急倾斜特厚煤层开采顶板灾害监测技术研究.pdf

pressure occurs in about 10-25m area from the working face, and the regional risk of abnormal stress in the coal and rock mass during the mining process is determined by the dynamic monitoring of the roof, the monitoring of the drilling chip and the monitoring results of the drilling peep. To ensure the safe production of the working face, danger reduction measures pressure relief and strengthening support should be carried out in the area. This study has a certain guiding significance for the monitoring of mine disaster during the mining process of fully mechanized caving face with steep and extra thick coal seam. It is of great scientific and practical significance to improve the safety and efficiency of the steep seam mining. Key wordsHeavy steep-thick Coal seam; numerical simulation; Roof dynamic monitoring; Drilling chip monitoring Research TypeApplied Research 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题背景与研究意义..................................................................................................1 1.1.1 选题背景...........................................................................................................1 1.1.2 研究意义...........................................................................................................1 1.2 国内外顶板灾害监测预警研究现状..........................................................................2 1.2.1 国外矿井开采中顶板监测预警研究现状.......................................................2 1.2.2 国内矿井开采中顶板监测预警研究现状.......................................................3 1.3 论文研究的主要内容..................................................................................................5 1.4 研究方案与技术路线..................................................................................................5 1.4.1 研究方案...........................................................................................................5 1.4.2 技术路线...........................................................................................................6 2 乌东煤矿矿区概况及其顶板破坏特征.................................................................................7 2.1 乌东煤矿矿区概况......................................................................................................7 2.1.1 地质构造...........................................................................................................7 2.1.2 煤层概况...........................................................................................................7 2.1.3 煤层顶底板岩性...............................................................................................8 2.1.4 生产技术条件...................................................................................................9 2.2 乌东煤矿 45煤层顶板破坏特征.............................................................................9 2.2.1 顶板破碎及垮落特征.......................................................................................9 2.2.2 顶板拉裂特征.................................................................................................13 2.3 本章小结....................................................................................................................17 3 急倾斜特厚煤层开采顶板灾害危险性评价.......................................................................18 3.1 工作面概况................................................................................................................18 3.2 工作面煤岩结构与动力灾害关系评价....................................................................18 3.3 综放工作面冲击地压发生可能性指数诊断法评价................................................20 3.3.1 可能性指数诊断评价方法.............................................................................20 3.3.2 工作面冲击地压发生可能性指数诊断法评价............................................. 20 3.4 本章小结....................................................................................................................22 4 基于数值模拟的综放工作面顶板灾害监测范围确定.......................................................23 4.1 数值几何模型建立....................................................................................................23 4.1.1 建立模型.........................................................................................................23 目录 II 4.1.2 模型边界条件与初始条件.............................................................................23 4.2 煤岩体力学参数选取................................................................................................24 4.3 计算步骤....................................................................................................................24 4.4 模拟结果分析............................................................................................................24 4.4.1 煤岩层应力场分布及演化规律分析.............................................................25 4.4.2 煤岩层位移分布及演化规律分析.................................................................28 4.5 本章小结....................................................................................................................31 5 顶板动态监测预警系统及监测数据分析...........................................................................32 5.1 监测系统概述............................................................................................................32 5.1.1 系统监测功能组成.........................................................................................32 5.1.2 系统工作原理.................................................................................................32 5.1.3 监测内容.........................................................................................................33 5.2 监测方案及监测数据分析........................................................................................33 5.2.1 锚杆应力监测.................................................................................................33 5.2.2 顶板离层监测.................................................................................................35 5.2.3 围岩应力监测.................................................................................................37 5.3 本章小结....................................................................................................................40 6 现场监测与监测结果分析...................................................................................................41 6.1 钻屑法监测................................................................................................................41 6.1.1 监测原理.........................................................................................................41 6.1.2 钻屑量监测指标.............................................................................................41 6.1.3 监测方案.........................................................................................................41 6.1.4 监测结果分析.................................................................................................42 6.2 钻孔窥视监测............................................................................................................45 6.2.1 工作原理.........................................................................................................45 6.2.2 现场探测方案.................................................................................................46 6.2.3 监测结果分析.................................................................................................46 6.3 本章小结....................................................................................................................48 7 结论.......................................................................................................................................49 致谢...................................................................................................................................50 参考文献...................................................................................................................................51 附录...................................................................................................................................55 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景与研究意义 1.1.1 选题背景 我国是世界第一产煤大国，煤在我国一次能源构成中依旧占 70％左右比例，为我国 经济长期持续增长做出了巨大贡献，而在未来相当长时间内，煤炭仍将作为我国的主导 能源。占世界急倾斜煤层储量 30的乌鲁木齐矿区急倾斜复杂难采特厚煤层，其保有储 量 25 亿吨，剩余储量 7 亿吨。赋存环境复杂，另外随着煤矿现代化综合机械化采煤技术 的发展，矿井开采规模不断增大，开采速度提高以及开采向深部转移，导致其煤岩体内 部积聚的能量值也随之增大，产生冲击破坏的概率凸显[1-3]。 乌东煤矿北采区开采煤层倾角为 45，开采采用水平分段综放的开采方法，极大的 提高了急倾斜煤层的开采效率，该技术方法从某种程度上实现了开采急倾斜特厚煤层矿 井的高产高效生产，并产生了巨大的经济效益与社会效益。但是，随着分段水平的提高， 导致顶板不稳定因素增多，危险性增大[4-5]，加上顶板总的说来是以粉砂岩为主，厚度较 大、沿煤层厚度的水平线布置，控顶区上方的顶煤和覆层冒落不充分，易形成大面积悬 顶，开采扰动易诱发顶板大面积垮落，产生动力灾害现象。 随着科学技术、煤矿开采装备进步以及管理机制的日益完善，我国煤矿顶板事故逐 渐减少，但其灾害数量相对煤矿生产其他灾害数量，顶板事故任居首位[6-7]。目前，虽然 国内矿井安全监控系统已居于国际先进水平，实现了矿井顶板实时在线监测，但对监测 数据分析、预警[8]方面仍相对落后。而采用单一的监测手段对矿井开采中巷道围岩（主 要是顶板）稳定性进行监测，其监测效果准确性又不能得到保证。因此为了实现急倾斜 特厚煤层开采顶板灾害监测预警目的，本论文拟议运用现场多种损伤变形监测手段，建 立了顶板动态监测预警系统、钻孔窥视监测系统以及钻屑法监测等综合监测技术手段， 形成顶板动态监测为主，钻孔窥视监测钻屑法监测为辐的监测预警体系。实现即能达 到预警、又能达到防患于未然的目的，从理论，实验，现场三个层次方面进行顶板灾害 监测预警，三层之间相互联系，这样从不同层次刻画系统来评价顶板安全状态，确保实 现“超前预警、有冲无灾”的防治目标。 1.1.2 研究意义 急倾斜特厚煤层倾角大，工作面特征为“短工作面”，与缓斜和近水平煤层赋存状 态迥异，因此需要依靠增加放顶煤段高和工作面数目来提高产量。本论文以乌东煤矿北 西安科技大学硕士学位论文 2 采区575 水平 43煤层西翼工作面开采为工程背景，从乌东煤矿北采区特殊的煤层赋存 地质条件出发，根据现场顶板动态监测预警系统对回采工作面的监测结果分析，确定受 开采扰动影响煤岩体应力异常区域及顶板离层情况，再通过定点监测，根据监测到的应 力值大小及顶板离层大小确定应力异常区域危险性以及现有的支护方式是否能保持此处 巷道稳定性，然后采取相应的解危措施。对提高急倾斜煤层开采的安全高效性具有重大 的科学和现实意义。 1.2 国内外顶板灾害监测预警研究现状 顶板监测是以利用各种监测仪器及技术方法,对巷道围岩（主要是顶板）以及工作面 顶板等进行监测,根据监测结果来反映出顶板的稳定性状况，确保矿井安全生产。 1.2.1 国外矿井开采中顶板监测预警研究现状 国外关于煤矿安全生产的监测预警研究较早，尤其是欧美等发达国家投入大量资金 对煤矿安全生产体系进行研究，取得一定的成果，宏观层面上建立了相对完善的安全法 律法规体系，微观层面上建立了完善的安全管理体系。近年来，伴随着科学技术的发展， 国外研制出能实现三维数据的解释、验证和认知功能的全自动三维监测系统。现阶段国 外煤矿主要通过电磁辐射监测、GPS 监测、地质雷达探测与光纤形变测量技术[9-12]以及 微震监测[13-16]等监测方法与手段来确保矿井安全开采。 表表 1.1 国外监测研究现状国外监测研究现状 作者成果 DebjectMondal 研究了分形维数随岩爆大小变化的规律， 然后根据分形维数变化规律来获取冒顶 的前兆信号[17]。 B.T.Brady 通过对硬岩矿井冲击矿压前兆矿震事件的分析， 得出随开采强度增加， 矿震也随 之不断增加，巷道顶板矿震突降时顶板可能破裂。 N.B.Legge Gutenberg-Richte 公式中岩爆对ｂ值影响较大，当微震监测到 b 值越大时，将会 产生岩爆。 J.Weeks在实验室模拟断层运动中观测到断层沿切割面滑动前 b 值先上升后下降的现象。 X.Lei 经过对岩石破坏失稳前的 b 值进行研究， 得出微破裂从张破裂为主转为剪破裂为 主以及裂纹相互作用明显增强两大因素是导致 b 值下降的主要原因。 B.Shen 进行了工作面顶板垮落时位移、应力、矿震监测结果的分析，在此基础上进行顶 板跨落前兆信息的研究[18]。 Chen 通过现场观测和数值模拟系统研究断裂结构面对回采工作面矿压分布和顶板稳 定性的影响表明，当工作面推进到断层高应力集中区时，超前支承压力明显增 大，；当推进到断层低应力区时，支承压力峰值降低，顶板稳定性差[19]。 1 绪论 3 根据现场监测到的巷道围岩位移数据通过反位移分析法来推算岩石力学特性[20]的 方法以及数值分析方法[21]都成为最近几年学者进行顶板动态监测的新技术与新方法。 1.2.2 国内矿井开采中顶板监测预警研究现状 顶板灾害数量相对煤矿生产其他灾害数量来说，其数量任居首位。因此在矿井安全 监控系统中，顶板稳定性监测是其必不可少的重要组成部分。基于引进国外煤矿监控系 统的基础上，我国煤矿安全监控系统经仿制与自主研发，也取得了很大的进步，获得了 一系列的成果，现已居于国际先进水平，如表 1.2 所示。 表表 1.2 监控系统研究现状监控系统研究现状 作者成果 煤炭科学总院 研制的 KGJ-C 型综采工作面综合监测系统，通过使用压力传感器与位移传 感器对工作面支架工作阻力以及支架立柱伸缩量等连续监测来掌握顶板压 力的变化情况， 并对顶板初次来压及周期来压做出了准确的预测， 确保矿井 的安全生产[2223]。 陈诚 进行了软岩巷道变形监测系统的研究与开发， 研究成果有利于深部软岩巷道 围岩稳定性的及时准确评价[24]。 赵子巍 研制了围岩变形可视化监测与分析系统， 该系统基于激光测距的自动监测技 术监测围岩变形数据，经监测数据的分析建立了相应的预警准则[25]。 西安科技大学 开发出岩石离层多点位移测量指示仪[26]、围岩失稳声光电集成监测系统[27] 及其监测方法、 研究出煤矿环境参数及工况参数无线监测装置和自动报警网 络通信控件系统。 殷大发 研发的包括顶板离层监测与锚杆受力监测的巷道围岩稳定监测预警系统， 确 定了顶板锚杆受力、两帮锚杆受力、顶板离层值的围岩稳定参考值[28] 徐剑坤 研发的岩体变形实时监测实验系统， 提出了基于机器视觉的巷道变形实时监 测方法，现场监测并预警煤矿巷道的变形破坏[29]。 连清望 采用模糊数学理论，构建了采场顶板和巷道围岩的多因素灾害综合预警模 型， 研制出矿井顶板状态的智能监测及预警软件， 并应用于矿井顶板状态与 灾害预警系统，实现了采场顶板与巷道围岩监测系统的智能预警功能[30]。 张洁 提出了一种基于工业以太网顶板离层在线监测预警系统，通过构建基于 ZigBee 协议的无线传感器网络，给出了该系统的硬件与软件设计，实现对 井下环境数据的采集、传输。测试结果表明，该系统能够对沿空掘巷顶板离 层在线精确测量，误差保持在4.8之间，相较人工测量预警能力得到明显 提高[31]。 在顶板安全预警、 灾害决策研究方面， 太原理工大学[32-35]与山西巨安电子科技公司[36] 西安科技大学硕士学位论文 4 取得了一定的成果， 并提高了监测传感器的精度。 采用单一手段监测具有一定的局限性， 因此一些专家学者集成地质雷达、微震、地音、电磁辐射、钻屑法等多种监测方法对巷 道稳定性（主要是顶板）进行综合化、智能化、高效-精确监测，从不同角度综合刻画围 岩稳定性，如表 1.3 所示。 表表 1.3 顶板监测方法研究顶板监测方法研究 作者成果 李志军 综合运用煤矿开采学、岩层控制理论、力学等手段，采用理论分析、数值计算和现场 实测的方法，应用矿井顶板安全状态连续监测与灾害预警系统软件，分析大采高超长 工作面顶板灾害，做出预警并给出防治措施[37]。 祝云华 在巷道开挖施工过程中采用地质雷达探测技术进行了超前预报探测，预报了掘进迎头 前方的地质信息，并对比分析验证了预报结果的准确性[38]。 来兴平 通过理论分析、GPR 地面与地下立体联合探测急倾斜煤层采空区结构特征，为现场开 采设计与灾害防治提供科学依据[39]。 何学秋 通过对煤岩体损伤及冲击动力破坏特征与微震与电磁辐射以及声发射等前兆信息的耦 合关系研究，提出了煤岩体冲击破坏前兆信息辨识准则与监测原理，建立了煤岩冲击 动力灾害的连续监测预警技术体系[40]。 窦林名 基于煤岩破坏的不同裂隙发展阶段与微震、应力、声电等参量响应的关系，建立了煤 岩冲击破坏的多信息归一化预警力学模型，形成基于时空架构的冲击矿压“应力场– 震动波场”综合监测预警技术，该项技术提高了煤矿冲击矿压监测预警的准确性[41]。 张楚旋 基于微震活动性参数研究在岩体稳定性预报中的重要性， 提出“能量指数与累积视体积 之比EEI”以及“施密特数与累积视体积之比EScs”的概念，并将其作为岩体稳定性预 测的参数[42]。 徐军见 提出的区域支架联合分析技术和预测波形自修正技术，通过对工作面局部区域内半数 以上支架在相近时间内达到来压判据判定周期来压和生产过程中顶板运动规律的统 计、分析、推理、修正，从而预测出周期来压波形，实现了工作面顶板灾害预测预警， 减少顶板灾害发生[43]。 安泽 通过采场顶板灾害的 6 个预警指标，即初撑力合格率、安全阀开启率、支架不保压率、 不平衡率、顶板周期来压步距、应力和地质异常区域的研究，安泽等研究出顶板监测 预警指标实时、自动分析算法，并建立了综采工作面顶板灾害监测预警平台[44]。 付东波 为了满足顶板灾害监测系统中实时扑捉 P－t 曲线进行灾害预警的要求， 付东波[45]对压 力监测传感器的要求进行分析并选型，提出了与设定阈值比较后记录的定值方式获得 有效数据的智能化采样模式。现场应用表明，基于此种智能化采样模式的顶板灾害压 力监测系统能够对顶板灾害进行预警，对顶板安全管理起到指导作用。 伴随着科技的进步，除了矿井顶板监测系统与现场矿井监测仪器的发展，数值模拟 1 绪论 5 与物理相似模拟实验分析方法也为矿井安全开采提供一种新思路与新手段。数值模拟方 面夏彬伟等[46]采用数值模拟分析与理论分析相结合的手段对长壁开采工作面的开采过 程进行了研究，确定了工作面周期来压和来压步距；郭信山等[47]采用数值模拟分析与现 场实测相结合的手段对采场顶板运动特征进行研究，预测出采场来压；基于对巷道顶板 离层的理论分析，严红等[48]采用数值模拟方法确定了巷道顶板离层的合理值；在理论分 析的前提下，成功[49]通过数值模拟结合现场实测预测出工作面岩层垮落步距。物理相似 模拟实验借助于声发射监测系统，来兴平等[50]通过构建三维物理模拟模型获取了综采 工作面开采过程中的围岩变形损伤前兆信息；侯定贵[51]通过构建不同煤层倾角下的物理 相似模拟实验，对深部煤层开挖过程中的巷道围岩变形监测预警规律进行了研究；姬松 涛等[52]通过物理相似模拟实验验证了岩层倾角仪对预测顶板初次来压的可靠性；伍永平 等[53]在大型三维立体模拟装置的基础上，借助于多指标在线监测系统，揭示了复合围岩 局部持久性变形特征， 该特征为监测现场巷道围岩产生的局部衍生灾害提供了一定依据。 1.3 论文研究的主要内容 本研究乌东煤矿北采区575 水平 43煤层工作面安全开采为研究背景，通过现场工 程调研，室内岩石力学实验、数值模拟以及现场多手段监测相结合的方法，锁定超前支 承压力影响下应力集中位置， 确定应力集中区域煤岩动力失稳危险性以及顶板变形情况， 具体的主要内容包括主要的研究内容如下 （1）以乌东煤矿北采区为研究分析对象，进行现场工程调研、充分了解乌东煤矿 的地质情况。对现场选取的煤岩样进行室内岩石力学测试，获取煤岩样物理力学性质， 为力学模型建立提供参数。 （2）基于实验室测试的煤层冲击倾向指数，从采动应力与煤岩层冲击倾向性能来 诊断工作面回采过程中发生动力失稳的危险性指数。 （3）通过数值模拟分析，研究综放工作面回采过程中，在动压影响作用下煤岩体的 应力分布及位移分布特征，分析超前支承压力的峰值及其影响范围，为现场重点监测范 围提供帮助。 （4） 基于顶板动态监测系统锁定煤层工作面回采过程中应力集中区域， 然后利用钻 屑法钻孔窥视对该区域进行定点监测，根据监测结果确定该区域冲击危险性及顶板支 护情况，然后采取相应的解危措施。 1.4 研究方案与技术路线 1.4.1 研究方案 （1） 现场工程调研获取乌东煤矿地质构造和煤层赋存状态， 通过对现场采集的典型 西安科技大学硕士学位论文 6 煤岩体试验样本进行加工和测试得到煤岩体的基本物理和力学参数，基于已获取参数以 及工作面开采深度，综合分析工作面回采过程中可能发生动力失稳危险性大小。 （2）基于 FLAC3D 建立工作面不同推进距离下的数值模拟，锁定应力集中区域， 确定超前支承压力范围，。 （3）通过对工作面推进过程中采用局部监测（顶板动态监测预警系统）定点监测 （钻孔电视以及钻屑量监测方法）的综合监测方法，确定工作面回采过程中应力集中区 危险性，根据监测结果采取相应的减危措施来消除危险，防止灾害发生。 1.4.2 技术路线 采用理论分析，数值模拟及现场试验等综合性的研究方法，拟建立急倾斜特厚煤层 开采顶板灾害监测方法。 结合急倾斜特厚煤层煤岩体冲击倾向性能，开展理论模型分析，确定工作面发生灾 害的可能性。采用 FLAC3D数值模拟计算工作面回采不同推进度下煤层开采引起的应力 变化，确定超前支承压力范围及应力峰值位置，提出重点监测范围。并以顶板动态震监 测预警系统为主，进行局部区域监测，确定开采中受采动影响，煤岩层出现应力异常区 域及危险性，然后通过钻屑法监测钻孔窥视对该区域进行定点监测，提高监测结果的 准确性，根据综合监测结果，采取相应减危措施（卸压、加强支护等），保障工作面安 全生产。 图 1.1 技术路线图 2 乌东煤矿矿区概况及其顶板破坏特征 7 2 乌东煤矿矿区概况及其顶板破坏特征 2.1 乌东煤矿矿区概况 2.1.1 地质构造 乌东煤矿井田处于准南煤田东南段，位于八道湾向斜南、北两翼，地理坐标为东经 8740′53″～8747′57″；北纬4353′06″～4356′30″。该区域内发育有多种地系，整体升降 不平，有多种断层地质构造。八道湾向斜穿过矿区的中部，在轴向的方向为 3065， 轴面南倾斜。南区位于八道湾向斜南翼。南坡是一个斜陡倾单斜倾向于东北的倾角 8389，东部下降略低于西方。 其中北区位于八道湾向斜北翼，，靠近碗窑沟逆冲断层，含煤地层为侏罗系中统西 山窑组。向斜北翼构造简单，倾角 40-51（西陡东缓，东部地表标高 872-810m，西部为 811-748m），无大的断层，煤层顶部西面发现有小的斜交断层或断层迹象，影响范围小， 底部尚未发现断层。 采用水压致裂法、孔径变形法、孔壁应变法和空芯包体应变法对乌东煤矿北区现场 地应力进行测试， 结果表明北区地应力是以水平压应力为主导， 最大主应力值为 7.0MPa， 方向为 N27.8W；最小主应力值为 3.5MPa，方向为近水平；垂直主应力值为 4.7Mpa， 具体详见图 2.1 所示。 图 2.1 乌东矿区地应力作用特征 2.1.2 煤层概况 该矿主采煤层为 B3643和 B1245煤层。其中 43煤层结构较为复杂，走向大致 西安科技大学硕士学位论文 8 为 N68E，倾向 157，煤层厚度变化较大，呈东厚西薄趋势，煤层最大水平厚度为 36m， 最小水平厚度为 30m；倾角 42-46，走向上在局部有 0-5的变化。该煤层变质程度较低， 为弱粘煤，其化学性质为原煤水分（Mad）含量一般为 2.73～4.01，灰分（Ad）产率 一般为 8.38～19.65，挥发分（Vdaf）产率一般为 33.68～36.97；浮煤挥发分（Vdaf） 产率一般为 32.37～35.44。 45煤层结构较简单，走向大致为 247，倾向 157，煤层分布变化不大，平均厚度 为 30m；倾角 43-45。该煤层变质程度较低，为长焰煤，其化学性质为原煤水分（Mad） 含量一般为 3.50～5.14，灰分（Ad）产率一般为 11.97～24.56，挥发分（Vdaf）产率 一般为 39.48～47.12；浮煤挥发分（Vdaf）产率一般为 38.40～42