煤层采动底板破坏规律动态观测研究.pdf

第 25 卷增1岩石力学与工程学报Vol.25Supp.1 2006年 2月Chinese Journal of RockMechanics and EngineeringFeb.2006 收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期2005–10–31修回日期修回日期修回日期修回日期2005–12–30 基金项目基金项目基金项目基金项目安徽省教育厅自然科学重点科研计划项目2005KJ001ZD 作者简介作者简介作者简介作者简介张平松1971–男1996年毕业于安徽理工大学资源与环境工程系地质工程专业现为副教授博士研究生主要从事地质工程 矿井物探面的教学与研究工作E-mailpszhang71 煤 层 采 动 底 板 破 坏 规 律 动 态 观 测 研 究煤 层 采 动 底 板 破 坏 规 律 动 态 观 测 研 究煤 层 采 动 底 板 破 坏 规 律 动 态 观 测 研 究煤 层 采 动 底 板 破 坏 规 律 动 态 观 测 研 究 张平松吴基文刘盛东 安徽理工大学 资源与环境工程系安徽 淮南232001 摘要 摘要摘要 摘要煤层采动后顶底板应力状态发生改变会产生一定范围的变形与破坏不同煤层采动过程中的底板破坏具 有一定的规律对于受底板水害威胁的煤层正确确定底板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要条件 因此通过实测法获得该破坏深度值及规律是矿井物探研究的一个方向多年来我国对煤层底板破坏规律的观测 研究方法较多但受技术条件所限真正有效适用的技术方法较少采用震波 CT 探测技术结合煤层工作面中 孔–巷间形成的探测剖面进行不同时期震波 CT 数据采集反演与资料处理可获得煤层采动过程中底板破坏 的动态发育规律及特征开采探测实践表明震波 CT 技术对底板破坏规律探测具有连续的动态效应其适用性 强应用效果显著 关键词关键词关键词关键词采矿工程底板破坏震波CT动态观测煤层开采 中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号TD 32文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码A文章编号文章编号文章编号文章编号1000–69152006增 1–3009–05 STUDY ON DYNAMIC OBSERVATION OF COAL SEAM FLOOR′′′ ′ S FAILURE LAW ZHANG PingsongWU JiwenLIU Shengdong Department ofResources and Environmental EngineeringAnhuiUniversityof Science and Technology HuainanAnhui 232001China AbstractThe coal seam floor′s distortion and failure would be found being because of the change of stress state after coal seam mining. The failure laws of the coal seam affected by mining are different. The exact failure depth of the coal seam floor is the primary condition to forecast accuratelythe capability of the floor to hold up water for the coal seamhaving the danger of floor water. So using the practical observation s to get the floor′ s failure depth and laws isa direction for the mine geophysical study. Many observation s are studied to get the coal seam floor′s failure depth in the past decade years. But the effective observation s are less because of the limitation of technique. The floor′ s failure developing laws and characters can be gained by seismic wave CT combining with the detective section between bore and lane in the working face. It is shown that the failure laws are dynamic because the CT data collection and process are variable according to the mining schedule. Engineeringpractice shows that the seismic wave CT hasnotable effect on the failure depth detection of floorand it hasdynamic characteristic and better applicability. Key wordsmining engineeringfailure of coal seam floorseismic wave CTdynamic observationcoal seam mining 3010岩石力学与工程学报2006 年 1引引引引言言言言 煤层开采后顶底板的破坏发育规律探测与研究 一直是煤矿安全生产十分关注的问题正确确定底 板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要条 件特别是在受煤层底板水害威胁较为严重的煤层 开采过程中更应注意对开采后底板破坏规律的探 测研究20 世纪 80 年代以来全国已进行了许多 有关底板采动破坏的现场观测[1 3] 但是现场观 测由于受当时技术方法等条件的限制一般是在煤 层底板内沿倾斜剖面布置钻孔终孔于底板法线 每个钻孔只在底部留 2 m 裸孔段作为注放水观测 点其余孔段注浆封闭因而这些现场观测均为点 式间断观测难以确切反映底板采动破坏的变化形 态和破坏深度为了能够连续观测底板破坏过程 深入研究底板采动破坏的动态变化准确探测采动 破坏深度张文泉等[4]和张红日等[5]采用钻孔注水系 统进行了底板采动破坏过程的连续探测研究刘传 武等[6]采用声波检测技术观测煤层底板的破坏深度 和破坏规律但受方法本身所限在施工难度及探 测精度等方面都存在一定的不足本次研究采用震 波 CT 探测技术结合皖北矿业集团刘桥二矿 2614 综采工作面回采过程中孔–巷间观测剖面进行动态 数据采集与处理可为安全开采及矿井水的防治提 供更加科学的参数依据 2探测工作面概况探测工作面概况探测工作面概况探测工作面概况 2614 工作面位于 II61 采区中上部东侧 为 II61 采区首采工作面该工作面走向长 733 m倾斜宽 130190 m煤层倾角 611厚 2.603.20 m 平均 2.93 m可采储量 54.0 107kg工作面内构造 相对较简单整体为一宽缓的小背斜主要构造为 断层其中 3条大于 10 m以上的断层穿过工作面 其他均为小型正断层 因为该工作面为北翼六煤层400 m 以下首采 工作面巷道掘进过程中顶底板砂岩裂隙水丰富 水质为 SO4-NaK 型总流量为 24 m 3/h 工作面六 煤层至一灰间距为 4256 m平均为 46.99 m底 板承受的灰岩水水压为 2.762.97 MPa若回采中 底板破坏深度为 15 m则回采中的突水系数为 0.0860.093 MPa/m处于高水压条件下开采根 相邻矿井六煤回采太灰突水特征结合矿区其他 工作面的安全回采情况分析工作面在底板正常情 况下可以安全回采在构造异常区段断裂发育带或 底隔变薄带太灰水存在突水危险性为确保工作面 安全回采需进一步开展底板破坏深度测试研究工 作对底板构造异常区进行局部加固确保工作面 的安全回采 3探测原理探测原理探测原理探测原理 震波 CT 技术是利用地震波在不同介质中传播 速度的差异通过在探测区域内构成切面根据地 震波信号初至时间数据的变化利用计算机通过不 同的数学处理方法重建介质速度的二维图像通过 这种重建的测试区域地震波速度场的分布特征来 推断剖面介质的精细构造及地质异常体的位置形 态和分布状况[7 8] 根据一定的观测系统获得地震波到时数据并 进行慢度yxs或速度yxv分布反演其中 /1yxsyxv假设地震波的第 i 个传播路径 为 i l其地震波初至时间为 i t则 ∫ il i syxstd ds为弧长微元通常在速度场变化不大的情况下 可近似把射线路径作为直线求解这样 i t为已知 从而可反演慢度或速度值对速度场图像重建可 使用反投演法BPT 法计算出迭代初值采用算术 迭代法ART 法和联合迭代法SIRT 法进行终值迭 代[9 10] 通过对比研究发现弯曲射线追踪震波到 时要比直射线追踪更趋于实际值又由于 SIRT 法 收敛速度较快而且对投影数据误差的敏感度小 因此多选取弯曲射线线性插值法进行时间追踪和 SIRT 法反演结果作为震波 CT 的图像 由于地震波在介质中传播时携带大量的地质 信息通过波速频率及振幅等特性表现出来其 中地震波速度与岩体的结构特征有着显著的相关 性通常不同岩性中地震波的传播速度是不同的 即使是同一岩层由于其结构特征发生变化其波 场分布便表现出不同的特征图像煤层开采后底板 岩层破坏检测正是基于此原理正常岩体其波速值 与破裂岩体存在一定的差异性因此通过钻孔与巷 道之间所组成的测试区域内岩煤体不同时间速度场 图像重建结合已有的底板地质资料可进行断裂破 坏裂隙等具体特征判定[11 12] 由于钻孔可以深入 至采煤工作面塌陷区域内部其检测结果具有绝对 的可靠性 第 25卷增1张平松等. 煤层采动底板破坏规律动态观测研究 3011 4探测数据采集探测数据采集探测数据采集探测数据采集 震波 CT 探测必须形成测试剖面研究中根据 现场的实际条件选择 2614 工作面的风巷为探测 实施地点在巷道较为平整地段布置底板测试钻孔 根据钻孔与巷道之间形成的测试剖面进行震波 CT 非完全观测系统数据采集 4.1测试钻孔布置测试钻孔布置测试钻孔布置测试钻孔布置 震波 CT 数据接收装置放在钻孔中现场斜向 工作面并向着切眼方向施工一个倾斜钻孔与巷道 走向夹角为 45钻孔深度要求其垂直距离超过预 计的破坏深度结合该矿区实际情况接收孔施工 孔深为 25.5 m 测试孔孔径要求不小于 73 mm为防止孔口塌 陷需在孔口处埋设套管孔内下入一 PVC 管以 防止杂物落入孔中塑料管与孔壁之间用水泥浆封 闭使之尽量与孔壁耦合好孔内放满水钻孔施 工时应采用全取芯方式保证岩芯的完整并进行 分段编录采样岩芯用于室内超声波波速测试 为 CT 反演提供背景波速参数图 1 为测试钻孔及 探测剖面结构图 图 1底板破坏深度 CT 测试钻孔及探测剖面结构图 Fig.1CTtesting borehole and detective section for the floor′ s failure depth 4.2探测仪器设备探测仪器设备探测仪器设备探测仪器设备 受井下特殊环境所限地震波测试仪器必须安 全防爆探测采用 KDZ1114–3 型矿井地质探测仪 和 ZK 型孔中三分量检波器进行数据采集地震波 激发震源采用锤击方式根据巷道实际情况如果 浮煤较为松散实际激发时可利用铜块或铁块作为 锤垫相辅助利于地震波向底板岩煤层中传播 4.3 CT 数据采集数据采集数据采集数据采集 现场数据采集时首先在钻孔中不同位置固定 孔中检波器并在巷道中不同位置锤击以激发地震 波进行单道数据采集从而形成一个测试点的各炮 记录现场采集时孔中检波器移动距离为 0.5 2.0 m巷道锤击点移动距离为 1.02.0 m其距离 大小决定探测精度检波器点根据实际情况在孔中 可自下而上变换点位锤击激发点在巷道中的长度 可完成 20 m 左右每次测试时保持相对位置固定便 于进行对比通过试验仪器工作参数可选择为 采样间隔 100s采样频带 1 kHz 低通固定增益 4881 dB 采样长度 512点测试时要结合波形情 况避免钻孔中套管波的影响 4.4探测工程量探测工程量探测工程量探测工程量 现场测试必须结合工作面推进速度合理安排 通常必须多于 3 次即钻孔安装后远离工作面推进 位置时测取探测区域岩煤层背景波速分布值通 常在工作面距离钻孔位置平距 100 m 左右时完成 当工作面煤壁推进至钻孔底端垂直对应巷道位置 时测取第二次变化值当工作面煤壁推进至距离 钻孔孔口 1015 m 时测取变化结果数据3 次变 化基本上可获得底板岩煤层破坏超前发育规律与特 征参数为了清晰观测裂隙发育动态过程当工作 面推进至钻孔平距 30 m左右可加密观测 5数据处理及结果数据处理及结果数据处理及结果数据处理及结果 震波 CT 数据处理是通过自行编制的软件来完 成的必须先对探测区域建立坐标系并进行网格 单元划分地震波记录纵横波初至到时拾取坐 标文件建立后再进行 CT 不同方法的反演处理受 篇幅限制对具体处理过程不再赘述本着前疏后 密的原则2614工作面共完成了 6次井下不同时间 孔–巷间 CT 数据采集现以背景测试及结果测试 2 次 CT 反演结果进行解释说明图 2 为区域背景测 试时的探测布置及网格划分图图 3 为 SIRT 法反 演的纵波波速 CT 切片图测试是在工作面切眼离 钻孔 120 m处完成的从图中可以看出探测区域 内地震波波速呈现明显的背景分带性其中浅部对 应煤层和泥岩其迭代波速较小为 0.31.8km/s 局部相对稍大具不均匀性 深部为粉细砂岩互层 其迭代波速为 1.94.9 km/s岩层均有不均匀性 3012岩石力学与工程学报2006 年 x/ m 图 2CT背景测试时的探测布置及网格划分图 Fig.2Layout and gridof CT background detection 图 3SIRT 法反演的纵波波速 CT 切片图离钻孔 120 m 处 Fig.3CT slice of reversed wave velocityfor longitudinal wave by SIRTat the place 120m far from borehole 局部存在裂隙发育区波速在 1 km/s 以下反演所 得波速分布与煤层底板实际岩层柱状对应性较好 这为后续探测对比与解释提供了良好的基础 图 4 为最后一次探测时激发和接收点具体布置 及网格划分图图 5 为 SIRT 法反演得到的纵波波 速 CT 切片图需要说明的是为了便于进行对比 坐标原点均选在孔口处此时工作面煤壁距钻孔孔 口平面距离为 9.8 m煤层开采所产生的底板岩层破 坏已完成发育从 CT 切片图对比研究中发现受 采动影响煤层底板岩层发生了巨大变化其地震 波波速分带性增强且较为稳定其中距巷道垂直深 09 m 内波速变化较大局部岩层迭代波速在 0.5 km/s以下分析为岩层受到破坏所引起的岩层破 坏带最大深度可达 9.8 m且在老塘附近岩层具有压 密趋势即破坏深度变浅 x/ m 图 4激发和接受点布置及网格划分 Fig.4Arrangement of exciting and receiving points and generation of grid 图 5SIRT法反演所得纵波波速 CT切片图离钻孔9.8 m处 Fig.5CTsliceofreversedwave velocityfor longitudinalwave bySIRT atthe place 9.8 m far from borehole 与前面 5 次探测 CT 切片相比814 m深处 地震波波速同样产生变化但其波速变化幅度小 岩层主要是以裂隙发育特征为主波速为 1.52.1 km/s其特征同样较为明显裂隙带发育最大深度 可达 14.9 m同时从浅部岩层地震波波速变化可以 看出受工作面推进影响测试区距巷道浅部的地 震波高速区也跟着向前推进分析为采动应力超前 影响结果其超前距离基本上为 1016 m需要说 明的是震波 CT 探测所获得的煤层采动破坏规律 及参数值与有限元数值模拟结果基本一致FLAC 数值模拟获得该条件下煤层采动底板破坏最大深度 为 17 m 左右 y / m y / m x/m y /m y /m x/m 第 25卷增1张平松等. 煤层采动底板破坏规律动态观测研究 3013 6结结结结论论论论 煤层采动过程中底板岩层破坏在震波 CT 反演 图像重建中分带性特别明显岩层结构破坏及裂隙 发育清晰易辨这是进行地质解释的基础不同时 间的测试数据可动态观测底板破坏规律这为研究 采动过程中矿压的变化提供条件2614 工作面探测 应用表明震波 CT 技术对煤层采动引起的底板岩 层破坏规律探测具有针对性其精度完全满足生产 需求因此是一种有效的探测技术对煤矿安全生 产具有重要的指导意义具有很好的应用价值同 时在应用过程中必须注意测试钻孔及测试波形数 据的获取一方面要做好接收钻孔封闭问题以及 计算好测试时间另一方面在数据采集时要克服套 管波的影响尽量减少井下各种干扰数据解释时 还需和采矿学相关规律紧密联系解释煤层采动过 程中产生的有关地质现象充分利用震波 CT 反演 切片所提供的地质信息 参考文献参考文献参考文献参考文献References [1]张金才 刘天泉. 论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J]. 煤 炭学报199015246–55.Zhang JincaiLiu Tianquan. Discussion on the coal seams floor destroyed depth and distributing character[J].Journal of China Coal Society1990 152 46–55.in Chinese [2]王希良梁建民王进学. 不同开采条件下煤层底板破坏深度的 测试研究[J]. 煤20009322–2338.Wang XiliangLiang Jianmin WangJinxue. Test study oncoal seams floor destroyeddepth under different mining conditions[J]. Coal 2000 93 22–23 38.in Chinese [3]关英斌李海梅路军臣. 显德汪煤矿9煤层底板破坏规律的研 究[J]. 煤炭学报 2003 282 121–125.GuanYingbin Li Haimei Lu Junchen. Researchon No.9coal seam floor s fracture regularityin Xiandewang coal mine[J]. Journal of China Coal Society2003 282121–125.inChinese [4]张文泉张红日徐方军等. 大采深倾斜薄煤层底板采动破坏 形态的连续探测[J]. 煤田地质与勘探 2000 282 39–42.Zhang Wenquan Zhang HongriXu Fangjunet al. Continuous exploration for the mining failure of the incline and thin coal seam′ s floor under the high depth[J]. Coal Geology andExploration 2000 282 39–42.in Chinese [5]张红日张文泉温兴林等. 矿井底板采动破坏特征连续观测 的工程设计与实践[J]. 矿业研究与开发 2000 204 1–4.Zhang HongriZhang WenquanWen Xinglinet al. The design of continuous observation work on mining failure feature in the floor of mine and its practice[J].Mining Research and Development2000 2041–4.in Chinese [6]刘传武张明赵武升. 用声波测试技术确定煤层开采后底板 破坏深度[J]. 煤炭科技200344–5.Liu ChuanwuZhang MingZhao Wusheng. Destroying depth of coal seam floor′ s failure by sound wave technology[J]. Coal Science andTechnology2003 44–5.inChinese [7]王辉黄鼎成. 地震层析成像方法及其在岩体结构中的应用[J]. 工程地质学报 2000 81 109–117.Wang Hui HuangDingcheng. Seismic tomography and its application to rock mass structure study[J].Journal of Engineering Geology200081109–117.in Chinese [8]邱庆程李伟和. 跨孔地震 CT 层析成像在岩溶勘察中的应用[J]. 物探与化探 2001 253 236–240.Qiu Qingcheng Li Weihe. The applicationof crosshole seismic CT tothe detectionof karstcaves in bridge foundation investigation[J]. Geophysical and Geochemical Exploration2001253236–240.in Chinese [9]刘盛东 李承华. 地震走时层析成像算法与比较[J]. 中国矿业大学 学报2000292211–214.Liu ShengdongLi Chenghua. Algorithm and comparison of seismic travel time computerized tomography technique[J]. Journal of China University of Mining and Technology2000292211–214.in Chinese [10]宿淑春王守东吴律. 井间层析成像的平滑SIRT算法[J]. 石 油大学学报自然科学版 2001 256 29–31.Su Shuchun Wang ShoudongWu Lu.Smoothing SIRT algorithm for cross-well travel-time tomography[J]. Journal of University of Petroleum ChinaNatural Science200125629–31.in Chinese [11]张平松. 应用跨孔地震 CT 技术检测锚基基础断裂[J]. 地质与勘 探200440587–89.Zhang Pingsong. Detection of base fault duringanchor by crosshole seismic wave[J].GeologyandProspecting 200440587–89.in Chinese [12]张平松刘盛东 吴荣新. 地震波 CT技术探测煤层上覆岩层破坏 规律[J]. 岩石力学与工程学报 2004 2315 2 510–2513.Zhang PingsongLiu ShengdongWu Rongxin.Observation of overburden failure of coal seam by CT of seismic wave[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering200423152 510–2 513.in Chinese