冲击地压监测预警理论与技术.pptx

2019陕西省全省冲击地压灾害防治培训,潘俊锋副所长研究员中国煤炭科工集团首席科学家煤炭科学研究总院开采研究分院天地科技股份有限公司开采设计事业部2019年5月陕西应急管理厅,煤矿冲击地压危险性预测技术与装备,中国煤科,一、技术背景二、冲击地压危险性预测预警理论基础三、冲击危险性评价技术与装备四、冲击地压实时监测预警技术与装备五、冲击地压防治效果检验技术与装备六、冲击地压分源权重综合预警平台,,提纲,1957年建所隶属煤炭部，“煤炭科学研究总院北京开采研究所”在上市公司名称为“天地科技股份有限公司开采设计事业部”。“煤炭工业矿山压力情报中心站冲击地压分站”“中国煤炭学会岩石力学与支护专业委员会”“煤矿开采损害技术鉴定委员会”“煤炭工业开采信息中心站”“煤炭开采矿压与岩层控制工程中心”等专业学术机构挂靠单位。现有核心员工458人，其中研究员69人、副研究员78人、博士生导师15人，博士（后）38人，硕士生导师27人，硕士126人，事业部曾经培养出刘天泉、范维唐、康红普、王国法等中国工程院院士。煤炭科学研究总院博士后流动工作站和采矿工程专业博士、硕士学位授予点。,,单位简介,,冲击地压研究近60年，为全国最早研究单位，原煤炭部矿山压力情报中心站冲击地压分站。早在1958年起，即第二个五年计划就在门头沟矿开展了冲击地压探索研究。六五期间，重点从国外引进冲击地压监测方法与技术，并开展了冲击地压机理研究，李玉生提出了冲击地压发生的“三准则”机理。七五期间，主持起草了煤炭工业部部标准“煤层冲击倾向指数测定方法”，并在国际范围首次研制了KS系列膨胀枕式应力传感器。八五期间首次尝试将地震波层析成像方法应用于煤矿冲击地压危险性评价。九五期间，起草了煤岩冲击倾向性测定方法的两部煤炭行业标准。提出了冲击地压厚煤层综放开采技术。齐庆新提出冲击地压发生的“三因素”机理。十五期间，开发了冲击地压危险性评价的数量化理论法。十一五期间对原两项行业标准升级为国家标准，开发了冲击地压危险性评价的动态权重法。引进波兰ARAMIS微震等监测系统。开发了KJ21A冲击地压应力在线监测系统。十二五为快速发展时期，引进波兰ARESE地音系统，ARP2000地面微震，PASAT便携式微震仪。从冲击地压物理过程剖析出发，对机理、类型、评价、监测与防治进行了系统研究，潘俊锋提出了冲击地压的“冲击启动理论”并开发形成了集团队建设，理论研究，技术开发，产品销售，工程治理“五位一体”的煤矿冲击地压理论与科学防治成套技术体系。,,冲击地压研究历史与发展,潘俊锋，博士，研究员，硕士生导师，中国煤炭科工集团首席科学家。煤矿安全规程、煤矿防治冲击地压细则、防治煤矿冲击地压规定、陕西省冲击地压防治十条规定、国家标准等主要起草人。,荣誉称号（1）2012年10月，获“中国科学技术发展基金会孙越崎青年科技奖”。（2）2013年12月，获“中国煤炭工业杰出青年科技工作者”称号。（3）2014年9月，获“中国岩石力学与工程学会青年科技奖”。（4）2018年12月，获“全国杰出工程师青年奖”。社会兼职（1）2013年7月起，兼任第七届中国岩石力学与工程学会动力学专业委员会委员。（2）2016年11月起，兼任国家安全生产专家组成员。（3）2017年5月起，兼任中国煤炭学会煤矿动力灾害防治专业委员会，副主任委员。（4）2018年9月起，兼任中国煤炭学会岩石力学与支护专业委员会，委员。,,个人简介,一技术背景,1.精准防治是煤矿冲击地压灾害防治面临的重大技术难题,开拓、准备、回采数万米巷道，工作面卸压工程量巨大。,强支护不能防治，降低灾害显现程度，增加支护费用,卸压破坏围岩，增加维修费用,,,,一技术背景,预测范围,评价载荷,优化方案,预测冲击地压的方法,2.造成冲击地压不能够精准防治的主要原因是监测预警能力差,一技术背景,目前冲击地压监测现状及问题,2,3,2.造成冲击地压不能够精准防治的主要原因是监测预警能力差,一技术背景,一、技术背景二、冲击地压危险性预测预警理论基础三、冲击危险性评价技术与装备四、冲击地压实时监测预警技术与装备五、冲击地压防治效果检验技术与装备六、冲击地压分源权重综合预警平台,,提纲,加载过程材料失稳，导致工程结构体结构动力失稳的结果。卸荷过程结构稳定性遭到破坏，导致工程结构体材料动力失稳。,,,,冲击地压,动静加载型,纯静载自发冲击,加载过程冲击,卸荷过程冲击,,,,,,,,,二、冲击地压危险性预测预警理论基础,,（1）动、静载荷叠加型冲击地压的两种型式.,二、冲击地压危险性预测预警理论基础,,,开挖基础静载荷卸荷过程冲击力学模型,（2）纯静载荷冲击地压的两种型式。,卸荷过程,加载过程,二、冲击地压危险性预测预警理论基础,冲击地压启动理论,,3冲击启动区为应力极限平衡区，冲击启动的能量判据为。,冲击地压启动理论,1冲击地压发生是一个动力学过程，依次经历冲击启动-冲击能量传递-冲击地压显现三个阶段；,2采动围岩近场集中静载荷的积聚是冲击启动的内因，远场集中动载荷对静载荷的扰动、加载是冲击启动的外因；,一、技术背景二、冲击地压危险性预测预警理论基础三、冲击危险性评价技术与装备四、冲击地压实时监测预警技术与装备五、冲击地压防治效果检验技术与装备六、冲击地压分源权重综合预警平台,,提纲,冲击倾向性是识别煤岩体发生冲击破坏的能力、鉴定其是否具有发生冲击地压危险性的固有力学性质（GB/T25217.1-2010、GB/T25217.2-2010）。,三、开采前冲击危险性评价技术,冲击能量指数KEEs/Ex,弹性能量指数WETEsp/Est,动态破坏时间Dt,冲击倾向性实验室测定,界定冲击地压矿井的两种方法1矿井内煤层如果发生过冲击地压，则直接认定为冲击地压矿井。（工程界定）2矿井含有煤层、顶底板有冲击倾向性弱、强，并且评价结果为有冲击危险性（弱、中、强）的煤层。（技术界定）,存在冲击地压煤层的矿井为冲击地压矿井。煤层或者其顶底板岩层具有强冲击倾向性且评价具有强冲击地压危险的，为严重冲击地压煤层。开采严重冲击地压煤层的矿井为严重冲击地压矿井。,“防冲细则”第九条在矿井井田范围内发生过冲击地压现象的煤层，或者经鉴定煤层或者其顶底板岩层具有冲击倾向性且评价具有冲击危险性的煤层为冲击地压煤层。有冲击地压煤层的矿井为冲击地压矿井。,三、开采前冲击危险性评价技术,18,第十条有下列情况之一的，应当进行煤层（岩层）冲击倾向性鉴定（一）有强烈震动、瞬间底帮鼓、煤岩弹射等动力现象的。（前兆性动力现象初步判断）（二）埋深超过400米的煤层，且煤层上方100米范围内存在单层厚度超过10米、单轴抗压强度大于60MPa的坚硬岩层。（三）相邻矿井开采的同一煤层发生过冲击地压或经鉴定为冲击地压煤层的。（相邻矿井井田相邻）（四）冲击地压矿井开采新水平、新煤层。（曾经鉴定过，新水平、新煤层重新鉴定，同一水平、同一煤层、同一地质单元可鉴定一次）,三、开采前冲击危险性评价技术,19,第十一条煤层冲击倾向性鉴定按照冲击地压测定、监测与防治方法第2部分煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法（GB/T25217.2）进行。,第十二条顶板、底板岩层冲击倾向性鉴定按照冲击地压测定、监测与防治方法第1部分顶板岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法,三、开采前冲击危险性评价技术,20,煤岩冲击倾向性测定标准,煤层,顶板,21,第十三条煤矿企业煤矿应当委托能够执行国家标准（GB/T25217.1、GB/T25217.2）的机构开展煤层（岩层）冲击倾向性的鉴定工作。鉴定单位应当在接受委托之日起90天内提交鉴定报告，并对鉴定结果负责。煤矿企业应当将鉴定结果报省级煤炭行业管理部门、煤矿安全监管部门和煤矿安全监察机构。,煤岩冲击倾向性鉴定由煤矿企业委托具有煤岩冲击倾向性鉴定能力的机构进行。为了便于管理和监管，煤矿企业应当将煤岩冲击倾向性鉴定结果报送省级煤炭行业管理部门和省级煤矿安全监察机构备案。谁鉴定谁负责谁签字谁负责,谁来鉴定国家没有审批资质，检测检验资质取消。,三、开采前冲击危险性评价技术,冲击危险性评价,冲击危险性是指井下工作区域在具体生产、地质条件下有发生冲击地压的可能性。它根据煤层、岩层条件及生产、地质条件综合评估得到。,冲击危险性评价方法经验类比法数值模拟法综合指数法地质动力区划法数量化理论动态权重法,三、开采前冲击危险性评价技术,21141工作面,1.工作面回采期间集中静载分布情况的数值模拟,21141下巷在采区、工作面大环境下，其冲击危险程度最大，将是后续冲击地压实时监测预警重点区域。,三、开采前冲击危险性评价技术,冲击危险区域划分,危险区域划分结果,冲击危险性高的区域,应力集中区域孤岛、煤柱、停采线、停采区非稳定区域--上层煤或解放层的停采线或边角工作面初次来压和见方区域两层煤巷道间的煤柱及巷道交叉断层带附近褶皱背、向斜核部接近采空区、煤柱、断层,目的监测、防治更有针对性；降低防治成本，提高防治效果,三、开采前冲击危险性评价技术,,,,原水量,注水量,总容量,,深部冲击地压基础载荷原位探测技术,1冲击地压防治泄水，水在哪靶子,冲击地压启动的水杯理论,2冲击地压监测什么时候水满目前做不到。,3基础载荷原位探测水有多少泄了多少。,,26,,,,15-20m,,,上巷,下巷,工作面,PASAT便携式微震仪,,工作面、煤柱冲击危险性地震CT探测技术,为冲击地压危险性指数，a、b分别为两因子的权重系数，,建立冲击地压危险性预评价模型为式,,,工作面、煤柱冲击危险性地震CT探测技术,,,详见“基于集中静载荷探测的冲击危险性预评价”[J].岩土工程学报，2014.7,工作面、煤柱冲击危险性地震CT探测技术,,地震CT技术探测的冲击地压危险性预评价,069-2工作面探测区域煤岩层冲击危险区范围,,工作面爆破卸压后冲击危险区范围,,,2020/7/24,31,高家堡一盘区大巷,32,深部冲击地压基础载荷原位探测技术,2400米长工作面分6次扫描,亭南煤矿地震CT扫描出出来的高应力区,在探测期间，21141工作面测区内的煤岩层总体处于中等冲击危险等级。,危险区域主要分布在工作面超前影响范围（约100m）和断层构造应力场影响范围内。,2.21141工作面回采期间集中静载原位探测结果,深部冲击地压基础载荷原位探测技术,一、技术背景二、冲击地压危险性预测预警理论基础三、冲击危险性评价技术与装备四、冲击地压实时监测预警技术与装备五、冲击地压防治效果检验技术与装备六、冲击地压分源权重综合预警平台,,提纲,集中静载荷岩石力学方法（应力、钻屑量等）集中动载荷地球物理方法（微震、地音等）,详见“冲击地压危险源层次化辨识理论研究”[J].岩石力学与工程学报，2011,30（S1）,四冲击地压动静载荷实时监测技术与装备,ARAMISM/E微震监测技术,,,,,,监测设备,ARAMISM/E微震监测系统,系统特点★集中供电，拾震器（或微震探头）布置方便，无需井下供电；★供电与信号传输共用一路通信电缆；★一路通信电缆可实现三向信号的同步传输；★系统通信采用数字信号方式，且信号处理能力强（24位）；★传感器即可采用拾震器也可配合低频微震探头共同使用，配置灵活；★地面集中控制，系统设置简便；★GPS时钟精确计时；★系统监测精度高10km2）。★与ARP2000软件和HESTIA软件配合使用，实现更精确的震源定位和震动危险性的评价。,,,微震监测定位模型,2.ARAMISM/E微震监测系统,2.1微震监测基本原理,,,拾震器式,,第五代微震传感器,,,,微震探头式,第三代微震传感器,,,,a）SPI-70型拾震仪（b）G系列探头传感器ARAMISM/E微震监测系统两种传感器井下安装示意图,第五代微震传感器,第三代微震传感器,2.4拾震器与微震探头参数对比,,,2020/7/24,42,波兰ARAMIS/ME微震系统应用矿井,ARAMISM/E微震监测技术,唐口煤矿,应用范围采动影响高度、覆岩三带、导水裂隙高度探测与透水危险分析、瓦斯高抽巷位置、支架工作阻力确定,揭示顶板断裂高度,千秋煤矿,塔山煤矿,微震监测技术,千秋煤矿,唐口煤矿,塔山煤矿,微震监测技术,预报周期来压,千秋ARAMIS,千秋ESG,华丰ARAMIS,老虎台ARAMIS,揭示超前支承压力分布特征,微震监测技术,,千秋煤矿,唐口煤矿,塔山煤矿,确定超前采动影响范围、峰值位置、超前支护距离确定保水煤柱尺寸、停采线位置、密闭墙距离、瓦斯抽放位置,远场动载荷源微震监测技术,用于指导解危措施的实施,揭示应力异常区域,远场动载荷源微震监测技术,底板应力释放,揭示冲击能量源,关键层,远场动载荷源微震监测技术,可以从两个方面入手,借助地震学领域研究的丰硕成果，采用能定量描述岩体应力变化和危险趋势的地震学参数（1）明确的物理意义（2）有应用价值（3）较高的灵敏性探寻采矿活动对冲击地压的影响关系，建立能紧密体现矿山微震活动与开采响应关系的指标。,冲击地压预测预报指标的选择,冲击地压预测预报指标确定,地震领域指标应用实例1,b值反应评价区域的整体应力水平,,最小二乘法,极大似然法,,低b值预示有冲击危险,千秋矿21141工作面b值评价危险表,“G-R”关系,,冲击地压预测预报指标确定,Mm值即“缺震”，反应评价区域能量释放的不均匀性,意味着将要发生缺失震级的微震活动趋势。,,,高Mm值预示有冲击危险,千秋矿21141工作面Mm值评价危险表,,冲击地压预测预报指标确定,地震领域指标应用实例2,开采响应关系的指标1-巷道扩修对冲击地压的影响,巷道扩修大大增加了冲击地压发生概率,,,千秋煤矿21141下巷扩修（工作面停产）的3个多月里发生7次方冲击事件30次，而此后正常生产期间的13个月里（无扩修），仅发生9次。,龙家堡煤矿60以上冲击地压均与巷道扩修有关。,回风巷扩修,冲击地压预测预报指标确定,,307工作面,410工作面,开采速度与危险性基本成正相关关系工作面应尽量保持均匀慢速推进，日推进速度控制在3m以内尽量避免长时间停产,回采速度对冲击地压的影响,开采响应关系的指标2-开采强度对冲击地压的影响,工作面同采对冲击地压的影响,降低相互扰动；加大工作面长度，确保单个回采面满足矿井产量要求。,冲击地压预测预报指标确定,微震评价指标指标,10个地震活动性指标b值、η值、Pb值、AC值、Z-Map值、Mm值、Ab值、Mf值、S值、△F值,6个反映开采活动对冲击地压响应的指标反映开采区域环境变化的指标AEk值、ANk值反映开采强度指标EL值反映工作面开采强度变化的指标KN值、KE值反映解危措施实施效果的指标Eb值,冲击地压预测预报指标确定,,地音活动反映煤岩损伤状态，与受力情况密切相关,,地音和损伤的定量化关系,2地音预测冲击地压原理,近场动载荷源地音监测技术,,,,,,监测设备,ARES-5/E监测系统,系统特点★可以将岩体破裂过程中发出的声音频率转化为电信号；★对电信号进行放大、过滤并传输到地面中心站；★自动监测地音事件，连续记录地音事件数字波动曲线；★连续记录地音信号并转化为数字形式；★自动测量超出正常范围的地音信号频率；★以报告和图表形式实现地音信号处理结果的可视化；★向装有OCENA_WIN软件的电脑传输数据，并能实现危险自动预警；★通过GPS35-LVS或GPS16-LVS型卫星接收器实现几个ARES-5/E地面中心站的同步使用；★与HESTIA软件配合使用，实现更精确的冲击地压及时预警。,58,近场动载荷源地音监测技术,设备安装方案。迈步前移,2地音预测冲击地压机理,,,地音活动强度与煤岩冲击倾向性密切相关,地音峰值能量评价冲击危险性的新指标,动破,弹能,冲击,抗压,强,强,无,2地音预测冲击地压机理,,,地音事件时空分布特征与煤岩冲击倾向性密切相关,90,75,50,强,弱,无,,劈裂为主,剪切或整体破坏,剪切或整体破坏,3地音信号预处理关键技术,地音信号的连续性、真实性和完整性是实现准确预测的前提和基础,关键抑制干扰信号保留足够的真实信号,机械噪音规律性强，集中度高，振幅较小容易滤除（自适应滤波）电气信号主要原因为电磁干扰、线路干扰等，频率稳定，持续时间极短容易滤除（工艺技术除噪）爆破及其他噪音来源广泛，与规律性差、有效地音信号相似度高难以滤除（小波变换）,采用综合除噪法自适应滤波小波变换工艺除噪,4冲击地压地音前兆信息的识别,顶板断裂引发冲击地压前兆信息识别,,,MS,突变型地音活动模式,,,顶板断裂诱发冲击地压示意图,4冲击地压地音前兆信息的识别,采动高应力冲击地压前兆特征,,,MS,,,,持续稳定型地音活动模式,采动高应力采动应力背景应力,4冲击地压地音前兆信息的识别,断层活化引发冲击地压前兆特征,,,,,,,波动型地音活动模式,危险性评价依据和指标,,,,,根据工作面是否为生产班，按小时和班次共有8个异常系数,地音异常往往预示冲击危险性的增加异常平静或异常强烈,5冲击地压地音预警技术,预警值的确定,,,,,根据指标预测的概率增益来确定最佳的预警值,概率增益GA为,,,优点充分考虑背景概率的影响与预测的时、空、强无关,预警级别,5冲击地压地音预警技术,,,R0随机预报R0指标起效R1全报对R越大，预测效果越好,R值评分法全面评价,,优点不仅考虑了报准率，还考虑了虚报、漏报以及数据服务时间的影响。,5冲击地压地音预警技术,单独采用被报准率评价指标的有效性时，无法考虑虚报和误报的影响每天都预报，则被报准率为100，实际没有意义。,,5冲击地压地音预警技术案例红庆河,,,红庆河煤矿在2018年3月至11月回采期间，3-1103工作面共发生破坏性冲击10次，显现位置均位于新辅运顺槽内。,5冲击地压地音预警技术案例红庆河,,,,,持续加载型冲击地压地音活动特征,“3.24”冲击,“8.7”冲击,该类冲击发生前，地音活动强度整体是增长的，其中地音的稳定增长持续时间较长，增幅较小，在临近冲击的一段时间内，地音活动强度表现为非线性增长趋势，波幅较大。,5冲击地压地音预警技术案例红庆河,,,,,循环扰动诱发型冲击地压地音活动特征,“8.26”冲击,“11.27”冲击,该类冲击发生前，地音呈现起伏增长的变化状态，其中采煤班的地音活动强度较高，检修班的地音活动较低，随着连续数日采煤工作的进行，单日地音峰值强度逐渐增大。,5冲击地压地音预警技术案例红庆河,,,,,动静组合加载型冲击地压地音活动特征,“5.15”冲击,“6.25”冲击,该类冲击发生前，地音处于较为平稳活跃的状态；在冲击发生瞬间，地音瞬间突增，冲击过后地音活动强度迅速衰减到较低的稳定水平。,5冲击地压地音预警技术案例红庆河,6案例及应用效果分析,新汶华丰煤矿,高采动应力叠加下层遗留煤柱,d级,c级,b级,a级,6案例及应用效果分析,新汶华丰煤矿,侧向空区顶板断裂,6案例及应用效果分析,赤峰古山煤矿,高采动应力叠加上采空区边界,6案例及应用效果分析,彬长胡家河煤矿,断层区域,6案例及应用效果分析,预测效果分析,以华丰煤矿为例，冲击地压（ML1.8）发生的背景概率为7.2，预测指标的发震概率可达37.6，概率增益达522.2（即比随机预报准确率提高了5倍多）。同时为克服随机概率的影响，共进行了10个季度的统计检验，其R值均大于0（即大于随机预报），R值平均为0.40远大于0，指标有效的可靠度为1-1/21099.9，指标无效的几率仅为千分之一，检验结果具有足够的可信度。,,79,冲击地压地音噪音剔除,,80,冲击地压地音噪音剔除,必要性1空间互补,可以实现区域大范围远场监测与关键区域精细化监测的有效统一，在空间上达到了相互补充。,,地音监测区域,微震监测区域,微震监测系统区域性、大范围，适用于整个矿井区域。,地音监测系统局部性、小范围，适用于工作面、掘进面等重点监测区域，属于更为精细化监测手段。,微震与地音联合监测的必要性,必要性2时间互补,可以监测煤岩体从能量聚集到最终释放的整个过程，使长期危险趋势预测与短期临震预警相结合。达到对冲击地压从孕育到启动再到冲击破坏的全程监测，实现在危险萌芽阶段的冲击危险进行控制，以避免冲击地压的形成。,MS,AE,应力曲线,,地音煤岩体旧裂隙的闭合，新裂隙的产生、发展。是煤岩受力破坏的初始和发展阶段。微震顶、底板的断裂，煤体冲击，是煤岩破坏的最终阶段。,微震与地音联合监测的必要性,必要性3震动信息互补,单独采用微震或地音系统，都会造成部分信息的丢失，采用微震和地音相结合的措施，可以达到对煤岩破裂过程中高频信号和低频信号的有效补充，使监测信息更为丰富和完整，从而实现对整个频率范围的完整监测。,,0,100,200,,3000,10kHz,,微震范围,地音范围,,ARAMISM/E监测范围,ARES-5/E监测范围,微震低频、高能几个-几十个/d,地音高频、低能几十-数百个/h,微震与地音联合监测的必要性,必要性4功能互补,精确的微震事件监测，可以对监测范围内的危险分布进行区域划分（判断冲击地压可能发生的区域，指导地音监测），有效判断煤岩体的能量释放情况，因此可以实现冲击危险性的中长期评价。地音监测可以对即将发生的煤岩断裂事件（微震或冲击地压）进行监测和预报，在危险萌芽阶段对冲击危险进行控制。可以根据预报的需要和地音监测结果对冲击地压进行短期、临震预警。,微震系统事件记录及定位系统侧重于对冲击地压现象（破裂位置、尺度、性质）的记录和描述。,地音系统震声风险评估系统主要是对冲击地压前兆信息的统计,微震与地音联合监测的必要性,,微震、地音、冲击地压三者的关系,首先监测到的是煤岩体破坏的不稳定阶段（量变），在煤岩体中产生大量的微裂隙破坏，即地音现象；当大量的微破裂发展到一定程度时，将会导致煤岩体的最终断裂（质变），即微震现象；由最终断裂有可能会引发高能量的震动，对煤岩稳定性构成威胁，严重时可导致灾害性的冲击地压。显然，地音和微震活动的特征包含了冲击地压的重要前兆信息。,冲击地压发生过程,过程孕育阶段,瞬间发生时刻,单个事件的短期预测,中长期危险趋势分析,,采掘空间系统内集中静载荷应力在线监测,,87,采掘空间系统内集中静载荷应力在线监测,,88,采掘空间系统内集中静载荷应力在线监测,,采掘空间系统内集中静载荷应力在线监测,,,,连续冲击事件监测结果,,连续冲击事件监测结果,KJ21冲击地压监测系统,KJ21冲击地压监测系统,ARAMISME微震监测系统,ARES5E地音监测系统,高家堡开拓巷道刚进煤层；开拓巷道迎头及其后方，底鼓明显，煤柱帮变形严重，迎头大块煤溜出，锚杆锚索崩断。,,动力显现区域,掘进工作面冲击地压案例,,,2015-8-5古山矿掘进面冲击地压事故,,,,玄武岩底板侵入区,,,辉绿岩顶板侵入区,,掘进工作面冲击地压案例,古山矿掘进面冲击地压现场情况,掘进工作面冲击地压案例,孟村矿掘进冲击地压发生情况,基本建设期间各掘进巷道均出现了较强烈的矿震现象掘进工作面附近煤炮声响巨大；局部冒顶、片帮严重；巷道成型差。,,7.19冲击区域,掘进工作面冲击地压案例,,,8.31冲击震源位置,孟村矿掘进冲击地压发生情况,掘进工作面冲击地压案例,,2020/7/24,98,案例三2016年“9.25”峻德冲击地压,,,2020/7/24,99,高瓦斯双巷布置工作面,本工作面顺槽超前段状态基本良好；邻近外围巷道超前段状态基本良好；发生在后方采空区侧向，远离工作面。,,,掘进工作面冲击地压案例,底板大煤块呈90立起,,冲击案例2017年8月15,底板瞬间开裂,支护材料散落,煤柱帮炸裂,,5.1内蒙古掘进冲击地压（埋深680m）,冲击案例2015年8月5日,2020/7/24,103,内蒙古掘进冲击地压（埋深370m）,2020/7/24,104,内蒙古掘进冲击地压（埋深370m）,,河南2011年“11.3”掘进冲击地压,,,巷道掘进冲击地压机理,,2014年5月20日430分，山西李村煤矿巷道掘进头滞后五米外有30米砂岩底板突然开裂，瓦斯升高。,2014年4月16日，澳大利亚澳星煤矿发生冲击地压事故，2名矿工被埋死亡。,澳大利亚澳星煤矿冲击地压事故,ARES5/E地音掘进头，小范围、高频率、低能量。,1、掘进工作面地音监测技术及装备,监测基础,地音（声发射）是煤岩受力变形至最终破坏所释放的物理效应之一，冲击地压地音前兆是煤岩冲击孕育过程中的产物，地音信号的大小、多少反映了煤岩受力状态，与冲击危险性直接相关。,,,AE,MS,,地音事件分布与试件的最终破坏,冲击破坏前的地音前兆信息,1、掘进工作面地音监测技术及装备,,,指标值,预警值确定,,,冲击地压地音预警方法,,预警等级,冲击危险等级划分标准,,1、掘进工作面地音监测技术及装备,,,甘肃华亭矿区应用案例,1、掘进工作面地音监测技术及装备,112,现有预警指标较为合理，地音监测系统对于掘进工作面大于10e5J高能事件均能较好的预警。,西068掘进面,东068-1掘进面,1、掘进工作面地音监测技术及装备,平庄古山矿应用案例,,,,,,优点直观的给出了危险时间、危险区域和危险等级，便于及时采取防范及解危措施，对生产影响小。,1、掘进工作面地音监测技术及装备,吉林龙家堡矿应用案例,2、掘进工作面电磁波CT探测技术及装备,114,问题掘进工作面为独头，现有的震波CT探测技术无法对掘进迎头的冲击危险性进行探测。,根据煤岩层内不同破坏程度的煤岩体对电磁波吸收系数不同，利用层析成像反演算法，对裂隙带分布进行探测。探测频率132MHz，是震动波频率的一百万倍，能实现小范围区域的高精度探测，探测精度达到0.1m。,冲击危险评价模型的建立,115,吸收系数异常指数,高应力通常导致较高的裂隙发育程度，局部裂隙的异常发育将会导致应力分布的不均匀。,吸收系数梯度指数,煤层中裂隙场发育程度沿某一个方向变化的越快，说明在该方向上的应力集中程度相对于裂隙分布均匀的煤体更高，继而具有更高的冲击危险性。,,,支护围岩,非支护围岩,2、掘进工作面电磁波CT探测技术及装备,116,①由于钻孔施工中会造成其附近煤体裂隙发育程度升高，导致钻孔孔壁煤体的表现的冲击危险性与实际存在差异。②巷道煤壁处由于部分电磁波会以面波的形式在壁面上传播，导致探测结果出现偏差。,钻孔附近和巷道煤壁的吸收系数的修正,,2、掘进工作面电磁波CT探测技术及装备,掘进巷道探测方案及结果,迎头后方的帮部,掘进迎头超前区域,运输巷,2、掘进工作面电磁波CT探测技术及装备,卸压前,卸压后,效果检验,2、掘进工作面电磁波CT探测技术及装备,3、掘进工作面冲击危险性层次化探测技术,为了克服基于单一监测或探测手段的评价方法存在的不足，实现了冲击地压实时预警及危险区域精准划分的双重功能。,地音电磁波CT建立层次化评价方法的数学模型,,地音预警,,3、掘进工作面冲击危险性层次化探测技术,4、掘进工作面迎头及已掘区域联合探测技术,为了克服基于单一CT探测手段的评价方法在探测尺度上的局限，覆盖矿井采掘巷道所有潜在冲击危险区域。,震动波CT电磁波CT联合评价方法的数学模型,变量探测时期、探测方式、现场实际动力显现情况。结果危险区域及危险等级。,掘进工作面后方区域,掘进面电磁波CT,掘进面后方区域地震波CT,4、掘进工作面迎头及已掘区域联合探测技术,5、掘进工作面近场围岩冲击危险性精准探测技术,针对目前基于现场实测的冲击危险性评价方法仅从能量聚集角度进行危险性判别，导致评价结果不能反映现场全部冲击危险情况的问题，考虑了冲击启动过程经历的3个阶段，细化了调控效能探测模型。,能量释放,能量传递,支护破坏,,,能量释放,能量传递,支护破坏,,,电磁波CT高频探测的特性,能量集中指数,屈服接近指数,能量传递衰减指数,支护损伤指数,5、掘进工作面近场围岩冲击危险性精准探测技术,,,,,,,,,6、掘进工作面微震监测技术,掘进工作面微震监测技术,①进行震源定位，划定微震活动带；②微震活动在空间分布上的迁移性③强大微震活动地区的重复性和填空性④微震小事件震中分布面积的变化与大事件震级和位置的关系⑤微震序列,,,,,,,,掘进工作面微震活动时空演化规律研究,,孟村矿井微震事件总体分布特征,共分布有4个发震区域，各掘进工作面和F1断层构造区；中央大巷微震事件分布区域以X1向斜轴部附近最为密集褶曲轴部载荷水平最高；,6、掘进工作面微震监测技术,,,,,,,,掘进工作面微震活动时空演化规律研究,,图中央一号辅运大巷微震事件频次沿巷道轴向分布图,掘进迎头微震事件基本分布在（-250，250）内，即掘进迎头前后方各250m；日震动频次、能量与掘进进尺、巷道断面尺寸呈正相关关系，6m/d时可基本保证围岩弹性能的完全释放。,图中央一号辅运大巷各能级微震事件频次占比图,6、掘进工作面微震监测技术,,,,,,,,F1断层围岩微震活动时空演化规律研究,,断层构造区高能级微震事件占比明显高于掘进迎头影响区域；震动能量走势呈现出周期性“积聚释放积聚”的特征，循环周期约为10天。,6、掘进工作面微震监测技术,,,,,,,,基于b值的孟村矿冲击危险指数研发,,,样本选择,统计分析,发震范围边界分档总数m起始震级M1分档间隔△M时间窗T滑动步长△T最高档震级Mm,b值、A（b）值、P（b）值、基于G-R修正式的η等各参数中，b值对孟村矿冲击危险性最为敏感。b值lgNa-bM（G-R关系式），参数b表征了某地区某段时期内不同震级地震间的比例关系，是地震危险性分析的重要参数，常被作为衡量地震活动水平的标志。,6、掘进工作面微震监测技术,,,,,,,,基于b值的孟村矿冲击危险指数研发,,发震区域边界的确定,,通过微震事件统计分析确定各发震区域的边界；,6、掘进工作面微震监测技术,,,,,,,,基于b值的孟村矿冲击危险指数研发,,起始震级M1,M1-1.8M140.8△M0.2m14,图原始数据对应的lgN-M关系,,偏离现象,图起始震级M1与b值、𝑟的关系,M1-1.4、-1.2、-1.0-0.2,,M1对b值影响较大；当M1≥-0.8时，𝑟变化幅度较小M1-0.8拟合效果显著优于M1-1.8由此确定孟村矿b值计算时M1应取为-0.8.,,图原始数据对应的lgN-M关系,6、掘进工作面微震监测技术,,,,,,,,基于b值的孟村矿冲击危险指数评价软件,,最高档震级Mm、时间窗跨度T,M101.0的lgN-M关系,图最高档震级Mm与b值、𝑟的关系,在孟村矿Mm设置为0.8相对合理合理的时间窗T4d,,6、掘进工作面微震监测技术,,,,,,,,,基于b值的冲击危险指数,冲击危险指数的现场应用证明大能量事件主要发生在冲击危险指数较大时，指数较低或处于下降阶段基本不发生，冲击地压危险预警效果良好。,基于b值的孟村矿冲击危险指数评价软件,6、掘进工作面微震监测技术,一、技术背景二、冲击地压危险性预测预警理论基础三、冲击危险性评价技术与装备四、冲击地压实时监测预警技术与装备五、冲击地压防治效果检验技术与装备六、冲击地压分源权重综合预警平台,,提纲,五、冲击地压防治效果检验技术与装备,五、冲击地压防治效果检验技术与装备,爆破前煤体应力分布,爆破后煤体应力分布,,,图8爆破前波速异常系数分布图图9爆破后波速异常系数分布图,,微震CT成像技术检验,,,最优方案,,五、冲击地压防治效果检验技术与装备,爆破前岩柱波速分布,爆破后岩柱波速分布,五、冲击地压防治效果检验技术与装备,一、技术背景二、冲击地压危险性预测预警理论基础三、冲击危险性评价技术与装备四、冲击地压实时监测预警技术与装备五、冲击地压防治效果检验技术与装备六、冲击地压分源权重综合预警平台,,提纲,一、应用背景,冲击地压监测预警效果提升必由之路,六、冲击地压分源权重综合预警平台,二、设计目标与理念,二、设计目标与理念,界面美观，便于操作,系统开放，兼容多参量,功能模块化，个性化,系统稳定，数据安全,理念先进，算法科学,自动化减人,二、设计目标与理念,理念一系统开放，兼容多参量,波兰微震ARAMISM/E,波兰地音ARES5/E,波兰微震SOS,国产微震KJ550,煤层应力KJ21,电磁辐射KBD,煤层应力KJ551,支架阻力,,二、设计目标与理念,理念二功能模块化，个性化定制,,ARAMIS微震模块,,SOS微震模块,,KJ550应力模块,,KJ21应力模块,,支架阻力模块,,电磁辐射模块,,,,二、设计目标与理念,理念三理念先进，算法科学,分源权重,有效覆盖,分区预警,背景植入,二、设计目标与理念,理念四系统稳定，数据安全,权限设计,高效编码,安全防范,二、设计目标与理念,理念五自动化减人,冲击地压矿井数据分析特点耗时长30-100min/天。误差率高数据多，任务紧。枯燥机械重复性强。耗费人力疲于应对。,,人工为主系统为辅,系统为主人工为辅选择美化,二、设计目标与理念,理念六界面美观，操作简便,三、研究基础及其效果,2012年开始研发，国内首套冲击地压综合预警系统,三、研究基础及其效果,2014年获批国家发明专利,三、研究基础及其效果,单项预警指标,微震指标,微震指标效能评价,应力指标,地音指标,三、研究基础及其效果,不同预警方法的权重及其综合,钻屑法时效性差，仅对ARAMISM/E、ESG和应力在线监测数据进行实时权重预警，算出综合预警指标，当有钻屑参与时，比较其预警结果与前三者综合预警结果。,成果冲击危险性分源权重综合评价方法[J].煤炭学报，2015（10）,三、研究基础及其效果,属性权重与等级权重,首先采用层次分析法确定指标的属性权重与等级权重。再运用最小信息熵原理把属性权重和等级权重综合为组合权重。进而建立冲击地压评价的相对熵变权重模型。,属性权重wi1,等级权重wi1,,三、研究基础及其效果,属性权重与等级权重,确定分级标准后，根据每个评价指标的不同特点和实际情况，分别选用最合适评价指标特点的方法确定评价指标对于不同等级的隶属度，构成模糊集，也就是评价指标的隶属度函数。,运用多级模糊综合评价，得出设单因素模糊评判矩阵为,采用模糊加权算子进行计算，得到综合评判集,三、研究基础及其效果,系统界面,三维展示,曲线生成,条件设置,数据管理,三、研究基础及其效果,预警效果,2013年2月8日，正在开采的21141工作面发生一起高能冲击事件，事件位于工作面前方85m处，释放能量1.63107J。震源距下巷煤帮约36m，靠近煤层底板。,三、研究基础及其效果,预警效果,自2012年2月1日开始，采用预警软件对千秋矿21141工作面范围内的冲击地压进行危险评价与预警工作，截止2013年10月1日，共进行了608天的预警验证。,通过长期现场效果检验表明，采用冲击地压预警软件，在报警率仅8.9的条件下，报准率达到了72.4，发震概率为37.5，相对于4.8的背景概率，其效益增益达到了7.8倍，验证效果良好。,四、新平台构架及功能,平台架构,四、新平台构架及功能,基础设置,数据管理,信息展示,数据处理,信息传输,系统维护,四、新平台构架及功能,功能展示基础设置,矿井设置,煤层设置,回采面设置,掘进面设置,巷道设置,四、新平台构架及功能,功能展示构造设置,断层设置,褶曲设置,直观显示内部算子,四、新平台构架及功能,功能展示传感器设置,微震设置,地音设置,显示或隐藏临近提醒,四、新平台构架及功能,功能展示数据导入与存储,微震数据,地音数据,任意装备任意格式任意接口,地音数据,支架数据,应力数据,四、新平台构架及功能,功能展示数据处理,任意区间直方图,能量频次曲线图,任意时间区间任意工作面任意缩放显示导出至excel导出图形,四、新平台构架及功能,功能展示数据处理,微震时间序列,地音时间序