第s七章孙村煤矿深部冲击地压及其防治技术

144第七章孙村煤矿深部冲击地压防治技术煤矿冲击地压是开采过程中承受高应力的煤岩体在破坏瞬间骤然释放弹性变形能的矿山压力动力现象。随着开采深度增加,孙村煤矿开采引起的矿山压力逐渐显现出动力现象,自1987年以来,多次发生矿震(矿上称为震顶)、煤炮、巷道短时间内急剧变形、钻孔夹钎杆等冲击地压现象。最早出现明显冲击地压特征的地点位于-600m水平后组煤层一采区掘进中的1315工作面回风平巷,埋深在720m左右。继新汶局西部矿井华丰矿于1992年3月发生较强烈冲击地压后,从1994年起，孙村煤矿多次发生较强烈的冲击地压,与孙村煤矿相邻的张庄煤矿也出现了类似的情况。第一节冲击地压显现规律一、煤岩冲击倾向性测定煤岩是否具有冲击危险,首先取决于煤岩自身的固有特性。在深部1217房柱式工作面和1417长壁工作面发生较强烈的冲击地压后,孙村煤矿在1218和1417工作面分别采取煤岩样,由煤科院北京开采所进行冲击倾向试验,试验结果如表7-1、表7-2和表7-3所列。表7-12#煤层冲击倾向性鉴定项目工作面煤层上部的煤样工作面煤层下部的煤样干样湿样干样湿样抗压强度Ｒ压（MPa）29.316.517.715.5弹性能量指数WET2.542.141.790.7动态破坏时间DT(ms)3312939250冲击倾向综合评判结果强烈中等中等弱备注湿样浸水时间22d；采样埋深838～839m表7-24#煤层冲击倾向性鉴定项目工作面煤层上部的煤样工作面煤层下部的煤样干样湿样干样湿样抗压强度Ｒ压（MPa）17.616.518.916.4弹性能量指数WET2.01.172.341.9动态破坏时间DT(ms)5172116170冲击倾向综合评判结果中等弱中等弱备注湿样浸水时间22d；采样埋深825～841m表7-32#、4#煤层顶板岩石冲击倾向性鉴定项目1218工作面1417工作面抗弯强度Ｒ弯（MPa）11.813.0弯曲能量指数(KJ)17.294.97冲击倾向鉴定类别中等冲击倾向无冲击倾向由实验结果作出如下结论:1454煤层#4号石门#东大巷3号石门1215工作面1214工作面采空区4煤层辅助上山回风平巷运输平巷a．1218工作面的2#煤层属强烈冲击倾向,顶板属中等冲击倾向。b．1417工作面的4#煤层属中等冲击倾向,顶板无冲击倾向。c．顶底板岩性对煤层冲击强度有很大影响。d．浸水对冲击地压防治有一定效果,但应与其它方法相结合。二、支承压力峰值位置冲击地压发生的理论有强度理论、能量理论、刚度理论、失稳理论和冲击倾向理论，这些理论从某个方面解释冲击地压发生的机理，并提出了相应的判别准则。无论用什么样的理论解释冲击地压发生的机理，冲击地压都是在高应力下发生的，因为强度高、弹性大的煤层只有在高应力条件下才可能积存较多的弹性能。开采深度和煤岩体中的应力是直接相关的，原岩应力和开采深度成正比，长壁工作面开采期间和停采后，煤壁前方和侧方形成移动支承压力和固定支承压力，这些支承压力以原岩应力为基数，在地层中形成应力集中，采深愈大，应力的绝对值愈大。高应力是发生冲击地压的必要条件，在采用垮落法处理采空区的长壁工作面，煤壁前方和侧方实体煤层内形成支承压力是不可避免的。孙村煤矿深部已经发生的冲击地压均与支承压力直接相关。1．移动支承压力峰值位置根据孙村煤矿长壁工作面开采期间在运输平巷和回风平巷内的变形观测，推断-600m和-800m水平移动支承压力峰值在采场上端分别超前工作面煤壁25m和30m，在采场下端分别超前15m和20m。2．侧向固定支承压力峰值位置侧向固定支承压力峰值位置由以下矿压观测资料推断。(1)1215工作面跨采3号石门附近4#煤层辅助轨道上山的观测如图7-1，-600m水平上山阶段一采区2#煤层1215工作面跨采石门的同时，跨采了3号石门附近的4#煤层辅助轨道上山。该上山与2#煤层的垂距为15m，采用锚网支护，矩形断面。在1215工作面跨过该上山15.4m后,4#煤层辅助轨道上山的顶底板和两帮闭合量如图7-2所示。该上山的变形是侧向固定支承压力与移动支承压力共同作用的结果，由此推断，侧向固定支承压力峰值位于距采空区边缘2030m的范围内。图7-11215工作面与辅助上山的相对位置146#4煤层回风下山2219采空区图7-21215工作面跨过上山15.4m后上山的变形量1-两帮闭合量2-顶底闭合量（2）-600m水平下山阶段4#煤层回风下山在侧向固定支承压力作用下的观测-600m水平下山阶段2219工作面跨采了下方的下山后，位于煤柱下方的4#煤层回风下山长期承受侧向固定支承压力作用，多次修复后又严重变形。4#煤层回风下山与2219工作面的相对位置如图7-3，该下山在1996年10月观测时的净高如图7-4所示。4#煤层回风下山最低处距煤柱边缘的距离在34m左右，由此推断侧向固定支承压力峰值位置深入煤体34m左右。图7-32219工作面与4#煤层回风下山相对位置（3）1212工作面跨采4#煤层上山变形观测2#煤层1212工作面跨采4#煤层上山时，在上山中布置了Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ号观测点，Ⅲ、Ⅳ和V号观测点分别距1211工作面采空区边缘85m、57m和20m，工作面跨过上山20m后，在侧向固定支承压力与移动支承压力共同作用下，Ⅲ、IV和V号测点的顶底板闭合量分别为270mm，图7-44#煤层回风下山高度03006009001200-20020406080与采空区边缘的距离(m)巷道闭合量(mm)120.00.51.01.52.02.5-20020406080与采空区边缘的距离(m)巷道净高(m)1472—补掘回风平巷1—原回风平巷A21AA—A7m31m40m780mm和1300mm，V号测点上下5m左右上山的变形情况同V号测点，由此推断侧向固定支承压力峰值位置深入煤体25m左右。三、深部长壁工作面支承压力作用下的冲击地压1．本煤层工作面移动支承压力峰值与侧向固定支承压力峰值叠加区内重掘回风平巷引发的冲击地压2219工作面是-600m水平以下二采区2#煤层第3个工作面，埋深为838～905m，由于该工作面的回风平巷与2218工作面采空区之间留设了68m的区段煤柱，当2219工作面推进到距停采线160m时，回风平巷变形严重，经多次维修后仍无法使用，被迫沿倾向方向下拉31m补掘新回风平巷。2219工作面及相关巷道布置如图7-5所示。图7-52219工作面及相关巷道布置1994年12月15日，新补回风平巷掘至32m时，放炮诱发了冲击地压，巷内支架大部分被摧垮，断面缩小了三分之一以上，工作面上部10m范围内刮板输送机被推移0.3～0.5m，有8棵单体液压支柱被推倒。2219工作面发生冲击地压的原因在于补掘的回风平巷沿倾向开掘在本煤层侧向固定支承压力峰值位置附近，沿走向也开掘到本煤层移动支承压力峰值位置附近，即补掘的回风平巷开掘在侧向固定支承压力峰值和移动支承压力峰值叠加区内是引发冲击地压的根本原因。2．本煤层工作面移动支承压力峰值和上煤层侧向固定支承压力峰值叠加区内重掘运输平巷引发的冲击地压1417工作面是-600m水平以下一采区4#煤层第一个工作面，埋深775846m，部分采段之上有2#煤层1217工作面停采后形成的两侧采空的煤柱，2#、4#煤层间距15m左右。当1417工作面推进至距上覆1217工作面停采线14m时，距工作面40m范围内的运输平巷变形破坏严重，多次扩修后仍无法使用，被迫在工作面前方50m处补掘贯眼，欲通过贯眼由西往东重补运输平巷与回采工作面相通。1417工作面及相关巷道布置如图7-6所示。148采空区东西221911—2419运输平巷103m采空区2219AAH=4.6m三侧采空煤柱40m1AA#44—2煤层煤柱3—补掘运输平巷2—贯眼1—运输平巷A3A21A—A31m40m图7-61417工作面及相关巷道布置1994年6月23日，当贯眼掘至15m处时，放炮诱发了冲击地压。已掘的15m贯眼内木支架全部被摧垮，冲出煤炭约62t，在贯眼开口处运输平巷东西两侧20m范围内，靠上帮侧的木支架柱腿有三分之一被折断，局部出现漏顶，刮板输送机由上帮冲至下帮。1417工作面发生冲击地压的根本原因在于补掘的贯眼开掘在2#煤层开采后侧向固定支承压力峰值区内（1417工作面运输平巷距2#煤层煤柱边缘的距离为31m），在与本工作面的移动支承压力峰值叠加后掘进放炮诱发了冲击地压。3．在上煤层三侧采空的煤柱形成的固定支承压力作用下掘巷引发的冲击地压4#煤层2419西工作面运输平巷埋深897m，该平巷在掘进过程中由2#煤层的采空区下方进入2#煤层2219东和2219西工作面由于断层影响而留设的三侧采空的煤柱下方。2419西工作面运输平巷与煤柱的相对位置如图7-7所示。图7-72419工作面运输平巷与煤柱的相对位置14921H=5mH=3m2419工作面运输平巷进入煤柱下方15m后，受固定支承压力影响，巷道片帮程度逐渐加剧，平均片帮深度达1.5m，矿震和煤炮不断，掘进头煤壁压酥、塌落，严重时每班无需放炮工人就能攉出一个棚距的进度。当掘至煤柱下方40m时，放炮诱发了冲击地压，约8t煤被抛出，在距掘进头10m范围内底鼓0.5m左右。由于工作人员在150m以外躲炮，以上三次冲击地压均未造成人员伤害，这一个人防护措施应在深部长期坚持。四、深部柱式体系采煤法引发的冲击地压柱式体系采煤法开掘巷道多，巷道交岔多，遗留的煤柱也多，发生冲击地压的可能性高于长壁采煤法，它们之间的差异在于支承压力的分布形式明显不同。在采用垮落法处理采空区的长壁工作面，其采空区至多承受原岩应力，煤壁前方的实体煤承受较高的支承压力。相反，采用房柱式采煤法开采后，煤房间较窄的煤柱要承受较高的支承压力，两侧没有形成煤房而较宽的实体煤承受较小的支承压力，煤房间的煤柱和一侧采空煤体上的支承压力分布如图7-8所示。因此，深部采用房柱式采煤法开采更容易引发冲击地压。图7-8煤房间的煤柱和一侧采空的煤体上支承压力分布1-两侧采空的煤柱上支承压力分布2-一侧采空的煤体上支承压力分布孙村煤矿2#煤层1217煤柱工作面位于-600m水平下山阶段一采区，是1217长壁工作面推进至落差为3m的断层附近停采后遗留下来的一块煤柱，该煤柱呈两侧采空状态，上方和东部为采空区，西部和下部与落差为45m的F5断层斜交，呈上宽下窄的三角形状。1217煤柱工作面煤厚3.7m，上端埋深为826m，下端埋深为841m。该煤柱采用房柱式采煤法回收，沿走向煤房间的中心距为8m，两煤房间煤柱的净宽为4.5m，沿倾斜方向上每隔20m开掘一联络贯眼将两煤房联通。1217煤柱工作面房柱式开采布置如图7-8所示。图7-81217煤柱工作面房柱式开采布置1994年5月17日，当第三个煤房由下向上掘至22m处，在向东掘横贯时掘进迎头放炮诱发了冲击地压，放炮后炮尘飞扬，第三个煤房已掘的22m处底臌0.8～1.0m，支柱歪斜，局部冒顶（冒落高度0.5m）范围长达10m，下部运煤平巷20m范围内巷道上帮的木棚柱腿全部折断，刮板输送机由上帮推至下帮，位移1.5m，约150t煤被抛出，在100m以外躲炮的人员被冲倒，安全帽150被冲跑，三人受轻伤。1217煤柱工作面发生冲击地压的根本原因在于深部采用了房柱式采煤法回收两侧采空的煤柱。五、深部原岩应力作用下的冲击地压–1100m水平管子道副暗斜井在原岩应力作用下沿4#煤层掘进，掘至标高-900m时,迎头出现较强烈的动力现象，每班在钻眼过程中或爆破后出现较强的震顶。随着向下延深，震顶次数增多，震感变烈，每次震后巷道围岩瞬时下沉量增大，锚杆托盘向里明显位移，迎头以外10m左右巷道喷体多处开裂，底臌量增大，迎头煤体明显突出。第二节深部冲击地压防治技术一、深部冲击地压危险性分析孙村煤矿深部主采的2#煤层属强烈冲击倾向煤层，其顶板属中等冲击倾向,4#煤层属中等冲击倾向煤层，其顶板无冲击倾向。在煤岩冲击倾向不变的情况下,随着开采深度增加,外在因素中的地质因素使冲击地压发生的可能性增大,增大的原因如下:（1）随着开采深度增加,原岩垂直应力增加,在-600m