基于震源机制的煤矿采动主应力场反演分析

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第45卷摇第3期2018年6月

李守锋,屈英.基于震源机制的煤矿采动主应力场反演分析[J].矿业安全与环保,2018,45(3):90-93.文章编号:1008-4495(2018)03-0090-04

基于震源机制的煤矿采动主应力场反演分析

李守锋,屈摇英

(华亭煤业集团华亭煤矿,甘肃华亭744100)

摘要:矿井岩体应力场属性是冲击地压防治需考虑的重要因素,而开采扰动可使原岩应力场变异,故在掌握原岩应力场属性的同时,应用震源机制解答方法,以华亭煤矿250104工作面回采、250105工作面掘进时55个强度较高、震相清晰的矿震为基础,对矿井采动应力释放规律进行反演,分析了矿井采动应力场及其演化过程,进而反映受采动影响矿井应力场的调整和再平衡过程,并通过与现场地应力测量结果比较,认清矿井冲击地压发生机理,采取针对性较强的冲击地压防治措施,有效减轻了矿井冲击地压灾害。

关键词:应力场;矿震;震源机制;反演;冲击地压中图分类号:TD324摇摇摇文献标志码:B

InversionAnalysisofPrincipalStressFieldofCoalMiningBasedonFocusMechanism

(HuatingCoalMine,HuatingCoalIndustryGroup,Huating744100,China)

LIShoufeng,QUYing

andcontrolofrockburst.Theminingdisturbancecanmaketheoriginalrockstressfieldvary.Therefore,inmasteringthepropertyoftheoriginalrockstressfield,thesolutionmethodoffocusmechanismwasapplied,basedon55strongminingshockswithrelativelyhighintensityandclearseismicphase,whichproducedintheminingof250104workingfaceandtunnelingof

Abstract:Thepropertyofstressfieldofminerockmassisanimportantfactorwhichshouldbeconsideredforprevention

250105workingfaceinHuatingCoalMine,thestressreleaseruleofmineminingwasreversed,themineminingstressfieldanditsevolutionprocesswasanalyzed.Furthermore,itreflectedtheadjustmentandrebalancingprocessofminingstressfieldaffectedbymining,andbycomparingwiththeresultsofsitestressmeasurement,themechanismofrockburstinminewasimpactofrockburstincoalmine.

understand.Thetargetedmeasurestopreventandcontroltheimpactofrockburstwereadopted,whicheffectivelyreducedthe

Keywords:stressfield;miningshock;focusmechanism;inversion;rockburst

摇摇震源(或破裂源)机制解答是研究大尺度岩体宏观破裂孕育和发生机理广泛使用的方法和途径。岩体破裂源研究始于美国的Ride,提出了“弹性回跳冶理论[1];随后Nakano进行了震源的定量研究[2]。这一领域在后来相当长时间内的研究方向,就是探索用地震波初动符号和P、S波振幅比来确定与震源等价的点源类型和定向。但单个岩体破裂的破裂源机制反映的是破裂源处的应力释放特征,并不能完全反映应力场全貌,而众多岩体破裂源机制总体特征

能够代表应力场的属性。

以往的研究未发现天然地震与采矿发生的矿震震源机制存在系统和本质的差异,天然地震机制的绝大多数机理均可用于矿震,矿震破裂源机制的反演可以借鉴天然地震的反演方法。煤矿进入深部开采后,各种尺度矿震岩体破裂遍布矿井,其中一部分小尺度岩体破裂发生在采场附近演变为冲击地压或岩爆;一部分大尺度岩体破裂产生强弹性能释放(以下称强矿震),在全矿井甚至外围一定范围内分布[3-6]。矿震岩体破裂源是采动应力聚积与释放的策源地,破裂源的震源机制及其在时间、空间上的分布规律,可直接反映采动应力状态的演变。李铁等提出,煤矿采动卸荷重力应力场诱发作业突出[7];张凤鸣等提出,矿震的孕育和发生受到采动因素和区

收稿日期:2017-07-31;2018-04-12修订

作者简介:李守锋(1974—),男,甘肃静宁人,高级工程师,总工程师,主要从事煤矿技术管理及矿井灾害防治工作。E-mail:314950273@qq.com。

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域构造应力场的双重作用[8];山长仑等提出,某煤矿矿震是整个矿区尺度的应力场重新分配与区域应力场共同作用所致[9]。以上研究表明,地震学的震源机制解答法在煤矿应用效果良好。因此,笔者拟应用震源机制解答法,反演矿井采动应力释放规律,探讨防治对策。

形孔打喇叭口(此次所用为磨平—锥孔一体钻头)。

利用定向器将包体安装在小孔中央,并把配制好的黏结剂注入到包体空腔内。

5)在黏结剂固化24h后,接通应变仪,用第一

4)用冲水器冲洗小钻孔,用擦洗杆将钻孔擦净。

步施工大钻孔用的钻头向里延伸钻进,按照分级深度(3~5cm)使小孔周围岩芯逐渐实现应力解除,每级停钻读数,并将测定的变形或应变通过记录仪器记录下来。

6)将小钻孔中解除下来的岩芯取出,由围压率7)导出记录数据并计算地应力的大小和方向。

1摇矿井地应力测量

力解除法进行地应力测量[10-12]。地应力测量系统采用孔壁变形法之空芯包体应变计法,该方法可以更大程度上消除测量中由于温度等环境因素所产生的误差。

8个测点,空芯包体法地应力测量的具体实施步骤如图1所示。

在华亭煤矿矿井范围内,经过优化后共布置从经济和技术等角度考虑,华亭煤矿宜采用应

定试验及温度标定试验,计算出岩样的弹性模量、泊松比及温度对应变的影响系数。

各测点主应力计算结果如表1所示,最大主应

1.9~6.1倍,平均3.3倍,构造应力场特征显著。测量结果显示(见图2),最大主应力轴优势方位角N45毅E,优势倾(仰)角近水平或缓倾斜;中等主应力轴优势方位角N45毅W,优势倾(仰)角近水平或缓倾

力轴近水平,最大主应力强度值是岩层自重应力的

(a)步骤一(b)步骤二斜;最小主应力轴优势倾(仰)角近垂直或急(陡)倾斜。

(c)步骤三(d)步骤四

图1摇现场地应力测量步骤

孔(椎130mm),终孔深度要在巷道围岩开挖扰动的影响范围之外。钻孔上倾角5毅~10毅,以利于水的流出和清洗孔中钻屑。

2)磨平大孔孔底,采用孔径为36mm的钻头,3)用磨平钻头磨平孔底,磨平进尺3cm;用锥

最大主应力滓1

数值/MPa33.0422.3422.7311.4011.7417.8625.4925.34

方向/(毅)25225424123624726426563

倾角/(毅)

8

数值/MPa22.3213.9617.487.228.09

1)从井下巷道或硐室内向围岩内部施工大钻

向里继续钻孔,钻孔深度为27cm左右。

图2摇华亭煤矿地应力测量主应力轴产状展布图

表1摇各测点主应力计算结果

测点号12345678

深度/m685480546216225407565561

中等主应力滓2

方向/(毅)3453322881591701624067

倾角/(毅)

1873676-4-221779

数值/MPa18.3913.6514.056.837.20

最小主应力滓3方向/(毅)320343257338314275207177

倾角/(毅)-70-274677811

-1516-5115

17

-15

-1012.7816.4317.32

10.6815.9315.46

-70

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第45卷摇第3期2018年6月2摇采动主应力场反演分析2.1摇研究方法采用华亭煤矿装备的16通道SOS微震监测系统,基于地震学的双力偶点源震源模型,应用P波初动符号的格点尝试方法[13]采、250105工作面掘进期间,55选取个强度较高250104工作面开、震相清晰的矿震,反演矿井尺度采动应力释放规律。应用地震学P波初动方向的震源机制解答方法反演强矿震岩体破裂的力学机制,结合微震定位、地应力测量及理论分析等,验证震源机制方法的可靠性。2.2摇震源机制反演如图3所示,55个强矿震震源机制反演的主压应力轴方位角为N77毅E,与图2显示的地应力场测量结果的最大主应力方向一致性较高。但地应力场测量得出的最大主应力轴倾角近水平或缓倾斜,而强矿震震源机制反演的主压应力轴倾角近水平、缓倾斜、倾斜、急倾斜均存在,表明两者的最大主应力场形成机制存在一定的差异。图3摇主压应力场震源机制反演极点分布图

如图4所示(图中双箭头方向为主压应力方位),55个强矿震震源主压应力轴在开采工作面和掘进工作面绝大部分与巷道走向垂直或大角度相交,在采空区主压应力轴方向则有变位(图4中震源机制反演的是250104工作面开采和250105工作面掘进全过程)。2.3摇微震定位

利用微震监测系统对强矿震震源进行定位(见图4),分析其释放的主压应力轴状态与位置关系如下:位于采空区强矿震主压应力轴方位与原岩应力场存在差异,主要受遗留煤柱影响,对原岩应力场方向有改变;位于掘进工作面后方强矿震主压应力轴方位大多与巷道走向垂直或大角度相交;位于掘进工作面内煤层中矿震主压应力轴方位与原岩应力场·92·

图4摇震源机制反演的主压应力轴平面分布图一致;位于采煤工作面巷道内矿震主压应力轴与原岩应力场基本一致,与巷道走向垂直或大角度相交;位于采煤工作面内超前煤层中矿震主压应力轴平卧,但方位与原岩应力场存在差异,受超前应力影响的可能性较大。2.4摇强矿震应力释放场指示的矿震力学机制应力场测量得出的最大主应力方向一致性极高1)强矿震震源机制反演的主压应力场方向与地,表明强矿震应力场释放具有继承性。最大主应力方向均与巷道走向垂直或大角度相交2)绝大部分强矿震主压应力场方向和地应力场,这是无论掘进还是开采导致巷道强矿震和冲击地压频繁显现的重要原因3)原岩应力场与采动应力场产生了叠加效应。导致与巷道正交方向水平应力为强度极高的最大主,

应力,斜,表明最大应力场以水平应力场为主导4)是巷道发生冲击地压显现的动力来源原岩地应力场最大主应力轴为近水平和缓倾

。

。震源机制反演的主压应力轴倾角近水平、缓倾斜、倾斜、急倾斜均存在,表明强矿震最大主应力场有垂直分量应力增量参与,顶板来压对强矿震的发生产生了超载作用影响。

3摇防治措施

根据原岩应力场测量、采动应力场反演和综合分析,从导致冲击地压显现的力源视角考虑,华亭煤矿宜采取如下工程防治措施走向正交或大角度相交1)工作面设计本应避开最大主应力方向与巷道

:

,但采场格局已然形成,修改

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设计已不可能,只有高度重视最大主应力方向与巷道走向正交或大角度相交这个事实,采取强化防治措施。

2)有效卸掉垂向的顶板来压,是避免强矿震和3)改善最大主应力形成的岩石环境也是避免强

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冲击地压显现的重要途径之一。

矿震和冲击地压显现的重要途径之一[14]。由于最大主应力垂直于巷道走向,其作用的结果必然是巷道底板受压起鼓。而主动介入将巷道底板煤岩连续性破坏掉,则可改变最大主应力形成的岩石环境,使巷道底板在正交方向水平最大主应力作用下,不致于形成弹性变形—断裂失稳破坏模式,而产生受压后的缓慢位错,无法积累和释放高强度弹性能,从而有效减轻冲击地压灾害。

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4摇结论

矿强矿震应力场释放特征。

1)应用震源机制反演方法,客观反映出华亭煤2)强矿震震源机制反演的主压应力场方位与地

应力场测量得出的最大主应力方位一致性极高,表明强矿震应力场释放具有继承性。强矿震主压应力轴倾角与原岩应力场存在的差异,表明垂直方向顶板来压对强矿震的发生产生了超载作用影响。

3)原岩应力场与采动应力场产生了叠加效应,

导致与巷道正交方向水平应力为强度极高的最大主应力,是无论掘进还是开采导致巷道强矿震和冲击地压频繁显现的重要原因,有效卸掉垂向的顶板来压,是避免冲击地压显现的有效方法。

4)根据反演结果,沿巷道走向实施煤层底板切

槽措施,破坏巷道底板煤岩连续性,可以有效减轻冲击地压灾害。

(责任编辑:李摇琴)

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(责任编辑:熊云威)

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