深部开采应力场时空分布与矿震孕灾机理.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 2 年第6 期 总第1 1 1 期 深部开采应力场时空分布与矿震孕灾机理 王春耀 兖州煤业有限责任公司 东滩煤矿。山东 邹城 2 7 3 5 1 2 摘要针对深部开采 问题 ， 运用理论分析 、 微震监测、 数值模拟相结合的研 究手段 ， 研 究了深部采动应力场时空分布规律及对矿震孕灾过程的控制机理。 研究表明 震源点在工作 面前方和采空区后 方积聚 ， 工作 面前 方要 多于采空区后方， 并且主要集中在 裂隙带附近和应 力增高区附近； 震源点随着工作面推进先是在老顶积聚， 后逐渐向上方岩层发展， 等到开采 后 又再次降低到老顶附近。矿震的发生要 经过平稳期 、 孕育期 、 应力f 能量 激增期三个阶段 。 在这个阶段， 受到地质构造和开采条件的影响下， 应力的重新分布， 产生应力集中并积聚大 量的弹性能， 并向局部区域转移。在扰动条件下， 变性能瞬间释放从而产生矿震灾害。 关键词矿震； 微震监测系统； 孕 灾机理； 采动应力场 中图分类号 T D3 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 2 0 6 0 0 6 0 0 3 1 问题的提出 随着我国经济发展对煤炭需求量的 日益增加 ， 煤炭开采深度与年递增。 矿震、 冲击地压等煤矿动力 灾害事故频发， 我国已有北票、 辽源、 大同、 门头沟 、 抚顺 、 六枝花 、 新汶等矿区的5 5 个以上的煤矿发生 过矿震灾害[1_ 5] 。矿震的发生严重威胁着矿工的生命 安全和国家财产安全 ，开展矿震孕灾机理 的研究迫 在眉睫[ 13 1。 煤矿深部开采过程中矿震孕灾机理和预 测防治是国内外学术界面临的重大课题。由于矿震 发生机理较为复杂 ， 目前 尚未 达到机理清晰 、 规律明 确的程度。 引起矿震的力源不仅与采深有关， 而且与 采掘空间周围的边界条件有关，即岩层结构及其运 动在三维空间上的分布规律决定了深部煤矿矿山压 力的规律。研究深部采动应力场的分布规律及对冲 击地压孕灾过程的控制机理，建立覆岩空间结构模 式与动力灾害的关系模型，不仅有利于揭示深部开 采诱致覆岩运动与采动应力场时空分布对矿震孕灾 过程的控制机理，而且对于丰富深部煤矿动力灾害 的预测预警和控制理论也有重要的科学价值。 鉴于深部地质条件和开采条件 的复杂性 ，理论 分析 、数值模拟等研究手段在研究深部采动应力场 时空分布与转移特征的过程中，均存在一定的局限 性 ， 为弥补其不足， 提出应用 S O S 微震监测的研究 手段。 通过分析微震事件的动态特性、 三维空问分布 特性、能量变化特性 ，研究深部采场的覆岩运动规 律。进而揭示采场的应力场分布对冲击地压的孕灾 过程的控制机理。现场实践证实了微震监测手段是 切实可行的。 本文以东滩煤矿 1 3 0 5 综放工作面为研究对象 ， 应用波兰引进的 S O S微震监测系统并结合数值模 拟的手段， 对 1 3 0 5工作面从初采开始对回采期间的 微震事件进行实时 自动监测 ，以便探究微震事件发 生规律 ， 从而揭示 出矿震孕灾机理 ， 为采取有针对性 的预防措施提供依据 。 2 矿震孕育过程的理论分析 由于深部采动应力场时空分布规律对矿震灾害 的孕育过程的控制机理十分复杂， 必须从不同的角度 出发， 采取理论 、 数值计算、 监测、 现场相结合的研究 手段， 才能实现规律明确 、 机理清晰的预期研究目标。 矿震 的发生是一个瞬间失稳过程 。发震 时由于 震源破裂、岩体错动所造成的对周围岩石介质的作 用是瞬态 的，所 以矿震发生过程可 以采用 弹性理论 来处理。但是， 与矿震突然发生的暂态过程相反 ， 矿 震的孕育则需要较长时间， 因此 ， 对慢速加载的孕震 过程来说， 岩石的应力 、 应变积累将在一定程度上显 示为流变体的积累过程。 应用岩石介质的流变特性， 分析孕震过程中的应力 、 应变 、 应变速率、 能量等各 种物理量随时间的变化及其与矿震 前兆 的关系 。选 择 B u r g e r s 模型模拟孕震过程中震源体及其周围地 区岩石介质的流变特性。 B u r g e r s 模型是 K e l v i n 体与 M a x w a l l 体的串联 见图 1 。 S 图 1 B u r g e r s 模型的物理构成 矿震孕育过程是震源区应力 、 应变的增长过程 ， 当震源区应力增长到一定值时，则发生矿震 见图 6 0 - 煤矿 现 代化 2 0 1 2 年第6 期 总第1 1 1 期 直应力增高区和降低区， 而在稳定区内分布较少。 5结论 论文采用理论分析、 数值模拟计算 、 微震监测和 现场试验相结合的研究手段，揭示了深部采动应力 场时空分布规律及对矿震孕灾过程的控制机理。 1 矿震的发生要经过平稳期 、 孕育期 、 应力 能 量 激增期三个阶段 。在这个 阶段 ， 受 到地质构造和 开采条件的影响下， 应力的重新分布， 产生应力集中 并积聚大量的弹性能， 并向局部区域转移。 在扰动条 件下 ， 变形能瞬间释放从而产生矿震灾害。 2 冒落带高度约为煤层厚度的 4 ．3 倍 ， 裂隙带 为煤层厚度的 1 0 倍左右， 微震震源区域超前工作面 近 l O O m， 工作面后方采空区 1 5 0 m左右的区域 。 3 震源点在工作面前方和采空区后方积聚， 工 作面前方要多于采空区后方 ，并且主要集 中在裂隙 带附近； 震源点集中在垂直应力增高区附近； 震源点 随着工作面推进先是在老顶积聚 ，后 逐渐 向上方岩 层发展 ， 等到开采后又再次降低到老顶附近。 参考文献 【 1 ] 齐庆新， 陈尚本等． 冲击地压、 岩爆、 矿震的关系及其数值 模 拟 研 究 [ J ] ． 岩 石 力 学 与工 程 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 521 8 58 ． 【 2 ]马志峰． 陶庄煤矿矿震灾害与防治【 J 】 ． 灾害学， 2 0 0 2 ， 1 7 4 6 0 - 6 3 ． [ 3 ]方建勤， 严荣贵， 等． 高峰型矿震地压灾害与治理对策的研 究[ J 】 ． 岩土力学与工程学报， 2 0 0 4 ， 2 3 1 1 1 9 1 6 1 9 2 3 ． [ 4 】童迎世， 童敏， 洪迅， 等．湖南矿 山地震类型及特征分析[ J ] ． 华 南地震， 2 0 0 3 ， 2 3 3 4 9 5 6 ． 【 5 ]惠乃玲， 刘耀权， 杨明皓， 等． 抚顺老虎台煤矿矿震震源机 制 的研 究[ J 】 ． 地震 地磁观 测与研 究， 1 9 9 8 ， 1 9 1 3 9 4 5 ． [ 6 ]吴淑才， 覃子建． 浅析贵州矿山地震活动[ J J ． 贵州师范大学学 报 自然科学版 ， 1 9 9 4 ， 1 2 1 4 9 5 8 ． [ 7 】惠乃玲， 刘耀权， 杨明皓等． 抚顺老虎台煤矿矿震震源机制 的研究[ J ] ． 地震地磁观测与研究， 2 0 0 2 ， 2 3 3 3 0 0 3 0 3 ． [ 8 ]邹德蕴， 段伟， 刘志刚等． 采空区上覆岩层诱发矿震及预测 技术研究 [J ] ． 山东科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 2 8 4 5 4 5 8 ． [ 9 ]窦林名， 何学秋． 煤岩冲击破坏模型及声电前兆判据研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 5 5 0 4 5 0 8 ． [ 1 0 】陈波， 梁汉东． 地震活动与矿井顶板事故影响关系统计分 析[ J ] ． 地学前缘， 2 0 1 0 ， 1 7 1 2 3 8 2 4 5 ． 【 l 1 ]齐庆新， 陈尚本 等． 冲击地压、 岩爆、 矿震的关系及其数值 模拟研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 3 ． 【 1 2 】王林瑛， 陈学忠， 朱传镇， 陈佩燕． 地震活动性总体参量 R t 及其在地震预测中应用的研究 f J 1 ．地震， 2 0 0 6 4 ， 54～58 ． [ 1 3 ]陆菜平， 窦林名， 吴兴荣， 等． 煤矿冲击地压的强度弱4 L [ J I ． 北京科技大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 1 1 1 0 7 4 1 0 7 8 ． 作 者简介 王春耀 ， 男， 工程硕士， 毕业于中国矿业大学， 现从事采 矿工程专业 ， 研 究员， 任兖州煤业股份有限公司东滩煤矿副 总工程 师。 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 2 4 Ti me -s pa c e Di s t r i but i o n o f M i ni ng S t r e s s Fi e l d a nd Di s a s t e r -pr e g na n t M e c ha n i s m o f Mi n e Qu a k e i n D e e p Mi n i n g Wa n g C h u n - y a o D o n g t a n C o a l m i n e o f Y a n z h o u C o a l Mi n i n g C o m p a n y L i m i t e d ， Z o u e h e n g ， C h i n a ， 2 7 3 5 1 2 Ab s t r a c t F o r d e e p mi n i n g i s s u e ，t h e c o mb i n a t i o n r e s e a r c h me tho d o f t h e o r e t i c al a n a l y s i s ，n u me r i c a l s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n ，mi e r o s e i s mi c mo n i t o ri n g ， a n d fi e l d e x p e rime n t s wa s a d o p t e d t o r e s e a r c h t i me - s p a c e d i s t ri b u t i o n o f mi n i n g s t r e s s fi e l d a n d d i s a s t e r - p r e g n a n t me c h a n i s m o f mi n e q u a k e i n d e e p mi n i n g ． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t the s o u r c e p o i n t a c c u mu l a t i n g i n r e a r g o a f a n d the f r o n t o f wo r k i n g f a c e ， t h e l a t t e r t o b e mo r e t h a n the f o r me r ， t h e ma i n f o c u s o n f r a c t u r e z o n e a n d i n c r e a s e s t r e s s a r e a ； t h e s o u r c e p o i n t a c c u mu l a t i n g i n ma i n r o o f w i t h mi n i n g s p e e d ， t h e n g r a d u all y t o t h e r o c k s t r a t a ， a f t e r mi n i n g i t r e t u r n e d t o ma i n r o o f ． Mi n e q u a k e o c c u r r e d aft e r s t a t i o n a r y p h a s e ， i n c u b a t i o n p e rio d a n d s t r e s s e n e r g y s u r g e p h a s e t h r e e s t a g e s ． U n d e r g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d m i n i n g c o n d i t i o n s i n fl u e n c e ， r o c k s t r e s s r e d i s t ri b u t i o n ， f o r m s t r e s s c o n c e n t r a t e d ， a n d t r a n s f e r t o l o c al are a i n t h i s p r o c e s s ． I n l o c al are a ， s t r e s s h i g h l y c o n c e n t r a t e d a n d d e f o r ma t i o n e n e r g y l a r g e l y a c c u mu l a t e d ， u n d e r t h e c o n d i t i o n o f mi n i n g d i s t u r b a n c e ， d e f o r ma t i o n e n e r gy s u d d e n l y r e l e a s e a n d mi n e e a r t h q u a k e i n d u c e d ． S h o c k wa v e s c a n p r o d u c e d a ma g e wh e n i t r e a c h t h e f lr e e s u r f la c e 0 r s o me w e a k a r e a ． Ke y wo r d s mi n e q u ak e ； s e i s mi c mo n i t o ri n g s y s t e m； d i s a s t e r - p r e g n a n t me c h a n i s m； mi n i n g s t r e s s fi e l d 6 2