文摘

在深煤矿长壁板受到高静态初始地应力andhigh动态应力引起的采矿和隧道的活动。高静态和动态应力的作用下,岩爆灾害很可能发生。减少岩爆风险,保护板通常应用于煤矿深处。然而,应力集中在保护煤炭面板经常导致岩爆灾害的网关下长壁板等待开采。为了减少这种类型的岩爆,本研究首先提出了一个数学模型来分析整个静态应力分布在保护面板基于Longyun煤矿的开采实践,山东,中国。评估地质缺陷引起的应力集中在保护面板中,一个新的岩爆评价指标,提出了基于计算机断层扫描(CT)的方法。最后,动态应力演化的程度不同造成的工作面推进速度是由微震的监控。结果表明,岩爆较高的区域评价指标高度相关的大型能源的地区微震的事件,表明静态应力集中CT方法可以准确地确定。媒介发展速度(4.0 m / s)建议在长壁开采面板中,可以同时确保采矿安全,提高挖掘效率。集成微震的和CT监测方法可以用于其他地下工程施工安全保证和提高生产力。

1。介绍

与操作的深度的增加煤矿长壁板受到更高的初始地应力。因此,动态岩爆等灾害发生越来越频繁地(1]。岩爆引起的弹性应变能突然释放,当围岩或煤的机械状态是不稳定的。这种能量释放通常是暴力,夏普,和相关的动态现象,比如岩石弹射,剥落,剥落2- - - - - -4]。这灾难性的灾难造成了大量的人员伤亡和财产损失在地下矿山5,6]。准确评价岩爆的风险是主要的瓶颈在深部煤矿采矿7]。

减少岩爆风险,保护板通常应用于深部煤矿(8]。保护板实际上是一种特殊类型的与大煤柱宽度。长壁板两侧的后防护板是开采,保护面板将成为一个岛屿煤炭面板。这个面板受到高支承压力的开采面板,因此,网关下长壁板相邻的保护面板在高岩爆风险。支承压力的分布在岛上面板中被广泛研究的经验数学方程和数值模拟。黄等人应用FLAC 3 d研究支承压力的大小和位置在岛上面板(9]。朱等人建立了一个数学方程式的支承压力分布在一个岛上面板沉降理论的基础上,提出了岩爆指数来评估一个岛屿的整体不稳定长壁板(10]。然而,大多数的研究集中在岛煤板的应力分布。很少有研究进行分析岩爆发生的保护板和长壁板之间的网关等待开采。因此,本研究提出了一个数学模型来评估保护面板支承压力的分布。

理论模型通常用来评估整个岩爆风险。各种地质缺陷不能被考虑(11- - - - - -15),现场监测通常是用来校准这些模型,也就是说,求出应力集中造成一些未知的或不重要的地质缺陷。最近,地震计算机断层扫描(CT)技术引入了评估支承压力的分布在地下煤矿(16- - - - - -18]。根据波的类型的消息,地震CT可分为“积极”和“被动”19]。活动CT的来源是由切割设备,锤子罢工,或控制炸药在一个已知的位置,而被动CT的来源是由于岩体断裂地震事件。因此,被动CT可以用于连续检测应力分布在地下矿山。CT技术是传统上采用分析压力之间的关系和超声波速度载荷下岩石样本(20.]。窦等人研究了支承压力之间的关系和地震CT,发现压力波速异常的变化反映了弹性波速度(16]。蔡等人相比,主动和被动的区别断层监测支承压力分布(17]。被动层析速度和地震烈度的关系在一个岛屿长壁小组研究了曹et al。18]。上述研究推断岩体的应力场用纵波速度与岩爆间接检测领域的潜力。然而,定量分析基于速度异常的断层扫描速度和速度梯度直接评价岩爆灾害尚未提出。因此,本研究提出了岩爆风险评价指标通过整合速度异常和速度梯度评价岩爆灾害防护板和网关。

众所周知,高静态应力(支承压力)是岩爆发生的必要条件,但不是充分条件,和动态应力(地震波)由于采矿或隧道岩爆灾害的活动是主要的诱发因素(21]。内的动态应力引起的裂缝岩体可以检测到的微震监测技术可以实时捕捉发生时间,地点,和裂缝强度22- - - - - -24]。此外,初始化、传播和成核的微裂隙大规模骨折可以评估研究的演变记录的微震监测数据。微震监测技术被用来研究岩爆在地下矿山几十年来。库克等人首先获得一个重要洞察岩爆问题的本质通过东兰德自营矿山的地震数据25]。Srinivasan等人Kolar岩爆灾害的评估:金矿使用微震事件数的变化率,应变能释放,和主要的信号频率作为可靠的短期前兆26]。Leśniak和Isakow岩爆灾害评估地震活动的时空聚类(27]。陆等人岩爆灾害预测基于微震的指标:相应的能源比例,占主导地位的频率,z值,b值,能量和事件计数(28]。微震的信号滤波等信号处理方法,源位置和初至选在一个煤矿现场水力压裂试验讨论了朱et al。29日]。这个以前的文学提供了充分的理论基础评价岩爆灾害深陷煤矿。然而,动态应力的演变是高度依赖于工作面推进速度。更高的速度将导致更快的进化上覆地层的动态应力,导致更多的骨折在开采过程中岩体,而较低的推进速度可能会降低生产力。因此,有必要提供一个适当的推进速度,确保采矿安全使用微震监测和生产力。

为了解决上述问题,本研究将(1)提出一个数学模型来评估整个支承压力的分布在保护面板,在下一个面板中等待挖掘的网关,(2)分析静态应力集中引起的地质缺陷没有考虑在前面使用地震CT方法的数学模型。在这种方法中,将提出了岩爆风险评价指标结合速度异常和速度梯度,和(3)确定一个适当的工作面推进速度之间达成妥协矿业安全使用微震监测和生产力。

2。在Longyun煤矿地质背景和岩爆危害

Longyun煤矿属于Longyun运城县煤矿有限公司,山东,中国,如图1。这个煤矿在2007年4月获得第一个采矿许可证。开采深度从450米到1750米不等批准生产能力240万t / a。目前,3煤层平均厚度6.71米,平均运行1000正在开采的深度。在煤层长壁板安排3如图2。完全机械化用于这个矿综放开采方法。存在大量保护煤炭面板之间的80米LW 1301年和1300年LW确保采矿安全采矿LW 1301。屋顶的形成主要是复杂的,主要由砂岩、泥岩,表层土壤,如图3。


图1
在中国山东省的位置Longyun煤矿。

图2
布局的采场Longyun煤矿和岩爆区域2014年9月5日(a), 2014年9月14日(b)和(c) 2015年9月1日。

图3
2014年9月5日发生的岩爆的照片(a), 2014年9月5日(b), 2015年9月1日(c)和岩性分布在主屋顶。

三个岩爆发生事故的headgate LW 1301年矿业LW 1300 2014年9月5日,2014年9月5日,2015年9月1日(图2),分别。冒顶和隧道挤压以及不同类型的损害赔偿的钢带三个岩石破裂事故(图中观察2)。可以看出,影响区域的岩爆发生于2015年9月1日是最大的。在这次事故中,约45米长的巷道严重挤压:巷道的直径减少超过1米。

3所示。计算地形

3.1。理论计算地形的基础

一般来说,爆破源部署的headgate长壁板,和接收器(通常是铁板)部署后挡板。假设地震波传播的形式内部介质中射线的检测区。地震波的传播时间可以制定如下: 在哪里 表示的旅行时间我th地震波; 无穷小的弧我th地震波; 的速度吗我th地震波;和 是缓慢的吗我地震波。岩体是异构、地震波的传播路径不是一条直线。因此,必须discretised反演区域米网格的旅行时间我地震波在j网格可以制定 在哪里 的传播长度吗我地震波在j网格。上述方程可以组织如下矩阵: 在哪里T是旅行时间的列向量;D表示矩阵的传播距离;和年代代表慢度值的列向量。为了解决上面的逆问题,一般的联合迭代重建层析成像(SIRT)技术是应用,因为它是可靠和稳定的收敛速度快、灵敏度低的投影数据错误(30.- - - - - -32]。

3.2。岩爆风险评估基于地震波速度结构

在应力集中区域,地震波的速度异常出现,可以定义如下(33]: 在哪里 是速度异常; 是某种程度上的纵波速度; 是平均纵波速度;如果 是积极的,它表明岩石的应力集中。岩爆的风险增加而增加这个值。如果 是负的,这意味着这个区域应力释放区域或压碎区。岩爆危害不大可能发生在这个区域。

评估波速度梯度的影响岩爆的风险,波速度梯度系数的概念 介绍,这是定义为 在哪里 的速度梯度在某种程度上是相反的区域; 限制速度梯度在围岩的严重故障。速度梯度表示最大的改变速度的方向。离散数据的一阶衍生品通常是获得周围八个节点,和速度梯度的最大值为,如图4。网格(中部的速度梯度米,n)可以表示为 在哪里d网格的长度;x和y每个网格的垂直和水平的数字。


图4
离散数据的速度梯度的示意图。

为了全面反映波速度和波速度梯度的影响岩爆的风险,最后给出岩爆风险评价指标 在哪里C指岩爆风险评价指标;一个和b是两个项目的权重。“系数”和“b”,确定这两个术语的重要性。在这项研究中,我们考虑速度异常项和速度梯度项同样重要。此外,权重之和应该是1。因此,这两个系数的值都设置为0.5。 可以通过反演地震CT技术;GP通过方程计算(6);这个模型有一个C的价值最多1,最小值取决于测量数据。如果C是负的,这表明,该地区是在卸压状态,越小C价值,减压的程度就越大。在这项研究中,之间的关系C价值和岩爆风险水平如表所示1。

表1
岩爆级别和之间的关系C价值。
3.3。CT系统的部署

图5展示了1301年LW CT系统的部署,LW 1300年,岛上煤炭面板。LW 1301分为地区A、B和C爆破源(52、50和87 A, B, C)分别部署在headgate,而接收器(11、11、18 A, B, C)分别部署在后挡板。爆破源和接收器的空间是6米和17米,分别。至于岛上煤板,两个区域(D和E)被检测到。爆破源的空间7 m是部署在1300年LW后挡板,和17米的接收器与空间部署在headgate LW 1301。爆破源和接收器的数量都是35岁和11岁,分别为这两个领域。


图5
1301年LW CT系统的部署和煤柱岛。

4所示。确定静态应力分布

4.1。总体布局的静态压力

初始应力平衡是由于煤炭开采扰动。上覆岩层压力将转移到周围的岩石。同时,裂缝将开发在地板和屋顶层。根据微震的监测结果,如图6,fracture-developed面积大约一个圆圈的形状LW 1300被开采。因此,fracture-developed区可以被视为一个圆形研究应力分布(见图7)。径向压力 和切向应力 在长壁面板可以计算的 在哪里 和 分别垂直应力和水平应力; 是圆的半径隧道;r任意点的距离在半平面坐标的原点。


图6
裂缝发展的屋顶和地板LW 1300年后的煤层开采。

图7
1300年LW开采后应力分布。

假设覆盖层的深度H, 和 可以计算为 在哪里 上覆地层的体积密度; 是一个系数。深层煤矿的价值 是1 (34]。因为headgate位于x轴,θ=π。因此, 可以计算为 在哪里 在哪里 是1300年LW的宽度。替代(9)和(11)(10), 重组是

从方程(12),可以看出 减少与增加 。因此,巷道的压力主要取决于采空区边缘的距离没有开采的影响。

在这种情况下,岛煤板的宽度是80;采空区的宽度(1300年开采面积LW) 100; 50米;r130米,埋深1000米。计算切向应力 27.4 MPa,比单轴应力大得多的煤炭质量(18 MPa)。岩爆灾害很可能发生煤炭开采的扰动。

4.2。使用地震CT测定应力集中

上述数学模型假设覆层和煤层是均匀的。因此,静态压力是整个静态应力计算不考虑地质缺陷引起的应力集中。为解决这一问题,地震CT用于分析应力集中程度在LW 1301年和台湾面板。图8显示了岩爆风险指数的分布在五个检测领域。这个索引C变化从0.75−0.5(蓝色)(红色)。可以看出,在大多数地区,C小于0.75。岩爆风险较高的地区(≤0.5 C < 0.75)主要是附近1301年LW headgate岛上煤板的一面。这表明1301年LW headgate受到高静态应力集中在矿业LW 1300。因此,岩石破裂事故很容易诱发的headgate LW 1301。岩爆灾害事故发生在2015年9月同意与CT监测结果。应该进行更多的卸压措施headgate在道路建设和煤矿。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图8
分布的岩爆风险指数检测区域。

图9显示了微震事件能量大于102根据微震监测结果J。它可以观察到更多的微震事件能量较大(103J)分布在岛上煤比1301年LW面板。几个大型能源微震的事件也观察LW headgate附近的1301。微地震监测的结果验证了地震CT的结果。,大型能源项目位于高岩爆风险指标的地区。


图9
分布的微地震事件和1301年LW岩爆风险指标和岛煤面板。

5。评价动态应力演化与不同推进速度

在矿业长壁板之前,围岩的压力处于一个平衡状态。采矿开始后,势能和弹性应变能存储在覆层和煤层动态转换或释放。的一部分能量将改变弹性应变能和商店前面的煤层工作面。另一部分转化为动能,将动态干扰前的煤层工作面。岩爆的风险增加而增加覆盖层的能量转换从势能动能在煤层中。

推进速度越大,越将势能转化为弹性应变能存储在一天煤层。因此,它是至关重要的,以确定前进的速度。在这项研究中,我们分析了不同推进速度对动态应力演化的影响在工作面前使用微震的监控。测试推进速度是1.6米/ d(低速),4.0 m / d(中等速度),6.4 m / d(高速)。众所周知,微震的响应随工作面推进速度。当工作面推进的速度1.6米/ d(图10 ()观察到的),只有小能量微震的事件。这些小能量微震事件主要分布靠近工作面。这表明采矿活动影响范围很小而不影响顶板岩层的上覆地层。当工作面推进的速度4.0米/ d(图10 (b)),微震事件主要集中在工作面前,包括台湾面板面积和LW headgate 1301两个集群事件的观察:大型能源微震事件集中在前方约600工作面主要断层附近,在100米时,大多数的微震事件的能量相对较小。这些小能量对矿业微震的事件几乎没有影响。推测中推进速度,更多的裂缝生成在高层岩层,导致断层活化。当采矿速度增加到6.4 m / d,微震事件的数量和能量大小的工作表面显著增加,如图10 (c)。微震事件能量大于102J密集分布在工作面前方200米。这是由于快速进化的动态应力和弹性势能的快速释放煤层。可以看出,采矿速度直接影响围岩的空间形态的演化和动态和静态支承压力的分布范围。根据比较结果,4 m / d(中等速度)是确定的合理的开采速度对矿业LW 1300在这个速度岩爆风险和生产力都是可以接受的。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图10
微震事件分布在工作面不同推进速度:(a) 1.6 m / d;(b) 4.0 m / d;(c) 6.4 /天。

应该注意的是,本节研究开采速度和分布之间的关系在工作面前的微震的事件。通过分析事件的强度和能量分布,我们可以间接和定性分析岩爆风险。然而,开采速度之间的定量关系和岩爆风险不是本文研究将集中在未来的工作。

6。结论

高静态应力和动应力的共同作用在保护面板可能导致岩爆灾害的网关下长壁板等待开采。评价的静态和动态应力分布在保护面板中,本研究提出了集成微震的和CT监测方法和获得以下结论:(1)该数学模型计算方便整个静态防护板的应力分布。(2)岩爆风险评价指标计算速度异常和速度梯度使用地震CT能够准确地评估保护煤板的应力集中。(3)动态应力演化的程度不同造成的工作面推进速度是由微震的监控。媒介发展速度(4.0 m / s)建议在长壁开采面板中,可以同时确保采矿安全,提高挖掘效率。

这种集成的微震的和CT监测方法已经成功地应用于Longyun煤矿。然而,该方法可能不足以评估动态在其他复杂岩土工程灾害。应该引入新的岩爆评价指标根据特定的地质条件和工程需求。

此外,发达的数学模型简化为一个完整的地层上覆地层,而实际上上覆地层断裂,挂在复杂应力再分配。因此,在未来的工作中,应该校准的数学模型上覆地层的空间结构,可以由测量地面沉降。值得提醒的是,在其他矿山岩爆风险高、超深水压力等实时监控方法实时在线监测是强烈推荐。

数据可用性

数据请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持中国国家重点研究发展计划的一部分在批准号2016年yfc0801408,部分由中国国家自然科学基金批准号51674014,部分由国家自然科学基金重点项目批准号51634001,部分原因是由山东能源集团有限公司批准号2019 sdzy02和部分矿山灾害预防和控制国家重点实验室基金创办的山东省和科技部授予数量(MDPC202007)。