中国煤矿瓦斯治理新挑战与动力灾害预警方法 ·...

何学秋教授Prof. Xue-qiu He

[email protected]

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

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


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


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


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


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


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


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


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；


水力冲孔孔群增透


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


穿层孔与顺层孔抽采



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


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








3

5





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)


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


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。


煤层气资源深度分布统计图


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%


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。


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


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”。


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


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


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


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


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。


“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








3

5





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


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


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）


我国煤矿深井冲击地压发生情况


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）


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

5





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。


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


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


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


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。


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








3

5





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：


“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。


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







Understanding of coal and rock dynamic disasters

展望

Research prospect

4

3

5

6





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！

中国煤矿瓦斯治理新挑战与动力灾害预警方法 ·...

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