深井坚硬顶板冲击矿压防治研究.pdf

总第 1 1 6 期 2 0 0 5 年第 1 2 期 西部探矿工程 W ES TCHI NA EXP U lRAT1 0N ENGI NEERI NG s e r i e s No ． 1 1 6 De c ． 2 0 0 5 文章编号 1 O 0 4 5 7 1 6 2 0 0 5 1 2 一O 0 6 9 0 3 中图分类号 TD 3 2 4 文献标识码 B 深井坚硬顶板 冲击矿压 防治研 究 丛 利 神东公司榆家梁煤矿， 陕西 榆林 7 1 9 3 1 6 摘要 冲击矿压是矿井深部开采面临的重大问题。介绍了冲击矿压动力灾害的成 因机理、 危险性评价与预测预报和 治理等内容。 关键词 深部开采； 坚硬顶板； 冲击矿压； 评价方法； 灾害防治 l 冲击矿压的动力灾害 由原始沉积作用和后期构造作用造成的含煤岩系的非连续 性和非均质性， 随着煤炭采深的增加引起 的覆岩 自重压力的增 大和构造应力的增强， 表现为围岩发生剧烈变形、 巷道和采场失 稳、 并易发生破坏性的岩爆和冲击地压。 冲击矿压作为采矿诱发的地震， 与大地地震相比， 虽然震级不 大， 但由于其震中距地表近， 属浅表层地震， 其危害性非常严重。 冲击矿压作为矿山震动的一种表现形式， 对矿山井下巷道 和工作面、 井下工作的矿工以及对地表及其建筑物将造成严重 的影响。在采矿巷道中发生震动和冲击矿压， 将会引起 1 巷道、 工作面的破坏 ， 人员的伤亡， 其主要原因是地震波 较 大 的 原 岩 应 力 传播过程中动载荷脉冲的冲击， 使煤层垮落， 动力抛出煤岩体。 我国三河尖煤矿发生冲击矿压的情况 ， 其破坏巷道最大达 5 0 0 多 米 。 2 在较大能量的震动和冲击矿压发生时， 地表产生振动， 使 建筑物产生裂缝甚至倒塌。其中， 破坏最严重的一次为 1 9 8 2年 6月 4日在 B y t o m市下发生的 3 ． 7级的矿山震动造成了 5 8 8多 幢建筑物的损坏。我国抚顺老虎台矿也存在这样的问题。 2 冲击矿压的成因和机理 2 ． 1 冲击矿压发生的原因 冲击矿压发生的原因是多方面的， 但从总的来说可以分为 三类 ， 即自 然的、 技术的和组织管理方面的。其关系如图 1 所示。 冲击矿压发生的原因 自然的 地 层 中 的 厚 岩 层 煤 岩 冲 击 倾 向 性 技术的 组织管理的 局 部 应 力 集 中 生 产 过 度 集 中 采 矿 地 质 因 素 限 制 防 治 措 施 的 限 制 煤 层 的 超 量 开 采 图 1 冲击矿压发生的原因 2 ． 2 冲击矿压发生的条件 1 开采深度。随采深的加大， 冲击矿压的频率及强度越来 越大。 2 煤岩特性。冲击矿压发生必要条件之一是煤岩体能形成 高应力集中和积聚高弹性能。 3 地质异常带。冲击矿压常发生在断层、 褶曲及其它地质 异常带。 4 顶板断裂与失稳。在工作面采空区内坚硬顶板经常形成 一 定范围的悬顶， 2 ～4次以上的断裂与失稳， 并对煤层施加动 无 投 资 及 投 资 没 到 位 防 治 措 施 采 取 不 当 采 矿 作 业 不 当 缺 乏 培 训 违 反 规 程 载， 悬顶范围越大， 其动载越大， 发生冲击矿压的危险越大。动态 检测表明， 工作面内每次发生冲击前， 均能提前 1 ～2 h测得反弹 现象。 5 采动应力迭加。采掘活动导致应力重新分布 ， 使高应力 区域应力向外释放， 使得交岔口处发生冲击矿压。 2 ． 3 冲击矿压的机理 冲击矿压的机理主要 是说明煤、 岩介质变形破坏的力学过 程， 即形成冲击地压的内在规律。从力学上分析， 冲击矿压简单 地理解为煤岩体的突然破坏。 维普资讯 7 O 西部探矿工程 De c ． 2 0 0 5 No ． 1 2 目前对冲击矿压机理的认识可主要概括为 强度理论、 能量 理论和冲击倾向理论。 把三个理论概括为三个准则 强度准则； 能量准则； 冲击倾向 度。 妻峨 强度准则 i l≥1 能量准则 ／ d U E／ d Us ≥ 能量删 ≥1 冲击准则 ≥1 式中 d 包括自重应力、 构造应力、 由于开采引起的附加应 力、 煤体与围岩交界处的应力和其它条件 如瓦斯、 水和温度等 引起的应力 ； R 煤体与围岩系统强度； U 一围岩系统贮存的弹性能； Us ⋯～煤体贮存的弹性能； U P 一一消耗于克服煤体与围岩边界处和煤体破坏等阻力的 能量 ； 、 围岩系统和煤体内的能量释放速度； J T T _ 克服围岩边界阻力和煤体破坏时吸收能量的速度； U L 、卜围岩系统和煤体内能量释放的有效系数； K 煤体 围岩 的冲击倾向度指标； K ⋯试验 实测 确定的冲击倾向度界限值。 显然， 式中前一个准则是煤、 岩体的破坏准则， 后两个是突然 破坏准则， 即三个准则同时满足时， 才能发生冲击矿压。 3 冲击危 险性评价方法 目前对冲击危险性评价主要有煤岩层 冲击倾 向性实验室研 究、 现场实测及计算机数值模拟与相似材料模拟等方法。 3 ． 1 煤岩层冲击倾向性实验室研究 煤岩层冲击倾向性实验研究主要是判断煤岩层是否具有积 聚大量能量并在破坏时瞬间释放的基本属性 ， 煤岩层 的冲击倾 向是其产生冲击矿压的必要条件。评价煤岩层的冲击倾 向的指 标主要有弹性能量指数、 冲击能量指数 、 煤的动态破坏时间、 弯曲 能量指数等， 具体分类指标如表 1 、 表 2 所示。 表 1 煤层 冲击倾 向性 分类 分类指标 无冲击倾向性 弱冲击倾向 强冲击倾向 3 ． 2 现场实测数据分析评价法 现场实测评价煤岩层 冲击性主要有钻屑法、 地音与微震监 测法以及常规矿压观测。钻屑法又称钻屑定量法， 是通过在煤体 中钻小直径钻孑 L 4 2 ～ 5 0 ， 根据钻孑 L 时在不同深度排出的煤 粉量以及有关动力现象， 确定相应的煤体应力状态。集中应力是 产生冲击矿压的重要原因， 测定煤层钻粉量可以了解煤层应力 分布状态 ， 从而分析确定煤层是否存在冲击危险以及冲击危险 程度。利用钻屑法评价煤层冲击危险性， 其指标由3部分组成 煤粉量指标、 距离指标和动力效应。 表 2 顶板冲击倾 向性分类 地音与微震监测法。煤岩体受力产生变形破坏时， 伴随能量 的释放， 地音和微震是这种释放过程的物理效应之一。地音和微 震的强度与频度在一定程度上反映了煤岩体的应力状态和释放 变形能的速率。参与冲击的煤岩体通常在某些部位首先达到极 限平衡状态， 产生局部破裂， 与之相应， 地音活动出现活跃期， 并 出现一定强度和一定数量的微震活动； 另一方面， 与煤岩体积蓄 能量过程相对应， 地音与微震活动出现平静状态， 以此判断煤层 或岩体发生冲击的倾向性 。 通过对冲击矿压工作面支架压力、 立柱下缩量的观测， 判断 工作面顶板来压规律， 同时对巷道的变形及其围岩应力分布进 行观测。在此基础上 ， 研究工作面冲击矿压发生机理 ， 预测冲击 矿压发生的危险性及其区域。 3 ． 3 数值模拟与相似材料模拟评价方法 利用计算机对冲击矿压工作面或巷道采掘活动进行数值模 拟。根据模拟工作面或巷道等采掘空间的变形及应力分布情况， 判断实际工作面或巷道变形破坏及应力分布与集 中情况， 从而 确定采掘空间冲击矿压发生的危险性 。目前运用的数值计算程 序主要 有 北 京 开 采 所 开 发的 大 范 围 三维 应 力计 算 程序 GME A P； 有限差分计算程序 F L A C, , 京开采所与武汉岩土所开 发的有限元一离散元耦合程序。与计算机数值模拟一样， 相似材 料模拟可以为制定合理的采煤方法及预测发生冲击矿压危险性 区域提供依据， 但由于模型大小及其实验成本限制， 一般应用很 少 。 3 ． 4 地质动力区划分析 地质动力区划分析的主要原理在于地质结构体的结构与构 造的任何信息均反映了地壳活动的过去及将来， 反映了地层岩 体的应力状态。地质动力区划的主要过程就是利用地表、 地形地 貌、 矿井地质构造及地应力测量等一系列地球物理信息分析、 确 定区域内不同历史阶段的结构断块的应力状态及受力形式， 以 此判断矿井是否会发生高度应力集中及冲击等动力现象。 3 ． 5 综合测定方法 综合测定方法， 能更准确地判断出发生冲击矿压的地点和 时间， 这种方法就是同时采取上述两种以上的方法， 根据多因素 的变化， 综合加以确定 。 地质动力区划分析、 煤层倾向性测定和计算机数值模拟与 相似材料试验等可用于评价未开采煤层发生冲击矿压的危险性 及其危险区域预测； 而钻屑法、 地音与微震监测法主要用于已开 维普资讯 总第 1 1 6 期 2 0 0 5年第 1 2 期 西部探矿工程 W E S lr r CHI NA EXP L0RAT1 0N ENGI NEERI NG s e r i es No ．1 1 6 De c ． 2 0 0 5 文章编号 1 0 0 4 --5 7 1 6 2 0 0 5 1 2 一O O 7 1 0 2 中图分类号 TE 3 5 5 ． 5 文献标识码 B 套管采油井杆管偏磨分析 杨美华， 刘永辉 西南石油学院， 四川 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 套管采油是无油管采油技术的一种， 由于没有油管， 节约了生产成本， 提 高了泵效， 减少了杆管偏磨。但是， 在 套管采油井小井眼大径向间隙的情况下， 对于抽油杆柱的微小弯曲， 与常规有杆泵抽 油井相比不易发生偏磨， 但是一旦 抽油杆柱与套管壁接 触， 却更容易发生正弦或螺旋屈曲， 而且一旦发生螺旋屈曲， 其杆管偏磨更为严重， 因此抽油杆柱 的优化设计也就显得 更为重要 。 关键词 套管采油； 无油管； 偏磨； 螺旋屈曲 1 常规有杆泵抽油时杆管偏磨机理 常规有杆泵采用油管 和抽油杆作为配套管柱进行采油作 业， 当抽油杆下冲程时， 油管环空液柱压力、 流体进阀阻力和柱塞 副与衬套之间的半干摩擦力等阻碍抽油杆柱下行的弯曲载荷， 致使中和点以下的抽油杆柱发生正弦或螺旋屈曲变形 ， 导致抽 油杆紧贴油管壁部分发生偏磨； 如果油管下部未锚定而 自由悬 挂， 在上冲程时， 油管底部受到一个向上的虚拟力使油管发生屈 曲变形， 而抽油杆柱因受较大的拉力而基本保持直线状态， 从而 抽油杆柱与屈曲的油管发生偏磨。同时， 随着上下冲程加载、 卸 载的变化， 油管和抽油杆柱都会发生弹性伸缩， 在油管不锚定的 情况下， 由于油管的弹性伸缩变形而产生冲程损失 3 ～5 ， 降 低了泵效和原油产量。 2 套管采油时杆管工况分析 套管采油技术是无油管采油技术的一种， 即利用套管和抽 油杆柱之间的环形空间作为出油通道开采原油的工艺技术。常 规有杆泵抽油井和套管采油井杆管弯 曲存在明显不同， 见图 1 。 由于没有油管， 就不会发生常规有杆泵采油中由于油管的弹性 伸缩而降低泵效的情况， 也不会发生 因油管的屈 曲变形而使抽 油杆与油管偏磨的情况 ， 而且节省了油管费用 ， 降低了工人的作 业强度， 节约了生产成本。但是 由于没有油管 ， 直接利用套管出 油， 抽油杆与套管之间环行空间的径 向间隙比抽油杆与油管之 间环行空间的径向间隙大许多， 因此， 套管采油井抽油杆柱与套 管的弯曲偏磨必须重新考虑。 2 ． 1 抽油杆柱屈曲变形 由于套管对抽油杆柱变形的限制 ， 抽油杆柱的弯曲行为与 一 般杆件的弯曲行为有显著的不同 当轴向压力较小时， 抽油杆 掘的煤层， 通过现场实测了解煤层应力分布状况， 确定发生冲击 矿压的危险性区域。目前钻屑法、 地音与微震监测法及综合测定 法在国内运用较多。 4 冲击矿压的防治 冲击矿压的防治是其研究的最终目的。主要防治措施有 1 煤层卸载爆破。该法是 目前最常用 的方法之一， 目的在 于改变煤体结构性能与承载能力， 使煤层中支承压力峰值向深部 转移； 煤体如在深部发生冲击， 浅部已破坏的煤体会给以一定阻 力， 从而将发生在煤壁表面的破坏控制在最小程度； 对应力高的 局部煤体通过卸载爆破 ， 使煤体中的积聚大量弹性能在爆破时释 放出来， 以实现有 目的、 有准备地诱发“ 冲击” ； 1 9 9 8年 1 O 月 2 0日 成功进行了一次卸载爆破， 参数为 钻孔j z 『 4 2 ～j z 『 5 0 ri m1 、 深 6 ～ 8 m、 孔距 6 ～1 O m、 装药量 1 ． 5 ～2 ． 5 k g ／ L ， 全长封孔， 同时起爆数 不大于 4 个。爆破后 ， 工作面中部 2 5 m长的输送机向采空区侧 移动 0 ． 4 m， 撞歪第一控顶排 1 4棵单体支柱。 2 高压注水。煤层高压注水是治理冲击矿压的一个重要措 施， 煤体注水后其强度下降 ， 冲击倾向减弱 ， 煤层注水一般提前 1 个月， 使煤体有一定的湿润时间。注水后检测表明， 煤层含水率 由自然含水率的 1 ． 7 3 提高到 3 ． 1 1 ， 从而有效地降低煤体强 度。 5 结束语 深部资源开采是解决我国能源及原材料需求 的必经之路。 在我国已有许多矿井进入深部开采， 而且要大规模进入深部资源 开发开采前， 必须解决矿井深部开采存在的冲击矿压问题。 深部资源开采与地下工程是 目前国内外采矿工程界一个十 分重要的研究课题。目前我国东部矿井正以每 1 O年延深 1 O 0 ～ 2 5 0 m的速度发展， 如果我们仍然习惯于浅部开采条件下的地质 作用特征和矿山压力显现规律来推断和分析深部开采的安全事 故及相关现象， 显然远远不够。因此 ， 我们应予以高度重视并广 泛开展研究与探索。 参考文献 [ 1 ] 陈炎光， 钱呜高． 中国煤矿采场围岩控制[ M] ． 北京 煤炭工业出版 社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 钱呜高， 刘听成． 矿山压力及其控制 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 99 l _ 维普资讯