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发布时间:2019-11-24 13:34

1.地音监测冲击地压危险评价指标及方法

1.1地音监测冲击地压危险评价方法

岩体中地音活动及能量强度的变化,说明岩体内应力的变化及冲击地压危险性的变化,对于采掘工作面,为评价冲击危险性,地音预警方法主要有以下两种。

趋势评估法就是根据地音监测到的微破裂的频次和数量的变化趋势进行实时冲击地压危险评价。并将评价结果分为a,b,c,d四个等级,其中d级为最危险的等级。

在地音活动的各种异常当中,地音活动的突然加剧或突然沉寂是最重要的两个中短期指标,而地音活动的异常增强,往往引起地音事件在空间和时间上的丛集等现象是冲击地压孕育中短期阶段的主要特征;而地音活动的异常平静则是短期阶段的重要特征。根据地音活动的绝对量进行冲击地压危险的评价。并将评价结果分为a,b,c,d四个等级,其中d级为最危险的等级。

2地音预警案例

2015年11月7日12时57分、11月8日7时53分,411工作面距回风顺槽约10m、巷口约1000m位置发生两起1.6级矿震,均为煤层事件。ARAMIS M/E微震监测系统定位结果分别为:X=70036,Y=72688,Z=-751,释放能量1.8×106J;X=70045,Y=72699,Z=-757,释放能量1.9×107J。矿震发生时411区震感较强,411回风顺槽顶板有少许喷浆块掉落,有煤尘扑出,巷道支护无异常。

11月6日23时,三班矿压调度员发现411回风g2通道已连续两个班达到c级危险,立即下达预警通知单告知生产调度通知井下区队干部设置警戒,次日白班矿压科领导调查g2附近无干扰作业,预警继续,并安排打钻队在回风1020~1035m范围实施解危工作,7日~8日共实施6炮煤层卸压爆破。预警期间,11月7日12时57分发生一起震级为1.6的高能事件,当天23时g2危险等级上升至d级,次日7时53分又发生一起震级为1.6的高能事件,煤岩体能量得到释放,一个班后危险等级下降到c级,持续一日后危险解除。预警结果和初始预警到危险解除期间班级危险等级变化情况如图4和图5。

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图4 411工作面6日日报表截图

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图5初始预警到危险解除期间班次危险等级变化

2015年11月28日6时29分,308工作面距运输顺槽37m、边界道73m位置发生2.1级矿震,为煤层事件。ARAMIS M/E微震监测系统定位结果为:X=70212,Y=73810,Z=-898,释放能量2.3×107J。矿震发生时井下及地面震感强烈,308运输顺槽及边界道顶板有喷浆块掉落,煤尘较大,巷道支护无异常现象。

11月25日23时,三班矿压调度员在交接班前发现308回风g8探头已连续两个班达到c级危险,立即下达预警通知单告知生产调度通知井下区队干部安排预警区域人员撤离并悬挂预警限制人员入内牌,次日白班矿压科领导调查g8附近无干扰作业,预警继续。11月27日23时,三班矿压调度员在交接班前发现308运输顺槽g10通道达到c级危险,矿压调度员下达预警通知单给生产调度,生产调度单告知井下区队干部在预警区域两端设置警戒。发出预警6个小时后,即次日6时29分在运输顺槽预警区域内发生一起7次方矿震。29日23时,g10通道危险等级降至b级,危险解除。预警结果和初始预警到危险解除期间班级危险等级变化情况如图6和图7。

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图6地音预警结果显示

(注:g7,g9距工作面80m,g8、g10距工作面130m)

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图7初始预警到危险解除期间班次危险等级变化

2015年11月28日22时25分,411工作面距回风顺槽25m、巷道口973m位置发生1.8级矿震,为顶板事件。ARAMIS M/E微震监测系统定位结果为:X=70019,Y=72699,Z=-736,释放能量4.4×106J。矿震发生时井下震感较强烈,411运输顺槽顶板有喷浆块掉落,煤尘较大,巷道支护正常。

11月26日7时,零点班矿压调度员在交接班前发现411回风g3通道达到c级危险,立即下达预警通知单告知生产调度通知井下区队干部在g3前后50m两端设置警戒。当天23时,411回风g1通道也达到c级危险,矿压调度员下达补充预警通知单告知井下区队干部将警戒区域扩大至g1和g3两通道前后50m范围。随后,回风g1、g3分别在27日15时和28日7时危险等级均升至d级。在g3发出d级预警15个小时,即28日22时25分,预警区域内发生1.8级高能事件。30日7时、23时回风顺槽g1、g3两探头分别降至b级,危险解除。预警报表和初始预警到危险解除期间班级危险等级变化情况如图8和图9。

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图8 411工作面29日日报表截图

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图9初始预警到危险解除期间班次危险等级变化

发出预警后,28日至30日危险解除前,在距回风巷口937~967m(注:g3位置为945m)位置进行解危措施,共施工6个煤层卸压爆破。预警后及时采取的解危工作对降低矿震或冲击发生的可能性或发生时能降低显现强度起到一定的作用。

2015年12月18日19时45分,308工作面距运输顺槽60m、边界道45m位置发生2.1级矿震,为顶板事件。ARAMIS M/E微震监测系统定位结果为:X=70284,Y=73777,Z=-860,释放能量3.2×107J。事件发生时308两道震感较强,巷道支护无异常,回风顺槽与边界道顶板有喷浆块掉落,煤尘较大,地表震感较强。

12月16日15时,411运输顺槽g10通道发出c级危险,生产调度通知井下区队干部在g10前后50m范围设置警戒。g10持续两个班后危险等级升至d级,再经过两个班降至c级。此时,g9通道开始也发出c级预警,矿压调度员下达补充预警通知单告知井下区队干部将警戒区域扩大至g10和g9两通道前后50m范围。18日19时45分,预警区域内发生2.1级高能事件。通道g10、g9分别于19日7时、23时降至b级,危险解除。日报表和初始预警到危险解除期间班级危险等级变化情况如图10和11。

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图10411工作面16日日报表

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图11初始预警到危险解除期间班次危险等级变化

冲击地压与安全研究室(简称冲击地压室)

冲击地压与安全研究室(简称冲击地压室),前身为煤炭科学研究总院北京开采所于1978年成立的冲击地压专业研究组。于1984年被全国矿山压力情报中心站指定为冲击地压分站,负责归口管理全国冲击地压情报收集与学术交流活动。冲击地压与安全研究室先后对北京矿务局门头矿、房山矿、开滦矿务局唐山矿、赵各庄矿、新汶矿务局华丰矿、孙村矿、潘西矿、抚顺老虎台矿、徐州矿务局三河尖矿、枣庄矿务局陶庄矿、义马矿务局千秋矿、阜新矿务局五龙矿、淄博矿务局唐口矿、四川省天池煤矿、七台河桃山矿、新兴矿、双鸭山集贤矿、鹤岗富力矿、华亭矿区华亭矿等全国近30多个局矿的冲击地压问题开展研究工作,相继完成有关冲击地压课题50余项,其中包括国家攻关项目及煤炭部重点项目。经过30多年的系统、全面的研究,冲击地压与安全研究室已形成具有自身特点的冲击地压综合研究体系,具备承担各类国家,行业项目和解决生产实际问题的能力。这主要体现在以下几个方面:

系统、深入地研究了冲击地压的发生机理

30多年来,冲击地压与安全研究室研究人员坚持实验室试验、理论分析和数值模拟计算等综合方法,开展了“深部开采条件下冲击地压的新机理研究”、“冲击地压预测与防治”、“华丰煤矿深部冲击地压预测预报及综合治理技术”、“新汶矿区冲击地压成因及治理技术”的研究,从煤岩体固有特性、煤岩体结构破坏、煤岩摩擦滑动特性等多方面研究了冲击地压的发生机理。

建立了煤岩冲击倾向性测定方法

通过开展“煤的冲击倾向性试验研究”、“模糊综合评判煤的冲击倾向性的研究”、“岩石冲击倾向性分类及冲击地压预测的研究”、“煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法”、“岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法”等课题的综合研究,于1987年主持制定了煤炭部行业标准“煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法”,并于1998年对该标准进行了修订,同时主持制定了“岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法”。

完善了冲击地压预测预报技术,开发和研制了相关仪器与设备

从80年代初开始,在吸收和消化国外冲击地压预测预报技术的基础上,先后系统地开展了“地音与微震监测系统用于门头沟煤矿冲击地压防治试验研究”、“冲击地压预测与防治”、“冲击地压煤层层析成像方法的试验研究”、“小型便携式地音监测装置”、“WDJ-1微震定位系统”、“DJ-1型地音监测系统”、“煤岩声发射震源定位方法的研究”、“华丰煤矿深部开采冲击地压预测预报及综合治理技术”等研究,进一步完善了冲击地压预测预报技术。近年来,在“BD4-I型地音仪”的基础上,正在研制新一代PAE411型便携式地音仪

建立了煤岩层开采过程中冲击危险性的评价方法

在大量实践的基础上,建立了以数值模拟计算、实验室冲击倾向性测定并结合现场实测为主要方法的开采过程中煤岩层冲击危险性评价方法。具体方法是首先开展煤岩层冲击倾向测定,在此基础上,利用冲击地压与安全研究室自行研制开发的GMEAP大范围三维应力计算程序、DFK-1有限元与离散元耦合数值计算程序及从美国引进的FLAC、3DEC程序进行数值模拟计算,确定煤层不同开采方案时的应力集中程度及分布规律,从而确定冲击危险区域和冲击危险程度。其次,现场测定煤岩体开采中的应力分布规律,并与数值模拟结果进行比较,进一步修正数值模拟计算结果并指导实践。在这方面,我们开展的研究课题主要包括“唐山矿T2153-154工作面冲击危险性评价与安全开采可行性分析”、“华丰煤矿深部冲击地压预测预报及综合治理技术”等。

开展了大量的冲击地压综合治理实践

经过30多年的研究与实践,冲击地压与安全研究室已完成现场冲击地压综合治理项目近30项,主要包括“冲击地压预测与防治——门头沟矿冲击地压预测与防治”、“陶庄煤矿冲击地压防治”、“华丰煤矿深部开采冲击地压预测预报及综合治理技术”等,已积累了大量的治理冲击地压的经验。

冲击地压作为岩石力学中的复杂疑难问题之一,是国内外许多岩石力学工作者的重要研究内容,特别是冲击地压发生机理问题,更是过去几十年来国内外有关专家与学者共同关注的焦点。就世界范围而言,由于冲击地压问题的复杂性,冲击地压发生机理的研究进展仍比较缓慢,人们对冲击地压机理的认识从强度理论进而发展到能量理论、刚度理论、冲击倾向理论,以及由这些理论演变而来的联合理论。近十年来又创立了变形系统失稳理论。这些理论从不同角度和侧面描述了冲击地压发生的力学机制和材料属性,为冲击地压灾害的预测与防治提供了有力的理论基础。

最近几年,我们取得的创新成果主要包括以下几个方面:

1)通过现场观测与实验室试验研究,认为冲击地压的煤岩层结构的典型失稳破坏,并且这种失稳破坏过程是粘滑失稳破坏过程。在此基础上,提出了煤岩体结构破坏导致冲击地压发生的“三因素”准则。随后,为了将冲击地压机理向防治延伸,研究提出了“冲击地压启动理论”,首次将冲击地压机理研究与工程结构相结合,对冲击地压发生进行了重新分类,揭示了浅部开采也可以发生冲击地压,并为冲击地压演化时间序列与空间序列研究奠定基础。

2)在吸收国外研究成果的基础上,提出了冲击倾向理论,即煤岩体的冲击倾向性是导致冲击地压发生的根本的、内在的原因,并确定了以动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数、单轴抗压强度、弯曲能量指数为主要指标的冲击倾向性鉴定方法,并依此将煤岩体划分为强冲击倾向性、弱冲击倾向性和无冲击倾向性。

3)结合大量冲击地压防治实践,提出了改善煤层、顶板、底板应力集中的顶板定向断裂方法、底板定向切槽方法等实用技术。

4)研制成功用于冲击地压预测预报的BD4-I型便携式地音仪、MA0104E简易地音监测系统,并成功地用于煤矿冲击地压预测实践中。

5)初步建立了以冲击倾向性鉴定、地应力测量为基础,微震、地音、采动应力监测为主要冲击危险源辨识预测手段,顶板定向断裂为主要控制手段的冲击地压综合实用技术,正在进一步完善。

6)煤矿多尺度多角度预监测系统研究

冲击地压与安全研究室继2005年在新汶矿业集团公司华丰煤矿成功引进波兰微震监测系统后,于2006年与波兰EMAG冲击地压研究中心合作,作为该公司在中国地区的冲击地压监测系统独家代理单位。冲击地压与安全研究室基于多年的冲击地压理论与实践技术将波兰的微震监测系统与地音监测系统各取所长为国内冲击地压预测预防提供一种新手段。

此外,冲击地压与安全研究室还基于微震监测系统、采动应力监测系统及钻屑法等监测手段,研制符合煤矿煤岩地质条件的煤矿冲击地压危险性综合评价系统。该系统能够编制和查看各种相关表格和震动记录,自动生成相关报告,为技术人员提供日常冲击地压管理的科学依据。