基于应力场时空演化规律的钻孔法突出预测理论及实践.ppt

基于应力场时空演化规律的钻孔法突出预测理论及实践,,煤炭科学研究总院重庆研究院ChongqingInstituteofChinaCoalResearchInstitute,孟贤正MengXian-zheng,Temporalevolutionofstressfield-baseddrillingoutburstpredictiontheoryandpractice,汇报提纲,,采掘工作面突出钻孔预测现场应用,基于不同应力场分布钻孔预测指标敏感性分析,工作面钻孔法突出预测基础理论,工作面前方应力场时空演化一般规律,引言,,1,2,3,4,5,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,6,主要结论,一、引言,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,,,突出等动力灾害,采深,,,,开采深度增加，煤与瓦斯突出危险性增加；某些矿区同一煤层具有突出、冲击地压等动力灾害趋势增加；采取预抽区域性措施后仍发生应力主导型突出，难以用传统的突出机理或冲击地压理论解释；常规钻孔预测指标出现“低值”突出。,一、引言,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,采掘应力场演化,集约化高强度开采技术,传统预测指标,煤岩体在高地应力、高瓦斯压力、高温等环境下其力学特征有别于浅部煤岩。,引起突出的时空因素发生演化,静态反映突出影响的要素，不能反映动态时空演化规律。,二、工作面前方应力场时空演化一般规律,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,应力场主控因素埋深、地质构造、煤层物理力学特性、顶底板岩性、巷道几何空间、掘进工艺等因素有关。采用准静态力学分析法，考虑掘进过程煤体强度的时间效应，掘进面前方煤体应力演化理论公式,,,-,,二、工作面前方应力场时空演化一般规律,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,工作面弹塑性单峰应力分布状态，见图1；但深部开采煤岩体在高应力等长期作用下进入流变状态，工作面前方应力状态分布十分复杂，硬脆煤层工作面附近煤层可能为非单峰的复杂应力分布曲线，见图2；特别松软煤层在高应力作用下煤体屈服直接进入蠕变状态，应力峰值不明显，见图3。,,,-,,,,,图1工作面前方单峰应力分布图2工作面前方多峰应力分布图3工作面前方蠕变应力分布,,,,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,三、工作面钻孔法突出预测基础理论,采掘工作面突出预测是在外界诱导能量相对稳定条件下，对煤岩体地应力、瓦斯压力、煤的物理力学性质等综合作用状态的预测，其中工作面前方应力场时空演化规律是决定工作面能量（弹性能与瓦斯潜能）分布的前提。当外界诱导能量发生突变时，即工程因素突变时也可能引起工作面应力场突变产生失稳现象。,三、工作面钻孔法突出预测基础理论,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,工作面围岩应力场在正常情况下，随工作面推进，有规律地向煤体深部运移与演化，一般不会导致煤体失稳引起动力现象；当工作面遇到异常地质条件，煤岩体出现强度破坏，失稳的可能性增加，易引发动力现象。,深部矿井煤岩动力现象特征与作用力,,,,,,地应力作用,瓦斯作用,冲击地压,瓦斯作用,地应力作用,煤与瓦斯突出,煤岩瓦斯压出,煤岩瓦斯冲击,三、工作面钻孔法突出预测基础理论,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,对于工作面前方煤层单峰应力分布，弹塑性状态下工作面煤层集中应力区高能级（弹性能与瓦斯潜能）是发动突出的主要能量中心。预测孔深（8～10m）范围测试指标S、K1或△h2、q及Cq等能较好地反映突出的主控因素。对于工作面前方煤层非单峰应力分布，预测孔深（8～10m）范围内的煤体在峰后非线性变形条件下，发动突出的能量中心为远离预测孔深外的煤岩体，采用传统钻孔预测手段有一定的局限性。,四、基于不同应力场分布钻孔预测指标敏感性分析,4.1钻屑量S及孔深系数S′,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,钻屑量S综合反映煤层地应力、瓦斯和煤体物理力学性质。,,钻屑量孔深系数S′，为S与其所在深度比值，主要反映S沿孔深的分布规律；同时，反映工作面地应力分布、能级变化及煤体力学特性.,S′Smax/L,针对高应力作用下工作面前方非单峰应力分布，S预测指标出现“低值”突出，S′指标较好地弥补了S静态指标的局限性。,四、基于不同应力场分布钻孔预测指标敏感性分析,4.2钻屑瓦斯解吸K1指标,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,K1是综合反映煤层瓦斯压力和含量、煤体的力学性质以及煤层构造破坏的程度等因素的预测指标。,,q及衰减Cq综合反映了煤层瓦斯压力、应力状态、煤层透气性和煤的瓦斯放散能力。,q指标对地应力、瓦斯主要因素突出具有敏感性，该指标与Cq指标联合使用可以剔除透气性与突出无直接关系的影响，提高预测准确性。,K1APB,4.3钻孔瓦斯涌出初速度q及衰减Cq,q2.8348f-0.1615б0.2106λ0.6174P1.4576Cq1.3741f0.1671б-0.1747,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,埋藏深，应力大煤层瓦斯含量高极松软（坚固性系数f0.1～0.8）透气性低瓦斯压力大矿区老区、新区煤层发生的煤与瓦斯动力现象存在差异。,淮南矿区开采特征,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,5.1半煤岩巷掘进基于地质异常工作面突出预测,试验区位于51采区，标高-730～830m，走向长1688m，倾斜长195m；煤层倾角21，煤厚0.41.6m，平均1.0m。煤层顶板23m砂质泥岩，底板为23m炭质泥岩。小构造节理发育，煤体硬脆，局部存在软分层，巷道半煤岩巷掘进,,坚固性系数f0.33～0.58瓦斯放散初速度△P4～10,图4C15煤层解吸特性K1P曲线,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,工作面正常及异常（出现突出预兆）指标平均值统计分布规律分别见图5、6，工作面异常时Smax、K1max分别为6.5～10kg/m、0.53～1.3ml/g.min1/2。,图5预测正常及异常情况K1曲线,图6预测正常及异常情况S曲线,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,异常地质条件｛工作面主体煤Ⅳ、Ⅴ结构｝∪｛工作面软分层厚度mr≥300mm｝∪｛煤层厚度动态变化系数δ≥30％｝，∪｛小褶曲轴部｝∪｛断层落差HH＜1m，10m范围；1m≤H≤3m，15m范围；H＞3m，20m范围｝S0＝6.0kg/m、K10.5mL/g.min1/2。,正常地质条件｛工作面主体煤Ⅱ、Ⅲ结构｝∩｛工作面软分层厚度mr＜300mm｝∩｛煤层厚度动态变化系数δ＜30％｝，S0＝7.0kg/m、K10.7mL/g.min1/2；,新的动态预测指标指导矿井安全掘进4000m，预测不突出准确率100，巷道月掘进速度由62m提高到124m。,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,5.2高地应力高瓦斯压力特软煤层掘进工作面突出预测,试验区位于56采区，标高-529613m；煤层倾角30，煤厚0.74.0m，平均3.2m。顶板为27m砂质泥岩，底板为24m泥岩。煤层松软，软分层发育且厚度较大（软分层f0.1～0.2，H200800mm）。巷道变形严重,,瓦斯压力P3.4MPa瓦斯含量W11.1m3/t瓦斯放散初速度△P4～11,图7B4煤层解吸特性K1P曲线,σ1rH19.5Mpa15.36Mpa＝1.271,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,工作面正常及异常（出现突出预兆）指标平均值统计规律分别见图8、9，工作面异常时Smax、K1max分别为4.0～6.6kg/m、0.30～0.33ml/g.min1/2。,图8预测正常及异常情况K1曲线,图9预测正常及异常情况S曲线,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,,,,掘进2000m，不突出100,K10.3mL/g.min1/2,S4.0kg/m,应用效果,瓦斯解吸指标,钻屑量,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,5.3高地应力、低瓦斯含量硬脆煤层掘进工作面突出预测,试验区标高-840～-895m，走向长1850m，倾斜长253m，煤厚平均3.0m，煤层倾角0～6，顶板泥岩，底板砂质泥岩。预测指标（K1＝0.13mL/g.min1/2、Smax＝4.6kg/m和Smax3.8kg/m、△h280Pa）发生2次低指标压出。,,P0.5MPaW5.2m3/tf0.69～0.79△P3～5,图10B11-2煤层解吸特性K1P曲线,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,工作面正常及异常（出现突出预兆）指标平均值统计分布规律分别见图11、12，工作面异常时S、S′范围分别为6.5～10kg/m、0.9～1.05kg/m/m。,图11预测正常及异常情况S曲线,图12预测正常及异常情况S′曲线,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,工作面正常及异常q指标平均值统计分布规律见图13，q超标范围为4.3～7.4L/min。,图13预测正常及异常情况q曲线,,,,,,,致力安全科技提升生命保障,五、采掘工作面突出钻孔预测现场应用,预测指标指导矿井安全掘进5000m，预测不突出准确率100。,,钻屑量S及孔深系数S′S06.0kg/m；S′00.9kg/m/m；q0﹤2.5L/min，无突出危险；q0≥5L/min，有突出危险｛2.5≤q0＜5L/min｝∩｛Cq＞0.65｝无突出危险｛2.5≤q0＜5L/min｝∩｛Cq≤0.65｝有突出危险,（1）采掘面应力场时空演化分布规律是钻孔法预测的基础，含瓦斯煤层应力场演化分布规律具有的复杂性和相对稳定性决定了钻孔预测指标敏感性及其临界值是有条件的、相对的。,,（2）工作面预测钻孔深范围煤体为单峰应力曲线分布，发动突出的能量中心位于集中应力区，S、K1或△h2及q等预测指标，预测工作面突出危险具有较好的准确性与可靠性。,六、主要结论,,,,,致力安全科技提升生命保障,,（3）高地应力条件下工作面预测孔深范围煤体为非单峰应力曲线分布时，发动突出的能量为远离预测钻孔控制的应力峰后特性煤体的高能级煤岩体，传统钻孔预测指标具有局限性。,,五、主要结论,,,,致力安全科技提升生命保障,,,（4）高地应力、低瓦斯含量硬脆煤层预测孔深范围多峰应力分布时，采用钻屑量S结合孔深系数S′等指标可以显著提高应力主导型突出准确性，丰富了敏感指标确定理论。,（5）针对薄煤层半煤岩巷掘进，基于地质异常应力场演化采用动态预测指标体系，提高了预测精度，试验区巷道掘进速度提高一倍。,（6）高地应力、高瓦斯压力特别松软煤层钻屑法预测指标具有敏感性，指标临界值降低。,ThankYou,预祝大家工作顺利身体健康,