Microsoft Word - 14成云海.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - 14成云海.doc"

旋屠
7 years ago
Views:

1 第 26 卷第 1 期岩石力学与工程学报 Vol.26 No 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.,2007 微震监测揭示的 C 型采场空间结构及应力场成云海 1, 姜福兴 2, 张兴民 3, 毛仲玉 4, 冀贞文 (1. 华北科技学院资源与环境工程系, 北京 ; 2. 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 ; 3. 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室, 山东青岛 ;4. 新汶矿业集团公司, 山东新泰 ) 4 摘要 : 为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果, 采用微地震定位监测技术, 对三面采空长壁工作面 ( 解放层 ) 的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测根据岩体在三维空间的破裂成像, 揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系, 得出以下结论 :(1) 工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成 C 型空间结构, 微震事件分布在 C 型结构的外侧, 构成岩体破裂区, 在 C 型结构的内侧为高应力区, 并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述 ;(2) C 型结构的最凹部在煤柱上方, 煤柱最小时的支承压力分布为 : 在靠近上顺槽的区域, 老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂, 形成卸压带 ; 靠近下顺槽的区域, 老顶以上的厚硬岩层未断裂, 形成应力集中区因此, 通过监测确定被解放层的解放范围, 对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施, 可实现安全开采关键词 : 采矿工程 ; 微震监测 ; 三面采空孤岛 ;C 型空间结构 ; 采动应力场中图分类号 :TD 35 文献标识码 :A 文章编号 : (2007) C-SHAPED STRATA SPATIAL STRUCTURE AND STRESS FIELD IN LONGWALL FACE MONITORED BY MICROSEISMIC MONITORING CHENG Yunhai 1,JIANG Fuxing 2,ZHANG Xingmin 3,MAO Zhongyu 4,JI Zhenwen 4 (1. Department of Resources and Environmental Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing , China;2. School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing ,China; 3. Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong ,China;4. Xinwen Mining Group Co. Ltd.,Xintai,Shandong ,China) Abstract:In order to study the results of relieving pressure above the seam which leads to rockburst while mining the liberation layer,china-australia co-operation research group used microseismic monitoring techniques in Huafeng Mine of Xinwen Mining Group Co.,Ltd.,Shandong Province. The spatial fracturing rules of surrounding rock in longwall face surrounded by three sides mined areas were observed and researched. On the basis of the achievement of 3D strata fracturing situation and the section plane of microseimic events in different areas,the relationship between the spatial structure of overlying strata and mining pressure field is found,and the conclusions are drawn as follows:(1) the overlying strata forms C-shaped strata spatial structure. Microseimic events distribute in the outside of the C-shaped strata spatial structure and form fracture area of rockmasses. High stress area is in the C-shaped strata spatial structure. The shift of high stress area and the stresses of the different high stress areas are also described. (2) most concave of the C-shaped strata spatial structure lies on the top of the coal pillar when the coal pillar is smallest. The distribution of the supporting stress is that the hard thick rock layers above the main roof fracture near the intake airways,which produces the pressure-relieved area;and the hard thick rock layers above the main roof near the return airways are not fractured,which forms stress 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 重大国际合作基金资助项目 ( ) 作者简介 : 成云海 (1970 ), 男, 博士,1995 年于中国矿业大学采矿工程专业获硕士学位, 主要从事岩层运动与矿山压力控制方面的研究工作 chengyunhai2005@126.com

2 第 26 卷第 1 期成云海, 等. 微震监测揭示的 C 型采场空间结构及应力场 103 concentration area. According to the analysis of the reversal development of pressure,the diversion of high pressure is shown. The differences of pressure in different positions are found;and the areas where the pressure is not relieved are confirmed. So,by monitoring the area of the liberation layer and distinguishing the dangerous areas of rockburst,the measures to control rockburst are taken and succeeded. Key words:mining engineering;microseismic monitoring;longwall face surrounded by three sides mined areas; C-shaped strata spatial structure;mining stress field 1 引言开采解放层能够有效防止冲击倾向煤层发生冲击地压监测和评价开采解放层的卸压效果, 通常的做法是进行相似材料模拟数值模拟矿压观测等, 这些都不能在三维空间上真实地反映岩层运动和应力场演化微震是岩石材料变形裂纹开裂以及扩展过程的伴生现象, 微震监测 (microseismic monitoring,ms) 技术能够对岩体破裂进行四维时空记录根据微震事件波形频度空间位置能量等, 结合现场分析岩层空间运动规律及岩体破裂状况, 可对灾害进行动态预测预报 [1~10] 作者所在课题组经过近 10 a 努力, 研究开发了煤矿井下微地震仪, 已获国家专利同时, 基于 MATLAB 系统, 按照四四组合的原则, 课题组编制了破裂定位软件, 能够用来解决实际采矿难题 [1,2] 华丰煤矿采深超过 m, 深部四层煤有强烈的冲击倾向为了防止 1409 综放工作面 ( 四层煤工作面 ) 发生冲击地压, 设计开采其下部的六层煤作为解放层为及时动态圈定高应力区域, 监测开采解放层的卸压效果, 同步进行了微震监测 2 微震监测系统布置图 1 为微震监测系统布置示意图其中 A,B, C,D 为 4 个顶板钻孔, 每孔等距离放置 3 个检波器 ;E,F,G 为 3 串巷道检波器, 每串等距离放置 3 个检波器微震监测区域包括六层煤对采的 4 个工作面 (1609 东工作面 1609 中工作面 1610 东工作面及 1610 中工作面 ) 以及 1409 工作面, 对采的 4 个六层煤工作面已经三面采空监测目的是观测采动六层 N 图 1 微震监测系统布置示意图 Fig.1 Sketch map of microseismic monitoring system

3 104 岩石力学与工程学报 2007 年煤导致的三维空间岩体破裂状况及应力场变化 3 微震监测揭示的三面采空岩体 C 型空间结构及应力场 3.1 微震监测揭示的三面采空工作面 C 型三维空间破裂结构图 2 为 2004 年 12 月 1~10 日微震事件的平面示意图由于仅在 Y = m 的西侧布置检波器, 因此, 收到的东侧微震事件数量少此时在采的六层工作面三面采空, 形成了三面孤岛,3 个采空区老顶上方的岩层已经连成一片, 形成了一个 C 型空间结构 ( 断裂线 ) 图 2 全部微震事件平面图 Fig.2 Plan of total microseimic events 图 3 为多重 C 型空间结构的触矸线示意图此结果验证了作者以前的分析 [11] 微震事件分布在 C 型结构的外侧, 构成岩体破裂区, 在 C 型结构的内侧为高应力区断裂线 C 型空间结构 ( 断裂线 ) 微震破裂事件六层采空区六层煤多层空间结构触矸线示意图 3 多重 C 型空间结构触矸线示意图 Fig.3 Sketch map of multi-sheet C-shaped strata spatial structure A A B C B C D Y/m 六层工作面D 上中下巷 3.2 微震监测揭示的三面采空的 C 型三维空间岩体破裂结构与应力场的分区剖面为了研究岩体的动态破裂在空间上的展布规律, 在图 2 所示的平面图上, 从 Y = 5 051~5 250 m 的区域内, 沿走向每隔 50 m 截取一个条带, 做出沿倾向的破裂点分布剖面图, 见图 4 这些剖面图展示了随工作面推进顶底板破裂发展的全过程图 4(a) 中所示位置为工作面煤壁后方采空区内 50 m 的范围从图中可明显看出四层煤工作面完全处于破裂区内, 因此, 大部分区域解放了应力, 但岩层的断裂线正位于四层煤工作面下顺槽左上方由此可见, 高应力峰值正位于顺槽的上方, 即四层煤工作面该段下顺槽没有得到应力解除, 解放效果不好, 在条件具备时可能发生冲击地压图 4(b) 是 Y = 5 101~5 150 m 条带内破裂分布的状况图中所示位置在煤壁附近到工作面前方 40 m 左右的范围该范围内岩层破裂的显著特点是 :(1) 由于此阶段处于实体煤中, 因此破裂范围明显缩小, 顶板的主破裂区在四层煤 ~ 六层煤之间, 底板破裂仅在中间巷上侧附近, 最大破裂深度大约为 15~20 m (2) 由实体煤侧的破裂区域可以看出, 应力峰值的位置比图 4(b) 所示位置向上移动了近 50 m 图 4(c) 是 Y = 5 151~5 200 m 条带内破裂分布状况图中所示位置在煤柱的中央, 该范围内岩层破裂的显著特点是 :(1) 破裂范围比图 4(b) 所示的更小更集中, 说明实体煤的支承作用是很明显的, 采场附近顶板的破裂点在中间巷上侧附近, 主要力源来自上方采空区岩层的活化 (2) 应力峰值的位置与图 4(b) 相比又向上移动了近 25 m, 接近 C 型空间破裂结构的最凹部图 4(d) 是 Y = 5 201~5 250 m 条带内破裂分布状况图示位置已经包含了东侧部分煤柱和部分采空区, 因此, 其破裂区域与应力场分布的特征与图 4(c) 相比较十分相似由于岩层破裂发生在应力差大的区域, 岩层破裂区总是与高应力场区域相接近因此, 通过微震事件的分区倾向成像, 根据不同区域岩体破裂的位置不同反演应力场, 可以揭示应力场的连续变化, 掌握不同区域的应力状况, 为控制岩层运动减少矿压灾害提供可靠直观的依据, 能够有效防止防冲扩大化 [12]

4 第 26 卷第 1 期成云海, 等. 微震监测揭示的 C 型采场空间结构及应力场工作面上下巷 -950 六层煤工作面上中下巷岩层断裂倾向成像揭示的三面采空工作面的岩层状态示意图与应力场关系分析图 5(a),(b) 分别为与图 4(a),(b) 相对应的岩层状态示意图未采四层煤工作面上下巷 (a) Y = 5 051~5 100 m 条带内工作面上下巷六层煤工作面上中下巷 (b) Y = 5 101~5 150 m 条带内 3600 已采六层煤工作面上中下巷 31 (a) Y = 5 051~5 100 m 条带内未采四层煤工作面上下巷工作面上下巷六层煤工作面上中下巷已采六层煤工作面上中下巷 31 (c) Y = 5 151~5 200 m 条带内工作面上下巷 -950 六层煤工作面上中下巷 3600 (b) Y = 5 101~5 150 m 条带内未采四层煤工作面上下巷 (d) Y = 5 201~5 250 m 条带内图 4 微震事件的分区域倾向剖面成像 Fig.4 Projection on cross line profile of microseimic events in different areas 未采六层煤工作面上中下巷 31 (c) Y = 5 151~5 200 m 条带内

5 106 岩石力学与工程学报 2007 年未采四层煤工作面上下巷 4 走向成像揭示的煤柱支承压力分布及防冲对策未采六层煤工作面上中下巷 31 根据图 6(a) 所示的靠近下顺槽附近的微震事件走向成像可知, 微震事件集中在六层煤柱顶板上方有限范围内, 老顶以上的岩层形成 C 型空间结构, 六层煤柱上方老顶以上未断裂的厚硬岩层形成应力集中区, 该应力集中区在 C 型空间结构下部图 6(b) 所示的岩层状态示意图是根据图 6(a) 做出的 (d) Y = 5 201~5 250 m 条带内图 5 岩层断裂的分区倾向岩层状态示意图及应力场 Fig.5 Projection on cross line profile of rock fracture and stratum stress in different areas 图 5(a) 剖面区域的开采时间为 2004 年 9 月, 六层煤工作面已采过 2 月有余, 岩层运动还很活跃破裂集中区在倾斜方向上超出了六层煤工作面中间巷, 断裂的高度超过四层煤高度在倾向方向上未深入到 1409 工作面下平巷下方, 使 1409 工作面下平巷未得到解放图 5(b) 是根据图 3 中的 Y = 5 101~5 150 m 条带内的微震事件倾向投影做出的该剖面区域的六层煤工作面开采时间为 2004 年 10,11 月, 已采过 1 月有余破裂点向右移动了 30 m, 应力的峰值位置也相应地发生了转移, 使解放四层煤的区域扩大图 5(c),(d) 的剖面位置处于 4 个对采六层煤工作面前方的实体煤内图 5(c) 是根据图 3 中 Y = 5 151~5 200 m 条带内的微震事件倾向投影做出的图 5(d) 是根据图 3 中 Y = 5 201~5 250 m 条带内的微震事件倾向投影做出的 2 个区域的微震事件反应在岩层运动上具有的共同特点是应力峰值位置相应地向上转移,1409 工作面未解放区域增大, 应力集中区域较其他剖面区域在倾向和高度范围内都增大通过对图 5(a)~(d) 的对比分析可知, 老顶以上岩层运动的断裂位置逐渐向上方移动, 造成应力集中区域向上转移, 距离 1409 工作面下平巷越来越远, 未解放的 1409 工作面的范围也越来越大月 20 日四层煤工作面推进位置 0 1 月 20 日六层煤工作面推进位置 Y/m (a) 靠近下顺槽附近的微震事件走向成像 (b) 靠近下顺槽附近的岩层状态走向剖面 (c) 靠近上顺槽附近的岩层状态走向剖面图 6 开采六层煤工作面岩层状态走向剖面图 Fig.6 Section on subline profile of stopped line of coal faces in different areas

6 第 26 卷第 1 期成云海, 等. 微震监测揭示的 C 型采场空间结构及应力场 107 图 6(c) 所示的空间结构是对采工作面停采时, 靠近上顺槽的微震事件走向成像揭示的岩层状态示意图六层煤柱的老顶以上厚硬岩层发生断裂, 形成卸压带, 结构的两侧触矸线如图 6(c) 所示该空间结构的存在, 避免了煤柱上方形成应力集中, 将该区域对应的 1409 工作面彻底解放, 消除了高应力集中, 由此避免了冲击危险 5 结语本文基于微震监测, 对开采三面采空工作面 ( 冲击地压解放层 ) 的岩层运动进行了岩体三维空间的破裂成像描述, 证实了三面采空孤岛工作面老顶上方形成 C 型的空间结构, 得出如下结论 : (1) 微震事件分布在 C 型结构的外侧, 构成岩体破裂区, 在 C 型结构的内侧为高应力区, 可对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行描述 (2) C 型结构的最凹部在煤柱上方, 煤柱最小时的支承压力分布为 : 在靠近上顺槽的区域, 老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂, 形成卸压带 ; 靠近下顺槽的区域, 老顶以上的厚硬岩层未断裂, 形成应力集中区华丰煤矿在 20 世纪 90 年代中期, 开采 1408 工作面时发生一次冲击地压, 造成多名人员伤亡和重大的经济损失, 导致该采区停采数年通过微震监测, 对冲击地压进行动态预测预报, 辅以采取放顶煤开采措施等在施工时, 对圈定的冲击危险区域提前进行煤层注水卸压爆破措施, 安全回收了大量煤炭, 对安全开采冲击倾向煤层具有重要的指导意义致谢本科研项目得到了澳大利亚联邦科学与工业研究院 (CSIRO) Xun Luo 博士山东科技大学汪华君博士新汶矿业集团公司华丰煤矿徐方军总工程师华丰煤矿防冲队张宗文工程师等的指导和帮助, 在此表示衷心感谢! 参考文献 (References): [1] 姜福兴,XUN Luo, 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,2003,25(1):23 25.(JIANG Fuxing,XUN Luo,YANG Shuhua. Study on microseismic monitoring for spatial structure of overlying strata and mining pressure field in longwall face[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003, 25(1):23 25.(in Chinese)) [2] 姜福兴, 杨淑华,XUN Luo. 微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态 [J]. 煤炭学报,2003,28(4): (JIANG Fuxing,YANG Shuhua,XUN Luo. Spatial fracturing progresses of surrounding rock masses in longwall face monitored by microseimic monitoring techniques[j]. Journal of China Coal Society,2003,28(4): (in Chinese)) [3] CAI M,KAISER P K. Assessment of excavation damaged zone using a micromechanics model[j]. Tunneling and Underground Space Technology,2005,20(4): [4] OYE V,ROTH M. Automated seismic event location for hydrocarbon reservoirs[j]. Computers and Geosciences,2003,29(7): [5] Ge M. Efficient mine microseismic monitoring[j]. International Journal of Coal Geology,2005,64(1/2): [6] YOUNG P R. Rockbursts and seismicity in mines[m]. Rotterdam:A.A. Balkema,1993: [7] MENDECKI A J. Seismic monitoring in mines[m]. London:Chapman and Hall,1997: [8] XUN L,HATHERLY P. Application of microseismic monitoring to characterise geomechanical conditions in longwall mining[j]. Exploration Geophysics,1998,29: [9] XUN L,HATHERLY P,GLADWIN M. Application of microseismic monitoring to longwall geomechanics and safety[c]// PENG S S ed. Proc. the 17th Conf. Ground Control in Mining. Morgantown,USA: [s. n.],1998: [10] XUN L,HATHERLY P. Understanding of high gas emissions at Appin Colliery through microseismic monitoring[c]// ZHU D,JIANG S, WANG R ed. Proc. Int. Mining Tech. 98 Symp.. Chongqing:[s. n.], 1998: [11] 姜福兴, 张兴民, 杨淑华. 长壁采场覆岩空间结构探讨 [J]. 岩石力学与工程学报,2006,25(5): (JIANG Fuxing,ZHANG Xingmin,YANG Shuhua. Discussion on overlying strata spatial structures of longwall in coal mine[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(5): (in Chinese)) [12] 姜福兴. 矿山压力与岩层控制 [M]. 北京 : 煤炭工业出版社,2004: (JIANG Fuxing. Ground pressure and strata control[m]. Beijing:China Coal Industry Publishing House,2004: (in Chinese))

Microsoft Word - 11--方刚_new_.doc

Microsoft Word - 11--方刚_new_.doc 第 44 卷第 3 期煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY & EXPLORATION Jun. 2016 文章编号 : 1001-1986(2016)03-0057-08 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治方刚 1,2,3, 靳德武 (1. 中煤科工集团西安研究