【《煤岩层冲击倾向性测试分析案例》5200字】

煤岩层冲击倾向性测试分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19800煤岩层冲击倾向性测试分析案例 1251331.1参数选择 176341.2基于微震监测法冲击地压区域监测 258641.2.1系统布置 262141.2.2系统校核 3154121.2.3危险判别 3200991.3结果分析 4314221.4煤岩层冲击倾向性动力显现 6297701.5王楼煤矿冲击地压类型 7219811.5.1重力型冲击地压 7111821.5.2矿震诱发型冲击地压 8192161.5.3断层活化型冲击地压 864281.5.4复合型冲击地压 9159471.6冲击倾向性测试与分析 91.1参数选择本文选取具有冲击倾向的煤层且存在一个发生冲击地压的临界深度。冲击地压临界深度是煤层性质、采煤方法、工作面类型（回采或掘进）、采深、覆岩容重等因素的综合反映，但其不应与其它采矿条件、地质因素关联，否则就失去了“临界深度”自身的含义。由于部分矿井的冲击地压始发深度小于500m。由于没有统计冲击地压发生区域的地质因素及相关采矿条件，因此所列深度并不能反映矿井发生冲击地压的临界深度。根据对我国冲击地压资料的调研分析，发生冲击地压的煤层单轴抗压强度一般为15～25MPa，回采工作面的应力集中系数取2，掘进工作面应力集中系数取1.5，煤层上方岩层的容重取25kN/m3，冲击地压发生的临界应力为煤层单轴抗压强度的1.5倍，则可反推回采工作面发生冲击地压的临界深度为450～750m，掘进工作面发生冲击地压的临界深度为600～1000m。若考虑地质因素及采矿条件对冲击地压的影响，回采或掘进工作面发生冲击地压的临界深度会降低，此时的深度为当量临界深度。若考虑地质因素或采矿条件导致的应力集中系数为1.5，则回采工作面发生冲击地压的当量临界深度为300～500m，掘进工作面发生冲击地压的当量临界深度为400～667m。可见，采掘空间发生冲击地压的当量临界深度小于临界深度。由于煤层沉积条件的差异性、采矿条件的多变性及地质构造分布的不均衡性，采用当量临界深度描述冲击地压与采掘深度之间的关系更有意义。1.2基于微震监测法冲击地压区域监测王楼煤矿采用微震监测法进行区域监测预警。微震是指井巷或工作面周围震动能量大于100J、频率0.1Hz~150Hz的煤（岩）体破裂现象。微震传感器能监测到微震信号，并将微震信号转换为电信号，且传感器的频率响应范围覆盖0.1Hz~600Hz。传感器采集微震信息再传输给微震系统进行数据分析，计算微震事件发生的时间、能量和震源的三维空间坐标保存到数据库中，通过数据库进行查询、分析，并可在矿井采掘工程平面图上显示微震事件。通过微地震监测系统，可以监测微震事件发生的位置和强度；监测采场周围岩层的三维破裂规律，为预警冲击地压提供依据。1.2.1系统布置一般监测范围要覆盖矿井采掘区域，重点监测范围要覆盖评价具有冲击危险性的区域。传感器位置应考虑垂直方向的立体布置，应能满足立体空间的和定位误差的要求，避开围岩破碎、构造发育、渗水、较强震动干扰、较强电磁干扰等区域，安装基础稳定可靠。图1.1微震探头布置示意图1.2.2系统校核系统校核一般情况下两年进行一次，对微震传感器及围观结构和安装基础进行校验，采掘条件发生较大变化时，要考虑微震信号衰减且满足定位误差要求，对微震传感器布置进行优化，优化后的传感器间距为200m~1000m，校核优化后要采用放炮震源对系统定位误差进行校验。1.2.3危险判别在对微震结果进行分析后，判别是否有发生冲击地压危险和可能性时，微震频度和微震总能量为主要判别指标，微震能量最大值等为辅助判别指标。微震频度是指单位时间内发生的微震事件次数，微震能量是指微震震源辐射的弹性波能量，微震总能量是指单位时间内微震事件能量总和。在评价的基础上，参考临近相似条件的矿井和工作面确定判别指标初值，在初值基础上，结合钻屑法、采动应力法和矿压法等局部监测结果，统计分析无冲击地压危险发生条件下微震监测指标最大值，以该最大值最为判别指标临界值。当微震频度、微震总能量或微震能量最大值达到或超过临界指标时说明冲击地压危险增大。当出现微震频度和微震总能量连续增大或发生异常变化，微震事件向局部区域积聚时说明冲击地压危险增大。微震监测方法为区域性监测手段，主要起到趋势性判别的作用，对局部区域冲击地压的危险判别需要结合局部监测结果进行综合判别。1.3结果分析矿井内主要含煤地层为二叠纪下统山西组和二叠纪至石炭纪上统太原组，平均总厚度为269.33m，其中山西组地层平均厚度100.28m，太原组地层平均厚度169.05m。整个煤系地层中含煤18层，自上而下编号分别是：2、3上、3下、6、8、9、10上、10下、11、12上、12下、14、15上、15下、16上、16下、17、18，本报告针对3上煤层工作面进行冲击危险性评估及防冲设计研究。3上煤层平均厚度2.28m，占可采煤层总厚的31.5%。3上煤层为气煤，黑色，以亮煤为主，条带状结构，块状构造，参差状断口，玻璃状光泽，内生裂隙发育，属半亮型煤，原始沉积，较稳定，受后期构造影响存在局部产状变化、煤厚变薄等现象。煤层具有自燃倾向性，属于自燃煤层；本矿为瓦斯矿井。按中华人民共和国国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法第一部分：采样一般规定》（GB/T23561.1-2009），2020年7月4日，山东科技大学在王楼煤矿现场指导采样。取样地点分为两处：（1）13307工作面及上下顺槽：在13307工作面选取20块无裂隙煤块为煤样；在13307上顺槽S5导线点后18m位置使用地质钻机取31m长的岩芯（108mm）为顶板岩样；在13307下顺槽X6导线点与X7导线点之间选取3块底板岩块为底板岩样。（2）27309工作面及上顺槽：在27309工作面选取20块无裂隙煤块为煤样；在27309上顺槽S15导线点后31m位置使用地质钻机取31m长的岩芯（108mm）为顶板岩样；在27309上顺槽S15至S14之间选取3块底板岩块为底板岩样，如图所示。（a）13307工作面煤岩样取样地点示意图（b）27309工作面煤岩样取样地点示意图图1.1王楼煤矿3上煤层煤样及顶底板岩样取样点平面示意图主要测定煤岩样的冲击倾向性，包括：测定煤样和组合煤岩样的单轴抗压强度、冲击能指数、弹性能指数、动态破坏时间等指标，并确定该煤层的冲击倾向性，以及基本顶岩样的单轴抗压强度、弯曲能量指数和直接底岩样的抗剪强度、抗拉强度，并确定基本顶岩样的冲击倾向性。试验测试结果汇总，见表1.2～1.4。表1.23上煤层冲击倾向性冲击倾向性指标测试结果单项指数判别综合评判结果动态破坏时间3018无弱弹性能量指数4.86弱冲击能量指数2.01弱单轴抗压强度12.32弱表1.33上煤层顶板岩层弯曲能量指数岩层上覆岩层载荷/MPa弹性模量/GPa单一顶板厚度/m单轴抗拉强度/MPa弯曲能量指数/kJ泥岩0.1016.504.05.8264.94细砂岩6.64511.8126.07.79385.87复合顶板弯曲能量指数450.81表1.43上煤层底板岩层弯曲能量指数岩层底板岩层载荷/MPa弹性模量/GPa单一底板厚度/m单轴抗拉强度/MPa弯曲能量指数/kJ泥岩0.0614.772.44.6721.64通过井下采取王楼煤矿3采区和7采区3上煤层及其顶底板的煤岩试样，在实验室测定了3上煤层及其顶底板岩层冲击倾向性判定所需的各项指标，在此基础上判定了3上煤层及其顶底板岩层的冲击倾向性。测定结果能够为王楼煤矿3上煤层开采提供基础数据。具体结论如下：（1）3上煤层煤样的平均动态破坏时间为3018ms、平均弹性能量指数为4.86、平均冲击能量指数为2.01、单轴抗压强度平均值为12.32MPa。综合四个指数判定：3上煤层具有弱冲击倾向性；（2）3上煤层顶板弯曲能量指数为450.81kJ，判定其顶板具有强冲击倾向性；（3）3上煤层底板弯曲能量指数为21.64kJ，判定其底板具有弱冲击倾向性。1.4煤岩层冲击倾向性动力显现王楼煤矿采掘过程中已出现动力显现现象，表现形式主要为：大能量煤炮、严重底鼓、帮鼓、顶板下沉、锚杆拉断、托盘崩断等，图1.1是王楼煤矿巷道矿压显现现场照片。（a）巷帮鼓出（b）顶板下沉（c）底鼓（d）锚杆拉断（e）托盘崩断图1.2王楼煤矿巷道动力显现现场照片综合分析王楼煤矿现场矿压显现特征并结合该矿地质条件，分析王楼煤矿冲击地压发生机理为：（1）大采深、开采、构造产生的高应力引发冲击地压王楼煤矿采深大，6、7采区已经达到千米水平，上覆岩层的自重应力基本超过了煤体单轴抗压强度（12.32MPa）的1.5倍，在构造应力和采掘应力等因素的影响下，应力集中程度会进一步增大，具有较高的冲击危险性。（2）高位巨厚坚硬岩层运动引起矿震而诱发的冲击地压王楼煤矿3上煤层上方200~300m位置处存在厚度约104m的岩浆岩，岩层厚度大，强度高，煤层开采过程中，该巨厚坚硬岩层是控制岩层运动的关键层，其失稳可能会形成矿震从而诱发冲击地压。1.5王楼煤矿冲击地压类型根据王楼煤矿冲击地压发生机理，综合分析开采及地质影响因素，矿井冲击地压的类型主要包括：1.5.1重力型冲击地压当煤体应力超过1.5倍的单轴抗压强度时，就具有冲击危险，如下式所示，式中：为煤体应力，为煤岩的单轴抗压强度，K为煤体应力集中系数。3上煤层单轴抗压强度约12.32MPa，上覆岩层容重取25kN/m3，考虑到上覆岩层运动、高位坚硬岩层悬顶、采空区应力转移，构造应力等因素，应力集中系数取2，则该煤层发生冲击地压的临界深度为:H=1.5×12.32/2×0.025=370m王楼煤矿属于深部甚至超深部开采，已超过冲击地压发生的临界深度，冲击危险性较大。图1.2可能发生重力型冲击现场应力监测曲线1.5.2矿震诱发型冲击地压3上煤层上方200~300m左右存在厚度约104m的特厚坚硬岩浆岩，随着3上煤层开采面积的增大，采空区面积也逐渐增大，上覆岩层由于失去支撑，不断逐层向上垮落或离层下沉，岩浆岩下方岩层与之离层后，其悬露面积逐渐增大，当其自身强度不足以支撑本身自重和上覆岩层压力时，首先在两个支撑点上表面拉坏，然后在岩梁中部下表面拉坏后断裂，由于岩浆岩梁厚度大，强度高，发生断裂时极易诱发矿震型冲击地压。1.5.3断层活化型冲击地压构造应力是诱发冲击地压的重要因素，煤矿的冲击地压灾害与褶曲和断层等地质构造关系密切。在采掘作业过程中，当工作面接近这些构造时，应注意这些构造，必须提前做好卸压和防范工作。王楼煤矿各采区断层构造较发育，在工作面回采过程中构造应力与工作面超前支承压力叠加，应力集中程度进一步增大，易导致冲击地压发生。断层活化是岩层运动的一种特殊形式，断层处岩层的不连续性导致断层本身的不稳定性，在高应力作用下，断层比完整岩层先行运动。随着工作面或掘进头的推进，其超前支承压力的影响范围不断向前发展，当到达断层影响区域后，断层本身构造应力与工作面超前支承压力叠加，使断层附近的支承压力增高，重新分布。断层与工作面中间位置为应力叠加高峰区，如果断层本身能够积聚能量，则叠加后的应力高峰区位置同样容易积聚较大能量。当满足冲击条件时，可以诱发冲击地压，如图1.3所示。（a）逆断层诱发冲击地压（b）正断层诱发冲击地压图1.3断层诱发冲击地压的机理的示意图1.5.4复合型冲击地压复合型冲击地压是指两种或两种以上的冲击地压诱发因素组合诱发的冲击现象。王楼煤矿地质条件复杂，自重应力大，高位有巨厚坚硬岩层，构造发育以及采动影响等多项因素在某些区域组合作用，具有更高的冲击危险性。王楼煤矿采深大，自重应力高，在煤层较软或支护强度相对较弱的地区可能发生冲击地压与巷道大变形并存的问题。1.6冲击倾向性测试与分析当量采深是指根据采场围岩垂直应力与覆岩容重计算出的煤层开采深度，该深度通常大于煤层的实际开采深度。工作面受构造、侧向支承压力等影响，采场围岩中的垂直应力比自重应力大，相当于工作面的采深增大。如山东某矿1采区首采面（1301）及沿空面（1302）回采深度都约为800m，首采面回采过程中没有发生冲击地压，而沿空面回采过程中却发生了一次冲击地压（位置见图1.1），说明沿空面煤体中的垂直应力大于首采面煤体中的垂直应力。从图中可以看出，沿空面受到采空区侧向支承压力影响，煤体中的垂直应力大于自重应力。设受采空区侧向支承压力影响，沿空面煤体的应力集中系数为1.5，则沿空面的当量采深为1200m。1302工作面1302工作面1301采空区1302采空区冲击地压位置图1.4山东某矿“1.7”冲击地压事故位置山东某煤矿在回采3采区第一、二个条带工作面（3309、3305，见图1.2）时没有发生冲击地压，而在回采第三个条带工作面（3301）时发生1次严重的冲击地压事故，这三个条带工作面的回采深度都在950m左右。从图中可以看出，3301工作面受3309采空区、3305采空区及工作面前方断层、硐室群影响，工作面煤体中的垂直应力远远大于自重。设受上述因素影响工作面煤体的应力集中系数为1.6，则