巨厚砾岩层（精选三篇）
巨厚砾岩层 篇1
1 地质概况
该矿地质生产条件复杂, 生产水平已达-1100 m, 采深约为-1300 m, 属于典型的深部矿井。上覆第三系地层分为两部分:下部为红褐色砂质黏土岩或黏土质粉砂岩, 俗称“红砂岩”, 厚约50m, 岩性较软, 普氏系数∫为1.4, 弹性模量E为 (1.34~0.92) ×104MPa, 遇水易崩解膨胀;上部为砾岩层, 整体性好, 强度大普氏系数∫为5.9, 弹性模量E为4.94×104MPa。
2 巨厚砾岩下离层发育条件分析
由关键层理论判断, 巨厚砾岩层为主关键层, 红层等下部岩层为弱岩层, 其岩层组合可简化为上坚硬-下软弱型[4], 这种组合为离层的发育提供了基本条件。在煤层开采过程中, 采场顶板岩层中存在应力平衡拱, 在平衡拱的作用下, 平衡拱下方的岩层不承受上覆岩层的重量, 下位已失去支撑的岩层在自重作用下产生于岩层面间拉应力或剪应力超过相应的抗拉或抗剪强度, 导致不同岩层间形成离层, 而平衡拱会将拱上承受的上覆岩层的重量传递到采空区边界。
3 数值模型的建立与参数的选取
岩体既不是理想的连续介质, 也不是理想的完全离散化了的非连续介质, 岩体往往为众多的节理或结构面所切割, 只能用离散单元法[5]。
本文采用UDEC软件对开采过程进行数值模拟, UDEC对研究不连续特征的潜在破坏模型是十分理想的工具[5]。建立计算模型的长和高分别为500m和191.3m, 模型顶部以均布载荷代替其上覆岩层的重量。所建模型如图2所示。模型侧面边界约束水平位移, 模型底面边界约束所有方向位移, 模型上部边界以均布载荷代替其上覆岩层的重量, 上覆岩层的平均容重取26k N/m3。
计算所用的有关岩石的物理力学参数见表2。
4 巨厚覆岩下开采离层发育规律
本次模拟研究采场推进30m、200m、300m和350m情况下深井巨厚覆岩运动规律。
模拟结果可知, 在工作面推进到30~200m中间时, 岩层间离层空间不断增大, 离层在水平方向的延展区域以采空区中心法向方向对称, 向四周逐渐变小, 最大离层位于采空区的中部;离层自下而上逐渐发展, 最下部的离层会随着上部离层的出现而趋于闭合, 每一离层都会出现萌生、扩展、发展至最大, 随后减小甚至闭合的过程。而且, 在工作面前方和开切眼后方岩层中造成应力集中。
在推采到200~350m范围内时, 离层空间的范围逐步扩大, 由图3可以看出, 这一时期巨厚砾岩下方的离层空间在长度上已经接近了200m, 厚度上也已经达到了2m左右。随着工作面的推进, 巨厚砾岩发生初次断裂, 离层区长度和最大离层量较断裂前骤减, 断裂的砾岩层冲击下部岩层, 在动静载荷组合作用下, 煤岩应力急剧增加, 极易造成冲击破坏。
在巨厚砾岩断裂前, 离层空间较大, 易于注浆充填, 而一旦发生断裂, 空间明显减小, 此时注浆较困难, 因此, 注浆一定要选在初次断裂前注浆, 注浆的效果应该保证巨厚砾岩不发生断裂, 这既可控制地表沉陷, 又可缓解工作面应力集中现象。
5 结论
本文对巨厚砾岩下离层发育及应力演化规律进行了研究, 得出离层空间主要集中在巨厚砾岩下部, 离层最大发育高度止于巨厚砾岩层;开采过程中, 在工作面前方和开切眼后方岩层中易造成应力集中;当巨厚砾岩失稳时, 煤岩体内产生了极高的应力集中。
在巨厚砾岩断裂前, 易于注浆充填, 而一旦发生断裂, 空间明显减小, 此时注浆较困难, 因此, 注浆一定要选在初次断裂前注浆。
参考文献
[1]朱卫兵, 等.覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术的理论研究[J].煤炭学报, 2007, 32 (5) :458-462.
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[4]郭惟嘉, 等.深部矿井采场上覆岩层内结构形变特征分析[J].煤炭科学技术, 2009, 37 (12) :1-4.
巨厚砾岩层 篇2
目前, 随着煤矿开采深度增加, 冲击地压呈现出发生频度、强度快速增加的特点, 已严重危害煤矿的安全生产。由于冲击地压机理复杂, 影响因素较多, 开采过程中还需根据煤矿的实际特点, 制定科学合理的防治冲击地压方案。随煤矿采深增加, 采掘环境更加复杂, 深部巨厚砾岩层下高应力煤柱附近工作面掘进期间的冲击地压防治问题日益突出。以常村煤矿21170 掘进工作面为研究对象, 针对开采深度大、上覆巨厚砾岩层、存在高应力煤柱, 且煤岩层具有冲击倾向性等综合特征的工作面开展冲击危险性分析和防冲措施的研究, 以期实现煤矿安全高效开采, 并为同类煤矿的冲击地压防治提供借鉴。
1 工作面概况
常村煤矿21170 工作面位于21 采区三条下山东翼, 自上而下第九个工作面, 西侧为21 采区三条下山煤柱, 东侧为F16断层煤柱, 工作面上部为已回采的21150 工作面, 下部为未设计的21190 工作面。开采侏罗系中统下段义马组2 ~ 3 煤, 平均煤厚11 m, 最大埋深729 m。在深井巨厚砾岩层的作用下, 处于高应力状态, 成为21170 工作面的重大安全隐患。21170下巷布置在实体煤中, 受采深和21 延深煤柱工作面采空区侧向支承压力影响及DF1 正断层、F16 井田边界逆冲断层影响, 21170 整个下巷及切眼属于重点冲击危险区域。
2 冲击地压发生的可能性
经验算, 21170 工作面发生冲击地压可能性指数为1. 0; 根据表1 判断, 21170 工作面具备能够发生冲击地压的可能性。另外, 21170 工作面上巷沿21150 采空区掘巷, 上下巷外段分别在21 区延深煤柱工作面采空区下向实体煤掘进, 特别是在21150 工作面停采线和里段开切眼附近以及21 延深煤柱工作面东采空区边缘等区域施工时, 煤体受侧向应力和煤柱支撑压力以及扰动等综合作用, 存在较高应力集中, 具有发生冲击地压的可能。
3 冲击地压防治措施
为防治冲击地压的发生, 21170 工作面掘进期间, 将21170下巷划分为高冲击危险区, 在采用煤粉检测、微震监测、地音监测、钻孔应力监测等方法进行冲击地压综合监测的同时, 以大直径钻孔卸压为主要卸压措施, 采用“大、小循环”的施工方式进行高强度卸压。
3. 1 “大、小循环”卸压措施
21170 工作面为防冲重点管理区域, 掘进正头实行卸压与掘进结合的循环作业。
1) 小循环: 21170 下巷每掘进4. 8 m, 停掘一班, 由防冲队在“小循环”停掘期间施工两帮卸压钻孔及底板两帮断底爆破。
2) 大循环: 21170 下巷掘进保持小循环掘进, 掘进20 m后, 掘进正头停止掘进。在“大循环”停掘期间的防冲工程施工流程: 防冲队先施工两帮卸压钻孔及两帮底板断底爆破; 接着在正头施工6 个 ф153 mm, 孔深40 m卸压钻孔, 正头卸压钻孔施工后, 并在正头打2 个 ф75 mm的煤粉监测孔, 不超临界值方可正常掘进; 若煤粉超标, 正头继续施工卸压钻孔。
3) 防冲工程保证距迎头最大不超过5 m, 采取“小循环”和“大循环”配合施工, 每施工4 个“小循环”进行1 个“大循环”。
3. 2 卸压工程防治效果评价
通过对历次“大、小循环”卸压措施期间微震事件进行对比, 在实施正头卸压孔后, 一般会存在2 ~ 4 d的稳定期如图1所示, 微震活跃度降低, 一般认定为安全期。在此期间, 微震发生次数及释放能量均有所降低, 且保持在一个较低水平, 现场应力显现也并不突出。
通过对大循环过后微震事件日能量和日频次分析看出, 每次正头卸压结束后, 微震活动平稳期大概在3 d左右, 且与21170 下巷掘进进度相关联, 在掘进进尺保持在一个较低水平时, 微震能量相对较低。
21170 工作面掘进至今共发生微震事件876 次, 释放能量6. 56 × 106J。多数事件集中分布在掘进工作面后20 ~ 150 m范围。如图2 所示, 其中发生5 次方以上矿震11 次, 4 次方以上矿震99 次, 3 次方以上矿震236 次, 2 次方以上矿震367 次, 大能量事件占总数的11% 。钻孔、放炮及掘进诱发占总事件的85% 以上, 其他15% 为自然事件。
通过现场严格落实各项防冲措施和管理制度, 有效地降低了21170 下巷附近的高应力集中, 保证了21170 下巷掘进施工安全。
4 结语
1) 采掘布置、原岩应力和采动应力是深部巨厚砾岩层下半孤岛工作面发生冲击地压的主要影响因素。以局部区段煤柱及地质构造周围形成的高应力冲击地压为主, 同时采动引发巨厚砾岩层运动产生矿震诱发冲击地压的危险。采取“大、小循环”大直径钻孔卸压的防冲措施, 并配合煤粉检测、微震监测等冲击地压综合监测措施, 可降低冲击地压危险性, 保证工作面安全生产。
2) 通过掘进正头卸压钻孔, 对掘进前方的应力起到一定的释放的效果, 可以保证安全掘进时间的延长。虽然随着掘进机施工, 依然会产生微震事件, 不过微震事件能量较小, 频次较少, 且相对稳定, 由此说明正头施工卸压孔还是起到一定的作用。
3) 通过对历次大循环过后微震事件日能量和日频次分析看出, 每次正头卸压结束后, 微震活动平稳期大概在3 d左右, 且与21170 下巷掘进进度相关联, 在掘进进尺保持在一个较低水平时, 矿震能量相对较低。
巨厚砾岩孤岛工作面微震特征研究 篇3
冲击地压是煤炭开采中一种严重的煤岩动力失稳灾害,其发生前一般没有明显的宏观征兆。发生时,煤和岩石突然被抛出,造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤亡,并伴有巨大声响和岩体震动[1]。随着开采深度的增加,冲击地压灾害发生的频度和破坏性也日趋增强[2],还可能诱发瓦斯、煤尘爆炸等次生灾害[3]。
在特厚煤层全煤巷工作面采用综放开采技术后[4,5],冲击地压主要发生在回采巷道,并随采深增大而增加[6,7,8]。为减少冲击地压带来的灾害和严重后果,应加强对其的监测和防治。目前冲击地压的监测预警方法主要有微震法、电磁辐射法、声发射法、钻屑法等[9,10,11]。随着微震监测技术理论及定位精度水平的提高,该技术得到了广泛应用[12]。Brady和Leighton[13]研究了硬岩矿井发生岩爆前后的微震信号特征。Lasocki[14]研究了单个掘进工作面条件下矿震产生的统计学模型,基于3种不同的理论提出采用3个变量来描述矿震能量的分布规律。Heick等[15]研究了德国Hope地区一座被水淹没的钾矿发生矿震时微震活动的时空序列,并利用微震频率范围来估算震源的半径。曹安业等[16]认为借助微震仪器的实时、动态监测特点,通过分析震源震动机制,可实现对冲击地压的预测和预报。姜福兴等[17]分析了不同构造类型条件下微震事件的分布特征,并以此作为冲击危险预警的依据。陆菜平等[18]采用微震采集系统测试了某矿组合煤岩试样破坏过程中的微震信号,分析了冲击破坏前后微震频谱的变化规律,在现场采用微震监测系统,总结了冲击震动信号特征。夏永学等[19,20]基于高精度微震监测系统,研究了微震活动与煤岩破裂及应力分布特征的关系,并且在对大量微震数据的统计分析基础上,提出5个物理意义明确且具有应用价值的危险预测指标。
上述研究表明,微震监测已是冲击地压监测的重要技术手段。研究厚及特厚煤层巷道冲击地压的微震活动,加强对其微震活动的监测和对冲击地压的防治,是解决占中国煤炭总储量超过50%的、具有深部冲击危险性的厚及特厚煤层安全高效开采的首要问题。鉴此,本文结合微震监测技术,研究了千秋煤矿21141孤岛工作面的微震活动规律,对冲击地压的监测有特定的指导意义。
1 工作面概况
如图1所示,千秋煤矿21141孤岛工作面位于21采区下山西翼,东为21采区下山煤柱,北临21121工作面(已开采)。该工作面上巷为沿空掘巷,下巷为实体煤掘进巷。该工作面主采二一煤层,平均煤厚为15m,属于较稳定巨厚煤层。煤层直接顶为深灰色泥岩,厚度为23.02~27.63 m,分布较稳定;基本顶为泥岩和粉砂岩,厚度约为26m;老顶为平均厚410 m的砂砾岩。由于该工作面及其下一个工作面处于两侧采空的一个走向长270 m左右的大孤岛中,随着该采区的充分采动,该孤岛起到支撑作用,使工作面成为巨厚砾岩下的孤岛工作面。该工作面地质构造简单,采深较大,巷道变形严重,构造多。该煤矿自1991年首次发生冲击地压以来,随着采深的不断加大,冲击地压显现愈加强烈。
图1 21141孤岛工作面布置
2 微震活动时空分布特征
2.1 微震监测系统布置
井下煤岩体是一种应力介质,当其受力变形破坏时,伴随着能量的释放过程,微震即是煤岩体释放变形能所产生的震动效应。微震监测系统通过响应煤岩破坏发射的震动波,实现约10km范围的危险源探测。图2为千秋煤矿井下微震监测系统传感器布置示意,其中S2—S8为微震传感器布置位置。
2.2 井田微震事件分布特征
2012年4月5日—5月15日监测到的微震事件定位结果如图3、图4所示,其中不同半径的球体代表能级不同的事件,最大的球体代表能级大于106J的微震事件。可看出微震事件几乎覆盖了21采区的各个区域(包括采空区、工作面、掘进工作面、煤柱体),其中微震事件高发区域有3个:Ⅰ区为21141孤岛工作面前方50~300 m范围内,Ⅱ区为21141孤岛工作面距21采区胶带下山600~900m范围内,Ⅲ区为21采区下山煤柱区域。
图2 千秋煤矿井下微震监测系统微震传感器布置示意
图3 微震事件平面方向投影
图4 微震事件走向剖面投影
Ⅰ区主要受21141孤岛工作面回采影响,微震事件随着工作面推进有规律的向前移动。该区域大能量微震事件发生的概率很高,巷道底鼓比较严重,是冲击地压的重点监测与防治区域。
Ⅱ区微震事件高发,原因为该区域处于采场经历的“三面见方”与“四面见方”重叠区。21141孤岛工作面回采期间共发生了17次破坏性冲击地压事件,其中16次破坏的主要区域均位于下巷600~900m范围内。
Ⅲ区靠近21191掘进工作面,该区域两侧为多个工作面的采空区,在以往的开采历史中曾受过多次采动影响,两侧采空区的应力在该处叠加,致使该区域的应力升高,面临较大的冲击危险。
对2012年5月15日—2012年11月25日21141孤岛工作面的微震事件进行统计,结果如图5所示。微震事件共计2 611次,累计释放能量1.32×109J。其中底板事件1 071次,释放能量5.43×108J;煤层事件742次,释放能量3.42×108J;顶板事件798次,释放能量4.35×108J。可见底板事件最多,释放能量最高,说明底板最容易积聚弹性能,在一定诱发条件下,将发生突然破坏,释放能量。底板事件一般比较密集,而且靠近巷道自由面,因此一旦发生高能量事件,很可能对巷道造成冲击破坏。
图5 微震事件统计结果(2012年5月15日—11月25日)
3 覆岩运动与微震活动关系
3.1 倾向覆岩运动与微震活动关系
对21采区微震活动在平面方向进行投影,如图6所示。圈定当月微震活动集中区域,对圈定的超前工作面530m区域的微震事件进行重点分析,结果表明,微震事件主要集中在工作面前方,工作面后方的微震事件少,21141孤岛工作面下巷微震事件集中,并且能量较高。
图6 微震活动平面方向投影
图7为微震活动倾向方向投影。可知微震事件主要集中在煤层上方87 m范围内的岩层,微震事件发生的最大高度为150m。在覆岩的垮落高度范围内,微震活动的事件数较为集中,覆岩的裂隙带高度内微震事件少,且为中高能量。
图7 微震活动倾向方向投影
3.2 走向覆岩运动与微震活动关系
走向方向的覆岩运动发展与工作面的布置、相邻工作面形成的空间结构有关。在工作面推进过程中,覆岩运动有顶板初次垮落、周期来压、岩层充分垮落、岩层发展到砾岩层等阶段。
当工作面推进330m,覆岩经历了由低到高的发展过程,岩层垮落高度发展到高位基本顶,对应的微震事件如图8所示。微震事件主要集中在工作面前方泥岩、砂岩、砾岩互层的下部及以下岩层,该岩层上部与砾岩下部交界面位置有微震事件发生,且能量高,因此,砾岩的上部发生离层、位移或者产生裂隙直至破断,覆岩运动的空间高度达到了200m,该区域发展为裂隙带。
图8 覆岩运动过程中的微震事件分布
覆岩在其裂隙产生、发展及顶板断裂过程中,产生大量的微震事件。走向方向覆岩运动与微震事件分布基本一致。工作面推进过程主要是第1岩层运动发展变化过程,监测的微震活动最大高度为砾岩下部岩层。微震监测和地面钻孔探测、数值模拟结果都表明,覆岩主要活动层位于第1硬岩的中下部,砾岩下部弯曲变形,砾岩与下部交界面为微震活动频繁区域。
4 周期来压微震事件规律
图9为微震活动和周期来压的关系。2012年7月7日周期来压前微震活动频次、累积能量、最大能量开始增加,在周期来压时达到最大值,周期来压后微震活动趋于平缓;7月20日周期来压前,微震活动开始增加,周期来压时,微震日累计能量达到最大,周期来压前后2—3天微震活动频繁。
图9 微震活动和周期来压的关系
周期来压前,微震活动明显增加,微震活动最剧烈的时间可能在周期来压当天或者周期来压后的2—3天内。如图10所示,2012年7月6日,周期来压的前一天,微震活动明显增加,顶板活动主要为直接顶,主要为中、低能量事件;高位岩层也监测到微震事件,主要为高能量事件,说明周期来压时高位顶板岩层也参与活动。
图1 0 2012年7月6日周期来压前微震活动
顶板周期来压前,微震事件的频次、日累计能量将增加;在顶板来压期间,微震事件的频次、日累计能量都明显高于非来压期间的事件频次及能量。把工作面分为上、中、下3个部分,顶板来压前,微震事件分布以工作面中部为中心;工作面顶板来压期间,微震事件以工作面中部为中心发展至整个工作面;顶板来压时微震事件主要集中在煤层、煤层直接顶及上方基本顶的下部、直接底范围内,上部岩层的活动与下部岩层不同步,滞后于下部岩层。
5 微震事件与超前支承压力的相关性
对工作面前方不同范围内的微震事件进行统计,如图11、图12所示。可看出微震活动分布在超前工作面800 m范围,主要集中在0~300 m范围内。根据现场实测得到超前支承压力分布影响区域为超前工作面平均114m,超前支承压力峰值区域为平均71m。超前支承压力和微震事件的分布有一定的相关性。超前支承压力影响区域是微震活动的主要区域,超前支承压力的峰值区域是微震事件集中地带;微震活动的区域范围大于超前支承压力的影响区域,微震活动集中区域大于超前支承压力的峰值区域。
图1 1 超前工作面微震事件变化曲线
图1 2 超前支承压力与微震活动关系
6 结论
(1)孤岛工作面中微震事件高发区域有3个:Ⅰ区为21141孤岛工作面前方50~300m范围内,Ⅱ区为21141孤岛工作面距采区胶带下山600~900m范围内,Ⅲ区为21采区下山煤柱区域。微震事件主要发生在工作面前方的垮落带。
(2)顶板来压前,微震事件分布以工作面中部为中心,偏上或偏下;工作面顶板来压期间,微震事件以工作面中部为中心发展至整个工作面;顶板来压时,微震事件主要集中在煤层、直接顶及上方基本顶的下部和直接底的范围内,上部岩层的活动滞后于下部岩层。
(3)超前支承压力影响区域是微震活动的主要区域,超前支承压力的峰值区域是微震事件集中的地带;微震活动的区域范围大于超前支承压力的影响区域,微震活动集中区域大于超前支承压力的峰值区域。
摘要：为有效防治巨厚砾岩孤岛工作面的冲击地压,运用微震监测技术,开展了针对千秋煤矿21141孤岛工作面的微震时空演化特征规律及周期来压与超前支承压力之间的相关性研究。结果表明,微震事件高发区域有3个:Ⅰ区为21141孤岛工作面前方50~300m范围内,Ⅱ区为21141孤岛工作面距采区胶带下山600~900m范围内,Ⅲ区为21采区下山煤柱区域,微震事件多发生在工作面前方的垮落带;顶板周期来压前,微震事件的频次、日累计能量有所增加,顶板来压期间,微震事件的频次、日累计能量都明显高于非来压期间的事件频次及能量;大部分冲击地压发生在超前支承压力峰值范围。