煤矿复合动力灾害危险性评价与监测预警技术
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摘要
近年来，煤矿自然条件、瓦斯条件和开采技术条件发生了显著变化，冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用下的复合动力灾害成为继单纯瓦斯灾害或单纯冲击地压后又一重大而复杂的安全隐患。为了更好的监测预警与防治煤矿复合动力灾害，提高煤矿安全生产水平，消除煤矿复合动力灾害隐患，本文开展了煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用下的复合动力灾害的危险性评价与监测预警技术研究。
本文运用冲击地压与瓦斯突出的统一失稳理论，并分析二者的区别，得出两种灾害的耦合关系：（1）只要具备或创造了瓦斯异常涌出的物质、动力和构造条件，冲击地压就有可能诱发煤矿瓦斯异常涌出，而且震前、同震和震后都具备这种可能。（2）冲击地压导致煤及共生岩体产生微破裂，给瓦斯解吸膨胀创造了构造条件，解吸膨胀的高压瓦斯又成为冲击地压的助推力，两者相互作用。存在一种开挖卸载与瓦斯解吸膨胀耦合作用的冲击地压。（3）冲击地压与瓦斯异常涌出的相关性虽然在一定条件下是确定的，但并不代表由此必然引发瓦斯事故。
针对复合动力灾害危险性及防治，提出了“先分别——再耦合”的工作面复合动力灾害危险区域评价方法。即，首先采用宏观评价法来评价复合动力灾害的整体危险性，常用的方法主要有综合指数法、复合动力灾害发生可能性指数诊断法等。其次找出产生复合动力灾害的影响因素，根据各个因素的不同情况，采用不同的评价方法，划定危险区域，最后根据多因素耦合法，划定不同危险程度的区域，为提前采取防治措施提供依据。
岩层运动是支承压力形成、巷道围岩破坏、复合动力灾害发生等一切动力现象的根源。采用理论分析、数值模拟以及现场实测的方法对方山矿11041工作面岩层运动规律进行了研究。11041工作面直接顶完整性指数为第一层顶板的质量指数0.33，属于不稳定顶板。11041工作面直接顶垮落厚度为6~6.5m，老顶厚度为11.6m；老顶初次垮落步距37.5m，周期来压步距为12.5m~14.9m。
分析了微震技术对复合动力灾害监测预警的原理，在方山矿11041工作面安装了矿山CT微震监测预警系统，依据微地震和应力在线监测系统获得的数据，研究了工作面矿压显现规律，结合瓦斯抽放量的监测，分析了岩层运动、应力和瓦斯抽放量的关系，初步确定了复合动力灾害监测预警指标。
通过本文的研究，可以更清楚的了解复合动力灾害的发生机理，掌握对复合动力灾害的评价方法及监测预警技术，从而采取针对性的复合动力灾害防治技术。
In recent years, natural conditions,gas conditions and technology conditions ofmining have changed significantly. The compound dynamic disaster under the jointaction of rock burst and coal and gas outburst has became another great and complexsecurity risks after pure gas disaster or pure rock burst. In order to monitoring, earlywarning and control of compound dynamic disaster of coal mine better，promote thecoal mine safety production of coal mine and eliminate compound dynamic disasterrisks. This article carried out various studies involved the compound dynamic disasterunder the joint action of rock burst and coal and gas outburst.
Using the instability theory of rockburst and gas outburst, the coupling relationshipbetween the two disasters is carried out:(1) As long as the substance, power andstructural conditions of abnormal methane emission are ripe, rock burst may induceabnormal coal mine gas emission regardless of when it happens.(2) The rockburst leadcoal and symbiotic rock mass produce micro-fracture and create the structuralconditions of gas desorption expansion which becomes a boost power of the rockburst.There is an excavation unloading and gas desorption expansion coupling effectrockburst.(3) The rockburst and abnormal methane emission correlation is determinedunder certain conditions, but it does not means that this will inevitably lead to gasaccidents.
Against the hybrid hazard and prevention,“classification—coupling”, which is anew working face compound dynamic disaster risk area evaluate method, was proposedaiming at risks, prevention and treatment of compound dynamic disaster. Firstmacroscopic evaluation method was used to evaluate the whole risk of compounddynamic disaster, the common methods include comprehensive index method,compound dynamic disaster possibility index diagnostics and so on，then find out thefactors leading to compound dynamic disaster. Corresponding evaluation methodsshould be taken and risk area should be divided according to the different situations.Finally areas were divided into different levels of risks based on multi-factor couplingmethod in order to take measures to avoid disasters in advance.
Strata movement is the source of compound dynamic disaster and roadwaydestruction. The theoretical analysis, numerical simulation and field measurementmethod were carried out for movement regularity of the11041Face. Fangshan mine11041working face immediate roof integrity index is the first layer of roof mass index, equal to0.33, belong to unstable roof.11041Face of immediate roof caving thickness isof6to6.5m, roof thickness is of11.6m; roof first collapse step down is37.5m; cycleweighting step is from12.5m to14.9m.
The microseismic technology was proposed to monitor and alert compounddynamic disaster, the principle of microseismic technology in monitoring and alertingcompound dynamic disaster was analysed. KJ551microseismic monitoring system andKJ550stress online monitoring system were introduced, analysis of field application ofthese two systems was made which showed that both of them ran with high accuracyand reliability.
Through this research, the mechanism of compound dynamic disaster can beclearly understanded, and evaluation methods and compound dynamic disastermonitoring and early warning technology can be mastered, as well as to take targetedprevention of disasters hybrid technology.
本文运用冲击地压与瓦斯突出的统一失稳理论，并分析二者的区别，得出两种灾害的耦合关系：（1）只要具备或创造了瓦斯异常涌出的物质、动力和构造条件，冲击地压就有可能诱发煤矿瓦斯异常涌出，而且震前、同震和震后都具备这种可能。（2）冲击地压导致煤及共生岩体产生微破裂，给瓦斯解吸膨胀创造了构造条件，解吸膨胀的高压瓦斯又成为冲击地压的助推力，两者相互作用。存在一种开挖卸载与瓦斯解吸膨胀耦合作用的冲击地压。（3）冲击地压与瓦斯异常涌出的相关性虽然在一定条件下是确定的，但并不代表由此必然引发瓦斯事故。
针对复合动力灾害危险性及防治，提出了“先分别——再耦合”的工作面复合动力灾害危险区域评价方法。即，首先采用宏观评价法来评价复合动力灾害的整体危险性，常用的方法主要有综合指数法、复合动力灾害发生可能性指数诊断法等。其次找出产生复合动力灾害的影响因素，根据各个因素的不同情况，采用不同的评价方法，划定危险区域，最后根据多因素耦合法，划定不同危险程度的区域，为提前采取防治措施提供依据。
岩层运动是支承压力形成、巷道围岩破坏、复合动力灾害发生等一切动力现象的根源。采用理论分析、数值模拟以及现场实测的方法对方山矿11041工作面岩层运动规律进行了研究。11041工作面直接顶完整性指数为第一层顶板的质量指数0.33，属于不稳定顶板。11041工作面直接顶垮落厚度为6~6.5m，老顶厚度为11.6m；老顶初次垮落步距37.5m，周期来压步距为12.5m~14.9m。
分析了微震技术对复合动力灾害监测预警的原理，在方山矿11041工作面安装了矿山CT微震监测预警系统，依据微地震和应力在线监测系统获得的数据，研究了工作面矿压显现规律，结合瓦斯抽放量的监测，分析了岩层运动、应力和瓦斯抽放量的关系，初步确定了复合动力灾害监测预警指标。
通过本文的研究，可以更清楚的了解复合动力灾害的发生机理，掌握对复合动力灾害的评价方法及监测预警技术，从而采取针对性的复合动力灾害防治技术。
In recent years, natural conditions,gas conditions and technology conditions ofmining have changed significantly. The compound dynamic disaster under the jointaction of rock burst and coal and gas outburst has became another great and complexsecurity risks after pure gas disaster or pure rock burst. In order to monitoring, earlywarning and control of compound dynamic disaster of coal mine better，promote thecoal mine safety production of coal mine and eliminate compound dynamic disasterrisks. This article carried out various studies involved the compound dynamic disasterunder the joint action of rock burst and coal and gas outburst.
Using the instability theory of rockburst and gas outburst, the coupling relationshipbetween the two disasters is carried out:(1) As long as the substance, power andstructural conditions of abnormal methane emission are ripe, rock burst may induceabnormal coal mine gas emission regardless of when it happens.(2) The rockburst leadcoal and symbiotic rock mass produce micro-fracture and create the structuralconditions of gas desorption expansion which becomes a boost power of the rockburst.There is an excavation unloading and gas desorption expansion coupling effectrockburst.(3) The rockburst and abnormal methane emission correlation is determinedunder certain conditions, but it does not means that this will inevitably lead to gasaccidents.
Against the hybrid hazard and prevention,“classification—coupling”, which is anew working face compound dynamic disaster risk area evaluate method, was proposedaiming at risks, prevention and treatment of compound dynamic disaster. Firstmacroscopic evaluation method was used to evaluate the whole risk of compounddynamic disaster, the common methods include comprehensive index method,compound dynamic disaster possibility index diagnostics and so on，then find out thefactors leading to compound dynamic disaster. Corresponding evaluation methodsshould be taken and risk area should be divided according to the different situations.Finally areas were divided into different levels of risks based on multi-factor couplingmethod in order to take measures to avoid disasters in advance.
Strata movement is the source of compound dynamic disaster and roadwaydestruction. The theoretical analysis, numerical simulation and field measurementmethod were carried out for movement regularity of the11041Face. Fangshan mine11041working face immediate roof integrity index is the first layer of roof mass index, equal to0.33, belong to unstable roof.11041Face of immediate roof caving thickness isof6to6.5m, roof thickness is of11.6m; roof first collapse step down is37.5m; cycleweighting step is from12.5m to14.9m.
The microseismic technology was proposed to monitor and alert compounddynamic disaster, the principle of microseismic technology in monitoring and alertingcompound dynamic disaster was analysed. KJ551microseismic monitoring system andKJ550stress online monitoring system were introduced, analysis of field application ofthese two systems was made which showed that both of them ran with high accuracyand reliability.
Through this research, the mechanism of compound dynamic disaster can beclearly understanded, and evaluation methods and compound dynamic disastermonitoring and early warning technology can be mastered, as well as to take targetedprevention of disasters hybrid technology.
引文
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