东滩煤矿1309工作面冲击危险性评价与防冲技术研究(1).pdf

万方数据 论文题目论文题目 东滩煤矿东滩煤矿 1309 工作面冲击危险性工作面冲击危险性 评价与防冲技术研究评价与防冲技术研究 作者姓名王兴军作者姓名王兴军 入学时间入学时间2015 年年 3 月月 领域名称矿业工程领域名称矿业工程 研究方向矿山灾害预测及防治研究方向矿山灾害预测及防治 指导教师马志涛指导教师马志涛 职职 称副教授称副教授 副指导教师李小平副指导教师李小平 职职 称高级工程师称高级工程师 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 THE RISK ASSESSMENT AND CONTROL TECHNOLOGY FOR 1309 COAL WORKING FACE IN DONGTAN MINE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Wang Xingjun Supervisor Professor Ma Zhitao College of Mining and Safety Engineering May 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 摘 要 本文以东滩煤矿 1309 工作面为研究对象，根据工作面地质条件和开采条件， 综合采用理论分析、数值模拟和工程类比等方法对工作面掘进和回采过程中的冲 击地压危险性进行分析评价，划定危险区域和危险等级，并给出相应的防治方法。 论文主要研究内容如下 1）对东滩煤矿 1303、1305 和 1307 等已采类似工作面开采过程中出现的矿压 及微震变化规律进行总结分析，为 1309 工作面冲击地压危险性分析和危险区域划 分提供参考依据；2）对 1309 工作面受地质条件和开采技术条件影响的冲击地压 危险状态评定指数进行分析，并根据冲击地压危险性综合指数评价法对 1309 工作 面的冲击危险性进行评价，同时利用冲击地压发生可能性指数诊断法给出冲击地 压发生的可能性指数。3）考虑工作面埋深、相邻采空区、地质构造和巷道交叉等 因素，对 1309 工作面掘进和回采期间各因素的冲击危险影响区域进行划分，然后 利用多因素叠加法把冲击危险影响区进行叠加，给出工作面掘进和回采期间冲击 危险区域及危险等级。4）根据不同区域危险等级，基于微震监测法、钻屑监测法 以及在线应力监测法等给出工作面掘进和回采时的冲击地压监测方案，并给出相 应冲击地压防治的方案。5）针对 1309 工作面采掘条件，给出了工作面冲击地压 防治的管理措施 本论文研究结果为防止东滩煤矿 1309 工作面生产过程中发生冲击地压灾害， 保证工作面生产安全提供有力保障，为类似工作面冲击地压防治提供借鉴。 关键词关键词冲击地压；危险性评价；危险区域划分；防治措施 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT In order to prevent the 1309 working face of Dongtan coal mine from rock burst during the excavation and production process, according to coal seam geological conditions and mining technology conditions, these research s such as Engineering analogy, theoretical analysis and numerical simulation were used to analyze the main factors that leading to the occurrence of rock burst, to uate the rock burst dangerous level and to delineate hazardous areas The main contents of this paper are as follows 1 In order to provide the basis for analyzing the rock burst of 1309 working face and dividing hazardous areas, the paper analyzed the strata behaviors and microquake spatio-temporal evolution in the excavation of Dongtan coal mine 1303, 1305 and 1307. 2Analyzing the hazard index of rock burst which have been influenced by coal seam and mining technical condition, and uating rock burst risk of working face. At the same time, the probability index of rock burst is given by using the diagnosis of probability index. 3 Considering the influence of face depth, adjacent goaf, geological structure, and roadway cross, the paper divided the impact area of each factor in coal-drilling and mining of 1309 working face. And then the multi-factor superposition is used to superimpose the impact area, the dangerous zone and the danger level is given. 4 According to risk levels of different area, microseismic monitoring , cuttings monitoring , and linear stress monitoring , the paper proposes the rock burst monitoring scheme of working face driving and stopping. Meanwhile, the measures to prevention and control the rock burst are presented, such as the large diameter borehole unloading pressure, the blasting pressure of the coal body and the loose blasting of the bottom coal. 5 For the mining conditions of 1309 working face, the management measures for the prevention and control of the impact of the working face are given. Keywords rock burst; hazard assessment; division of dangerous zone; control s of the rock burst 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 目 录目 录 摘摘 要要 ............................................................................................................ I 1 绪绪 论论 ......................................................................................................... 1 1.1 课题提出 ................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... 1 1.3 研究内容 ................................................................................................................ 4 1.4 研究方法和技术路线 ............................................................................................ 4 2 1309 工作面概况工作面概况 ....................................................................................... 6 2.1 1309 工作面概况 .................................................................................................... 6 2.2 地质构造 ................................................................................................................ 7 2.3 水文条件 ................................................................................................................ 7 2.4 巷道布置 ................................................................................................................ 8 2.5 采煤方法和工艺 .................................................................................................... 8 3 类似开采条件工作面矿压显现及微震特征分析类似开采条件工作面矿压显现及微震特征分析 ................................ 10 3.1 1305 工作面微震特征统计 .................................................................................. 10 3.2 1303 工作面运顺矿震灾害情况 .......................................................................... 13 3.3 1307 工作面开采时矿压显现规律 ...................................................................... 14 3.4 本章小结 .............................................................................................................. 15 4 1309 工作面冲击地压危险性综合评价方法工作面冲击地压危险性综合评价方法 ........................................ 16 4.1 评价方法和评价流程 .......................................................................................... 16 4.2 冲击危险性宏观评价方法 .................................................................................. 17 4.3 1309 工作面冲击危险综合指数法评价 .............................................................. 20 4.4 1309 工作面冲击危险性指数 .............................................................................. 23 4.5 冲击地压发生可能性指数诊断法评价 .............................................................. 25 4.6 本章小结 .............................................................................................................. 27 5 1309 工作面冲击危险区域划分及防治技术工作面冲击危险区域划分及防治技术 ........................................ 28 5.1 工作面掘进期间冲击危险区域划分 .................................................................. 28 5.2 工作面掘进期间冲击地压监测及防治技术 ....................................................... 33 5.3 工作面回采期间冲击危险区划分 ....................................................................... 41 5.4 工作面回采期间冲击地压监测及防治技术 ...................................................... 50 5.5 1309 工作面防治冲击地压管理措施 .................................................................. 55 5.6 本章小结 .............................................................................................................. 57 6 主要结论主要结论 ................................................................................................. 58 致致 谢谢 ......................................................................................................... 59 参考文献参考文献 ..................................................................................................... 60 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents V CONTENTS AbstractI 1 Introduction1 1.1 Topic proposed1 1.2 The domestic and foreign research present situation1 1.3 The main research content4 1.4 Research Technology Route4 2 Project overview 6 2.1 Profile of 1309 working Face6 2.2 Geological structure7 2.3 Hydrological conditions7 2.4 Lane Layout of 1309 working face8 2.5 Coal mining s and processes 8 3 Ground Pressure and Micro-earthquake Visualization of Similar Working Faces10 3.1 Microseismic Evolution in 1305 working face 10 3.2 Mine shock occurrence in 1303 working face 13 3.3 The law of mine pressure in 1307 working face14 3.4 Chapter summary15 4 Comprehensive uation of Rock Impact in 1309 Working Face16 4.1 uation and process16 4.2 Macro uation 17 4.3 Comprehensive uation of impact risk index20 4.4 1309 working face impact risk index23 4.5 uation of the probability of occurrence index25 4.6 Chapter summary27 5 Danger Zone Division and Control During 1309 Working Face Drivin28 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents VI 5.1 Danger zones division during driving in 1309 working face28 5.2 Monitoring and prevention of Impact Hazard during Driving33 5.3 Danger zone division during mining in 1309 working face 41 5.4 Monitoring and prevention of Impact Hazard during mining50 5.5 Management measures for controling the rock impact55 5.6 Chapter summary57 8 Main Conclusions58 Thanks59 References60 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课题提出 1.1 课题提出 我国煤炭的开采正逐渐向深部转移，同时由于开采技术和开采机械化的发展， 回采工作面也在不断增大。但是由于深部煤岩体赋存条件的复杂性，冲击地压的 发生显著增加，严重威胁煤矿安全生产。作为一种煤岩体动力灾害，破坏性极强， 可摧毁井下设备，造成人员伤亡 [1]。目前，冲击地压的预测与防治仍是一个世界 性的难题。我国煤矿众多，冲击地压事故频发，因此，开展冲击地压灾害的预测 与防治研究是煤矿安全生产中的一项非常重要的工作。 东滩煤矿在煤柱区内形成巷道时，曾发生多次过冲击地压事件[2]。东滩矿 1309 工作面具有埋深较大、断层发育、临近采空区等问题，开采过程中易于出现应力 集中和能量积聚。根据我国煤矿安全规程要求，开采具有冲击倾向性的煤层，必 修进行冲击危险性评价，并根据相应评价结果采取相应的防治措施。因此，根据 东滩煤矿 1309 工作面具体地质条件和开采技术进行冲击地压危险性评价和防治是 保证该工作面安全生产的重要条件。 1.2 国内外研究现状 1.2 国内外研究现状 1.2.1 冲击地压机理研究 1.2.1 冲击地压机理研究 冲击地压作为岩石动力学复杂问题，一直以来备受国内外众多学者的关注。 但由于问题的复杂性，冲击地压发生的发生机制至今尚未完全清楚。近几十年以 来，国内外众多学者从不同角度对冲击地压发生机理进行相关研究。例如，强度 理论于 20 世纪 50 年代被提出[3][4]，该理论以煤岩体强度作为评定冲击地压危险性 的标准，当冲击地压发生时，支架和围岩力学系统将达到极限状态。张常光、赵 均海等[5]考虑中间主应力及其区间影响，提出统一强度理论。刚度理论[6]认为如果 峰值后岩石刚度大于试验压力机的刚度，则由于弹性能的作用，岩石将发生不可 控制的猛烈破坏，即发生冲击地压[7]。张志镇，高峰，等[8]从能量角度对不同围压 下的岩石进行试验，给出了围压对岩石破坏的能量演化规律。而冲击倾向性理论 认为发生冲击地压的内在主要因素是煤岩层冲击倾向性。宋朝阳，纪洪广等[9]给出 了利用非线性关系描述岩石破坏规律与冲击倾向性的关系。 早在 1987 年，章梦涛 [10]、李新元[11等人]就从煤岩体失稳角度开展研究，认 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 为冲击地压的发生是开挖后的煤岩体动力失稳造成的。 此外，齐庆新等[12]提出的“三因素”理论。窦林名等[13]提出了强度弱化减冲 机理。后来，基于突变理论国内外学者相继建立了岩体结构失稳的突变模型、煤 岩突变模型等，定性地解释了发生冲击地压的机理。邹德蕴[14]基于能量传递和守 恒定律，提出了冲击效应理论。 上述理论大大丰富了冲击地压理论研究，部分理论在煤矿生产中得到一定应 用，但由于问题本身的复杂性，冲击地压机理研究工作还不够完善，没有形成统 一适用的理论[15]。 1.2.2 冲击地压监测预报研究 1.2.2 冲击地压监测预报研究 近几十年来，关于冲击地压监测及预测预报技术的研究也取得了较新进展。 林鹏、唐春安、陈忠辉等[16]就岩爆发生的机理与预测方法给出了研究结果；谢和 平、高峰等[17]研究了岩石断裂破坏的非线性问题；窦林名、何学秋、王恩元等[18] 基于地球物理方法研究了岩石破坏特征， 提出冲击地压预测预报技术； 姜耀东等[19] 研究了煤样失稳破坏的多参量监测；曲效成、姜福兴等[20][21]基于当量钻屑法对冲 击地压监测预警技术进行研究。目前，国内外常用的监测方法主要有 （1）钻屑法 钻屑法是在煤层中打小直径钻孔，根据不同深度处排出的煤粉量和钻进时出 现的卡钻等动力现象进行冲击地压预测预报的一种方法。研究表明冲击地压危险 程度与钻孔过程中出现的钻屑量多少、钻屑大小、是否发生卡钻现象密切相关。 如，陈锋、潘一山、李忠华等[22]通过对大量钻孔煤粉量的分析，得出以最大钻屑 量和峰值位置距离煤壁距离为标准的冲击地压危险性划分方法。陆振裕，窦林名， 徐学锋，等[23]也开展了基于钻屑法的巷道围岩应力和冲击危险性预测的相关研究。 （2）微震法 微震法也是冲击地压监测的一种主要方法。潘一山、贾宝新、王帅等[24]开展 了矿震震波传递规律的研究。赵娴，吴建星等[25]给出了利用微震监测虚拟仪器系 的实现方法，解决了普通安全监测仪器功能单一、数据不能及时同步的问题。苗 小虎，姜福兴，王存文[26][27]对微震监测揭示的矿震诱发冲击地压的机理进行研究。 （3）电磁辐射法 电磁辐射法相对于其他方法简便、快捷。利用电磁辐射法的关键是确定电磁 辐射强度和脉冲的临界值。姚精明，闫永业等[28]对煤岩体破裂电磁辐射的分形特 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 征进行研究，认为煤样的弹性能指数与电磁辐射的脉冲频率呈正相关。陈世海[29] 对电磁辐射前兆信息。陈杨[30]、刘晓斐、王恩元等[31]都孤岛工作面的电磁辐射特 征开展研究。聂百胜、何学秋、王恩元等[32]，王恩元、刘晓斐[33]则对电磁辐射法 预测冲击地压原理进行研究，并编制连续监测预警软件。 （4）应力法 当量钻屑量预报冲击地压的机理是应力监测的理论基础。 邹德蕴， 宋景春等[34] 基于应力法，研究了应力脉冲信号的传递特性，研制新型冲击地压信号记录监测 仪，开发了冲击地压预测预报信息软件系统。 （5）其他方法 冲击地压预测预报的其他相关方法主要包括综合指数法、数值模拟法[35]、 可能性指数法、混沌时序预测法[36]、神经网络法[37]、突变理论[38]，等在冲击地压 监测预报方面均有一定的应用。谭云亮、潘立友等[39][40]通过试验、数值模拟与现 场实测等方法，研究了冲击地压前兆信息的识别理论与方法。王同旭、刘文杰、 刘钒，等[41]根据不同条件各监测方法的特点，给出合理组合监测方法的建议。 1.2.3 冲击地压防治研究 1.2.3 冲击地压防治研究 冲击地压防治主要分为整体防治与局部防治两个方面。 （1）整体防治 整体防治技术主要包括①合理的开采技术措施。采用合理的开采方法和开 拓布置，避免煤岩体内形成高应力集中区；②多煤层开采时，合理设计开采顺序， 释放其他煤层集聚的能量，降低煤岩体应力；③煤层预注水。煤层注水可软化煤 层，降低煤层冲击倾向性和强度，起到很好的预防冲击地压的作用[42][43][44]。④厚 煤层坚硬顶板处理。坚硬顶板的大面积悬顶和冒落，会引起煤层和顶板内的应力 高度集中，造成工作面顶板管理和巷道维护的困难，目前较为有效的处理方法是 顶板注水软化、放震动炮[45][46]。 （2）局部防治 钻孔卸压。利用钻孔周围形成的破碎区的贯通作用，使煤层破裂卸压。贾传 洋、蒋宇静、张学朋，等[47]利用室内及数值实验对大直径钻孔卸压机理进行研究； 王猛、王襄禹、肖同强 [48]对深部巷道钻孔卸压机理及关键参数确定方法进行研究。 爆破卸压。在煤岩层中实施钻孔爆破，以消除或减缓冲击危险。段中民[49]对 深孔爆破卸压的爆破参数和爆破工艺进行论述。陈学华、徐翔、李宁[50]以济三矿 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 6303 工作面为工程背景，给出了深孔预爆破钻孔的三角法布置方案。代长春、桂 兵、吴学新[51]在济三矿 63下04 综放工作面，根据现场施工条件，合理改变爆破参 数及施工技术，对煤体进行深孔爆破，有效降低冲击地压危险性。 由于冲击地压发生机理的复杂性，以及煤层赋存条件的差异性，对冲击地压的 预测与防治等相关研究仍不完善，需要继续深入的研究。 1.3 研究内容 1.3 研究内容 本论文主要研究以下内容 1）分析 1303、1305 和 1307 等类似工作面的矿压显现和微震特征，为 1309 工作面冲击地压危险性评价和防治提供参考依据； 2）对 1309 工作面的冲击地压危险状态评定指数进行分析，并根据冲击地压 危险性综合指数评价法对 1309 工作面的冲击危险性进行评价，同时利用冲击地压 发生可能性指数诊断法给出冲击地压发生的可能性指数。 3）考虑工作面埋深、相邻采空区、地质构造和巷道交叉等因素，对 1309 工 作面掘进和回采期间各因素的冲击危险影响区域进行划分，然后利用多因素叠加 法把冲击危险影响区进行叠加，给出工作面冲击危险区域及危险等级。 4）根据不同区域危险等级划分，给出巷道掘进和工作面回采时冲击地压监测 方案及冲击地压防治措施。 5）针对 1309 工作面冲击地压危险性，给出了工作面冲击地压防治的管理措 施。 1.4 研究方法和技术路线 1.4 研究方法和技术路线 本文主要采用理论分析、工程类比分析和数值模拟等方法对 1309 工作面影响 冲击地压危险性的因素进行分析，划定危险区域及危险等级。 采用的技术路线如图 1-1 所示。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 5 图图 1-1 论文技术路线图论文技术路线图 Fig.1-1 Technical roadmap 东滩矿 1309 工作面危险性评价及防治 冲 击 地 压 发 生 综 合 指 数 法 冲 击 地 压 发 生 可 能 性 指 数 诊 断 宏观评价结论 冲击危险区域等级划分 冲击地压防治方法 理论分析 工程类比 数值模拟 多 因 素 耦 合 分 析 方 法 类 似 工 作 面 矿 压 微 震 显 现 规 律 煤 柱 稳 定 性 及 冲 击 危 险 性 分 析 冲 击 地 压 防 治 机 理 分 析 1309 工作面冲击地压管理措施 研究结论 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 1309 工作面概况 6 2 1309 工作面概况 2 1309 工作面概况 2.1 1309 工作面概况 2.1 1309 工作面概况 2.1.1 工作面布置位置 2.1.1 工作面布置位置 东滩煤矿 1309 工作面位于津浦铁路以东，工作面东部有河流经过，无其他重 要地物。工作面北邻兴隆庄煤矿采空区，留设 50m 矿井边界煤柱，南邻 1308 工作 面采空区，东侧为实体煤。工作面标高-432.6～-492.8m，平均-462.7m，埋藏深度 481.0～541.2m。工作面宽度为 220m，走向推进长度为 1930m。 此外，由于断层 F2 的影响，工作面回采至断层东侧第一次停采，在断层 F2 西侧第二次开切眼，工作面布置方案如图 2-1 所示。 图图 2-1 1309 工作面布置工作面布置 Fig.2-1 Layout of 1309 working face 2.1.2 煤层赋存特征与顶底板岩性 2.1.2 煤层赋存特征与顶底板岩性 工作面所采 3 煤层厚度为 8.20～9.40m，平均 8.55m。煤层结构复杂，发育两层 夹矸一层位于底板之上 2.80～3.70m，厚 0.02～0.03m，岩性为粉砂岩或泥岩； 另一层位于煤层底板之上 5.50～5.80m ， 厚 0.02～0.03m， 岩性为粉砂质泥岩， f3～ 4。 直接顶粉砂岩， 厚 1.40～2.07m， f4～5； 基本顶中、 细砂岩， 厚 23.34～25.69m， f7～8；直接底粉砂岩，厚 2.16～9.40m，f4～5。顶底板情况如表 2-1 所示。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 1309 工作面概况 7 表表 2-1 顶底板岩性特征表顶底板岩性特征表 Table2-1 Roof and floor rock properties 层位名称 岩石名称 厚度（m） 岩 性 描 述 3 煤基本顶 中、细砂岩 23.3425.69 浅灰-灰白色，以石英为主，含少量长石及云母 碎片，钙质胶结，坚硬，缓波状交错层理，局 部发育张裂隙；分选较好，磨圆中等。 3 煤直接顶 粉砂岩 1.04～2.07 深灰色，性脆，泥质胶结，富含植物根茎化石， 下部含少量菱铁矿结核。 3 煤 3 煤 8.20～9.40 黑色，油脂光泽，内生裂隙发育，参差状断口， 条带状结构，以暗煤为主，夹镜煤条带。煤层 结构复杂，发育两层夹矸一层位于底板之上 2.80～3.70m，岩性为粉砂岩或泥岩，另一层位 于煤层底板之上 5.50～5.80m ，厚 0.02～ 0.03m，岩性为粉砂质泥岩。 3 煤直接底 粉砂岩 2.16～4.64 深灰灰黑色，顶部富含粘土质及植物根茎化 石，底部含砂纸，夹细砂岩，中下部富含植物 叶部化石；由西向东逐渐变薄块状，较坚硬。 2.2 地质构造 2.2 地质构造 工作面内发育 15 条断层， 对工作面影响较大的断层主要有 F2 （H13.120m） 、 FS1（H3.54.5m） 、DF7（H05） 、DF6（H010） 、FS18（H025） 。地层整体 为北高南低，南北高、中间低，向西倾伏的向斜构造，次级的向背斜主要发育在 工作面北部。煤层倾角最大 8 ，一般为 2～5 。断层情况详见下表 2-2。 表表2-2 断层产状参数表断层产状参数表 Table2-2 Parameters of faults 构造 名称 走向 （ ） 倾向 （ ） 倾角 （ ） 性质 落差（m） 对掘进的影响 对回采的影响 EF69 72 342 35 正 1.3 较小影响 无影响 EF122 143 53 50 正 1.9 较小影响 无影响 EF123 143 53 60 正 1.2 较小影响 无影响 E