华亭煤矿巷道冲击地压灾害预警研究.pdf

论文题目华亭煤矿巷道冲击地压灾害预警研究 专 业安全技术及工程 硕 士 生刘振国 （签名） 指导老师谢俊文 （签名） 程文东 （签名） 摘要 近年来，随着开采深度和开采强度的不断增加，冲击地压矿井数量和危害程度呈明 显的上升趋势。华亭煤矿 250103 回采工作面冲击地压显现频繁且剧烈，严重影响了 250103 回采工作面的安全生产。 因此， 致力于华亭煤矿冲击地压预测预报和预处理的方 法研究对提高矿井的安全生产有着非常重大的现实意义。 本文首先对华亭煤矿冲击地压形成原因和冲击危险性进行分析，用FLAC3D数值模 拟研究煤岩构造应力对巷道冲击的影响，并运用综合指数法确定了华亭煤矿250103工作 面的煤岩冲击倾向特性；250103工作面具有强冲击危险性，受20m煤柱的影响，回风顺 槽冲击矿压危险指数要高于运输顺槽，具有较强的冲击危险性。研究认为影响250103工 作面发生冲击地压的主要因素为煤层构造褶曲、煤层具有冲击倾向性、顶板煤层坚硬、 20m预留煤柱等。通过对250103回采工作面的冲击地压危险倾向性分析，划分了250103 工作面回采过程中的危险区段。从开采技术方面入手，进行了工作面长度、煤柱合理留 设宽度和工作面接替顺序等回采来设计预防冲击地压的方法。建立了华亭煤矿250103回 采工作面冲击地压危险监测和冲击矿压危险控制技术体系。综合运用钻屑法、微震法和 顶板监测对冲击矿压危险性进行了监测、预测预报和解危效果检验，预测华亭煤矿的来 压周期和来压规律；采用巷帮煤体爆破卸压，注水和顶板深孔爆破等多种措施解除或减 弱了冲击矿压危险性，保证了安全生产。本研究对其他矿井同类问题具有借鉴意义。 关 键 词冲击地压，综合指数法，数值模拟，预测 研究类型应用研究 Subject Study on Hua-ting Coal Mine Tunnel Rock burst Disaster Warning Speciaty Safety Technology and Engineering Name Liu Zhenguo Signature Instructor Xie Junwen Signature Cheng Wendong Signature ABSTRACT As the increase of depth and strength of mining, the amount of rock burst mines mounted up. In the pillar of fully mechanized caving and mining face of 250103 mining section of Hua-ting coal mine, this phenomena is more frequent and violent causing the dangerous situation in the 250103 mining section. Therefore, the research of prediction and pretreatment of Hua-ting caol mine rockburst contributed to improve the safety of mine. This paper firstly rockburst ed to analyze causes and impact of risk for Hua-ting coal, FLAC3D numerical simulation of simulated coal rocks of tectonic stress on the roadway impact, and comprehensive index to determine the impact of coal and rock Hua-ting coal mine250103 working face tendencies characteristic; And 250103 working face has strong burst potential and return air crossheading shock rock burst index than transport along the slot because of the 20m width pillar. The main factors of influencing the rock burst hazard of 250103 working face are folding structure, burst tendency of coal seam, hard main roof and 20m width pillar and so on. According to the analysis of 250103 mining section, the dangerous areas are defined during the mining process of 250103 working face, and some advices on prevention design, length of working face, width of pillar and mining sequence were given . The rock burst monitoring and controlling system of 250103 mining section were constructed. The drilling cuttings , seismological and roof monitoring were alternately and synthetically used to inspect and forecast the burst danger. The pressure release blasting in ribs, deep-hole blasting and water infusion in roof and coal seam s were used to reduce the rock burst danger, and the safety of 250103 working face has been basically ensured.In this study, reference other mines with similar problems. Key words Rock burst; Comprehensive index ; Numerical simulate; Forecast Thesis Application research 目录 I 目录 1 绪论 ....................................................................................................................................1 1.1 选题的背景及研究意义...............................................................................................1 1.2 国内外冲击地压研究现状综述....................................................................................2 1.2.1 冲击地压早期理论研究.........................................................................................3 1.2.2 冲击地压新兴学科和理论的研究..........................................................................4 1.3 本文研究的内容、研究方法及技术路线 ....................................................................7 1.3.1 研究内容................................................................................................................7 1.3.2 研究方法................................................................................................................7 1.3.3 技术路线图...........................................................................................................8 2 华亭煤矿冲击地压形成原因及危险性分析.......................................................................9 2.1 华亭煤矿煤层赋存特征...............................................................................................9 2.2 华亭煤矿现场冲击性破坏统计....................................................................................9 2.3 华亭煤矿冲击地压形成原因分析..............................................................................13 2.4 采掘工作面相互扰动对冲击地压的影响 ..................................................................15 2.5 华亭煤矿冲击危险性分析 .........................................................................................15 2.5.1 冲击危险性状态的确定.......................................................................................15 2.5.2 冲击危险性评价...................................................................................................16 2.6 基于数值模拟的冲击地压的确定..............................................................................20 2.7 预防冲击危险性开采条件的优化设计......................................................................23 2.7.1 工作面长度的确定...............................................................................................23 2.7.2 煤柱宽度的确定...................................................................................................23 2.7.3 开采顺序的确定...................................................................................................24 2.8 本章小结 ....................................................................................................................24 3 现场冲击地压危险性控制效果评价 ................................................................................24 3.1 概述............................................................................................................................25 3.2 华亭煤矿冲击地压动力灾害显现规律......................................................................25 3.3 华亭煤矿强矿压预测预技术......................................................................................26 3.4 基于钻屑-微震-顶板监测分析评价...........................................................................27 3.5 回采工作面强矿压冲击危险性卸压防治技术...........................................................41 3.5.1 巷帮煤体爆破卸压...............................................................................................41 3.5.2 巷帮、巷底大直径钻孔卸压...............................................................................42 3.5.3 顶板深孔爆破卸压...............................................................................................43 目录 II 3.5.4 底板深孔爆破卸压...............................................................................................44 3.5.5 煤层注水卸压 .....................................................................................................44 3.6 本章小结 ....................................................................................................................45 4 冲击地压危险性预测技术现场应用 ................................................................................46 4.1 工作面概况 ................................................................................................................46 4.2 传感器安装工艺.........................................................................................................46 4.2.1 矿压传感器原理...................................................................................................46 4.2.2 矿压传感器安装个数及位置...............................................................................47 4.2.3 安装方法..............................................................................................................47 4.3 冲击地压显现危险性信号的捕捉..............................................................................48 4.4 250103 工作面来压分析 ............................................................................................50 4.5 监测效果图例.............................................................................................................51 4.6 本章小结 ....................................................................................................................56 5 结论..................................................................................................................................57 5.1 主要结论 ....................................................................................................................57 5.2 展望 ...........................................................................................................................57 致谢.....................................................................................................................................58 参考文献 .............................................................................................................................59 附录.....................................................................................................................................62 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及研究意义 冲击地压是世界范围内煤矿矿井中最严重的自然灾害之一，通常是以突然、急剧、 猛烈的形式释放动能，导致煤岩层瞬时破坏并伴随煤岩体被抛出，造成井巷的破坏及人 身伤亡事故的发生[1]。由于冲击地压发生的原因极为复杂、影响因素颇多、灾害严重而 成为岩石力学研究中的一个重大课题。 近年来，我国经济每年持续 10％左右的高增长，推动了对能源的高度需求，也促使 我国成为能源消费大国， 其中对煤炭的需求在一次能源需求中的比重仍然保持在 70％左 右，这就使得我国煤矿的煤炭产量在未来几年内会保持在一个稳定的高产量上，不会有 大幅度的减产。我国是世界上最大的产煤国，同时也是发生煤矿灾害事故最严重的国家 之一。我国煤炭赋存条件复杂、生产技术条件和装备总体比较落后等因素，决定了煤矿 安全问题仍是制约煤炭工业发展的突出问题；加上矿井开采深度和强度的不断加大，煤 炭开采量急剧增加，多方面因素的综合影响，使得我国矿井煤岩动力灾害的次数和强度 也日趋严重，严重制约了矿井产量和经济效益的提高，对安全生产和社会效益造成了严 重的影响。 目前我国煤炭产量居世界之首，又以井工开采为主，这种局面在相当长时间内难以 改变。随着我国煤炭开采深度的进一步增加和开采强度的加大，冲击地压的危害将日趋 严重。从目前情况看，我国每年均发生多起因冲击地压而导致的人员伤亡事故，已成为 世界上冲击地压最严重的国家之一。 华亭煤田处于鄂尔多斯地块的西南缘，六盘山褶皱带东侧，位居我国大地构造东西 分区的枢纽地带。在区域构造上位于城子里-华亭-下关向斜之中段，即华亭复式向斜， 基本形态是两头弯曲的纺锤形。该区主要构造线方向以 NW 向压扭性断裂为主干，井田 的基本形态有单斜、背斜和向斜，受构造影响，煤层倾角浅部较陡，为 40～60，深部 较缓，为 5～25，受强烈的地质作用影响，井田内煤体呈现较严重的压性脆裂破坏特 征。华亭煤矿煤层平均厚度 51.51m，属急倾斜特厚煤层。采用水平分层综合机械化综采 放顶煤开采方法[2,3]，分层厚度 15m采 3m，放 12m。华亭煤矿动力破坏现象频发，每 年都有近十次，图 1.1a-d分别描述了现场动力冲击破坏情况。 自 2002 年进入急倾斜深部开采后，强矿压开始显现，并呈现愈演愈烈的趋势，最 严重的两次冲击地压分别发生在 2004 年 6 月 8 日 509 回风顺槽，和 2005 年 5 月 31 日 603 回风顺槽，这两次事故都造成 1 人死亡和多人受伤，几百米巷道损毁，矿井停产数 日，经济损失巨大。2010 年 9 月 1 日 250103 回风顺槽来压，工作面向外 120m 至 185m 西安科技大学硕士学位论文 2 范围内发生底臌，底臌最高达 1.2m，轨道被抬移至煤柱侧最大移位量 0.85m，18 辆设 备列车被抬翻掉道至煤柱侧，20 多人受伤。截止 2010 年 10 月底，共发生破坏性强矿压 198 次，导致矿工死亡 4 人，造成直接经济损失 18789.69 万元，多起强矿压事故表明华 亭煤矿褶曲构造、开采因素、工作面布置、地面形态、上覆岩层运移、工作面开采强度 和推进速度对强矿压的显现都有很大影响， 其中尤其以褶曲构造和留设的 20m 煤柱影响 最大，多起强矿压显现给工作面的安全回采和巷道掘进带来了较大的困难，也给矿井造 成了巨大的损失。 （a）支架折损严重 （b）防爆水袋破裂 （c）运输顺槽浆皮震落 （d）行人台阶和轨道移位 图 1.1 巷道动力破坏情况及特征描述 本研究以华亭煤矿 250103 工作面安全回采为背景，针对 250103 工作面的冲击地压 研究为目标，通过现场工程地质调查和现场监测等方法，辨识开采扰动作用下冲击地压 对煤矿巷道以及回采过程中产生的影响，为制定解危对策提供科学依据，保障矿井安全 高产高效生产，本研究对其他矿井同类问题具有借鉴意义。 1.2 国内外冲击地压研究现状综述 我国绝大部分矿山的岩层与煤层都具有明显或强烈的冲击倾向性，在一定的临界深 度下煤岩冲击倾向性极为严重。随着我国煤矿开采深度的不断增加，冲击地压灾害将变 1 绪论 3 得越来越严重。冲击地压已成为制约我国矿山安全生产的主要的灾害之一[4,5]。1933 年， 我国抚顺胜利矿发生了最早的冲击地压事故， 随后全国各地几十个地方煤矿都相继发生 了严重的冲击地压事故[6]，1960 年全国发生的冲击地压矿井只有 6 个，近几年来已达近 百个。我国煤矿冲击地压的最大强度已达 4.4 级。由于我国煤矿大多建于五、六十年代， 随着时间推移， 这些矿井逐步进入深部开采， 冲击地压的灾害性将更加严重、 更加突出、 更加普遍[7-13]。 由于冲击地压给生命和财产所造成灾害的严重性，世界上很多国家都成立了专门的 机构对冲击地压进行研究[14-17]。因此，国内外学者己经对冲击地压产生的机理及其预测 预报做了大量的研究工作，提出了很多冲击地压产生和孕育的机理，及预测预报的理论 和方法。 1.2.1 冲击地压早期理论研究 对冲击地压的研究，国内外学者曾经提出了很多种理论。随着研究的深入，这些理 论本身也得到了进一步改进和发展，并在生活中得到了应用。这些理论主要包括强度理 论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论，失稳理论等[4]。 （1）强度理论 强度理论认为，只要材料所受的载荷达到一定的强度极限，材料就会被破坏。早期 的冲击地压强度理论认为采场周围和井巷产生应力集中，当煤岩应力达到煤岩体强度的 极限的时候，煤岩体就会发生突然破坏，形成冲击地压。其中具有代表性的有布霍依诺 （Brauner）的夹持煤体理论。 事实上，冲击地压的发生不只是一个强度问题，所以人们在寻找煤岩体突然遭到破 坏的原因和规律时又提出了冲击地压的能量理论、刚度理论和冲击倾向理论。 （2）刚度理论 刚度理论在美国和南非有较大影响，是 Cook 等人[18,19]由刚性压力机试验得到的， 该理论认为若试件后期变形刚度大于试验机刚度时，则发生突然的失稳破坏现象。对于 井下围岩与煤体的关系，可看作为试验机与试件的关系，所以煤体发生冲击地压的条件 可以利用试件在试验机上突然发生破坏的刚度条件来作比较，即煤体负载系统的刚度小 于煤体结构刚度是发生冲击的必要条件，这一理论被称为刚度理论。 （3）能量理论 Cook 等人[20]在上世纪 60 年代对南非 15 年来冲击地压的预防和治理情况总结后 指出当煤体与围岩体系在其力学平衡状态受到破坏时所释放的能量大于所消耗的能量 时，就会发生冲击地压。能量理论没有说明煤体与围岩体系平衡状态的性质及其破坏条 件，特别是围岩释放能量的条件，因此冲击地压的能量理论缺乏必要条件。 能量理论较全面和完善地揭示了发生冲击地压时的能量过程，摆脱了传统古典理论 西安科技大学硕士学位论文 4 的束缚，从能量的角度来解释冲击地压形成的原因，这是对冲击地压机理认识的一个重 大突破，但是，由于各参数的难以确定，能量理论在实际应用中存在较大的困难。 （4）冲击倾向性理论 Bieniawski 等[21,22]通过室内煤的应力变化试验结果，同时结合大量的现场调研发 现，相同开采和地质条件下，煤层会不会发生冲击地压有着很大的差异，他们认为是煤 体本身所具有的力学性质差异造成的，将煤岩的这种本身所具有的力学性质称为冲击倾 向性，并提出了冲击能指数和弹性能指数两个冲击倾向性指标。我国学者在冲击地压这 方面作了大量细致的工作，在试验方法[23]、数据处理及综合评判[24,25]等研究中取得了一 些成绩，提出用煤样动态破坏时间DT、弹性能指数WET和冲击能量指数KE三项指标 综合判别煤的冲击倾向性的指标和实验方法。 冲击倾向性理论的另外一重要方面就是煤 层顶板冲击倾向性研究，包括顶板弯曲能量指标和长壁开采方式下顶板断裂引起的煤层 冲击[26]等，而且也越来越引起人们的重视。 （5）三准则理论 在研究强度理论、能量理论和冲击倾向性理论所提出的冲击地压的判断依据基础 上，李玉生[27,28]等把强度准则看作煤岩体的破坏准则，作为冲击地压发生的必要条件； 把能量准则和冲击倾向性准则看作煤层突然遭到破坏的准则，作为冲击地压发生的充分 条件。当同时满足三个准则，才是判定冲击地压发生的充要条件。 该理论模型比较全面地反应了冲击地压的发生机理。作为冲击地压的机理模型，相 对来说还是比较健全的， 但这只是一个原则性的表达式， 没有给出三个准则的具体形式， 使用起来不方便。特别是强度准则和能量准则，由于影响因素众多，各参数几乎无法确 定，因此该模型的实际应用难度较大。这正是目前预测方法和冲击地压理论之间脱节的 重要原因。 （6）失稳理论 章梦涛等[29,30]提出冲击地压是煤岩体的一种材料失稳破坏现象，认为煤岩体在采场 周围因受采动而形成应力集中，受应力影响煤岩局部应力超过峰值强度变成应变软化材 料，但没有对冲击地压发生的条件进行详细分析。失稳理论反应了冲击地压是由于回采 和掘进空间中煤岩体结构遭到失稳破坏，从理论上做出了比较深入的研究，但目前对冲 击地压发生冲击危险性很难找出很好的判断和依据，因而用于指导预防和治理冲击地压 的作用还是有限的。 1.2.2 冲击地压新兴学科和理论的研究 随着学科的交叉以及非线性科学理论在冲击地压研究中的应用，也产生了许多新的 研究理论及方法，对冲击地压发生条件进行了新的研究。 （1）突变理论 1 绪论 5 煤岩体的突变理论是从 1972 年 Thom创立的突变论而发展起来的一种较新的理论。 尹光志等[31]建立了煤岩体失稳的突变理论模型， 分析垂直力和水平力控制的煤岩体系统 失稳的分叉集合以及由于它们之间的变化而导致煤岩体状态发生突变的过程。 潘一山[32] 针对煤柱的非稳定性问题，利用尖角突变模型，得到了判断煤岩体发生冲击的必要条件 和充分条件；潘一山等[33-41]还采用突变理论研究了冲击地压从孕育、发生、发展和停止 的全过程。费鸿禄[42]用突变理论分析了采场煤岩体失稳力学模型，得到了发生冲击地压 的条件以及发生冲击地压时的顶板变形量和能量释放表达式；以静水压力下的圆形巷道 为研究对象，采用突变理论分析得到了发生冲击地压的充分条件，并与单轴加载系统的 实例结果对比，证明了用突变理论解决这一问题的正确性与可行性。徐曾和[43]用尖点突 变模型分析了坚硬顶板下煤柱发生冲击地压非稳定机制，讨论了影响冲击地压的因素及 影响程度，并以此为基础讨论了发生冲击地压的前兆规律与过程，提出了可监测的前兆 信息。傅鹤林[44]用突变理论预测地下采场发生冲击地压可能性。 （2）分形理论 谢和平[45]引入了分形几何学来研究冲击地压， 解释了冲击地压发生的机理与分形特 征，认为一个强的冲击地压实际上等效于煤岩体内破裂的一个分形集聚，该破裂分形集 聚所需能量耗散随分维数的减少而按指数律增加。 李廷介等[46]给出了单轴压缩下煤岩体 破坏过程中裂纹分形维数的测量结果，讨论了煤岩体组成与分形维数值及应力状态之间 的关系，并根据这种关系对煤岩体发生冲击地压原因进行了研究。李玉、黄梅等[47,48] 研究了冲击地压在发生之前微震活动时空改变的分形特征，指出某区域的微震事件空间 分布的分形维数减少，表示该区域冲击地压危险性增大；反之，则表示区域冲击地压危 险性减小。 （3）断裂力学理论 以断裂力学理论为基础的围岩近表面裂纹的扩展规律、能量耗散和局部围岩稳定性 研究有了一定的进展。大量的研究表明裂纹的扩展方向受最大压应力控制，围岩压力 对裂纹的扩展起限制作用。 Dyskin[49]对壁面附近裂纹的扩展方式以及裂纹贯穿后的壁面稳定性进行了研究，认 为冲击压应力集中造成初始裂纹以平稳的方式，沿平行于最大冲击压应力的方向扩展， 这种扩展与自由表面相互作用增加了裂纹的增长并最终导致失稳扩展，致使裂纹面出现 不同程度的分离，分离层的扭曲破坏就形成了冲击地压。Bazant 等[50]研究了能量耗散 及尺度效应是由近壁面裂纹扩展引起的，使对冲击地压和能量估算成为可能。 张晓春等[51-53]结合实际情况，探讨了煤矿巷道附近围岩层裂区的形成和破坏机理， 通过理论分析和试验模拟，建立了煤矿片帮型冲击地压发生的层裂板结构失稳破坏模 型，认为煤壁和巷道的局部稳定性是由高应力集中区形成的顶板断裂结构区的稳定性所 控制的，煤壁形成的顶板断裂结构区的局部扭曲才导致冲击地压的发生。缪协兴[54]建立 西安科技大学硕士学位论文 6 了煤岩壁周围压裂纹的非时间相关和时间相关的两种滑移扩展方程，在冲击地压的判断 依据中引入时间参量，通过对裂纹没有贯穿前的，由膨胀导致的自由面位移的分析，为 冲击地压的预测预报提供了新的理论依据。 周瑞忠[55]从断裂破坏、 静力平衡和强度破坏三者共同作用于冲击地压工作面的观点 出发，通过对发生冲击地压工作面的两种计算模型的断裂力学研究，确定了发生冲击地 压的力学机理和临界条件，从而对发生冲击地压的总体规律做出定量解释。黄庆享[56] 提出了平巷煤壁中预存裂纹尖端产生翼型张裂纹，形成薄煤层壳，薄煤层壳弯曲变形失 稳引发冲击地压的发生，并在分析过程采用了 Griffith 能量理论及能量判据，考虑了材 料的损伤积累，把材料损伤过程与裂纹扩展过程混合起来，来确定发生冲击地压的临界 应力值。 （4）流变特性及时间相关性理论 导致煤岩体发生破坏和形成冲击动力现象的一个主要影响因素是由于煤岩体在外 载荷作用下所发生的流变特性所造成的。事实上，由于受到应力集中的作用，在一定的 条件下，煤矿井下煤岩体的应力状态是相对稳定的，即使煤岩体发生蠕变是稳定的，也 不会导致煤岩体发生破坏和形成冲击地压；而在另外条件下，如随着开采深度的不断增 加，煤岩体的流变性也随着增大，受回采和掘进活动因素的影响，使煤岩体发生不稳定 性或亚稳定性蠕变， 并经过一定时间的加快蠕变导致失稳破坏逐渐形成冲击地压。 因此， 应当从煤岩体发生的流变特别是蠕变损伤这一角度开展工作来进行煤岩体发生冲击地 压的研究。张晓春[57]讨论了煤层断裂结构蠕变导致冲击地压的发生，进而说明在深部煤 炭开采时，冲击地压的发生不仅与压力水平和有关，而且还与材料的流