综放开采矿震的成因及防治对策.pdf
《综放开采矿震的成因及防治对策.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《综放开采矿震的成因及防治对策.pdf(7页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第 25 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.25 Supp.1 2006 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.,2006 收稿日期:收稿日期:20051125;修回日期:修回日期:20060107 基金项目:基金项目:教育部骨干教师资助计划项目 作者简介:作者简介:蒋金泉(1961),男,1982 年毕业于山东矿业学院采矿工程系采矿工程专业,现任教授、博士生导师,从事矿山压力与岩层控制方面的教学与研究工作。E-mail: 综放开采矿震的成因及防治对策综放开采矿震的成因及防治对策 蒋金泉,张开智(山东科技大
2、学 矿山灾害预防控制重点实验室,山东 泰安 271019)摘要:摘要:通过综放开采的矿震灾害实例分析,研究综放开采矿震危害的成因与机制,初步提出相应的防治对策。综放工作面开采厚度大,高位厚硬岩层会成为主关键层,其运动幅度大、冲击能量高,发生矿震的可能性与危害性加大。综放开采的矿震是由上位主关键层与大结构、台阶形采空区边界覆岩的非充分沉降、区段煤柱、断层活化、煤柱应力集中与长时强度降低等因素形成的。主关键层大面积破断运动导致大结构失稳、释放重力势能,重力势能和冲击气浪的能量叠加转化为冲击动能,对采空区围岩做功发生矿震。应在合理开采部署的基础上,开展合理泄风、构筑嵌入式高强缓冲密闭或巷道“”形密闭
3、、主关键层下位离层注浆减沉、采空区“O”形空间注浆充填等防治技术的试验研究。关键词:关键词:采矿工程;综采放顶煤;矿震;成因;机制;主关键层;离层注浆;“O”型空间注浆 中图分类号:中图分类号:TD 32 文献标识码:文献标识码:A 文章编号:文章编号:10006915(2006)增 1327607 CAUSE AND CONTROL METHOD OF MINE EARTHQUAKE IN FULLY MECHANIZED TOP COAL CAVING MINING JIANG Jinquan,ZHANG Kaizhi(Key Laboratory of Mine Disaster Pre
4、vention and Control,Shandong University of Science and Technology,Taian,Shandong 271019,China)Abstract:The cause,mechanism and tentative control measures of mine earthquake in fully mechanized top coal caving mining are studied by case analysis.Because the coal caving height is larger in fully mecha
5、nized top coal caving mining,thick and hard rock strata at higher position turn into the main key stratum,which have large movement and higher impact energy.These enhance the possibility and harmfulness of mine earthquake.The mine earthquake is caused by many factors such as main key stratum,great s
6、tructure,inadequate subsidence of step-shape gob boundary overburden,fault activation,stress concentration and reduction of long-time strength of section pillar.The great area breaking movement of main key stratum causes great structure unstable and gravity potential energy to be released at a large
7、-scale degree.The superimposition of gravity potential energy and impact energy turns into impact kinetic energy,which causes mine earthquake by the work to surrounding rock of gob.Based on the reasonable layout of mining,the control techniques,for example,reasonable leakage wind,building embedding
8、high strong buffer bulkhead or-entry bulkhead,separating strata grouting under the main key stratum to reduce the subsidence,grouting into the O-shaped space in the gob,should be studied by experiments.Key words:mining engineering;fully mechanized top coal caving mining;mine earthquake;cause;mechani
9、sm;main key stratum;separating strata grouting;O-shaped space grouting 第25卷 增1 蒋金泉等.综放开采矿震的成因及防治对策 3277 1 引引 言言 矿震是由矿山开采引起的地震活动。由于采空区坚硬覆岩大面积悬空后,围岩应力集中程度增大、岩体积累的应变能增加,影响范围随之扩大,脆性岩层或煤层中出现微破裂与地声;随着应力继续增加,微破裂和地声频次增加,当微破裂次数与规模使之彼此贯通时,煤岩体产生宏观破裂,伴随强烈的震动;坚硬覆岩突然脱离母体瞬间垮落,压缩空气产生强大的气流,从而引起矿震危害。它对矿山安全生产的危害性极大,是世
10、界深层采矿作业中难以控制的现象之一。目前,世界上有记载的最大矿震是德国东部Suna 钾碱矿区 1975 年发生的 ML=5.2 级矿震,其次是波兰卢宾铜矿区 1977 年发生的 ML=4.5 级矿震。我国已有门头沟、辽源、六枝化处、大同、北票、陶庄、涟邵、抚顺、新汶等矿区的 55 个以上的煤矿发生过矿震15。例如,抚顺矿区现在每年发生矿震达 3 0004 500 次,最大震级为 ML=3.3 级;门头沟矿自 1947 年首次发生 ML=3.8 级矿震以来,随着开采深度的不断增加,矿震频次和能量均显著增加,最大震级为 ML=4.2 级,北京市部分地区均有明显震感;新汶矿区现开采深度达 7001
11、000 m,矿震现象已十分突出,每年发生的矿震达 100 余次,地面有强烈的震感,影响范围超过 10 km。齐庆新等1研究了冲击地压与矿震的区别;马志峰2、惠乃玲等5研究了矿震的震源机制;方建勤等3、童迎世等4研究了矿震的分类。发生矿震的有房柱式、短壁式、刀柱式采煤方法的坚硬顶板条件,也有长壁开采的坚硬覆岩条件。有关研究表明,随着采矿作业的进行,强烈矿震会重复发生,且开采深度越深,矿震活动越频繁。近年来,随着我国煤矿综放开采深度与强度的加大,一些矿区监测到的矿震活动已经十分频繁,甚至发生了比较严重的矿震灾害,但还没有开展综放开采矿震活动的研究。科学地掌握矿震灾害的发生、发展规律,采取有效的减灾
12、防灾对策,已日益引起人们的重视。为此,本文通过综放开采矿震灾害的实例分析,探讨其发生的成因、机制与防治对策。2 综放开采矿震灾害实例及成因综放开采矿震灾害实例及成因 2.1 综放开采矿震灾害实例综放开采矿震灾害实例 鲍店煤矿为大型现代化矿井,主采煤层为山西组 3 煤(3上,3下),采用综合机械化采煤与综采放顶煤采煤方法,2004 年 9 月 6 日在 2310 工作面 1#进风联络巷发生兖州矿区首次矿震灾害。如图 1 所示,灾害地点西部为 2310,2311 工作面采空区,2311 工作面于 2003 年 5 月停采;北侧为大马厂断层与 2310工作面停采线之间的煤柱;东侧、南侧为大马厂断层,
13、断层外为 2306 切眼。2310 工作面停采后,对 2 个顺槽进行了第一次永久性封闭,并进行注浆充填堵漏,之后又进行了第二次永久性封闭,在 2 个顺槽及其外 图 1 综放开采矿震灾害实例平面图 Fig.1 Plan of mine earthquake disaster instance in fully mechanized top coal caving mining N3278 岩石力学与工程学报 2006 年 部分别构建了砖结构的永久封闭。2310,2311 采空区上位巨厚中砂岩大面积活动形成的矿震冲击波,将 2310 轨顺 2#,1#密闭摧毁,砖结构密闭的红砖被冲击波抛出,在 2#
14、绞车窝、2310 工作面 1#进风联络巷的支架上出现明显的砖痕。冲击波冲垮 2#密闭外侧的 3 个支架、1#密闭外侧的多个支架,1#密闭外侧巷道顶煤冒落,如图 2所示。冲击波及抛出的密闭砖块导致人员伤亡。矿震发生后,为了隔离采空区,在 2310 工作面 1#进风联络巷外侧斜坡处用砂袋构筑了长 5 m 的临时封闭,再次发生矿震时又将临时封闭摧毁。2.2 综放开采矿震灾害成因综放开采矿震灾害成因 通过现场勘察、气体检测、资料分析、受伤人员观察,可以排除瓦斯煤尘爆炸、水煤气爆炸的可能。2310 轨顺 2#密闭内侧为锚网支护,顶板完好,底板为已干缩为豆腐块状的胶体泥浆,2311 施工巷及 2310 工
15、作面 1#进风联络巷无明显表面位移,除冒顶区外,其他巷道支架无变形,可排除发生冲击地压的可能性。采矿活动引起的上覆岩层大面积运动可引发矿震现象,矿震可在采矿空间形成不同的程度冲击波,事故发生时伴随着响声和震动,该区域具备了发生矿震的条件,主要成因有以下几个方面:(1)由 2311 综放面停采线内侧的 76#钻孔柱状可知,3 煤上部 91 m 处赋存着厚度达 94.27 m 的石英中砂岩,具备采空区上位赋存巨厚坚硬岩层的地质条件。厚层石英中砂岩是综放面覆岩主关键层,其大面积悬空与断裂活动为发生矿震提供了力源条件。(2)如图 3 所示,2310,2311,2312 工作面推进方向的长度比其他工作面
16、短,导致该区域采空区边界形成台阶形态,使覆岩处于非充分采动状态,上位巨厚岩层具备了大面积悬空的采空条件。(3)1310 与 2310 工作面之间、2311 与 2312 之间留设了宽度为 15 m 的煤柱,由于煤柱的支撑作用,加剧了台阶形采空区边界附近的非充分采动状态,加大了 2310,2311 采空区覆岩主关键层的悬空面积。2310 工作面停采线附近的地面非充分沉降形 图 2 综放开采矿震灾害实例的剖面图 Fig.2 Cross section of mine earthquake disaster instance of fully mechanized top coal caving m
17、ining 图 3 断层煤柱与采空区台阶形边界 Fig.3 Fault pillars and step-shape boundaries of gob N 第25卷 增1 蒋金泉等.综放开采矿震的成因及防治对策 3279 态如图 4 所示,沉降形态表现为左低右高,沉降盆地积水。其近处地面为 2311 工作面停采线外侧的煤柱上方,2310 工作面停采线在右侧,积水沉降区为2310 工作面停采线内侧的非充分沉降区,远处地面为 15 m 的煤柱支承影响区。图 4 地面非充分沉降形态 Fig.4 Non-fully subsidence form of surface (4)2310,2311,23
18、12 综放面都是向事故发生部位推进的,已经停采,但覆岩主关键层的运动具有周期性,停采线附近的覆岩运动与沉降程度不充分。(5)大马厂断层落差为 10 m,处于 2310,2311,2312 综放面停采线外侧,上位巨厚中砂岩被断层切割,其大面积悬空及断层切割后处于动态平衡状态,易发生大面积运动。(6)由于停采线位置不同,断层煤柱为台阶形,台阶形煤柱凸角处两侧采空区集中应力叠加,应力集中程度高,随着时间的延续,煤柱凸角处长时强度降低、对巨厚中砂岩的支承作用削弱,导致上位巨厚中砂岩大面积运动,煤柱凸角的破坏是发生矿震的诱发因素。3 综放开采矿震机制探讨综放开采矿震机制探讨 关键层对工作面覆岩活动起主要
19、控制作用6,主关键层、亚关键层的断裂分别导致全部、部分覆岩产生整体运动,关键层的下沉变形或破断,其上覆全部或部分岩层将同步下沉、破断;亚关键层可能不止一层,主关键层只有一层,关键层一般为相对厚而坚硬的岩层。主关键层的存在使工作面上位形成范围广、跨度大的覆岩大结构。主关键层出现大面积悬顶后,随着悬顶面积的进一步扩大,主关键层与煤柱的应力集中程度与积蓄的弹性能逐渐升高,煤柱的支承能力逐渐降低,煤柱支承能力的降低又使主关键层的应力状态恶化,当主关键层的应力集中达到其抗弯强度时,主关键层会发生破断运动;当采空区覆岩主关键层长期悬顶,随着主关键层与采空区周边煤柱长时强度的逐渐降低,主关键层也可能发生破断
20、运动;当工作面向断层或煤柱方向推进,工作面与断层或煤柱之间的应力集中程度不断升高,将会诱发主关键层沿着断层活动或沿着相邻采空区覆岩破断面活动,从而诱发主关键层破断运动。主关键层的破断运动必然导致覆岩大结构的瞬时失稳,顶板岩体便向采空区快速运动,由于覆岩大面积瞬时运动压缩空气,从而在巷道内形成空气冲击气流。覆岩大结构的瞬时失稳是矿震的根源,冲击气流是矿震的外在现象。综放工作面开采厚度大,现代采煤技术的发展又加大了工作面长度,根据覆岩破裂高度的钻孔观测与微地震观测7,8,综放覆岩破裂高度显著增加,并与工作面长度成正比。因此,综放工作面发生显著运动的覆岩高度与运动幅度有明显扩大,覆岩中高位厚而坚硬的
21、岩层会成为主关键层,随着矿井综放开采深度与强度的加大,发生矿震的可能性与危害性明显加大,如兖州矿区只在综放开采区域发生过矿震。从成因上看,矿震活动有顶板开裂型、煤柱失稳型和断层剪切型,但实际上主关键层的破断运动往往与煤柱失稳、断层活动密切相关,矿震活动通常是在多方面综合作用下发生的。形成矿震的机制可采用能量原理进行分析9。根据能量原理,顶板冒落过程就是能量释放过程,冒落岩石的重力势能为 mgHE=p (1)式中:pE为冒落岩石的重力势能(J),m为冒落岩石的质量(kg),g为重力加速度(9.8 m/s2),H为冒落高度(m)。采空区顶板岩石冒落时,在密封的、有空气的空间中运动,迫使大量空气被迅
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 放开 采矿 成因 防治 对策
限制150内