3311面回采冲击地压防治设计说明书(评审版)

0山东省天安矿业集团有限公司星村煤矿3311工作面防治冲击地压设计说明书星村煤矿矿压科二O一五年五月1编审人员专业姓名职务职称签名采矿专业孟伟峰科长工程师汤占令副科长助理工程师郑玉友设计高工高级工程师地质专业白若庆科长高级工程师杜习成副科长助理工程师矿压专业公为梅防冲副总高级工程师蔡辉科长助理工程师王超副科长助理工程师总工程师意见矿长意见2目录一、概况.........................................................1二、3311工作面冲击地压危险性分析.................................1三、3311工作面冲击危险指数评价...................................8四、掘进期间冲击危险区域划分....................................12五、掘进期间冲击危险监测方案及预测预报...........................15六、掘进期间冲击地压防治方案设计................................18七、回采期间冲击危险区域划分....................................20八、回采期间冲击危险监测方案及预测预报...........................21九、回采期间冲击地压防治方案设计................................25十、防护措施....................................................29十一、监测及解危职责划分........................................31十二、避灾路线及安全要求........................................3113311工作面防治冲击地压设计说明书一、概况3311工作面对应地面标高为+53m～+54.7m，工作面标高为-1058～-1093m，本工作面位于三采区西侧。工作面位于三采区轨道上山、三采区回风上山、三采区运输上山北侧；东北方为已准备完毕的3307工作面，中间以断层相隔；西北侧邻近DF16断层（H=0-22m）。3311工作面设计所采煤层为3煤。煤层倾角3～10°，平均7°。煤层厚度8.0m，煤层总体呈单斜构造。设计采用综采放顶煤采煤工艺。工作面走向长927.1（平均水平长），倾斜宽150m（平均水平长）。具体详见附图1。-1080-1090-1070-1060-1100-1110-1080-1090-1070-1060-1070-1030-1040-1050-1060-1070-1080-1090-1110-1110-1110-1090-1120-1110-1110-1120-1100-1090-1080图13310工作面平面图由于本工作面埋深在千米以下，地质构造复杂，断层发育，对工作面掘进和回采有影响的断层主要有：DF16、SF65、SF64、SF63及其他局部小落差断层。同时工作面中部有小厂东向斜、陵城西背斜两条褶曲影响。根据相邻工作面掘进微震监测情况，震动主要集中在巷道穿越断层、向斜轴部以及切眼贯通处，表明3311工作面震动受构造应力与自重应力影响显著。工作面顺槽同时面临深部采动与矿震双扰动，变形大，需深井支护。为保证生产安全，预防冲击地压的发生，特编制本专项设计。二、3311工作面冲击地压危险性分析（1）开采深度由静水压力理论，随着开采深度的增加，上覆岩体的自重给煤岩体形成的应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加，同时由于应力的增加，煤体更容易达到发生冲击矿压的极限应力，由此发生冲击矿压的可能性增大且冲击发生时释放的能量也随之增加，冲击强度增强。统计分析表明，开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大。开采深度与冲击矿压发生的概率成正比例关系，如图所示。3311工作面采深达到1100m，2当采深大于1000m时，冲击矿压危险指数将达到0.7。因此3311工作面的采深对冲击矿压危害有一定影响。30040050060070080090000.10.20.30.40.50.60.70.8WtH/m1000图2采深与冲击危险指数的关系（2）煤岩的物理力学性质及特征冲击矿压发生的必要条件是煤层中能聚集较多的弹性能，所以强度高、弹性大、脆性大是冲击危险煤层的基本特征，煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。生产实践与试验研究均表明：①在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或工作面均有可能发生冲击矿压危害；②煤的强度越高，引发冲击矿压危害所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击矿压危害，就需要比硬煤高得多的应力；③煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。研究表明，煤块试样的冲击倾向性在其单向抗压强度为RC16～20MPa时较大，其强度与冲击参数C1如图错误!文档中没有指定样式的文字。所示。020406080100051015202530Rc/MpaC/MPa弱冲击倾向强冲击倾向C1=Cn图错误!文档中没有指定样式的文字。煤的强度与参数C1之间的关系当煤的单向抗压强RC16MPa时，煤试块要发生冲击，就需要较大的压应力。图中，C13为煤试块发生冲击时所需的最小应力值（而图中的三条曲线分别为在三轴应力状态下，某方向应力降为Δσ=2.5MPa、5.0MPa、7.5MPa时，煤样发生冲击破坏的最小应力），根据该试验研究，可将煤层分为：弱冲击倾向性RC≤16MPa；强冲击倾向性RC16MPa；冲击倾向性是煤岩介质产生冲击破坏的固有能力或属性，是产生冲击矿压的必要条件。在工作面开采过程中，当砂岩应力和能量积聚到一定程度，且在具备临空面条件下的离层空间，会产生强烈动力冲击破坏。根据《中华人民共和国行业标准》MT/T174-2000，对煤的冲击倾向性鉴定标准指标见表1。表1冲击倾向性判别指标判别指标强冲击弱冲击无冲击动态破坏时间DT/ms≤5050～500＞500冲击能指数KE≥5.05.0～1.5＜1.5弹性能指数WET≥5.05.0～2.0＜2.0单轴抗压强度Rc≥1414~7＜7星村煤矿西翼三采区曾经做过煤岩冲击倾向性鉴定，3311工作面煤样冲击倾向性可依据三采区煤岩冲击倾向性的结果，从三采区采集的煤样测试其动态破坏时间、冲击能指数、弹性能指数、单轴抗压强度：表2星村煤矿煤样冲击倾向性实验室试验结果单轴抗压强度σC/MPa动态破坏时间DT/ms冲击能指数KE弹性能指数WET9.54715.05.6鉴定结果：Ⅲ类强冲击参照该测定结果，对于3311工作面，3煤的单轴抗压强度小于16MPa，结合冲击倾向性指数测定结果，属强冲击倾向煤层。（3）顶板活动的影响研究表明，顶板活动，特别是煤层上方坚硬、厚层顶板是影响冲击矿压危害的主要因素之一，其主要原因是坚硬厚层顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破碎或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致冲击矿压危害的发生。顶板发生初次和周期断裂期间，工作面附近煤体应力将会产生明显变化，这种煤体应力的变化一方面是顶板悬顶长度达到极限，对煤体施加的夹持力增大造成的，另一方面，在坚4硬厚层顶板岩层发生断裂时产生的较强震动也可引起煤体应力的变化。一般情况下，在顶板来压期间，煤体的冲击危险性会有所升高，此间，煤体可在高夹持应力作用下发生破坏，聚集的能量突然释放形成冲击矿压，也可以是处于较高应力状态的煤体在坚硬厚层顶板岩层突然破断产生的强烈震动作用下发生冲击破坏，两种情况如图所示。（a）煤层高应力诱发冲击（b）顶板活动诱发冲击图4冲击矿压的两种情况直接顶的垮落不足以填满采空区，造成老顶悬露，老顶岩梁将自身及其上部岩层重量都加到采煤工作面周围的煤体上，随着工作面的继续回采导致该厚层老顶的破断与初次垮落以及随后的周期回转失稳对工作面的矿压显现造成强烈的影响，这种影响对工作面冲击矿压危害的发生起到诱发作用，若发生整层断裂将对工作面产生强冲击危险。因此，3311工作面顶板剧烈活动时，即老顶初次破断及工作面见方，冲击危险性较大，需要对其进行重点监测，提前采取钻孔卸压、强制放顶等处理措施，避免工作面发生顶板动力危害。（4）顶板岩层的结构特点根据研究，影响冲击矿压发生的岩层为煤层上方100m范围内的岩层，其中岩体强度大、厚度大的砂岩层起主要作用。以砂岩为标准的顶板岩层厚度特征参数Lst=Σhiri式中：hi--顶板在100m范围内第i种岩层的总厚度；ri--所给岩层的弱面递减系数。若定义砂岩的强度系数和弱面系数为1.0，则煤系地层各岩层的强度比和弱面递减系数如表所示。从统计分析结果看，冲击矿压经常发生具有坚硬顶板岩层的顶板条件下，且其顶板岩层厚度参数值为Lst≥50。根据星村煤矿3311工作面钻孔柱状图，可以得出顶板厚度特征参数值Lst，计算如表所示。最后得出顶板厚度特征参数值为：Lst=Σhiri＝60.95×100／63.83=95.49505故3煤层的顶板岩层对冲击矿压的发生起重要的作用。表3煤系地层岩层的强度比和弱面系数比岩层砂岩泥岩页岩煤采空区冒矸强度比1.00.820.580.340.2弱面递减系数比1.00.620.290.310.04表4顶板厚度特征参数值Lst计算序号岩性各岩层厚度hi/m（总厚度取63.83m）弱面系数比ri各分层特征参数hiri1粉砂岩2.112.12细砂岩10.8110.83泥岩6.780.624.24细砂岩2.212.25泥岩0.80.620.56粉砂岩3.1513.157砂岩组38138顶板岩层厚度特征参数Lst=Σhiri60.95煤层内的弹性能可由体变弹性能Uv、形变弹性能Uf和顶板弯曲弹性能Uw三部分组成，即：wfvUUUU其中顶板弯曲弹性能Uw为：MUw21式中：M-煤壁上方顶板岩层的弯矩；φ-顶板岩层弯曲下沉的转角。由此，相应地可得顶板初次垮落期间的弯曲弹性能为：6EJLqUw57652顶板周期垮落期间的弯曲弹性能为：EJLqUw852由以上两式可以看出，顶板弯曲弹性能Uw与岩层悬伸长度的五次方成正比，即顶板跨距（悬顶）L值越大，积聚的能量也越多。一般情况下，厚度越大的坚硬岩层越不易冒落，形成的跨距（悬顶）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。根据提供的3311工作面钻孔柱状图，星村煤矿3煤层上方有约2.1m和10.3m厚的粉砂岩和细砂岩坚硬顶板。直接顶以粉砂岩为主，老顶以细砂岩为主。砂岩顶板容易聚积大量的弹性能，在破碎或滑移过程中，可能会突然释放大量的弹性能，形成强烈震动，容易导致顶板型冲击矿压的发生。（5）煤层厚度及其变化的影响根据统计分析，冲击危险程度与煤层厚度及其变化紧密相关。煤层越厚，冲击矿压发生得越多，越强烈；煤层厚度的变化对冲击矿压的发生是有很大影响的，在厚度突然变薄或者变厚处，往往易发生冲击矿压，因为这些地方的支承压力升高，如图所示。图5煤层厚度变化对工作面支承压力的影响煤层局部厚度的不同变化对应力场的影响规律为：①煤层厚度局部变薄和变厚所产生的影响不同。煤层厚度局部变薄时，在煤层薄的部分，铅垂地应力会增加；煤层厚度局部变厚时，在煤层厚的部分，铅垂地应力会减小，而在煤层厚的部分两侧的正常厚度部分，铅垂地应力会增加。而且煤层局部变薄和变厚，产生的应力集中的程度不同。②煤层厚度变化越剧烈，应力集中的程度越高。③当煤层变薄时，变薄部分越短，应力集中系数越大。④煤层厚度局部变化区域应力集中的程度与煤层和顶、底板的弹性模量差值有关，差值7越大，应力集中程度越高。结合星村煤矿3311工作面内钻孔的钻孔情况可知，煤厚平均8m。3311工作面位于煤层露头区域，煤层厚度变化大，在煤层厚度变化较大的区域，易发生冲击地压。因此，3311工作面开采过程中需要加强对煤层厚度的监测。（6）断层、褶曲等构造的影响实践证明，冲击矿压危害经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层褶