微地震定位监测在采场冲击地压防治中的应用.pdf

分类号分类号 TD31TD31密密级级 公公 开开 U U D D C C单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 微地震定位监测在采场冲击地压微地震定位监测在采场冲击地压 防治中的应用防治中的应用 申请学位级别申请学位级别博士学位博士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名姜姜 福福 兴兴职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年五月二零零六年五月 论文题目论文题目 微地震定位监测在采场冲击地压微地震定位监测在采场冲击地压 防治中的应用防治中的应用 作者姓名作者姓名成云海成云海入学时间入学时间2003 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿山压力及其控制矿山压力及其控制 指导教师指导教师姜福兴姜福兴职职称称教教授授 论文提交日期论文提交日期2006 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2006 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 PREVENTING COAL BUMP BYAPPLING MICROSEISMIC LOCATING MONITORING TECHNOLOGY IN LONGWALL FACE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of DOCTOR OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Cheng Yunhai Supervisor Professor Jang Fuxing College of Natural Resources and Environmental Engineering April 2006 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所公公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。其它任何学术机关作鉴定。 博士生签名博士生签名 日日期期2006 年年 4 月月 30 日日 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature DateApril 30,2006 山东科技大学博士学位论文摘要 摘摘要要 本论文依托国家自然科学基金重大国际合作项目“煤矿覆岩破裂灾变的机理、监测 与控制研究50320120001，应用小尺度条件下高精度微地震定位技术，进行了动态监测 和预测预报冲击地压研究。 （1）由“工程地质”结合“工程力学”进行分析，提供了适于具体矿井的动静态兼 具的划定冲击地压可能性等级的综合判据，并在以后实践中进行验证； （2）基于岩层破裂场与采动高应力场关系，研究了微地震定位监测预测预报冲击 地压的原理。利用微地震定位技术探测岩体破裂，尝试描述岩层空间运动，反演了应力 场（时空）转移规律 ① 提出微地震事件和干扰事件机电设备干扰、人员活动等的识别方法； ② 根据岩体在三维空间的破裂定位，认为可以依据微震破裂事件的空间分布对关 键层进行划分；开采六、四层煤均引起了主关键层砾岩的破裂，砾岩破裂位置的发展顺 序在倾向上逐渐向实体煤扩展，在高度上先从下部开始；大约 50％的矿震是由于关键层 的破裂引起的，只有个别矿震导致了冲击显现，说明了矿震与冲击地压的区别。展示了 冲击地压产生原因的多样性及复杂性； ③ 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。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，形成了应力集中区； ④ 通过数据处理，确定了开采解放层下顺槽的应力解放角为 71，开采解放层的有 效保护高度为 60～100m，保护高度已经高出被解放层。 （3）利用软件研究了大直径钻孔卸压的合理参数，确定了特定地质条件下 D FLAC 3 钻孔直径＝300mm 的卸压钻孔参数孔间距 2.5m，深度 12m。d 本研究中取得的一些重要研究成果，已写成学术论文并公开发表。 关键词关键词微地震监测高精度定位岩体破裂采动应力场冲击地压预测预报 山东科技大学博士学位论文摘要 2 Abstract Based on project of national science fund for international significant cooperation “ the mechanism of disaster rupture of overlying strata in mines”,thepaperstudiedonthedynamicmonitoringandpredicting- forecasting coal bump with high precision microseismic location monitoring technology in small area. 1 According to connection between engineering geology and engineering mechanics, the paper got combined dynamic and static judgment criterion of dividing possibility gradation of coal bump to occur. The criterion will be tested in the future. Based onthe connectionbetween rockcracked field andmining high pressurefield,theexplanationoftheprincipleofforecastingmining tremor using MS monitoring instrument was obtained. By using high precision MS locating technology in small area to monitoring rock fracture, the paper tried to describe strata spatial movement and refuted stress field space- time transportation law ①Thepaperfoundthedistinguishaboutwavecharacteristic between MS event and interference event, and obtained how to identity MS event. ②Accordingtothe3Drockcrackinglocation,conclusionscanbe obtained as follows Key stratum can be classified according to the special attribution of the microseismic cracking events. The cracking of the primary key stratum. conglomerate ruptured caused by the exploitation of NO.4 and NO.6 coal seams. The cracking sites of conglomerate expand to the entity coal in incline direction and the cracking occurred from the below part in vertical direction. The sites of mining tremor behavior are not always the sites of the shock focus. Statistics results of observation indicated that 山东科技大学博士学位论文摘要 3 shock bumps are caused by part of rupture of conglomerate, and about 50 percent of mining tremors occurred by the reason of the cracking of key stratums,. Few of them induced to mining tremor behavior. So it has revealed that there are differences between mining tremor and coal bump. The results show the reasons’ variety and complicity of coal bump behavior and the paper put forwards the that the prevent and cure ways of the coal bump alter to different reasons. overlying strata in longwall face surrounded by three sides mined areas ed“C”lettertypestrataspatialstructure,microseimicevents distributed in the outside of the “C” letter type strata spatial structure and ed the rock masses fracture area. High stress area was in the inside of the “C” letter type strata spatial structure. Described the shift of high stress area and the stress of the different high stress areas, the most concave of the “C” letter type strata spatial structure lies on top of the coal pillar when the coal pillar is smallest ,the distribution of supporting stress is the hard thick rock layers above the main roof occurred to fracture near the intake airways, so produced the pressure-relieved area; the hard thick rock layers above the main roof near the return airways was not fractured, so ed stress centralized area. According to analysis of the reversal development of pressure, the diversion of high pressure was shown.Theauthorsfoundoutthedifferenceofpressureindifferent position, and confirmed the areas where the pressure was not relieved. So by monitoring the liberation area of layer-liberated and distinguishing the dangerous areas of coal bump, the paper took measures in advance to coal bump burst and succeeded. ④ The stress propagation angle and the relieved height is 60100m when mining the seam to relieve the above seam, the relieved height is higher than the relieved seam station, and the stress propagation angle in return airway is 71. 山东科技大学博士学位论文摘要 4 3 According to thesoft numerical simulation of diameter D FLAC 3 drillinghole thediameter is300mmto relievepressureinspecified geological condition, the right distance of two dirlls is 2.5m and the right depth is 12m. Someimportantandcoreresultsofthestudyhavebeenpublished publicly. KeyKeywordswordsmicroseismicmonitoring,high-precisionlocating,rock cracking, mining pressure, coal bump, predicting-foreca 山东科技大学博士学位论文目录 I 目目录录 1 1 导导论论1 1 1.1 课题的提出 1 1.2 国内外研究综述 3 1.3 需要解决的问题和研究的技术路线15 2 2 ““工程地质工程地质””与与““工程力学工程力学””耦合预测冲击发生可能性判据耦合预测冲击发生可能性判据1818 2.1 微地震定位监测结合“工程地质”预测构造应力异常区18 2.2与耦合划定冲击发生可能性的综合判据24 ET W c I 2.3 冲击地压震级及冲击显现等级的确定探析29 2.4 本章小结30 3 3 微地震定位监测预报冲击地压的原理与方法微地震定位监测预报冲击地压的原理与方法3232 3.1 地震监测矿震的原理、成果及局限性32 3.2 微地震定位监测冲击地压的地球物理原理及定位方法36 3.3 岩层破裂场与采动应力场的关系51 3.4 微地震定位监测预测预报冲击地压的原理与步骤52 3.5 本章小结53 4 4 微地震定位监测预报冲击地压的工程实践微地震定位监测预报冲击地压的工程实践5454 4.1 华丰煤矿监测预报冲击地压的项目概况54 4.2 试验工作面构造应力预计59 4.3 覆岩空间结构分析与采动应力场预测59 4.4 测区布置、监测系统与监测方法61 4.5 监测数据处理及分析66 4.6 微地震定位监测预测预报冲击地压方法 105 4.7 本章小节 106 5 5 大直径钻孔卸压参数研究大直径钻孔卸压参数研究108108 5.1 大孔径钻孔卸压机理108 5.2软件介绍及参数设置109 D FLAC3 山东科技大学博士学位论文目录 II 5.3 合理钻孔间距、深度模拟研究111 5.4 本章小结 115 6 6 主要研究成果主要研究成果117117 致致谢谢119119 主要参考文献主要参考文献120120 攻读博士期间发表论文和参加的科研项目攻读博士期间发表论文和参加的科研项目128128 山东科技大学博士学位论文目录 III Contents 1 Introduction1 1.1 Research meaning of the paper1 1.2 Study of survey and present situationof internal and external3 1.3 Study contents, s and technologyline of problem15 2 Dynamic and static judgment criterion of dividing possibility gradation of coal bump to occur18 2.1 Predicting tectonic stress area by microseismic locating monitoring and engineeringgeology18 2.2 Synthetic judgmentof coal bump probabilityby and 24 2.3 Study on defining mining tremor magnitudeand earthquakemagnitudeappearancegrade29 2.4 Brief summary of this chapte30 3 Principle and s of microseismic locating monitoring32 3.1 The principle,achievement and Limitations of monitoringmining tremor by sismograph32 3.2 The physical geography principle and locating mothod of predicting mining tremor using microseismic locating monitoring 36 3.3 Rock cracking with mining pressure51 3.4 The principle and step of predictingmining tremor using microseismiclocating monitoring 5 2 3.5 Brief summary of this chapter53 4 Project practice 54 4.1 Generalisitionof project predicting mining tremor using microseismiclocating monitoring in HuaFeng Colliery54 4.2Predicting tectonic stress in test workfaces59 4.3 Analysis of strata spatial structure and predicting mining pressure59 4.4 Monitoring layoutingmonitoringsystem and mothod6 1 山东科技大学博士学位论文目录 IV 4.5 Data processing and analysis66 4.6 Mothod of predicting mining tremor using microseismic locating monitoring techniques105 4.7 Brief summary of this chapter106 5 Big diameter drilling hole relieved pressure109 5.1 Mechanism of big diameter drilling hole relieved pressure110 5.2 Introduction of and parameters design110 5.3 Numerical simulation of distance and depth of right big diameter drilling hole112 5.4 Brief summary of this chapter 115 6 Primary conclusions117 EXPRESS GRATITUDE120 REFERENCE121 PULISHED PAPERS WORKING ON DOCTOR PAPER130 山东科技大学博士学位论文导论 1 1 1 导导论论 1.11.1课题的提出课题的提出 矿业是工业化和经济发展的基础。我国 93的能源、80的工业原料、70的农业 生产资料以矿产品为原料。我国现有矿业企业 153 万个，2001 年，全国矿业产值达 4601 亿元，占全国 GDP 的 49，占国内工业总产值的 9 3。新世纪、新形势下，矿业企业 仍是推动我国经济发展和工业化建设的重要力量[1]。其中能源矿产是矿产资源的重要组 成部分，在我国，煤炭又排在能源矿产之首，占我国一次能源消费的 67％，是我国最有 保障和最主要的能源。 1949 年全国原煤产量为 32.0Mt， 1980 年全国原煤产量为 620.0Mt， 平均每年产量增加 19.19，1996 年全国原煤产量达到了 1396.7Mt，是 1980 年原煤产量 的 2.25 倍。1997 年以后，由于亚洲金融危机和国内经济结构调整，煤炭产销量大幅度下 降，2000 年降至近 1000.0Mt。最近几年，随着我国国民经济进入新一轮快速发展时期， 能源需求大幅度上升，煤炭产量出现了空前的增长趋势，从 2001 年到 2004 年，我国煤 炭产量每年增长 200.0Mt 以上，这在世界煤炭工业史上是前所未有的，但仍然满足不了 国内更快增长的需求。2004 年全国煤炭产量达到 19.5 亿吨[2]，2005 年煤炭产量为 21.1 亿吨，2006 年全国煤炭产量将达到 22 亿吨。 由于整个“九五”期间和“十五”前两年，全国基本没有开工建设新井，加之安全欠账 严重，全国具有安全保障的煤炭生产能力仅 12 亿吨，而 2004 年实际产量却高达 19.5 亿 吨。这意味着，近四成煤炭产量是缺乏安全保障的。随着矿井采深增加，水、火、瓦斯、 煤尘、冲击地压、热害等对煤矿安全生产的威胁日益严重。其中冲击地压是世界性的难 题。 世界上首例冲击地压 1738 年发生在英国南斯坦福煤田， 现在已发生冲击地压的有南 非、德国、英国、俄国斯等 20 多个国家。1933 年我国抚顺胜利矿最早发生冲击地压， 1960 年全国发生冲击地压的矿井只有 6 个，到 1990 年仅煤炭部所属煤矿发生冲击地压 的已增加到 58 个， 近几年来已超过 100 个， 冲击地压已成为威胁矿井安全生产的主要动 力灾害之一[37]。 近年来我国不断有冲击地压事故发生。据北京地震局台网测定，1998 年 6 月 19 日 山东科技大学博士学位论文导论 2 中午 12 点 40 分，在北京市门头沟煤矿发生了相当于 2．8 级地震的矿震，震中位于北纬 3952，东经 11606。门头沟区、石景山区震感明显，没有人员伤亡的报告。据门头沟 煤矿有关人士介绍，此次矿震为地应力突然变化形成的冲击地压所致，发生在距地表 700m 左右的采空区，因发生时间在中午，对地下采煤工作面的人员安全未形成威胁。而 门头沟矿区本身就是冲击地压多发矿区，形成的最大矿震曾达 3.9 级。新华网沈阳电， 2003 年 5 月 3 日 20 时 36 分，抚顺老虎台煤矿因冲击地压引发 3.3 级矿震，当时在井下 作业的抚顺老虎台矿部分矿工因躲避不及而在井下遇险，其中 2 人当场死亡，1 名矿工 经抢救无效死亡， 其余的 9 名伤员从井下被救上来后， 三米多高工作面只剩下几十厘米。 据华西都市报报道，2004 年 4 月 1 日 9 时 55 分，四川绵竹天池煤矿一号井发生冲 击地压事故，井内 5 名正作业的矿工全部被埋。经过 14 个小时生死营救，2 日凌晨，5 名被埋矿工全部脱险，离专家推测的生命极限仅仅有 1 个小时。2004 年 6 月 27 日，北 京昊华公司木城涧煤矿发生的冲击地压，属于典型的压缩性冲击地压。造成一人死亡， 三人重伤，五人轻伤。尤为惨痛的是 2005 年 2 月 14 日，辽宁阜新矿业（集团）有限责 任公司孙家湾“2∙14”矿难导致 214 名工人死亡。事故直接原因是冲击地压造成 3316 工 作面风道外段大量瓦斯异常涌出，3316 风道里段掘进工作面局部停风造成瓦斯积聚，致 使回风流中瓦斯浓度达到爆炸界限；工人违章带电检修照明信号综合保护装置，产生电 火花引起瓦斯爆炸。 山东省新汶矿业集团公司华丰煤矿是我国典型的冲击地压矿井。根据地面地震台网 监测，自 1992 年元月首次发生冲击地压以来，共发生 0.5 级以上矿震 28000 余次，1.0 级以上矿震 2900 余次，1.5 级以上矿震 490 余次，大于 2.0 级以上的 7 次，最大震级 2.9 级。共发生破坏性冲击地压 104 次，造成工作面停产的 11 次，严重影响了矿井的安全生 产。华丰煤矿冲击地压共造成多次人身伤亡事故，发生 3 起多人伤亡事故，累计造成 41 人重伤，4 人死亡。根据统计，华丰煤矿破坏性冲击地压共破坏巷道 2000 余 m，平均顶 底板移进 1.2m，两帮移进 0.8m，摧毁巷道 500 余 m，断面收缩率 75以上，其中大部 分顶底板闭合，需要停产大修；多次给回采工作面造成严重影响，累计破坏工作面长度 400 余 m，平均底板鼓起 1.1m，煤壁向老空区移进 0.5m，支架倒塌，共损坏单体液支柱 407 根，铰接顶梁 503 根。同时，冲击地压造成了严重的设备、设施损坏，损坏开关、 电机多台，损坏风门多道、矿车多辆等。冲击地压事故已累计对矿井造成直接经济损失 850 万元。 航空业内有一个关于飞行安全的“海恩法则” ，这个法则简单地说就是一起重大的 山东科技大学博士学位论文导论 3 飞行安全事故背后有二十九起事故征兆，每个征兆背后还会有三百起事故苗头。因此， 预防冲击地压事故需要从预防事故苗头上做大量工作，杜绝事故发生。根据国土资源部 资源普查资料， 我国 2002 年底直接利用的煤炭储量为 1886 亿 t， 人均探明煤炭储量 145t， 保证可采百年以上，因此冲击地压作为现有的和将来的采矿难题，预防和解危是一项重 要的长期的艰巨的任务。 本论文研究的工程意义在于利用所在课题组研制的有自主产权的高精度微地震定位 仪器（2005 年获国家实用新型专利，名称为煤矿井下微地震（）监测icmicroseismMS, 仪，专利号码ZL200420039442.9）及相关软件，探测岩体破裂，尝试反演岩层空间运 动和采动应力场（4D）的时空关系，探求冲击地压前兆信息及其发生机理，为预测预报 和防治冲击地压提供理论和技术依据。 1.21.2 国内外研究综述国内外研究综述 冲击地压，是采矿诱发的矿井地震，是矿井的一大自然灾害。冲击地压发生时，围 岩迅速释放能量，煤岩突然被破坏，造成暴风、冒顶片帮、支架折断、巷道堵塞、地面 震动、房屋损坏和人员伤亡。冲击地压所辐射的能量，从煤岩微小裂纹破裂的 10－5J，到 大尺度煤岩破坏的 109J，相当于里氏震级－6～5 级。 冲击地压发生的根本原因是应力集中与突然释放。采动岩体运动导致矿山压力重新 分布，动态矿山压力作用于围岩并使其破裂是引发矿井工程重大灾害事故发生的根本原 因。因此，系统深入地研究采动岩体的空间结构及其与矿山压力的动态关系，在此基础 上采用先进技术监测岩体破裂和研究灾变的机理是预防和控制矿井重大灾害事故的必由 之路。研究出一套具有便于操作、经济实用且不会导致防冲措施扩大化特点的冲击地压 的动态防治体系，是进行冲击地压监测和治理所遵守的基本原则。 虽然冲击地压的发生已有二百多年的历史， 但直到本世纪， 特别是近 30～40 年来才 真正引起了各国研究者的注意。各国都已成立了相应的专门研究机构。研究工作从对冲 击地压进行广泛调查统计分析开始，进而发展到实验室的理论研究和现场的实际测定。 对冲击地压的研究及防治工作最有成效的国家是苏联，其次是波兰和西德。我国冲击地 压方面的研究工作始于 1978 年重庆大学在天池煤矿所进行的煤层注水试验。 之后， 国内 山东科技大学博士学位论文导论 4 开展了若干部委级重点科研项目的研究，积累了一定经验；80 年代中期引进了监测系统 和一批仪器，为提高研究水平奠定了先进的技术基础；近年来通过中外科技合作和人才 交流，吸取了国外的先进防治技术和科研思想。在这些有利的环境条件下，煤炭科学研 究总院北京开采研究所、枣庄矿务局、北京矿务局和西安仪表厂等单位，在 1990 年底完 成了“冲击地压预测与防治”和“冲击地压监测装置”两项国家“七五”科技攻关专题。 在此基础上，制定了我国的“冲击地压危险煤层安全开采规程”及“冲击地压防治及预 测暂行技术规范” ， 使我国冲击地压的研究与防治工作在较短的时间内取得了突破性进展 [26]。 冲击地压问题的研究，主要集中在机理研究、冲击地压危险性评价、监测与预测预 报技术的研究和治理措施研究三个方面。 冲击地压的机理研究主要有[821]刚度理论、强度理论、能量理论、冲击倾向性理 论、“三准则”理论、变形系统失稳理论、突变理论、分形理论、 “三因素”理论、扩容理 论、煤柱冲击地压时间效应理论、动态失稳理论、冲击地压和突出的统一失稳理论等。 上述理论对于深入揭示冲击地压的形成机制发挥了重要的作用。 （1）刚度理论 Cook 和 Hodgeim 于 20 世纪 60 年代提出， 当煤岩体受力屈服后的刚度|KR|大于顶底 板和支架的刚度|KC|时，便发生冲击地压。而当|KR|＜|KC|时，煤岩体处于稳定状态，不 发生任何冲击动力现象。 （2）强度理论 强度理论由 G.Braener 提出，认为煤体处于顶底板的夹持之中，夹持特性决定了煤 围岩体系的力学特性。当煤体和围岩的交界处达到极限平衡条件时，煤体便失稳而发 生冲击地压。即冲击地压发生的应力条件为   在此基础上，20 世纪 70 年代提出了煤岩夹持理论，该理论能够较好地解释煤岩体 力学系统的极限平衡条件，但对煤岩体发生冲击地压的动力学特征描述不足，无法解释 在许多的情况下，却不发生冲击地压的事实[13]。   （3）能量理论 Cook 等人在 60 年代对南非 15 年的冲击地压防治情况总结后指出， 当煤围岩体系 在其力学平衡状态遭到破坏，所释放出的能量大于所消耗的能量时，就发生冲击地压。 山东科技大学博士学位论文导论 5 随后 Dunk House 给出了能量平衡的方程式， 佩图霍夫对产生冲击地压的能量结构作了分 析[20]。该理论把顶底板看作纯弹性状态，而冲击倾向性极小的煤岩即使像豆腐渣这样的 材料在高压下也可能发生冲击地压。所以仅仅强调任何一方都是片面的[22]。 （4）冲击倾向性理论 冲击倾向性理论是指煤岩体发生冲击破坏的固有能力或属性。该理论[23]认为，当煤 岩体的冲击倾向度 KE大于它的临界值 KEC时， 便发生冲击地压。 国内