浅埋煤层房式采空区下长壁工作面矿压显现与微震监测预报.pdf

论文题目浅埋煤层房式采空区下长壁工作面矿压显现与微震监测预报 专 业采矿工程 硕 士 生徐亚洲 （签名） 指导教师伍永平 （签名） 摘 要 神东矿区在初期开采过程中，广泛采用了房式或刀柱式开采方法，形成了大面积的 煤房采空区与集中煤柱区，当下煤层以长壁式开采时，采动应力重新分布。增加的弹性 应变能以应力集中的形式贮存在上层煤柱中，诱发煤柱破坏失稳，导致下煤层的综采工 作面在推出上层煤柱时出现异常来压现象，严重影响了矿井的安全高效生产。 本论文针对石圪台煤矿的地质与生产条件， 综合采用了微震数据现场采集和数值模 拟实验相结合的方法， 对浅埋煤层采空区下煤层开采时综采工作面矿压规律以及微震监 测预报动载矿压的方法进行了研究，主要研究成果如下 （1）房柱采空区下 31201 综采工作面初次来压步距为 48.6 米，周期来压步距为 12.7m；过集中煤柱前周期来压步距呈现两端小、中间大的特征；过集中煤柱后周期来 压步距受到工作面下部上方集中煤柱的影响，呈现上部大、中下部小的特征。工作面推 进过上覆采空区每个区域的来压强度关系为 过集中煤柱后一次大面积来压强度2-2 煤 房柱式采空区回收率较低区域来压强度过柳根沟上坡段来压强度过集中煤柱前后平 时区域来压强度。 （2）上煤层采煤结束后，其残余集中煤柱承受了上部岩体荷载，最大集中应力达 到 40MPa，并将应力向底板传递，在下方 3-1 煤层中产生的垂直应力呈中间高、四周低 的“山峰形”，在 31201 工作面回采中，该处将显现出强烈的矿压现象。 （3） 微震事件的能量释放周期一般超前于支架压力峰值 812h， 并与工作面周期来 压步距呈对应关系；当微震事件数量、能量和连续递增 23d 时或发生突变时，工作面 将在 812 个小时后来压。微震事件的发展高度分为两个区域3-1 煤上方 37m67m 的 2-2 煤低位顶板岩层和 67m97m 的 2-2 煤高位顶板岩层， 且高位事件周期内包含若干个 低位事件周期，与岩层破断规律一致，体现了“双顶板”结构的特点。 关键词浅埋煤层；微震监测；集中煤柱；动载矿压 研究类型应用研究 万方数据 Subject Strata-Pressure Behavior and Microseismic Detection in Longwall Face under Old Room and Pillar Mines with Shallow Cover Specialty Mining Engineering Name Xu YaZhou Signature Instructor Wu YongPing Signature ABSTRACT Shengdong coal area basically utilized room and pillar mining during the first main layer mining process. It build a large area of gob left by room and pillar mining and concentrated coal pillar in the fact of apply room and pillar mining.Due to upper layer coal mining activity, upper roof have experienced a mining stress effect in coal mining; upper seam left pillar increases the elastic potential energy which makes pillar broken in the process of coal seam mining, then dynamic mine strata pressure takes place; Seriously affected the mine safety production. This essay is studied about Shigetai coal shallow buried coal seam coal seam mining in fully mechanized mining face pressure gauge and the micro-seismic monitoring means by introduced a combination of seismic data collected in the field, theoretical analysis, numerical simulations. Got mine pressure regularity and the law of seismic signal and the micro seismic monitoring and prediction are studied. Earthquake early warning system was developed and verified in engineering field, The main research results are as follows 1After mine pressure observation and comprehensive analysis, the first roof weighting pace of 31201 working face is 48.6 meters; the periodic roof weighting pace is 12.7 meters. Before the concentrated coal pillar, the periodic roof weighting pace present at both ends is small, the characteristics of large in the middle. Each region to compressive strength relationships A large area to compressive strength after across the concentrate pillar Lower recovery area in seam 2-2 gob left by room and pillar miningUphill section across the LiugenggouBefore or after the concentrate pillar. 2Using numerical simulation study, after the room and pillar coal mining, the residual coal pillar under the upper load, the rock mass in concentrated stress, maximum 40 MPa; and transfer the stress to the floor, seam 3-1 below the vertical stress in coal seam is high and low 万方数据 around the middle of “mountain“ , below the maximum peak stands in the very central of the coal pillar, 8.75 MPa, mining for room before 4.11 times that of the original rock stress in the 31201 working face; there will appear relatively strong phenomenon of underground pressure. 3Based on the micro seismic monitoring ,distribution and change rule of microseismic events, sums up the law of roof weighting; It is concluded that the micro seismic events ahead of general support peak pressure of energy release cycle 8 12 h , And periodic weighting of mining face interval corresponding relation; As the number of seismic events, energy and continuous increasing mutations in the 2 3 d or working face in 8 12 hours after the roof weighting; The development of the microseismic events height is divided into two areas 3-1 coal seam of 37 m 67 m above the 2-2 coal low roof strata and 67 m 97 m high 2-2 coal seam roof strata, high cycle contains several low events cycle, consistent with the law of rock breakage, embody the characteristics of the “double roof structure“. Key words shallow seam；micro seismic monitoring；concentrated coal pillar；dynamic mine strata pressure Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 问题的提出与研究意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................. 2 1.2.1 浅埋煤层开采矿山压力研究现状 .......................................................................... 2 1.2.2 近距离煤层上覆煤柱下开采矿山压力研究现状 .................................................. 3 1.2.3 矿山微震监测研究现状 .......................................................................................... 4 1.3 论文的主要研究内容和研究技术路线 ......................................................................... 6 1.3.1 论文研究内容 .......................................................................................................... 6 1.3.2 论文的研究技术路线 .............................................................................................. 7 2 浅埋煤层房式采空区下长壁工作面矿压显现规律实测研究 ............................................ 8 2.1 石圪台煤矿生产条件概述 ............................................................................................. 8 2.1.1 矿井概况 .................................................................................................................. 8 2.1.2 工作面概况 .............................................................................................................. 8 2.2 工作面矿压实测技术选用 ........................................................................................... 11 2.2.1 压力传感器观测 .................................................................................................... 11 2.2.2 地面钻孔多点位移观测 ........................................................................................ 11 2.2.3 钻孔应力计超前支承压力观测 ............................................................................ 12 2.3 工作面矿压监测结果分析 ........................................................................................... 12 2.3.1 初次来压分析 ........................................................................................................ 12 2.3.2 周期来压分析 ........................................................................................................ 14 2.3.3 过房式采空区集中煤柱矿压监测结果分析 ........................................................ 14 2.3.4 分区域矿压显现规律分析 .................................................................................... 15 2.4 地面钻孔多点位移观测结果分析 ................................................................................ 17 2.5 钻孔应力计超前支承压力监测结果分析 ................................................................... 22 2.5.1 第一组钻孔应力计监测结果分析 ........................................................................ 22 2.5.2 第二组钻孔应力计监测结果分析 ........................................................................ 23 2.6 本章小结 ....................................................................................................................... 24 3 浅埋煤层房式采空区下长壁工作面矿压显现规律数值模拟研究 .................................. 26 3.1 覆岩运动规律数值模拟 ............................................................................................... 26 3.1.1 模拟软件选择 ........................................................................................................ 26 3.1.2 研究方案设计 ........................................................................................................ 26 3.2 数值模型建立 ............................................................................................................... 27 万方数据 目录 II 3.2.1 模型尺寸设计 ........................................................................................................ 27 3.2.2 边界条件设置 ........................................................................................................ 28 3.2.3 计算过程设计 ........................................................................................................ 28 3.3 房式采空区煤柱应力分布规律分析 ........................................................................... 29 3.4 房式采空区下长壁工作面中部矿压规律分析 ........................................................... 31 3.4.1 房式开采采空区下方 31201 工作面中部应力分析 ............................................ 31 3.4.2 房式开采煤柱下方 31201 工作面中部应力分析 ................................................ 33 3.5 房式采空区下方长壁工作面顺槽矿压规律分析 ....................................................... 41 3.5.1 房式采空区下方 31201 工作面顺槽应力分析 .................................................... 41 3.5.2 房式采空区下方 31201 工作面顺槽变形分析 .................................................... 42 3.6 房式采空区下方长壁工作面岩体能量分布规律分析 ............................................... 43 3.6.1 能量模拟的实现 .................................................................................................... 43 3.6.2 房式采空区下方长壁工作面开采能量变化分析 ................................................ 43 3.7 本章小结 ....................................................................................................................... 47 4 房式采空区下长壁工作面微震监测方法与微震规律研究 .............................................. 48 4.1 微震监测技术与监测系统 ........................................................................................... 48 4.1.1 微震震源定位 ........................................................................................................ 49 4.1.2 微震监测系统 ........................................................................................................ 50 4.2 微震监测系统的布置方案 ........................................................................................... 53 4.2.1 拾震器布置方式 .................................................................................................... 53 4.2.2 拾震器安装过程 .................................................................................................... 54 4.2.3 微震系统监测目标 ................................................................................................ 55 4.3 浅埋房式采空区下长壁工作面顶板来压的微震规律分析 ....................................... 55 4.3.1 工作面进集中煤柱前顶板来压微震规律分析 .................................................... 55 4.3.2 工作面过集中煤柱顶板来压微震规律分析 ........................................................ 59 4.4 浅埋房式采空区下采场覆岩结构运动特征的微震规律分析 ................................... 61 4.4.1 工作面推进方向顶板微震分布特点分析 ............................................................. 62 4.4.2 工作面竖直方向顶板微震分布特点分析 ............................................................. 62 4.5 本章小结 ....................................................................................................................... 65 5 基于微震预警动载矿压的工程实践与矿压控制 .............................................................. 66 5.1 工作面动载矿压预测预报 ........................................................................................... 66 5.1.1 3 月 8 日的来压预警 .............................................................................................. 66 5.1.2 3 月 28 日的来压预警 ............................................................................................ 67 5.1.3 4 月 6 日过集中煤柱来压预警 .............................................................................. 69 万方数据 目录 III 5.1.4 4 月 20 日的来压预警 ............................................................................................ 70 5.2 动载控制技术方案 ....................................................................................................... 71 5.2.1 爆破参数设计 ........................................................................................................ 71 5.2.2 爆破效果评价 ........................................................................................................ 72 5.3 本章小结 ....................................................................................................................... 74 6 结论 ...................................................................................................................................... 75 致谢 .......................................................................................................................................... 76 参考文献 .................................................................................................................................. 77 附 录 ........................................................................................................................................ 81 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出与研究意义 矿产资源是人类赖以生存的基本条件，是国民经济发展的重要物质基础，是保持我 国社会稳定的不可或缺的基础条件[1]。虽然从 2013 年起，我国经济进入“新常态”，煤 炭市场产能过剩，煤炭企业发展速度减慢，但我国的资源赋存条件决定了我们国家一次 能源以煤炭为主体的地位短期之内无法改变。 客观的经济条件使煤炭工业进入了一个以 科技创新为竞争力的新时代，这就更需要对采矿工程领域进行不断深入的研究，丰富和 完善现有的采矿理论与技术体系，发展高产高效开采；以机械化、智能化、信息化为方 向，为推进矿产资源健康可持续发展提供理论支撑。 神府东胜矿区位于鄂尔多斯南部与陕西榆林北部境内， 矿区地表广泛覆盖着风积沙 及第四系黄土，煤层埋藏浅、倾角小、赋存稳定，煤质优良，是我国最主要的煤炭生产 基地[2]。随着该区域煤炭开采强度的快速提高，各矿已开始第 2 层主采煤层的开采。在 近距离煤层群开采过程中，由于上层煤开采破坏了顶板的完整性，会造成下层煤开采时 出现顶板、淋水、有害气体、采空区自然发火等问题[3-4]。神东矿区的第 1 层主煤层在 开采过程中，基本采用了房式或刀柱式开采，房式开采不仅会造成可采煤炭资源的大量 浪费， 而且会形成大面积的煤房采空区与集中煤柱区； 当下煤层以长壁式采煤法开采时， 造成采动应力重新分布，增加的弹性应变能以应力集中的形式贮存在上层煤柱中，诱发 煤柱破坏失稳，易导致下煤层的综采工作面在推出上层煤柱时出现支架被压死、采场空 间闭合导致采煤机无法通过等剧烈的来压现象。2013 年 10 月 17 日，石圪台煤矿 31201 工作面大面积剧烈来压，支架平均压力达到了 46Mpa，5 架支架被压死；2013 年 12 月 16 日， 31201 工作面 23135 号支架大面积来压， 支架立柱行程由 1.31.5 米被压到 00.2 米，同时地表观测到了大面积台阶下沉，严重影响了矿井的安全高效生产[5]，所以急需 对石圪台煤矿的动压灾害进行预警和控制。 煤岩体结构在其破坏之前，总会伴随着声波信号发射的现象，由于这种微震信号中 包含了大量关于围岩受力变形破坏以及地质缺陷活化过程的有用信息， 由此可以推断出 岩石材料的力学行为，预测围岩结构是否发生破坏[6]。因此，以微震监测作为基础，将 其他各学科的科学研究成果加以结合，对煤岩顶板灾害进行更深入的研究，从内部角度 更清晰的探究煤岩体的动态变化，成为了采矿科学研究的一个重要趋势。 为了在上层煤采空区下综采工作面的安全回采， 神东石圪台煤矿建立了实时的矿井 微震监测系统，用于动压灾害管理的微震活动性监测。该微震系统可以记录微震事件全 波形，经过波形分析和计算可以确定微震事件的主要参数，包括震源位置、震动时间、 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 震动强度。从而表征震源的破坏机制，预测震动发展趋势，判断上覆岩层运移规律，对 动压灾害进行预警，以降低安全风险，指导井下安全生产。 基于上述背景问题， 作者根据神东矿区石圪台煤矿房式采空区下长壁工作面开采的 赋存特点，综合运用现场实测、模拟实验等手段进行研究。研究该矿井下矿压规律、上 层煤柱破坏机理、覆岩运移规律、微震活动规律，判别动载矿压发生的潜在区域，为矿 区周边类似条件矿井的安全高效开采提供一定借鉴。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 浅埋煤层开采矿山压力研究现状 在我国神府东胜矿区、榆神矿区、灵武矿区、吐哈矿区等广泛赋存着浅埋的侏罗纪 煤田[7] 。 浅埋煤层因其具有埋藏浅、煤层厚、煤质好、构造简单等特点，为我国大规模、 现代化开发煤炭资源提供了良好条件；据我国煤炭工业协会统计，我国目前建成的 53 个千万吨级矿井中，属于浅埋煤层的就有 26 个。而大规模的浅埋煤层开采，带来了一 系列具有浅埋煤层特点的矿山开采问题 开采煤层的导水裂隙带沟通至含水层造成工作 面的突水溃沙、顶板台阶式下沉引发的地表环境破坏、异常来压破坏工作面设备，危及 人员安全等 针对这些问题，我国的专家学者对其进行了广泛深入的研究，研究集中于浅埋煤层 开采矿压显现规律与顶板控制、导水裂隙带发育规律、覆岩结构及运动规律等方面，并 取得了卓有成效的成绩[8-30]。西安科技大学的黄庆享、侯忠杰等教授[8-18]，从 20 世纪 90 年代神东矿区开发之初就开始对神东矿区的浅埋煤层采场进行矿山压力实测与相似材 料模拟试验等一系列研究； 掌握了神东矿区浅埋煤层采场矿压显现与地表采动裂隙发育 的基本特点，解释了浅埋单一煤层长壁开采顶板基岩沿全厚切落、沟通至地表的的发生 机理。黄庆享教授[8]根据工作面矿压观测结果，得出神东矿区浅埋煤层顶板破断规律与 普通煤层不同，其特点为顶板切落式破断、采动形成“垮落带”、“裂隙带”；并在其 所著的浅埋煤层长壁工作面开采顶板结构及岩层控制研究一书中，对浅埋煤层进行 了顶板控制的定量化研究。 根据黄庆享教授的研究[11]，将关键层、基载比（基岩与载荷层厚度之比 Jz）与埋深 作为衡量指标，将浅埋煤层划分为了一下 2 种类型 （1）典型浅埋煤层基岩薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，老顶为单一关 键层，其顶板破断形式为整体切落，易出现顶板台阶下沉。 （2）近浅埋煤层基岩厚度相对典型浅埋煤层较大、松散载荷层厚度比较小的浅 埋煤层，存在两组关键层，矿压规