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有的已经严重威胁到大小矿的安全生产,防范自然灾害引发的事故灾难还存在许多薄弱环节

目前的安全生产监督监管是上面积极,在安全生产工作中

其老顶初次垮落步距都在12~22m之间,对煤矿安全监控系统的使用中出现的问题及故障也无能为力

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摘要:文章对闸河煤田具有特殊性的5煤层顶初次垮落机理进行了分析、探讨并制定了顶板管理的对策措施。
关键词:老顶垮落;机理;探讨与对策 1问题的提出
5煤层是淮北矿区闸河煤田中南部矿井的主采煤层之一,据技术资料统计,5对矿井已回采了130余个5煤层工作面,其老顶初次垮落步距都在12~22m之间,80%以上集中在14~18m,属于较破碎、易垮落的顶板。但是,近几年来随着矿井开采深和火成岩侵蚀的影响,南部两对矿井相继出现了几5煤层工作面老顶初次垮落步距大幅增大到38~48m的情况,特别是3510工作面老顶初次垮落险些酿成重大顶板事故的使我们警醒!向我们提出了对这种具有特殊性的老顶初次垮落机理进行探讨、认识、搞好顶板安全技术管理的问题。
工作面概况:3510工作面位于351采区中部二区段,上限标高-283.6
m,下限标高-344.8m,位于其上的4煤层因火成岩侵蚀严重而不可采,大面积侵入的4煤火成岩床构成了工作面上分层老顶。工作面倾斜长壁布置,放炮落煤,煤厚为2.0~3.4m平均厚2.8m,采高2.3m,倾角8°~12°,煤层赋存状况较稳定。工作面走向长390m,倾斜长157m,支护采用DZ25-25/100单体液压支柱,HDJA-1000金属铰接顶梁,支柱穿直径300mm塑钢柱鞋,棚距600mm,设计支护密度1.67根/m2,支护强度为490kN/m2,三四排管理,放顶步距为1.0m,采空区处理采用完全垮落法。
垮落经过。2003年11月8日夜班,3510工作面已回采放顶46m。外观看,采空区距放顶线10m以外垮落、充填比较充分(上端头附近20m垮落不充分),放顶线10m内悬顶达1500m2。当班放炮后正在攉煤、挂梁,在没有感觉到矿压异常的情况下,工作面突然来压,采空区顶板瞬间大面积切断垮落,顶板垮落挤压出的采空区暴风把腰巷距回采线10m处的一道简易反向风门冲垮,将距上出口20m处面向老塘取料的工人朱某仰面冲倒(事后分析朱某恰好在出风口位置),暴风刮起的煤矸微粒嵌入朱某面部浅表面,造成发毛细血管破裂。突然显现的冲击地压还造成工作面1/3的单体液压支柱三用阀被压坏漏液、10多根单体液压支柱被压折断、铰接顶梁被压成扁铁状,后两排支柱普遍钻底500~900mm。
由于事发前对老顶垮落的困难和危害有所预见,管理上始终保持了高度的警惕,初次放顶安全技术措施执行严格,支柱初撑力基本都保持在80~90kN以上,放顶线全承载切顶支柱、单排挑棚齐全正规,才没有引发压垮工作面,造成更大的事故及损失。
2对老顶初次垮落机理的探讨分析 2.1老顶的界定
根据工作面地质资料,有一种观点:把煤层上覆的1.0~1.5m厚泥岩及4.7~5.2m厚的中细粒砂岩共同划分为直接顶,依据是砂岩之上有一层0.1~0.5m天然焦形成的弱面。笔者不同意这种划分,而认为:4.7~5.2m厚的中细粒砂岩顶板应属于老顶的一部分,一是其厚度>1.5~2.0m;二是岩性坚硬,在采空区悬顶长度大大超过2.0m而不跨落。所以,3510工作面的老顶应该由2部分构成:一部分为4.7~5.2m厚的中细粒砂岩及上覆的天然焦,另一部分为7.4~11.2m的浅绿色闪长岩。
2.2垮落带与裂隙带的确定
由于直接顶厚度仅1.0~1.5m,远不足采高的2~3倍,而2部分老顶的分层厚度都在5m以上,属于厚层难冒顶板,需要悬露相当大的面积后才会垮落。因此层位、岩性不同决定了其在断裂、旋转、下沉、垮落触矸的顺序,程度不同,显而易见:下分层老顶先于上分层老顶断裂、垮落;相对而言,下分层老顶处于垮落带,上分层老顶处于裂隙带。
2.3老顶垮落机理的探讨分析
通过对3510工作面初次放顶全过程的监测数据处理,分析,发现其老顶垮落分为4个阶段如表1,并具有以下机理:
表1工作面压力显现统计表 见表
回采2m后,泥页岩直接顶开始冒落,当放顶6~7m时,直接顶自上而下全部垮落,老塘充填高度1.5~2.0m。直接顶上部岩体没有断裂、下沉的迹象(8~10m后开始缓慢弯曲下沉)。
回采14~16m时,下分层砂岩顶板开始有较明显下沉并伴有断裂声响,但没有发生垮落;工作面后2排支柱有矿压显现,支柱工作阻力8~12Mpa,顶底板移近量50~100mm/m,回采17峒之后恢复正常。分析认为:这次来压是下分层老顶的初次来压,是下分层老顶双支点岩梁跨度达到一定跨距时,产生的断裂、下沉,这时下分层砂岩顶板与上分层老顶开始离合,上分层老顶仍然完好,在采空区上方呈双支点岩梁状态,没有产生位移和形变,对工作面不构成任何压力。
当回采到30~33m时,下分层老顶在距放顶线10m外开始切断,垮落,10m范围内顶板下沉加剧,全工作面矿压显现非常明显,支柱工作阻力从煤壁到放顶线达14~20Mpa,顶底板移近量120~200mm/m不等。分析认为:这次垮落是下分层老顶的初次垮落,同时也是上分层老顶弯曲、断裂下沉,把自身及上覆岩体的重量叠加传递给下分层老顶岩体的结果。这时上分层老顶仍然没有垮落(下部天然焦可能垮落),而是弯曲、下沉触矸而形成砌体梁,在距放顶线10m范围内下沉岩体的部分压力造成了支架工作阻力和顶底板移近量的增大。
当回采到46m时,出现了在没有显示征兆的情况下顶板瞬间大面积切断垮落,支柱工作阻力骤增到25~40MPa,顶底板移近量增大到200~400mm/m的情况,大面积切断垮落的顶板和骤增的冲击地压还造成了支柱三用阀、单体液压支柱、铰接顶梁折损,人员、通风设施被采空区挤出的暴风冲倒、损伤。分析认为:这次垮落才能视为老顶双支点岩梁跨距达到了受力极限状态,因放炮震动或某一次断裂时,垮落的岩体一部分触矸得到支撑形成新的力平衡,而距放顶线约10m范围内的岩体的全部压力通过下分层老顶悬露岩梁全部传递给了工作面支架和煤壁。
3顶板管理的对策措施
回采前,有关部门要掌握完整、准确的工作面顶板数据资料,以利于在技术、完全管理上制定、采取针对性措施。有条件的矿井可以考虑回采前通过高位巷道打钻注水,软化顶板,以利于回采时老顶垮落。
回采中,有条件的矿井对厚层难冒项板应该采取钻眼爆破或强制放顶措施,促进老顶垮落。
支护上必须坚持“初撑力第一,支、护、稳并重”的原则,适当增大支护密度,保证支柱有足够的初撑力,支架有足够的支护强度。同时必须保持齐全正规的全承载切顶支柱和单排挑棚,防止老顶落压垮工作面。
现场管理中要正确判断、区分各分层老顶初次来压、垮落的情况,切不可因混淆不清而发生管理失误,要特别重视回采30m之后到老顶初次完全垮落前的安全技术管理。
对老塘瓦斯大、直接顶冒不充分、老塘悬顶空间较大的情况,必须采取有效的瓦斯治理措施,防止顶板垮落时引发瓦斯事故。
实践表明回采时顶板铺设塑料网(网格30mm×30mm),到老塘悬下之后可以缓冲老顶大面积垮落时采空区暴风造成的危害。
(徐明新)

1系统概况
“数字煤矿安全”广域网络动态实时多级监管系统开发应用首先以阳城县为试点,2000年5月,开始进行应用软件研究开发;2001年5月系统投入工业性应用。自运行以来,阳城县未发生一起瓦斯死亡事故。2003年1月,该系统通过了国家煤矿安全监察局组织的科技成果鉴定,鉴定结论认为该系统达到了国际先进水平,建议在全国推广应用。鉴于试点县系统取得的显著成效,2001年12月晋城市安全生产监督管理局决定在全市进行推广应用,至此晋城建成了由158个高瓦斯矿井,30多个乡镇、6个县(市、区)、1个直属上市公司和市局构成的晋城“数字煤矿安全”广域网络动态实时多级监管系统完成,投入正式运行使用。
晋城市“数字煤矿安全”广域网络系统由市级、县级、煤矿三大应用软件系统构成。该系统以瓦斯监测监控技术为基础,利用GIS(地理信息系统)技术,实同了市、区、乡矿对工业区矿瓦斯动诚实时监控和监督。系统以WebGIS技术革新核心,与光纤通信技术、Internet/Internet网络技术有机集成,构成了信息共享与网络实时监测应用环境,实现了煤矿安全网络化集中监督管理,其主要功能有:煤矿安全动态时调度管理;矿井瓦斯重点实时跟踪;煤矿越层界动态管理;重大隐患排查跟踪;全市高瓦斯矿井煤矿可视化通风管理;行业网络电子政务等。该系统于2003年7月通过了由国家煤矿安全监察局组织的科学技术成果鉴定。
2应用效果 2.1集中监管 整合技术力量
晋城市现有各类地方煤矿579座,其中高瓦斯矿井166座,占矿井总数的近三分之一,瓦斯治理一直是晋城市安监工作的重点。为有效治理瓦斯,近年来,我们本着“管理、装备、培训”并重的原则,在煤矿“一通三防”管理方面,着重抓了煤矿通风系统改造工作,并在部分矿井上马了瓦斯抽放和安全监控系统,但在日常检查中我们发现,投资几十万元甚至上百万元的安全监控系统在煤矿使用的效果却不好。究其原因,主要是矿井安全监控技术是煤矿安全管理中一项新技术,而地方煤矿技术人员缺乏,人员素质低,没有能力正确使用该技术,许多监控设备形面虚设,成为应付检查的摆设,甚至造成一部分设备已报废,造成资金巨大浪费。虽然市安监机构拥有雄厚的技术力量,但苦于人员少,矿点分散,对煤矿安全监控系统的使用中出现的问题及故障也无能为力。而“数字煤矿安全”广域网络的推广应用,则有效解决了以上问题,不但利用各矿已装备的安全监控设备,而且对煤矿实现了集中监管,通过网络能及时了解各矿监控设备的运行状况,对运行中出现的问题可及时集中力量进行处理,并可组织技术人员对相关矿井进行技术指导,实现安监系统技术力量整合,保证了安全监控设备的正常运行。
2.2瓦斯事故是煤矿生产中最严重的灾害之一,一旦发生,不仅造成大量人员伤亡,甚至可能引起煤尘爆炸、矿井火灾、冒顶等二次灾害,摧毁整个矿井。随着监测监控技术在工业区矿上的应用,使煤矿能够及时了解和掌握瓦斯动态,从而采取有效措施,防止瓦斯事故发生。但在实际使用过程中,却存许多问题,其中最主要的问题就是:地方煤矿尤其是乡镇煤矿,受利益驱动,为追求产量,即使在瓦斯超限的情况下也在照常生产,但由于安监机构人员有限,无法及时深入各矿进行安全监管,使监控设备无法发挥正常作用,给安全生产带来巨大隐患。而“数字煤矿安全”广域网络系统的推广应用则有效改变了这一状况,利用该系统实现了瓦斯实时在线监测监管,增加乡、县、市三道安全监管防线,各级监管机构能及时发现矿井瓦斯超限,并能及进下发指令整改,杜绝超限作业,有效地防止瓦斯事故发生。例如:2003年7月,系统监测发现21个矿出现异常情况,其中13个矿瓦斯异常超限,为此及时对相关矿井下达了停产整改指令,督促相关矿井共更换对旋式局部通风机40台,并对2个矿的供电系统进行了改造,有效消除了事故隐患,保证了安全生产。
2.3实现远程监控
地方煤矿普遍存在“重生产、轻安全”的思想,为应付安全生产的监督管理部门的安全检查,对生产中存在的隐患不及时整改(怕影响生产),而是在检查前突击整改,而地面则准备两本资料(真实数据由煤矿掌握,符合《煤矿安全规程》要求的假数据应付检查),使安监部门无法掌握其真实生产情况,达不到监管目的;同时,由于煤矿众多,安监人员有限,不可能对每一个矿井都实现安全监管,往往出现顾此失彼的现象。针对以上存在的问题,我们采取了一系列措施,其中“数字煤矿安全”广域网络系统是最数为有效的措施之一,通过该系统,各矿将监测数据传输至市、县、乡监控中心,实现了远程监控,各级监管部门对煤矿安全生产情况,通风瓦斯情况等有了详细了解,避免了两本资料的现象,实现了重点煤矿重点监控,同时弥补了因安监人员少,无法及时到位跟踪检查所造成的安全隐患,成为煤矿看不见的监管员,提高了矿井安全系数降低了事故发生率。
2.4采掘动态跟踪 杜绝越界开采
“数字煤矿安全”广域网络系统利用先进的GIS技术,采取采掘动态跟踪方式,实现了对越界开采行为的监管。
“数字煤矿安全”广域网络系统采用采掘工程图数字化管理来确定越界开采现象,具体办法为:煤矿每周根据主量进尺时填图并上传各级管理部门(网上传输),利用系统锁边功能,将新图旧图区分开(用不同的颜色来区分),杜绝了煤矿不及时填图;各级监管部门根据各矿产量、井尺,采取查看、测理、调看各矿井田范围,相邻矿采掘工程图、历史图等手段,来确定煤矿是否越界开采。该系统为有效解决越界开采问题提供了可靠依据。
2.5强化安全调度管理
利用“数安煤矿安全”广域网络系统,各级监管机构能够及时了解矿井通风瓦斯、主要通风机及局部通风机停开、机电设备运行、生产等情况,能够及时发现矿井生产中出现的安全隐患,从而可及时下发安全调度指令,督促煤矿进行整改,把事故消灭有萌芽状态。该系统的使用,强化了安全调度管理工作,使安全调度管理工作能够有的放矢,提高了调度工作整体水平。
“数字煤矿安全”广域网络系统是一项适合现阶段地方煤矿安全监管的新技术,在地方煤矿安全生产管理中有较大的推广价值。(牛德文
申宏伟 李剑刚 李红德)

摘要:通过现场多年的实践和观测,提出了瓦斯地质规律,对划分煤与突出危险、威胁区域具有一定的指导意义。
关键词:瓦斯地质;突出;断层 1概况
河南省浚县安林煤矿位于太行山东麓安阳——鹤壁煤田中北部,井田边界均以大断层构成自然边界。现设计生产能力30万t/a,开采煤层属二叠系下统山西组二1煤,煤厚平均4.4m,煤质为无烟煤。该井田北部受浆岩侵入的影响,沿岩浆岩侵入边缘形成天然焦。井田为一单斜构造,其中断裂构造比较发育,并伴有石棺向斜等褶曲。
安林矿是一个煤与突出较为严重的矿井,目前,矿井相对瓦斯涌出量为28m3/t,最大相对瓦斯涌出量为43.37m3/t。从1975年-2002年7月先后发生煤与突出74次,总突出煤量为5471t,其中100-500t的大型突出共有16次,占总突出次数的21.6%,最大突出强度为450t,始突深度262
m,最大瓦斯涌出量为18万m3。
瓦斯地质规律是研究瓦斯形成、分布、赋存和变化的基本规律。根据现有的资料,结合井下观测和实验室实验,从瓦斯与地质角度进行分析,探讨突出的分布与诸地质因素之间的内在联系及规律,以提高预报的准确性,确保矿井安全生产。
2煤与瓦斯突出具有明显的特征
突出多集中在中部F40和F39两条断层之间,南部石棺向斜附近。北部六、八采区至今尚未发生突出,如图1所录。
突出具有明显的区域性。在开采的3个采区中,只有三采区发生过煤与瓦斯突出,而六、八采区未发生过煤与瓦斯突出。而且三采区和六、八采区分布区域明显。在历届共统计的74次的突出中,都位于6号勘探线以南,而以北从未发生过突出。
突出主要发生在三采区的无烟煤中。在6号勘探经以南,煤质主要以无烟煤为主,该煤质松软、粒状成块状构造,性脆。强度较低,瓦斯涌出量大,突出频繁。而且地质构造较多、煤厚不均,易发生突出;相反在六、八采区,煤以天然焦为主,该煤为钢灰色,致密、光泽黯淡成块状,硬度及比重较大,瓦斯量涌出小。特别是在煤层揭露后,其煤的强度明显增加。
突出强度不大危险性小。安林煤矿在掘进面发生过2次强度为400t左右突出以外,发生的74次突出的强度都不大,一般都在50t左右。
突出类型以压出型为主。在所统计的70多次突出中。突出类型以瓦斯喷出和压出为主,从突出的物质源分析,突出的主动力以瓦斯和地质构造的原因所造成。
突出主要发生在掘进面。从统计突出资料可以看出,发生突出点以掘进面为主,工作面未发生突出现象。据统计,至今该井已有8a没有发生过煤与突出现象,并且矿井瓦斯涌出量也大大降低。
3地质因素对出分布的影响
从整个矿井来看,主要开采山西组二1煤层,煤质属高变质无烟煤,据整个安阳矿区煤变质分析可知,其煤变质作用是以区域深成变质和区域热力变质相互迭加作用为主,仅在井田北部存在明显的接触变质作用。因此,这种区域深成变质和区域热力变质缓慢的相互迭加作用是形成无烟煤这一构造煤和瓦斯含量最大的主要根源,三采区煤层瓦斯含量为18.150m3/t。
山西组二1煤的聚煤环境属滨海平原型,其顶底板岩性以泥岩、粉砂岩和钙泥质胶结的中细砂岩为主,这种岩性组合形式对煤层形成了透气性较差的相对保护层,在无断裂构造或影响较小的地段,煤层通常比较干燥,开采过程中无淋水现象,这说明三采区二1煤围岩的岩性组合形式有效阻止了煤层中瓦斯向外逸散和运移,故此形成的瓦斯得以较好的保存。煤层透气性系数λ=3.145m2/MPa2·d。
地质构造是影响瓦斯保存的重要条件之一。它一方面可以改变煤层的赋存形态及煤层本身的煤体结构;另一方面可以改变煤层围岩的透气性能。本井田总体为一单斜构造,地层走向呈箕状波形变化。其内的中小型断裂构造比较发育,同时还有一些为宽缓的背向斜。在目前开范围内的中型断裂构造有F39、F40、F41、F42等断层。其各自特征见表1。
表1 地质构造特征表 见表
这些断层是燕山运动早、中期太行山隆起活动的逆断层,燕山末期至喜山早期挤压活动被拉张活动所取代,向压性、压扭性正断层演化成现今看到的正断层。构造挤压活动使得煤层具有高吸附瓦斯和封存瓦斯的能力;构造挤压剪切作用形成的压性、压扭性构造及其运动使得煤层发生强烈韧塑性破坏和变形,形成了发育的“构造煤”。正是这些压性、压扭性构造活动造成F39和F40之间的部位发生煤与瓦斯突出的根源。一、二采区和106采区位于F39和F40两个断层之间。突出次数为24次,占总突出次数的32.4%,最大突出强度410t。
煤与瓦斯突出与褶皱构造之间的关系也是极其密切的。煤层在褶皱形成过程中由于韧性剪切、塑性流动而形成构造煤的“煤包”附近通常是发生严重煤与突出的部位。三采区位于石棺向斜内,在向斜轴部形成了厚度较大的“煤包”,正是这“煤包”形成了三采区厚度大于0.3
m软分层,煤的平均坚固性系数?o
0.12~0.4,是三采区发生煤与突出的主要根源。三采区突出次数50次,占总突出次数的67.6%,最大突出强度450t。
矿井北部岩浆岩侵入二1煤层中,对瓦斯的分布也有明显的影响。北部岩浆的侵入属燕山晚期的产物(同位素年龄为1.17~0.87亿a),其岩性为闪长斑岩,大多数是沿二1煤顶板侵入。由于煤层受岩浆侵入的破坏,煤在高温高压条件上下有机质结构发生了变化。煤中芳香族稠环的缩合程度迅速增高,碳环网格变大,排列更加紧密而规则。煤中的微孔隙骤然减少而开始向晶体格子化转变,形成视电阻率较小的天然焦、天然半焦、超无烟煤。最终导致大幅度降低其对瓦斯的吸附能力。与此同时,煤层中的一部分甲烷还可以同岩浆岩热液中的硫酸盐作用生成碳酸盐矿物。现场揭露的天然焦、天然半焦及无烟煤中发现有较多的方解石脉及薄膜可证实这一点。以上这些均导致煤中瓦斯含量的减少,故此形成了矿井北部的低瓦斯带,八采区于井田北部。曾对六采区26021工作面取样测得ΔP=14,?=1.1,计算K=13<20,六采区煤层为突出威胁煤层。
地质构造也控制突出分布,突出的地质条件和突出煤体结构特征是实现突出预测的得要技术途径。从突出的角度研究地质构造时,不仅要研究地质构造的性质和特征,而且应结合煤的岩石组成、物理化学性质、煤的原始结构特征和煤层及围岩的力学性质,从而查明不同地质条件下构造破坏煤的形成和分布特征,这样更有利于准确地进行突出预测。
4结论
根据对安林煤矿煤与瓦斯突出特点的分析,得出突出分布具有很显示的分带性,突出的分带受以下地质因素决定:
煤变质作用是造成突出区域的内在因素之一,三采区具明显突出,而六、八采区无突出危险。
地质构造作用的破坏是影响瓦斯保存的重要条件之一,岩浆岩的侵入造成煤质的分带,也造成瓦斯的分带。
地质构造控制突出区域的发展,在中部F40和F39两条断层之间,南部石棺向斜附近是主要的突出区域。
地质构造是影响瓦斯保存的重要条件之一,它改变了煤层的赋存形态及煤层本身的煤体结构,同时改变了煤层围岩的透气性能。
(刘继认,王启明,冯军)

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