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1、-煤业有限责任公司一号井3-3煤层一采区冲击危险性评价及防冲设计新疆托克逊县-煤业有限责任公司一号井天地科技股份有限公司开采设计事业部二一六年七月项目名称：-煤业有限责任公司一号井3-3煤层一采区冲击危险性评价及防冲设计项目负责人：杜涛涛 助理研究员参加人员：姓名职务、职称、学历负责项目内容签字杜涛涛项目经理、助理研究员、硕士项目负责杨磊项目副经理、助理研究员、硕士现场负责秦子晗项目经理、助理研究员、硕士数值模拟夏永学室副主任、副研究员、博士项目审核潘俊锋副所长、副研究员、博士项目审核报告编写：杨磊，杜涛涛报告审查：夏永学，潘俊锋报告批准：文件编号：-煤业有限责任公司一号井3-3煤层一采区冲击
2、危险性评价及防冲设计目录前言11 报告编制目的及意义12 报告编制依据13 报告的指导思想及适用范围23.1 报告编制的指导思想23.2 报告编制涉及的范围21 一采区基本概况31.1 采区位置及邻近采区开采情况31.1.1 一采区位置及范围31.1.2 一采区开采情况41.2 地质条件41.2.1 煤层情况41.2.2 顶、底板情况51.2.3 地质构造51.3 生产技术条件61.3.1 采煤方法61.3.2 支护形式61.4 冲击地压发生情况62 一采区冲击地压影响因素分析82.1 一采区冲击地压地质影响因素82.1.1 煤岩层冲击倾向性82.1.2 开采深度92.1.3 顶板特性92.1
3、.4 褶曲构造102.1.5 断层构造112.2 一采区冲击地压开采技术影响因素122.2.1 煤柱宽度122.2.2 开采强度132.2.3采掘扰动142.3 一采区冲击地压综合因素分析143 一采区冲击危险性评价153.1 冲击危险性评价方法153.2 因素分类及指数调整183.3 一采区冲击危险性评价193.3.1 一采区冲击危险地质因素评定193.3.2 一采区冲击危险开采因素评定203.3.3 一采区冲击危险综合评价223.4 一采区冲击危险区域划分223.4.1 冲击危险区域的划分原则223.4.2 褶曲构造影响下的冲击危险区233.4.3 煤柱影响下的冲击危险区233.4.4 坚
4、硬厚层顶板影响区域243.4.5 采掘扰动影响下的冲击危险区243.4.6 冲击危险区精细划分244 一采区冲击地压监测方案304.1 冲击地压监测方法的选择304.2 集中动载荷监测方法324.3 集中静载荷监测方法364.3.1 钻屑临界值确定364.3.2 钻屑监测方案384.4 冲击地压监测体系405 一采区冲击地压防治方案415.1 冲击地压防治原则及技术路线415.1.1 冲击地压防治原则415.1.2 冲击地压防治技术路线425.2 冲击地压防治方法选择435.2.1 冲击地压区域防范方法435.2.2 冲击地压局部解危方法445.3 一采区冲击地压区域防范455.3.1 开采布
5、局优化455.3.2 煤柱尺寸调整465.3.3 支护方式优化475.4 一采区冲击地压局部防治方案485.4.1 掘进期间冲击地压防治方案485.4.2 回采期间冲击地压防治方案505.5 效果检验596 一采区冲击地压管理技术措施606.1 安全防护措施606.1.1 工作面支护管理606.1.2 个体防护606.2 人员管理606.2.1 禁、限员管理606.2.2 站位管理616.2.3 撤人管理616.3 物料管理626.4 冲击地压事故应急处置626.5 一采区冲击地压危险避灾路线637 主要结论及建议647.1 主要结论647.2 主要建议65IV前言1 报告编制目的及意义新疆-
6、煤业有限责任公司一号井（以下简称“-一号井”）位于托克逊县克尔矿区向斜南翼的中西部，井田海拔1070-1370m，开采深度由1300m至600m，目前开采的W1102工作面埋深在400-600m。开采的3-3煤层经鉴定具有强冲击倾向性，工作面在掘进及回采期间发生多次冲击地压显现，造成巷道严重破坏及人员伤亡，导致工作面停产数月，造成巨大的经济损失。-一号井一采区目前开采深度为400-600m，所采3-3煤层具有强冲击倾向，煤层单轴抗压强度达到27MPa。其顶板砂砾岩单轴抗压强度超过120MPa，厚度超过20m，砂砾岩上覆粉砂岩和细砂岩厚度也均超过10m，为典型的坚硬厚层顶板条件。且目前的采掘工作
7、面距离向斜和背斜轴部较近，局部构造应力较大，因此，-一号井已具有发生冲击地压的风险。目前-一号井一采区W1102工作面正在回采，W1103工作面正在掘进，为了确保一采区采掘工作面的安全，开展一采区冲击地压危险性评价及防冲设计。综合地质资料和开采设计，初步认为一采区冲击地压的影响因素主要有以下几个方面：（1）煤岩层冲击倾向性：3-3煤层及顶板岩层均具有强冲击倾向；（2）自重应力、构造应力与采动应力相互叠加作用：一采区开采深度400-600m，当前及后续采掘工作面靠近向斜和背斜轴部，自重应力与构造应力相互叠加易形成高应力集中；（3）顶板岩层动载作用：采空区悬顶和坚硬厚层顶板运动垮断时产生的动载荷具
8、有诱发冲击的可能；鉴于-一号井面临较为严重的冲击地压威胁，需要在严格落实本报告制定的各项冲击地压防治措施，并严格落实冲击地压各项管理规定的基础上，方可进行工作面掘进和回采作业活动。2 报告编制依据1）煤矿安全规程（2016年）2）冲击地压煤层安全开采暂行规定（1987版）3）-一号井90万吨初步设计4）国家关于矿井防治冲击地压的其他管理规定及要求5）现场收集的相关资料3 报告的指导思想及适用范围3.1 报告编制的指导思想1、认真贯彻执行国家安全生产的方针，为保障煤矿的安全生产和煤矿职工的人身安全，分析井下发生冲击地压的主要影响因素，设计有效的冲击地压监测防治措施。2、深入贯彻落实“安全第一、预
9、防为主、综合治理”的安全生产方针，进一步规范矿井冲击地压技术管理，优化开拓布局，合理集中生产，从源头上避免冲击地压事故的发生；明确责任分工，强化责任落实，严格责任追究制度，确保防冲措施落实到位，最大限度降低冲击地压危险；严格遵循“先解危，后生产”的原则，按照“监测解危效果检验再治理”的基本程序，及时消除冲击危险隐患。3、认真执行煤矿安全规程中有关防治冲击地压的各项规定，坚持“区域先行，局部跟进”的防治原则，从区域防范、预测预报、局部解危及安全防护等方面做好冲击地压的预防和治理，保障矿井安全高效生产。3.2 报告编制涉及的范围本报告主要是针对-一号井一采区W1103工作面和W1104工作面采掘期
10、间开展的冲击地压危险性评价及防治设计，为矿井开展防冲工作提供参考。本报告结论的适应性取决于地质资料及有关法定检测机构出具的数据，报告仅对现有数据及资料的“适用性”负责，而无法考虑到资料和检测数据的偏差和错误。741 一采区基本概况1.1 采区位置及邻近采区开采情况1.1.1 一采区位置及范围-煤业有限责任公司一号井位于托克逊县克尔碱矿区向斜南翼的中西部，距托克逊县城约70km，向南12km为南疆铁路的望布火车站，向东22km通往托克逊火车站、克尔碱镇。井田南、北以划定边界为界，东以21线向西1000m为界，西以E勘探线以西370m为界，煤层走向长约6.0km，宽约1.5km，呈东西向展布的近似
11、梯形，面积约8.99km2。矿井分煤层划分采区，每一煤层划分为两个采区，全矿井共划分为四个采区。以B勘探线以东300m垂直于煤层走向线为界，将3-3煤层划分为两个采区，以西划分为一采区，以东划分为二采区。一采区南北宽1486-1827m，东西长2708-2980m，采用双翼开采，东翼东西长1237-1368m，西翼东西长1340-1743m，初期只开采一采区西翼。一采区图1-1 一采区位置图1.1.2 一采区开采情况一采区为-一号井的首采区，开采水平在+600-+850m左右，地面标高在+1070-+1370m，一采区工作面开采深度达到400-600m。W1102工作面为一采区第二个回采工作面
12、，其北部为井田边界，南部为W1101工作面采空区，两工作面之间煤柱为18m和36m。西部、东部和北部均为实体煤，一采区设计共开采4个工作面，分别为W1101、W1102、W1103和W1104工作面。工作面接续情况为：W1102工作面W1103工作面W1104工作面。W1102工作面走向1160m，倾向长度200m，采用综采一次采全高采煤方法，目前回采至770m位置。W1103工作面位于W1101采空区南部，两工作面之间煤柱30m，目前正在掘进，W1103工作面运输顺槽掘进至650m位置，回风顺槽掘进至260m位置。依据初步设计，本次评价及设计根据开采情况确定为一采区范围内即将开采的W1103
13、和W1104工作面。1.2 地质条件1.2.1 煤层情况井田可采、局部可采及零星可采煤层由浅到深编号依次为5-2、4-2、（3-3）上、3-3、3-2号煤层，煤层平均总厚度20.07m，可采煤层平均总厚16.29m。其中稳定煤层2层即4-2、3-3号煤层。一采区主采3-3煤层，本区3-3煤层可采厚度为4.65-16.76m，平均厚度为10.97m，煤层倾角13-21，平均倾角为17，3-3号煤层厚度、层位稳定，属全区可采。煤层厚度结构变化为浅部、深部薄，中部厚，在走向上东西两头薄，中部厚。总厚度变化系数为30.34%，二级差变化指数为41.65%；可采厚度4.65-16.76m，平均厚度10.
14、97 m，一采区W1101-W1104工作面平均开采厚度4m左右，可采厚度总厚度变化系数为31.74%，二级差变化指数为35.30%；资源量估算厚度4.65-17.76m，含夹矸0-1，结构简单，地表及井下均未发现断裂构造，构造形态极为简明。1.2.2 顶、底板情况一采区3-3煤层顶板以灰白色砂砾岩为主，底板为深灰色灰黑色粉砂岩、炭泥岩。表1-1为一采区加E-2号钻孔顶底板赋存情况。表1-1 加E-2钻孔顶底板赋存情况名称厚度/m岩性描述粉砂岩45.8灰白色，坚硬，中粒砂状结构，成分以石英，长石为主。暗色矿物次之，分选中等细砂岩1.01灰色，坚硬，细粒砂状结构，成分以石英，长石。含少量云母及暗
15、色矿物，具斜层理，泥质胶结，分选中等。煤0.6黑色沥青光泽，平坦装断口，半亮型煤。细砂岩14.52灰色，坚硬，细粒砂状结构，成分以石英，长石。含少量云母及暗色矿物，具斜层理，泥质胶结，分选中等。粉砂岩17.02灰白色，坚硬，中粒砂状结构，成分以石英，长石为主。暗色矿物次之，分选中等。砂砾岩25.03灰白色，坚硬，不等硕砂结构，成分以石英，长石为主。暗色矿物次之，分选中等，硕径2-22mm。粉砂岩5.73深灰色，坚硬，粉砂结构，泥质胶结。3-3煤4.75黑色沥青光泽，平坦状断口，半亮型煤粉砂岩4.22深灰色，粉砂状结构，泥质胶结。细砂岩7.18灰色，坚硬，细粒砂状结构，成分以石英，长石。含少量云
16、母及暗色矿物，具斜层理，泥质胶结，分选中等。1.2.3 地质构造1、克尔碱向斜：属区域性褶曲，全长约33km。在井田南翼内长达6.0km。地层走向近东西，倾向340-43，倾角5-72。2、褶曲：井田内构造为克尔碱向斜南翼地层。总体为呈向北倾的单斜构造，地层倾角一般为551，井田东部的加A线与A线之间倾角一般为551，向东地层倾角逐渐变陡，地层走向由近北西转为南北向，地层由浅部向深部地层倾角逐渐变缓。A线与B线之间倾角一般为在536之间，地层走向东西向，地层由浅部向深部地层倾角逐渐变陡。B线与E线之间倾角一般为在930之间，由西向东地层倾角逐渐变缓，由浅部向深部地层倾角逐渐变陡，地层走向由西向
17、东近东西向转为南北向。在这两线之间发育了次一级的向北西倾宽缓背、向斜，背、向斜倾伏角为13左右；背斜两翼的倾角，南翼倾角27，北翼倾角15左右；向斜两翼的倾角，南翼倾角15左右，北翼倾角14左右；上述两褶曲轴，大致平行，它们控制了井田西部的煤岩层空间分布，使煤层在B线以西形成埋深相对较浅区域。3、断层： F1、F2区域性断层控制了井田的南北边界外的地层，在井田的东部尚存在一条逆断层(f95)，分布在侏罗系地层和井田外的东部地带。走向主要为南北向，断层走向长度大于1000m，倾向270。1.3 生产技术条件1.3.1 采煤方法一采区工作面采用倾向长壁后退式综合机械化一次性采全高开采，根据3-3煤
18、层赋存情况及综采设备性能等确定工作面平均采高4m，采用全部垮落法管理顶板。工作面采用MG750/1920-WD型采煤机从上、下端头正切进刀割煤方式，采用SGZ1000/2*700型中双链刮板运输机运输原煤。采煤循环步距0.8m，工作面一天6个正规循环，日推进4.8m。1.3.2 支护形式工作面支架采用94架ZY10800/26/55型掩护式中间支架支护，上、下端头各安装6架ZYG12000/26/55型过渡支架支护，其中工作面上端头安装3组ZCZ8800/28/45型超前支架，下端头安装一组ZT19200/28.5/45型端头支架。巷道采用锚杆、锚索、锚网、锚网梁联合支护方式，锚杆间排距800
19、800mm，顶帮破碎时缩小锚杆间排距为600mm600mm；顶板每4m打一排锚索（两根）加强支护，长度不小于11m，锚索孔间距为3500mm，1.4 冲击地压发生情况2014年10月30日，W1102工作面掘进期间发生一起严重冲击地压灾害，冲击地压显现造成掘进巷道30m范围破坏，锚网支护被破坏，煤体大量抛出，掘进工作面变形严重，巷道底鼓量达300mm，愈靠近迎头巷道底鼓量越大，且主要发生在临近采空区。掘进工作面冲击地压造成现场破坏情况，如图1-2所示。2016年5月24日4:16分，W1102工作面推进过程，发生在下端头位置，顶板岩层产生了一次能量为1.0105J的震动，震动造成采煤机保险杠折
20、断，同时造成20-30号支架位置的煤壁底部大量煤体抛出。2016年5月26日06:52分，W1102工作面推进过程，采空区后方60m位置，顶板岩层产生了一次能量为4.2106J的震动，震动造成88-93号支架位置的煤壁大量煤体抛出，并且抛到架间；自端头往外约30m范围，煤柱侧煤体整体向巷道内侧鼓出和抛出，在有超前架支护的区域，煤体抛出受支护的抵抗，造成超前架支护面积减少，巷道收缩截面变小，收缩量达1m；在超前支架以外的区域，煤柱靠近顶板的煤体大量抛出，抛出深度约0.5m，抛出的煤体把悬挂电缆冲到下帮；工字钢支护弯曲变形。图1-2 掘进期间冲击地压显现现场2 一采区冲击地压影响因素分析2.1 一
21、采区冲击地压地质影响因素2.1.1 煤岩层冲击倾向性一般来说，煤岩冲击倾向性越强，发生冲击地压的可能性就越大，但并不是说具有强冲击倾向性的煤层就一定会发生冲击地压，冲击地压的发生不仅仅与煤、岩层的冲击倾向性有关，而且与煤岩层的结构特点和煤岩层的组合形式具有密切的关系，同时还受开采技术条件的直接影响。冲击倾向性是煤岩发生冲击地压的必要因素之一。-一号井委托天地科技股份有限公司开采设计事业部岩石力学实验室对3-3煤层及其顶底板岩层进行了冲击倾向性测试，测定结果见表2-1。根据判定煤层冲击倾向性4个指标的测定结果，参考GB/T 25217.2-2010 煤的冲击倾向分类及指数的测定方法中的评判标准，
22、综合判定-一号井3-3煤为具有强冲击倾向性的煤层。表2-1 -一号井3-3煤试样冲击倾向性各项指数测定结果样别样别动态破坏时间DT/ms冲击能量指数/KE弹性能量指数/WET单轴抗压强度Rc/MPa3-3煤1322.3720.7528.902403.4818.3228.443264.2316.4924.464603.1721.8327.285303.9626.5730.03平均值37.60 3.44 20.79 27.82 冲击倾向性判定强弱强强综合评判结果强冲击倾向性-一号井3-3煤顶板岩层弯曲能量指数为169.88kJ，大于120 kJ，按国家标准GB/T 25217.1-2010所示规定
23、，该煤层顶板岩层应属类，为具有强冲击倾向性的顶板岩层。表明-一号井一采区工作面煤岩系统已具有发生冲击地压的能力。2.1.2 开采深度冲击地压的发生和煤层埋深有一定关系，统计分析表明开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。波兰资料显示深度H350m时，冲击地压不会发生，深度3500.75提前采取解危措施。采取措施后，通过卸压效果监测检验，冲击危害消除后，方可进行下一步采掘作业。Wt1为地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数，考虑开采深度等7项指标，如表3-2所示；Wt2为采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数，考虑工作面距残采线、煤柱留设和距断层
24、距离等11项指标，如表3-3所示。表3-1 地质因素影响的冲击地压危险指数评价表序号影响因素因素说明因素分类评价指数1W1同一水平煤层冲击地压发生历史（次数/n）n=00n=112n32n332W2开采深度hh400m0400mh600m1600mh800m2h800m33W3上覆裂隙带内坚硬厚层岩层距煤层的距离dd100m050md100m120md50m2d20m34W4开采区域内构造应力集中程度/%g10%010% g20%120% g30%2g30%35W5顶板岩层厚度特征参数Lst，Lst50m050mLst70m170mLst90m2Lst90m36W6煤的单轴抗压强度RcRc10
25、MPa010MPaRc14 MPa114MPaRc20MPa2Rc20MPa37W7煤的弹性能指数WETWET202WET3.513.5WET52WET53危险等级评价Wt10.25无冲击0.25Wt10.5弱冲击0.5Wt10.75中等冲击Wt10.75强冲击表3-2 开采技术条件因素影响的冲击地压危险指数评估表序号影响因素因素说明因素分类评估指数1W1保护层的卸压程度好0中等1一般2很差32W2工作面距开采遗留的煤柱的水平距离hzhz60m030mhz60m10mhz30m2hz0m（煤柱下方）33W3工作面与邻近采空区的关系实体煤工作面0一侧采空1两侧采空2三侧及以上采空34W4工作面周
26、边的采掘活动影响有巷道同向掘进1有巷道相向掘进2有工作面同向回采2有工作面相向回采35W5区段煤柱宽度dd3m，或d50m03md6m，或30md50m16md10m210md40m36W6留底煤厚度tdtd=0m00mtd1m11mtd2m2td2m37W7向采空区掘进的巷道，停掘位置与采空区的距离LjcLjc150m0100mLjc150m150mLjc100m250m38W8向采空区推进的工作面，停采线与采空区的距离LmcLmc300m0200mLmc300m1100mLmc200m2Lmc100m39W9向落差大于3m的断层推进的工作面或巷道，工作面或迎头与断层的距离LdLd100m0
27、50mLd100m120mLd50m2Ld20m310W10向煤层倾角剧烈变化的向斜或背斜推进的工作面或巷道，工作面或迎头与之的距离LzLz50m020mLz50m110mLz20m2Lz10m311W11向煤层侵蚀、合层或厚度变化部分推进的工作面或巷道，接近煤层变化部分的距离LbLb50m020mLb50m110mLb20m2Lb10m3危险等级评估Wt20.25无冲击0.25Wt20.5弱冲击0.5Wt20.75中等冲击Wt20.75强冲击3.2 因素分类及指数调整每一种地质因素和开采技术因素对应的冲击危险评定指数对最终的评价结论都将产生影响。为使得评价方法更具适应性和准确性，需根据矿井实
28、际情况对指数评价表进行修正。从近年来，煤柱型冲击地压的发生情况来看，煤柱宽度在10-30m左右时，发生的冲击地压事故最多。数值模拟发现，煤柱尺寸在12-24m时，其受力情况最为明显。基于此，对表3-3中的W5因素分类及评估指数进行调整，如表3-4所示。表3-4 开采技术条件因素影响的冲击地压危险指数评估表（调整因素）序号影响因素因素说明因素分类评估指数5W5区段煤柱宽度dd3m，或d50m03md6m，或40md50m16md10m，或30md40m210md30m33.3 一采区冲击危险性评价3.3.1 一采区冲击危险地质因素评定本次仅针对各工作面采掘期间的实际情况进行评价，确定各因素的评定
29、值，如表3-5所示。（1）同一煤层冲击地压发生次数W1-一号井在采掘过程中，已出现多次冲击动力显现情况，造成大面积巷道破坏及人员伤亡。根据上述情况，该评估指数取3。（2）开采深度W2根据钻孔资料，当前采掘工作面各区域的埋深均在400-600m范围内，因此此处评估指数取1。（3）坚硬顶板距煤层距离W3根据一采区的相关钻孔柱状图分析，在煤层上方存在一组砂砾岩，岩层厚度达到25m，单轴抗压强度122MPa，距离3-3煤层只有5m左右，因此此处评估值取3。（4）厚度特征参数W4根据一采区相关钻孔柱状图分析，在煤层上方100m范围内，岩层主要为砂砾岩、粉砂岩和细砂岩岩，根据岩层厚度特征的计算方法，该区域的厚度特征值大于90，此处取评估值为3。（5）开采区域内构造应力集中程度W5目前-一号井尚无地应力的测试数据，针对一采区范围内存在次一级的缓向斜和背斜构造，存在一定的构造影响，此处评估值暂取1。（6）煤的单轴抗压强度W63-3煤试样的单轴抗压强度平均值为27.82M