采掘活动与矿震关系.pdf

第 3 6卷第 1 2期 2 0 1 1 年 1 2月 煤 炭 学 报 J O URN AL OF C HI NA C 0AL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 6 De c ． No ． 1 2 2 011 文章编 号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 1 1 2 2 1 2 7 - 0 6 采掘活动 与矿震关 系 李 铁 ， 张 建 伟 ， 吕 毓国 。 ， 周 澎 ， 乔中 栋 ， 陈 双虎 1 ．北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教 育部重点实验室 ， 北京1 0 0 0 8 3； 2 ．北京科技大学 土木与环境工程学院 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．抚 顺矿 业集团有限责任公司 老虎台矿， 辽宁 抚顺1 1 3 0 0 3 ； 4 ． 甘肃华亭煤业集团公司 华亭煤矿， 甘肃 华亭7 4 4 1 0 0 ； 5 ． 甘肃华亭煤业集团公司 砚北煤 矿 ， 甘肃 华 亭7 4 4 1 0 0 摘要 以抚顺老虎 台煤矿和甘肃华亭煤田为工程背景 ， 基 于长时间和高精度矿震观测与采矿作业 数据分析 ， 从采掘活动与发生矿震的定量关 系， 探 索采掘扰动对岩体动力响应 的调制作 用。根据 2 4 h的时间秩序 中矿震活动与采矿作业关 系的规律 ， 区分 出采矿直接相 关型和 间接 相关型矿震。 发现连续采动对矿震活动具有 累积效应 ， 由此可评价卸压解危的效果和范围， 并可据此合理调整作 业流程 ， 降低矿震活动水平。发现减扰降震效果与开采深度成反 比， 深部采掘扰动岩体动力响应具 有延迟衰减效应 。在华亭煤矿特定采矿技术条件下 ， 相 隔 2 1 0 m采空工作 面的 2个工作面， 相 向 采、 掘时采煤工作 面对掘进工作 面岩体动力响应的最大影响距 离为 4 5 0 m， 相 背采、 掘时的最大影 响距 离可达 7 5 0 m， 推测较大的影响距离与厚层坚硬基本顶和留设的2 0 m宽煤柱有关。 关键词 矿震； 深部开采 ； 累积效应 ； 应力强度效应 ； 延迟衰减； 影响距 离 中图分类号 T D 3 2 4 文献标志码 A Re l a t i o ns hi p be t we e n mi n i ng a nd m i n i n g- i n du c e d s e i s m i c i t y L l T i e ， Z H A N G J i a n w e i ， L U Y u g u o 。 ， Z H O U P e n g ， Q I A O Z h o n g ． d o n g ， C H E N S h u a n g ． h u 1 ． K e yL a b o r a t o r y o fH i g h E ffic i e n c yMi n in g a n d S a f e t yofMe t a l Mi n e s ， Mi n i s t r yofE d u c a t i o n ， U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g yB e ij i n g， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l ofC i v i l a nd E n v i r o n n u e n t En g i n e e r i n g， U n i v e r s i t y of S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g， B e r i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a； 3 ． F u s h u n Min i n g G r o u p C o ． ， L a o h u t a i C o a lMi n e ， Fu s h u n 1 1 3 0 0 3， C h i n a； 4 ． Hu a t i n g C o a lMi n e， G an s uHu a t i n g C o a l Gr o u p， Hu a t i n g 7 4 4 1 0 0， C h i n a；5 ．Y a n b e i Co a l M i ne ， G a n s uHu a - t i n g C o a l G r o u p， Hu a t i n g 7 4 4 1 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t W i t h t h e e n g i n e e r i n g ba c k g r o u n d o f F us h un L a o h u t a i Co a l Mi n e a n d Ga n s u Hu a t i ng Co a l F i e l d， t h e q u a n t i t a t i v e r e l a t i o ns h i p be t we e n mi n i ng a c t i v i t i e s a n d r o c k - b u r s t wa s s t u d i e d t o r e s e a r c h t he i n flu e n c e o n t h e d y n a mi c r e - s po n s e o f r o c ks b y mi n i n g d i s t u r ba nc e b a s e d o n t h e hi g h p r e c i s i o n mi n e s e i s mi c mo ni t o rin g o v e r t he l o n g t i me a n d a n a l y s i s o f mi n e o p e r a t i o n d a t a ． Ac c o r di n g t o t he r e l a t i o n b e t we e n t h e mi n i n g i n d u c e d s e i s mi c i t y a c t i v i t i e s i n 2 4 h o u r s a nd mi n i n g wo r k r e g u l a rit y， t h e mi ni n g i nd u c e d s e i s mi c i t i e s t h a t a r e d i r e c t l y a n d i nd i r e c t l y c o r r e l a t e d t o mi ni ng a c t i v i t i e s we r e d i s t i n g u i s h e d． I t i s f o un d t h a t t h e c o n t i n uo us mi n i n g h a s a c u mu l a t i v e e f f e c t t o mi n i ng i n d u c e d s e i s mi c i t y， w h i c h c a n b e u s e d t o e v al u a t e t h e e f f e c t a n d t h e r a n g e o f r e l i e v i n g s t r e s s ， a n d a d j u s t o p e r a t i o n p r o c e d u r e r e a s o n a b l y t o r e d u c e r o c k ． b u r s t a c t i v i t i e s l e v e 1 ． I t i s c o ns i d e r e d t h a t t h e e f f e c t o f r e d u c e r o c k b u r s t a c t i v i t i e s l e v e l h a s t he i n v e r s e r a ． t i o wi t h mi n i n g d e p t h， t he d y n a mi c r e s p o n s e o f r o c ks h a s d e l a y - a t t e n u a t i o n e f f e c t i n d e e p mi n i n g ．I n t h e c o n d i t i o n o f Hu a t i ng Co a l Mi n e， t h e t wo wo r k i n g f a c e s a r e s e pa r a t e d b y a 2 1 0 m g o a f ， t h e ma x i mu m a f f e c t d i s t a n c e o f t h e d y na mi c r e s po n s e o f r o c k s i s 4 50 m i n c a s e o f t h e o p po s i t e mi n i n g b e t we e n mi ni n g a n d he a d i n g f a c e s， a n d t ha t i s 7 5 0 m i n c a s e o f b a c k t o b a c k mi n i n g ， w h i c h c a n b e s p e c u l a t e d t h a t t h e b i g g i s h a f f e c t d i s t a n c e i s c o n n e c t e d wi t h t h e t h i c k b e d d e d a n d rig i d b a s i c r o o f a nd c o a l p i l l a r o f2 0 m． Ke y wo r d s mi n i n g - i n d u c e d s e i s mi c i t y ； d e e p mi n i n g ； c u mu l a t i v e e f f e c t ； s t r e s s i n t e n s i t y e f f e c t ； d e l a y a t t e n u a t i o n； a f f e c t di s t a n e 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 0 6 责任编辑 王婉洁 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 资助项 目 2 0 0 8 A A 0 6 2 1 0 4 作者简介 李铁 1 9 6 1 一 ， 男 ， 天津人 ， 研究员 ， 博士。E ma i l f s l i t i e y a h o o ． c o m． c n 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 地下资源开采扰动导致岩体破裂失稳 ， 其 中释放 弹性能的岩体破裂可被微震设备检测到弹性波， 本文 将此类事件全集称 为矿震 ， 其中包含 的冲击地压 、 岩 爆和高强度矿震是矿震的子集 ， 对采矿安全构成重大 威胁 ， 演变为工程灾害。 采掘活动产生矿震 ， 两者问必然存在相关性 。基 于此认识 ， 人们一直试 图用各种方法和途径探索两者 问的定量关系。 在开采速度与矿震 活动关系方面 大量研究表 明， 采煤工作面推进速度与低能量矿震事件数 目成正 比。而波兰学者发现 ， 煤矿开采推进度 V ≤1 ． 3 m ／ d 时 ， 冲击地压活动频 次较少 ， 1 ． 3 1 ． 5矿震频次累积分布 F i g ． 2 Di s t r i b u t i o n of a c c u mu l a t e d s e i s mi c e v e n t s of La oh u t a i Coa l Mi ne f o r ML1 ． 5 1 ． 3采矿作业对矿震的累积效应 甘肃华亭煤 田砚北煤矿 为厚煤层下行分两层开 采 ， 目前开采上分层 ， 采放高度约 1 5 m， 矿震活动水 平较高， 冲击地压较严重。2 0 0 7 0 6 2 3 2 O 0 8 1 2 3 1观测到的全部 5 6 3 6个矿震的 2 4 h累积频次分布 显示 ， 8 o 0 1 5 0 0矿震 频次显著偏高 ， 而其余时段 矿震频次显著偏低 图 3 。 昌昌昌8gg昌昌 ggg888g昌g8 888昌昌昌 寻 6一 寻 亡 ； 6 ⋯⋯⋯ c c c - q 时 间 图3 砚北煤矿全部矿震 2 4 h累积分布 F i g ． 3 Di s t r i b u t i o n o f a l l a c c u mu l a t e d s e i s mi c e v e n t s i n 2 4 h o u r s o f Ya n b e i C o a l Mi n e 同期发生的全部 3 8次 M 12 ． 0矿震的 2 h累积 频次分布显示 ， 8 0 0 1 2 0 0高能量矿震频次显著偏 ； 8 6 b 2 O O O O 0 O O 加 ∞ ∞ ∞ 知 加 雌 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 作业流程。一则可以通过加大卸压解危范围 ， 增大有 效卸压带或松动圈 ， 确保 2个采煤作业班次均处于有 效卸压区范围和留出足够的安全屏障； 二则可以将开 采推进速度降低到 2个采煤作业班次后 ， 仍处于卸压 区范围内； 三则可改为每天 4个不等时作业班次 ， 生 产班和措施班相间设置 ， 每个采煤生产班之前都经过 充分的卸压解危 。 2 开采深度对矿震活动的影响 开采深度表征环境应力强度。为考察不同环境 应力强度条件下开采扰动的岩体动力响应特征， 选择 老虎台矿 0 ≤M ． ≤1 ． 5的采矿直接相关型矿震， 将 5 1 0、 5 8 5 、 6 2 0 m深度每个工作 日停止爆破开采 回收 煤垛期间 ， 由于减小对原生煤体爆破扰动而降低的矿 震频次率定义为“ 减扰降震率 D ” D [ N 一N ／ Ⅳ ]1 0 0 ％ 1 式 中， Ⅳ 为爆破开采期 间单位 时间的矿震频次 ， h ； 』 V 为停止爆破开采及其延迟影 响期间单位时问的 矿震频次 ， 次／ h 。 1 9 6 9 --1 9 8 5年平均的减扰降震率 D 5 7 ． 4 2 ％ ， 即， 停止炮采后 ， 在 5 1 0～ 6 2 0 m深度区间， 矿震活动 平均次数降低了近 6 0 ％。但将各深度开采的减扰降 震率分别统计则可发现 ， 它们在各深度水 平并不均 衡 ， 表 1 和图 6～8显示 ， 在 5 1 0 m深度， 停止炮采 的 8 h 内， 微震次数减少了 8 0 ％ 以上 ， 而在 6 2 0 m深度 ， 同样的减少扰动情况下 ， 微震次数减少了不足 5 0 ％ ， 即 ， 环境应力强度水平越高 ， 减扰降震率越小。这表 明 ， 在高应力强度环境下 ， 停 止扰动后岩体 松弛继续 破裂失稳的能力强于低应力强度环境 。由此提示 ， 深 部高应力环境下 ， 停止开采扰动后短期 内的岩体破裂 失稳并不能很快停止 ， 还将延续发生一段时 间， 深部 采掘 扰 动 岩体 动 力 响 应 的延 迟 发 生 效 应 更 为 显 著。 表 1 不 同环 境 应 力 强 度 的减 扰 降震 率 Tabl e 1 Ra t e o f r e duc e di s t ur ba nc e a c c o r di n g t o i n- s i t u s t r e s s mag ni t ude 3 隔空采掘工作面采动对矿震的调制作用 甘肃华亭煤 田华亭煤矿为厚煤层 ， 分两层开采 ， 目前开采上分层 ， 采放高度约 1 1 m， 矿震活动丰富 ， 量 昌 量 量 蓦 量 昌 量 量 罩 蓦 蓦 昌 量 量 量 量 昌 零 星 量 量 量 暑 。 。 2 21 譬竺 曷 高。一 n寸 卜 时间 图 6 4 3 0 m水平 5 1 0 m深 0 ≤ ≤ 1 ． 5矿震频次累积分布 Fi g ． 6 Di s t r i bu t i o n o f a c c u mu l a t e d s e i s mi c e v e n t s f o r 0 ≤ L ≤1 ． 5 i n- 4 3 0 m l e v e l 5 1 0 m d e p t h b 咖 ．0． 0．0． ． 暑 昌 星 零 星 景 曼 蓦 零 星 零 量 量 星 昌 8 零 暑 量 蓦 零 星 星 昌 ∞ 2t一“ q 2 宝舄 岛 。一 n寸 、。 卜 时 间 图7 5 0 5 m水平 5 8 5 m深 0 ≤M ≤ 1 ． 5矿震频次累积分布 F i g ． 7 Di s t r i b u t i o n o f a c c u mu l a t e d s e i s mi c e v e n t s f o r 0 ≤ML ≤1 ． 5 i n一 5 0 5 m l e v e l 5 8 5 m d e p t h 警 善 暑 罨 量 量 暑 黾 罨 罨 警 善 罨 量 罨 警 苣 誊 墨 o 。 2 2 兰 昌 高。 - _ n寸 卜 、 时间 图 8 5 4 0 m水平 6 2 0 m深 0 ≤ ≤ 1 ． 5矿震频次累积分布 Fi g ．8 Di s t r i bu t i o n o f a c c u mu l a t e d s e i s mi c e v e n t s for 0 ≤ I ≤1 ． 5 i n一 5 4 0 m l e v e L 6 2 0 in d e p t h 冲击地压较为严重 。 0 1 工作面切眼长 2 1 0 m， 走向长度 2 1 4 0 m， 首分 层已采完， 顶板 自然垮落。其西侧 O 2采煤工作面切 眼长 2 1 0 m， 走 向长度约 2 1 0 0 m， 与 0 1工作面有 一 个 2 0 m宽煤柱相隔， 首分层由北向南 回采推进 ； 东侧 0 3掘进工作面切眼长 2 2 0 I T I ， 走向长度约 2 1 0 0 m， 与 0 1 工作面有一个 6 11 1 宽煤柱 局部 2 0 m宽 相隔 ， 首 分层煤层巷道 由南向北掘进 ， 2个工作面作业 的最小 距离 2 3 6 m。2个采掘工作面形成问隔一个采空作业 ∞ ∞ 如 ∞ 如 ∞ 如 0 第 1 2期 李铁等 采掘活动与矿震关系 誊飚 2 1 3 2 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 42 1 1 4 51 51 ． [ 6 ] 李铁 ， 蔡美峰 ， 蔡明． 分层开采煤矿 的矿震能量 释放 模型与 能量释放谱 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 7， 3 2 1 2 1 2 5 8 1 2 6 3 ． L i T i e ， Ca i Me if e n g， C a i Mi n g ． A r o c k b u r s t e n e r g y r e l e a s e mo d e l a n d e n e r g y r e l e a s e s p e c t rum f o r c o al mi n e s i n l a y e r e d g r o u n d s [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 7 ， 3 2 1 2 1 2 5 8 1 2 6 3 ． [ 7] 蒋金 泉， 张开智． 综放 开采矿震 的成因及 防治对策 [ J ] ． 岩 石力 学 与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 s 1 3 2 7 6 3 2 8 2 ． J i a n g J i n q u a n， Zh a n g Ka i z h i Ca u s e a n d c o n t r o l me t h o d o f mi n e e a rt h q u a k e i n f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g m i n i n g [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 5 S 1 3 2 7 6 - 3 2 8 2 ． [ 8 ] 谢广祥． 综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特 征 [ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 0 5， 3 0 3 3 0 9 3 1 3 ． Xi e Gu a n g x i a n g ． Me c h a n i c a l c h a r a c t e ri s t i c s o f f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g f a c e a n d s u r r o u n d i n g r o c k s t r e s s s h e l l [ J ] ． J o u r n al o f C h i n a C o a l S o c i e t y ． 2 0 0 5， 3 0 3 3 0 9 3 1 3 ． [ 9 ] 姜福兴 ， 王平 ， 冯增强 ， 等． 复合型厚煤层“ 震一 冲” 型动力灾害 机理、 预测与控制[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 9 ， 3 4 1 2 1 6 0 5 1 6 0 9 ． J i a n g F u x i n g， Wa n g P i n g， F e n g Z e n g q i a n g， e t a 1 ． Me c h a n i s m， p r e d i c t i o n a n d c o n t r o l o f“r o c k b u r s t i n d u c e d b y s h o c k b u mp” k i n d d y n a mi e a c c i d e n t i n c o m p o s i t e t h i c k n e s s c o a l 『 J ] ． J o u mal o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 9 ， 3 4 1 2 1 6 0 5 1 6 0 9 ． [ 1 O ] 王利 ， 张修峰 ， 姜福兴 ， 等． 巨厚覆 岩下开采地 表沉陷特 征及 其与采矿灾害 的相关 性 [ J ]煤 炭学 报， 2 0 0 9， 3 4 8 1 0 4 8 一 l 051 [ 1 2] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] W a n g L i ， Z h a n g Xi u f e n g ， J i a n g F u x i n g ， e t a 1 ． Co r r e l a t i o n o f g r o u n d s u r f a c e s u b s i d e n c e c h a r a c t e ri s t i c s a n d n fi n i n g d i s a s t e r s u n d e r s u p e r t h i c k o v e r l y i n g s t r a t a [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 9 ， 3 4 8 1 0 4 8 1 0 51 ． 成 云海， 姜福兴 ， 程久龙 ， 等． 关 键层运 动诱发矿震 的微震 探测 初 步研究 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 6， 3 1 3 2 7 3 2 7 7 ． C h e n g Yu n h a i ， J i a n g Fu x i n g， Ch e n g J i u l o n g， e t a1．Th e p r i ma r y s t u d y o n mi c r o s e i s mi c l o c a t i n g a n d mo n i t o r i n g t e c h n o l o g y o f s h o c k b u mp c a u s e d h y k e y s t r a t u m mo v e m e n [ J ] ． J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 6， 3 1 3 2 7 3 2 7 7 ． G i b o w i c z S J ， K ij k o A． A n i n t r o d u c t i o n t o mi n i n g s e i s mo l o gy[ M] ． Ca l i f o rn i a S a n Di e g o， 1 9 9 4． Gi b o wi c z S J ． Ke y n o t e l e c t u r e t h e me c h a n i s m o f s e i s mi c e v e n t s i n d u c e d b y m i n i n g a r e v i e w[ A] ． F a i h u r s t ． R o c k b u r s t a n d S e i s mi c i t y i n Mi n e s [ C] ． R o t t e r d a m A ． A ． B al k e m a ， 1 9 9 0 ． 李铁 ， 蔡美峰 ， 蔡明． 采矿诱 发地震 分类 的探 讨 [ J ] ． 岩石 力学 与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 s 2 3 6 7 9 3 6 8 6 ． Li T i e， C a i Me i f e n g， Ca i Mi n g ． A d i s c u s s i o n o n t h e c l a s s i f i c a t i o n o f mi n i n g i n d u c e d s e i s m i e i t y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 5 S 2 3 6 7 9 - 3 6 8 6 ． L i T i e， C h e n S h u a n g h u． Th e me c h a n i s m o f t h e s e l f - s i mi l a r i t y o f t h e G u t e n b u r g - Ric h t e r r e l a t i o n a k m s c a l e i n s i t u o b s e r v a t i o n a l i n v e s t i g a t i o n [ A] ． R a S i M7 2 0 0 9 C o n t r o l l i n g S e i s mic Ha z a r d a n d S u s t a i n a b l e D e v e l o p me n t o f D e e p Mi n e s[ c] ．N e w J e r s e y R i n t o n Pr e s s ． 1 0 0 31 O 1 0． 丫 丫丫 丫一 丫丫丫 一 丫丫 r r 丫 丫丫 了’ 『 I 丫丫丫 丫一 丫一 丫丫丫 丫一 ]， - 丫了 『 I 丫一 厂 丫■丫 丫丫丫 丫丫丫]『 r ]■ T 丫丫 2 0 1 2年 煤炭学报 征订启事 煤炭学报 是 中国煤炭学会主办的、 向国内外发行的煤炭科 学技术方面的综合性学术刊物。主要-D J 载煤 田地质与勘探 、 煤矿开采 、 矿山测量、 矿井建设、 煤矿安全、 煤矿机械 工程、 煤矿 电气工程 、 煤炭加工利用、 煤矿环 境保护等方面的科 学研究成果论著和学术论文， 以及煤矿 生产建设、 企业管理经验的理论总结， 也刊载重要 学 术问题的讨论及 国内外煤炭科 学技术方面的学术活动简讯。 煤炭学报 刊载的论文具有较 高的学术价值和文献收藏价值 ， 被 E i 、 l E A C o a l A b s t r a c t C D R O M、 中国科 学 引文数据库、 科学技术文摘速报 日本 、 C o a l H i g h l i g h t s 、 中国学术期刊文摘等 国内外 2 0多种重要文摘检 索系 统所收 录。1 9 9 2年 荣获首届全国优 秀科技期刊评 比二等奖， 获 中国科 学技 术协会优 秀学术期- D j 二等奖， 获北 京市新 闻出版局、 北京市科学技术期刊编辑学会全优期刊奖。1 9 9 6年荣获第二届全 国优 秀科技期刊评比一等 奖， 获 中国科 学技 术协会优 秀科技期刊一等奖。1 9 9 9年 荣获首届 国家期刊 奖。2 0 0 4， 2 0 0 7， 2 0 1 0 ， 2 0 1 1年分别 入选第三、 第六、 第九和第十届“ 百种 中国杰出学术期刊” 。2 0 0 8年荣获“ 中国精品科技 期刊” 称号。2 0 0 9年荣 获“ 新 中国6 0年有影响力的期-D 】 ” 称号。 煤炭学报 深受广大作者、 读者的爱护和支持， 也受到各级部门的重视， 在学术水平上具有较高的地位， 很多单位都将在 煤炭学报 发表的论文作为作者学术水平考核指标之一。 煤炭学报 为月刊 ， 每期 1 7 6页， 每册订价 5 8元， 全年共收 费6 9 6元。欲订阅者可直接 与本编辑部联 系， 编辑部随时办理订阅手续。 本刊地址 北京市和平里煤炭科学研究总院内 煤炭学报 编辑部 邮政编码 1 0 0 0 1 3 联 系电话 0 1 0 8 4 2 6 2 9 3 0 8 0 4 联系人 毕永华 Ema i l mt x b b y h 1 2 6 ．t o m