煤矿冲击矿压分级预测窦林名

煤矿冲击矿压分级预测技术“深井开采工程与灾害控制”研讨会中国矿业大学窦林名教授博导冲击矿压由采矿活动引起的采矿型冲击矿压由构造活动引起的构造型冲击矿压采矿型冲击矿压压力型（煤柱）冲击型（顶板）冲击压力型（顶板煤柱）一、冲击矿压类型冲击矿压的类型压力型（煤柱）冲击矿压：由于巷道周围煤体中的压力由亚稳态增加至极限值，其聚集的能量突然释放。煤层冲击矿压现象顶板或底板冲击矿压现象冲击型（顶板）冲击矿压：由于煤层顶底板厚岩层突然破断或位移引发的，它与震动脉冲地点有关。在某种程度上，构造型冲击矿压也可看作为冲击型。时间上从早期综合分析预测到即时预测空间上从区域预测到局部、点预测逐级排除和确认冲击矿压危险。二、冲击矿压分级分区预测思路煤矿冲击矿压预测技术因发生冲击矿压的时间、地点、区域、震源等的随机性、复杂多样性和突发性，使得冲击矿压的预测工作变得极为困难复杂，是急待解决的世界性难题。目前普遍采用的预测方法单一、适用范围有限，存在漏报的问题，可靠性低。冲击矿压分级预测技术体系：二、冲击矿压分级分区预测思路冲击矿压时空预测时间上从早期综合分析预测到即时预测：早期综合分析预测主要采用综合指数的方法，而即时预测则采用电磁辐射、微震和钻屑等方法空间上从区域预测到局部、点预测：区域预测局部预测点预测早期预测即时预测强度弱化减冲治理治理综合指数法微震法电磁辐射法钻屑法区域预测主要采用综合指数法和微震监测方法，而局部预测采用综合指数方法、微震法和电磁辐射法，点预测则采用钻屑方法逐级排除和确认冲击矿压危险，实现分级预测三、综合指数法早期与区域局部预测的综合指数法综合指数法既是一种早期综合评价的方法，又是一种区域和局部预测的方法。地质因素确定冲击危险：主要考虑了冲击矿压发生的情况、开采深度、地质构造、坚硬顶板、顶板厚度特征参数、煤的冲击倾向性、煤的强度等7个因素。开采因素确定冲击危险：主要考虑了开采技术条件、开采历史、煤柱、停采线、采空区、煤层的变化带、断层皱曲等12个开采因素对冲击矿压发生的影响X71max711iiiitXW121max1212iiiitXXW地质因素影响及指数序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击矿压危险指数1W1发生过冲击矿压该煤层未发生过冲击矿压-2该层发生过冲击矿压0采用同种作业方式在该层和煤柱中多次发生过冲击矿压32W2开采深度小于500m0500~700m1大于700m23W3顶板中坚硬（Rc≥60Mpa）厚岩层距煤层的距离100m0100~50m150m34W4开采区域内的构造应力集中10%正常120%正常230%正常35W5顶板岩层厚度特征参数Lst500≥5026W6煤的抗压强度Rc≤16Mpa0Rc16Mpa27W7煤的冲击能量指数WETWET202≤WET52WET≥54开采因素影响及指数序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击危险指数1W1工作面距残留区或停采线的垂直距离60m060—30m230m32W2未卸压的厚煤层留顶煤或底煤厚度大于1.0m33W3未卸压一次采全高的煤厚3.0m03.0—4.0m14.0m34W4两侧采空，工作面斜长为300m0300—150m2150m45W5沿采空区掘进巷道无煤柱或小于3m小煤柱03—10m的煤柱210—15m的煤柱46W6接近采空区的距离小于50m掘进面2回采面3接近煤柱的距离小于50m掘进面1回采面37W7掘进巷道接近老巷的距离小于50m老巷已充填1老巷未充填2回采工作面接近老巷的距离小于30m老巷已充填1老巷未充填2面接近分叉的距离小于50m掘进面或回采面38W8面接近落差大于3m断层的距离小于50m接近上盘1接近下盘29W9面接近煤层倾角剧烈变化的皱曲小于50m15度210W10面接近煤层侵蚀或合层部分掘进面或回采面211W11开采过上或下解放层，卸压程度弱-2中等-4好-812W12采空区处理方式充填法2垮落法0按顶板厚度确定冲击危险区6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°兖州煤业股份有限公司济三煤矿20°20°24°5°06'29°13°2°17'5°30'5°42'3812°12°11'5°42'386°7°10°Ⅳ2001ⅥⅤⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅠ2002ⅡⅨⅩⅪⅫ2003ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅥⅦⅦⅧⅧⅨⅨⅩⅪⅫⅠⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ冲击矿压危险区图例强冲击（三种以上）中等冲击（二种因素）弱冲击（一种因素）无冲击顶板影响危险区煤厚影响危险区构造影响危险区煤层变化影响危险区按煤层厚度确定冲击危险区6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°兖州煤业股份有限公司济三煤矿20°20°24°5°06'29°13°2°17'5°30'5°42'3812°12°11'5°42'386°7°10°Ⅳ2001ⅥⅤⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅠ2002ⅡⅨⅩⅪⅫ2003ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅥⅦⅦⅧⅧⅨⅨⅩⅪⅫⅠⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ冲击矿压危险区图例强冲击（三种以上）中等冲击（二种因素）弱冲击（一种因素）无冲击顶板影响危险区煤厚影响危险区构造影响危险区煤层变化影响危险区按地质构造确定冲击危险区6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°兖州煤业股份有限公司济三煤矿20°20°24°5°06'29°13°2°17'5°30'5°42'3812°12°11'5°42'386°7°10°Ⅳ2001ⅥⅤⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅠ2002ⅡⅨⅩⅪⅫ2003ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅥⅦⅦⅧⅧⅨⅨⅩⅪⅫⅠⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ冲击矿压危险区图例强冲击（三种以上）中等冲击（二种因素）弱冲击（一种因素）无冲击顶板影响危险区煤厚影响危险区构造影响危险区煤层变化影响危险区按综合因素确定冲击危险区6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°6°7°10°兖州煤业股份有限公司济三煤矿20°20°24°5°06'29°13°2°17'5°30'5°42'3812°12°11'5°42'386°7°10°Ⅳ2001ⅥⅤⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅠ2002ⅡⅨⅩⅪⅫ2003ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅥⅦⅦⅧⅧⅨⅨⅩⅪⅫⅠⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ冲击矿压危险区图例强冲击（三种以上）中等冲击（二种因素）弱冲击（一种因素）无冲击顶板影响危险区煤厚影响危险区构造影响危险区煤层变化影响危险区四、微震法即时与区域预测的微震法微震法就是记录采矿震动的能量，确定和分析震动的方向，对震中进行定位。当矿井的某个区域监测到矿震释放的能量大于发生冲击矿压的所需的最小能量时，则该区域的当前时间内有发生冲击矿压的危险性。21ieiiseWWiiiiiiiiiiiieibebeaaeabaeeW10)(iiEelog四、微震法即时与区域预测的微震法-101234562345678910log(E)log(n)NwNt震动频次与能量级之间的关系；loglogbEanlog(n)=-0.8585ML+6.1955R2=0.997201234012345678log(E)log(n)微震信号（冲击）煤柱区矿震活动规律进煤柱时的微震规律微震活动的频度和能级出现急剧增加，持续一段时间后，会出现大的震动微震活动保持一定水平，突然出现平衡期，持续一段时间后，会出现大的震动和冲击冲击矿压的最小能量5×l0^3J（里氏震级1级）震动次数随时间变化0501001502002503003506.16.116.216.317.107.207.308.98.198.299.89.189.2810.710.1710.2711.611.1611.26日期震动次数，/次三河尖矿9202工作面微震震级的变化规律冲击危险预测根据能量预测冲击危险KWKBielszowice震动速度分布图29003000310032003300340035003600370038003900400041004200152001530015400155001560015700158001590016000KWKBielszowice震动速度分布图29003000310032003300340035003600370038003900400041004200152001530015400155001560015700158001590016000Polkowice-Sieroszowice震动速度分布图52005400560058006000620064006600680070007200X[m]2440024600248002500025200254002560025800260002620026400Y[m]Polkowice-Sieroszowice震动加速度分布图52005400560058006000620064006600680070007200X[m]2440024600248002500025200254002560025800260002620026400Y[m]五、电磁辐射法即时与局部预测的电磁辐射法电磁辐射法就是根据煤岩变形破裂过程中发出的电磁辐射进行冲击矿压的监测预报。在工作面采掘过程中，围岩发生破裂时，均有电磁辐射信号产生。电磁辐射信号的强度随着围岩受载程度的增大而增强，随变形速率的增加而增强。煤岩体电磁辐射的脉冲数随着载荷的增大及变形破裂过程的增强而增大。载荷越大，加载速率越大，煤体的变形破裂越强烈，电磁辐射信号也越强。实验研究发现:煤岩流变-突变过程产生电磁辐射，是能量耗散的一种形式。煤岩体的变形破裂是电磁辐射产生的根本原因。五、电磁辐射法即时与局部预测的电磁辐射法载荷越大，变形破裂过程越强烈，电磁辐射越强。电磁辐射效应规律0400800120016002000160119178237296355414473532时间/minEME脉冲数N宽带电磁辐射01234567060120180240300360420480540时间/min应变ε/%б=3.5MPaб=4.8MPaб=5.9MPa电磁辐射能够反映煤岩体的变形破裂过程。通过电磁辐射可以监测煤岩动力灾害的孕育、发展过程。研究得到了煤岩破裂过程电磁辐射的力电耦合模型：020000400006000080000060120180240300360时间t/s累计脉冲数∑N02505007501000脉冲数N累计脉冲数∑N脉冲数N020000400006000080000060120180240300360时间t/s累计脉冲数∑N02505007501000脉冲数N累计脉冲数∑N脉冲数N实验模拟式中，—应变；－轴向应力和环向应力；—Weibull分布的分布标度和以应变形式表征的形态参数；—电磁辐射脉冲数增量和累计脉冲数；—完全破坏的电磁辐射累计脉冲数。0,mmNmmNN0exp1NN,mmmmNN031103102exp231,现场有灾害和无灾害危险时的电磁辐射对比工作面没有冲击危险时的电磁辐射工作面有冲击危险时的电磁辐射徐州三河尖矿可采储量3亿吨,年产180万t。危险区占开采储量的五分之三（1.8亿t），有些采区因冲击灾害而被迫停采。采用电磁辐射预测并实施治理措施，恢复了生产，保障了安全。现已安全回采6个面，生产煤炭150万t。NH=5.9～186H=7.80～383H=115~340-550-600-650-550-500-450-400-350风井主井副井-400-500-600-700-800-1000三河尖矿区冲击危险区分布平面图冲击危险区冲击危险区冲击位置及次数无冲击危险区020406080100120140时间/班次E/mV发生冲击矿压20中21夜21早23中24早25中26夜26中27夜预报有危险电磁辐射应用实例：（一）徐州三河尖煤矿9202工作面，