千米深井强冲击复杂条件下分层开采工作面防冲技术研究.ppt

冲击地压防治案例,北 京 科 技 大 学 2013年5月,千米深井强冲击复杂条件下分层开采工作面防冲技术研究,千米深井强冲击复杂条件下分层开采工作面防冲技术研究,山东丰源远航煤业有限公司北徐楼煤矿 北 京 科 技 大 学 2012年11月,1 研究背景,2 3下02工作面冲击危险性评价,3 3下02工作面冲击地压治理和监测技术研究,4 动力灾害监测布置方案,5 基于微地震监测的结果分析,6 工作面岩层运动规律及冲击地压的关系研究,7 “震动场应力场”联合监测揭示的工作面来压,8 结论,提 纲,1 研究背景,北徐楼煤矿主采3层煤，煤层厚度5.16.9m, 采深近1000m，属于典型的深部开采矿井，邻近矿井开采3层煤均发生冲击地压或矿震等动力灾害。 3下02工作面：分层开采工作面，埋深大、构造复杂，煤层、顶板具有冲击倾向性，留有底煤。 因此，工作面的开采具有较严重的冲击地压危险。,1.1 问题的提出,微地震监测 动态应力监测 电磁辐射监测 位移监测 钻屑法,1.2 研究现状,冲击地压监测预警技术研究现状,分类：区域性防治和局部性防治。 防治原理：改变煤岩层的物理力学性能，以减弱集聚弹性能的能力和释放速度；降低应力集中程度；应力集中带向深部转移，使集聚的弹性能在深部释放。,冲击地压防治技术研究现状,采用合理开拓布置和开采方式 开采解放层 煤层预注水 卸压爆破 钻孔卸压 定向水力裂缝,防治措施：,分层开采技术研究现状,我国的厚煤层开采主要是采用分层开采、放顶煤开采和大采高开采，其中分层开采是一种传统的厚煤层开采方法。 北徐楼煤矿分层开采的主要难度: 煤层具有冲击倾向性、构造复杂、采深大-导致开采具有强冲击危险,1.3 研究内容,一分层工作面开采前危险区的卸压方法与参数 冲击危险区支护技术 一分层工作面回采期间冲击地压监测预警 一分层工作面回采期间冲击地压防治技术,2 3下02工作面冲击危险性评价,3下02工作面是第一个分层开采工作面，最大埋藏深度达到965米，煤层和顶板具有冲击倾向性，大部分地段留有底煤，构造复杂，因此，该工作面的开采具有较严重的冲击地压危险。,诱发3下02工作面冲击地压的机理,(1)高地应力与构造应力共同作用于整个开采范围，容易在开采初期发生工作面内和巷道内的冲击 (2)厚底煤屈曲型破坏诱发的冲击 (3)厚煤层动力扩容诱发的冲击 (4)坚硬顶板运动诱发的冲击 (5)相变带集中应力诱发的冲击 (6)周围（本矿和相邻矿井）采动应力诱发的冲击,2.1 工作面概况,煤层顶底板情况表,地质构造,3下02工作面为单一倾斜工作面，西北部有F1断层，东部有F4断层，东南部有F3断层，该断层的次生断层会对煤层的连续性、稳定性造成破坏，造成局部煤岩体地应力集中，对工作面产生较大影响。,断层产状参数表,3下02工作面地质构造平面图,2.2 冲击地压危险性评价的范围和方法,3下02工作面的平面图,3下02工作面冲击地压危险性评价方法,首先用宏观评价法来评价冲击地压的危险性，常用的方法主要有综合指数法、冲击地压发生可能性指数诊断法等。其次找出产生冲击危险的影响因素，然后根据各个因素的不同情况，采用不同的评价方法，划定危险区域，最后根据多因素耦合法，划定不同危险程度的区域。,3下02工作面冲击危险性评价流程图,冲击地压危险状态的分级及对策,2.3工作面冲击地压危险性的宏观评价,3下02工作面地质条件确定的冲击地压危险状态评定指数,地质因素影响下的冲击地压危险性指数为0.79，具有强冲击危险性。 主要影响因素为开采深度、煤层的冲击倾向性和坚硬顶板岩层等。,3下02工作面开采技术条件确定的冲击地压危险状态评定指数,开采技术因素影响下的冲击地压危险性指数为0.4，具有弱冲击危险性。主要影响因素为断层和工作面开采留设的底煤。,通过综合比较分析，3下02工作面冲击地压危险状态等级评定为强冲击危险性，冲击危险指数0.79，其中，地质因素影响高于开采技术因素影响，坚硬顶板、大采深、底煤及分布的断层起主要影响作用。,冲击地压发生可能性指数诊断法评价,冲击地压发生可能性指数诊断法的基本内容和步骤为： （1）计算采动应力场分布规律； （2）测试和计算煤岩体的冲击倾向性； （3）计算应力和冲击倾向性各自对“发生冲击地压”事件的隶属度； （4）计算冲击地压发生的可能性指数； （5）诊断某一点冲击地压发生的可能性。,2.4 冲击危险性的多因素耦合评价与危险区划分,(1) 冲击应力场机理 (2) 覆岩空间结构运动机理 (3) 冲击性构造活化机理,确定冲击地压 潜在危险区,(1)应力分析 (2)矿山压力与地质评价 (3)工程类比评价,评价潜在危险区的 危险程度,区域构造应力分布示意图,大断层控制的高应力区,大断层叠加应力分布线,F4断层的切割，轨道顺槽右侧形成类似“煤柱”的结构,断层切割下应力分布图,轨道巷,皮带巷,地质构造控制的冲击地压危险区,老顶初次来压的力学分析,3下02工作面老顶结构为双层坚硬岩梁。双层岩梁周期断裂步距的差别，加上实际生产过程中其他因素对断裂步距的影响，将造成工作面老顶出现来压周期杂乱，多次、频繁来压的现象，会极大影响正常生产，有发生顶板冲击的危险。,老顶初次来压危险区,工作面见方危险区,工作面煤层上方覆岩中存在多组坚硬顶板，其断裂过程形成的动压容易诱发冲击地压，老顶周期来压前后，工作面前方2070m左右是动力灾害的主要危险区。,周期来压影响的冲击危险区,底煤与动力灾害的关系评价,3下02工作面开采方式为分层式开采，轨顺和运顺都是沿煤层顶板布置，煤层硬度系数f =2.5，属于脆性硬底板，在回采过程中，底板煤体极易在积蓄大量弹性能后突然冲出，造成动力灾害。,动力扩容型冲击示意图,相变带集中应力与支承压力叠加,在煤体变薄的区域，会产生较大的构造应力集中，当工作面推采到相变带时，工作面的超前支承压力与原煤体中的集中应力相互叠加产生高应力，极易产生冲击。,工作面,3下02工作面多因素评价冲击危险区域叠加效果图,3下02工作面多因素评价冲击危险区域图,2.5 冲击地压危险性评价的主要结论,3下02工作面冲击地压危险区域划分为：中度危险区域3个、高度危险区域2个。 （1）工作面整体具有高度冲击危险性，局部具有中等冲击危险性； （2）冲击类型：以坚硬顶板运动诱发冲击和构造应力（主要是断层影响）诱发冲击为主的冲击地压类型；表现形式为底板（煤）冲击为主，煤体涌出为辅。 （3）不可预见因素：由于本工作面顶板坚硬，且构造复杂，顶板运动和地应力分布规律将发生明显变化，因此，不规律的顶板运动和应力分布将引起冲击地压规律发生变化，因此，需要加强开采过程中应力动态的实时监测监控。,3 3下02工作面冲击地压治理和监测技术研究,根据评价结果，工作面回采前，对3下02工作面危险区域采取“采前遍卸压”的方针；同时，根据危险区域和危险程度的不同设计专门的方案进行卸压。,工作面回采前卸压钻孔平面图,3.1 3下02工作面冲击地压防治措施,根据冲击危险等级，采取具有针对性的防冲措施： (1) 中度危险区域，打卸压孔卸压，施工方案：孔径大于110mm，孔深15m，方向垂直煤壁，孔间距2m。 (2) 高度危险区域，打卸压孔卸压，施工方案：孔径大于110mm，孔深20m，方向垂直煤壁，孔间距1m。 (3) 开采过程中要经常性打直径42mm的孔检验危险区的应力状况，检验卸压孔的卸压效果，从而决定是否需要加密钻孔和断顶。,在轨道顺槽内，断层和切眼之间距离达到90米左右，因此，靠断层附近（下图椭圆形区域内）存在悬顶诱发冲击的可能性，需要进行断顶 。,在距离3下02开切眼45米处的轨道顺槽内，布置7个顶板钻孔，在工作面开采之前进行深孔爆破。,深孔断顶爆破钻孔布置平面图,深孔断顶爆破钻孔布置剖面图,大直径钻孔卸压后的超前支护,由于断层构造的集中应力及巨厚坚硬顶板的运动，3下02工作面顺槽将出现变形，并以冲击性和蠕变两种方式呈现。 根据一般规律，两边实体煤工作面超前影响距离将达到100米，考虑到冲击危险，3下02工作面超前支护距离应达到100米。,强支护方案,超前工作面0-15米，两排单体支柱支护；15-60米，支设3排单体支柱，单体支柱间距小于0.8米/根，并纵横相联，形成稳定结构；距工作面60-100米范围内两排单体支柱支护,巷支柱布置示意图,两帮大直径钻孔卸压防冲机理,底板屈曲破坏计算模型,研究表明巷道水平应力是导致底板冲击地压发生的主要因素，巷道开挖后，在支承压力、两帮垂直应力的作用下，底板水平应力高度集中，当底板承受的水平应力超过其允许限度后，底板岩层将失稳而引起严重底鼓、破裂，甚至冲击。,研究表明，当巷道底板岩层所受轴向力N0.8Nmin时，将发生屈曲现象，即产生明显底鼓、破裂现象。 对巷道两帮进行卸压后，底板长度增加了，在横向力作用下，变形(挠度)增加了，压杆型失稳发生了。即当没有达到屈曲破坏时，已经发生了压杆失稳。由于两帮的限制，压杆是慢慢失稳，因此，通过对巷道两帮预先卸压，可以防止底板冲击的发生。,断底卸压,顺槽底板断底钻孔示意图,断底卸压参数,3.2 建设冲击地压预警监测系统,冲击地压在线监测系统,冲击地压实时监测预警系统监测主界面,冲击地压在线监测系统既可以用来监测工作面前方煤体的应力，也可以通过应力的变化情况进行卸压效果检验。,冲击地压在线监测系统结构示意图,利用冲击地压在线监测系统进行危险区监测及针对性处理,微地震监测系统,微地震监测系统结构及工作原理,微震监测系统三个软件界面,3.3 回采期间的监测预报工作,(1)实行静态与动态相结合的监测预报制度，每周定期对矿压测控工作进行总结和预测预报，形成周报制度。 (2)微震监测系统、实时在线预警系统、综采支架压力在线监测系统，每天形成日报表将分析预测情况向各级领导和相关单位汇报。 (3)钻屑法每次检测完毕后，必须出具书面的检测结果或报表，出现煤粉量超标情况，需报总工程师批复并下发相关单位进行处理。,3.4 冲击地压危险区卸压后检验,(1)钻屑法检测 (2)利用冲击地压在线监测系统进行检验 (3)基于微地震监测的卸压效果评价,3.5 冲击地压危险区解危措施,“应力三向化转移”原理：大直径钻孔引起巷道深部围岩(钻孔远端附近围岩)发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移，从而使巷道周边附近围岩处于低应力区。当发生冲击时，一方面大直径钻孔的空间能够吸收冲出的煤粉，防止煤体冲出，另一方面卸压区内顶底板的闭合产生“楔形”阻力带，也能够防止煤体冲出而发生灾害。,应力三向化转移原理,3.6 冲击地压工作面的技术与安全管理方法,建立专门的矿压监测机构 建立冲击地压岗位责任制及管理制度 制定技术管理规定,基于北徐楼煤矿冲击地压危险性以及防治措施的研究结果，在原有防治冲击地压的基础上丰富和优化其内容，逐渐建立起更加有效的冲击地压防治的管理体系。,矿压管理机构及人员配备,冲 击 地 压 防 治 技 术 体 系,4 动力灾害监测布置方案,3下02工作面微震系统测点布置方案,绿色圆点为检波器位置，检波器从离切眼50m开始布置，一般间距为50m。,两顺槽内初期一次均布置10组应力测站，随着工作面的推采依次倒组，每个测站布置2个测点，埋深分别为8m和14m，测站间距25m，测点间距12m。,3下02工作面冲击地压在线监测系统测点布置方案,5 基于微地震监测的结果分析,应用Dinas软件按时间显示微震事件的平面图，进而可以根据微震事件的分布特征分析工作面顶底板岩层断裂情况，为评价工作面冲击地压危险性提供可靠的科学依据。逐日独立展示微震事件可以清晰的展示每天微震事件的分布情况与工作面的相对距离，得到微震事件的动态变化特征，从而判断这一区域的支承压力分布规律、顶底板运动情况、构造活化规律等，为预测预报冲击危险性提供可靠数据。,从2012年4月16日至2012年6月21日3下02工作面微震事件平面图可以看出，随着工作面的推进，微地震事件的分布呈现如下特点：微震事件集中在工作面超前支承压力及侧向支承压力峰值带附件；断层附近微震事件分布较密集。,微震事件、岩体破裂与应力场的关系,结合微地震监测经过分析确定：3下02工作面超前支承压力峰值位置距离工作面为30m，超前影响距离达80m，工作面后方的影响范围为30m。,微震揭示的3下02工作面超前支承压力分布,运输顺槽外侧的垂直应力峰值位置距离顺槽煤壁约为15m。,微地震揭示的3下02工作面侧向支承压力分布,微地震揭示的3下02工作面动压区域,微地震揭示的3下02工作面断层活化区域,实测断层两侧MS事件分布,MS规律与工作面矿压显现规律的关系,从3月1日开始液压支架压力曲线有一个明显的升高阶段，到3月4日压力曲线到达一个峰值，然后压力开始下降，说明这段时间工作面矿压显现较为明显，3月7日以后压力曲线波动较为平稳，工作面矿压显现较为温和。,每天MS事件总能量,2月29每天事件总能量达到最大，从2月29日到3月4日每天微震事件总能量保持一个较高的水平。,分析工作面支架压力曲线图和MS事件显现趋势曲线图可以得到MS矿压显现和工作面矿压显现的关系 ：MS事件显现具有超前性，在工作面矿压显现之前将会出现一个MS显现的峰值。MS事件显现将一直持续到工作面矿压显现结束为止。,t,MS显现与工作面矿压显现关系,微地震监测技术的监测结果表明，该监测技术完全能够对深井分层开采工作面的围岩运动进行监测，并了解围岩破裂情况，结合矿山压力与岩层控制的理论可以对工作面构造的活化、围岩的运动及应力场进行分析，进而可以研究冲击地压发生的机理。因此，该监测技术较常规的监测手段具有明显的优势。,6 工作面岩层运动规律及冲击地压的关系研究,3下02工作面岩层运动可以分为以下的几个阶段： (1) “O”型覆岩空间结构形成阶段 (2) 老顶初次来压阶段 (3) 老顶周期来压阶段 (4)工作面见方阶段 (5)双工作面见方阶段,“O”型转化为“D”型覆岩空间结构示意图,工作面来压步距,周期来压步距一般为初次来压步距的1/2-1/3之间。对于坚硬顶板，一般在1/3左右，即老顶的来压步距为17-23m左右，平均20m左右。全国类似条件矿区的统计规律同样显示，裂隙比较发育的灰白色中砂岩初次来压步距为45-60m，周期来压步距在20m左右。,工作面“见方”应力分析,矩形采场的力学模型,基于“震动场应力场”监测的工作面初次来压分析,微震监测揭示的工作面初次来压,每天MS事件能量图,在2012年2月29日13:54，微地震监测系统记录了一次巨大能量的微震事件，能量达到4528.6J，震级为1.26级。这次微震事件是典型的顶板来压显现 。,每天MS事件数目图,3下02工作面顶板初次来压显现过程如下： (1)老顶初次来压开始阶段：微震事件和能量都到达一个峰值。 (2)老顶初次来压持续阶段：分析每天的微震事件数目及其能量变化，可以看出从3月1日到3月3日每天的微震事件数目和微震事件的能量都保持在一个较高的水平。 (3)老顶初次来压结束阶段：到3月4日以后没有发生大能量的MS事件，每天的微震事件数目和总能量从整体上下降到平均水平。支架阻力回落，井下煤炮从数量到强度上都大幅减少。,应力监测揭示的工作面初次来压,老顶初次来压期间，老顶岩层会发生初次断裂，将会对工作面产生明显的动压影响，尤其是工作面上、下隅角采面前方受超前支承压力及侧向支承压力双重影响的区域。,轨道顺槽第一组应力变化曲线,轨道顺槽第一组测点距离切眼52m，从工作面开始回采到2月29日，轨道顺槽第一组测站应力表现“温和”，基本没有什么大幅度变化，14m测点应力开始增长，到3月5日首次出现黄色预警。随着工作面的继续推采，超前煤体发生塑性破坏，应力逐渐下降。到3月6日测点应力下降到绿色预警值。,皮带顺槽第一组应力变化曲线，测点距离切眼57m，14m测点应力在2月15日之前基本没什变化，2月15日应力开始增大，到3月1日到达黄色预警，3月2日测点应力下降到绿色预警值。,皮带顺槽第一组应力变化曲线,根据微震监测得到的结果，2月29日开始微震事件能量、数量都达到了峰值，对比应力监测结果，工作面来压最强烈时间为3月2日到3月4日，明显滞后于微震监测的结果。这也验证了MS显现规律和工作面矿压显现规律的关系MS事件显现具有超前性。 综合微震和应力在线监测结果，3下02工作面推进至4252m时，工作面进入老顶初次来压阶段。根据微震监测的结果可以对工作面来压进行预报，同时根据在线监测结果可以有效监测工作面来压期间煤体内的应力状态，及时对危险区域进行卸压处理，保障工作面的安全开采。,基于“震动场应力场”监测揭示的单工作面见方来压,每天MS事件数目图,微地震监测揭示的单工作面见方来压,每天MS事件能量图,从每天的MS事件数目图和能量图可以看出，从基本顶初次来压结束（3月4日）之后微震事件总量处于一个低谷期，直到3月28日微震事件开始“活跃”，当天微震事件数和总能量激增，并且10:54发生了一个能量2792J，震级1.15级的大能量MS事件。随后微震事件一直处于活跃期，直到4月27日双工作面见方。表明工作面见方影响范围到达90m。,应力监测揭示的单工作面见方来压,轨道顺槽第2组应力变化曲线,轨道顺槽第2组测点距切眼80m。2月13号，溜尾累计进尺10.3m，14m测点应力开始开始增加；3月28日，溜尾进尺75.4，溜头进尺100.7m，平均进尺88m，14m测点应力值从3月27日开始急剧上升，到3月28日达到最大值。表明工作面回采超前影响距离约70m；工作面推采至88m时，单工作面见方压力显现。,结论：3月28日，工作面平均回采88m，微震事件数和释放的能量都达到一个峰值，随后煤层中垂直应力也到达一个峰值，表明工作面开始进入单工作见方阶段。单工作面见方影响范围达90m。,基于“震动场应力场”监测的双工作面见方来压,微地震监测揭示的双工作面见方来压,每天MS事件数目图,每天MS事件能量图,4月27日前一周微震事件平面图,4月27日发生微震事件20个，释放能量17283J,并且发生了3个大能量事件，为工作面回采以来最强烈的矿压显现。4月27日，溜头进尺189.1m，溜尾进尺166.3m，工作面平均进尺177.7m，开始进入双工作面见方阶段。工作面超前80m范围内为微震事件活跃区域，特别是靠近皮带顺槽微震事件较多。从见方前一周微震事件的分布可以看出，微震事件集中分布在工作面二次见方的位置。,应力监测揭示的双工作面见方来压,皮顺第7组距离切眼202m，4月27日，溜头进尺189.1m，8m测点应力开始上升，4月28迅速上升，到5月1日，应力达到最大。,皮带顺槽第7组应力变化曲线,轨道顺槽第6组距离切眼176m，4月20日溜尾推进143.3m，8m测点应力开始增长，并且于4月25日到达红色预警值，4月27日，采取了卸压措施之后，测点应力下降到绿色预警值。不过很快应力又迅速升高，到5月1日应力值超过了25Mpa。,轨道顺槽第6组应力变化曲线,从3下02工作面的综采液压支架压力曲线图中可以看出，从4月28日综采液压支架压力开始升高，5月1日工作面来压显现最强烈，综采液压支架压力达到一个峰值。,3下02工作面综采液压支架压力曲线,结论： 微震监测结果表明4月27日顶板岩层发生了大的破裂，释放了巨大能量；受采动应力的影响，工作面前方煤体应力从4月25日开始升高，到5月1日应力达到最大；5月1日综采液压支架压力达到一个峰值表明工作面顶板已经断裂，加载到工作面支架上；结合工作面推采进度，表明工作面进入双工作面见方阶段，见方步距为178m。 上述监测结果揭示了工作面来压显现过程为：顶板破裂顶板断裂（释放大能量）煤体应力升高工作面来压(液压支架压力升高)。,基于震动场和应力场一体化监测系统的建立,震动场应力场一体化监测预警系统图,应用微震事件的分区性原理找到采场围岩应力场的异常区域，据此划分冲击地压危险区、评价采场范围内各地点的冲击危险程度；应用应力在线监测系统监测危险区域内的危险的程度，从而实现冲击危险性的“红、黄、蓝”三色预警。 微地震监测与冲击地压（应力动态）实时在线监测系统配合应用，突破了单物理量仪器监测预警动力灾害中存在的不足，通过多物理量融合和过程监测，可以实现信息的互补，满足了“大范围、连续、实时、全面”的预警需求，能够更科学、准确的对不同类型的煤矿动力灾害进行监测预警。,基于微地震监测和冲击地压在线监测的来压预测预报模式,工作面冲击地压预测与实际震动发生对比表,“煤岩”交界处大能量动力现象分析,煤岩”交界处大能量动力现象描述： 2012年6月24日3:30分，在-920南翼运输巷揭煤巷道段，发生了一次较大能量的动力现象。影响长度为31米。在3下02工作面推采期间为了安全，在此地段进行了支护，支护采取是工字钢联合单体支柱。发生冲击时，工作面已推采至距停采线4米处，冲击时工作面正常割煤。冲击地段有11架支护棚歪倒，此段底板鼓起1.2-1.5米，有19架棚变形严重，此地段底板鼓起1.5米。冲击地段轨道严重变形。巷道里放置的钢管被震乱，距震点50米处的四组合开关、200开关被掀翻到巷道中间。,发生大能量动力现象的原因：,(1)-920南翼运输巷已经进入302工作面超前支承压力峰值区域，应力达到平常的1.5-2倍左右； (2)-920南翼运输巷发生事故地段属于“煤岩”交变阶段，应力集中程度很高； (3)此地段卸压不充分（需要采取“两帮