矿井采煤工作面局部应力场的变化综合研究.doc

矿井采煤工作面局部应力场的变化综合研究 矿井采煤工作面局部应力场的变化综合研究 摘 要 传统的地应力测量方法面临着3个无法抗拒的局限性,用固体力学的研究方法研究采煤工作面附近的地质体受力状态具有片面性。提出了用不同地质单元反射天然电磁波的研究方法,代写硕士论文从研究局部应力场和区域应力场的相关性入手,以实际例证论证了预报矿难的一种新途径。 关键词 地应力; 天然电磁波; 安全生产; 应力监测系统; 地震预报交汇图 近几年全球正处于地震活跃期,导致我国矿难不断发生。怎样对煤矿井下地质灾害提前作预报,使矿难事故的频次、人员伤亡、财产损失降到最低限度,笔者根据从事地应力研究多年的经验[14],找到了一种简单易行的预报矿难的新途径-利用区域应力场的研究成果,分析局部应力场变化特征,可以提前对某些地质灾害瓦斯突放、地下水突出、冒顶、底鼓等作出预报,从而避免某些矿难的发生。 1. 传统地应力测量方法的局限性 所谓地应力,就是指地下地质体单位面积所受到的内力[5]。这种来源于固体力学中应力的概念,是指分析“孤立个体”如何受力的研究方法。众所周知,自然界中任何定义、定理、规律的存在,都是指在特定环境下有其特定的边界条件,一旦其边界条件被打破,这些定义、定理、规律就不再成立,这时再用其分析事理就所言非是了。 分析采煤工作面附近一定范围地质体受力状况,将固体力学中应力的概念照搬到煤矿下面地质体单位面积所受到的内力去研究,有如下三点局限性其一,在实验室内使用的各种孤立试件受到不同方式外力后产生的各种效果,不能等同煤矿下面地质体。 在任何一个矿井都没有这样一块地质体相当于实验室内孤立试件所具有的各种边界条件,其完整性、均一性都无法和实验室内的试件相比;其二,在井下用来测量某一点位应力的传感器,必须打钻安装。在安装时就破坏了其周围的应力状态,随着煤层的开采,岩石的松动和新的裂隙出现,测量点周围的几何边界、应力边界条件都在不断地变化,有的传感器甚至脱落测量点;其三,这些传感器只能安装在巷道或工作面附近,不能均匀地在采煤工作面附近上、下、前、后、左、右几十米地质体范围内布置几百个测量点来监测各区块单元地应力的变化。鉴于上述3点,用传统地应力测量的研究方法所获得的数据很难对矿难进行预报。要研制如何预报煤矿井下地质灾害的新仪器、新方法,仍须返回到微观世界分子、原子层面上相互之间的作用力去研究。 2. MG采动地应力监测系统工作原理 井下任何地质灾害的发生,究其根源都是由于井下地质体地应力的平衡系统受到破坏造成的。岩巷的掘进、煤层的开采,都会使得其周围地质体的地应力发生变化,原来的平衡状态被打破,应力开始通过调整再达到另外一种平衡状态。当井下岩巷不断掘进、煤层不断开采,这种应力调整就会一刻不停。 应力在调整的过程中,就会导致临空面指岩石或煤层直接暴露在空气中的界面附近的岩石裂隙不断发育、扩张,这些扩张的裂隙就可能导通某些含水层的地下水,导通某些瓦斯积聚的部位,使原来赋存在裂隙、孔隙中游离态的瓦斯突然释放,吸附态的瓦斯不断析出,在较短的时间内,使巷道、工作面附近的瓦斯超标。裂隙发育的部位由于应力的释放,也会出现岩石的松动或垮落,或者在附近应力高压区作用下,形成冒顶或岩崩。 在物理学中,力可以分为重力、电磁力、强力、弱力。很明显煤矿井下地质体所谈的地应力是指单位体积内分子、原子所受的电磁力和重力,而不是单位面积所受到的力,因为面积是数学中的概念,在这个面积内没有物质可言,也就没有受力的对象,有关力的研究更无从谈起。单位体积内分子、原子所受的电磁力和重力的综合作用就决定了单位体积内分子、原子的结构、构造。从微观讲也就决定单位体积内各分子、原子在运动过程中电磁场的形态和所占据的空间,而这些就是地质体在特定环境下受到不同方向地应力作用的综合效应。 因此在不同时间段内研究单位体积内各分子、原子电磁场的形态和所占据空间的性质,也就间接地了解到该体积单元内地质体的受力状态。不同体积单元的地质体这种受力状态是不能用研究固体力学中孤立试件受到的压应力、张应力、剪应力的方法来简单地描述它,因为在井下用传统的地应力测量方法来研究采煤工作面周围几十米范围地质体的应力状况很难做到如下两点不要破坏所要研究的地质体单元应力状态;要能够正确描述采煤工作面上、下、前、后、左、右各60 m范围内不同单元地质体所受应力相对大小。 据此可知,如果能够研制出某种地应力测量仪器,即不破坏所要研究的地质体的应力状态,又可以随时监测采煤工作面前方、后方、上方、下方各60 m范围内的地质体在不同时间段内不同区块的地应力整体宏观的变化情况,了解哪些部位应力处于高值区,哪些部位应力处于低值区,根据井下掘进地质水文的变化情况,就可以总结出预报不同地质灾害的经验,指导矿井安全生产。“MG矿山安全开采采动地应力监测系统”的工作原理来源于实验室内的光弹试验。在实验室内,当把一个透明的试件在压力机上施加压力或拉力时,试件上就会出现不同的花纹。 当物体受力时,尽管物质的成分没有发生变化,但由于物体形变导致其电阻率发生变化,由于电阻率的变化,从而导致对某一频率电磁波的反射率发生变化。 上述试验条件有4个一是要有一个稳定的光源-灯泡,二是有一个能反射光源发光的试件,三是有能使试件是否受力的压力机,四是有能接收从试件上反射回来的电磁波的感光器材眼睛或照相机。 研制的DYL型地应力探测仪工作原理就与上述实验过程相似,首先该仪器接收的是天然电磁波场源,这部分电磁波进入地下后碰到不同的电性界面又有一部分反射回地表,仪器将接收的这部分电磁波转化成电压值,再经过不同的软件程序处理,就可以将地下的地质信息提取出来。 SYT物性探测仪、MDCB-三维电磁波法勘探仪可以探测地下010000 m范围内任意深度不同截面的地质体反射上来的地质信息。借助DYL、SYT、MDCB这3种物探仪器的工作原理、性能和实际探测效果,研制的“MG矿山安全开采采动地应力监测系统”就可以做到不破坏所要研究的地质体的应力状态,能够正确描述采煤工作面上下左右各60m范围内不同体积单元地质体应力值的相对大小。 3. MG采动地应力监测系统监测效果 “MG矿山安全开采采动地应力监测系统”在河北峰峰梧桐庄矿监测了4个多月矿坑出水量示意图。在监测期间,根据设备监测的采煤工作面附近地应力的变化向矿上领导作了几次预测意见,在每次预测意见发出15天,矿坑出水量都出现了明显的增加。这种研究结果可能就是对上面研究思路、研究方法是否可行的最好说明。 这种研究采煤工作面附近局部应力场变化对井下可能发生的地质灾害进行预报的实例,是否有了这种仪器就可以了呢为了准确地预报,还要研究区域应力场的变化,只有综合研究局部应力场和区域应力场的相关性,才能提高预报的成功率。 4. 区域应力场研究 MDCB型地震前兆监测仪1992年经陕西省地震局鉴定,现