图 1 典型煤层的相对应力值与绝对应力值的关系示意
2) 冲击地压局部实时监测与预警技术 。煤层 的冲击倾向性和支承压力带特征是冲击地压预警的 主要依据 。冲击倾向性是煤体的固有属性 , 可根据 试验确定 。针对具有冲击倾向性的煤层开采 , 冲击 地压监测与预警的重心集中在支承压力带特征 , 即 支承压力峰值的大小及其至煤壁的距离 。因此 , 基 于以上分析 , 可通过对煤体采动期间的煤体采动应 力的监测 , 并将各项指标与常规的钻屑指标进行对 比分析 , 以确定冲击危险预警指标 。冲击地压的局 部实时监测预警体系如图 2所示 。
2010年第 8期
层 、163下 02工作面 , 北距井田边界 20 m。该工作 面所采煤层为山西组 3下 煤层 , 结构较简单 , 煤层 整体为南北厚中间薄 , 厚度 0170 ～5182 m , 平均 厚度 5115 m , 第 1终采线与第 2 切眼间存在 3下 煤 层冲 刷 区 , 南 北 长 230 m , 东 西 宽 0 ～ 9312 m。 163下 00工作面开采条件十分复杂 , 工作面采用长 壁综采放顶煤一次采全高全部垮落采煤法 。采深已 至 - 630 m 以下 , 且回采区域有多处断层 , 对回采 产生很大的影响 , 易形成应力集中区 , 具备了发生 冲击地压的力学条件 。 2) 工作面冲击地压监测预警方案 。由于济三 煤矿 163下 00工作面北段冲击危险性非常高 , 根据 该工作面开采地质条件 , 其冲击危险的局部监测预 警方案具体实施如下 : ① 在工作面开采之前 , 应 用覆岩空间结构理论对 163下 00工作面冲击地压进 行早期预测 , 确定监测预警的重点区域 ; ② 在工 作面布置完成后 , 根据早期确定的重点区域 , 采用 冲击地压实时在线监测预警系统对重点区域进行监 测 , 实施实时在线监测预警 ; ③ 采用钻屑法验证 上述 方 法 的 预 警 效 果 , 并 对 局 部 点 进 行 检 验 性 预警 。 基于覆岩空间结构理论 , 163下 00 工作面冲击 地压监测预警重点区域确定为工作面基本顶初次来 压时 (推进长度约 60 m ) 、单工作面见方时 (推进 长度约 260 m ) 、双工作面见方时 (推进 长度 约 460 m ) 等几个覆岩运动阶段 。由此确定的 163下 00 工作面主要危险区域如图 3所示 。
1 冲击地压局部实时监测预警技术
1) 预警基本原理 。冲击地压局部 (点 ) 区域 内的实时监测预警的基本原理主要是揭示覆岩运 动 、支承压力 、钻屑量与钻孔围岩应力之间的内在 关系 , 其监测的参数是煤体中的垂直应力 。随着工 作面的推进 , 采空区上方顶板岩层产生运动 、垮 落 , 整个采空区上覆岩层的自重应力转移至采空区 周围 , 导致采空区周围 (包括工作面前方 ) 垂直 应力升高 , 即支承压力分布范围及峰值将逐渐增 大 , 直到覆岩破断高度达到其最终破断高度 。岩层
图 5 采集和预警参数设定窗口
预警参数包括黄色预警的应力值和红色预警的 应力值 。黄色预警表示冲击地压发生的可能性显著 增加 , 其 预 报 指 标 值 为 : 5 m ( 12 MPa ) 、 10 m (14 M Pa) 、15 m (16 M Pa) 、20 m ( 18 M Pa) ; 红 色预警表示冲击地压发生的可能性达到危险等级 , 其预 报 指 标 值 为 : 5 m ( 14 MPa ) 、 10 m ( 16 MPa) 、15 m (18 MPa) 、20 m (20 MPa) 。预警参 数设置好之后系统会自动根据阈值进行冲击地压黄 色预警或红色预警 (图 5b) 。 4 ) 冲击地压实时监测预警技术的应用 。自 2009年 3月 26日在 163下 00工作面开始试生产 , 4 月初正常生产 , 利用该系统准确地监测到了工作面 基本顶初次放顶 、常规周期来压等情况 , 并及时准 确预测预报了应力异常情况 。 根据实时监测结果 , 得出了 163下 00工作面北 部区域走向超前支承压力显现的峰值位于工作面前 方 25 m 左右 , 超前支承压力的影响范围达 100 m; 倾斜方向上显示的分别是 5, 10, 15 和 20 m 处的 超前支承压力显现 , 而 5 m 处的相对应力值明显低 于 10和 15 m处 , 曲线到 20 m 处趋于平缓 , 倾向 超前支承压力显现的峰值约位于煤体深度 10 m 处 。 图 6为 39号测站孔深 15 m 处监测的当工作面 推至 148 m 时 , 工作面前方 216 m 处测站监测的工 作面基本顶来压 (4月 13—15日 ) , 应力异常升高 段 (5月 1—4 日 ) 的应力变化情况 。监测结果与 常规矿压监测及钻屑法监测完全吻合 , 尤其是 5月 1日就提前监测出应力异常地点 , 系统发出冲击危 险的红色预警 , 使得现场提前采取解危措施和站岗 警戒措施 , 有效避免了一次冲击地压事故的发生 。
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2010年第 8期
煤炭科学技术
第 38卷
机箱的 2个专用接头接入 。每根主电缆连接到主交 换机的对应接线盒上 。监测系统如图 4所示 。
图 4 冲击地压在线监测系统示意
3) 冲击危险实时监测系统的监测参数设定 。 163下 00工作面冲击危险监测系统的设定参数主要 包括采集参数和预警参数 。采集参数包括采集通道 数量和系统巡航时间 , 如图 5a所示 , 即同时可以 显示相邻 10组应力计 , 40个通道的数值 。系统巡 航时间根据监测的需求将系统巡航时间设置为 60 s, 若遇到需要重点监测的区域或者应力急剧变化 的情况 , 则可根据实际情况进一步调整 。
图 3 163下 00工作面主要冲击危险区域
因此 , 对工作面前方冲击危险重点监控区域布 设煤体应力在线监测系统 。共布置 20 组钻孔应力 计 , 沿煤层走向布置 , 组内两相邻钻孔之间的距离 为 115 m , 每组布置 4 个 , 孔深分别为 5, 10, 15 和 20 m , 监测距离沿走向长为 400 m。 井下监测主机安放位置约在距第 1切眼 255 m 处 , 井下光缆和供电电缆铺设到此处 , 通过主交换
第 38卷第 8期
2010年 8月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vo l138 No18 Aug. 2010
冲击地压实时监测预警技术及其应用
桂 兵 1 , 张广文 1 , 张士斌 1 , 于正兴 2 , 姜福兴 2 , 董晓宁 1
(11兖矿集团 济宁三号煤矿 , 山东 济宁 272169; 21北京科技大学 土木与环境工程学院 , 北京 100083)
( 1. J in ing N o13 M ine, Yanzhou Coal M in ing Group, J in ing 272169, China; 2. School of C ivil and Environm ent Eng ineering, U n iversity of S cience and Technology B eijing, B eijing 100083, Ch ina) Abstract: In order to enhance the monitoring and measuring of the p ressure bump in the coal m ining face with the high bump ing danger, the relationship between the drilling cutting equivalent and the coal related stress was p roposed based on the overburden strata movement theory and a p ressure bump on - line monitoring system for the medium and later p re - warning and regional p re - warning was developed. The site app lication results showed that the system could have a dynam ic monitoring and measuring to the coal stress variation in different borehole dep th and could be effectively to have a real time on - line monitoring and p re - warning to the site p ressure bump danger status. The system could p rovide the scientific basis to timely take the p revention measures and the regional danger releasing measures to the coal m ining face w ith the high bump dangers for the safety m ining. The p ractices showed that the on - line monitoring and p re - warning tech2 nology of the p ressure bump would be favorable to the safety m im ing of the coal m ining face w ith the high bump danger. Key words: p ressure bump; high bump ing danger; on - line monitoring and p re - warning; system composition; support p ressure
桂 兵等 : 冲击地压实时监测预警技术及其应用
运动决定了支承压力的峰值大小及位置 。因此 , 可 通过监测支承压力的变化情况反演岩层的运动情 况 。而钻孔应力计测得的是相对应力 , 为支承压力 与绝对钻孔围岩应力的综合作用的结果 。以济宁三 号煤矿为例 , 典型相对应力值和绝对应力值的关系 如图 1所示 。可见 , 钻孔应力计揭示的支承压力峰 值附近的应力变化情况一般小于绝对应力 , 但两者 具有类似的变化趋势 。基于上述分析 , 可得出结 论 , 即以钻孔应力计监测相对应力来代替钻屑法进 行冲击地压监测预报 。