡量選在巖性好、地質條件穩定的地點。巷道交岔點要有專門的設計,對支護方式、支護材料、巷道斷面等進行規定。
2、巷道交岔點施工前,要由生產技術部門組織現場會審,根據現場實際情況,編制施工安全技術措施,繪制施工放大圖,并向職工傳達貫徹。施工結束后,生產技術部門必須組織有關部門按設計要求進行竣工驗收,驗收合格后,方可正常掘進。
3、采用錨桿(錨索)對巷道交岔點支護時,要進行頂板離層監測,并在安全技術措施中對支護的技術參數、監測點的布置及監測方法等進行規定。監測中發現支護問題及時采取措施進行處理。
4、架棚巷道的交岔點采用抬棚支護時,要進行抬棚設計,根據設計對抬棚材料專門加工,抬棚梁和插梁要焊接緊密,抬棚架設后的巷道斷面不得小于原巷道斷面,并滿足運輸、行人、通風等所需的安全距離。
八、生產采區頂板管理?
(一)采煤工作面上下順槽、上下兩口的管理
1、采煤工作面上下順槽,必須保證規定的斷面和高度,凡有折梁斷腿及空幫空頂處必須及時處理,距工作面20米范圍內必須有加強支護。
2、經常檢查采煤工作面上下兩口的支護情況,支護方式、支護密度必須符合作業規程的規定,運輸機機頭部位必須采取加強支護措施;作業的方式方法必須在作業規程中明確規定,綜采工作面兩端應使用端頭支架或增設其他形式的支護,要指定移設運輸機頭的措施,并指派有經驗的工人作業。?
(二)采煤工作面必須保證一定數量的備用支護材料,其數量、規格、存放地點和管理方法,必須在作業規程中明確規定。開工前班組長必須對工作面進行全面的檢查,確認無危險后方可開工。嚴禁使用折損的坑木,損壞的金屬頂梁,失效的摩擦支柱和失效的單體液壓支柱,在入井前必須逐根進行壓力實驗;在工作面回采結束后或使用時間超過8個月必須進行檢修,檢修后的支柱必須進行壓力實驗,方可投入使用。采煤工作面嚴禁空頂作業。所有支架必須架設牢固,并有防倒柱措施,嚴禁在浮煤或浮矸上架設支架。工作面的排柱距要在作業規程中明確規定,使用木支護工作面的坑木規格要在作業工程中明確規定,碰倒或損壞的支柱必須立即恢復或更換;綜采工作面必須有可靠的防止頂端頂煤冒落和煤壁片幫的措施,移動運輸機頭、機尾需要拆除支架時必須先架好臨時支架。使用摩擦金屬支架時,必須使用液壓升柱器,初撐力不得小于50KN;單體液壓支柱的初撐力,柱徑100mm的不得小于90KN;柱徑80mm的不得小于60KN。工作面發生冒頂或超高時,不得給高棚,必須用木垛接頂,嚴禁空頂。采用金屬網方法及要求、連網扣距及頂網破碎冒落漏矸處理方法,都要在作業規程中明確規定。翻打支柱,必須先打后撤,給棚支柱或移綜采支架時必須成一直線,支柱、支架必須牢固接頂,木支護工作面要大楔子,頂板破碎是必須加強支護,剎好頂。如煤層底板松軟,支柱鉆底時必須采取措施,并在作業規程中說明。工作面形成后,開切眼巷道內支架必須完成并打好中心支柱,否則不得開采。工作面遇到斷層、舊巷、頂板破碎、冒落等情況時,必須采取措施指派專人提前處理。綜放及單一長壁放頂煤工作面,遇到頂板(煤)來壓、來水、來雜物、來矸石等情況時不準放頂煤,要查明原因,補充修改放頂煤措施。機采工作面應根據工作面長度及頂板情況在作業規程中明確,割頂煤時頂梁要隨割隨伸前探梁。支設煤壁支柱的距離和回撤煤壁支柱的距離應在作業規程中明確規定。采用綜合機械化采煤時必須嚴格遵守《煤礦安全規程》第六十六條和第六十七條的規定。采煤工作面必須及時回柱放頂,放頂時要保持支架完整。壁式放頂煤工作面根據采放高度在作業規程中明確放煤方法及放煤量,空區內的充填物不準低于工作面頂板,應對放煤量予以控制,放煤口要及時連好以防漏貨造成空頂;用垮落法控制頂板時,作業規程中要明確規定回柱放頂的方法和安全措施。頂板懸頂距離超過作業規程規定時,必須停止采煤,采取人工強制放頂措施。采煤工作面因片幫造成最大控頂距超過規定距離時要采取安全措施;
(三)切眼支護與初次放頂
工作面切眼要有設計,施工前編制作業規程或施工措施,對切眼的斷面、支護方式、支護參數、切眼安裝程序及頂板監測方法等進行規定。
切眼掘進采用錨桿或架棚支護時,必須對頂板的活動情況進行監測、分析,頂板活動異常的必須采取有效措施后方可進行切眼安裝、刷大或初放。架棚支護的切眼替料前或工作面切眼刷大前要組織由切眼施工單位、安裝單位、擴切眼單位和有關部門參加的現場會審,然后編制施工措施,由相關單位集體審查后方可貫徹執行。回采工作面初放要制定初放措施并成立以生產礦長為組長的初次放頂領導小組。初次放頂前,初次放頂領導小組組長要組織有關人員進行現場會審,在確認現場條件符合放頂要求時方可按措施要求進行初次放頂。初放期間要有安全、生產管理部門的人員現場把關,并有初放記錄。初放結束要由初放領導小組認定。單體液壓支柱支護的工作面采高超過2.4m或工作面采高大于1.6m、傾角大于15°時,必須在老塘側架設一趟首尾相接的傾斜架棚,架棚梁使用木料時,應為小頭直徑不小于20cm的半園木;面內支柱必須有防倒設施。綜采放頂煤工作面初放期間的放煤次序、放煤量及對支架工作阻力的要求要在作業規程中明確規定。工作面遇地質變化帶、老峒或頂板懸頂過大等特殊情況要補充加強頂板管理的安全技術措施。
?第二節沖擊地壓安全技術措施
根據發生沖擊地壓的成因和機理,防治沖擊地壓的措施的基本原理有兩方面:一是降低應力的集中程度;二是改變煤巖體的物理力學性能,以減弱積聚彈性能的能力和釋放速率。
?(一)降低應力的集中
減弱煤層區域內的礦山壓力值的方法有:
?1、超前開采保護層;
?2、無煤柱開采,在采區內不留煤柱和煤體突出部分,禁止在鄰近層煤柱的影響范圍內開采;
?3、合理安排開采順序,避免形成三面采空狀態的回采區段或條帶和在采煤工作面前方掘進巷道,必要時應在巖石或安全層內掘進巷道,禁止工作面對采和追采。
(二)采用合理的開拓布置和開采方式
實踐表明,合理的開拓布置和開采方式對于避免應力集中和疊加,防止沖擊地壓關系極大。大量實例證明,多數沖擊地壓是由于開采技術不合理而造成的。不正確的開拓開采方式一經形成就難于改變,臨到煤層開采時,只能采取局部措施,而且耗費很大,效果有限。所以,合理的開拓布置和開采方式是防治沖擊地壓的根本性措施。其主要原則是:
?1、開采煤層群時,開拓布置應有利于保護層開采。首先開采無沖擊危險或沖擊危險小的煤層作為保護層,且優先開采上保護層。例如撫順、遼源等煤礦,屬厚煤層上行水砂充填法開采。作為保護層的第一分層開采都盡量布置在沖擊危險性小的煤層中進行。西安礦為了發揮上保護層的作用改變自下而上的分層開采順序,首先開采頂分層作為保護層,采完頂分層后再反過來自下而上開采其他各分層,甚至改用下行金屬網分層假頂全部垮落法開采。
?2、劃分井田或采區時,應保證合理的開采順序,最大限度地避免形成煤柱等應力集中區。因為煤柱承受的壓力很高,特別是島形或半島形煤柱,要承受幾個方面的疊加應力,最易產生沖擊地壓。上層遺留的煤柱還會向下傳遞集中壓力,導致下部煤層開采時也易發生沖擊地壓。統計資料表明:陶莊煤礦回收煤柱時發生的沖擊地壓占全礦沖擊次數的29.8%;唐山煤礦、城子煤礦約占50%。龍風煤礦實際資料抽樣分析表明,兩側為采空區的工作面在回采過程中,沖擊地壓發生次數顯著增多。
?3、采區或盤區的采煤工作面應朝一個方向推進,避免相向開采,以免應力疊加。因為相向采煤時上山煤柱逐漸減小,支承壓力逐漸增大,很容易引起沖擊地壓。例如陶莊煤礦272水采區五號上山西翼開采時,在上山附近發生了17次沖擊地壓。而且相向采煤又要被迫在高壓力區中掘進開切眼,造成沖擊地壓頻繁發生(占總次數的60%)。為了改變這種狀況,提出實行單翼采區跨上山采煤的辦法。并把單區段獨立回采的開采程序改為多區段聯合開采程序,使回采與掘進工作在不同區段中交替進行,能夠實現沿采空區邊緣(低應力區)掘進開切眼,避免了往高應力區掘進和維護回采開切眼的弊端。
?4、在地質構造等特殊部位,應采取能避免或減緩應力集中和疊加的開采程序。在向斜和背斜構造區,應從軸部開始回采;在構造盆地應從盆底開始回采;在有斷層和采空區的條件下應從斷層或采空區附近開始回采的開采程序。龍風煤礦的統計資料表明,采掘工作面接近斷層或向斜鈾部附近時,沖擊地壓頻度增加強度加大。隨機抽樣50例,其中與斷層有關的36例,占72%,其中有62%的沖擊地壓發生在工作面接近斷層時,只有10%發生在離開斷層以后,而且34%的沖擊地壓發生在工作面接近斷層5m~20m的范圍內。
?5、有沖擊危險的煤層的開拓或準備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回風巷應布置在底板巖層或無沖擊危險煤層中,以利于維護和減小沖擊危險。回采巷道應盡可能避開支承壓力峰值范圍,采用寬巷掘進,少用或不用雙巷或多巷同時平行掘進。對于水采區的回采開切眼應躲開高應力集中區,選在采空區附近的壓力降低區為好。例如,唐山煤礦十一水平5287(北)區發生的32次沖擊地壓,有12次發生在回采前的巷道維修過程中,3次發生在高應力區新掘巷道時,7次發生在受采動影響的巷道。硯石臺煤礦沖擊地壓大多數發生在支承壓力影響區的掘進工作面,其中雙巷平行掘進時發生的次數最多,占46.2%。城子煤礦回收八層-250m水平西護巷煤柱的前后兩次經驗教訓值得借鑒:1971年回收時按常規布置方法,造成嚴重的沖擊地壓傷亡事故,被迫停采封閉;時隔近20年后再進行回收時,采用底板集中大巷、分區小石門進入煤層,以及避開應力峰值送巷、寬巷掘進等開采方式,僅歷時11個月就安全回收該煤柱,取得了較好的經濟效益和社會效益。
?6、開采有沖擊危險的煤層,應采用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開采方法。回采線盡量是直線且有規律地按正確的開采速度推進。經統計,1992年以前,全國發生沖擊地壓的50余對礦井中,有水采、綜采、分層開采、正規和非正規開采方法等多種情況。分析表明,不同的采煤方法,其礦山壓力的分布也不相同。
房柱式等柱式采煤法,由于掘進的巷道多和在采空區遺留的煤柱多、頂板不能及時充分地垮落,造成支承壓力較高。在工作面前方掘進巷道勢必受到疊加壓力的影響,增加了危險性。
水力采煤法雖然系統簡單、高效,但遺留的煤垛在采空區形成支撐,頂板不能及時、規則地垮落,又要經常在支承壓力帶開掘水道和槍眼,加之推進速度快,開采強度大,易造成大面積懸頂的危害,導致發生沖擊地壓。所以,水采礦井要改進開采設計。
采用長壁式開采方法,有利于減緩沖擊地壓的危害。
倒臺階采煤法由于工作面不成一直線,在臺階部位形成高應力集中,則易導致發生沖擊地壓。
硯石臺煤礦在采用走向長壁式采煤法時,沒有發生過沖擊地壓,僅出現過煤炮聲;而改用倒臺階工作面回采時,經常發生沖擊地壓,且大多數發生在臺階上隅角,約占回采時沖擊地壓總次數的90%,不僅次數多,而且強度也大,平均每次沖出煤炭130t以上。
?7、頂板管理盡量采用全部垮落法,工作面支架應采用具有整體性和防護能力的可縮性支架。統計表明:采用非正規采煤法的采區沖擊地壓次數多、強度大;水力充填次之;全部垮落法次數少且強度弱。我國發生沖擊地壓的煤層其頂板大多又厚又硬,不易垮落。采用注水、爆破等方法,使頂板弱化或垮落,能夠減緩沖擊地壓。在有沖擊地壓的礦井中,有6個采用水砂充填方法管理頂板,并不能避免沖擊地壓的發生。例如撫順煤礦特厚煤層的頂板,雖為較軟的厚層油母頁巖,采用水砂充填上行分層開采,但第一分層開采時,沖擊地壓仍較嚴重。除煤層性質外,厚層油母頁巖老頂的整體彎曲下沉是造成煤層邊緣的高應力集中的重要因素。根據撫順、阜新等煤礦沖擊地壓危害情況,傷亡事故主要由于沖擊震動推倒或折斷支架,造成片幫和冒頂傷人。所以沖擊危險工作面必須采取特殊的支護形式,加強支護,提高支架的整體性和穩定性。
?(三)沖擊地壓的解危措施
在煤層開采中,生產地質條件極為復雜。往往由于人們對沖擊地壓發生條件不能完全掌握,造成開拓布置和開采方式不合理,沒有預先采取防范措施或防范措施不完善,不可避免地形成局部煤層地段的高應力集中和沖擊地壓危險。因此,在煤層開采過程中必須對這些地段進行及時處理,以保證安全生產。這種對已形成沖擊危險或具有潛在沖擊危險地段的處理措施稱為解危措施。它屬于暫時的局部性措施,包括煤層爆破卸壓、鉆孔卸壓和誘發爆破等。
按照沖擊地壓發生的強度條件和能量條件,工作面附近煤層被頂底板緊緊地夾持著,承受極高的載荷,雖并未破碎,卻積聚大量的變形能。這時煤體和圍巖形成的三軸壓縮應力與礦山壓力處于臨界平衡狀態。采取的各種卸壓解危措施,正是為了減緩這種臨界狀態,把夾持狀態下煤層的側向約束解除掉,使已形成的局部高壓力分散轉移到較廣區域。由于卸壓措施造成煤體局部破裂,降低了強度,應力重新分布,從而釋放或降低了煤巖體中的彈性能,使工作面前方一定范圍內成為安全區。
1、爆破卸壓
爆破卸壓是指對形成沖擊危險的煤體,用爆破方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。實施爆破卸壓應采取深孔爆破方法,孔深應達到支承壓力峰值區。裝藥位置越靠近峰值區,炸藥威力越大,爆破解除煤層應力的效果越好。該法適用于頂板比較完整的條件下或作為煤層注水時的輔助措施。
爆破卸壓能同時局部解除沖擊地壓發生的強度條件和能量條件,即在有沖擊地壓危險的工作面卸壓和在近煤壁一定寬度的條帶內破壞煤的結構(但不落煤),使它不能積聚彈性能或達不到威脅安全的程度。這樣在工作面前方形成一條卸壓保護帶,隔絕了工作空間處于煤層深處的高應力區。顯然,從防治沖擊地壓的角度看,應用盡量多的炸藥爆破出盡量寬的保護帶,但實際上要達到這個目的,目前技術條件還不夠。不過根據多年的觀測實踐證明,如果能保證在工作面前方和巷道兩幫始終保持一個寬5m~10m的保護帶,就能防止沖擊地壓的危害。
可以采用爆破斷頂的方法進行爆破卸壓,即在待采煤層隔離煤柱一側的老采空區內,對采空區頂板內造成寬約6m、深約6m~8m的斷溝,用以削弱采空區與待采區之間的頂板連續性、減小待采煤層開采時的應力集中,以消除沖擊地壓危害。
爆破參數和施工工藝應按《沖擊地壓煤層安全開采暫行規定》確定。爆破斷頂措施在門頭溝煤礦的實際使用(見圖2)中取得了一定的成效。在-230m水平二槽煤東區,有計劃地共斷頂五個已采區,總長約230m。斷頂前在該區曾發生過兩次沖擊地壓,斷頂后則未曾發生。在斷頂前后進行的圍巖變形觀測和地音監測表明,斷頂后圍巖變形和地音指標均大幅度降低,證實了斷頂效果。
爆破卸壓屬于內部爆破,主要物理作用是使煤層產生大量裂隙。試驗表明,爆破使炮孔周圍形成破碎區和裂隙區,破碎區遠小于裂隙區。徑向裂隙穿過切向裂隙,說明徑向裂隙擴展在前,切向裂隙形成在后。炸藥爆炸后,沖擊波首先使煤體破裂。繼之爆破產生氣體進一步使煤體破裂,在氣體壓力作用下,煤體沿徑向移動,形成切向拉應力,產生徑向拉破裂。隨著裂隙的擴展,氣體通過裂隙擴散到煤體中,與煤體產生熱交換。同時,氣體的體積增大,而溫度和壓力下降。當裂隙前端的應力強度因子小于斷裂韌性時,裂隙停止擴展。當壓力小于臨界值時,因原先受壓貯存于煤體中的彈性能釋放,使煤體向炮孔中心移動,在煤體中產生徑向拉伸作用,導致切向破裂。但徑向裂隙的擴展遠大于切向裂隙。造成煤層性質變化的主要因素是徑向裂隙。
根據彈塑性理論,把采煤工作面簡化為平面應變的力學模型。以龍風煤礦采煤工作面為例的計算結果表明,爆破卸壓使煤壁前方的支承壓力重新分布,應力梯度變小,峰值壓力移往煤體深部7m以遠屈服區,比爆破前增大近一倍,能量密度明顯減小。
?綜上所述,爆破卸壓在煤體中產生大量裂隙,使煤體的力學性質發生變化,彈性模量減小,強度降低,彈性能減少,破壞了沖擊地壓發生的強度條件和能量條件。由于煤體內裂隙的長度和密度增加,按照失穩理論,還具有致穩作用和止裂作用,防止了沖擊地壓發生。
實施爆破卸壓前必須先進行鉆屑法檢測,確認有沖擊危險時才進行爆破卸壓,爆破以后還要用鉆屑法檢查卸壓效果。如果在實施范圍內仍有高應力存在,則應進行第二次爆破,直至解除沖擊危險為止。
為了安全生產,通過爆破卸壓在工作面前方和巷道兩幫形成一個有足夠寬度(大于3倍采高)的卸壓保護帶。所以,對巷道兩幫,爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度;對采煤工作面,爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度加上工作面進度。
爆破孔的孔深取決于卸壓深度。由于孔深藥量多,為保證殉爆可用導爆索連接加強引爆,使藥卷能裝到孔底,可先把藥卷裝在軟管里或用非金屬材料綁扎后進行裝藥。爆破孔布置方式應根據具體條件確定。通常用煤電鉆打眼,孔徑50mm~55mm,孔間距4m~10m,每孔裝藥量按不超過孔深一半計算,一般為1.5k8~3.5kg。鉆孔不裝藥部分必須填滿水炮泥或黏土炮泥。躲炮距離100m~150m,躲炮時間30min~40min。
門頭溝煤礦、龍鳳煤礦、天池煤礦等都成功地使用爆破卸壓方法,取得良好的效果。
天池煤礦的爆破卸壓參數為:孔深4m~8m,孔間距3m~6m,孔徑50mm~55mm(用φ42mm鉆頭),每孔裝藥量1.0kg~3.5kg,瞬發雷管引爆(6m以上深孔裝兩發雷管),炮泥封孔。
龍風煤礦進行爆破卸壓時,用普通煤電鉆打眼,φ42mm鉆頭。按垂直煤壁方式布孔。鉆孔傾向與工作面頂板線一致。孔深4m~6m,孔間距3m~5m。每孔裝藥量1.0kg~1.4kg,黃泥封孔,填滿填實。瞬發雷管起爆,在孔底藥卷中加一段煤礦安全型導爆索,每次起爆二孔(也可多孔起爆)。
城子煤礦的-250m水平八層西大巷煤柱,由于采取爆破卸壓等措施得當,安全回收全部煤柱,沒有發生沖擊地壓事故。該煤柱在1971年曾回收過,由于沖擊地壓嚴重,并造成人員傷亡事故而被迫停采封閉。時隔近20年后煤柱已是四面采空的孤立煤柱,再進行回收存在著沖擊地壓和垮頂的嚴重威脅,在回收過程中嚴格執行每循環都進行超前爆破卸壓的措施。開切眼掘進時就開始進行超前爆破卸壓,孔數3個~4個,孔深4m~5m。采煤工作面沿傾向方向每5m布置一個爆破卸壓孔,孔深為循環進度的3倍。每孔裝藥量3個~5個藥卷(0.5kg~1.0kg)。卸壓炮眼與工作面落煤炮眼同時起爆,取得較好效果。
2、誘發爆破
誘發爆破是在監測到有沖擊危險的情況下,利用較多藥量進行爆破,人為地誘發沖擊地壓,使沖擊地壓發生在一定的時間和地點,從而避免更大損害的一種解危措施。
實行誘發爆破必須慎重行事。作為輔助手段,誘發爆破只有在存在嚴重沖擊危險的情況下,其他方法無效或無法實施時才應用。實施地點多用于煤柱回收時,與鉆屑法檢測孔配合互用。孔距2m~5m,孔深按沖擊危險區范圍確定。可平行走向或傾斜布置,也可混合布置。一般采用深孔爆破法,鉆大量較長的鉆孔直達高應力帶。采用大藥量、集中裝藥和同時引爆的方法,以便使煤巖體強烈震動,誘發沖擊地壓,或造成煤體強烈卸壓、釋放能量,把高應力帶移向煤體深部。集中爆破的藥量越多,誘發沖擊地壓的可能性越大。因為這樣在煤體中造成的動應力就大,動應力疊加在原來存于煤體中的靜應力上的總和越大,超過臨界應力值機會就愈多,就會誘發沖擊地壓。
實施誘發爆破應按《煤礦安全規程》的有關規定施工。實施前必須采用鉆屑法確定沖擊危險地點,加固支架,掩護或撤出機械設備及電纜工具等。爆破時必須設專人警戒所有通往爆破地點的通道。躲炮半徑不得小于150m,躲炮時間30min以上。
天池煤礦、門頭溝煤礦等都應用過誘發爆破。天池煤礦在采掘過程中,特別是回收煤柱時,始終堅持以爆破卸壓為主,誘發爆破為輔的措施。誘發爆破參數視具體情況而定。一般孔徑為50mm~60mm,孔深6m~8m以上,每孔裝藥量2kg~3kg以上,孔間距2m~3m。炮泥封孔,填滿填實。瞬發雷管,同時引爆。門頭溝煤礦1980年開始試驗應用誘發爆破,其鉆孔布置方式在正規煤柱支撐法工作面為平行煤層走向或傾向布置,孔深為煤柱寬度的3/4。在非正規工作面如殘柱式回采,視煤柱尺寸進行布置,但孔深均不超過煤柱寬度的3/4。誘發爆破后要及時回采,不要停留過長時間(不超過一個月),以防能量重新積聚,產生新的沖擊危險。
誘發爆破應作為爆破卸壓的輔助手段,用于特殊情況下。其效果是有限的,不能保證按時誘發,有時一小時后才發生沖擊地壓。而且大藥量同時引爆,必然造成一定程度的破壞作用。所以要慎重行事,有限度地使用。
3、改變煤層的物理力學性能改變煤層的物理力學性能主要有:高壓注水、放松動炮和鉆孔槽卸壓等方法。
(1)高壓注水是通過注水,人為地在煤巖內部造成一系列的弱面,并使其軟化,以降低煤的強度和增加塑性變形量。注水后,煤的濕度平均增加1.0%~2.2%時,可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3%~14.5%。
(2)放松動炮,是通過放炮人為地釋放煤體內部集中應力區積聚的能量。在采煤工作面中使用時,一般是在工作面沿走向打4m~6m深的炮眼,進行松動爆破。它的作用是可以誘發沖擊地壓和在煤壁前方經常保持一個破碎保護帶,使最大支撐壓力轉入煤體深處,隨后即便發生沖擊地壓,對采煤工作面的成脅也大為降低。
(3)鉆孔槽卸壓是用大直徑鉆孔或切割溝槽使煤體松動,以達到卸壓效果。卸載鉆孔的深度一般應穿過應力增高帶,在掘進石門揭開有沖擊危險的煤層時,應距煤層5m~8m處停止掘進,使鉆孔穿透煤層,進行卸壓。
此外,還可依靠選擇最佳采煤方法、回采設備、開采參數和工作制度等方法,局部降低煤層邊緣的沖擊危險程度。例如,當開采有沖擊危險的單一煤層時,應采用直線式長壁工作面的前進式采煤方法,并在巷道側不留煤柱。對有沖擊危險的厚煤層,應采用傾斜分層長壁式采煤方法。上分層的開采厚度應當最小。
開采有沖擊危險的煤層時,無論是在采煤工作面還是在掘進工作面中,都應采用支撐力大的可縮性金屬支架。
綜上所述可以認為,在現有技術水平下對沖擊地壓認真地進行測定和預報工作,并針對具體情況采取有效的防治措施,完全可以消除或大大減少沖擊地壓事故。
四、開采有沖擊地壓煤層時應注意的問題
1、開采有沖擊地壓煤層的礦務局(公司)、煤礦都應有專人負責防治沖擊地壓的工作。應裝備微震、地音監測等裝備,進行沖擊地壓預測預報工作。
2、開采有沖擊地壓的煤層,必須編制設計,報礦務局(公司)、礦總工程師批準。有沖擊地壓的煤層中,掘進工作面臨近大型地質構造、采空區和通過其他集中應力區以及回收煤柱時,必須制訂措施,報礦總工程師批準。
3、開采有沖擊地壓危險煤層的工作人員,都必須接受有關防治沖擊地壓基本知識的教育,熟悉沖擊地壓發生的原因、條件和征兆以及應急措施。防治沖擊地壓的措施中,必須規定發生沖擊地壓時的撤人路線。每次發生沖擊地壓后,必須組織人員到現場進行調查,記錄好發生前的征兆、發生經過、有關數據及其破壞情況,并制訂恢復工作的防治措施,報礦務局(公司)、礦總工程師批準。
4、有嚴重沖擊地壓煤層在開拓時,應在巖層或無沖擊地壓的煤層中掘進集中巷道。開采時,在采空區不得留有煤柱。如果在采空區留有煤柱,必須將煤柱的位置尺寸以及影響范圍標在采掘工程圖上。永久硐室不得布置在有沖擊地壓的煤層中。
5、開采煤層群時,首先開采無沖擊地壓或弱沖擊地壓煤層作為保護層,開采保護層后,在被保護層中確實受到保護的地區,可按無沖擊地壓煤層進行采掘工作。在未受保護的地區,必須采取放頂卸壓、煤層注水、打卸壓鉆孔、超前爆破松動煤體或其他防治措施。
開采有嚴重沖擊地壓的單一煤層和無保護層可采的煤層時,必須采取規定的防治沖擊地壓的措施。
6、保護層有效范圍的劃定方法和保護層回采的超前距離,應根據對礦井實際考察的結果確定。
7、開采有沖擊地壓煤層時,沖擊危險程度和采取措施后的實際效果,都可采用鉆屑法、地音法、微震法或其他方法確定。對有沖擊地壓危險的煤層,可根據預測預報等實際考察資料和積累的數據。劃分煤層的沖擊地壓危險程度等級,以便按其等級制定沖擊地壓的綜合防治措施。
8、對有沖擊地壓的煤層,應根據頂板巖性掘進寬巷或沿采空區邊緣掘進巷道,巷道支護應采用可縮性支架,嚴禁采用混凝土、金屬等剛性支架。
9、有嚴重沖擊地壓的厚煤層中,所有巷道都應布置在應力集中圈外。煤巷雙巷掘進時,2條平行巷道之間的煤柱不得小于8m,聯絡巷道應與2條平行巷道成直角。
10、開采有沖擊地壓的煤層,應用垮落法控制頂板,并提高切頂支架的工作阻力,采空區中所有支柱必須回凈。
11、有沖擊地壓的煤層中,在1個或相鄰的2個采區中,同一煤層的同一分階段,在應力集中的影響范圍內,不得布置2個工作面同時相向或向背回采。如果2個工作面相向掘進,在相距30m時,必須停止其中一個掘進工作面,以免引起嚴重沖擊危險;停產3d以上的采煤工作面,恢復生產的前一班,應鑒定沖擊地壓危險程度,以便采取安全措施。
12、嚴重沖擊地壓的煤層中,采掘工作面的爆破撤人距離和爆破后進人工作面的時間,必須在作業規程中明確規定。
13、三面或四面被采空區所包圍的地區和構造應力區、進行回采和回收煤柱時,必須制訂防治沖擊地壓的安全措施,報礦總工程師批準。