鲁西煤矿微地震事件与覆岩运动特征的研究.pdf

分类号分类号 TD31TD31密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码1 104240424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 鲁西煤矿微地震鲁西煤矿微地震事件与事件与覆岩运动覆岩运动 特征特征的研究的研究 蒋蒋 升升 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名张兴民张兴民职职称称教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名徐徐良良职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○○○六年五六年五月月 论文题目论文题目 鲁西煤矿微地震鲁西煤矿微地震事件与事件与覆岩运动覆岩运动 特征特征的研究的研究 作者姓名作者姓名 蒋蒋升升入学时间入学时间2004 年年 3 月月 领域名称领域名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师张兴民张兴民职职称称教教授授 副指导教师副指导教师徐徐 良良职职称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2006 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2006 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 STUDY ON THE MIROSEISMIC EVENTS AND THEABOVE STRATA MOVEMENT CHARACTER IN LUXI COAL MINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Jiang Sheng Supervisor Professor Zhang Xingmin College of Natural Resources and Environmental Engineering May 2006 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除了所列参考文献和世所公认的文本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除了所列参考文献和世所公认的文献献 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。作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 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 Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 1 摘摘要要 利用山东科技大学研制的微地震监测仪器在鲁西煤矿成功进行了国内第一次井下微 地震监测试验，收集了大量微地震事件。通过信号处理与解释，确定了这些事件的空间 位置。本文在分析大量有效微地震信号的基础上，通过理论研究与工程对比，确定了微 地震事件与覆岩破坏机理、覆岩运动规律、 “两带”发育规律的关系，研究了鲁西煤矿上 覆岩层的运动规律并确定了导水裂隙带高度。 结合鲁西煤矿实际情况，通过分析进一步得到在工作面两边实体煤情况下，上覆 岩层形成“O”型空间结构，地表处于非充分采动阶段；在工作面一边实体煤、另一边采 空情况下，形成上覆岩层的“S”型空间结构，进入这个阶段后，最小开采尺寸为 270.00- 300.00 米，已经接近充分采动的临界值 345 米，地表已经进入充分采动阶段。根据监测 结果和理论计算预计，并参考邻近矿井实际观测结果，在充分采动阶段鲁西矿的导水裂 隙带高度定为 255 米比较合理。这一研究结论给煤矿提高开采上限提供了理论依据， 并且，鲁西煤矿微地震监测结果为今后的井下微地震监测研究提供了技术和经验。 关键词关键词煤矿、微地震、监测、微地震事件、上覆岩层运动规律、导水裂隙带高度 山东科技大学硕士学位论文摘要 2 AbstractAbstract The domestic first underground microseismic monitoring test in LUXI coal mine has been succeed with the microseismic monitoring instruments which made by the ShanDong University of Science and Technology. A Large of microseismic events have been recorded in the test. After signal processing and interpreting the position of microseismic events have been confirmed. This paper analyzed the relation between the microseismic events and the failure mechanism of above strata and studied the movement law of above strata and determined height of the pervious fissure zone in Luxi coal mine. By further analyzing as things are in LuXi coal mine, there obtained the above strata moving law as following The “O” type space structure ed in the condition of twoside is entity pillar and the terrene is nonsufficiency exploiting. The “S” type space structure ed in the condition of oneside is entity pillar oneside is goaf, and the minimum exploiting size is 270.00300.00 meter. It’s nearly the 345m, so that the terrene is sufficiency exploiting. in the condition of sufficiency exploiting the proper height of the pervious fissure zone is 255 meter in LuXi coal mine by monitoring and the counting prediction and consulting other mine right round. This conclusion offered gist in theory for increasing the height of exploiting. Otherwise the underground microseismic monitoring test in LuXi coal mine offered technique and experience in the future. Key wordscoal mine, microseismic, monitoring, microseismic events, the above strata movement law, height of the pervious fissure zone 山东科技大学硕士学位论文目录 i 目目录录 1绪论1 1.1课题研究的意义 1 1.2国内外研究现状4 1.3论文主要研究内容、方法和技术路线8 2覆岩破坏机理与运动规律研究10 2.1覆岩破坏机理10 2.2覆岩受力状态17 2.3覆岩运动规律19 2.4“两带”发育规律与影响因素24 3微地震监测研究28 3.1 微地震的产生机理28 3.2 微地震波的传播规律29 3.3井下微地震监测研究32 4鲁西煤矿微地震监测37 4.1鲁西煤矿地质概况37 4.2井下微地震监测位置40 4.3微地震仪器与观测系统设计42 4.4微地震监测与数据处理53 5鲁西煤矿覆岩运动规律与“两带”高度研究59 5.1鲁西煤矿覆岩运动规律分析59 山东科技大学硕士学位论文目录 ii 5.2井下微地震监测结果与导水裂隙带高度研究62 5.3工程类比案例68 6主要结论与展望69 参考文献71 致谢74 山东科技大学硕士学位论文目录 iii Contents 1Introduction1 1.1Research meaning of project1 1.2Domestic and overseas study survey and extant problems4 1.3Central study contents and skill route8 2Study on failure mechanism and movement law of above strata10 2.1Failure mechanism of above strata10 2.2Stress of above strata17 2.3Movement law of above strata19 2.4Developing law of “doublezone” and influencing factors24 3Study on microseismic monitoring 28 3.1The Production mechanism of microseism28 3.2The transmission law of microseismic wave29 3.3Study on the under ground microseismic monitoring32 4Microseismic monitoring in LuXi coal mine37 4.1Geology general situation of LuXi coal mine37 4.2The monitoring position of micro seismic under ground40 4.3Microseismic equipment and design ofobservation system42 4.4Microseismic monitoring and data processing53 5Study on the movement law of above strata and “double zone” height in LuXi coal mine 59 5.1The movement law analyzing of above strata in LuXi coal mine59 5.2The result of under ground microseismic monitoring and study on the height of the pervious fissure zone62 5.3Analogue of projects68 6Primary conclusions and expectation69 REFERENCE71 ACKNOWLEDGEMENT74 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究的意义 能源是人类生产、生活的一个基本条件。能源问题始终是全球性的重大问题[1]。我 国煤炭产量和消费量都占世界第一， 煤炭资源总量位居世界第一，可采储量为 2040 亿 吨，位居世界第二，是世界上少数几个以煤为主要能源的国家。煤炭是中国的主要能源， 2004 年在一次能源中占 75左右，这种格局在今后较长时期内不会有大的改变。我国煤 炭具有其它能源无可比拟的优势，煤炭约占我国化石能源的 95，储量的 90[2]。因此 煤炭资源的开采在我国具有举足轻重的作用。 随着科技水平的提高和企业管理的规范，我国煤矿安全生产状况从总体上讲，出现 了不断好转的局面。在开展机械化生产、原煤产量不断提升的情况下，1949 年至 2000 年全国煤矿百万吨死亡率总体趋于稳步下降态势。1999 年煤矿的百万吨死亡率为 6.08， 2000 年为 6.0，2001 年为 5.85，2002 年为 5.0。 “九五”期间比“六五”期间煤矿百万吨死 亡率下降约 32.19，比建国初期下降约 52.94。但是煤矿灾害事故仍然频繁发生，煤 矿企业 2000 年发生伤亡事故 2863 起、死亡 5798 人；2001 共发生死亡事故 3082 起、死 亡 5670 人；2002 年共发生死亡事故 4344 起，死亡 6995 人。在 2004 年 710 月的 1052 起事故中，矿业事故占 63.4，平均每天 5.4 起，1052 起事故共死亡 2909 人，伤 2499 人，矿业事故占死亡人数 43.2，由此可以看出矿业事故发生起数和死亡人数仍然占很 大比重[3]。煤矿安全依然遭受诸如瓦斯爆炸、突水、煤壁片帮和顶板冒落、冲击地压和 煤层自燃等主要灾害的威胁。 随着煤矿开采的深入和技术的发展，水体下采煤是目前许多煤矿面临的问题。煤层 开采后形成的采场空间，必然会引起围岩（包括煤层本身）的原始应力变化，当围岩所 承受的应力超过它的极限强度时，就会发生位移、开裂、断裂、直至破碎冒落。煤层回 采后，采空区顶板方向采动破坏有 5 种主要类型[4]。 1.“三带”型破坏 以长壁工作面为代表的大面积均匀采煤，造成采高大致相同的采出空间，它的采动 影响在垂直剖面上是以采场为中心，以顶板及煤壁为起点向四周扩展，并逐渐减弱或消 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 2 失，因而它具有一定的分带性，并且比较有规律，也常称为规律性采动破坏。 规律性采动破坏在采空区上方岩层中形成冒落带、裂缝带和弯曲下沉带。 “三带” 型破坏是开采层状矿体最普遍形式，其特点是 1冒落带与裂隙带的最大高度与采厚近似呈分式函数关系递增，与岩性则呈线性关 系递增； 2冒落带与裂缝带的分布形态近似马鞍形； 3弯曲下沉带内的岩层，特别是松散层一般呈整体性移动； 4地表裂缝一般多发生在地表移动盆地的外边缘区，在有第四纪地层覆盖的条件 下，地表裂缝深度仅数米； 5如果覆岩内有软弱、塑性岩层时，地表裂缝与冒落带、裂缝带无水力联系。 2.抽冒型破坏[5] 如果煤层上面全部为极软弱岩层或松散层，当开采深度较小或接近松散层开采时， 在采空区内无冒落矸石支撑的情况下，覆岩会发生局部性向上垮落的抽冒型破坏，甚至 在地表发生漏斗塌陷坑，严重威胁水体下采煤的安全。其特点是 1急倾斜煤层倾角越大，顶底板岩层越坚硬，煤质越松软时，发生抽冒的可能性越 大； 2冒落在采空区内的煤与岩块越不能在原地堆积，发生抽冒的可能性越大； 3采空区上方岩层或松散层富水性越强，发生抽冒的可能性越大； 4在开采急倾斜煤层和断层破碎带附近， 在同一地点， 有可能多次重复地发生抽冒。 同时，抽冒型破坏多发生在以落垛、托煤顶等采煤方法为代表的采场。其原因是采 高很不均匀，采出空间不规则，覆岩的采动破坏在垂直剖面上不具备分带性，没有规律 可循，也称为非规律性采动破坏。 这种破坏对于地表水下采煤，具有极大的危害性。 3.切冒型破坏[6] 如果煤层上面全部或大部为极坚硬岩层，当开采深度较小例如 100150m 以内和 开采面积达到一定范围， 且采空区内煤柱总面积与开采区总面积的比值小于 30－35， 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 3 或虽大于 35但煤柱不规则或长期水浸时，覆岩产生切冒型破坏，地表出现突然塌陷。 其特点是 1一次冒落的面积大； 2冒落发生的开采深度不大，一般在 100m 以内； 3冒落岩体的整体如同反漏斗形状，其四周的断面与水平面的夹角为 6585； 4冒落范围多呈圆形、椭圆形或大体沿回采边界发展，一般小于回采面积； 5冒落后地面多出现纵横交错的开口裂缝，但均在采空区边界以内。 4.拱冒型破坏[7] 如果煤层上面某一高度上为极坚硬岩层（关键层）时，随着采空区的扩大，该极坚 硬岩层以下的岩层会发生拱冒型冒落，冒落达到该极坚硬岩层时，形成悬顶，即形成拱 冒型破坏。其特点是 1采空区周围冒落高度小，中央冒落高度大，形成冒落拱形； 2冒落有时是瞬时发生的，有时是逐次发生的，取决于岩性及其组合结构等因素。 5.弯曲型破坏[8] 如果煤层上面全部为极坚硬岩层或煤层直接顶为巨厚的极坚硬岩层，开采后采空区 内又有煤柱支撑，煤柱总面积与开采区总面积的比值大于 3035，且煤柱尺寸合理， 分布均匀时，该极坚硬岩层能形成悬顶，因受到煤柱的支撑，覆岩不发生冒落性破坏， 而产生弯曲型破坏，此时，地表的最大下沉仅为煤层采高的 110。 水体下采煤的主要危险，在于开采后覆岩（指所采煤层以上的地层）的导水裂缝带 达到或触及各种水体时，水就会通过这些裂缝透入矿井；裂缝越发育，单位时间内透入 矿井的水量就越大。特别是采后的覆岩冒落带直接达到或触及各种水体时，矿井就会发 生溃水、溃流砂、或溃泥石流等大事故。 为解决我国煤矿中存在的问题，实现煤矿生产安全化，本文采用国际先进的微震检 测技术来确定工作面上覆岩层“两带”高度以治理我国煤矿中的水下开采突水问题。 矿井突水问题一直是困扰煤矿生产的突出问题[9]。1950 年以来我国煤矿曾发生过数 百次突水事故，其中开滦范各庄矿于 1984 年 6 月 2 日发生突水量为 2053m3min1的特 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 4 大突水淹井事故，造成经济损失 5 亿元以上；近年来矿井突水事故也频繁发生，轻者造 成煤矿产量降低，重者造成重大人员伤亡或淹井致使煤矿关闭，给煤矿带来毁灭性的打 击。例如，2000 年 10 月 11 日，莱芜市温石埠矿区发生 3 人被堵井下的突水事故；2001 年 5 月 14 日重庆綦江县松藻矿务局逢春煤矿发生特大突水事故， 造成正在井下作业的五 名采煤队员死亡，另一名掘进队员身受重伤。2001 年 11 月 17 日，章丘市琅沟煤矿日发 生重大突水事故，造成 13 名矿工被困井下；2004 年８月５日，良庄矿 51302 工作面发 生涌水量一度最高达到 32ｍ３/min，超过了矿井特大突水点 1800m3/h 的等级标准的特大 突水事故，致使各采掘工作面被迫停产撤人。1996 年 11 月 24 日，峰峰矿务局孙庄煤矿 发生特大透水淹井事故，造成直接经济损失 21515 万元；2000 年 8 月 9 日，郑煤集团戈 湾矿发生淹井事故，10 名矿工遇难；2000 年 7 月 14 日，大平煤矿被淹，历时三个月才 恢复生产，损失约 5000 万元；2003 年 1 月 23 日，大平煤矿矿井被淹，30 多名矿工及时 撤退， 直接经济损失约 5000 万元。 从中可以看出煤矿突水事故的防治与煤矿的发展和生 存息息相关[4]。 山东里能鲁西矿业有限公司位于济宁市任城区二十里铺镇， 北距汶上县城约 17Km， 南距济宁市市区约 15Km。矿井始建于 2000 年 7 月 18 日，2002 年 9 月 9 日投产。矿井 设计采用立井单水平开拓方式，井型 45 万吨/年，2005 年可实际产出煤炭 80 万吨。 鲁西煤矿井田东起孙氏店断层，西至太原组 17 煤层露头线及 F12 断层，北部以北 纬 3537′00″为界，南到长沟断层，井田南北长约 9～10.5 公里，东西宽约 4.5～9.0 公里，井田面积约 54km2。 在首采区生产过程中，认识到原地质报告钻孔 61 和钻孔 71 将 2 煤层误判为 3 上 煤层，而实际情况是原地质报告中的 3 下煤层为 3 上和 3 下煤层合并层。由此推断，距 离一采区最近的二采区的钻孔 53 也存在同样的问题。为了安全开采一、二采区的煤炭 资源，因此对矿井开采上限进行研究。 分析本井田的地质条件、煤层赋存条件、开采方法等因素，结合已经开采工作面的 经验，认为本区域工作面开采后，将会产生规律性采动破坏，在采空区上方岩层中形成 冒落带、裂缝带和弯曲下沉带。本论文将基于目前国际先进的微震检测技术，在研究鲁 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 5 西煤矿上覆岩层运动规律基础上确定“两带”高度，以保证安全生产。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤矿覆岩“两带”高度国内外研究现状 煤层及其顶底板岩层存在于一定的地质环境之中，其形成和发展经历了地质历史时 期中各种内外地质应力作用的改造和影响，是一种受多种因素制约的复杂材料。这种复 杂性主要表现在岩体的不连续性、非均质性、各向异性以及赋存条件的差异性。制约 因素以不同方式的组合，构成了岩体的复杂模式，从而在人类采矿工程活动中，岩体的 变形、破坏形式和机制则显示出极大的差异性。因此，要正确认识岩体的环境条件和物 理力学属性，达到充分和有效地预测导水裂隙带高度的目的，还需要一个过程。随着新 的采煤方法的出现， 导水裂隙带高度的研究更要适应新的情况和条件。 从某种意义上讲， 目前的工作还仅仅是这一过程的开始。总体上，现有的理论和技术方法，还远不能圆满 地解决这一问题[10]。 导水裂隙带高度及形态研究是矿井开采中合理确定开采边界的基础，是矿井水体下 采煤安全生产的关键。对于近水平厚煤层矿井的开采，合理确定其开采边界，不但是安 全生产的问题，更是提高开采上限、扩大矿井储量，延长矿井服务年限，提高经济效益 的有效途径。据初步统计，自建国以来，我国己有十几个省五十多个煤矿，采用近十种 方法，对不同地质采矿条件下的薄、中厚。厚煤层分层开采的一百多个工作面的覆岩破 坏状况迸行过现场探测，得出了近水平至倾斜煤层开采后覆岩裂隙呈“马鞍型”的规律， “建筑物、水体、铁路及主要并巷煤柱留设与压煤开采规程”中归结了各类条件下计算 导水裂隙带高度公式[12]。 覆岩运动和破坏是一个复杂的动力学现象，其影响因素众多，对其研究存在很大的 难度。几十年来，国内外学者对其进行了大量的研究，取得了宝贵的成果和经验，但仍 然存在许多问题，目前仍处在经验积累和理论探索之中。 1.2.1.1 国外研究现状 国外对导水裂隙带的理论也进行了长期研究，并各自根据本国实际制订了相关规程 与规定。英国矿业局早在 1968 年就颁布了海下采煤条例，对覆岩的组成、厚度、煤层采 厚以及采煤方法等作了相应的具体规定； 日本曾有 11 个矿井进行过海下采煤， 海下采煤 的水患防治措施严密，安全规程针对冲积层的组成与赋存厚度作出了允许与禁止开采规 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 6 定；俄罗斯于 1973 年出版了确定导水裂隙带高度方法指南，1981 年颁布了有关水体下 开采的规程，根据覆岩中粘土层厚度、煤厚、重复采动等条件的变化来确定安全采深， 但这些规定与规程大多是统计经验而没有深入的理论与方法研究。 综放开采在国外经过了数十年的试验和发展，尤其是在法国、前南斯拉夫和匈牙利 等国取得了较好效果，但由于受各方面因素的影响，从 20 世纪 80 年代中期开始，其发 展势头逐渐衰弱，工作面越来越少，目前仅有东欧极少数矿仍在使用，其主要原因有 受客观条件的限制，适合放顶煤开采的煤层少；受严格的安全规程利放顶煤技术自身弱 点的制约环境保护方面的要求；传统综采的效益优势。基于上述的原因，从而导致了 在该条件下进行各项研究成果的缺乏。 1.2.1.2 国内研究现状 20 世纪 60 年代以前，煤炭资源开采的重点多集中在开采技术条件较好的地区，但 已有了水体下采煤的尝试。对导水裂隙带高度的研究基本上处于认识性阶段。主要从岩 层移动造成的地表沉陷等地质灾害出发，定性分析煤岩层的地质环境条件，进而利用经 验法或类比法对导水裂隙带高度进行初步预测，其特点为以煤岩层赋存条件为主要研 究内容；研究方法主要为定性描述和分析。 20 世纪 60 年代至 80 年代，为适应水体下采煤技术的迫切需要，开展了大量的用 专门的观测孔来研究开采导水裂隙带高度， 并就观测孔中水位变化及水的漏失量等方法， 提出了有效和无效导水裂隙的区分。同时进行试验性研究工作，特别是相似材料模拟技 术也得到了较快发展。我国诗多矿区在裂高现场观测资料和试验研究的基础上，结合煤 层的采出厚度、岩体的强度类型等，总结出不同覆岩类型条件下，煤层采出厚度与冒高。 裂高的相关关系式，并以此来指导实际生产。总体上说，该阶段仍处在经验积累阶段， 其研究特点为以上覆岩体地质环境为主要研究内容，但岩体力学环境已开始日益受到 重视；以导水裂隙带高度与岩体强度类型之问的关系为研究重点；研究方法已从定性描 述和分析向定量化研究迈出了可喜的一步。 20 世纪 80 年代以来，随着国民经济对能源需求的不断增长，许多水体下积压的煤 炭资源（如淮河下、微山湖下等） ，相继进入了建设和开发阶段。在借鉴国内外经验的同 时， 大规模开展了对水体下 （包括含水层下） 采煤覆岩导水裂隙带发育规律和防水煤 （岩） 柱留设的研究。我国开展了许多水体下采煤的专题性研究，取得了不少突破性进展，其 研究特点为①理论上更先进。开始引入现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性 力学、流变力学等理论和现代测试技术及计算机技术；②研究内容更广泛。除重点研究 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 7 地质构造、地层岩性、水文地质特征。岩体结构等地质条件外，还广泛研究了与覆岩移 动变形有关的原岩应力场。在深入研究岩体力学特性、时间效应的基础上，对裂隙带的 演变过程进行动态分析；③研究方法更先进。广泛应用物理模拟和数值模拟方法。使研 究的深度不仅仅局限于覆岩移动变形、破坏现象等方面，而且从覆岩变形破坏过程，影 响因素等方面去探讨导水裂隙带的形成机理， 在此基础上进行预测。 我国于 1985 年制订 了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 （简称为规程 ） ，详细 规定了导水裂隙带在各类条件下的计算公式及导水裂隙带形态的描述，也已获得了微山 湖下、淮河下、渤海湾地区水域下、华东、华北、东北地区巨厚流砂层下，以及许多矿 区的含水（砂）层下压煤开采的成功，为解放上亿吨煤炭储量提供了丰富经验。 以中国煤炭科学研究院刘天泉院士为代表的一批学者，经过几十年的研究、试验和 推广应用，对导水裂隙带的理论研究总体上已基本形成了各类条件下导高预计公式，对 影响导高发育的因素及导高发育的时间过程都有了较明确的认识。马伟民，郝庆旺等提 出了采动岩体空隙扩散模型以及考虑节理损伤的力学模型；王金庄，吴立新等研究了连 续大面积开采条件下托板控制岩层变形模型；姜福兴教授提出了“岩层质量指数” ；高延 法教授提出了岩移“四带”模型等，对解释和计算导水裂隙带的形状和高度具有较大的 帮助。 但我国对导水裂隙带的研究仍基本处于经验统汁、 类比、 数值模拟 （包括以 ADINA。 ANSYS、FLAC 为主的有限元以及 UDEC、MDEC 等离散元、边界元以及离散元与边界 元耦合等） 、相似材料模拟、实测（钻孔冲洗液法、钻孔电视法、瞬变电磁法、高密度电 阻率法、超声波穿透法、声波 CT 层析成像技术、井下仰孔注水测漏法等）以及某一类 条件的简单理论分析等的研究阶段。对于导水裂隙带高度的计算， 规程中给出一组统 计经验公式，该公式是基于当时炮采与普通机采、推进速度在 40InjD 左右的开采条件下 取得的，并且每～公式都有其应用条件。随着生产力水平的提高和发展，出现了分层综 采、厚煤层一次采全高、厚煤层综放开采及快速推进高产高效的新采煤技术。 规程中 的导水裂隙带高度的顶测公式不再完全适用，进而有必要对其进行新的探讨和研究，获 得在新型采煤方法条件下导水裂隙带的发育规律及导水裂隙带高度的确定方法。 1.2.2 微地震研究发展概述[13] 很多种材料在承受荷载时，都会有能量的聚集和突然释放现象。即材料在外界应力 作用下，其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值之后，会引起 微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随有弹性波或应力波在周围岩体快速释放 和传播。这种弹性波或应力波的释放过程，相对于较大尺度的岩体，由于高频衰减得快， 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 8 检测到信号的频率比较低但是能量大，通常在 20－200HZ，称为微地震；有时对于小尺 度的岩样，检测到的波的频率通常大于 200Hz，并且能量很小，称为声发射（Acoustic Emission，AE） ，二者的性质在很多方面相同，也没有非常明确的分类界限。其实，AE 和 MS 的真实源信号人们无法得到，实验室或现场得到的是检波器拾取的信号。无论实 验室还是现场，高频小能量的声发射事件非常密集，数据的处理比较困难，所以本文的 研究采取“抓大放小”的方法，主要研究能量比较大的，对岩体破裂产生重要影响的声 发射事件；结合岩石的尺度考虑，此类声发射事件实质上是岩体的微地震事件。为了避 免概念上的混乱， 有时把实验室和生产现场这样比较大尺度上的能量释放均称作微地震。 一般情况下，微地震信号的强度很弱，人耳不能直接听到，需要借助灵敏的电子仪器来 检测。通常认为，在岩石中位错可能产生微水平的微地震，而孪晶、颗粒界面的移动。 裂缝的产生和传播可能产生宏观水平的微地震。 微地震技术的发展已经历了半个世纪[14]。早在 1953 年，德国学者 Kaiser 在研究金 属特性时发现，受单向拉伸的金属材料，只有当应力达到材料所受的最大先期应力时才 开始出现明显的声发射现象， 这就是以他的名字命名的 Kaiser 效应。 岩石的 Kaiser 效应， 是指对取自地下一定深度的岩石试件进行单轴压缩试验，当所施加荷载达到岩石所经受 的先期最大应力值时，岩石开始出现明显的微震现象。其后，人们对微地震（或声发射） 在非常广泛的领域，如无损检测、油气勘探、地热开发、核废料储存、矿业开采等，进 行了很多研究，MS 技术也得到了越来越广泛的应用。目前微地震（或声发射）的研究 和应用主要集中在微地震机理的研究、微地震定位的研究、微地震信号提取和分析识别 研究。 1.3 论文主要研究内容、方法和技术路线 1.3.1 论文主要研究内容 （1）微地震观测方案的确定 本论文将就微地震观测方案确定进行，以达到最佳的观测效果和数据。 （2）覆岩层运动规律研究 在现有矿山压力理论的基础上，结合本矿实际，对上覆岩层运动规律进行研究。 （3）两带高度的确定 结合上覆岩层运动规律和微震监测数据，进行分析对比确定两带高度，最终指导安 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 9 全生产。 1.3.2 论文研究方法 为了使所研究理论和结果更适于现场应用，本论文采用理论分析（覆岩运动规律） 、 试验测试（微震监测） 、对比研究（结合两种理论和方法） 。 1.3.3 论文技术路线 经过上述分析，为完成研究内容和取得好的研究效果，技术路线如下图 1.1。 图 1.1 论文技术路线 Fig.1.1 The skill route of thesis 绪论 微震监测方案确定 覆岩运动规律研究及微震数据分析 结合两种理论和方法确定两带 主要结论 山东科技大学硕士学位论文2 覆岩破坏机理与运动规律研究 10 2 覆岩破坏机理与运动规律研究 2.1 覆岩破坏机理[15-27] 由于覆岩的力学性质不同， 上覆岩层的基本破坏形式一般有两种 一种是弯拉破坏， 另一种情况是剪切破坏。在相同条件下，岩梁首先产生拉伸裂隙，但当岩梁厚度较大且 刚度较高而产生的弯曲沉降不大时，由于拉应力超过岩梁抗拉强度在梁端头产生的裂隙 未贯通岩梁全厚，当工作面推至岩梁部分开裂位置时，上覆岩层在剩余抗剪断面上形成 的剪应力超过其抗剪强度，岩梁则被剪断而冒落。 2.1.1 弯拉破坏 由于采场不断向前推进，上覆岩层悬露，在其重力的作用下弯曲下沉，当其弯曲沉 降发展至一定程度以后，在伸入煤壁的端部开裂，岩层由固支梁转化为简支粱，最大弯 矩由梁的端部迅速转移到梁的中部，使岩梁开裂、冒落，形成“假塑性岩梁” 。岩梁的断 裂和冒落过程可以分为两种情况 一是当其下部冒落空间大于上覆岩梁的最大沉降值时， 岩层冒落；二是