采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 韩 刚李旭东曲晓成等.采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究.煤炭科学技术 . / . . / 采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究 韩 刚李旭东曲晓成朱 磊刘立新 .中煤能源研究院有限责任公司陕西 西安 .中煤西北能源有限公司内蒙古 鄂尔多斯 .北京安科兴业科技股份有限公司北京 .乌审旗蒙大矿业有限责任公司内蒙古 鄂尔多斯 摘 要针对上覆多层坚硬砂岩组破断时释放的动载荷耦合集中静载荷区弹性应变能易诱发冲击地 压显现的问题采用现场监测、统计分析的方法探索了覆岩空间破裂与采动应力场关联性对冲击地 压显现的影响对覆岩空间破裂分布特征及采动应力场分布特征进行了监测分析依据研究结果对临 空巷道超前支护方式进行了优化与实践验证 研究表明纳林河二号矿井 工作面覆岩破裂剧 烈区位于 煤层顶板上方 . 厚度为 . 的细粒砂岩层内并超前工作面 超前 支承压力影响距离至工作面前方 峰值点距工作面小于 覆岩破裂剧烈区与采动应 力场峰值区两区相距较近易诱发冲击地压灾害在超前工作面 两区下方的临空巷道采用 垛式液压支架超前支护顶板可有效防治冲击地压 关键词冲击地压微震监测覆岩空间破裂采动应力场超前支护 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑朱恩光 基金项目国家重点研发计划资助项目 作者简介韩 刚男陕西咸阳人工程师 . 引 言 随着煤矿开采深度的不断增加由岩层运动引 发的冲击地压灾害日趋严重很多事故用平面岩层 运动模型已难以合理解释和指导工程实践因此人 们开始重视对采场围岩空间破裂规律的研究 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 煤矿采场围岩空间破裂形态与应力场的关系是预 测和防治冲击地压、矿井突水、煤与瓦斯突出以及顶 板整体冒落等矿井灾害的基础 目前国内学者 在覆岩破裂与采动应力场方面开展的研究取得了丰 硕成果 姜福兴等介绍了用微震定位监测技术 揭示的采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系认 为存在 种由采动引起的岩体破裂类型蒋军军 等探讨了动载荷诱发卸荷煤体冲击失稳的动态 响应机制研究了弹性能量指数和滞回环面积的表 征意义并用以描述动载作用下能量积聚与耗散特 性文献探讨了采场空间结构模型中应力分 布和结构发育的力学特征研究了冲击地压各监测 参量之间的相互关系通过对冲击地压发生机理、各 监测手段的监测原理进行分析运用大数据分析方 法和云平台技术开发了一种多参量联合监测的冲 击地压监控预警平台 张广辉等认为基于能量 耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较 好反映煤样的损伤演化过程齐庆新等深入研究 了我国冲击地压矿井类型及防治方法认为断层的 构造应力、采动应力会诱发掘进巷道发生冲击地压 潘俊锋等将冲击地压重新分为集中静载荷型和 集中动载荷型分析了各自冲击启动的能量判据提 出了统一的煤矿开采冲击地压启动理论朱志洁 等基于关键层理论认为覆岩大结构失稳的动压 以及顶煤和直接顶产生的静压共同作用引起支架压 力显著上升文献建立了冲击地压作用下 的巷道围岩与支护响应的动力学模型研发了防冲 吸能巷道液压支架并进行现场试验研究 孙希奎 等认为基于煤岩体地质力学测试、以锚固与注浆 为核心的支护加固技术是有效、经济的深部巷道围 岩控制技术 目前结合实际监测数据对覆岩空间破裂与采 动应力场关联性及其对冲击地压显现的影响对临 空巷道超前支护方式的要求研究较少 因此笔者 在分析由微震监测得到的覆岩破裂规律和应力监测 得到的采动应力场分布特征的基础上探索覆岩空 间破裂与采动应力场关联性及其对冲击地压发生的 影响程度依据研究结果对临空巷道超前支护方式 进行优化及实践验证 工作面概况及应力监测系统布置 纳林河二号矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市 境内首采煤层为 煤层平均埋深 工作面为该矿第 个回采工作面工作面倾 向长 走向长约 煤层平均厚度 . 为近水平煤层 直接顶为厚 . 粉砂岩上部 基本顶为 . 细粒砂岩 底板为砂质泥岩具 有水平层理强度较低 工作面北部为已回 采完成的 工作面采空区区段煤柱宽 南侧为实体煤 工作面回风巷 临空巷 道初采期间受到初次来压、该工作面首次“ 见 方”、与相邻工作面二次“见方”、水仓煤柱、顶板 疏放水、区段煤柱、断层等因素影响容易造成巷 道严重变形冲击地压条件下的围岩变形控制问 题亟待解决 工作面回采前建立了微震、应力监测系 统监测系统布置如 所示 图 微震监测传感器和钻孔应力计布置示意 微震测点检波器每隔 安装于回风巷 及运输巷顶板的稳固锚杆上回风巷两帮每隔 安装 组长、短孔应力计在运输巷实体煤侧每隔 安装 个长孔应力计 微震及煤层应力监测结果分析 . 微震事件沿覆岩垂直方向分布特征 纳林河二号矿井共有 个地质勘探钻孔 工作面采前观测孔距离 工作面最近 故以 工作面观测孔揭露地层为依据进行微震 事件沿覆岩垂直方向分布特征的分析 该钻孔实际 揭露地层情况见表 列出了 煤层以上 范围内揭露地层情况 年 月 日 年 月 日 工作面微震监测系统总计接收有效微震约 个 以 工作面采前观测钻实际揭露地层结构 为单元滚动累计各单元内微震数量形成基于实际 地层结构的微震事件沿覆岩垂直方向分布特征如 图 所示 由图 可知微震事件在垂直方向上 总体呈现出单峰值的分布规律 峰值位于距 煤顶板 . 厚度为 . 的细粒砂岩层内发 生在该岩层中的微震事件占总数的 该细粒 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 韩 刚等采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究 年第 期 砂岩层为低位岩层中较厚的硬岩层故顶板水力压 裂靶向层位应为该硬岩层该硬岩层岩性较好、厚 度较大、容易集聚能量、破断时释放的能量较大其 次该岩层距离 煤较近能量传播过程中衰减 较少破断时易引发临空巷道冲击地压显现特别是 在煤体应力集中程度较高时故从冲击地压防治角 度该岩层为诱冲关键层之一 . 工作面覆岩微震走向分布特征 将每个微震事件逐个进行坐标转换以 为 单元滚动累计单元内微震事件数量形成微震事件 “固定工作面”分布特征如图 所示图 中横坐 标正值表示超前工作面距离负值表示滞后工作面 距离 图 微震事件沿覆岩垂直方向分布特征 图 微震事件沿“固定工作面”走向分布特征 “ ” 由图 可知 工作面微震事件频次沿 走向呈现出单峰值的类正态分布规律微震事件频 次峰值位于超前工作面 在分布范围方面 滞后工作面 至超前工作面 微震事件数 量占总数的滞后工作面 至超前工作面 微震事件数量占总数的超前工作面 以外微震事件数量几乎为零可以确定微震监测 系统揭示的工作面超前影响范围为 从防灾 角度而言加强超前工作面 范围内的支护是 防冲的重点之一 . 应力监测揭示的采动应力场分布特征 对 年 月 至 月 日 工作面 临空巷道回风巷内几次应力预警情况进行分析 形成应力测点巷道帮部距离底板 .. 处 实测应力值变化曲线如图 所示 图 测点实测应力随测点至工作面距离变化曲线 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 由图 可知随着工作面的不断推进井下各应 力测点的实测应力值不断变化 号应力测点的实 测应力值在超前工作面 时开始升高此后缓 慢增长 时达到应力峰值 号应力测点的实 测应力值在超前工作面 时开始升高 时 达到应力峰值 号应力测点的实测应力值在超前 工作面 时开始急速升高 时达到应力峰 值 号应力测点的实测应力值在超前工作面 时开始升高 时达到应力峰值此后逐步下 降 可见由应力监测系统得到的 工作面超前 影响距离约 超前支承压力峰值到煤壁的距 离小于 图 中 、 号应力测点出现应力突降的原因 为现场冲击显现剧烈为防止监测设备埋入煤体提 前进行设备移组 为确定移组后煤体内应力情况 年 月 日在 号测点超前工作面约 时实施了钻屑检验检验结果如图 所示 由图 可知在 处钻屑量超标施工至第 时出 现严重吸钻现象停止钻检说明超前工作面约 的临空巷道煤柱侧煤体内应力集中程度依然较 大应力峰值位置可能小于 更靠近工作面 图 号测点附近的钻屑检验结果 . 覆岩破裂与采动应力场关联性对冲击地 压显现的影响 . 覆岩破裂与采动应力场关联性分析 由图 图 可知微震事件在垂直方向上的 峰值位于距 煤顶板 . 、厚度为 . 的 细粒砂岩层内发生在该岩层中的微震事件占总数 的 微震事件在工作面走向的频次峰值发生在 超前工作面 微震事件是覆岩发生裂隙、破 断过程中所集聚的弹性能瞬间释放过程中的一种 物理效应即微震事件发生频次越高的区域覆岩破 裂更为充分故纳林河二号矿井 工作面覆岩 破裂剧烈区高度方向上位于该细粒砂岩层内并走向 超前工作面 由图 可知超前支承压力 峰值到煤壁的距离小于 超前支撑压力峰值区 为集中静载荷区覆岩破裂剧烈区与集中静载荷区 位置关系如图 所示 由图 可知 工作面 覆岩破裂剧烈区与集中静载荷区相距较近存在部 分或全部重合的可能 图 覆岩破裂剧烈区与集中静载荷区位置关系 . 覆岩破裂与采动应力场关联性对冲击地压显 现的影响分析 岩层破裂发生在应力差大的区域因此覆 岩破裂剧烈区总是与高应力差区域相重合并与高 应力场区域集中静载荷区相接近冲击地压的发 生与这 个区域密切相关 现场几次冲击地压 显现也位于覆岩破裂剧烈区与集中静载荷区内 年 月 日 年 月 日 工作面 共发生 次冲击地压显现事件第 次顶板冐落部 分超前液压支柱安全阀开启井下煤炮增多第 次 片帮较大微震事件距离片帮位置仅 左右第 次顶板下沉量. 最大底鼓. 部分液压支柱 压弯单元支架倾倒第 次超前 单元支架 间顶板下沉 根 型钢梁断裂底鼓约 . 回柱 绞车液压支柱断裂 冲击地压显现位置见表 由 表 可知前 次冲击地压显现事件均发生在临空 巷道超前工作面 范围内第 次发生在超前工 作面 范围内 表 工作面冲击地压显现位置 . 序号推进量/ 超前距离/ 位置 临空巷道 联络巷 临空巷道 联络巷口 临空巷道 联络巷口 临空巷道 集中动载荷型冲击地压受煤帮应力集中和 采场上覆坚硬顶板垮断同时影响覆岩顶板悬 顶造成工作面超前区域应力高度集中储存弹性能 多上覆坚硬顶板悬臂产生的弯曲弹性能为煤壁前 方提供了静载荷源导致工作面巷道周围煤体静载 荷集中度较大产生集中静载荷区 该区域的应力 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 韩 刚等采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究 年第 期 高度集中使得巷道围岩破碎成为片帮、底鼓、冒顶 事故频发的必要条件 参考动静加载型冲击启动力学模型与能量 判据当集中静载荷区聚集的弹性应变能加上顶 板断裂传递来的动载荷能量大于煤岩体破坏所需最 小能量时达到冲击地压启动的能量条件 纳林河 二号矿井覆岩破裂剧烈区距离 煤顶板 . 距离巷道较近该区域覆岩破断时释放的动载荷能 量传递过程中衰减较少其次覆岩破裂剧烈区与集 中静载荷区相距较近存在部分或全部重合的可能 性集中静载荷区受覆岩破裂剧烈区的动载扰动较 大顶板断裂传递来的动载荷能量与集中静载荷区 聚集的弹性应变能耦合后更易超过该区域煤岩体破 坏所需的最小能量进而诱发生冲击地压显现 临空巷道超前支护防冲技术 在 工作面回采初期临空巷道超前工作 面 段频繁冒顶、底鼓、片帮而这一区域恰 好是覆岩破裂剧烈区与集中静载荷区 经初步分 析当超前支承压力峰值点位于微震事件频次走向 分布峰值点的前方时若煤体卸压工程效果不佳形 成静载荷高度集中区域随着工作面的回采微震事 件频次走分布峰值点位于该区域时极易发生冲击 地压显现 在防治措施方面一方面要加强监测及时采取 大直径卸压钻孔、煤体爆破、顶板水力压裂等解危措 施以降低集中静载荷区域煤体应力集中程度使其 形成“低应力”状态另一方面集中静载荷区受覆岩 破裂剧烈区的动载扰动较大需要增加该区域的支 护强度增大顶板支护面积提高支护的抗动载能 力形成“强卸压、强监测、强防护” 的防冲技术 体系 围岩支护是冲击地压防治局部解危措施的重点 之一巷道围岩控制原理及方法包括增大支护强度 或改善支护方式 现场对临空巷道超前 段超前支护方式进行了多次优化最终采用垛式 超前液压支架 采用垛式超前液压支架以来由于加大了该区 域的支护强度增加了支架对顶板支护面积使得该 区域围岩变形明显减小未出现严重冒顶、片帮事 故 实际应用效果表明该超前支护方式适用于纳 林河二号矿井 工作面临空巷道对矿井安全 高效生产起到了关键性保障作用 结 论 冲击地压防治角度距离 煤顶板 . 厚度为 . 的细粒砂岩层为诱发冲击地压 关键层之一 覆岩破裂剧烈区垂直方向上位于距 煤 顶板 . 厚度为 . 的细粒砂岩层内走向 方向上位于超前工作面 由微震监测系统揭示的超前影响距离为 由应力监测系统得到的超前影响距离约 超前支承压力峰值点距工作面小于 该工作面覆岩破裂剧烈区与超前支承压力 峰值点相距较近两者重合或相距较近时易发生冲 击地压显现这与现场几次冲击地压显现情况基本 吻合 针对 煤上覆多层坚硬砂岩组破断时释 放动的载荷引发集中静载荷区频繁出现冲击地压显 现的问题在临空巷道覆岩破裂剧烈区的超前支护 装备采用垛式超前液压支架 实际应用效果表明其 适用于纳林河二号矿井 工作面临空巷道对 矿井安全高效生产起到了关键性保障作用 参考文献 姜福兴杨淑华.微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态 .煤炭学报. . . . 姜福兴 杨淑华.采场覆岩空间破裂与采动应力场的 微震探测研究.岩土工程学报. . . . 蒋军军邓志刚赵善坤等.动载荷诱发卸荷煤体冲击失稳动 态响应机制探讨.煤炭科学技术. . . . 姜福兴曲效成王颜亮等.基于云计算的煤矿冲击地压监控 预警技 术 研 究 . 煤 炭 科 学 技 术 . . . . 姜福兴杨淑华成云海等.煤矿冲击地压的微地震监测研究 .地球物理学报. . . . 张广辉欧阳振华邓志刚等.循环加载下冲击倾向性煤能量 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 耗散与损伤演化研究.煤炭科学技术 . . . . 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