萨哈共和国(雅库特) - cn.investinrussia.com¨哈共和国... · •开始开发埃利金斯克煤田。 •研究两个煤 矿开采地点 - “杰尼索夫斯基-沃斯托奇内”和“谢韦
中国煤矿瓦斯治理新挑战与动力灾害预警方法 ·...
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何学秋 教授Prof. Xue-qiu He
中国煤矿瓦斯治理新挑战与动力灾害预警方法The Challenge of Gas Control and Physical Methods for Dynamic Disasters
Warning in China Coal Mine
中国天津2017年9月
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热烈祝贺《中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心》成立
热烈祝贺“2017(第十九届)中国国际矿业大会”成功召开
中国国际卓越煤矿瓦斯治理中心
全球唯一的在联合国欧洲经济委员会授
权,由企业主导的甲烷管理枢纽机构
以山西焦煤集团有限责任公司为依托,在
中国建立的一个非营利性的国际组织。
中心使命目标
以国际化甲烷管理枢纽为平台,增强“减碳化、资
源化、再利用“近零排放”,努力实现可持续发展
增强“减碳化、资源化、再利用”全球共识,凝聚
社会力量,加速实现煤矿瓦斯“近零排放”,努力
实现可持续发展、绿色发展。
-
报 告 提 纲(Outlines)
我国煤岩动力灾害现状
China's current coal and rock dynamic disasters
煤岩动力灾害声电监测预警方法
Monitoring and early warning method
对煤岩动力灾害的认识
Understanding of coal and rock dynamic disasters4
3
5
我国煤矿瓦斯治理现状
China's current coal bed methane control
我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
The challenge of coal bed methane control in China2
1
展望
Research prospect6
-
我国经济持续高速增长,能源消费也随之增长,使能源供应
能力大幅提高。
中国能源储量以煤炭为主
我国能源格局
天然气
3%
煤炭
94%
石油
3%
种类 相当于标准煤
煤炭 1304亿吨
石油 42亿吨
天然气 40.6亿吨
国土资源部2006年全国矿产资源储量通报
世界能源消费格局
国家/地区 2007 2030 年均增长率/%
世界合计 172 240 1.5
OECD(经合组织) 78.5 83 0.2
非OECD 88.4 150.4 2.3
美 国 33.4 34.2 0.1
日 本 7.3 7.0 -0.2
欧 盟 25.1 25.4 0.1
俄罗斯 9.5 11.6 0.9
中 国 28.1 54.7 2.9
印 度 8.5 18.4 3.4
亿吨标煤
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
国家《能源中长期发展规划纲要(2004~2020年)》中确定,中国
将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能
源战略”
中国工程院《国家能源发展战略2030~2050》报告提出2050年煤炭
年产量控制在30亿吨,因此煤炭将长期作为我国的主导能源。
煤炭是我国主体能源
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
煤和瓦斯是共生资源
煤层采动的同时必然造成瓦斯气体的放散。
被动的瓦斯放散:
瓦斯气体是煤矿重大危险物质和高危至
灾因素
瓦斯气体对大气臭氧层破坏力巨大,是
CO2的21倍
主动的抽放煤层瓦斯:
瓦斯气体是清洁能源,1 m3的甲烷可产生
39700 KJ 的热量,可替代 1.35 kg 标准煤。 面割理
端割理
CH4
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
中国煤层气资源量
煤层气:36.8万亿立方米(国家三轮资源评估)
中国煤层气可采资源量(落实资源量)
煤层气 11万亿立方米
中国煤层气开发现状(世界第二)
2011年产量,115(23+92)亿立方米;
2016年产量,135亿立方米。
中国煤层气发展规划
煤层气:2020煤层气年产量300亿立方米;2030年产量900亿立方
米。
中国煤层气资源
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
41个聚煤盆地,2000m以浅的煤层气资源量为约36.8万亿立方米。 9个主要盆地资源量大于1万亿方,合计28万亿方,占全国76%
中国煤层气资源量大、分布相对集中
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
172490 ×108m3
1561 ×108m3
28895 ×108m3
3479 ×108m3
68763 ×108m3
11139 ×108m3
28286 ×108m3
中国各含气区煤层气资源量分布图
煤层气资源分布特征
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
中国煤矿瓦斯赋存区域地质构造控制规律和瓦斯赋存分区
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
采前抽采 预抽
采中抽采 卸压抽采
采后抽采 采空区抽采
解放层
煤层压裂
松动爆破
水力冲孔、水力扩孔、水力割缝
驱替(CO2)
预抽煤层瓦斯增透技术
中国瓦斯抽采
地面压裂井筛管完井方式示意图
压裂作业现场
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
B9c
B9a
B10
B11
B8 B7 B6B9b
B9b运输
巷
-780m
-715m
B9b风巷
-660m
上部卸压边界
上部卸压边界
下部卸压边界
下部卸压边界
B11工作
面回风巷
B11工作
面运输巷-720m
B10底
板岩巷
B10底
板岩巷
B6底板巷
23o
1#2#
3#4#
1#2#
3#4#
5#
1#2#3#4# 顶板走向
钻孔
上、下邻近层瓦斯综合抽采方法
参数:B11突出危险煤层瓦斯压力4.5MPa,瓦斯含量14m3/t,
B7、B8煤层瓦斯压力1.1MPa,瓦斯含量8m3/t。
层间距:B11~B9b 70m;B9a~B9b 5.6m;B9a~B9b 5.6mB8~B9b 9.0m;B7~B9b 20.5m;B6~B9b 35.0m
方法:开采层顶板走向钻孔抽卸压瓦斯法;
开采层B9b采空区埋管法;
B10底板网格式穿层孔抽卸压瓦斯法;
B6底板网格式穿层钻孔抽卸压瓦斯法;
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
水力冲孔孔群增透
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
底板网格式穿层钻孔预抽煤层瓦斯方法
底板岩巷
穿层钻孔
放水器
流量计
瓦斯抽采干管
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
穿层孔与顺层孔抽采
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
1 我国煤矿瓦斯治理现状
倾向顺层长钻孔递进掩护瓦斯抽采
-
底板巷上向穿层钻孔卸压瓦斯抽采方法
开采层B8
回风巷进风巷
下卸压层B7
下卸压层B6
底板岩石巷抽放钻孔
底板卸压区域
1 我国煤矿瓦斯治理现状
-
顶板倾斜钻孔
安全出口
瓦斯泵房
储瓦斯罐
进风平硐
顶板倾斜钻孔
顶板倾斜钻孔
瓦斯管
瓦斯管
1 我国煤矿瓦斯治理现状上邻近层卸压瓦斯抽采系统
-
顶板倾斜高抽巷抽采卸压瓦斯法
顶板走向高抽巷抽采卸压瓦斯法
顶板倾斜钻孔抽采卸压瓦斯法
1 我国煤矿瓦斯治理现状上邻近层卸压瓦斯抽采系统
-
报 告 提 纲(Outlines)
我国煤岩动力灾害现状
China's current coal and rock dynamic disasters
煤岩动力灾害声电监测预警方法
Monitoring and early warning method
对煤岩动力灾害的认识
Understanding of coal and rock dynamic disasters4
3
5
我国煤矿瓦斯治理现状
China's current coal bed methane control
我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
The challenge of coal bed methane control in China2
1
展望
Research prospect6
-
2001年11月175次香山科学论坛,就深部开采的深度界定为:
浅矿井 中深矿井 深矿井 特深矿井采深 < 400m 400-800m 800-1500m >1500m
金矿及有色金属矿山 1000-2000m
深部矿井
德国:800~1200m
英国与波兰:>750m
日本:> 600m
俄罗斯:>600m
国外深部开采的划分指标
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
深部资源开采是人类的必然选择
★数据源自文献检索(2006)
日本 波兰 中国深
度,
m
-600
-1000
-1500
-2000
-4000
地表
俄罗斯德国 印度英国 南非
1125 1200
15501400
2400
1300
3800
1100
金矿
金矿
铁矿
煤矿
煤矿
煤矿
煤矿
煤矿
前苏联(1983)前西德(1984) 美国(1985)波兰(1987) 加拿大(1997)南非(1998,1.38亿美元)
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
中国大陆开采深度超千米矿山(井)(2011胡社荣)
煤矿名称开采深度/m 煤矿名称开采深度/m
赵各庄矿1156 邢东矿 1000
孙村矿 1350 平煤12矿 1150
华丰矿 1050 平煤5矿 1045
协庄矿﹥1000 跃进煤矿 ﹥1000
潘西矿 1000 长广矿 1000
唐口矿﹥1000 门头沟 1008
张小楼矿1069 冠山矿 1059
夹河矿 1200 红透山铜矿 1137
彩屯矿 1199 二道沟矿金矿1052
台吉矿﹥1000 冬瓜山铜矿 1100
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
-
资源量,万亿t
深度
,m
已采资源量
-600
-1000
-1500
-2000
未采资源量
1.34
1.37
地表0.5 1.0 1.5
1.46
1.40
★数据源自第三次全国煤炭资源预测和评价(1997)
浅部煤炭资源已近枯竭,深部煤炭资源是我国21世
纪主体能源的后备保障。
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
煤层气资源深度分布统计图
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
中国煤层气资源深度分布
-
0
2000
4000
6000
8000
-
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
1949 1955 1961 1967 1973 1979 1985 1991 1997 2003 2009 2015
死亡
人数
/人
煤炭
产量
/百
万吨
煤炭产量 死亡人数
中国煤炭产量与死亡人数总量演变
序号 指标 2010年 2015年 实际值1 事故死亡人数 2433 598 -75.4%2 较大事故起数 110 35 -68.2%3 重大事故起数 18 5 -72.2%4 瓦斯事故起数 145 45 -69.0%5 瓦斯事故死亡人数 632 171 -72.9%6 特别重大事故起数 6 0 -100%7 百万吨死亡率 0.749 0.162 -78.4%
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
中国煤矿安全生产状况总体趋于好转
-
重大挑战
煤矿重大灾害愈加严重
煤矿整体生产力水平仍比较低
煤炭企业经营困难,
安全风险加大
煤矿职业病危害形势严峻
①井工矿多、高瓦斯及突出矿井多,井下作业人员多;②随采深增加,各种灾害更加严重;③整合小煤矿灾害防治难度大。①9598处煤矿,其中9万吨/年及以下占45.6%。 ②小矿条件差,人员技能低; ③高瓦斯、突出小矿防治能力差。
①安全投入保障差;②违法违规生产情况增加;③整合矿井、老国有煤矿退出困难。
①煤矿尘肺和矽肺病人数占半数; ②职业健康逐渐成为社会关注焦点,是今后煤矿安全生产的突出矛盾和重点问题。
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
深部开采环境
“三高一低一扰动”的复杂力学环境
高地应力、高地温、高井深
低渗透性
强烈的开采扰动
深部煤岩体动力响应的突变性
深部煤岩体的大变形和强流变性
深部煤岩体的脆性—延性转化
深部煤岩体开挖岩溶突水的瞬时性
深部煤岩体高地温
深部煤层高瓦斯压力
煤与瓦斯突出危险加大
冲击地压危险加大
瓦斯喷出危险加大
顶钻卡钻喷孔严重
突水、热害危险加大
采掘空间大变形与流
渗透率大幅度降低
钻孔成孔困难
煤自燃发火危险加大
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
硬 岩 矿 井 软 岩 矿 井
低瓦斯矿井 高瓦斯矿井
非 突 矿 井 突 出 矿 井
非 冲 矿 井 冲 击 矿 井
低 温 矿 井 高 温 矿 井
低渗透压矿井 高渗透压矿井
引起矿井的六个转型深部开采可能引发的主要问题
我国相当一部分矿井的煤层已进入转型期,使得“安全煤层”转变为“非安全煤层”。
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
高地应力是主要因素
垂直应力
(Brown & Hoek, 1978)
开采深度
垂直应力:
岩层因自重引起的垂直应力随深
度增加呈线性增大。
水平应力与垂直应力之比
开采深度
(Brown & Hoek, 1978)根据世界范围内116个现场资料:
埋深≤1000m,水平应力与垂直应力的比值大约为1.5-5.0
埋深≥1000m,水平应力与垂直应力的比值逐渐趋于集中,约为0.5-2.0
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
新挑战之一: 高地应力导致突出、冲击危险非线性加大
我国煤矿煤与瓦斯突出、冲击地压灾害严重。近20年平均每年新增突出矿井37对,
平均每年发生突出280余次。
煤与瓦斯突出、冲击地压将是深部煤矿首要灾害。
0
200
400
600
800
1000
1200
1990年 2011年
274对
1044对突出矿井对数
2010-2015年煤矿事故死亡人数及比例
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
煤层瓦斯压力与采深的关系(南桐、天府、六枝等地)
煤层瓦斯压力与采深的关系(松藻、芙蓉、阳泉、焦作等
地)
深度增加瓦斯压力增大,突出危险性增大
随开采深度增加,非突出煤层可能转化为突出煤层
突出煤层的突出频度和强度增大
德国矿井瓦斯平均突出强度与开采深度的关系
晋城矿区井下测定与地勘钻孔瓦斯含量对比图
实测煤层瓦斯含量随深度变化
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
我国煤层渗透率普遍偏低,平均小于1md。
中国煤储层试井渗透率测值变化于0.002~16.17md,平均为1.27md,
以0.1~1md为主。
渗透率小于0.1md的占35%; 0.1~1md之间的占37%;大于1md的
层次占28%。小于0.01md和大于10md的均较少。
渗透率在5md以上的煤储层仅分布在华北的韩城、柳林、寿阳;
渗透率介于1~5md的煤储层分布范围相对较广,包括韩城、柳林、
寿阳、晋城、淮北、淮南、焦作、哆峰、铁法、平顶山等,其它地
区煤储层渗透率均低于1md。
新挑战之二
高地应力导致煤岩体渗透率快速降低,瓦斯预抽难度加大
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
高地应力条件下煤岩体渗透率大幅下降煤岩孔隙三元结构
煤基质
煤基质
孔隙
面
裂
隙
端裂隙显微裂隙
H2O
CH4CH4
H2O
1)宏观裂隙
一级、二级、三级割理
2)显微裂隙
阶梯状、雁列式、帚状、X式
3)孔隙
大孔、中孔、过渡孔、微孔
渗流孔、吸附孔
0.000.200.400.600.801.001.20
600 750 900 1050 1200 1350 1500H/m
Ks /
10-3μ
m2
Ro,max=2.87%
渗透率应力敏感强
ecs eKK
0
Ks—应力渗透率,10-3μm2;
K0—无应力时渗透率;
e—自然对数;
C—拟合系数(衰减系数);
-有效应力,MPae
对策:
开采解放层
强化采动卸压抽放;
优化水力压裂、冲孔措施。
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
-
“三高”是深井的主要致灾因素
高应力(40-80 Mpa);
高井温(30-60℃);
高井深(1000-5000 m)。
深部高应力高瓦斯压力条件下, 煤层穿层、顺
层瓦斯抽放钻孔将难以施工,发生顶钻、卡
钻、喷孔危险增大,甚至会发生钻孔突出;钻
孔维护困难,跨孔、塌孔、甚至钻孔消失现象
会频发。瓦斯抽放巷道施工维护困难。
对策
1. 根据应力场优化抽放钻孔、巷道布置;
2. 优选顶底板岩层布置;
3. 采用水力造缝等技术进入煤层。
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战新挑战之三
高应力强流变导致抽放巷道、钻孔难施工维护
-
深部高应力高瓦斯压力条件下, 煤岩强流变将产生微
观、宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断
面收缩、支架破坏、采场跨落等等。
深部高应力高瓦斯压力条件下, 采掘空间周围将产生更
大范围的采动流变破坏,导致煤层瓦斯涌出范围、涌出
量、涌出速度、涌出不均衡性增加,增加矿井风流瓦斯
防控难度。
深部高应力高瓦斯压力条件下, 采掘空间周围将产生更
大范围的采动流变破坏,钻孔裂隙圈加大,瓦斯抽放钻
孔封孔困难,维持困难。
对策:
1. 强化采动卸压抽放;
2. 强化通风瓦斯实时监测;
3. 采用三相封孔技术,加深封孔位置
2 我国煤矿瓦斯治理面临新挑战新挑战之四
高应力强流变导致采动影响范围增大,瓦斯涌出加大,封孔困难
-
报 告 提 纲(Outlines)
我国煤岩动力灾害现状
China's current coal and rock dynamic disasters
煤岩动力灾害声电监测预警方法
Monitoring and early warning method
对煤岩动力灾害的认识
Understanding of coal and rock dynamic disasters4
3
5
我国煤矿瓦斯治理现状
China's current coal bed methane control
我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
The challenge of coal bed methane control in China2
1
展望
Research prospect6
-
我国煤矿开采条件复杂,煤岩动力灾害是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。
我国煤炭开采多进入深部,受煤岩动力灾害威胁的煤矿多位于经济较发达地区,这些煤矿仍需长期开采。
中国煤炭储量深度分布与开采情况中国能源消费结构
煤炭
石油
66%
其它
18%
6%
10%
天然气
3 我国煤岩动力灾害现状
-
冲击地压过程示意图煤与瓦斯突出过程示意图
3 我国煤岩动力灾害现状
煤岩动力灾害主要包括冲击地压和煤与瓦斯突出等。
我国最大煤与瓦斯突出一次喷出煤量1.27万吨,瓦斯140万立方米。
我国冲击地压最大震级达里氏4.3 级,一次摧毁巷道600米。 孙家湾煤矿“2.14”冲击诱发特大瓦斯爆炸事故,死亡214人。 大平煤矿突出-瓦斯爆炸事故,死亡148人。
-
我国有动力灾害煤矿数达1420余对,建
国以来已累计发生31000多次动力灾害,
每年造成300多名矿工死亡。
采深增加使动力灾害更严重。国有重点
矿平均采深已达700米,最深已超过1500
米,地压、瓦斯压力快速增大。
0
2
4
6
8
10
12
0 200 400 600 800
煤矿动力灾害与采深之间统计关系
灾害次数/百万吨
开采深度/米
有动力灾害省区
无动力灾害省区
3 我国煤岩动力灾害现状
2010-2015年煤矿事故死亡人数及比例
-
分析世界各国(1995年至2001年)的微震数据发现:冲击地压或岩爆所引起的微震现象主要集中在北美东海岸附近,也有部分分布在中西部及欧洲的西海岸;这些区域均是大陆板块分界线附近(Theron J.Bennett等)。
冲击地压灾害的地域分布规律(世界范围)
3 我国煤岩动力灾害现状
-
我国煤矿深井冲击地压发生情况
3 我国煤岩动力灾害现状
-
底煤涌出掀翻设备 煤层整体突出
U型钢支护结构破坏情况直接底变形破坏
冲击地压灾害显现(现场图片)
3 我国煤岩动力灾害现状
-
发生在南非某金矿岩巷中的岩爆(巷道埋深3500m)
50年代中期印度某金矿巷道中岩爆造成的戏剧性效果
3 我国煤岩动力灾害现状
-
报 告 提 纲(Outlines)
我国煤岩动力灾害现状
China's current coal and rock dynamic disasters
煤岩动力灾害声电监测预警方法
Monitoring and early warning method
对煤岩动力灾害的认识
Understanding of coal and rock dynamic disasters4
3
5
我国煤矿瓦斯治理现状
China's current coal bed methane control
我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
The challenge of coal bed methane control in China2
1
展望
Research prospect6
-
0.10-0.45m
0.45-0.85m
0.85-5.0m
200
150
100
50
0Feb/04 Feb/09 Feb/14 Feb/19 Feb/24 Feb/29
微应变
测深区间
X: σ 1- σ 3=14.3MPa,P=0MPa
D6:PCO2=1MPa
D23:PN2=2MPa
20
15
10
5
0
ε×10
-2
t/103min
X:σ1-σ3=15.5MPa,P=3.0MPa
X:σ 1- σ 3=14.3MPa,P=2.1MPa
D5:PCO2=2MPa
钻孔实测煤层流变数据
煤样在不同条件下蠕变曲线
含瓦斯煤流变破坏规律
突出现场发现,突出区域周围的含瓦
斯煤体存在流动现象。
通过对70多组不同矿区煤样,在不同
的孔隙气体种类、气体压力和三轴压
力作用下的流变破坏实验,发现含瓦
斯煤岩具有很强的流变破坏特征,是
强流变介质。
地应力、孔隙气体压力、吸附性能与
煤流变性正相关。吸附瓦斯使煤层具
有更强流变特性。
4 对煤岩动力灾害的认识—灾变机理
-
——计算曲线 ……实验曲线(Pco2=2MPa)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0 300 600 900 1200 1500t(min)
ε
σ1-σ3=14.3MPa
σ1-σ3=11.4MPa8.75.93.1
1.9
含瓦斯煤三轴流变实验后形态和内部流变痕迹
煤样蠕变计算与实验曲线
含瓦斯煤流变本构方程
根据流变力学理论和实验研究,推导建立了
含瓦斯煤岩三维流变本构方程:
等效有效应力偏张量。—等效有效屈服应力;—粘性系数;—,
剪切模量;—,和二阶导数;应力张量对时间的一阶—;
的一阶和二阶导数;有效应力偏张量对时间—,有效应力偏张量;—式中:
ijy
ijij
ijij
yijijijijijyij
THH
GGSS
TT
TSHSGTGHT
GG
HHT
HG
32
21
ij
221
2
1
2
3
2
3
2
T
,22)1()(
揭示了应力、瓦斯压力、煤岩力学特性、时
间四大要素之间的非线性演化关系。用实验
结果对含瓦斯煤体的三维流变本构方程进行
检验一致性很好,表明所建本构方程能够描
述含瓦斯煤体的流变破坏过程。
4 对煤岩动力灾害的认识—灾变机理
-
突出的流变-突变机理 基于本构方程,提出了突出的流变-突变机理,能够进一步揭示突出
现象的本质:含瓦斯煤体在四大要素作用下的非线性流变-突变破坏
演化过程,符合流变本构方程。 3个区域是采掘动态区域的常态。准备阶段中三个区域的含瓦斯煤体流变破坏是否加速,是突出能否进入发生阶段的关键。
空间上
3个区域
时间上
4个阶段
破坏松弛区
强流变区
弱流变区
准备 发生
发展 结束
4 对煤岩动力灾害的认识—灾变机理
-
冲击地压机理
研究表明,冲击地压发生过程具有 应力
转移集中、能量集聚、局部破坏、冲击
破坏四个特征,符合流变-突变规律。
弹粘脆性模型的蠕变曲线及破坏时间
t
σ
Maxwell σ-t
Hook σ-tσ0σl
△t2
t
ε
0
002 ln
l
HEt
t
HH eEEt
)()( 000
Hll G
σ
EH
η
σ
EM
HOOKE MAXWELL
脆性单元
可建立煤岩冲击破坏的弹粘脆性流变-突
变模型。
在常载荷情况下,弹粘脆性模型表现两
种强度特性,即瞬时强度(载荷发生跳
跃)和长时强度(常载荷作用)
σ
EH
η
σ
EM
σ
EH
η
σ
EM
HOOKE MAXWELL
脆性单元
弹粘脆性模型 弹粘性 P-t 模型
4 对煤岩动力灾害的认识—灾变机理
-
在静态条件下,煤岩体在宏观统计上表现出电
中性,但在微观层面上表现出正负电势。
电磁辐射的前提和基础是电场的变化与运动。
静态条件下煤岩微表面电势处于一种电平衡态
,对外不显示电磁辐射现象;当受到外界扰动
时,这种平衡态就会受到破坏,产生电场的变
化与运动,发生电磁辐射现象。
煤岩微表面电性特征
焦煤三维表面形貌特征
焦煤表面电势分布特征
分布均值:-0.39mV微表面分布极值±73mv
4 对煤岩动力灾害的认识—声电现象
-
(a) 单轴压缩 (b) 三轴压缩
(c) 分级加载蠕变 (d) 剪切
在单轴压缩、拉伸、剪切、摩擦和三轴等应力状态下,煤岩变形破裂过程中有电磁辐射信号产生;
应力越大,电磁辐射越强;
在主破坏前电磁辐射及其变化率有显著的增强 。
煤岩扰动破坏产生电磁辐射
4 对煤岩动力灾害的认识—声电现象
-
煤岩变形破裂过程中有
声发射/微震信号产生,
与内部微裂隙萌生、扩
展、贯通密切相关;
煤岩受载破坏过程中产生声发射/微震
y
z
o3.9
4.2
4.5
4.8
5.1
5.4
4.2
4.5
4.8
5.1
5.4
5.7
6.0
3.9
4.2
4.5
4.8
5.1
5.4
5.7
6.0
6.3
4.1
4.4
4.7
5.0
5.3
5.6
5.9
c dba×log10 J
压密 线弹性 弹塑性 塑性
煤岩受载不同阶段的声
发射/微震信号强度频率
不同;
破坏前的弹塑性和塑性
阶段信号频次、能量趋
于增强。
4 对煤岩动力灾害的认识—声电现象
-
00
0
( )0 ( ) 1 ( )ntW t t
当
σr
σt
γH
KγH
B C EA原始应力区BC-塑性增压区 CE-破碎减压区AB-弹性增压区
矿井开采尺度
实验室尺度σ
A
B
ε0 ε0 εl
冲击破坏 裂隙快速贯通
裂隙缓慢发展
弹性变形
裂隙闭合
C
D
C 冲击破坏B3 高能矿震
B 矿震出现
A 裂隙闭合
Rc
(ε-ε0)/(εl-ε0)0 0.25 0.5 0.75 1
σb2
无 弱中 强冲击危险
B1 低能矿震B2 矿震频繁
裂隙稳定扩展
裂隙加速扩展
σb1
σb3
σ0
煤岩动力破坏是应力驱动下的流
变-突变过程;
各受力阶段的变形破坏不同导致
声电信号差异,破坏越强烈则声
电信号变化越强烈;
根据 BC 阶段受载及对应的应变
大小、声电信号强弱等,建立煤
岩体破坏危险性的监测预警准则
煤岩动力灾害监测预警力学基础
4 对煤岩动力灾害的认识—监测预警
-
报 告 提 纲(Outlines)
我国煤岩动力灾害现状
China's current coal and rock dynamic disasters
煤岩动力灾害声电监测预警方法
Monitoring and early warning method
对煤岩动力灾害的认识
Understanding of coal and rock dynamic disasters4
3
5
我国煤矿瓦斯治理现状
China's current coal bed methane control
我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
The challenge of coal bed methane control in China2
1
展望
Research prospect6
-
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法
微震监测
电磁辐射监测
根据煤岩破坏过程产生震动和电磁辐射的原理,国内外学者主要采用微震、声发射、电磁辐射等方法进行监测预警;部分矿井采用传
统的钻屑量法预测。
加拿大、波兰、俄罗斯和南非等国家采用微震法大范围监测矿震。国内引进了微震监测系统,有关学者开发了微震及应力监测系统。
本团队发明了电磁辐射监测预警原理与方法,研发了微震和应力监测系统,并在100多个矿井进行应用。
-
研究提出:煤岩冲击动力危险综合监测技术
综合监测技术体系
受采掘影响,矿井应力状态时刻发生变化,大范
围煤岩处于流变过程之中,流变达到临界状态诱
发冲击动力灾害;
传统方法均为单
一法监测,易漏
报,准确性低;
冲击动力灾害监测须从矿井大范围
着手;
通过集成创新监测技术,逐
渐聚集锁定危险区域;
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法
-
便携式
在线式
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法——电磁辐射监测
电磁辐射监测
主要技术指标:(1)供电方式:外接DC 12-21 V隔爆兼本安
电源,工作电流不大于150 mA。(2)接收信号频带宽1~500 kHz,信噪比≥6
dB。(3)接收天线灵敏度71±1 dB。(4)测试方式:非接触式。(5)通讯方式: RS485或输出标准信号(
4~20mA或200~1000Hz)。(6)报警方式:超限自动报警。(7)防爆型式:ExibI,本安型。(8)接收机外形尺寸:l*b*h,115 mm*115
mm *280mm;(9)天线外形尺寸:Φ70mm*300mm。
-
• 2012年3月27日,千秋煤矿在距离工作面30 m处发生冲击事故,此次冲击地压导致顶梁下沉0.3~0.5 m,地面有震感,煤尘大。
• 2012年5月6日7时32分,21141工作面下巷面前315 m、距巷口183 m处,上巷以下74 m位置发生冲击。
便携式EMR监测仪监测结果:
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法——电磁辐射监测
“2012年5月6日冲击”电磁辐射监测结果“2012年3月27日冲击”电磁辐射监测结果
当电磁辐射强度持续增加到极大值,或达到极大值后下降过程中发生冲击地压灾害。
-
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法——电磁辐射监测
在线式EMR监测仪监测结果:
2011年5月~8月是21141工作面冲击地压发生较频繁的一段时期,共发生影响生产的冲击地压4次。本节对这4次冲击地压的电磁信号进行分析。
(a)“5.25”冲击 (b)“6.18”冲击
(c)“7.27”冲击 (d)“8.21”冲击
(1)冲击地压发生前,电磁强度及脉冲数2个参数上升趋势呈现良好的正相关关系,一般
会出现5天以上的连续上升趋势。
(2)冲击地压一般并不是在电磁信号最大值处发生的(或者说上升过程中),而是在信
号上升到一定值后快速下降,在电磁信号达到极大值后48 h内处于较低水平时发生的。
-
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法——微震监测
能量持续增加,频次增加至最大值稳定
或者下降时易发生动力灾害;
能量出现较大波动,频次较往常下降至
低值时易发生动力灾害;
矿震尤其是高能量矿震趋于集中,矿震
集中区多为冲击易发区。
冲击位置
微震能量、频次、震动集中
2013.10.15 冲击,巷道 104 m范围两帮移近0.5-1.0 m,顶板下沉0.5-1.0 m
兴安矿 2013.6.26 冲击,巷道 45 m范围两帮移近0.5-0.8 m,顶板下沉1.2-1.4 m
兴安煤矿矿震及冲击分布
-
3
4
5
6
7
8
3
4
5
6
7
8
A
B
C
A
B
C
D
E
a
b
12 June to 18 June
19 June to 25 June
High-velocity region“6.26” rock burstFace line
Legend:
基础:波速与应力具有正相关关系;
震动波CT通过反演煤岩波速分布来探测区域性应力集中区,进而评价潜在冲击危险区;
兴安矿反演的高波速区为应力集中区,曾发
生冲击地压;
兴安煤矿CT
反演
跃进煤矿CT
反演
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法——微震监测
微震震动波CT
跃进矿反演的高波速区
为煤层合并区,受高应
力集中影响,矿震多发
-
5 煤岩动力灾害声电监测预警方法——联合监测
微震—声发射—电磁辐射 联合
随开采扰动增强,煤岩体损伤加剧,微
震、声发射、电磁辐射的能量、频次、强
度等均趋于剧烈,发生矿压显现,微震、
声发射、电磁辐射增长趋势作为冲击危险
前兆;
震源能量增强,频次由少增多,空间分布
趋于集中,与开采区域距离减小等是冲击
的典型前兆规律。
声发射
电磁辐射
微震峻德矿3
次矿压显现
-
报 告 提 纲(Outlines)
我国煤岩动力灾害现状
China's current coal and rock dynamic disasters
煤岩动力灾害声电监测预警方法
Monitoring and early warning method
对煤岩动力灾害的认识
Understanding of coal and rock dynamic disasters
展望
Research prospect
4
3
5
6
我国煤矿瓦斯治理现状
China's current coal bed methane control
我国煤矿瓦斯治理面临新挑战
The challenge of coal bed methane control in China2
1
-
瓦斯治理
提高深部矿井瓦斯抽采效果,应加强研究采抽一体化理论与技
术,充分利用深部高应力强流变扰动煤岩体特征,来提高煤层
渗透性和瓦斯抽放率。
6 展望
灾害机理
动力灾害过程复杂,对其演化机理认识处于探索阶段,需进一
步深化研究揭示煤岩动力灾害过程的流变-突变机理、动力灾害过程的电-震耦合机理。
监测预警
煤岩电磁辐射监测定位原理与方法尚未解决,微震预警可靠性
亦有待提高,需进一步研究煤岩动力灾害电-震耦合定位监测预
警原理与方法,实现灾害区域-局部多尺度兼容、非接触精准监
测预警。
-
谢谢!