硫磺沟煤矿采掘工作面冲击危险性评价及监测解危方案最

1、.：.；工程称号：硫磺沟煤矿采掘任务面冲击地压危险评价及监测解危方案工程担任人：蓝 航 研讨室主任、高工、博士参与人员： 姓 名 职务、职称、学历 专业 担任工程内容 毛德兵 所长、研讨员、博士 采矿 工程指点 刘少虹 博士研讨生采矿 地应力测试冯美华 硕士、工程师 地球物理 物探 于海湧 所总工、教授、博士 采矿 报告审核 姚建国 研讨员 力学 报告审核 报告编写：蓝 航、刘少虹、冯美华报告汇总：蓝 航报告审查： 报告文件编号： 立项背景1.1 矿井概略硫磺沟煤矿位于乌鲁木齐西部准南煤田头屯河区，头屯河中游之西侧，硫磺沟矿区中部，行政区划属昌吉市硫磺沟镇管辖。井田东距乌鲁木齐约40km，东北

2、距乌鲁木齐火车西站24km，北距昌吉市50km，向南可达庙尔沟、天山林场等地，均有沥青公路相通，交通便利。1.2 地质概略硫磺沟煤矿位于准南煤田头屯河区阿克德向斜南翼，地层分别划归中侏罗统西山窑组与头屯河组，其上被第四系冲洪积、坡积物等覆盖。西山窑组下段J2x1为主要含煤段，厚146182m，以湖沼相堆积为主。岩石组合为灰-灰黑色细砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩与煤。含煤37层，主要可采3层，即4-5，7，9-15号煤层,可采煤层总厚35.7448.20m。煤层间由细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主组成，其次部分夹薄层炭质泥岩，具旋回构造，其层间接触均为整合接触。其他为不稳定的不可采或部分可采煤

3、层。西山窑组上段J2x2为不含煤段，厚130150m，以河湖相堆积为主。岩石组合为灰-灰绿色砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及少量炭质泥岩与薄煤组成。不含可采煤层。头屯河组下段J2t1属干旱环境下的河湖相与山麓相堆积，厚260m。岩石组合为杂色粉砂岩与泥岩、中粗粒含砾砂岩等。矿井目前开采煤层为4-5煤层，煤质为41号长焰煤，为黑色，条痕为黑褐褐黑色，光泽普通为油脂光泽，少部分为沥青光泽，比重和硬度中等，性脆，节理裂隙比较发育，断口以参差状断口为主，构造多成条带状构造。属于低灰、特低硫、低磷、中高发热量富油煤层，是良好的动力炼油用煤和民用煤。4-5煤层厚度5.56.8m，平均厚度为6.15m，煤层全区

4、发育，较为稳定，自东向西略有增厚，沿倾向方向深部有变薄的趋势，多以单一煤层发育，中部变为有构造煤层，普通含夹矸1层，为较稳定煤层。补勘三维地震勘探查出断层10条，可靠断层6条，较可靠断层4条。其中落差50m的断层2条，落差20mH50m的断层2条，落差10mH20m的断层2条，落差5mH10m的断层4条。详见断层统计情况见表1-1。表1-1 断层统计表断层称号性质走向倾向倾角()长度(m)断层落差(m)控制程度FD1逆NESE505510000-75可靠FD2逆NESE50601300-23可靠FD3逆NESE602800-13可靠FD4逆NESE55607500-25可靠FD5逆NNE-NS

5、E50602100-7较可靠FD6 正E-NEENW50553000-10可靠FD7 正NENW6070900-5较可靠FD8正NNENNW501700-5较可靠FD9 正NENW60708000-55可靠FD10 正EN55602800-5较可靠1.3 采掘任务面概略4-504任务面为硫磺沟煤矿4-502任务面的接续任务面，走向长度2750m，任务面长度180m。位于矿井西翼，布置在4-5煤层中，4-502任务面北部，与4-502任务面皮带顺槽程度间隔 36.8m，开切眼距矿区边境150m。此外，还有三条下山巷道在向深部延伸，包括集中回风上山延伸、主暗斜井延伸和副暗斜井延伸，其中集中回风上山

6、延伸和副暗斜井延伸布置在4-5煤层中，主暗斜井延伸布置在9-15煤层中。各采掘任务面位置如图1-1所示。图1-1 硫磺沟煤矿各采掘任务面相对位置图4-504任务面井下标高+700+777m，任务面顺槽沿4-5煤层底板进展掘进，4-5煤层稳定，顶板以粉细砂岩为主，富水性强，底板多为泥岩、粉砂岩。任务面总体为一单斜构造，倾向北西，任务面煤层倾角19，掘进期间共揭露9条断层，断层为FD15FD23，断层均为逆断层，落差0.98.8m，对任务面回采具有一定影响。煤层顶底板柱状如图1-2。图1-2 煤层综合柱状图1.4 “1.30灾祸描画2021年1月30日早班，掘进一队5名工人完成第一循环后，前移前探

7、梁，并上网预备联网，15时52分一声煤炮，瞬间上帮和迎头左肩窝处抛出大量煤体，将上帮3人埋住，事故共呵斥2死1伤。灾祸发生时，煤炮响声较大，在呵斥顶板冒落的同时，综掘机被颠动，巷帮炸帮。煤炮发生时，该段巷道顶板、底板和两帮围岩的震动显著。图1-3为本次灾祸顶板冒落断面素描。(a)(b)(c)图1-3 “1.30动力灾祸顶板冒落断面素描(a)平面图(b)横剖面图(c)走向剖面图1.5 灾祸缘由分析根据调查组专家意见，造本钱次灾祸的主要缘由有：1对硫磺沟煤矿地质构造应力认知缺乏，在消费实际中，对地质构造应力危害程度评价、存在发活力理、超前预控方案研讨不够、不深。2021年进展了+860m、+796

8、m程度地应力测试，垂直应力大于最大程度应力，为1.01.42倍，最大程度应力为最小程度应力1.351.82倍。4-5)04任务面两顺槽标高为+777m、+700m，随着向西部掘进，炸帮、片帮、煤炮景象增多，矿方高度注重，多次组织专业人员讨论分析，并咨询了相关专家学者，当时分析以为这些景象的缘由能够是随着矿井延伸，地应力添加引起的，可以经过卸压方式处理，没有从构造应力场进展更深化细致的分析和研讨。虽然矿井先后运用了综掘机截割刨头钻进卸压、改动截割工艺循序卸压、钻孔卸压、爆破卸压等方法，并根据实际效果确定了爆破和钻孔卸压相结合的方法，平安掘进了1000m左右，但是还是没有防止灾祸的发生。根据本次专

9、家组分析：矿井地质报告阐明了井田位于北天山强震断裂带上，地震活动以强度大、频率高、小震较多为特征，属级地震烈度区。另外4-5)04任务面掘进期间共揭露9条断层，断层为FD15FD23，断层均为逆断层由程度应力挤压构成的，落差0.98.8m。阐明该矿井地层及构造处于受地震影响区域，存在较大的程度构造应力。根据新疆地震信息网报道1月31日10时29分玛纳斯县发生3.6级地震，临近地域在1.30事故次日发生地震阐明该地域存在大的构造运动。本次煤体在掘进暴露后，煤体由原先的高程度构造应力形状向二维垂直应力形状转化时，积聚在煤体及巷道顶板岩层内的弹性变形能忽然释放，且左帮片帮处煤壁竖向煤体节理、劈理非常

10、发育，使煤体破碎并沿滑移面抛出。在煤体抛出的同时，已接受程度构造应力及超前支承压力等静载的掘进头前方顶板在该动载作用下，产生煤岩抛出的动力景象。2支护设计注重了支护强度，没有思索到支护刚度问题。根据掘进期间出现的炸帮、片帮、煤炮景象增多，矿多次组织专业人员根据大专院校教师的建议进展讨论分析并进展了支护优化设计，提高了支护强度，并强化了支护质量监视检查和验收制度。此次事故现场锚杆拉拔力大于150kN，锚杆螺帽扭矩大于300Nm。事故现场未出现断锚杆、锚索景象，阐明正常情况下，锚网索的支护强度是足够的。但经过此次专家组的分析：提出了支护刚度的概念，以为在集中构造应力场作用下和松散的顶煤的条件下，现

11、有的支护设计约束不了掘进巷道围岩煤体的变形、位移，会呵斥围岩进一步松散和破坏，使锚杆、锚索支护失去作用。已掘巷道出现的网兜景象，就阐明支护刚度缺乏，其结果是呵斥巷道围岩体松散破碎，支护失效，应力向深部转移和集中，呵斥更大的隐患。3暂时超前支护方式不顺应突发的异常动力景象目前掘进迎头采用的是前探梁暂时超前支护，这种支护方式在此次事故中既没有控制迎头的煤体喷出，也没有控制住已支护顶板迎头后两排的冒落，用于固定前探梁的锚杆一同垮落，前探梁失去支护作用，呵斥顶煤没有支撑，瞬间垮落，无法维护作业人员平安，需求进一步的改良。1.6 研讨内容根据以上分析，为保证硫磺沟煤矿4-504任务面后续掘进及其它各采掘

12、任务面平安，必需首先弄清矿井当前采掘程度的地应力分布情况、对掘进迎头附近构造分布进展探测评价，并结合煤岩冲击倾向性测试结果，从地质影响要素和采掘技术影响要素综合评价各采掘任务面能够存在的冲击地压危险，在此根底上对巷道支护方案、设备及工艺进展调整和优化，并制定相应的监测和解危方案。为此，开展以下任务：1地应力测试在+777+665m选取三个测点，测试各测点三个主应力大小及其各自方向，根据测试数据分析矿区内的地应力分布规律；2掘进迎头周围埋伏构造/应力异常探测4-504皮带顺槽迎头超前150m埋伏构造/应力异常探测；4-504皮带顺槽左帮50m范围埋伏构造/应力异常探测；4-504皮带顺槽右帮50

13、m范围埋伏构造/应力异常探测；4-504任务面切眼掘进超前50m埋伏构造/应力异常探测。3各采掘任务面冲击地压危险评价4-502回采任务面冲击地压危险评价；4-504掘进任务面冲击地压危险评价；回风上山掘进任务面冲击地压危险评价；副暗斜井掘进任务面冲击地压危险评价。4冲击地压防治方案制定掘进支护参数；规范钻屑量确定；应力异常监测方案；应力异常区域解危方案；解危效果的钻屑目的检验。2 +777+665m程度地应力测试硫磺沟煤矿上山巷道变形量较大，在(4-5)04任务面上、下顺槽掘进过程中迎头矿压显现较为明显，巷道部分围岩变形量较大。为了进一步了解硫磺沟煤矿地应力分布情况，分析巷道矿压显现明显的缘

14、由，有必要对硫磺沟煤矿+777+665m程度区域进展地应力测试。2.1 空芯包体丈量方法简介2.1.1 地应力丈量方法分类岩体地应力丈量，主要是指对处于地下原始形状的岩(矿)中的某点的应力或应变的丈量。岩体原始应力形状的定量数据，是矿山开采和地下建筑工程所必需的资料。岩体的应力能使岩体介质的电阻率、磁化率和声波穿透速度等发生变化，也能产生光弹效应和X射线衍射效应。因此，从实际上讲，经过这些物理效应完全可以丈量岩体的应力。目前，地应力测定方法很多，各种型号的地应力丈量仪器也应运而生，型号达200种以上。参照各种丈量方法的任务特点，把地应力丈量的方法分为五大类，分别为：宏观类、微观类、地震类、电磁

15、类和放射性类。其分类及其各自的任务方法和适用范围详见表2-1。表2-1 地应力丈量方法分类表类别组别测 量 方 法工 作 方 法适 用 范 围宏观类宏观变形水压致裂法在钻孔中进展加压至岩石破裂，测定破裂呵斥的压力值。仪器有液压传感器，压力计等。在地面和井下均可适用，是目前进展深部地应力丈量的独一方法。大地丈量法(水准丈量、经纬仪丈量和三角丈量)丈量区域垂直和程度位移，丈量三角网的边长和角度变化。仪器有水准仪、经纬仪等。适宜区域性现今构造的概略分析。巷道壁变形丈量丈量巷道的径向变形和巷道壁的外表变形。仪器有各种应变计。多用于工程设计、施工中了解原地应力和应变的情况。宏观构造构造形迹法研讨褶皱、断

16、裂方向、节理、小褶皱组合分析等。仪器有地质罗盘、皮尺等。地质构造专门调查研讨，目前只能做定性分析。巷道变形、破坏调查法研讨巷道变形特点，分析剥落岩石的位置和几何外形，察看裂隙方向。仪器有地质罗盘等。作为辅助方法概略的了解地应力形状。钻孔变形、破坏调查法研讨钻孔中裂隙方向，岩饼厚度等。仪器有地质罗盘、皮尺等。作为辅助方法概略的了解地应力形状。微观类微观形变孔壁应力解除法经过丈量解除前后孔壁的应变变化，计算应力。典型的丈量探头是空芯包体三轴应变计。运用做多的丈量方法，最适宜在井下巷道中进展应力丈量。做大优点是单孔一次可测得三维应力。孔底应力解除法经过丈量解除前后孔底的应变变化，计算应力。丈量探头有

17、门塞式孔底应变计等。精度较低。国际上曾广泛运用，目前很少运用。钻孔位移法经过丈量解除前后钻孔孔径的变化，推算应力形状。仪器有光弹传感器等。运用的较多，要求岩石完好。丈量三维应力必需在正交的三个孔中进展。钻孔应力法把刚性探头安装在钻孔中，丈量解除前后的应力变化。典型的丈量探头是压磁电感应变计。丈量精度高，运用的较多，要求岩石完好。丈量三维应力必需在正交的三个孔中进展。钻孔崩落椭圆形法丈量钻孔椭圆外形，长轴代表最小主应力方向，长短轴之比可粗略估算压力值。适于脆性岩石，设备简单，精度低。钻孔应力扰动法在丈量小孔中安装探头，并在其周围钻平行扰动钻孔，丈量发生的孔壁径向变形。可利用消费钻孔进展丈量。微观

18、构造显微构造分析法根据测定数据与应力的线性关系进展定量计算。普通用X射线法、电子显微镜透射法。目前处于探求阶段。应力矿物定向研讨法矿物颗粒内部受应力作用的遗址方面的丈量定性统计。主要用于地应力的方向，目前尚无法确定地应力的大小。物理相态法利用岩石物理相态，判别地应力的量级。用于丈量地应力大小，尚无法确定地应力的方向。地 震 类超声波法超声波发射法丈量岩体中弹性超声波的速度和幅度。仪器有超声波传感器。普通用于丈量地应力的方向和应力的相对变化。超声波测井丈量超声波和面波的速度和幅度。仪器又超声波传感器。普通用于丈量地应力的方向和应力的相对变化。地震波法天然地震法丈量地震波波速，进展震源机制解。仪器

19、有地震仪等。是求解震源应力形状的方法。人工地震法反复进展人工爆破，用地震检波器接纳地震波。进展分析对比波速变化，从而确定地应力形状。属于区域性研讨，可用于确定主应力方向，较难确定地应力的大小。电磁类变形电阻法用电位计定点，反复测定岩石电阻率的变化，推算应力。研讨范围从0.1m到几十米。地面研讨中经常遭到水和其它要素干扰。导磁率法用磁力仪定点，反复测定岩石磁化率的变化，推算应力。运用范围尚未确定。放射性类放射法利用射线穿透岩石，反复测定其衰减强度等。运用范围尚未确定。2.1.2 应力解除法2.1.2.1 应力解除法的种类1钻孔位移法该法又称为钻孔变形法。它是经过丈量解除槽开出前后钻孔孔径的变化来

20、丈量地应力的。运用的传感器称为钻孔变形计。2钻孔应变法该法又分为孔底应变法和孔壁应变法。孔底应变法是经过丈量解除前后钻孔底面的应变变化来丈量应力的；孔壁应变法那么是经过丈量解除前后钻孔孔壁外表的应变变化来丈量地应力的。3钻孔应力法该法是将刚性的钻孔变形计置于钻孔内，利用丈量解除前、后变形计上的压力变化来丈量地应力。变形计上的压力变化与钻孔孔径变化有关。经过力学分析，可以建立变形计的压力与地应力的解析表达式。该刚性变形计称为钻孔应力计。2.1.2.2 应力解除法常用的测试仪器地应力的测试仪器很多，这里只引见几种常用的仪器。1KX2021型空芯包体式三轴地应变计KX2021型空芯包体式三轴地应变计

21、是由地质力学研讨所制造的。这种应变计是澳大利亚CSIRO应变计的一种改良型，目前这种测试仪器在我国得到广泛的运用。2YG-73型和YG-81型压磁地应力计YG-73型和YG-81型压磁地应力计是由地质力学研讨所和地壳应力研讨所研制的，是对瑞典哈斯特应力计的一个改良。这种测试仪在我国得到广泛的运用。3USBM钻孔变形计该变形计是由美国矿物局研制的，是国际岩石力学学会实验方法委员会建议采用的一种变形计。该变形计可安装在孔径为38mm的钻孔中，可测三个方向的直径变化，灵敏度为钻孔直径的十万分之一。该应力计在套芯过程中可结实地固定在丈量孔中，不会产生滑动。它具有良好的防水性能，并能与讯号电缆分别。经过

22、贴有应变计的触头与孔壁相接触，量测钻孔直径的变化。USBM钻孔变形计运用电阻应变仪进展读数，运用率定安装进展定期率定，运用双向模量率定台丈量岩芯的弹模。436-2型钢环式钻孔变形计该变形计是由中国科学院武汉岩土力学研讨所研制的。变形计中有4个钢环，每个钢环上贴有应变片，可量测互成45的四个直径方向的直径变化。该应变计可安装在36mm直径的岩石钻孔中。该方法需求丈量岩石的弹性模量和泊松比。5CSIR三向应变计CSIR三向应变计与KX2021型空芯包体三轴地应变计的原理一样，也是用来进展孔壁应变丈量的。它可在单孔中经过一次套芯解除获得三维地应力形状，所不同的只是应变计的构造不一样。6孔底应变计这种

23、应变计是李蔓于1964年提出来的。该应变计有一个应变花，由34个应变片组成。运用该应变计需磨平孔底，将应变计贴在孔底上，经过套芯丈量孔底上的应变，从而计算平面应力。2.1.3 空芯包体式应力解除法的根本原理空芯包体丈量方法属应力解除法(也称套芯法)，是丈量地应力绝对值的常用方法。其原理简单来说，就是在丈量地应力的地方先打丈量小孔，把丈量元件安装在预定的深度位置，记录仪器读数，然后钻一个与小孔同心的大孔，这一过程称为套芯应力解除。在应力解除槽开挖过程中，由于岩芯脱离了地应力的作用而发生弹性恢复，钻孔发生相应的应变，仪器读数也跟着发生变化。利用钻孔的应变和变形，按照弹性实际推导出的公式，计算出地应

24、力的大小和方向。接下来对空芯包体式应力解除法原理进展详细论述。1钻孔围岩应力分布公式岩体中的一点的原岩三维应力场可由直角坐标系中的6个分量( QUOTE )来表示，而孔壁围岩的三维应力场由柱坐标系中的6个分量( QUOTE )来表示，两组坐标系的方向参见图2-1。图2-1 钻孔位置的直角和柱坐标系表示图由弹性力学坐标变换方法可知钻孔壁附近的应力场与原岩应力场之间的关系为公式(2-1)(2-6)： QUOTE (2-1) QUOTE (2-2) (2-3) QUOTE (2-4) QUOTE (2-5) QUOTE (2-6)上述公式中， QUOTE 。柱坐标系的z轴的方向和直角坐标系的z轴相一

25、致。柱坐标系的角从x轴逆时针旋转计数为正。2孔壁应变和原岩三维应力分量之间的关系图2-2 电阻应变花的应力形状表示图孔壁附近a=r，可以近似的看作平面应力形状，只需， QUOTE 三个应力分量，每个电阻应变花的4支应变片所测的应变值，(即) QUOTE 和它们的关系为(参见图2-2)： QUOTE (2-7) QUOTE (2-8) QUOTE (2-9)式中，分别是孔壁周向、轴向和与钻孔轴线成方向的应变值， QUOTE 为剪切应变值。将式(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-5)代入式(2-7)、(2-8)、(2-9)，可以得出孔壁应变，与原岩应力分量 QUOTE QUOTE 之间的关系

26、，即公式(2-10)(2-13)： QUOTE (2-10) QUOTE (2-11) QUOTE (2-12) QUOTE (2-13)每组应变花的丈量结果可得到4个方程，三组应变花共可得到12个方程，其中至少有6个独立方程，因此可求解出原岩应力的6个分量。3关于空芯包体式应变计的修正由于空芯包体应变计中，应变片不是粘贴在孔壁上，而是与孔壁有1.5mm左右的间隔 ，因此其丈量出的应变值和孔壁真实的应变值之间是存在差别的。为了修正这一差别，沃罗特尼基和沃尔顿在公式(2-10)(2-12)中参与了4个修正系数 QUOTE ， QUOTE 统称K系数，其方式如公式(2-14)(2-16)： QUO

27、TE (2-14) QUOTE (2-15) QUOTE (2-16)2.1.4 空芯包体应变计的构造我国常用的空芯包体应变计是由地质力学研讨所制造的KX2021型空芯包体式三轴地应变计。它是利用孔壁应变解除法进展地应力丈量的仪器，可在单孔中经过一次套芯解除应变获得三维应力形状。其运用方便、安装操作简单、本钱低、效率高。这种应变计是澳大利亚CSIRO应变计的一种改良型，由GWorotnichi、RJWalton(1976年)设计。应力计由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成。将3枚应变花(每枚应变花有4个应变片)沿环氧树脂筒圆周相隔120粘贴，然后再用环氧树脂浇注外层，使电阻应变片嵌在筒壁内

28、(外层厚度约为0.5mm)。在应变计的顶部有一个补偿应变片(图2-3)。图2-3 三组应变花的分布位置表示图从左到右依次为：截面投影图，A、B、C三组应变花的粘贴关系图，钻孔中的坐标关系图KX2021型空芯包体三轴地应变计构造如图2-4所示。环氧树脂圆筒有一个内腔，用来装粘结剂，另有一个环氧树脂柱塞。运用时，将圆筒内腔装满粘结剂，让柱塞插入内腔约1.5cm深处，用固定销将其固定。柱塞的另一端有一导向定位头，以便将应变计顺利地安装在小孔中所需求的位置上。将应变计送入钻孔中预定位置后，用力推进安装杆，可使固定销切断，继续推进可使粘结剂经柱塞小孔流出，进入应变计和小孔壁之间的间隙里，经过一定的时间，

29、粘结剂固化后，即可进展套芯解除。图2-4 KX2021型空芯包体三轴地应变计构造表示图应变计的外径为35.5mm，任务长度175mm，可安装在直径为3638mm的小钻孔中，应变计具有良好的绝缘防水性能。2.1.5 SDX定向仪采用SDX程度定向仪确定程度或倾斜钻孔中地应力计应变片的方向。它由显示器和转换器两部分组成。显示器由三位半袖珍式数字万用表改装而成，它的作用是供应转换器一个恒压电源和显示丈量读数。转换器由圆形的高精度线性快速电位器、重锤、外壳、安装卡头组成。电位器固定在外壳上，重锤固定在电位器旋转轴上，使重锤与滑动臂相对固定不变，由于重力作用，重锤永远指向重力方向，所以滑动臂的指向也固定

30、不变。当电位器电阻膜片随着外壳旋转时，滑动臂与电阻膜片上的参考点之间的夹角将发生变化。测出电压的变化即可算出探头的安装角度。2.1.6 矿山压力监测分站目前空芯包体地应力丈量中运用的KJF327-F矿山压力监测分站由原煤炭科学研讨总院北京开采所(现煤炭科学研讨总院开采设计研讨分院)研制。特点是稳定性好、灵敏系数调理范围宽、电阻平衡范围宽、量程宽、分辨率高、精度高。仪器按平安型电路设计，密封便携，可运用于野外及煤矿井下，是现场进展钻孔应力解除中可靠的丈量工具。图2-5为KX2021型空芯包体应变计和KJF327-F矿山压力监测分站。图2-5 KX2021应变计及KJF327-F矿山压力监测分站2

31、.1.7 传感器围压率定机传感器围压率定机的作用是求算岩石的弹性模量和泊松比。为了求算岩石的弹性模量和泊松比进展率定，做出率定曲线。率定机主要由围压器和油泵组成，设备如图2-6，原理构造如图2-7。图2-6 围压率定设备图 图2-7 围压率定设备构造图在应力解除之后，将带有元件的岩芯进展密封处置，之后放入率定机中进展率定。岩芯中的水份散失很小，可以以为岩芯的力学性量变化不大。丈量时，取出带有空芯包体探头的岩芯，运用围压率定机进展率定，将套芯之后所取出的带有元件的岩芯放入元件率定机中，用油泵将油打入围压器中，给岩芯施加均匀围压到预定值，然后退压，同时进展仪器读数，就可以画出率定曲线。在计算主应力

32、时，需求岩石弹性模量E和泊松比这两个参数，现场地应力丈量时是经过围压率定机来丈量的。同时围压率定机还要检测应力计可靠性。假设时间允许，也可将获得的岩芯拿到实验室用实验机进展实验，这样结果会更可靠。2.1.8 地应力丈量任务流程1钻进丈量孔：施工流程如图2-8所示。图2-8 施工流程图在选定测点先钻不断径130mm的钻孔达预定深度，(选定地点要避开巷道周围应力集中区，对于程度孔，钻孔要上倾58，便于水和岩粉顺利排出)；用一样口径的尖钻头打一个导向用的喇叭口，深度约68cm(假设孔较浅，岩石节理裂隙较发育时，普通尖孔打5cm左右，以使开钻解除时不致于因起始岩芯壁薄破碎掉块，而卡断岩芯，导致解除失败

33、。)。然后钻一个孔径为36mm的丈量小孔。打丈量孔应该要求孔壁圆滑，孔径一致；小孔深度为3540cm，小孔钻进过程中，加压必需均匀，并保证足够的水量，以使岩粉排出；要根据空芯包体外径和岩性情况，挑选适宜外径的小孔钻头；打丈量小孔过程中，最好不要中途停钻，坚持均匀速度钻进，直至所需深度，以保证元件安装部位孔径一致，孔壁光滑。丈量小孔打成后，用清水将孔内冲洗干净。2定向：将SDX程度定向仪安装在安装杆的前部，引出导线。定向仪的前部那么用于安装空芯包体应变计。3应变计的安装：清洗和擦净钻孔后，预备安装应变计。将空芯包体应变计按规定方向安装于定向仪的前部，引出丈量导线，调整好定向插头，先将A、B两种胶

34、结剂按比例倒入应变计空腔内，固定好柱塞，用带有定向仪的安装杆小心地将应变计送到小孔内，用力将柱塞推入应变计空腔内，将胶结剂挤入应变计与小孔之间的缝隙中，此时应变计安装终了。这时要留意，不要让导线缠绕在钻杆上，并按要求施加适当的预应力，安装完应变计后将定向仪读数记录下来。4解除前的预备任务：经24小时固化，在丈量应变计安装角度之后，取出定向仪，解除前将导线从钻头、岩芯管、钻杆穿过，最后从旋转水接头(钻杆的水接头)处引出，与仪器相衔接，以便用仪器监测各元件在解除过程中读数变化情况，这时可以开场冲水实验，水温应与环境温度一致，在冲水过程中，仪器读数稍有变化，经过一段时间后，仪器读数就稳定下来，此时可

35、以开钻解除。5解除过程：用直径130mm的套芯钻头在原钻孔内延深钻进，即是与小孔同心钻取岩芯，这一过程称为开挖应力解除槽，随着应力解除槽的加深，岩芯逐渐脱离周围应力场作用，于是岩芯发生弹性恢复，安装于小孔中应变计上的荷载随之变化，因此，仪器读数也发生变化。应力解除槽逐渐加深，在应力解除过程中要跟踪丈量，当套芯进尺超越应变计安装位置时，且各应变片读数趋于稳定时，停顿钻进取出岩芯。为了取芯顺利，通常多钻进几厘米，阅历阐明，空芯包体应变计的解除深度应大于40cm。现场获得的应力接触后的岩芯如图2-9所示。图2-9 应力解除后的岩芯2.2 硫磺沟煤矿地应力丈量方案2.2.1 丈量地点的选取原那么地应力

36、丈量地点及设备的选择要满足以下要求：1丈量矿井原始地应力就是确定未受开采扰动的三维应力形状，这种丈量是经过逐点丈量来完成的。由于地应力形状的复杂性和多变性，要比较准确的反映整个矿井区域内的地应力分布情况，就必需在开采区进展一定数量的“点丈量，通常不少于两个点。普通情况下，测点布置在不同采区、不同程度内。2丈量地点的地应力值应能确切反映该区域岩体应力的普通程度，而地质构造往往是地应力集中的区域，特别是构造较复杂的阶段。同时由于人工采掘活动产生的采动应力，也会对原岩应力产生扰动。因此选择的地点应避开褶曲、断层等地质构造带，且无采动影响。尽量将测点位置选在稳定岩层中，假设需求穿层打孔，要保证在这个范

37、围内岩石符合要求。3丈量中运用空芯包体应变计，丈量地点要尽量选在层厚适宜的稳定岩层中，岩石越致密、巩固、所含有的裂隙越少，丈量的准确率越高。假设没有条件完全适宜的岩层，首先思索的是岩石的硬度和水解性，以巩固、遇水不溶解不膨胀的岩石为好，裂隙的发育程度可以作为次要要素思索。4空芯包体应力解除法必需运用全液压坑道钻机(如图2-10所示)，为了可以摆放钻机且保证钻孔任务的正常进展，所选巷道的宽度至少要4.5m。图2-10 地应力测试用全液压坑道钻机5由于巷道周围岩体中的应力在掘进期间已遭到扰动，在引起钻孔应力解除法丈量时，安装空芯包体的小孔必需位于此影响范围以外。根据岩石力学分析，巷道侧向应力影响范

38、围普通为巷道宽度的2倍以上，钻孔深度通常在1012m之间。6选择丈量地点时还必需留意防止地应力丈量期间与巷道施工或其他消费工序的相互影响，同时选择接水、电方便的地点。打钻运用的是金刚石钻头，钻孔过程中需求大量的水用来光滑，因此要保证丈量地点具备较高的水压。2.2.2 地应力测点选取硫磺沟煤矿地应力测点布置如图2-11所示，测点情况如表2-1所示。图2-11 硫磺沟煤矿地应力测点位置表2-1 硫磺沟煤矿地应力测点根本情况测点编号测点位置巷道宽度(m)地面标高(m)井下标高(m)深 度(m)岩性1(4-5)04轨道顺槽甩车场导线点拐2前2.2m4.8+1123+777.1345.9细砂岩2(4-5

39、)04皮带顺槽导线点P25前54m4.95+1201+719.1481.93集中回风上山至+668m水仓开口向里6.5m4.5+1113.3+665.1448.22.3 硫磺沟煤矿地应力丈量结果及分析2.3.1 根底数据丈量根底数据丈量主要包括应力解除过程中空芯包体周围12枚应变片的应变量监测及钻取岩芯的围压率定。应力解除的目的是获得测点岩芯在解除应力作用后恢复的应变，并以此为根底计算该点的应力大小和方向。围压率定是为了获取岩芯在围压条件下各方向的弹性模量和泊松比。从2021年2月25日开场进展地应力丈量的预备任务，到3月14日完成地应力丈量任务。应力解除过程中，取芯钻杆每前进2cm采集一次，

40、每孔采集2025次。从应变变化曲线判别各个应变片(每个通道代表一个应变片)的任务情况。假设应变片任务正常，最终各条曲线都将趋于平稳，这个稳定值即作为计算地应力的数据。装有包体的岩芯取出后，运用围压率定仪将其率定，以计算出各测点岩芯的弹性模量及泊松比。以3#测点为例，率定曲线如图2-12所示。各测点的率定结果如表2-2。图2-12 3#测点岩芯围压率定曲线表2-2 岩芯围压率定结果编号弹模/MPa泊松比1#测点岩芯170000.22#测点岩芯190000.193#测点岩芯195000.192.3.2 地应力丈量计算结果经过对现场实测数据进展整理和室内实验室测定，采用KX2021型空芯包体应力计算

41、程序对硫磺沟煤矿地应力进展计算，地应力测点信息详见表2-3，各应力分量计算结果见表2-4，各测点主应力测试结果汇总，如表2-5所示。表2-3 硫磺沟煤矿地应力测点的钻孔信息测点编号孔深/m方位角/仰角/安装角/丈量日期计算日期112.8331502021-2-282021-3-12123251002021-3-62021-3-7310328502021-3-132021-3-14 (注：安装角是包体完成安装后，以垂直向上为起点，逆时针旋转到0应变花的角度，即图2-1中的角。)表2-4 硫磺沟煤矿各测点应力分量测点编号应力分量量值/MPa应力分量量值/MPa16.843.051.592.169.

42、115.429.534.252.223.0112.696.938.650.699.16-9.4611.260.24注：表中为x方向程度应力；为y方向程度应力；为垂直方向正应力；，分别为xy，yz，xz平面的剪应力。表2-5 硫磺沟煤矿主应力丈量计算结果测点编号主应力类别主应力值/MPa方位角/倾角/18.2068.1-9.89.6919373.34.70155.813.4212.60 90.63.013.50 25785.49.02 181.1-7.339.6434.5-2.111.28100.284.98.14124.7-4.72.3.3 地应力场特征分析对实测结果的初步分析得：硫磺沟煤矿+

43、777+665m程度内，最大程度主应力与最小程度主应力的比值介于1.181.74之间，在量值上相差较大，这使得程度应力的影响具有明显的方向性。并且垂直主应力量值上约为最大程度主应力的1.071.18倍，应力场特征为，硫磺沟煤矿地应力场目前以垂直应力为主。按公式(4)计算该矿原岩应力实际值： (2-17)其中：为上覆岩层的容重。通常，H为深度。由表2-6可知，垂直方向主应力略大于单位面积上覆岩层的分量，相差在26%，实际与实践吻合较好。差别的存在与该区地层的倾向及构造运动有关。表2-6 硫磺沟煤矿垂直应力实际值测点编号钻孔深度/m垂直应力实际值/MPa垂直应力实测值/MPa1345.98.649

44、.112481.912.0412.693448.211.2111.26图2-13为地应力测点程度主应力方向表示图。图2-13 各测点程度主应力方向经过对实测地应力结果进一步分析，可得到如下规律：1地应力场类型硫磺沟煤矿+777+665m程度内，最大程度主应力与最小程度主应力的比值介于1.181.74之间，在量值上相差较大，这使得程度应力对巷道顶、底板的影响表现出较明显的方向性。垂直主应力量值上约为最大程度主应力的1.071.18倍，应力场特征为，阐明硫磺沟煤矿地应力场目前仍以垂直应力为主。2程度主应力方向的分布特征每个测点有两个主应力方向接近程度方向，其倾角在13之间；每个测点的最大主应力均接

45、近垂直方向，与垂直方向偏角小于20。测点最大程度主应力方位角集中在34.590.6之间，与硫磺沟煤矿多数任务面顺槽轴向夹角均小于35，与集中回风上山、主暗斜井、副暗斜井的夹角大于51，因此程度主应力对回风上山、主暗斜井、副暗斜井等上山巷道的影响较大。由“最大主应力原理可知，当这些巷道向深部掘进时，受最大程度主应力的影响最大，对巷道顶底板的稳定最为不利。3地应力量级根据康红普等对煤矿地应力研讨成果：最大主应力属于010MPa为低应力区；1018MPa为中等应力区；1830MPa为高应力区；大于30MPa为超高应力区。硫磺沟煤矿+777+665程度最大主应力在9.6913.5MPa之间，属于中低应

46、力区。4主应力随深度的变化规律硫磺沟煤矿主应力值随埋深的变化曲线如图2-14所示。由最小二乘法进展回归分析，得到主应力的回归方程如下，经过方程(2-18)、(2-19)、(2-20)可以估算+600m程度以上区域的地应力值，其中x表示深度，y为对应的主应力值。a垂直主应力： (2-18)b最大程度主应力： (2-19)c最小程度主应力： (2-20)图2-14 主应力随深度的变化规律由回归方程可以得出，矿区的垂直主应力、最大程度主应力，最小程度主应力的大小均随测点深度的添加而线性添加，如图2-14。虽然2#测点位于+719m程度，3#测点位于+668m程度，从空间上看3#测点位于2#测点的下部

47、，但是遭到地表起伏变化的影响，2#测点的地应力值反而大于3#测点。因此，调查硫磺沟煤矿井下地应力值，只根据井下标高是不够的，要综合井上、下标高计算测点的埋深，从而获得地应力值。5侧压系数随深度的变化规律侧压系数是描画地应力场的物理量之一，指的是程度主应力的平均值和垂直主应力的比值，公式如下： 2-21其中，表示侧压系数。硫磺沟煤矿+777+665m程度的侧压系数为0.670.8，如图2-15。由回归分析得，侧压系数随着深度的增大逐渐添加，阐明程度主应力的影响在逐渐增大。图2-15 侧压系数随深度的变化规律需求阐明的是，由于丈量方法、实测过程和计算程序等方面的缘由，实测获得的地应力值及其方位或与

48、实践有所偏向，但这种偏向对主应力的分布规律和变化趋势来说是允许的。2.4 测试结论1硫磺沟煤矿+777+665m程度的地应力场目前仍以垂直应力为主，属于垂直应力场类型；但最大程度主应力已跟垂直应力接近，程度主应力的影响随深度添加而逐渐增大。2硫磺沟煤矿+777+665m程度属于中低地应力区，程度、垂直主应力值随着埋深的添加而增大。3由最小二乘法进展回归分析，得到主应力的回归方程。经过回归方程可以估算+600m程度以上区域的主应力值。4硫磺沟煤矿最大程度主应力方位角集中在34.590.6之间，与任务面顺槽轴向夹角均小于35，与集中回风上山、主暗斜井、副暗斜井的轴向夹角大于51，因此回风上山、主暗

49、斜井、副暗斜井易受最大程度主应力的影响，巷道变形较大。当这些巷道向深部掘进时，受最大程度主应力的影响会更大。3 4-504任务面掘进地质构造探测3.1 巷道侧向地质构造反射共偏移探测3.1.1 根本原理及探测设备3.1.1.1 单点探测原理单点探测是利用声波在波阻抗不同的介质界面反射原理来探测介质中声波的传播速度和介质厚度的。该探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式图3-1，故现场探测时要求检波器和震源尽量的接近，但不要接触震源，即反射波中偏移距为零的垂直反射方式。它是经过接纳岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算目的层间隔 或厚度的。反射波时距曲线方程： 3-1令，那么。式中时间

50、可由波形记录上判读，波速须是一知数，其取值准确与否，直接影响到目的层间隔 或厚度探测的精度。反之，假设知目的层间隔 或厚度，就可以解析煤岩层的速度。普通来说，在一定的探测区域内，岩、煤层的垂向波速都较稳定，探测时可作波速调查，弄清各层波速分布情况，为探测解析提供根据。图3-1 单道观测系统波路图3.1.1.2 反射共偏移探测原理反射共偏移探测技术是根据反射波勘探原理，在单边陈列分析根底上选定最正确偏移距，采用多次覆盖观测系统进展数据采集。如图3-2所示，根据巷道特点，设计了单边激发、多道接纳的观测系统。用锤击激发产生地震波，构成震源，当地震波在岩石中以球面波方式传播遇到岩石物性界面(即波阻抗明

51、显差别界面，如断层、采空区、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射回来的地震信号被一端的检波器Ri接纳构成地震记录。现场探测时在最正确窗口内选择一个公共偏移距，采用小步长，坚持激发点和和接纳点位置不变，同步挪动震源和检波器。每激发一次接纳一组波形，最后得到一张多道地震记录。对采集回来的数据运用滤波、道间平衡、叠加和偏移等技术进展深度处置，处置后得到一张偏移地震剖面，从中识别反射波同相轴。工程中经过分析反射波同相轴位置及特征，并结合探区周围地质构造等地质环境来对断层、陷落柱、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状进展探测。这种方法施工简便易行，适用于

52、矿井煤岩巷道或任务面构造及异常地质体的调查。图3- SEQ 图4- * ARABIC 1 共偏移多次覆盖表示图3.1.1.3 探测设备KDZ1114-6A30 矿井地质探测仪是新一代的便携式多功能的智能矿井地质探测仪器，主要用于处理井下采掘任务面前方及周围未探明的不良地质构造断层、陷落柱等和影响范围及巷道余煤岩厚度等的预测预告，为矿井工程、隧道工程施工提供技术保证。仪器主机采用当前非常先进并且成熟的嵌入式系统技术、片上系统SOC技术、图形用户界面技术GUI、低功耗设计技术以及各种高分辨率浅层地震勘探方法与技术等。本次反射共偏移探测采用KDZ1114-6A30型便携式矿井地质探测仪和TZBS系列

53、主频为100Hz传感器进展数据采集。探测任务主要运用的仪器设备有：KDZ1114-6A30型矿井地质探测仪一台及附属配置线；HDQS系列(主频为100Hz)高阻尼传感器3组； = 3 * GB3 启动芯片假设干；采集系统主要硬件技术参数：通道数：3道；A/D转换：24位；触发方式：外触发；采样间隔：160s；采样频带：2500Hz低通；固定增益：2448dB；采样长度：2048点。3.1.2 探测方案设计4-504任务面为硫磺沟煤矿4-502任务面的接续任务面，走向长度2750m，任务面长度180m。位于矿井西翼，布置在4-5煤层中，4-502任务面北部，与4-502任务面皮带顺槽程度间隔 3

54、6.8m，开切眼距矿区边境150m。目前正在进展4-504任务面皮带顺槽掘进。1单点探测方案设计此方案的目的是为了测试出该任务面煤层的速度，为后面的反射共偏移探测提供适宜的偏移速度。测试点位于4-504轨道顺槽上帮以掘进方向为基准结实且完好区域，现场测试时采用锤击震源，三个检波器均匀分布在以锤击点为中心0.51m为半径的圆上，实验时采用与仪器配套的100Hz的HDQS-100动圈振动速度检波器。放置检波器时，检波器的指向要和煤层的倾角尽量坚持一致，观测系统如图3-3所示。图3-3 4-504轨道顺槽上帮单点速度测试观测系统设计方案2反射共偏移探测方案设计4-504皮带顺槽掘至距联络巷600m位

55、置时，掘进范围内矿压显现比较明显，推测掘进范围内能够有不良构造的影响。探测期间，巷道迎头后方1525m范围内顶煤及两帮较为破碎，锚网变形严重。为探明掘进范围内能够遇到伴生断层或其它地质异常的赋存情况，决议在4-504皮带顺槽开展反射共偏移探测。本次探测在间隔 4-504皮带顺槽有限空间内展开，采用锤击震源。为探测距皮带巷左、右帮40m处断层等不良地质构造，设计如图3-4探测范围。图3-4 4-504皮带顺槽侧向反射共偏移探测位置表示图现场测线布置时，为了获得不同偏移距的波形数据，采用单边激发、三道接纳的观测系统设计，一锤三道沿着平行底板齐腰位置组成一个直线陈列，每激发1锤，陈列向右挪动1个步长

56、。总共设计激发25锤，探测范围52m，设计锤击步长2m，单分量检波器R1、R2和R3布置在锤击激发点右侧，偏移距4m，道间距2m。运用设备配套的公用铜锤(可用矿上提供的大铁锤)作为激发震源。观测系统设计方案如图3-5所示。按照施工设计，左、右帮各做一次。图3-5 4-504皮带顺槽侧向反射共偏移观测系统设计方案3.1.3 数据采集质量3.1.3.1 上帮数据质量本次数据采集每道采样点数1024，采样间隔0.096ms，系统延时0ms，每道采样时间98.21ms，系统增益均为24dB。每次激发有3道同时接纳，实践激发25锤，有效25锤，共采集75道有效数据。覆盖次数n=1.5，满足后期数据处置要

57、求。经过抽道处置，将全部数据按不同偏移距进展抽道集，图3-6为偏移距分别为4m时即每一个陈列中第1道的波形数据和对应的频谱分析结果，图中各种反射波组特征明显，反射相位明晰，为解释和判别提供根据。波形数据频谱分析图3-6 检波器R1接纳波形及其频谱分析3.1.3.2 下帮数据质量本次数据采集每道采样点数1024，采样间隔0.096ms，系统延时0ms，每道采样时间98.21ms，系统增益均为24dB。每次激发有3道同时接纳，实践激发25锤，有效25锤，共采集75道有效数据。覆盖次数n=1.5，满足后期数据处置要求。经过抽道处置，将全部数据按不同偏移距进展抽道集，图3-7为偏移距分别为4m时即每一

58、个陈列中第1道的波形数据和对应的频谱分析结果，图中各种反射波组特征明显，反射相位明晰，为解释和判别提供根据。 波形数据频谱分析图3-7 检波器R1接纳波形及其频谱分析3.1.4 数据处置3.1.4.1 单点探测数据处置4-504轨道顺槽与4-502任务面剩余回采部分的皮带顺槽中间是一宽度为40m的煤柱，即该单点探测介质厚度为40m。对采集的单点数据进展波形挪动、一维滤波等预处置后，选择一道接纳效果良好的波形进展速度测试。根据地震波信号变化选择异常界面4-504轨道顺槽下帮与空气组成的强波阻抗界面测得速度为v=2.82m/ms，计算方法如图3-8所示。由于探测煤层有约19的倾角，反射波途径主要经

59、过煤层与底板界面传播，因此以为测得的速度为该探测区的综合速度。而由于本次发射共偏移重点探测区域与煤柱宽度相当且又有一定的倾角，假设该范围内存在波阻抗界面，其反射波传播途径与煤柱内震波传播途径类似，因此，两者速度可近似替代。图3-8 皮带巷单点速度测试结果图3.1.4.2 反射共偏移探测数据处置1上帮数据处置将现场采集到的物探数据经过处置方能转化为可利用的物性图件，震波探测数据主要在KDZ3.0软件平台上进展，反射共偏移探测后处置主要有如下处置流程：记录解编文件上传、道参修正，预处置频谱分析、带通滤波、振幅调整，中心处置叠前深度偏移和偏移剖面成果显示。叠前时间偏移为反射共偏移技术后处置的中心部分

60、，该技术的作用是在给定速度模型的条件下，将倾斜反射界面的反射波，断层面上的断面波，弯曲界面上的回转波等归位，得到反射界面的真实位置和构造形状，以及明晰可辨的断点和尖灭点。单点探测测试出的速度v=2.82m/ms，根据现场的地质条件分析该任务面的煤层速度根本一致，因此可以运用该知点反演的速度计算其它异常位置的间隔 。对含有不同炮间距的数据按偏移距4m、6m和8m进展抽道，一样偏移距地震道抽到一同分别进展反射共偏移处置，最终选择偏移距为4m的数据偏移后作为成果图。2下帮数据处置下帮数据处置方法和流程同上帮数据处置。3.1.5 探测成果解释在地震时间剖面或深度剖面上反射层位表现为同相轴的方式，所以在