冲击地压的应力增量预报方法

要： 采用覆岩空间结构运动理论预测了兖州煤业股份有限公司南屯煤矿 9303 孤岛放顶煤工作 确定了冲击危险区和危险程度， 并对冲击危险区域进行了卸压预处理 。在此基 面的岩层运动规律， 摘 “钻孔应力增量、 础上， 在危险区采用 钻屑量和钻屑过程中的动力现象为主要指标 ” 的冲击地压应 力增量预报方法， 对工作面可能发生冲击地压的位置进行了准确的预测预报 。 由于提前做好了预 先卸压、 监测检验和防护， 在预测区域内发生 2. 6 级矿震时， 成功避免了矿震诱发的冲击地压灾害 ， “有震无灾” 实现了 的控制目标。 关键词： 冲击地压； 应力增量法； 预测预报； 煤矿； 矿震 中图分类号： TD324. 2 文献标志码： A
增刊
王
平等： 冲击地压的应力增量预报方法的研究
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本文提出的应力增量预测预报冲击地压的方法 ， 以钻孔应力计读数 （ 相对应力增量 ） 、 钻屑量和钻屑 综合对容易诱发 过程中 的 动 力 显 现 为 判 定 指 标， 9303 工作面发生动力灾害的危险区 域 进 行 预 测 预 报。为了定量的判定工作面危险区域发生冲击地压 的可能性， 本文认为发生冲击地压的指标 I 是以钻孔 应力计指数 I s 、 钻屑量指数 I x 和钻屑过程中的动力 显现指数 I d 为主要变量的函数， 即发生冲击地压的 指标可以表示为 I = f（ I s ， Ix ， Id ） （ 1） I s 为通过钻孔应力计读数判定工作面发生冲击 式中， 地压危险的隶属度； I x 为通过钻屑量判定工作面发生 冲击地压危险的隶属度； I d 为通过钻屑过程中动力显 现判定工作面发生冲击地压危险的隶属度 。 3. 1 钻屑量指数 I x 的确定 10 － 13］ 根据文献［ 可知钻屑量与围岩压力之间
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利用应力增量方法预测预报冲击地压
采掘活动造成的坚硬岩层断裂、 断层的活化以及 ， 工作面推过构造应力带等 都将在局部区域产生应力 的集中和突变， 而应力的集中和突变主要以应力增量 或应力大小的变化显现出来。 应力增量预报冲击地 压的方法正是基于冲击地压发生前在局部区域产生 应力集中（ 高应力） 和突变（ 高应力突变 ） 的前兆信息 （ 应力增量显现 ） 对冲击地压进行预测和预报， 其中 应力增量显现主要表现为钻孔应力计读数 （ 相对应 力增量） 变化、 钻屑量以及钻屑过程中产生的动力现 象。
Abstract： Based on the analysis of strata spatial structure movement， not only forecasted the discipline of strata motion but also presented the predicting results of potential zones and risk level of rock burst in 9303LW． in 9303LW， 9303LW is a top coal mining longwall face of Nantun Coal Mine， Yanzhou Coal Mining Group． The predicting results of stress increment method that main contains the borehole potential zones of rock burst is preunloading． On this basis， stress increment， value of drilling cuttings weight and dynamic phenomena which happens in the drilling method process can forecast rockburst of the working face accurate． Owing to prestressrelief， monitoring inspection and prowhen 2． 6 grade of mine quake happeded， sucessfully avoid from coal out burst induced by mine tection in advance， quake disaster， achieve the aims of avoiding dynamic disaster． Key words： rock burst； stress incremental method； forecasting； coal mine； mine bump 冲击地压预报是采矿领域的世界性难题 ， 到目前 为止， 还没有一种普遍实用的预报方法 。国内外对冲 击地压监测预报方法 主要有声发射与微震监测 法、 电磁辐射监测法、 应力监测法、 开采判定法、 钻屑 法、 流动地音检测法、 顶板动态法、 煤层含水量变化观 测法、 煤层围岩压力观测法和锤击波速法等等 。在冲 击地压的预测预报中， 由于冲击地压发生的随机性和
屑孔中的敏感范围应该根据现场的条件确定 。 在敏 感区打钻屑孔过程中， 容易出现吸钻、 卡钻和煤炮等 动力现象。根据发生吸钻、 卡钻和煤炮程度， 分别对 同一动力现象的不同程度赋予不同值， 初步赋值 （ 根 轻微吸钻赋 据现场进行修正） 为： 不出现吸钻赋值 0 ， 中等吸钻赋值 2 ， 严重吸钻赋值 3 ； 不出现煤炮 值 1， 赋值 0 ， 少量煤炮赋值 1 ， 中等煤炮赋值 2 ， 频繁煤炮 轻微卡钻赋值 1 ， 严重卡 赋值 3 ； 不出现卡钻赋值 0 ， 钻赋值 2 ， 钻杆卡死赋值 3 。根据上述原则， 分别对钻 B 和 C， 煤炮和卡钻赋予值 A、 屑过程中出现的吸钻、 最后确定动力显现指数 I d ， 其具体的表达式为 I d = （ A + B + C） / 9 （ 4） 根据大量现场观测， 认为吸钻、 煤炮和卡钻的动 B、 力现象在判定冲击地压时具有同等重要性， 即 A、 C 的权重均为 1 ， 因此， 上式中的分母为 9 。 3. 3 钻孔应力计指数 I s 的确定 由于高应力的集中和突变是诱发冲击地压的必 备条件， 所以冲击地压发生的前一段时间， 围岩应力 值都存在较大幅度的变化， 为此可以通过钻孔应力计 揭露工作面围岩压力的变化情况 ， 进而对冲击地压进 行预测预报。通过钻孔应力计读数能定性的揭示围 岩所处的应力环境， 但不能定量反映出围岩应力增幅 的变化趋势 （ 即应力集中和突变程度的变化趋势 ） 。 因此， 本文提出了利用应力增量增幅预测冲击地压的 钻孔应力计指数法。 钻孔应力计指数 I s 的确定步骤如下： 当某一深 度钻孔应力值达到或超过预警预报值 P0 （ P0 取决于 工作面的具体情况以及钻孔应力计深度 ） ， 以此刻为 起始点， 算出相续间隔 t0 时间的应力增量的幅度 Δμ， 并通过应力增量的幅度 Δμ 确定钻孔应力计指数 I s 。 钻孔应力计指数 I s 与应力增量增幅 Δμ 的关系为 Δμ = σ（ t n ） － σ（ t n －1 ） σ（ t n －1 ） （ 0 ＜ Δμ （ t n ） ＜ γ0 ） （ Δμ （ t n ） ≥ γ0 ） （ 5）
第 35 卷 2010 年
增刊 8月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 35 Aug．
Supபைடு நூலகம் 2010
文章编号： 0253 － 9993 （ 2010 ） S0 － 0005 － 05
冲击地压的应力增量预报方法
1 1 1 3 1 2 2 王 平， 姜福兴 ， 王存文 ， 王洛锋 ， 孔令海 ， 冯增强 ， 王道宗 （ 1． 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083 ； 2. 兖州煤业股份有限公司 南屯煤矿， 山东 邹城 273500 ； 3. 洛阳栾川钼业集团股份有限 公司 矿山公司， 河南 洛阳 471500 ）
（ 1. School of Civil ＆ Environmental Engineering， University of Science ＆ Technology Beijing， Beijing 100083 ， China； 2. Nantun Mine， Yanzhou Coal Mining Group Corporation Ltd． ， Zoucheng 273500 ， China； 3. Mining Company， China Molybdenum Co． ， Ltd． ， Luoyang 471500 ， China）
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煤
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2010 年第 35 卷
9303 工作面岩层运动规律的研究， 提出并试验了冲 。 击地压的应力增量预报方法
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工程背景
南屯煤矿 9304 工作面南侧为 9302 工作面采空 北侧为 9306 工作面（ 未准备） ， 埋深为 630 m。 在 区， 9304 工作面回采过程中， 分别通过钻屑法和电磁辐 射法对冲击地压进行预测预报， 但是在 2007 － 03 － 13 ， 工作面发生严重冲击地压， 巷道被摧毁 100 多米。 而位于同一采区的 9303 工作面于 2008 年初开始开 采， 该工作面西北为 9301 工作面采空区； 东南部为 9305 采空区， 属于两边为采空区的孤岛工作面， 同时 该工作面的长度为 120 m。 根据 9304 工作面冲击地 压的情况， 以及对 9303 工作面动力灾害评价结果， 预 计 9303 工作面发生矿山动力灾害将比 9304 工作面 因此， 需要对预测预报 9303 工作面冲击地压 更严重， 从而更准确地对冲击地压发生地点 的方法进行改善， 进行预测， 并及时进行有效的治理， 避免工作面再次 发生严重的动力灾害。 2. 2
［1 － 5 ］
突发性， 以及破坏形式的多样性， 单凭一种方法往往 效果较差， 应根据具体情况， 在分析地质条件和生产 技术条件的基础上， 采用多种方法进行综合预测预 报， 这已成为目前冲击地压预测预报的主要发展方 向。到目前为止， 由于综合预报法的不可定量的特 点， 还没有被广大工程技术人员接受， 冲击地压的应 力增量预报方法是在此背景下提出的。 本文通过对
收稿日期： 2009 － 09 － 07 责任编辑： 柴海涛 50774012 ） ； “十一五 ” 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 40674017 ， 国家科技支撑计划（ 2007BAK24B04 ） ； 国家重点基础研究发展计划 （ 973 ） 资助项目（ 2010CB226803 ） 作者简介： 王 平（ 1983 —） ， 男， 江西抚州人， 博士研究生。E － mail： wangping20082006@ 126. com
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2. 1
基于覆岩空间结构理论的工作面危险区域 的确定及预处理
9303 工作面覆岩空间结构运动规律及危险区 的圈定 9303 工作面属于两面采空的“孤岛 ” 综放工作
面， 工作面柱状图如图 1 所示。随着工作面的逐渐回 ［6 ］ “C ” 上覆岩层将逐渐形成 型覆岩空间结构 。 由 采， 于 “C ” 型覆岩空间结构的形成和变化将对上覆厚硬 粗砂岩和细砂岩的运动产生重要影响 ， 而上覆厚硬岩 层的运动容易造成工作面运输巷、 回风巷、 中间巷道 ， 中产生异常大的矿山压力 进而诱发冲击地压， 所以 必须在 9303 工作面冲击地压的危险性评价的基础上 对危险区域进行圈定， 并提前对危险区进行预卸压处 “有震无灾 ” ， 理， 从而做到工作面的 保证工作面的安 全生产。 根据 9303 工作面冲击地压危险性评价的结论， 本工作面冲击地压危险区可以划分为： ① 基本顶初 次来压前夕： 当工作面推进到距离切眼 50 65 m 时， 可能发生小能量冲击地压； ② 本工作面采空区“见方 （ 工作面沿走向推进长度与工作面长度相当 ） ： 阶段” 本工作面推进到距离切眼 140 160 m 时， 极有可能 发生灾害性大能量冲击地压， 矿区内有强烈震感； ③ 正常推进期间基本顶周期来压阶段 ： 主要是基本顶周 期来压的动压诱发小的断裂震动， 但是能量不大， 只 。 在工作面有震感
图1 Fig. 1 南屯煤矿 9303 工作面柱状图
Drill hole section of 9303 longwall face
9303 工作面的预卸压
通过沿中间巷道两帮打大直径卸压钻孔和深孔 ［7 － 9 ］ 爆破断顶 对 9303 工作面进行预卸压处理， 使高 支承压力往煤层深部转移， 从而避免工作面发生动力 灾害。 在中间 巷 道 不 同 位 置 实 施 深 孔 断 顶， 提前对 9303 工作面冲击地压危险区域进行预卸压， 深孔断 顶爆破技术的具体参数为： 首先在距离切眼 40 m 的 中间巷处施工 11 个孔深 40 m 的爆破孔， 同时使孔底 处在开切眼附近， 以实现坚硬顶板顶部拉槽； 其次在 距离切眼 90 m 的中间巷内， 扇型布置 7 个孔深 40 m 的爆破孔， 使孔底位于基本顶初次来压断裂线附近 （ 距切眼 50 60 m） ， 以达到提前切断基本顶的目的， 从而实现基本顶初次来压之前的预卸压 ； 最后在距离 切眼 150 m 的中间巷内， 扇型布置 7 个孔深为 60 m 的爆破孔， 使孔底位于工作面“见方” 之前的位置 （ 距 切眼 100 110 m） ， 以实现工作面第一次见方来压之 前的预卸压。 同时在中间巷自工作面切 眼 外 40 200 m， 中间巷道内两帮、 底板向上 1. 2 m， 分别每隔 2 m 施工一个大直径卸压钻孔。
The stress incremental forecasting method of rock burst
WANG Ping1 ， JIANG Fuxing1 ， WANG Cunwen1 ， WANG Luofeng3 ， KONG Linghai1 ， FENG Zengqiang2 ， WANG Daozong2