采场覆岩空间结构观点及其应用研究.pdf

第 2 3 卷 第 1期 2 0 0 6年 3月 采矿与安全工程学报 J o u r n a l o f Mi n i n g ＆ S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 3 No ． 1 M a r ．2 0 0 6 文章编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 6 O l 一 0 0 3 0 0 4 采场覆岩空间结构观点及其应用研究 姜福兴 北京科技大学 土木 与环境 _T程学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要介绍 了采场覆岩空间结构的概 念以及基 于微地震定位监测技 术研 究覆 岩空 间结构的方 法． 指出了采场覆岩空间结构按照工作面采动边界条件 ， 可以分为 “ 0 ”型、“ O ”型、 “ S ”型和“ C ” 型 4类 ； 采 区与矿 井 范 围 内覆 岩 空 问结 构的形 式 ， 是 由厚层 坚硬 项板 、 埋 深 、 工作 面和 采 区之 间煤 柱 以及断层煤柱等决定的 ， 是随着开采阶段 的不 同而变化的． 基于观 测实例 ， 阐述 了微地震定位 监测技术用于监测空间结构的形成过程和范围， 以及确定底板有无突水危险、 高应力场位置与冲 击地压预测 、 导水裂隙带高度、 开采上限、 防水煤 岩 柱高度等方面的应 用． 展 望了覆岩 空间结构 学术观点及其研究方法在采矿工程 中的应用前景． 关键词矿山压力 ； 上覆岩层 ；岩层空间结构 ； 微地震监测；矿井灾害 中图分类号 i TD 3 2 5 文献标识码 A Vi e wp o i n t o f S p a t i a l S t r u c t u r e s o f Ov e r l y i n g S t r a t a a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n Co a l M i n e J I ANG Fu x i n g C i v i l E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g S c h o o l ，Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e c o n c e p t o f s p a t i a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a a n d t h e mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g me t h o d a r e i n t r o d u c e d ．Ac c o r d i n g t o t h e mi n i n g b o r d e r s 。s p a t i a l s t r u c t u r e o f s t r a t a c a n b e d i v i d e d i n t o f o u r t y p e s ，wh i c h a r e O s h a p e d，O- s h a p e d，S - s h a p e d a n d C - s h a p e d o n e s ．Th e s p a t i a l s t r u c t u r e s o f s t r a t a a l s o e x i s t a mo n g mi n i n g d i s t r i c t s ．Th e s h a p e s o f s p a t i a l s t r u c t u r e s a r e d e c i d e d b y ma s s i v e h a r d s t r a t a ，mi n i n g d e p t h，p i l l a r s o f c o a l ，e t c ．Ho w t h e mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g t e c h n i q u e i s u s e d t O mo n i t o r t h e f o r mi n g p r o c e s s o f s p a t i a l s t r u c t u r e a n d h o w t h e mi n i n g h a z a r d s a r e f o r e c a s t e d u s i n g mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g t e c h n i q u e s a r e p r e s e n t e d ．Th e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s o f t h e v i e wp o i n t o f s t r a t a s p a t i a l s t r u c t u r e i n mi n i n g e n g i n e e r i n g i s a n a l y z e d ． Ke y w o r d s mi n i n g p r e s s u r e ；o v e r l y i n g s t r a t a ；s p a t i a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a ；mi c r o s e i s - mi c mo n i t o r i n g；mi n i n g h a z a r d s 采场支护经过近 3 0 a的研究 和改革后 ， 顶板 事故得到了有效的控制 ， 顶板结构理论和顶板运动 监测理论与方法起到了十分重要的作用L 1 ] ． 然而 ， 随着采深的增加 ， 岩层运动与矿山压力灾害以更为 严酷的面貌呈现在我们 面前 冲击地压 、 煤 与瓦斯 突出、 矿震 、 顶板 的异常压力、 突水淹井等 ， 这些灾 害至今没有得到很好的认识和控制． 对多起重大事故的调研结果表明 与事故相关 的岩层运动与应力场的范围， 在厚度方向上已经超 出了一般概念下“ 基本顶” 6 ～8倍采高 的范 围， 在层面方向上也超 出了本工作 面上下两巷附近的 范围； 尽管采动应力场 由岩层 运动引起 ， 但 引起事 故的主要根源是应力 的突变 ， 即采场内部顶板 的控 制应该着眼于岩层的运动 ， 而采场周 围灾害的控制 牧稿 日期 2 0 0 5 1 1 0 2 基金项 目国家 自然科学基金重大国际合作基金项 目 5 0 3 2 0 1 2 0 0 0 1 } 国家 自然科 学基金项 目 5 0 0 7 4 0 2 1 作者简介姜福兴 1 9 6 2 一 ， 男 ， 江苏省 常州市人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 博士 ， 从事矿 山压力与岩层控制方面的研究 E m a i l ；i i a n g f u x i n g l 1 6 3 ． c o rn T e l 1 3 9 1 0 7 1 5 7 9 7 维普资讯 第 1期 姜福 兴采场覆岩空 间结构观点及其应用研究 应该着眼于采动应力的变化． 而控制采动应力变化 的 2 个主要原因， 一是采深 ， 二是采场周 围采动影 响区内岩层空间结构的组成和运动． 本文基于作者 采用微地震定位监测技术 MS 监测岩体在三维空 间破裂的成果， 以及多个“ 四面孤岛” 型综放面成功 的开采实践 ， 介绍作者对采场覆岩空间结构观点及 其应用 的初步研究结果和粗浅认识． 1 采场覆岩空 间结构的概念 采场覆岩空间结构的概念中有 2个含义 一是 指采场周 围岩体破裂边缘的形状特征 ； 二是指破裂 区内部岩层形成 的运动 结构． 前者 破裂 是后者 结构 形成的基础． 1 ． 1 典型的覆岩空间结构 根据采场不同的开采边界， 对于老顶以及上方 的岩层 ， 破裂后将在采场周 围形成 的三维结构 ， 比 较常见的是以下 4种类型． 1 ． 1 ． 1 “ 中间有支撑” 的“ 0 ”型空间结构四面 采空的孤岛工作面 因跳采和厚煤层 由分层转为放顶煤开采而形 成的“ 四面采空的孤岛工作面” 图 l a 的矿压控制 问题， 已经成为当前很多矿井面临的突出问题． 图 l b是工作 面中部沿走 向的空 间结构 剖面 图． 由图可知， 煤柱上除了存在直接顶和基本顶的 作用力外， 主要的是其上多组覆岩形成的“ 中间有 支撑” 型的空间结 构的作 用力． 该多层 “ 中间有支 撑”的覆岩空间结构从平 面投影 上看 ， 像字母 “ 0 ” 的形状 图 1 c ， 其运动决定 了煤柱的破坏方式和 程度． 盘 a 平面图 b 走 向剖面图 c “ 0 ” 型空间结 构 图 1 “ 中间有支撑”的“ 0 ” 型覆岩空间结构示意图 F i g ． 1 0 - s h a p e d s p a t i a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a wi t h c e n t e r s u p p o r t c o a l p i l l a r 1 ． 1 ． 2 “ 中间无支撑” 的“ O” 型空间结构一 面 采空 四周为实体煤 的工作面 这类采场一般为首采面 ， 空间结构的范围与工 作面斜长、 岩层组成 、 推进距离等密切相关． 根据多 个工作面的观测和模拟实验的结果 ， 当工作面推进 到一定距离后 ， 最大破裂高度不再扩展， 空间结 构 的尺度参数进入相对稳定阶段． 图 2是“ 中间无支 撑” 型覆岩空间结构 的示意图． ■ ■ a 平面图 b 走 向剖面图 c ⋯ 0’ 型空间结构 图 2 “ 中间无支撑 ”的“ O” 型覆岩空 间结构示意图 F i g ． 2 O- s h a p e d s p a t i a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a wi t h o u t c e n t e r s u p p o r t c o a l p i l l a r 1 ． 1 ． 3 “ S ”型空间结构两面采空的工作面 两面采空的工作 面是指 一面为上区段回采后 的采空区 与本工作面间仅 留 3 ～5 m 的小煤柱护 巷 ， 另一面为本工作面的采空 区 图 3 a ． 当本工 作面的老顶初次断裂完成后 ， 其上位岩层将与上区 段工作面的同层位岩层一起运动 ， 即老顶的上位岩 层将连在一起运动 ， 形成一个“ S ”型空 间结构 图 3 c ． ‘ 该空 间结构 的运动是导致采空一侧巷道超前 支护困难的主要原因． a 平面图 b 走 向剖面图 c “ S ” 型空间结构 图 3 “ s ”型覆岩空间结构示意图 Fi g ． 3 S - s h a p e d s p a t i a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a 1 ． 1 ． 4 “ C ”型空间结构 三面采空的孤岛工作 面 这类采场就是因跳采而留下的孤岛工作面． 近 年来 ， 综采放顶煤孤岛工作面的平巷支护已经成为 十分艰难 的课题 ， 一些_ 亡 作 面的超前支承压力影响 距离达到了 1 2 0 m， 巷修工程已经成为工作面推进 的“ 瓶颈” ． 深部工作面还存在大面积片帮问题． 图 4给出了该类采场覆 岩空 间结构的形态． 3个 采空 区老顶上方的岩层 已经连成一片 ， 形成了一个近似 “ C ”型的空间结构 ， “ C ”型空间结构 的大面积运动 是孤岛工作面超前支承压力影响距离大于普通工 作面 2 - - 3 倍的主要原因． a 平面图 b 走 向剖面图 c “ C ” 型空间结构 图 4 “ C ”型覆岩空间结构示意图 F i g ． 4 s h a p e d s p a t i a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a 维普资讯 采矿与安全工 程学报 第 2 3 卷 1 ． 2 采区与矿井范 围内的覆岩空间结构 在有矿震和冲击地压 、 突水威胁的矿井， 采区 与矿井范围内覆岩空间结构的运 动起着关键的作 用。 特别是存在厚层坚硬顶板或埋深大的矿井 ， 工 作 面之间、 采区之间煤 柱以及断层煤柱的 留设 ， 将 严重影响采 区与矿井范围内覆岩空间结构的形式 ， 从而影响应力场的分布． 因此， 采区与矿井范 围内覆岩空 间结构 的形 式 ， 最初是由设计 阶段 决定 的， 最后是 由开采活动 实现的，是随着开采阶段不断变化 的． 由此可见 ， 要控制采区与矿井范围内覆岩运动的灾害 ， 要从设 计阶段抓起 ， 在开采阶段实施监测监控． 2 采场覆岩 空间结构观点的工程应 用 系统研究采场覆岩空间结构的目的， 在于动态 地评估岩层运动与矿山压力的灾害 以及矿山压力 的可利用程度， 解决工程 中的实际问题． 2 ． 1 评估矿 山压力的灾害及矿山压力的利用 2 ． 1 ． 1 用于评价冲击地压发生的可能性 由前述可知 ， 采场覆岩空间结构包含采场周围 岩体 的破裂边缘和破裂区内部岩层结构两个部分． 根据岩石的应力应变特性 ， 采场周围岩体 的破裂边 缘必然与岩体 的高应力和高应力差区域接近， 这是 基于覆岩空间结构观点评价 冲击地压发生可能 性 的理论基础． 在现场 ， 只要监测到岩体破裂的边缘 区域， 即可找到高应力区， 通过力学原理， 可以估算 出应力值 ， 再根据煤体 的冲击倾向性 ， 可 以比较 准 确地预计冲击地压发生的可能性． 2 ． 1 ． 2 用于预计矿井瓦斯涌出量 国内外有关专家的研究表明 ， 瓦斯涌出量与岩 层运动密切相关 ， 基于覆岩空间结构与采动应力场 的关系， 配合瓦斯监测 ， 可以揭示岩层运动与瓦斯 灾害的关系． 2 ． 1 ． 3 用于预计关键层运动及采场顶板压力 作者采用微地震定位监测技术 ， 研究 了关键层 的运动规律 ， 研究结果表 明， 关键层的运动决定 了 覆岩空间结构的运动． 采用覆岩空间结构 的观点 ， 可以更加全面、 准确地研究采场顶板压力 ， 对于支 架选型 、 工作面内的顶板控制有重要的意义． 2 ． 1 ． 4 用于优化瓦斯抽放孔的布置和工作面布置 目前 ， 我 国瓦斯 抽放孔 的布置大都凭 经验设 计 ， 抽放效率不高 ， 现在澳大利亚通过监测岩体 的 空间破裂 ， 将钻孔布置 到破碎区， 抽放效率提高了 7 ～9 倍 ． 另外 ， 在有矿震 和冲击地压 、 突水威胁的矿井 ， 通过研究覆岩空间结构 ， 可以优化设计 ， 达到防灾 减灾的 目的． 2 ． 2 预测顶板溃水与底板突水 顶板溃水与底板 突水的通道 ， 往往来 自远离工 作面的含水层 、 断层或采空区． 因此 ， 研究覆岩空间 结构对预测顶板溃水与底板突水的意义 ， 是显而易 见 的． 2 ． 3 预测地表沉陷规律与预计离层带发育规律 地表沉陷是覆岩空 间结构运动在地表的表现 形式 ， 如果能够把覆岩空间结构运动的过程研究清 楚 ， 对提高地 表沉陷的预测精度和离层带注浆控制 沉陷工程的效果将很有价值． 上述表明 ， 系统深入地研究覆岩空间结构及其 在工程 中的应用 ， 对采矿工程与矿 山安全工程具有 重 要 的意义 ． 3 采场覆岩空间结构 的微地 震定 位监测研 究方法 。 岩层结构及其运动的研究方法， 在现场一般采 用位移 、 支承压力显现观测方法 ， 有 时也采用钻孔 观测方法． 在实验室用得较多的是相似材料模拟实 验． 研究采动应力时 ， 也用数值计算方法． 然而， 由 于现场条件复杂， 采动情况 时刻在变化 ， 上述方法 难以做到实时 、 全方位地监测顶板动态 ， 因此， 近年 来出现 了微地震定位监测研究方法． 根据作者的研 究和实践 ， 该方法 适合于研究 采场覆岩 的空间结 构 ． 3 ． 1 微震监测岩层破裂的原理简介 岩石在应力作用下发生破坏 ， 并产生微震和声 波． 通过在采动区顶板和底板 内布置多组检波器并 实时采集微震数据 ， 经过 数据处理后 ， 采用震动定 位原理， 可确定破裂发生的位置 ， 并在 三维空间上 显示出来． 与传统技术相 比， 微震 定位 监测具有远 距离、 动态、 三维、 实时监测 的特点 ， 还可以根据震 源情况进一步分析破裂尺度和性质． 这种技术是在 近几年来计算机和数据采集技术快速 发展 的基础 上产生的， 它为研究覆岩空间破裂形态提供了新的 手 段 ． 3 ． 2 一般的微地震监测测区布置 对于有矿震 的矿井 ， 必须布置地面大尺度微地 震监测系统和井下小尺度微地震监测系统 ， 2套系 统协调工作 ， 才能监测到矿区范围内的矿震规律和 预报二 丁 作面周围的冲击地压． 这个结论 已经得到 了 很多专家的认 同． 图 5是微地震测 区布置示意图． 需要指出的是 ， 地面监测系统的性能参数和井下的 维普资讯 第 1 期 姜 福兴 采场覆 岩空 间结构观 点及其应用研 究 3 3 图 5 地 面和井 下联 合布置 的微地震监测测 区示意 网 Fi g．5 La y ou t of mi c r o s e i s mi c mo ni t or i n g u nd e r gr oun d a n d o n s u r f a c e 是 不 同的 ， 因为地 面监 测 定 位 的精 度 在 百 米 级 ， 而 井下 的精度 在米 级． 对 于仅 有采 场和 巷道 冲击地 压 的矿井 ， 只要 布 置井 下小尺 度微地 震监 测 系统 即可． 图 5中 ， 地面 监测 系统 由浅孔 检波 器和 监测 主 机组成 ， 根据 矿震 情况 布置测 站． 由 图 5可知 ， 地层 存 在很 多离 层 区域 ， 地 震波 经 过 这 些 区域 后 ， 受 到 了很大 的影 响 ， 造 成 了定位精 度 的下降． 井 下监测 系统 由钻孔 检 波器 和主机 组成 ， 井下 条件 许 可时 ， 可 以通 过 电缆 将 监 测 结 果 传 输 到 地 面 ． 检波 器 的布置方 式和 密度 ， 根据 工程需 要决 定． 3 ． 3微 地震监 测 的实例 图 6是 2 0 0 5年 完成 的 山东 某矿微 地震 监测结 果． 图 6中 ， 方形 点 是岩层 的破裂 点 ， 黑实线 表示 未 采煤层， 虚线表示已经采完的煤层． 由破裂点的分 布情况 ， 可以清 楚地看 到 顶 板 、 底 板 岩层 的破裂 高 度、 范围、 程度、 断裂层位、 破裂时间等 ， 由此可以确 定 顶 板空 间结构 的发 育 高度 ， 形 成过程 ， 底板 有无 突水危 险 ， 高应力 场位 置 ， 导 水裂 隙带 高度 ， 开采上 限 ， 防水煤 岩 柱 高度 等． I fl q f f f ； q 0n 31 0 n 3， 0 0 3 M 00 00 -6 00 ． 7 0 0 ．8 0 0 ．9 00 ．1 Oo o 图 6 山东某矿 的微地震定位监测结果 Fi g．6 Re s u l t o f mi c r os e i s mi c moni t o r i ng i n a c o a l mi n e o f Sha n do ng Pr ov i nc e 4 结 论 从 已经取 得 的初 步成 果看 ， 采场 覆岩 空间结 构 的观 点 和微地 震监测 技术 具有 很好 的应用 前景 ． 可 以得 到 以下几 个方 面的结 论 1 采场覆 岩空 间结 构 的观点 是 深部 矿压 研 究 的基 本观 点之一 ， 特 别是在 研究 应力 型灾 害控 制领 域 ． 2 微 地震 监测技 术 是研 究覆 岩 空 间结 构运 动 和灾变的有力工具 ， 具有传统打钻监测 、 表 面位移 监 测等 方法不 可替 代 的优势 ． 3 实测表 明， 采用微地震定位监测技术可以 监测空间结构的形成过程和范 围， 进而确定顶 、 底 板破 裂 范 围和程 度 ， 结合 矿 山压 力 理论 ， 可 以确 定 高应 力 场位置 、 导水 裂 隙带高 度 、 开 采上 限 、 防水煤 岩 柱 高度和 预 测 冲击 地 压 。也可 以根 据 破 裂场 的分 布 ， 优 化 瓦斯抽 放孔 的布 置参 数． 由于此项研 究 尚处 于应用 的起步 阶段 ， 仍 然还 有很多问题需要深入研究 ， 需要同行们一起努力 ， 才 能为解决现场 的实际 问题提 供有效 的理论 和手段． 参考 文献 [ 1 ] 钱呜高 ， 缪协 兴， 许 家林 ， 等． 岩层 控制 的关键层 理论 E M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 2 0 0 0 1 8 6 ． [ 2 ] 宋振骐． 实用矿山压 力控制[ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出 版社 ， l 9 8 8 5 0 1 2 0 ． [ 3 ] 张兴民 ． 于克君 ， 席景 德 ． 等． 微地 震监测技 术在 两带 监测中 的研究 与应 用 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 5 4 33 5 3 3 9． ZHANG Xi n g mi n，YU Kmj u n，XI J i n g d e ，e t a 1 ． Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g u s e d i n d e c i d i n g f r a c t u r i n g z o n e [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Coa l S oc i e t y，2 0 00， 2 5 4 3 35 ～ 33 9 ． [ 4 ] I u X，HA THE R I Y P， GI A D WI N M．Ap p l i c a l i on o f mi c r o s e i s mi c mon i t or i n g t O l on gwal l g e ome c h a n i c s a n d s a f e t y r C] ／ ／P E NG S S ． P r o c e e d i n g s 1 7t h Co nf e r e nc e o n Gr oun d Cont r ol i n M i ni ng ． M o r g a nt own，1 99 8 72 78 ． [ 5 ] 姜福兴 ． 杨 淑华 ， X UN I ． 微地 震 监测揭 示 的采 场围 岩空间 破 裂 形 态 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 8 4 3 5 7 36 O． J I ANG Fu x i n g，YANG S h u h u a ，XUN I ． S p a t i a l f r a c l u r i n g p r o g r e s s e s o f s u r r o l md i n g r o c k ma s s e s i n l o n g wa l l f a c e mo n i t o r e d b y mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g t e c h n i q u e s [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ，2 0 0 3 ， 2 8 4 3 57 - 3 60 ． [ 6 ] 姜福兴 ， X UN I ， 杨 淑华 ． 采场覆 岩 空间破 裂与 采动 应力场的微震探测 研究 [ J ] ． 岩 土工 程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 5 1 2 3 25 ． J I ANG F u x i n g，XUN I ，YANG S h u h u a ．M i c r o s e i s mi c mon i t o r i n g s t u dy on s pa t i a l s t r u c t ur e o f o ve r l y i n g s t r a t a a nd mi ni ng p r e s s ur e f i e l d i n l o ng wa l l f a c e [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， 20 03， 2 5 】 23 25 ． 维普资讯