煤巖層沖擊傾向性測試分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19800煤巖層沖擊傾向性測試分析案例 1251331.1參數(shù)選擇 176341.2基于微震監(jiān)測法沖擊地壓區(qū)域監(jiān)測 258641.2.1系統(tǒng)布置 262141.2.2系統(tǒng)校核 3154121.2.3危險判別 3200991.3結果分析 4314221.4煤巖層沖擊傾向性動力顯現(xiàn) 6297701.5王樓煤礦沖擊地壓類型 7219811.5.1重力型沖擊地壓 7111821.5.2礦震誘發(fā)型沖擊地壓 8192161.5.3斷層活化型沖擊地壓 864281.5.4復合型沖擊地壓 9159471.6沖擊傾向性測試與分析 91.1參數(shù)選擇本文選取具有沖擊傾向的煤層且存在一個發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。沖擊地壓臨界深度是煤層性質、采煤方法、工作面類型（回采或掘進）、采深、覆巖容重等因素的綜合反映，但其不應與其它采礦條件、地質因素關聯(lián)，否則就失去了“臨界深度”自身的含義。由于部分礦井的沖擊地壓始發(fā)深度小于500m。由于沒有統(tǒng)計沖擊地壓發(fā)生區(qū)域的地質因素及相關采礦條件，因此所列深度并不能反映礦井發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。根據(jù)對我國沖擊地壓資料的調研分析，發(fā)生沖擊地壓的煤層單軸抗壓強度一般為15～25MPa，回采工作面的應力集中系數(shù)取2，掘進工作面應力集中系數(shù)取1.5，煤層上方巖層的容重取25kN/m3，沖擊地壓發(fā)生的臨界應力為煤層單軸抗壓強度的1.5倍，則可反推回采工作面發(fā)生沖擊地壓的臨界深度為450～750m，掘進工作面發(fā)生沖擊地壓的臨界深度為600～1000m。若考慮地質因素及采礦條件對沖擊地壓的影響，回采或掘進工作面發(fā)生沖擊地壓的臨界深度會降低，此時的深度為當量臨界深度。若考慮地質因素或采礦條件導致的應力集中系數(shù)為1.5，則回采工作面發(fā)生沖擊地壓的當量臨界深度為300～500m，掘進工作面發(fā)生沖擊地壓的當量臨界深度為400～667m。可見，采掘空間發(fā)生沖擊地壓的當量臨界深度小于臨界深度。由于煤層沉積條件的差異性、采礦條件的多變性及地質構造分布的不均衡性，采用當量臨界深度描述沖擊地壓與采掘深度之間的關系更有意義。1.2基于微震監(jiān)測法沖擊地壓區(qū)域監(jiān)測王樓煤礦采用微震監(jiān)測法進行區(qū)域監(jiān)測預警。微震是指井巷或工作面周圍震動能量大于100J、頻率0.1Hz~150Hz的煤（巖）體破裂現(xiàn)象。微震傳感器能監(jiān)測到微震信號，并將微震信號轉換為電信號，且傳感器的頻率響應范圍覆蓋0.1Hz~600Hz。傳感器采集微震信息再傳輸給微震系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，計算微震事件發(fā)生的時間、能量和震源的三維空間坐標保存到數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)庫進行查詢、分析，并可在礦井采掘工程平面圖上顯示微震事件。通過微地震監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測微震事件發(fā)生的位置和強度；監(jiān)測采場周圍巖層的三維破裂規(guī)律，為預警沖擊地壓提供依據(jù)。1.2.1系統(tǒng)布置一般監(jiān)測范圍要覆蓋礦井采掘區(qū)域，重點監(jiān)測范圍要覆蓋評價具有沖擊危險性的區(qū)域。傳感器位置應考慮垂直方向的立體布置，應能滿足立體空間的和定位誤差的要求，避開圍巖破碎、構造發(fā)育、滲水、較強震動干擾、較強電磁干擾等區(qū)域，安裝基礎穩(wěn)定可靠。圖1.1微震探頭布置示意圖1.2.2系統(tǒng)校核系統(tǒng)校核一般情況下兩年進行一次，對微震傳感器及圍觀結構和安裝基礎進行校驗，采掘條件發(fā)生較大變化時，要考慮微震信號衰減且滿足定位誤差要求，對微震傳感器布置進行優(yōu)化，優(yōu)化后的傳感器間距為200m~1000m，校核優(yōu)化后要采用放炮震源對系統(tǒng)定位誤差進行校驗。1.2.3危險判別在對微震結果進行分析后，判別是否有發(fā)生沖擊地壓危險和可能性時，微震頻度和微震總能量為主要判別指標，微震能量最大值等為輔助判別指標。微震頻度是指單位時間內發(fā)生的微震事件次數(shù)，微震能量是指微震震源輻射的彈性波能量，微震總能量是指單位時間內微震事件能量總和。在評價的基礎上，參考臨近相似條件的礦井和工作面確定判別指標初值，在初值基礎上，結合鉆屑法、采動應力法和礦壓法等局部監(jiān)測結果，統(tǒng)計分析無沖擊地壓危險發(fā)生條件下微震監(jiān)測指標最大值，以該最大值最為判別指標臨界值。當微震頻度、微震總能量或微震能量最大值達到或超過臨界指標時說明沖擊地壓危險增大。當出現(xiàn)微震頻度和微震總能量連續(xù)增大或發(fā)生異常變化，微震事件向局部區(qū)域積聚時說明沖擊地壓危險增大。微震監(jiān)測方法為區(qū)域性監(jiān)測手段，主要起到趨勢性判別的作用，對局部區(qū)域沖擊地壓的危險判別需要結合局部監(jiān)測結果進行綜合判別。1.3結果分析礦井內主要含煤地層為二疊紀下統(tǒng)山西組和二疊紀至石炭紀上統(tǒng)太原組，平均總厚度為269.33m，其中山西組地層平均厚度100.28m，太原組地層平均厚度169.05m。整個煤系地層中含煤18層，自上而下編號分別是：2、3上、3下、6、8、9、10上、10下、11、12上、12下、14、15上、15下、16上、16下、17、18，本報告針對3上煤層工作面進行沖擊危險性評估及防沖設計研究。3上煤層平均厚度2.28m，占可采煤層總厚的31.5%。3上煤層為氣煤，黑色，以亮煤為主，條帶狀結構，塊狀構造，參差狀斷口，玻璃狀光澤，內生裂隙發(fā)育，屬半亮型煤，原始沉積，較穩(wěn)定，受后期構造影響存在局部產狀變化、煤厚變薄等現(xiàn)象。煤層具有自燃傾向性，屬于自燃煤層；本礦為瓦斯礦井。按中華人民共和國國家標準《煤和巖石物理力學性質測定方法第一部分：采樣一般規(guī)定》（GB/T23561.1-2009），2020年7月4日，山東科技大學在王樓煤礦現(xiàn)場指導采樣。取樣地點分為兩處：（1）13307工作面及上下順槽：在13307工作面選取20塊無裂隙煤塊為煤樣；在13307上順槽S5導線點后18m位置使用地質鉆機取31m長的巖芯（108mm）為頂板巖樣；在13307下順槽X6導線點與X7導線點之間選取3塊底板巖塊為底板巖樣。（2）27309工作面及上順槽：在27309工作面選取20塊無裂隙煤塊為煤樣；在27309上順槽S15導線點后31m位置使用地質鉆機取31m長的巖芯（108mm）為頂板巖樣；在27309上順槽S15至S14之間選取3塊底板巖塊為底板巖樣，如圖所示。（a）13307工作面煤巖樣取樣地點示意圖（b）27309工作面煤巖樣取樣地點示意圖圖1.1王樓煤礦3上煤層煤樣及頂?shù)装鍘r樣取樣點平面示意圖主要測定煤巖樣的沖擊傾向性，包括：測定煤樣和組合煤巖樣的單軸抗壓強度、沖擊能指數(shù)、彈性能指數(shù)、動態(tài)破壞時間等指標，并確定該煤層的沖擊傾向性，以及基本頂巖樣的單軸抗壓強度、彎曲能量指數(shù)和直接底巖樣的抗剪強度、抗拉強度，并確定基本頂巖樣的沖擊傾向性。試驗測試結果匯總，見表1.2～1.4。表1.23上煤層沖擊傾向性沖擊傾向性指標測試結果單項指數(shù)判別綜合評判結果動態(tài)破壞時間3018無弱彈性能量指數(shù)4.86弱沖擊能量指數(shù)2.01弱單軸抗壓強度12.32弱表1.33上煤層頂板巖層彎曲能量指數(shù)巖層上覆巖層載荷/MPa彈性模量/GPa單一頂板厚度/m單軸抗拉強度/MPa彎曲能量指數(shù)/kJ泥巖0.1016.504.05.8264.94細砂巖6.64511.8126.07.79385.87復合頂板彎曲能量指數(shù)450.81表1.43上煤層底板巖層彎曲能量指數(shù)巖層底板巖層載荷/MPa彈性模量/GPa單一底板厚度/m單軸抗拉強度/MPa彎曲能量指數(shù)/kJ泥巖0.0614.772.44.6721.64通過井下采取王樓煤礦3采區(qū)和7采區(qū)3上煤層及其頂?shù)装宓拿簬r試樣，在實驗室測定了3上煤層及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性判定所需的各項指標，在此基礎上判定了3上煤層及其頂?shù)装鍘r層的沖擊傾向性。測定結果能夠為王樓煤礦3上煤層開采提供基礎數(shù)據(jù)。具體結論如下：（1）3上煤層煤樣的平均動態(tài)破壞時間為3018ms、平均彈性能量指數(shù)為4.86、平均沖擊能量指數(shù)為2.01、單軸抗壓強度平均值為12.32MPa。綜合四個指數(shù)判定：3上煤層具有弱沖擊傾向性；（2）3上煤層頂板彎曲能量指數(shù)為450.81kJ，判定其頂板具有強沖擊傾向性；（3）3上煤層底板彎曲能量指數(shù)為21.64kJ，判定其底板具有弱沖擊傾向性。1.4煤巖層沖擊傾向性動力顯現(xiàn)王樓煤礦采掘過程中已出現(xiàn)動力顯現(xiàn)現(xiàn)象，表現(xiàn)形式主要為：大能量煤炮、嚴重底鼓、幫鼓、頂板下沉、錨桿拉斷、托盤崩斷等，圖1.1是王樓煤礦巷道礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)場照片。（a）巷幫鼓出（b）頂板下沉（c）底鼓（d）錨桿拉斷（e）托盤崩斷圖1.2王樓煤礦巷道動力顯現(xiàn)現(xiàn)場照片綜合分析王樓煤礦現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)特征并結合該礦地質條件，分析王樓煤礦沖擊地壓發(fā)生機理為：（1）大采深、開采、構造產生的高應力引發(fā)沖擊地壓王樓煤礦采深大，6、7采區(qū)已經達到千米水平，上覆巖層的自重應力基本超過了煤體單軸抗壓強度（12.32MPa）的1.5倍，在構造應力和采掘應力等因素的影響下，應力集中程度會進一步增大，具有較高的沖擊危險性。（2）高位巨厚堅硬巖層運動引起礦震而誘發(fā)的沖擊地壓王樓煤礦3上煤層上方200~300m位置處存在厚度約104m的巖漿巖，巖層厚度大，強度高，煤層開采過程中，該巨厚堅硬巖層是控制巖層運動的關鍵層，其失穩(wěn)可能會形成礦震從而誘發(fā)沖擊地壓。1.5王樓煤礦沖擊地壓類型根據(jù)王樓煤礦沖擊地壓發(fā)生機理，綜合分析開采及地質影響因素，礦井沖擊地壓的類型主要包括：1.5.1重力型沖擊地壓當煤體應力超過1.5倍的單軸抗壓強度時，就具有沖擊危險，如下式所示，式中：為煤體應力，為煤巖的單軸抗壓強度，K為煤體應力集中系數(shù)。3上煤層單軸抗壓強度約12.32MPa，上覆巖層容重取25kN/m3，考慮到上覆巖層運動、高位堅硬巖層懸頂、采空區(qū)應力轉移，構造應力等因素，應力集中系數(shù)取2，則該煤層發(fā)生沖擊地壓的臨界深度為:H=1.5×12.32/2×0.025=370m王樓煤礦屬于深部甚至超深部開采，已超過沖擊地壓發(fā)生的臨界深度，沖擊危險性較大。圖1.2可能發(fā)生重力型沖擊現(xiàn)場應力監(jiān)測曲線1.5.2礦震誘發(fā)型沖擊地壓3上煤層上方200~300m左右存在厚度約104m的特厚堅硬巖漿巖，隨著3上煤層開采面積的增大，采空區(qū)面積也逐漸增大，上覆巖層由于失去支撐，不斷逐層向上垮落或離層下沉，巖漿巖下方巖層與之離層后，其懸露面積逐漸增大，當其自身強度不足以支撐本身自重和上覆巖層壓力時，首先在兩個支撐點上表面拉壞，然后在巖梁中部下表面拉壞后斷裂，由于巖漿巖梁厚度大，強度高，發(fā)生斷裂時極易誘發(fā)礦震型沖擊地壓。1.5.3斷層活化型沖擊地壓構造應力是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素，煤礦的沖擊地壓災害與褶曲和斷層等地質構造關系密切。在采掘作業(yè)過程中，當工作面接近這些構造時，應注意這些構造，必須提前做好卸壓和防范工作。王樓煤礦各采區(qū)斷層構造較發(fā)育，在工作面回采過程中構造應力與工作面超前支承壓力疊加，應力集中程度進一步增大，易導致沖擊地壓發(fā)生。斷層活化是巖層運動的一種特殊形式，斷層處巖層的不連續(xù)性導致斷層本身的不穩(wěn)定性，在高應力作用下，斷層比完整巖層先行運動。隨著工作面或掘進頭的推進，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當?shù)竭_斷層影響區(qū)域后，斷層本身構造應力與工作面超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，重新分布。斷層與工作面中間位置為應力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身能夠積聚能量，則疊加后的應力高峰區(qū)位置同樣容易積聚較大能量。當滿足沖擊條件時，可以誘發(fā)沖擊地壓，如圖1.3所示。（a）逆斷層誘發(fā)沖擊地壓（b）正斷層誘發(fā)沖擊地壓圖1.3斷層誘發(fā)沖擊地壓的機理的示意圖1.5.4復合型沖擊地壓復合型沖擊地壓是指兩種或兩種以上的沖擊地壓誘發(fā)因素組合誘發(fā)的沖擊現(xiàn)象。王樓煤礦地質條件復雜，自重應力大，高位有巨厚堅硬巖層，構造發(fā)育以及采動影響等多項因素在某些區(qū)域組合作用，具有更高的沖擊危險性。王樓煤礦采深大，自重應力高，在煤層較軟或支護強度相對較弱的地區(qū)可能發(fā)生沖擊地壓與巷道大變形并存的問題。1.6沖擊傾向性測試與分析當量采深是指根據(jù)采場圍巖垂直應力與覆巖容重計算出的煤層開采深度，該深度通常大于煤層的實際開采深度。工作面受構造、側向支承壓力等影響，采場圍巖中的垂直應力比自重應力大，相當于工作面的采深增大。如山東某礦1采區(qū)首采面（1301）及沿空面（1302）回采深度都約為800m，首采面回采過程中沒有發(fā)生沖擊地壓，而沿空面回采過程中卻發(fā)生了一次沖擊地壓（位置見圖1.1），說明沿空面煤體中的垂直應力大于首采面煤體中的垂直應力。從圖中可以看出，沿空面受到采空區(qū)側向支承壓力影響，煤體中的垂直應力大于自重應力。設受采空區(qū)側向支承壓力影響，沿空面煤體的應力集中系數(shù)為1.5，則沿空面的當量采深為1200m。1302工作面1302工作面1301采空區(qū)1302采空區(qū)沖擊地壓位置圖1.4山東某礦“1.7”沖擊地壓事故位置山東某煤礦在回采3采區(qū)第一、二個條帶工作面（3309、3305，見圖1.2）時沒有發(fā)生沖擊地壓，而在回采第三個條帶工作面（3301）時發(fā)生1次嚴重的沖擊地壓事故，這三個條帶工作面的回采深度都在950m左右。從圖中可以看出，3301工作面受3309采空區(qū)、3305采空區(qū)及工作面前方斷層、硐室群影響，工作面煤體中的垂直應力遠遠大于自重。設受上述因素影響工作面煤體的應力集中系數(shù)為1.6，則