冲击矿压形成及预测技术研究.pdf

2 0 1 8 年第 5 期 西部探矿工程 1 3 1 地质与矿业工程 冲击矿压形成及预测技术研究 朱希平 同煤集团马道头煤业有限责任公司， 山西 大同0 3 7 0 0 1 摘要 近年来随着我国煤炭资源开采向深部发展 ， 开采过程中出现的各种突发事故 日 趋严重。其 中， 最为棘手的技术问题便是如何较好地控制巷道的变形， 冲击矿压时有发生， 且随着开采深度的增 加， 其发生的比例逐渐增加， 极大地限制了我国煤炭事业的发展， 并给工人的生命安全带来了隐患。 因此， 如何有针对地对冲击矿压进行预测和治理将对我国乃至全球煤炭事业的安全生产起着无法估 量的作用。 关键词 煤炭； 冲击矿压 ； 深部开采 ； 控制巷道 中图分类号 T D1 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 5 7 1 6 2 0 1 8 0 5 0 1 3 1 0 3 我 国是一个煤炭大 国， 煤炭是我国最主要的能源 ， 在一次能源消费中占7 0 ％以上。近年来 ， 随着国内煤 炭事业的不断发展， 各行各业对于煤炭资源的需求不 断增加， 进而促使不少煤炭开采由浅部趋于深部发展， 国内现平均开采深度已达6 5 0 m n 。煤炭开采这一现状 的不断发展 ， 使得不少深部采空区形成， 加上上覆岩层 的垂直应力、 构造应力和其他复杂应力的扰动， 增加了 矿井冲击地压发生的几率， 其主要表现为顶板突出、 两 帮内挤， 更甚至直接引起地表岩层的大面积塌陷， 进而 严重影响矿区居民的生活， 带来较大的生态破坏口 ] 。因 此 ， 如何采取有效合理的开采和预测方式才能从根本 上解决实际生产中带来的诸多问题。已达到在开采活 动展开的同时 ， 实现真正 的文 明矿区 、 和谐稳定 的生态 环境。 1 冲击矿压成 因 煤矿生产过程中诱导冲击矿压发生的因素有多个 方面， 因此， 国内考虑其诱导因素多从矿井开采范围内 的地质特性 、 开采规划和其他非客观性因素嘲 。 1 ． 1 开采地质特性 在煤矿实际生产过程中， 不同的煤矿其开采地质 构造 、 构造应力和其围岩组成成分虽不尽相同， 但矿井 冲击矿压的发生的本质并没有这些原因而不同， 大多 是在人为地开采活动破坏了地下岩层本已经稳定的原 岩应力， 进而使得地下应力重新进行分配， 以达到新的 平衡 ， 然而在这个构造应力稳定的过程中， 人们所开采 的巷道必然在不同程度上受到影响， 以至于部分区域 发生较为严重的冲击矿压。在生产过程中发现煤岩体 内的弹性能 主要 由冲击弹性能 、 形变弹性能 和顶板动态弯曲弹性能 Ⅳ 三部分组成， 即 W W W 1 对于顶板初垮落来压情况下 q Z L ／ 5 7 6 E J 2 顶板周期垮落来压情况下 Ww g ／ 3 在现有公式 的基础上 ， 经过实验室科学 的分析 可 以得 出 巷道顶板岩性在一定程度上对于诱发 冲击矿 压事故极为重要， 当顶板岩性硬度较为强时， 对于能量 的集聚极为有利 ， 此时如不能采取有效的泄压方式 ， 则 会诱导较为大的冲击矿压发生。此外， 煤岩体本身的 冲击倾向性、 强度和脆性也在一定程度上决定了煤矿 冲击矿压发生的可能性。 1 ． 2 开采规划 在实际生产过程中， 不少煤矿在开采前期开采规 划不足， 对冲击矿压认知不清楚 ， 导致国内煤炭事业发 展初期发生了诸多由于矿井冲击矿压引起的煤炭事 故。在井下巷道开挖初期， 原有的应力平衡被破坏， 随 之而来的就是支承压力 的形成 ， 而且 主要 以切 向应力 表现， 它是诱导煤炭事故的主要原因， 因此 ， 如何设计 收稿 日期 2 0 1 8 0 2 0 3 作者简介 朱希平 1 9 8 2 ～ ， 男 汉族 ， 陕西咸阳人， 助理工程师， 现从事采煤技术管理工作。 1 3 2 西部探矿工程 2 0 1 8 年第 5 期 和控制巷道的开挖方式和开挖形式在一定程度上能够 减缓其造成的影响， 但是单单的考虑巷道开挖形式和 成 型形式是不能满 足正常的生产需要 ， 需要在巷道的 开挖速度上加 以控制 ， 以保证巷道开挖 、 支护及成型与 支承压力 的移动速度形成一定的相关性 ， 保证巷道掘 进 和成型过程 中避开支承压力 的强烈作用 ， 并且在适 当的时候可 以采取必要 的人为泄压 ， 以尽量避免诱导 矿井 冲击矿压的发生 ； 同时， 在生产过程 中应当尽量避 免应力集中区域的产生和应力集中区域的开采活动。 l - 3 其他非客观因素 在生产过程中除了我们无法避免的客观因素外， 还有许多由于非客观因素造成 的煤矿事故 ， 在现实生 产过程时有发生 由于煤矿监管不严 、 矿工操作不规范 引起的煤矿事故， 这其中不乏冲击矿压事故， 最为突出 的便是在违反开采原则 ， 盲 目加快巷道和工作面的掘 进速度， 使生产区域正处在支承压力危险区域， 从而造 成不必要的冲击矿压事故 。因此， 如何建立和完善各 种规章制度 、 如何确保合理地开采方案正常进行也是 避免冲击矿压发生的一个重要方面。 2 冲击矿压预测 在煤矿生产过程中防治冲击矿压灾害发生是保障 安全生产 的前提 。冲击矿压的预测主要从冲击矿压可 能发生的时间、 地点和发生的规模3 个方面， 其具体方 法可 以分为人工法和地球 物理法 2 大类 。人工法在现 场主要采用钻 屑法 、 煤岩体冲击倾 向性测定 、 顶底板 围 岩压力及位移变形观测法 3 种方法预测 ； 而地球物理法 的预测结果准确性较高， 主要靠声发射 A E 及微震技 术监测 、 地应力及煤岩体应力监测和电磁辐射监测技 术等 ] 。由于冲击矿压的突发性原因， 在时间方面想要 做出较 为准确地预报几乎难 以实现 ， 但冲击矿压潜在 的发生区域是可以通过现有技术准确预测 。在 国内大 部分生产煤矿中主要采用电磁辐射仪和钻屑法来预测 冲击矿压的发生。大量实践数据表明， 这 2 种方法 以其 简单、 实用的优势在煤炭生产中得到了广泛的应用。 2 ． 1 电磁辐射仪监测预报法 掘进巷道或回采空间形成以后 ， 采煤工作面前方 的煤岩体内应力平衡被打破， 应力处于失稳定状态。 煤壁中的煤岩体发生变形或破坏 ， 以达到新的应力平 衡状态。在此破坏过程中， 煤岩体中的基本微元之间 的电引力场也随着发生变化 ， 并以电磁波的形式向外 界辐射 ] 。研究数据表明， 煤岩流变破坏与电磁辐射之 间存在一定的相关性。电磁辐射的频率随着应力载荷 及煤岩体变形破裂强度 的变化而变化 ； 电磁辐射的强 度及脉冲数也随着载荷大小的增大而增强。煤炭科学 研究总院重庆分院利用这～原理 自主研发冲击矿压和 煤、 瓦斯突出监测仪。其研制的K B D 5 型电磁辐射仪， 操 作简 便 ， 可 以较 为精 确地 检测 出煤 岩体 内 7 ． 2 0 -- 2 3 ． 0 0 m范 围内的煤岩体破裂情况 ， 并支持长时间的动 态连续监测。该仪器先后在焦煤集 团、 神火 和神华部 分矿井得到了较好 的应用 ， 并取得了一定 了研究成果 。 2 ． 2 钻屑监测预报法 2 0 世纪6 0 年代由德国和苏联的学者提出钻屑法 的基本理论并通过试验验证。国内从 2 0 世纪7 0 年代 才逐步开始钻屑法的现场试验研究 。钻屑法 主要通过 在煤岩体中打直径5 4 0 5 5 0 mm的钻孔 ， 监测钻孔周围 岩体向极限应力状态过渡的过程， 并监测打钻过程的 响声和微冲击的强度升高， 钻孔孔径的扩大， 钻屑量的 异常增多， 钻屑粒度的增大现象， 当预测有冲击危险地 点通过钻屑法测定的煤粉量结果与标准煤粉量的差值 超过 5 0 ％以上时 。 表明该 区域具有较为可能的冲击危 险 ， 必须采用必要的卸压处理。 3 结论 煤矿冲击矿压预测强度在中等以上的区域， 必须 从防冲的角度设计采区内区段工作 面的布置及其接替 顺序， 严禁禁止跳采或同时在一翼同时开采 ， 更不能采 用两翼对采的方式； 同时， 工作面推进速度要尽量保持 匀速推进， 避免忽快忽慢 ， 采采停停的现象。其中， 采 用电磁辐射监测和煤粉钻屑法检测能够较为准确地预 测冲击矿压发生的可能性。 参考文献 【 1 ] 窦林名 ， 赵从国， 杨思光． 煤矿开采冲击矿压灾害防治【 D 】 ． 中 国矿业 大学 ， 2 0 0 6 ． 【 2 J 张银亮． 跃进矿采煤面下巷冲击地压的形成及防治技术[ J 1 ． 煤炭工程 ， 2 0 0 7 1 0 ． [ 3 ] 王卫军 ， 李树清， 欧阳广斌． 深井煤层巷道围岩控制技术及 实验研究f J 1 ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 6 ， 2 5 1 0 2 1 0 2 2 1 0 7 ． 【 4 ] 窦林名 ， 何学秋 ， 王恩元． 冲击矿压预测的电磁辐射技术及 应用[ J 】 ． 煤炭学报， 2 0 0 4 4 ． 【 5 ] 张万斌， 王淑坤 ， 腾学军_ 我国冲击地压研究与防治的进展 『 J l _煤炭学报， 1 9 9 2 ， 1 7 2 2 9 3 5 ． [ 6 】 李青锋 ， 周泽 ， 朱川曲． 采动压力对锚杆支护结构渐进损伤 的数值模拟和实验研究『 J 1 ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 1 5 ， 3 2 6 9 5 0 9 5 4 ． 2 0 1 8 年第 5 期 西部探矿工程 1 3 3 S t u d y o n Oc c ur r i n g a n d P r e d i c t i o n T e c h n o l o g y o f I mp u l s i o n Pr e s s u r e ZHU Xi - p i n g Da t o n g C o a l Mi n e Gr o u p Ma d a o t o u C o a l I n d u s t r y C o ． ，L t d ． ， Da t o n g S h a n x i 0 3 7 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n r e c e n t y e a r s ， wi t h t h e d e v e l o p me n t o f c o a l r e s o u r c e s i n Ch i n a ，v a r i o u s e me r g e n c i e s i n mi n i n g p r o c e s s a r e b e c o mi n g m o r e a n d mo r e s e r i o u s ． Amo n g t h e m，t h e mo s t d i ffi c u l t t e c h n i c a l p r o b l e m i s h o w t o c o n t r o l th e d e f o r ma t i o n o f t h e r o a d wa y ． T h e i m- p a c t o f the i mp u l s i o n p r e s s ure f r e q u e n t l y o c c u r r e d ， a n d wi t h t h e i n c r e a s e o f mi n i n g d e p th， t h e p r o p o r t i o n i s i n c r e a s i n g ，s o i t g r e a t l y l i mi t s t h e d e v e l o p me n t o f Ch i n a ’ s c o a l i n d u s t r y , an d i t h a s b r o u g h t h i d d e n d an g e r s t o t h e s a f e t y o f t h e wo r k e r s ’ l i v e s ． Th e r e f o r e ， h o w t o s p e c i fi c a l l y p r e d i c t a n d c o n t r o l t h e i mp a c t o f th e i mp u l s i o n p r e s - s u r e wi l l p l a y s an i mme a s ur a b l e r o l e i n t h e s a f e t y p r o d u c t i o n o f c o a l i n d u s t r y i n Ch i n a a n d e v e n i n t h e wo r l d ． Ke y wo r d s c o a l ；i mp u l s i o n p r e s s u r e ；d e 印 mi n i n g ；c o n t r o l r o a d - wa y 上接第 1 2 8 页 全密度窗 口下施工 。必须将速凝剂 、 缓凝剂 、 减 阻剂以 及降失水剂添加到水泥浆体系中来缓解漏失程度， 避 免漏失量的加大。降低进入裂缝的固相颗粒量 ， 减少 水泥浆滤液对孑 L 隙壁填充物以及裂缝产生的沉淀， 以 此来保持地层渗透率。 3 固井过程中漏失的类型及处理 3 ． 1 漏失层一个 ， 位于井底 对于固井过程中出现的此类漏失， 堵漏方案较为 简单， 首先是对漏失类型和漏失层的性质进行分析， 制 定对应的措施和技术手段 。漏失层的性质主要包括孑 L 穴 、 孔洞和裂缝等 ， 其 中裂缝又包括人工诱导裂缝和天 然裂缝 2 种 ， 现场施工过程 中要对漏失 的性质进 行判 断 ， 然后在从漏失机理出发进行堵漏。此类简单漏失 井， 也存在较为复杂的情况， 不合理的处置会导致严重 后果， 井底漏失存在的下漏上喷， 高压气层的存在甚至 会导致井喷； 井底漏失的下漏上塌会导致井底层段坍 塌， 导致卡钻等事故 ； 在长裸眼井段和超深井中， 出现 的情况更 为复杂。某井在钻井过程 中， 井深达到8 4 5 m 附近出现大漏， 通过一般封堵未明显见效， 采取速凝堵 漏法成功堵漏 ， 水泥浆体系内加人的速凝剂密度在 1 ． 2 g ／ c m。 到 1 , 3 g ／ c m。 之 间 ， 速凝 剂与水泥浆 比为 1 2 ， 将水泥浆注人地层后候凝2 4 h 钻开， 恢复正常施工。 3 ． 2 漏失层一个 ， 不在井底 分析此类型漏失 ， 首先要确认 的是漏失层的具体 位置和层 段 ， 分析 的方法包括仪器测试法 和水动力学 法等， 这些方法能有效提升确定漏层的准确性。尽管 漏失相对简单 ， 但也会导致复杂的井下情况， 在不合理 的操作下也可能导致严重事故。漏失造成的下喷上 漏 ， 井底压力高于液柱压力下可能出现井喷； 降低固井 质量 ， 无法有效封 固长短井段 。对 于井深在 3 0 0 0 m到 4 0 0 0 m之间的长段裸眼低压层， 可通过正反注水泥或 结合双级低密度技术 ， 如果是高压漏失层固井 ， 高低密 度与正反注结合的固井工艺能有效地保护油气层和提 升固井效果 。 3 ． 3 多个漏失层 此类漏失是井底有漏失层 ， 其它层位也有漏失 层 。这类漏失 的情况相对复杂 ， 由于较多的漏层 ， 对于 各个漏层具体位置的确定存在一定难度。处理的过程 首先是对较大 的漏失进行处理 ， 再处理较小的漏失 ， 这 就需要转变堵漏思想来提升堵漏效果。这类复杂的漏 失情况会产生更加复杂的后果， 不合理的处置方案如 果遇到异常地层更会导致恶性连锁反应。在某井施工 中， 钻至 3 8 0 0 m附近出现溢流 ， 井底是较低的泥浆密 度 ， 压力系数 为 1 ．4 8 ， 通过加重泥浆压井 ， 在井 段 1 5 0 0 m到3 8 0 0 m出现多次漏失， 无法确定漏层准确位 置。存在高压盐水层且漏失遍布全裸眼段 ， 采取多次 堵漏都未能获得预期效果， 之后措施中重点不再是封 堵漏点， 通过降低泥浆密度来缓解地层漏失 ， 通过循环 的建立来加强携砂 ， 划眼钻穿破碎带和水层以实现封 堵漏层和水层 目的。 4 结束语 井眼漏失的封堵一直是油气井开发中的一个重要问 题， 这就需要对漏失的机理和封堵机理进行深人研究， 明 确漏失地层， 对漏失条件进行模拟来探讨合理的堵漏技 术 。但是在漏失井堵漏方面还是存在一些无法解决的问 题 ， 这就需要相关从业人员加大研究， 提升固井质量。 参考文献 [ 1 】1 顾军， 何吉标， 谯世均， 蒲继才， 周福， 张文平． MT A方法防气窜 固井技术在涩北气田的应用[ J ] ． 天然气工业， 2 0 1 4 ， 3 4 4 8 3 8 9 ． [ 2 】 刘硕琼， 齐奉忠． 中国石油固井面临的挑战及攻关方向[ J 1 ． 石油钻探技术， 2 0 1 3 ， 4 1 6 6 1 1 ．