北北 京京 科科 技技 大大 学学20132013年年5 5月月千米深井强冲击复杂条件下分层开采 工作面防冲技术研究千米深井强冲击复杂条件下分层开采 工作面防冲技术研究山东丰源远航煤业有限公司北徐楼煤矿 北 京 科 技 大 学 2012年11月1 研究背景 2 3下02工作面冲击危险性评价3 3下02工作面冲击地压治理和监测技术研究 4 动力灾害监测布置方案5 基于微地震监测的结果分析 6 工作面岩层运动规律及冲击地压的关系研究7 “震动场应力场”联合监测揭示的工作面来压8 结论提提 纲纲1 研究背景北徐楼煤矿主采北徐楼煤矿主采3 3层煤，煤层厚度层煤，煤层厚度5.15.16.9m, 6.9m, 采采 深近深近1000m1000m，属于典型的深部开采矿井，邻近，属于典型的深部开采矿井，邻近 矿井开采矿井开采3 3层煤均发生冲击地压或矿震等动力灾层煤均发生冲击地压或矿震等动力灾 害。害。3 3下下0202工作面：工作面：分层开采工作面，埋深大、构造分层开采工作面，埋深大、构造 复杂，煤层、顶板具有冲击倾向性，留有底煤复杂，煤层、顶板具有冲击倾向性，留有底煤 。 因此，工作面的开采具有较严重的冲击地压危因此，工作面的开采具有较严重的冲击地压危 险。险。1.1 问题的提出 uu 微地震监测微地震监测 uu 动态应力监测动态应力监测 uu 电磁辐射监测电磁辐射监测 uu 位移监测位移监测 uu 钻屑法钻屑法1.2 研究现状 冲击地压监测预警技术研究现状 n n 分类：区域性防治和局部性防治。分类：区域性防治和局部性防治。 n n 防治原理：改变煤岩层的物理力学性能，防治原理：改变煤岩层的物理力学性能， 以减弱集聚弹性能的能力和释放速度；降以减弱集聚弹性能的能力和释放速度；降 低应力集中程度；应力集中带向深部转移低应力集中程度；应力集中带向深部转移 ，使集聚的弹性能在深部释放。，使集聚的弹性能在深部释放。 冲击地压防治技术研究现状冲击地压防治技术研究现状l l 采用合理开拓布置和开采方式采用合理开拓布置和开采方式 l l 开采解放层开采解放层 l l 煤层预注水煤层预注水 l l 卸压爆破卸压爆破 l l 钻孔卸压钻孔卸压 l l 定向水力裂缝定向水力裂缝 n n 防治措施：防治措施： 分层开采技术研究现状 我国的厚煤层开采主要是采用分层开采、放顶煤我国的厚煤层开采主要是采用分层开采、放顶煤开采和大采高开采，其中分层开采是一种传统的开采和大采高开采，其中分层开采是一种传统的厚煤层开采方法。厚煤层开采方法。北徐楼煤矿分层开采的主要难度北徐楼煤矿分层开采的主要难度: :煤层具有冲击倾向性、构造复杂、采深大煤层具有冲击倾向性、构造复杂、采深大-导致导致开采具有强冲击危险开采具有强冲击危险 1.3 研究内容 一分层工作面开采前危险区的卸压方法与一分层工作面开采前危险区的卸压方法与参数参数 冲击危险区支护技术冲击危险区支护技术 一分层工作面回采期间冲击地压监测预警一分层工作面回采期间冲击地压监测预警 一分层工作面回采期间冲击地压防治技术一分层工作面回采期间冲击地压防治技术1.4 研究路线2 3下02工作面冲击危险性评价3 3下下0202工作面是第一个分层开采工作面，最大工作面是第一个分层开采工作面，最大埋藏深度达到埋藏深度达到965965米，煤层和顶板具有冲击倾米，煤层和顶板具有冲击倾向性，大部分地段留有底煤，构造复杂，因此向性，大部分地段留有底煤，构造复杂，因此，该工作面的开采具有较严重的冲击地压危险，该工作面的开采具有较严重的冲击地压危险。诱发诱发3 3下下0202工作面冲击地压的机理工作面冲击地压的机理 (1)(1)高地应力与构造应力共同作用于整个开采范围，容高地应力与构造应力共同作用于整个开采范围，容 易在开采初期发生工作面内和巷道内的冲击易在开采初期发生工作面内和巷道内的冲击 (2)(2)厚底煤屈曲型破坏诱发的冲击厚底煤屈曲型破坏诱发的冲击 (3)(3)厚煤层动力扩容诱发的冲击厚煤层动力扩容诱发的冲击 (4)(4)坚硬顶板运动诱发的冲击坚硬顶板运动诱发的冲击 (5)(5)相变带集中应力诱发的冲击相变带集中应力诱发的冲击 (6)(6)周围（本矿和相邻矿井）采动应力诱发的冲击周围（本矿和相邻矿井）采动应力诱发的冲击2.1 2.1 工作面概况工作面概况顶底板名称岩石名称厚度（m）岩 性 描 述基本顶砾岩19.98紫红色，巨厚层状，主要成份以石英岩、泥 岩、石灰岩为主，含其它岩石碎屑，次 圆状次棱角状，分选性差。胶结物为粉 砂质，基底式胶结。上部夹薄层细粒砂 岩。 伪 顶泥岩0.38灰色，薄层状，泥质结构，断口平坦状。直接底粉砂岩1.64深灰色，薄层中厚层状，水平层理，含植 物要部化石，含泥质。老 底细粒砂岩1.12灰色，薄层状，细粒砂状结构，夹炭质条带 ，水平层理发育。煤层顶底板情况表煤层顶底板情况表地质构造地质构造3 3下下0202工作面为单一倾斜工作面，西北部有工作面为单一倾斜工作面，西北部有F1F1断层，东部有断层，东部有F4F4断层，东南部有断层，东南部有F3F3断层断层，该断层的次生断层会对煤层的连续性、稳，该断层的次生断层会对煤层的连续性、稳定性造成破坏，造成局部煤岩体地应力集中定性造成破坏，造成局部煤岩体地应力集中，对工作面产生较大影响。，对工作面产生较大影响。 断层产状参数表断层产状参数表3 3下下0202工作面地质构造平面图工作面地质构造平面图2.2 2.2 冲击地压危险性评价的范围和方法冲击地压危险性评价的范围和方法3下02工作面的平面图3 3下下0202工作面冲击地压危险性评价方法工作面冲击地压危险性评价方法首先用宏观评价法来评价冲击地压的危险性， 常用的方法主要有综合指数法、冲击地压发生 可能性指数诊断法等。其次找出产生冲击危险 的影响因素，然后根据各个因素的不同情况， 采用不同的评价方法，划定危险区域，最后根 据多因素耦合法，划定不同危险程度的区域。3下02工作面冲击危险性评价流程图冲击地压危险状态的分级及对策 2.32.3工作面冲击地压危险性的宏观评价工作面冲击地压危险性的宏观评价 3 3下下0202工作面地质条件确定的冲击地压危险状态评定指数工作面地质条件确定的冲击地压危险状态评定指数地质因素影响下的冲击地压危险性指数为地质因素影响下的冲击地压危险性指数为0.790.79，具有强冲击危险性。，具有强冲击危险性。主要影响因素为开采深度、煤层的冲击倾向性和坚硬顶板岩层等。主要影响因素为开采深度、煤层的冲击倾向性和坚硬顶板岩层等。3 3下下0202工作面开采技术条件确定的冲击地压危险状态评定指数工作面开采技术条件确定的冲击地压危险状态评定指数开采技术因素影响下的冲击地压危险性指数为开采技术因素影响下的冲击地压危险性指数为0.40.4 ，具有弱冲击危险性。主要影响因素为断层和工，具有弱冲击危险性。主要影响因素为断层和工 作面开采留设的底煤。作面开采留设的底煤。通过综合比较分析，通过综合比较分析，3 3下下0202工作面冲击地压危险状态等级评工作面冲击地压危险状态等级评 定为强冲击危险性，冲击危险指数定为强冲击危险性，冲击危险指数0.790.79，其中，地质因素，其中，地质因素 影响高于开采技术因素影响，坚硬顶板、大采深、底煤及影响高于开采技术因素影响，坚硬顶板、大采深、底煤及 分布的断层起主要影响作用。分布的断层起主要影响作用。冲击地压发生可能性指数诊断法评价冲击地压发生可能性指数诊断法评价冲击地压发生可能性指数诊断法的基本内容和步骤为：（1）计算采动应力场分布规律；（2）测试和计算煤岩体的冲击倾向性；（3）计算应力和冲击倾向性各自对“发生冲击地压”事件的 隶属度；（4）计算冲击地压发生的可能性指数；（5）诊断某一点冲击地压发生的可能性。2.4 2.4 冲击危险性的多因素耦合评价与危险区划分冲击危险性的多因素耦合评价与危险区划分 (1) 冲击应力场机理(2) 覆岩空间结构运动机理(3) 冲击性构造活化机理 确定冲击地压潜在危险区潜在危险区 (1)应力分析(2)矿山压力与地质评价(3)工程类比评价评价潜在危险区的 危险程度危险程度诱发冲击地诱发冲击地 压的关键层压的关键层 诱发冲击地诱发冲击地 压的关键层压的关键层 区域构造应应力分布示意图图大断层层控制的高应应力区大断层层叠加应应力分布线线3下04工作面 3下02工作面 F4F4断层的切割，轨道顺槽右侧形成类似断层的切割，轨道顺槽右侧形成类似“ “煤柱煤柱” ”的结构的结构 断层切割下应力分布图断层切割下应力分布图轨道巷轨道巷皮带巷皮带巷地质构造控制的冲击地压危险区 老顶初次来压的力学分析老顶初次来压的力学分析3 3下下0202工作面老顶结构为双层坚硬岩梁。双工作面老顶结构为双层坚硬岩梁。双层岩梁周期断裂步距的差别，加上实际生层岩梁周期断裂步距的差别，加上实际生产过程中其他因素对断裂步距的影响，将产过程中其他因素对断裂步距的影响，将造成工作面老顶出现来压周期杂乱，多次造成工作面老顶出现来压周期杂乱，多次、频繁来压的现象，会极大影响正常生产、频繁来压的现象，会极大影响正常生产，有发生顶板冲击的危险。，有发生顶板冲击的危险。老顶初次来压危险区工作面5060m5060m工作面见方危险区工作面见方危险区工作面89m89m工作面工作面煤层上方覆岩中存在多组坚硬顶板，其断裂过程形成的动压 容易诱发冲击地压，老顶周期来压前后，工作面前方2070m左右 是动力灾害的主要危险区。周期来压影响的冲击危险区底煤与动力灾害的关系评价底煤与动力灾害的关系评价 3 3下下0202工作面开采方式为分层式开采，轨顺和运顺都是沿煤工作面开采方式为分层式开采，轨顺和运顺都是沿煤 层顶板布置，煤层硬度系数层顶板布置，煤层硬度系数f f =2.5=2.5，属于脆性硬底板，在回，属于脆性硬底板，在回 采过程中，底板煤体极易在积蓄大量弹性能后突然冲出，造采过程中，底板煤体极易在积蓄大量弹性能后突然冲出，造 成动力灾害。成动力灾害。动动力扩扩容型冲击击示意图图相变带变带 集中应应力与支承压压力叠加在煤体变薄的区域，会产生较大的构造应力集中，当工作在煤体变薄的区域，会产生较大的构造应力集中，当工作 面推采到相变带时，工作面的超前支承压力与原煤体中的面推采到相变带时，工作面的超前支承压力与原煤体中的集中应力相互叠加产生高应力，极易产生冲击集中应力相互叠加产生高应力，极易产生冲击。工作面工作面3下02工作面多因素评评价冲击击危险险区域叠加效果图图3下02工作面多因素评价冲击危险区域图2.5 2.5 冲击地压危险性评价的主要结论冲击地压危险性评价的主要结论 3 3下下0202工作面冲击地压危险区域划分为：中度危险区域工作面冲击地压危险区域划分为：中度危险区域3 3 个、高度危险区域个、高度危险区域2 2个。个。 （1 1）工作面整体具有高度冲击危险性，局部具有中等冲）工作面整体具有高度冲击危险性，局部具有中等冲 击危险性；击危险性； （2 2）冲击类型：以坚硬顶板运动诱发冲击和构造应力（）冲击类型：以坚硬顶板运动诱发冲击和构造应力（ 主要是断层影响）诱发冲击为主的冲击地压类型；表现主要是断层影响）诱发冲击为主的冲击地压类型；表现 形式为底板（煤）冲击为主，煤体涌出为辅。形式为底板（煤）冲击为主，煤体涌出为辅。 （3 3）不可预见因素：由于本工作面顶板坚硬，且构造复）不可预见因素：由于本工作面顶板坚硬，且构造复 杂，顶板运动和地应力分布规律将发生明显变化，因此杂，顶板运动和地应力分布规律将发生明显变化，因此 ，不规律的顶板运动和应力分布将引起冲击地压规律发，不规律的顶板运动和应力分布将引起冲击地压规律发 生变化，因此，需要加强开采过程中应力动态的实时监生变化，因此，需要加强开采过程中应力动态的实时监 测监控。