唐山矿区深部煤层冲击矿压测防初探.pdf

油 田、矿 山、 电力设备管理与技术 唐山矿区深部煤层冲击矿压测防初探 耿友 明’李 金龙 1 ． 河北能源职业技术学院 河北唐山 0 6 3 0 0 0 ； 2 ． 马鞍 山小南山矿业有 限公司 安徽 马鞍山 2 4 3 0 3 1 摘要 考虑到唐山矿区已经进入深部开采时期， 面临着冲击矿压的危害， 生产受到 了制约。 本文力争对当前 国内外冲击矿压理论进行梳理，从 中 梳选 出适合于唐山矿区深部开采过程中的冲击矿压测防技术， 并对其进行初步研究， 最后确定采用实验室数值模拟和生产现场微震监测法作为唐山 矿 区 冲 击矿 压测 防研 究的 方 法 。 关键词 深部开采 中 击矿压实验室数值模拟微震监测法 1、引 言 唐 山矿 区是我国近代煤矿机械化开采技术的发源地 ， 其建矿历 史悠久， 开采时间跨越三个世纪 十九世纪一二十一世纪 ， 截止现 在， 已持续服役近1 3 5 年。 与其他老矿面临的困局相同， 唐山矿区已 逐步进入到深部开采阶段， 不可避免会遇到围岩应力分布变化更复 杂、 采掘工作面围岩压力加大、 地质条件恶化、 冲击矿压危险程度增 加等危害因素。 而在诸多因素中， 对矿井延伸、 安全生产影响最大的 当属冲击矿压 。 因此 ， 我们很有必要对唐 山矿 区深层开 采冲击矿压 发生规律和 产生原因作深入研究， 并及时制定出综合有效的预测、 防治措施， 这 样才能避免唐山矿区冲击矿压的发生， 杜绝冲击矿压伤害事故的隐 患 ， 从而保 障深部开采煤矿 的安全生产 ， 创建安 全和谐矿 山。 2 、冲击矿压的研究现状 冲击矿压是由煤矿采掘而诱发高强度的煤 岩 变形能瞬时释 放， 在相应采动空间引起强烈围岩震动和挤出的现象； 是矿山压力 一 种特殊的显现形式。 一直以来， 各国学者对冲击矿压的发生的机 理理论多有不同， 相继提出了一系列的重要理论， 如强度理论、 刚度 理论、 能量理论、 冲击倾向理论、 二准则和变形系统失稳理论、 流变 理论等。 冲击矿压共有的显现特征为 突发性、 瞬时震动性及破坏 性 。 资料显示 ， 煤矿 冲击矿压 的发 生规 律性 特征如下 1 回采期间的超前支护巷道区域内冲击矿压发生几率较高， 其范 围多在超 前工作面0 ～8 0 m内 ， 其矿压显现现象 是煤 壁呈现大 范围片帮 ， 片帮深度大， 空顶面积广， 后期治理困难 ； 2 煤矿冲击矿压的发生， 通常在工作面前方支承压力影响范 围内， 在应力集 中和采动影响下， 导致冲击矿压的发生 ； 3 冲击矿压发生后， 煤层顶底板并不明显发生破坏和变形 ， 煤 体呈现出破碎 并整体爆 出， 可以观察到的是煤层与顶底板之间产生 明显 的滑动擦痕和离层 ； 4 冲击矿压多发生在顶板来压期间、 支架移架或回柱放顶、 爆 破作业等施工过程中。 冲击矿压多发生在煤层变薄带、 断层、 褶曲等 地质 构造区附近 。 在发生冲击 矿压 矿井的构造应力 相对较大 ； 5 发生冲击矿压的煤岩层具有典型的“ 三硬” 结构特征， 即硬 煤、 硬顶和硬底； 并且往往在顶板与煤层之间存在较薄一层的粉状 软煤 厚 约0 ． 1 0 ． 2 m ； 6 冲击矿压发生后， 巷道断面面积收缩明显， 通常可达到5 0 ％ ～7 0 ％ ， 最 多甚至可达到9 0 ％。 冲击矿压的发生， 轻则折损设备， 延搁生产 ； 重则摧垮采场， 造 成作业人员的伤亡。 其发生不仅对工作面现场产生影响， 而且可能 波及变形能释放范围的巷道、 峒室等存在高应力集中的空间部位。 尤为应该引起关注的是 在深部开采期间， 冲击矿压更易出现， 研究 指出 当煤矿的开采深度由6 O O m至7 0 0 mt t， 冲击矿压的发生几率 大幅度提 高 ， 最高 可达5 倍 以上 。 而唐 山矿 区的开 采水平 已甚 至一 9 5 0 m， 部分工 作面的开采深度 以达到一l 1 3 0 m。 无论是世界煤矿还是国内煤矿 ， 都曾不 同程度的受到冲击矿压 灾害的影响， 世界煤矿受冲击矿压影响的具体情况参见表1 ， 而国内 煤矿也不容乐观， 据安全生产数据统计， 截至2 0 1 1 年底， 我国有1 3 2 对矿井发生破坏性冲击矿压 不少于4 1 2 0 次， 死亡超过4 0 0 人 ； 破坏巷 道长度 已近2 1 k in； 停产累计超过 1 0 1 0 0 d 。 其危害性事显 而易见 的。 表 1 世界煤矿冲击矿压灾害统计 3 、 冲击矿压预测方法在唐山矿区深部开采阶段的可行性研究 冲击矿压的预测是冲击矿压 防治 的基础工作 。 预测预报方法很 多 ， 目前常用主要有以下二类 一是以综合指数法为主的经验类 比 分析方法； 第二类是以钻屑法为主的岩石力学方法； 二是以声发射、 微震监测和电磁辐射监测为主的采矿地球物理方法 。 由于冲 击矿压 发生的随机性和突发性， 以及破坏形式的多样性， 单凭一种预测方 法往往不能准确预测预报冲击矿压。 一般都是在分析地质条件和生 产条件的基础上， 首先用经验类比分析方法确定冲击危险区域， 然 后采用钻屑法、 声发射、 电磁辐射等多种方法预测生产过程的冲击 危险性 ， 这也是 目前冲击 矿压 预测预报 的主要 途径和方法 。 唐山矿 区欲采取的适用 的预报预测方法是微震 监测法 。 其原理 为 矿山震动是由于地下采动引起的， 是岩体断裂破坏的表现。 微震 法预测冲击矿压 ， 就是记录采矿震动的能量， 并确定和分析震动的 方向， 对震中定位， 以此来评价和预测矿山动力现象。 简单来讲， 就 是记录下岩体震动的地震图， 收集记录震动参数， 如震动时间， 震中 坐标， 震动释放的能量大小， 特别是震中的位置， 地震参数 ， 震动机 理， 震中的压力趋势等数值， 并以此为基础， 进行冲击矿压发生的危 险程度预测 。 本次可行性研究由实验室数值模拟和生产现场微震监测两个 环节组成 。 环节一 利用数值模拟的方法对煤炭深层开采过程中， 应力的 积聚、 煤岩的破裂等过程进行实验室数值模拟， 探讨冲击矿压形成、 发生的规律。 对采 自唐 山矿区的煤岩、 顶底板岩石样品， 在实验室 中， 利用三轴岩心试验机、 全自动压汞仪等相关仪器， 测试样品孔隙 度以及岩石力学参数 包括泊松 比、 弹性模量等 ， 结合煤田测井数 据， 探讨样品在遭受拉、 压、 剪等不同应力的作用下， 其破裂与失稳 过程。 冲击矿压的发生， 就是煤岩遭受破坏的过程， 之所以产生非线 性的变形， 是因为煤岩在受力过程中内部不断产生微细破裂， 这种 微 细破 坏的不断 发展 便导致最 终的宏观破 裂。 研究 采用有 限差分 法 、 有 限单元法 、 边界元法、 半解析元法 、 离散元法等方法 ， 充分考虑 岩石破裂过程中伴随的非线性 、 非均匀性和各向异性等特点 ， 对冲 击矿压的产生进行实验室“ 真实破坏过程数值模拟分析” 。 利用我国 具有 自主知识产权的计算力学软件R F P A真实破裂过程分析系统 Re a l i s t i c F a i l u r e P r o c ， e S S An a l y s i s ， 对深 部开采阶段煤 岩破裂 与失稳过程进行数值模拟研究。 根据唐山矿区煤岩及围岩样品的力 学、 岩石工程的相关参数， 模拟其稳定边界， 试样在边界载荷条件下 变形、 破裂的全过程和相应的应力场演化图像。 反演深部开采条件 下冲击矿压发生 的过程 ， 探讨其 发生规律 。 ⋯⋯ 下转第1 7 0 页 作者简介 耿友明 1 9 7 9 一 ， 男， 河北望都县人， 在读硕士， 采煤助教， 河北能源职业技术学院矿建系教师， 从事矿山压力围岩控制与井巷施 工技术方向的教学与研究。 1 68 C h i n a S c i e n c eT e c h n o l o g y Ov e r v i e w 油 田、矿 山、电力设 备管理 与技术 无关的事情 ， 不能够专心地开展政工工作。 3 、煤炭企业新技术发展需求下的研究对策 3 ． 1 解放 思想， 转变观念， 牢 固树立科 学发展观 发展 才是硬道理 ， 发展必须要从解放思想 ， 转变观念年开始。 首 先从决策层 抓起 ， 充分利用各 种专题研究会 ， 加强决策层政治理论 、 业务知识、 市场经济知识的学习， 把思想统一到企业的中长期发展 目标上来； 其次是， 抓好管理层思想的解放和观念的转变， 加强管理 层的整体观念、 发展意识、 大局观念教育， 使管理层在思想、 行为上 与决策层保持高度一致， 准确地把企业的方针政策传达到职工之 中； 最后， 让广大职工充分认识到制定企业中长期发展目标的重要 性和必要性， 用联系的观点看待企业的每一项决策， 和支持企业的 每一项决策， 全身心地投人工作， 为实现企业的中长期发展目标做 出应有的贡献。 3 ． 2加强队伍， 创新机制， 形成 齐抓共管新局面 在新的历史形势下， 煤炭企业的思想政治教育工作要想不断取 得实效， 就必须立足于企业发展大局， 着眼于人民群众的现实需求， 不断创新工作机制， 着力探索“ 思想政治工作” 大格局。 坚持党企业委统一领导、 党政共同负责的责任机制， 充分发动煤 炭企业各方面力量， 共建设和谐煤炭企业。 一方面需要改善思想政治 工作者的待遇， 着力提升思想政治工作者的地位， 另一方面也要加强 对思想政治工作者的培训， 特别是对新技术、 新理论的掌握； 在思想 政治教育工作部门实行竞争机制， 鼓励大家在专业素养上形成你追 我赶的局面， 只有逐步培育一支专业化、 专家化、 高素质的基层思想 政治工作 队伍才是提升当前煤炭企业思想政治教育工作的根本。 3 ． 3 深入实践， 勤于钻研， 构建市场发展的新理念 把思想政治教育工作应与解决广大职工切实问题相结合， 在煤 炭企业上下形成“ 企业给予一片情 ， 职工献出一颗心” 良性循环。 心平气和的讲， 广大职职工在思想上出现问题绝大多数都是由 于工作、 生活中的问题而引发的， 因此， 要解决广大职工的思想问 题， 就要必须关心职工， 对他们的合理要求要真心实意地去落实， 通 过不断改善职工的工作、 生活环境， 来减少职工的思想问题。 如果思 想政 治教育工作只 讲道理 ， 不办实事 ， 就会失信于 民， 削弱思 想政 治工作功能， 也就不可能产生应有的效果。 3 ． 4与时俱进， 创新理念， 打造强势宣传载体模式 思想政治教育 工作要 紧跟时代步 伐 ， 与时俱进 ， 把宣传思想工 作做好， 让宣传思想工作不断适应新形势、 开创新局面。 为了更好的 做好宣传思想工作 ， 煤炭企业思想政 治教育工作要大胆创新工作理 念， 形成新的工作思路。 例如， 充分借助“ 手机短信、 网络信息” 等平 台， 运用科技手段做好宣传思想工作， 服务于思想政治工作， 努力使 思想政 治工作更加生动 ， 更加丰富， 求实 ， 求新 ， 求变 ， 解决好煤炭企 ⋯⋯ 上接第 1 6 8 页 环节二 采用微震监测技术， 在生产现场实时监测应力的积聚、 煤岩的破裂以及冲击矿压发生的过程。 如前所述， 煤岩在受力过程 中内部会不断产生微细破裂， 称之为“ 微震事件” ， 当微震事件发生 时， 会产生震动波， 沿周围的介质向外传播。 传感器接收原始的微震 信号以后将其转变为电信号， 将其发送到微震信号采集单元， 软件 可以将此电信号转变为数据信号并传给数据采集计算机， 经过运行 在数采计算机上的软件对原始的数据信号的加工处理后再传送给 分析计算机， 分析计算机相应的软件可以对微震动数据信号进行多 方面处理和分析， 实现对微震事件的定位、 获取事件原始参数、 传感 器位置校正、 趋势跟踪等处理， 并可以对微震事件在绘图仪或三维 空间进行实体演示， 其原始数据和处理文件可实时显示。 由于现场 数据可以通过网络通讯向数据处理中心进行实时远距离传输， 因而 对生产现场微震活动进行2 4 h 不间断实时监测， 可以实现矿山微震 监测信息与三维矿山地质模型的相叠动态显示， 为冲击矿压预测、 预报提供依据。 利用微震监测系统M M S M i C r o s ei s m i C Mo mt o r i n g S y s t e m 对开采工作面、 巷道及其它关键部位进行实时 监测。 该系统利用声学原理和计算机强大的计算功能来实现精准定 位发生微震事件的位置和级别， 主要包括 地面部分、 地下部分和数 据传输及可视化软件部分。 E S G 微震监测仪是聆听地音的耳朵， 其 1 7 0 C h ma S c i e n c e T e c h n o l o g y Ov e r v i e w 业思想政治工作之本。 3 ． 5 严 于利 己， 科学应用， 树 立全心的楷模与榜样 在我们企业的内部曾经有很多优秀的思想政治工作者， 他们既 是从事思想政治工作的行家里手， 更是严以律己， 率先垂范、 吃苦在 前、 享受在后的楷模和榜样 ， 他们总是能够把“ 全心全意为入民服 务” 为座右铭， 一心一意的为广大职工服务。 但是也存在着一部分工 作人员总乐道于 出人头地 ， 他们总喜欢高谈阔论， 而在大庭广众之 中， 他们又往往戴上一副面具， 装腔作势， 借以吓人， 于工作非徒无 益， 于 自身反而有害。 思想政治教育工作者要时刻严于利己， 从各方 面提高自己的思想认识水平， 规范和约束 自己的行为。 3 ． 6理论指导。 实际融合， 提升技术整体含量 煤炭企业的思想政治教育工作是做人的工作 ， 不能隔山打炮， 隔靴搔痒。 在煤炭企业的各项工作中， 受社会上的不正风气影响， 有 的职工会随时随地产生思想问题， 甚至滋生不健康的患想倾向， 而 这些思想和倾向又会随时随地反映在他们的行动上。 不规范的行为一旦发生， 就有酿成事故的危险。 因此在做思想 政治教育工作的时候一定要理论联系实际， 做到追踪搜索， 及时开 方下药。 只有这样才会药到病除、 防患未然之效 ； 用科学的工作方 法， 从对职工进行综合激励， 在控制人的不安全行为的同时， 着重做 好思想政治工作， 抑制容易导致不安全行为的动机 3 ． 7形式 多样， 设计为主， 调动工作积极性 文化活动是是调动员工工作积极性、 活跃员工业余文化生活的 重要措施。 例如， 篮球、 乒乓球、 羽毛球、 排球等各类比赛， 组织文艺 演出， 坚持寓教于文、 寓教于乐， 让广大职工在丰富多彩的文化生活 中受到感染 ， 通过形式多样的文体活动， 丰富职工的业余生活， 促进 煤矿队伍的稳定。 4、结语 在新的历史形势下， 煤炭企业的思想政治教育工作要紧紧围绕 企业中心工作， 根据不同时期不同阶段的任务、 及时调整思路、 创造 性地开展工作， 始终把握工作的主动性。 一是要大张旗鼓、 始终不渝 地加强形势任务教育。 结合企业的实际情况， 坚持“ 思想政治工作到 现场人人心” 的原则， 充分发挥党团和工会组织的作用， 深入基层调 查研究、 及时掌握职工思想动态， 化解矛盾、 理顺情绪， 及时解决他 们工作和生活中的实际困难， 保证思想工作到人人心。 参考文献 [ 1 ] 刘萍． 煤炭企业思想政治工作浅谈[ J ] ． 中国商界 上半月 ， 2 0 1 O 1 2 ． [ 2 ] 寇宪中． 浅谈煤炭企业思想政治工作的创新[ J ] ． 魅力中国， 2 0 0 9 3 0 ． 采集的微震数据经MMS V i e w软件系统处理， 可以直观地演示地 层内部微破裂的时空分布及发生规律， 从而可以对煤岩的稳定性进 行监测与分析 ， 实现冲击矿压的预测和预防。 4、结语 所选研究 方案先进可行 ， 技术成熟 ， 样本 易取 ， 通过 本项研究 ， 可以依据冲击矿压的发生规律， 借助实验室数值模拟、 生产现场动 态实时监测等手段， 对唐山矿区煤炭深部开采时煤系地层应力的变 化、 冲击矿压的发生机制、 发生规律建立充足的知识储备， 为安全生 产提供咨询， 为工程施工提供优化方案。 参 考文献 [ 1 ] 窦林名， 何 学秋 ． D R Z E Z L A B ． 冲 击矿压危 险性评价的地 音法[ J ] ． 中 国矿 业大学学报， 2 0 0 0 。 2 9 1 8 5 8 8 ． [ 2 ] 陈炎光， 饯 鸣高． 中国煤 矿采场 围岩控制[ H ] ． 北京 煤炭工业 出版 杜， 1 9 9 4． [ 3 ] 吴章龙， 唐典彩． 冲击矿压的防治实践叫] ． 煤矿安全， 1 9 9 9 4 2 5 2 6． [ 4 ] 潘一山， 李忠华， 章梦涛． 我国冲击地压分布、类型、机理及防治 研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 4 4 1 8 5 1．