煤层巷道应力峰值区前缘探测试验研究.pdf

分类号 TU311 密 级 公 开 UDC 单位代码 10076 工学硕士学位论文 煤层巷道应力峰值区前缘探测试验研究 作 者 姓 名 杨兆鹏 指 导 教 师 程祖峰教授 申 请 学 位 级 别 工学硕士 学 科 专 业 地质工程 工 程 领 域 地质资源与地质工程 所 在 单 位 资源学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering The Peak Stress Region The Peak Stress Region FrontFront Boundary Boundary Determination in MinDetermination in Mining Roadwaying Roadway Candidate Yang Zhaopeng Supervisor Pro.Cheng Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Geological Resources and Geological Program College/Department College of Resources Hebei University of Engineering May, 2016 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘 要 摘 要 应力集中灾害主要是指矿井高应力区内煤体、顶底板以及断层等构造在受到 外界扰动瞬间失稳破坏时，释放出巨大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为 特征的矿山动力现象。随着煤矿开采深度加大，应力集中灾害已经对我国很多矿 井的安全生产构成了严重的威胁。 解决应力集中灾害的关键点，在于如何快速、有效地的确定高应力集中区域 的范围和其边界。本文通过理论分析、实验室相似模拟实验，以及在北京长沟峪 煤矿安子采区进行的实地调研与勘测，探讨并提出了以低应变动力测桩仪为主要 仪器器材的全新探测应力集中区域的方法。 在理论分析中，我们通过建立巷道顶板变形对煤层施加正应力的受力模型， 根据格里菲斯裂隙理论以及库伦摩尔应力圆分析在该受力模型下裂隙的发育完整 度和角度等。随后讨论了应力波在一维杆模型下的传播规律，低应变动力测桩仪 的工作原理和在井下实地使用过程中可能需要的波速修正参数。 在实验室实验中，通过建立等比例煤层相似模型，以及施加等比例正应力来 模拟煤层在实际情况中的裂隙分布及发展规律。从裂隙分布的规律中来找寻煤层 从脆性区过度到韧性区的边际，从而确定高应力集中区域的边界。 在长沟峪煤矿的实地调研中，我们收集并研究了该矿地质条件，根据上覆岩 层压强较高、相邻煤层硬度差别较大的特点，建立了扁担模型以及垂直于煤壁方 向的一元杆模型。用前后单位体积内的煤中的裂隙分布作为未知变量来测量裂隙 分布距离。通过测桩仪收集到的反射信号图像进行分析，从而可以较为清晰的确 定煤炭弹塑性区域的边界。 关键词低应变动力测桩仪；应力波反射；裂隙分布规律；应力峰值区前缘测量 万方数据 Abstract Abstract The stress concentration hazard mainly refers to the mining dynamic phenomena which the coal mass with in the high stress region of the roadway will release significant amount of energy to trigger the violent vibration and the rock burst once the boundary of the high stress region has disturbed by multi reasons. As the excavation depth of the coal mining in China now increased magnificently, the hazard of stress concentration has become the critical threaten in the coal mine safety managements. The throttle issue of solving this hazard problem is how to determine the boundary of the high stress region swiftly and effectively. This paper based on the theoretical analysis, the proportional simulation experiment and the in-situ measurement at Beijing Chang Gou Yu Coal Mine. It successfully discussed a new determination within the implementation of low strain dynamic pile integrity detector. In the theoretical analysis, we discussed the fracture development and the fracture angle under the coal seam roof deflection loading model with the Griffith Fracture Theory and Column-Mohr Stress Circle Theory. The pattern of stress wave propaganda in one-dimensional model also has been discussed. The magnitude of the stress wave speed has been calibrated under different circumstances before the implementation of PID for in-site measurement has been done. In the proportional simulation experiment, we build up the model which the thickness of each layer in this model proportional to the depth of each coal seam. Meanwhile we implement the external normal load to simulate the gravity force over the top of the cover layer to uate the final cracks development in the horizontal direction in this model. During the in-situ measurement, we have been collect large amount of the geological ination. In this coal mine, the stress applied of the covering rock layer is relatively high and the toughness is indifferent for each adjacent coal seam. Based on that we establish the “Carrying Pole Model” and the one dimensional bar model which perpendicular to the mining roadway wall. We set the different Young‟s Modulus between the frond and rare control volume to determine the scatting range of the fractures in the coal seams. Based on the reflection signal which collected by the pile 万方数据 Abstract integrity detector, we would be able to define the boundary between the elastic and plastic segments eventually. Keywords Low strain dynamic pile integrity detector; Reflection of stress wave; The pattern of fractures; Front boundary of stress concentration area Measurement 万方数据 目 录 I 目 录 摘 要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................... II 第 1 章 绪 论 .......................................................................................................... 1 1.1煤矿应力集中 ............................................................................................ 1 1.2 煤矿冲击地压问题 .................................................................................... 1 1.3煤矿应力集中现象研究现状 .................................................................... 2 1.4研究工作 .................................................................................................... 4 1.4.1研究内容 ......................................................................................... 4 1.4.2研究路线 ......................................................................................... 5 1.4.3研究方法 ......................................................................................... 6 1.5 可行性分析 ................................................................................................ 6 1.6 小结 ............................................................................................................ 7 第 2 章 理论研究 .................................................................................................... 9 2.1煤层力学模型建立 .................................................................................... 9 2.2 断裂力学 .................................................................................................. 10 2.3 煤层裂隙 .................................................................................................. 11 2.3.1煤炭脆性裂隙 ............................................................................... 12 2.3.2煤炭脆性-韧性过度阶段 .............................................................. 14 2.3.3 煤炭韧性阶段 ............................................................................... 16 2.3.4煤炭单轴压缩和三轴压缩 ........................................................... 16 2.4 应力波传播 .............................................................................................. 17 2.5 测桩仪原理 .............................................................................................. 19 2.6 参数修正 .................................................................................................. 23 2.7 理论总结 .................................................................................................. 25 第 3 章 实验研究 .................................................................................................. 27 3.1 煤层裂隙相似模拟研究 .......................................................................... 27 3.1.1长沟峪矿地质条件 ....................................................................... 27 3.1.2原位矿井力学参数确定 ............................................................... 29 3.1.3实验模型几何相似系数 ............................................................... 30 万方数据 目 录 II 3.1.4实验室模型动力相似系数 ........................................................... 30 3.1.5试验台制作与铺设 ....................................................................... 33 1.1.6实验过程 ....................................................................................... 33 3.1.7 相似模拟实验结论 ....................................................................... 40 3.2 煤样实测 .................................................................................................. 41 3.2.1 实验准备 ....................................................................................... 41 3.2.2架设仪器 ....................................................................................... 43 3.2.3实验结果分析 ............................................................................... 43 第 4 章 井下实测 .................................................................................................. 45 4.1 井下测量安全 .......................................................................................... 45 4.2检测方法与设备 ...................................................................................... 45 4.3 检测结果 .................................................................................................. 46 4.4 探测结果分析 .......................................................................................... 51 第 5 章 总结 .......................................................................................................... 55 5.1结论 .......................................................................................................... 55 5.2 创新点 ...................................................................................................... 55 5.3 后续研究 .................................................................................................. 56 致 谢 ...................................................................................................................... 57 参考文献 ................................................................................................................ 58 作者简介 ................................................................................................................ 62 攻读硕士期间发表的学术论文和科研成果 ........................................................ 63 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 我国作为世界上煤炭资源消耗量最大的国家，煤炭工程的数量在世界上也是 首屈一指，并且由于资源需求量数额巨大，矿井开采深度也在逐年加深。但是伴 随煤矿矿井开采深度的加深，矿井冲击地压灾害发生的几率也会随之急剧增加。 根据相关资料，在 2013 年底，我国有 154 个煤炭矿井有冲击地压灾害，超过 1000m开采深度的矿井有将近 60 座。冲击地压可根据冲击位置的不同，分为巷道 煤体压缩型、顶底板断裂性以及顶板扰动型等三类冲击地压[1]。本文将重点讨论 巷道煤体压缩型冲击地压中冲击关键区边界探测问题。 1.1 煤矿应力集中 应力集中是指物体中应力局部增高的现象。在煤矿中，应力集中的现象主要 体现于煤矿深层开采之中。我国浅层煤炭资源经过多年开采，现在已呈现枯竭的 态势，煤矿开采深度正在逐年加深。深层煤层开采前，煤体的三向应力处于状态 平衡，但是有大量弹性应变能由于地应力集中作用而储存在硬煤体中。 应力集中的能量来源主要来自原岩应力。原岩应力一般是指应力区边界完 好，未遭受人为工程扰动的应力。该应力的形成与各种地球地壳活动有紧密的联 系。由于形成过程较为复杂，所以应力集中区域范围非常不规律。从单一弹性力 学角度进行的分析结果往往和实际现场情况有较大出入。 1.2 煤矿冲击地压问题 在煤矿生产中，对应力集中区域较为重要的人为扰动有巷道掘进和工作面 回采。在煤层巷道中，由于扰动较大，原有应力集中区域边界会遭到较明显破 坏，使煤体三向应力平衡被打破，聚积的弹性应变能将沿着薄弱关键点剧烈释 放，导致冲击地压灾害发生。表 1-1 为 2010 年至 2013 年 3 月份截止煤矿冲击地 压事故汇总。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 表 1-1 2010-2013 年煤矿冲击地压事故基本情况 Table1-1 Coal mine rock burst accident in 2010-2013 年度 事故次数 伤亡情况 2010 1 10 月 8，4 人死亡 2011 3 3 月 13,4 人受伤；8 月 21,2 人死亡；11 月 3,10 人死亡，多 人受伤 2012 7 3 月 1,2 人死亡；3 月 16，2 人死亡，1 人重伤；3月 31,2 人死亡；9 月 15,14 人受伤；10 月 15,2 人受伤；10 月 17,13 人受伤；11月 17,6 人死亡，2 人受伤 2013 6 1 月 12,8 人死亡；1 月 16,2 人受伤；1 月 30,2 人死亡，3 人 重伤；2 月 27,2 人受伤； 2 月 27,3 人受伤；3 月 15,4 人死 亡 针对应力集中的严重危害，有很多预测和防治的措施。目前国内外防治应力 集中的措施主要有煤岩体注水、钻孔卸压、深孔松动爆破、卸载诱导爆破、煤岩 体掏槽卸压、顶板预断裂、巷道切槽卸压、加固软煤层、加强采掘支护、开采保 护层、合理选择开采方法和安排采掘设计及工艺进度等。虽然取得了一定的效 果，但是应力集中灾害的防治没有得到根本的解决，主要是在很大程度上依赖于 经验，存在盲目性，在应力集中灾害的预测预报方面缺乏较好的理论指导。 煤矿治理冲击地压问题中的关键一环是煤层巷道应力峰值区域探测。如何进 行科学有效的对应力集中区域的边界进行测量是煤矿安全生产急需解决的问题之 一。 1.3 煤矿应力集中现象研究现状 关于煤矿应力集中的研究，波兰于上世纪 60 年代已经展开。Z.舍楚符卡根据 煤体的力学属性进行分级，寻找数学特征值并建立分级制度[2]。Bieniawski[33-34]等 认为在地质条件近似的情况下，煤层发生冲击地压与否是由于煤炭的性质差异造 成的。冀贞文等人在波兰考察后总结波兰现有的冲击地压仪器有微地震监测系 统，地音监测系统，地层 CT 透视技术等[3]。Cook[4]等人认识到矿柱孤岛发生冲 击地压属于结构失稳现象。Lippmann[5-6]研究在等厚度煤层中开挖巷道的冲击地 压问题。目前波兰、德国和日本等国家也均有自己的冲击地压灾害研究机构，并 且每隔四年会召开一次专题研讨会。 万方数据 第 1 章 绪论 3 我国学者潘一山[32]研究后提出冲击地压发生后的破坏过程伴随煤岩变形局部 化，并提出了阻力区的概念。姜福兴[35]等建立了复合厚煤层“震－冲”型动力灾 害的力学模型，并对其机理进行了研究。 我国的地应力测量工程是在 70 年代由著名地质学家李四光带领，对中国地 壳应力分布首次进行了大规模的测量。由于我国煤炭行业之前开采的均为浅层煤 层，冲击地压灾害发生频率较低，所以直到 80 年代，煤矿采深逐渐加深，我国 煤炭行业才开始对地应力现象进行从理论到实际现象的研究。 1978 年首次在重庆天池煤矿进行了煤层注水实验。1980 年，由原煤炭部立 项，首次在抚顺龙凤矿、北京门头沟矿开展应力集中的机理预测防治研究。先后 由北京开采所、阜新矿业学院进行了煤层注水预防应力集中的研究，直接采用已 经比较成熟的煤层注水技术进行了试验。1990 年底，在煤炭科学研究总院、枣庄 矿务局和北京矿务局等单位联合攻关下完成了国家“七五”科技攻关专题冲击地 压预测与防治，并且由该攻关课题提出了冲击地压危险煤层安全开采规范。 对应力集中灾害进行科学的预测预报，是应力集中灾害防治的关键。近几年 来这方面的研究取得了重大的进展。目前的研究主要包括以下几个方面。 综合指数法[7-9]在分析影响应力集中灾害发生的各种指数，如煤体特征（抗 压强度，冲击能量指数，顶板厚度，冲击倾角等），开采关系，地质变化等采矿 地质因素的基础上，确定各种因素的影响权重。最后将各个指数综合起来，进行 应力集中灾害危险性预测。主要从影响应力集中灾害危险状态的地质因素及指数 和开采技术因素及指数两个方面来进行应力集中灾害的预测预报。这种方法的缺 点是涉及到的参数和理论以及其对应的计算方法较为复杂，在井下实地应用困 难较高。 钻屑法[10-12]钻屑法是通过煤层的压力支撑能力和煤屑数量成比例的原理， 在煤壁上打钻孔（d45mm），根据钻孔中排出的煤粉量及其变化规律来判定冲 击地压发生几率的一种方法。其理论基础是钻出煤粉量与煤体的应力支撑曲线有 相似关系，应力支撑数值不同，钻孔中取到的煤粉量和煤粉颗粒数量级也不同。 由于冲击地压发生的条件之一是当煤体所受上覆岩层传递下来的支撑压力超过其 应力支撑能力，所以当钻孔单位长度中，煤粉排出率增大或超过阀值时（Smax， 每米钻孔碎屑量的极值，该值大于标准值 4 倍时，有突出的危险），可以判断区 域应力集中程度有增加并且发生冲击地压危害的可能性增高。钻屑法作为目前预 测预报冲击地压灾害所主要采用的方法，应用面十分广泛。该方法需要连续钻孔 获取指标，这样的特性决定了其占用的时间和工程量较长和较大，对井下生产会 造成一定影响，对于煤壁距离应力集中区域较近时，钻孔有诱发冲击地压的危 险。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 微震（地音）监测[13-14]作为现在较为热门的技术之一，微地震检测利用电 子地音计对煤岩破裂所产生的地音及微震信号进行记录、分析，提出相应的判 据。根据采集到的信号波为基础，从中挖掘参数信息（震源位置，大小，方向， 机制等），总结微震规律，从而对工程中面临的冲击地压灾害的潜在发生进行有 效识别预警。该系统的优点是精度高反应快，但是存在的缺点也很明显。第一， 收集到的微震信号中有过多的杂音信号。第二，井下巷道距离长，因此产生的信 号衰减以及信号储藏问题需要得以解决。 电磁辐射法[15-17]电磁辐射法是从地球科学中发展出来的一门技术方法，其 主要原理是在岩石受压破裂时会产生电磁能量，该能量会以辐射的形式散发出 去。我们可以通过对该辐射能量进行观测和研究，进而对煤体受压情况进行判 断，最终在此信息基础上对应力集中引起的冲击地压灾害进行预防。巷道掘进或 回采空间形成后，工作面煤体失去原位支撑，应力平衡被打破，围岩处于不稳定 状态，煤壁中的煤体会对应产生破裂和变形。在这个破坏过程中会引起电磁辐 射，并且电磁辐射的大小和煤体所处的应力状态有直接关系。当煤体处于脆性裂 隙状态下时，应力集中现象较少，变形量较低，电磁辐射的信号相应较弱；而当 煤体进入弹塑性区域后，应力集中现象较为普遍，电磁辐射信号相对较强。 电磁辐射法的优点在于可以进行无接触检测，应用较为简单。但是其缺点第 一是电磁信号在井下较为容易被大型电机等重型设备干扰，第二电磁辐射法的核 心是以煤炭变形破裂量的大小进行判断，而井下环境复杂，煤炭的变形破裂量的 大小往往不能直接和应力高低大小进行挂钩，而且电磁辐射法只能对正在产生的 裂隙使用，而对于已经产生，没有明显电磁辐射产生的裂隙则不能进行探测。电 磁辐射法需要假设煤层应力集中地方的裂隙是在不断发展的，这种假设前提使得 其得出的应力集中预测结果往往有很大的局限性。 在井下实地冲击地压灾害的预测预报中，由于井下的复杂条件，应力集中灾 害发生的随机性和突发性，破坏形式的多样性，以及以上方法的各自应用局限 性，所以在应力集中的预测工作中往往收效较小。井下需要更具有可行性，更可 靠，并且操作简单易懂的应力集中测量方法。 1.4 研究工作 1.4.1 研究内容 由于井下应力集中的表现之一是裂隙的发育与闭合，由此可以根据裂隙发育 情况，对井下应力集中区域边界做出合理推断。本文提出了使用低应变动力测桩 万方数据 第 1 章 绪论 5 仪这一已经在土木工程桩基检测领域较为成熟的技术手段，首次应用于井下裂隙 测量，进而根据井下实际情况推断出应力集中区域边界。首先进行理论分析，通 过在实验室搭建相似模拟煤矿巷道力学实验模型进行的测量为基础，在地面煤样 上进行仪器测试，并在北京长沟峪煤矿这一冲击地压灾害频繁发生的地带进行测 桩仪井下实地测量。所得到的测量结果和井下巷道壁打钻结果相互印证，得出最 终结论。 研究方法主要有如下内容 （1）冲击地压的治理难点在于如何确立应力集中区域边界位置。巷道应力 集中的表现会有很多，裂隙继续发育是其中之一。可以根据井下具体张性裂隙情 况来判定煤炭处于脆性区还是韧性区，最终判断出巷道应力集中的边界。 （2）低应变动力测桩仪可以准确的探测到巷道煤壁中的张性裂隙分布，从 而为寻找和判定应力集中区域边界范围和其距离巷道壁的距离提供证据。 （3）在实验室中根据材料相似原理（尺寸相似，力学性质相似），搭建相 似模拟试验台，并通过施加载荷对试验台施加正应力来模拟顶底板以及煤层受到 上覆岩层传递的压力，使其产生模拟裂隙，最后使用测桩仪进行模拟测量和试验 台使用卷尺观测对比最后结果。 （4）在真实煤样中使用低应变动力测桩仪进行测量，对测量过程中可能引 起变化的变量进行进一步分析，例如煤炭中原生的层理和节理是否会产生杂波信 号，干扰测量结果，为之后的井下实地测量提供实验依据。 （5）在北京长沟峪煤矿井下选取工作面（安子采区 15槽），根据井下顶底 板条件和煤层的各项技术指标，建立井下力学模型。由巷道顶板较硬而煤层中煤 质较软的特点提出„扁担模型‟[18]。根据地质特征提出煤层中张性裂隙可能的发育 规律，并使用测桩仪实地测量。 （6）对采集到的结果进行分析处理，和井下巷道掘进时遇到的煤层裂隙分 布以及后期的打钻探相对比，寻求佐证。 （7）总结低应变动力测桩仪在矿井下使用过程中的各种优缺点以及对今后 的研究工作进行展望。 1.4.2 研究路线 根据本论文的研究内容，采用理论模型与实验室相似模拟相结合的方式，最 终在井下实现原位测量并绘制出长沟峪矿安子采区 15槽的应力峰值区前端边 界。具体技术路线图如图 1-1 所示。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 6 图 1-1 技术路线图 Fig.1-1 The technology roadmap 1.4.3 研究方法 理论模型和实际测量相结合，测量巷道两侧裂隙到回采巷道壁的距离，进而 得到应力峰值区距离巷道壁的距离。可