CN110159347A - 一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法 - Google Patents

一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，属于矿山动力灾害防治技术领域。该方法首先调研获取地质资料，初步确定动力灾害影响因素；然后制定地应力现场测试方案，在采场附近进行地应力现场试验，在实验室对地应力测点的岩芯进行围压滤定试验，总结地应力分布规律；同时，采用SURPAC地质建模软件，建立煤层、地表的三维立体模型，得到采场静态地应力场分布特征，研究致灾机理，开展蓄能岩层结构特征研究；最后确定监测方案及设备，现场安装监测设备，现场监测预警。该方法采用追踪岩体破裂轨迹和应力场迁移特征的监测方案，应用分级预警指标体系。可以准确预测工作面动力灾变的能级、时间和位置，保障工作面的安全生产。

Description

一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法
技术领域
本发明涉及矿山动力灾害防治技术领域，特别是指一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法。
背景技术
目前，国内外用于煤矿动力灾害监测预警的主要仪器和装备有以下几类：震动监测类、电磁监测类、应力监测类、位移监测类、电荷监测类、红外监测类和钻屑监测类，这些仪器和装备都基于相应的物理原理和监测方法，对煤矿动力灾害监测预警起到了积极的作用。但是，煤矿动力灾害机理复杂，同一煤矿、同一煤层、同一工作面、不同的推进阶段，其动力灾害的机理、前兆信息、震动参数都不一样，还不能实现可靠的监测预警。现在的发展趋势是首先分析不同的环境条件下动力灾害致灾机理，再根据其机理制定有针对性的监测防治措施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，该方法针对高位不等厚坚硬砂岩组在山地应力及采动应力影响条件下的采场致灾机理进行深入分析，并针对其动力灾害致灾机理制定了对应监测预警及防治措施。
该方法包括步骤如下：
(1)现场调研获取项目基本地质资料，初步确定动力灾害影响因素；
(2)制定地应力现场测试方案，准备地应力测试所需的仪器和装备；
(3)进行采场地应力现场试验，采用应力解除法获取地应力数据，同时取得采场试验地点的岩芯；
(4)对步骤(3)取得的岩芯进行实验室围压滤定试验，并总结地应力分布规律；
(5)采用SURPAC地质建模软件，建立煤层、地表的三维立体模型，研究得到采场静态地应力场分布特征；
(6)研究蓄能岩层结构特征及诱发动力灾害机理；初步确定不同采区诱发动力灾害的蓄能岩层厚度及高度，为进一步研究其断裂特征及诱发动力灾害的规律提供基础；
(7)建立山地应力条件下蓄能岩层组断裂的力学模型，研究确定深部高应力坚硬顶板采场致灾机理；指出不等厚坚硬砂岩组受地表山体形成的“山地应力”剪切作用而产生非周期性断裂，是矿井东翼采区频发动力现象的根本原因，发生动力现象的机理是低位砂岩组周期性断裂与高位不等厚坚硬砂岩组受山地应力影响下的非周期性断裂耦合作用。
(8)研究确定监测方案及设备，完成监测设备购买工作；
(9)现场安装监测设备，完成调试运行，实现监测系统的正常运行和数据传输，并根据监测数据编制每日的微震报表，探索采场动力现象应力、能量变化规律；具体为：通过分析前一个月的监测数据，初步探索出采场动力现象应力、能量变化规律，通过更多的监测数据支撑进一步研究关于监测数据变化规律与岩层破裂的时空动态过程之间的关系。
(10)在现场进行监测预警的研究；
(11)完成阶段性总结，对前期工作进行验收和经验总结，根据工作面生产的动力现象显现情况记录，验证采场动力现象机理分析正确性与预警准确性，作为制定后期工作内容延续和纠偏的参考。
其中，步骤(1)中动力灾害影响因素包括山地应力、高位厚硬关键层、采动应力、高地应力、底煤、煤与瓦斯突出、断层、褶曲、陷落柱。
步骤(6)中蓄能岩层结构特征包括蓄能岩层厚度和高度。
步骤(10)中现场进行监测预警研究包括监测系统培训、现场设备维护、监测预警指标分析和确定，建立采场动力现象分级预警指标体系，并通过追踪岩体破裂轨迹和应力场迁移特征，对动力现象进行预警。
采场动力现象分级预警指标体系具体为：
选取采场工作面单日微震总能量、单日微震总数量和单个微震能量的预警指标分别为3.5×106J、22个和5×105J。当工作面1个微震监测预警指标超标时，加强监测预警；当工作面2个微震监测预警指标同时超标或1个微震监测预警指标连续2天超标时，采取限产措施并加强监测预警；当工作面3个微震监测预警指标同时超标或1个或2个微震监测预警指标出现连续3天超标时，采取停产措施并加强监测预警，直至动力现象稳定后恢复生产。
步骤(3)中采场试验地点不少于3个。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，可以准确预测工作面动力灾变的能级、时间和位置，保障工作面的安全生产。为类似条件下的煤矿安全生产提供一种可靠的冲击地压监测预警及防治技术。
附图说明
图1为本发明的深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法工艺流程图；
图2为本发明实施例中平坦地表下蓄能岩层组初次断裂的力学模型；
图3为本发明实施例中丘陵地表下蓄能岩层组初次断裂的力学模型；
图4为本发明实施例中丘陵地表下蓄能岩层组周期断裂的力学模型；
图5为本发明实施例中平坦地表下蓄能岩层组周期断裂的力学模型。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法。
如图1所示，该方法包括步骤如下：
(1)现场调研获取项目基本地质资料，初步确定动力灾害影响因素；
(2)制定地应力现场测试方案，准备地应力测试所需的仪器和装备；
(3)进行采场地应力现场试验，采用应力解除法获取地应力数据，同时取得采场试验地点的岩芯；
(4)对步骤(3)取得的岩芯进行实验室围压滤定试验，并总结地应力分布规律；
(5)采用SURPAC地质建模软件，建立煤层、地表的三维立体模型，研究得到采场静态地应力场分布特征；
(6)研究蓄能岩层结构特征及诱发动力灾害机理；
(7)建立山地应力条件下蓄能岩层组断裂的力学模型，研究确定深部高应力坚硬顶板采场致灾机理；指出不等厚坚硬砂岩组受地表山体形成的“山地应力”剪切作用而产生非周期性断裂，是矿井东翼采区频发动力现象的根本原因，发生动力现象的机理是低位砂岩组周期性断裂与高位不等厚坚硬砂岩组受山地应力影响下的非周期性断裂耦合作用。
(8)研究确定监测方案及设备，完成监测设备购买工作；
(9)现场安装监测设备，完成调试运行，实现监测系统的正常运行和数据传输，并根据监测数据编制每日的微震报表，探索采场动力现象应力、能量变化规律；
(10)在现场进行监测预警的研究；
(11)完成阶段性总结，对前期工作进行验收和经验总结，根据工作面生产的动力现象显现情况记录，验证采场动力现象机理分析正确性与预警准确性，作为制定后期工作内容延续和纠偏的参考。
下面结合具体实施例予以说明。
以某矿的实际应用为例：
(1)现场调研获取项目基本地质资料，初步确定动力灾害影响因素为：山地应力、高位厚硬关键层、采动应力、高地应力、底煤、煤与瓦斯突出、断层、褶曲、陷落柱等。
(2)制定地应力现场测试方案，采用包体式应力计、数字式动态信号测试系统、ZL150钻机等地应力测试仪器和装备进行地应力测量。
(3)在某矿12081机抽巷、12090外联巷、11061采面上车场附近3处地点进行了地应力现场试验，采用应力解除法获取地应力数据，并取了相应地点的岩芯若干，对每一孔的岩芯进行了编录：
1#测点：钻孔走向319°，倾角0°，A片角度为0°，测试点埋深822m，孔深7.08m。
2#测点：钻孔走向135°，倾角0°，A片角度为0°，测试点埋深867m。孔深8.9m。
3#测点：钻孔走向110°，倾角0°，A片角度为0°，测试点埋深805m。孔深9.2m。
(4)在实验室对三个地应力测点的岩芯进行了围压滤定试验，得到地应力分布规律，并编制完成了《某矿地应力测试报告》。每个测点均有二个主应力接近水平方向，另一个主应力接近垂直方向。三个主应力均随深度的增加而呈线性增长趋势，且最大水平主应力随深度增加较快。最大水平主应力方向在-140.13°～-138.79°范围内变化；最大水平主应力数值大小在19.91MPa～20.39MPa范围内变化。
(5)采用SURPAC地质建模软件，建立了某矿煤层、地表的三维立体模型，研究得到了某矿静态地应力场分布特征。
(6)开展某矿蓄能岩层结构特征及诱发动力灾害机理的研究，初步确定了不同采区诱发动力灾害的蓄能岩层厚度及高度，为进一步研究其断裂特征及诱发动力灾害的规律提供了基础。
蓄能岩层(组)的初次断裂过程可简化为简支梁的力学模型进行研究，如图2和图3所示。平坦地表条件下，蓄能岩层受力可简化为均布载荷，在中部断裂；丘陵地表条件下，蓄能岩层受力在均布载荷的基础上增加了一个三角载荷，使岩梁断裂线前移，有L1’/2<L1/2，其中，L1为平坦地表条件下的岩层初次断裂步距，L1’为丘陵地表条件下的岩层初次断裂步距。
蓄能岩层(组)的周期性断裂可简化为悬臂梁力学模型，如图3和图4所示。平坦地表条件下，蓄能岩层(组)受力可简化为均布载荷；丘陵地表条件下，蓄能岩层(组)受力在均布载荷的基础上增加了一个三角载荷；
由理论力学可知，在均布载荷条件下，悬臂梁嵌固端产生弯矩最大，为
式中：M为均布载荷条件下弯矩，q为平坦地表条件下的均布载荷，L2为平坦地表条件下的岩层周期断裂步距。
在三角载荷作用下，悬臂梁嵌固端产生弯矩为：
式中，M′为非均布载荷条件下弯矩，q′为丘陵地表条件下的非均布载荷，L2′为丘陵地表条件下的岩层周期断裂步距。
令M＝M′，带入上式简化得：
由于q′＞q，则L2＞L2′，因此，在丘陵地表条件下，蓄能岩层的周期断裂步距减小了。
矿震诱发的必要条件有两个，其一为煤层上方一定范围内存在蓄能岩层(组)，其二是蓄能岩层组的断裂，蓄能岩层的周期断裂步距减小导致了矿震更频繁的发生。
(7)对某矿已发生的26次动力现象分别进行了研究，统计12050工作面动力现象沿山脊分布规律，建立了山地应力条件下蓄能岩层组断裂的力学模型，提出了某矿区域性动力现象的内在机理，指出不等厚坚硬砂岩组受地表山体形成的“山地应力”剪切作用而产生非周期性断裂，是矿井东翼采区频发动力现象的根本原因，发生动力现象的机理是低位砂岩组周期性断裂与高位不等厚坚硬砂岩组受山地应力影响下的非周期性断裂耦合作用。
(8)选取监测设备：KJ551微震监测系统、KJ550应力实时监测预警系统。
(9)研究并制定微地震监测系统和应力在线监测系统的现场测试方案，并协调具体的施工时间和施工方案。
(10)现场安装微地震监测系统，通过调试运行后，对某矿负责人员进行了数据分析培训；同时在原有研究基础上，进一步分析研究某矿动力灾害的发生机理。
(11)现场安装应力在线监测系统，实现12070工作面前方的应力在线监测，同时进行微地震监测系统的井下移点工作；在12070采面动力灾害危险性评价的基础上，有针对性的研究并提出12070工作面动力灾害防治方案。
(12)实现微震和应力两套系统的正常运行和数据传输，并根据监测数据编制每日的微震报表。安排两人专门负责两套系统日常的移组和注油等工作。通过分析前一个月的微震数据，初步探索出一条微震事件能量变化规律，通过更多的监测数据支撑进一步研究关于微震事件发生的数量和能量与岩层破裂的时空动态过程之间的关系。
(13)安排专人在现场进行监测预警的研究，包括微震监测系统培训、现场设备维护、监测预警指标分析和确定，提出了某矿动力现象分级预警指标体系，通过追踪岩体破裂轨迹和应力场迁移特征，对动力现象进行预警。
(14)选取工作面单日微震总能量、单日微震总数量和单个微震能量的预警指标分别为3.5×106J、22个和5×105J。当12070工作面1个监测预警指标超标时，只需加强监测预警即可；当12070工作面2个微震监测指标同时超标或1个微震监测指标连续2天超标时，应采取限产措施并加强监测预警；当12070工作面3个微震监测指标同时超标或1～2个微震监测预警指标出现连续3天超标时，应采取停产措施并加强监测预警，等动力现象稳定后再恢复生产。
(15)完成阶段总结，对前期工作进行了验收和经验总结，作为制定后期工作内容延续和纠偏的参考。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)现场调研获取项目基本地质资料，初步确定动力灾害影响因素；
(2)制定地应力现场测试方案，准备地应力测试所需的仪器和装备；
(3)进行采场地应力现场试验，采用应力解除法获取地应力数据，同时取得采场试验地点的岩芯；
(4)对步骤(3)取得的岩芯进行实验室围压滤定试验，并总结地应力分布规律；
(5)采用SURPAC地质建模软件，建立煤层、地表的三维立体模型，研究得到采场静态地应力场分布特征；
(6)研究蓄能岩层结构特征及诱发动力灾害机理；
(7)建立山地应力条件下蓄能岩层组断裂的力学模型，研究不等厚坚硬砂岩组受地表山体形成的山地应力剪切作用而产生非周期性断裂规律及其与在山地应力影响下低位砂岩组周期性断裂的耦合作用，确定深部高应力坚硬顶板采场致灾机理；
(8)研究确定监测方案及设备，完成监测设备购买工作；
(9)现场安装监测设备，完成调试运行，实现监测系统的正常运行和数据传输，并根据监测数据编制每日的微震报表，探索采场动力现象应力、能量变化规律；
(10)在现场进行监测预警的研究；
(11)完成阶段性总结，对前期工作进行验收和经验总结，根据工作面生产的动力现象显现情况记录，验证采场动力现象机理分析正确性与预警准确性，作为制定后期工作内容延续和纠偏的参考。
2.根据权利要求1所述的深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，其特征在于：所述步骤(1)中动力灾害影响因素包括山地应力、高位厚硬关键层、采动应力、高地应力、底煤、煤与瓦斯突出、断层、褶曲、陷落柱。
3.根据权利要求1所述的深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，其特征在于：所述步骤(6)中蓄能岩层结构特征包括蓄能岩层厚度和高度。
4.根据权利要求1所述的深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，其特征在于：所述步骤(10)中现场进行监测预警研究包括监测系统培训、现场设备维护、监测预警指标分析和确定，建立采场动力现象分级预警指标体系，并通过追踪岩体破裂轨迹和应力场迁移特征，对动力现象进行预警。
5.根据权利要求1所述的深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，其特征在于：所述步骤(3)中采场试验地点不少于3个。
6.根据权利要求4所述的深部高应力坚硬顶板采场动力灾害监测预警方法，其特征在于：所述采场动力现象分级预警指标体系具体为：
选取采场工作面单日微震总能量、单日微震总数量和单个微震能量的预警指标分别为3.5×106J、22个和5×105J。当工作面1个微震监测预警指标超标时，加强监测预警；当工作面2个微震监测预警指标同时超标或1个微震监测预警指标连续2天超标时，采取限产措施并加强监测预警；当工作面3个微震监测预警指标同时超标或1个或2个微震监测预警指标出现连续3天超标时，采取停产措施并加强监测预警，直至动力现象稳定后恢复生产。
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