郓城煤矿留底煤采场冲击地压发生机理与防治技术研究.pdf

分类号分类号TD324密密级级公公开开 U D C单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 郓郓城城煤煤矿矿留留底底煤煤采采场场冲冲击击地地压压 发发生生机机理理与与防防治治技技术术研研究究 段大勇段大勇 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称矿业工程矿业工程 指指导导教教师师姓姓名名潘潘 立立 友友职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名高法民高法民职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一七年二零一七年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 郓郓城城煤煤矿矿留留底底煤煤采采场场冲冲击击地地压压 发发生生机机理理与与防防治治技技术术研研究究 作者姓名作者姓名 段段 大大 勇勇入学时间入学时间2014 年年 0 09 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师 潘潘 立立 友友职职称称教教授授 副指导教师副指导教师高高 法法 民民职职称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 OCCURANCE MECHANISM AND CONTROL TECHNOLOGY STUDY OF ROCK BURST IN YUNCHENG COAL MINE STOPE WITH BOTTOM MAINTAINING COAL ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology By Duan Dayong Supervisor Professor Pan Liyou College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 冲击地压是一种常见的矿山动力灾害，随着开采深度的增加，冲击地压灾 害日趋严重。特别是在厚表土层条件下的采场，基岩承受的附加载荷比一般条 件下大，采动压力传播速度快，更易于发生冲击地压。而在这种条件下巷道留 底煤对采掘开采期间冲击地压的治理不仅是一个新问题，更是一种难度更大的 新类型冲击地压，国内外的研究还没有就其发生机理与防治技术达到完全认识 与根治的程度。因此针对郓城煤矿的地质开采条件，对具体条件下的冲击地压 机理和防治进行针对性的研究，对保证煤矿安全生产具有较大的实际意义。 本文以郓城煤矿首采区及 1300 工作面为研究背景， 通过分析基岩与表土层 比值、留底煤厚度、采深、构造、冲击倾向性等因素对冲击地压的影响，建立 了底煤整体破坏、底煤局部破坏、不对称破坏、软底滑移破坏的力学模型，推 导了巷道底煤破坏极限载荷，并分析了巷道围岩剪切破坏特征。运用数值模拟， 计算了不同类型的底煤破坏过程；分析了不同厚度底煤巷道冲击地压特征，研 究表明， 底煤厚度越大， 巷道底板破坏范围大， 底煤型冲击灾害越严重； 就 1300 与 1301 工作面之间的煤柱，进行了回采过程的数值模拟研究，分析了煤柱发生 冲击地压的成因。 通过对冲击地压危险性的各个因素的评价分析， 将 1300 工作面冲击地压危 险区域进行叠加分析，划分了一般、中等、高度危险区域，并分别对不同因素 影响的危险区域采用了分类的冲击防治方法，在留底煤区域、迎头、切眼、断 层等危险区域采用“钻孔卸压，爆破卸压”相结合的冲击解危措施进行卸压， 取得了良好的效果。 关键词关键词厚表土层；留底煤；冲击地压；机理；防治技术 万方数据 山东科技大学硕士学位Abstract II Abstract Rock burst is one kind of common mine dynamic disasters. With the increase of mining depth, rock burst becomes more and more serious, especially under the condition of thin bedrock with thick soil. The additional load of the bedrock is larger than the general condition, the mining pressure is faster, and it is more likely to cause rock burst. rock burst which influenced by bottom maintaining coal which is not only a new problem, and is a new type of rock burst with more difficulty. Its mechanism and control technology is not fully understood and it can’t be utterly removed. According to the Geological conditions of Yuncheng coal mine, The research on the mechanism and control of rock burst under specific conditions is carried out. It has great practical significance to ensure the safety production of coal mine. This paper takes the first mining area of Yuncheng coal mine and the working face 1300 as the research background. Through the analysis of rock, soil layer thickness, bottom maintaining coal thickness, mining depth, structure, impact orientation and other factors on rock burst, A mechanical model for the whole shear, partial shear and plastic failure of coal and rock is established. The ultimate load of shear failure is deduced. The failure characteristics of surrounding rock are analyzed. Numerical simulation is used to calculate the failure process of different type coal the characteristics of rock burst in coal roadway with different thickness are analyzed. The results show that the larger of the bottom coal, the larger the damage range of the roadway floor is, the more serious the impact of the bottom coal is. Numerical simulation of coal mining processes between working face 1300 and 1301. The cause of rock burst in coal pillar is analyzed. Based on the analysis of the various factors of rock burst, the dangerous area of the working face1300 is analyzed and divided into the general, medium and high danger area. The dangerous zones of different factors use prevention and control s, such as type. In the bottom maintaining area, Frontal area, tangential area, fault are, borehole pressure relief and pressure blasting relief are used, which achieved good results. 万方数据 山东科技大学硕士学位Abstract III Keywordsthicksoil,bottommaintainingcoal,rockburst, mechanism, prevention and control technology. 万方数据 山东科技大学硕士学位目录 IV 目目录录 摘摘要要......................................................................................................................I 目目录录...................................................................................................................IV 1绪绪论论...............................................................................................................1 1.1课题的提出及意义............................................................................................................ 1 1.2国内外研究现状综述........................................................................................................ 2 1.3主要研究内容及技术路线................................................................................................ 6 2工作面概况工作面概况.......................................................................................................8 2.1工作面位置及井上下关系................................................................................................ 8 2.2煤层赋存特征.................................................................................................................... 8 2.3煤层顶底情况.................................................................................................................... 9 2.4工作面地质构造概况...................................................................................................... 10 2.5工作面其他条件...............................................................................................................11 2.6工作面巷道布置...............................................................................................................11 2.7采煤工艺.......................................................................................................................... 12 3留底煤采场冲击地压发生机理研究留底煤采场冲击地压发生机理研究............................................................ 13 3.1留底煤采场冲击地压影响因素...................................................................................... 13 3.2留底煤采场冲击地压力学模型...................................................................................... 17 3.3留底煤采场冲击地压力学计算...................................................................................... 20 3.4留底煤采场冲击地压发生机理...................................................................................... 23 3.5本章小结.......................................................................................................................... 33 4留底煤采场冲击地压显现特征留底煤采场冲击地压显现特征.....................................................................34 4.1数值模拟方案.................................................................................................................. 34 4.2数值模拟分析.................................................................................................................. 34 4.3本章小结.......................................................................................................................... 45 万方数据 山东科技大学硕士学位目录 V 5留底煤采场冲击地压防治技术留底煤采场冲击地压防治技术.....................................................................46 5.1工作面冲击危险性分析.................................................................................................. 46 5.2巷道掘进期间冲击地压防控.......................................................................................... 53 5.3巷道底板留底煤冲击地压防控...................................................................................... 57 5.4工作面回采期间冲击地压防.......................................................................................... 59 5.5采区大巷冲击地压防控.................................................................................................. 60 5.6解危效果检验.................................................................................................................. 61 5.7本章小结.......................................................................................................................... 65 6主要结论主要结论.........................................................................................................66 参考文献参考文献...............................................................................................................68 致致谢谢...............................................................................................................73 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果.......................................................................................74 万方数据 山东科技大学硕士学位论文contents VI Contents 1Introduction..........................................................................................................................1 1.1Question statement and research implications....................................................................................1 1.2Domestic and foreign research present situation................................................................................2 1.3The main research contents and s...........................................................................................6 2working face profile.............................................................................................................8 2.1working face position and the relationship between the top and bottom...........................................8 2.2storage characteristics of coal seam....................................................................................................8 2.3Top and bottom situation of coal seam...............................................................................................9 2.4Geological structure of working face............................................................................................... 10 2.5Other conditions of working face 1300............................................................................................ 11 2.6Roadway layout of working face 1300.............................................................................................11 2.7Coal mining technology....................................................................................................................12 3Study on rock burst occurance mechanism in stope with bottom maintaining coal...13 3.1Influence factors of rock burst in stope with bottom maintaining coal............................................13 3.2mechnical model of rock burst in stope with bottom maintaining coal...........................................17 3.3mechnical calculation of rock burst in stope with bottom maintaining coal....................................20 3.4occurance mechanism of rockburst in stope with bottom maintaining coal....................................23 3.5Chapter Summary............................................................................................................................. 33 4behavior characteristics of rock burst in stope with bottom maintaining coal............34 4.1Numerical simulation scheme...........................................................................................................34 4.2Numerical simulation analysis..........................................................................................................34 4.3Chapter Summary............................................................................................................................. 45 5prevention and control technology of rock burst in stope with bottom maintaining coal.............................................................................................................................................46 5.1impact danger analysis of working face...........................................................................................46 万方数据 山东科技大学硕士学位论文contents VII 5.2prevention and control of rock burst during tunneling.....................................................................53 5.3prevention and control of rock burst in bottom maintaining coal under the roadway.....................57 5.4prevention and control of rock burst during stoping........................................................................59 5.5prevention and control of rock burst in mining roadway.................................................................60 5.6result test...........................................................................................................................................61 5.7Chapter Summary............................................................................................................................. 65 6Main conclusion................................................................................................................. 66 References.................................................................................................................................68 Acknowledgments....................................................................................................................73 Main study achievements during reading for master...........................................................74 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪绪论论 1.1课题的提出及课题的提出及意义意义 巨野煤田位于鲁西南境内，是山东省乃至华东地区最后一块完整的煤田。 该煤田地质条件复杂，煤层埋藏深，大部分矿井都受到冲击地压灾害的影响， 冲击地压已经成为制约巨野煤田安全开采的主要动力灾害性事故之一。郓城煤 矿属于巨野煤田的一个构造单元，坐落于巨野煤田最北部。该地区煤层埋藏深， 以粉砂岩和细砂岩为主要岩层，表土层厚度达 530m，厚度大，基岩与表土层比 例约为 1.71，是典型的深部厚表土层的地质结构。区别于一般的地质条件，表 土层作用在薄基岩的附加载荷会造成后段运动缺失，岩层破断形式为沿煤壁整 体切断垮落，而不存在岩层的纵向离层运动，更容易发生冲击地压事故。 根据郓城煤矿的地质资料可知，该区域断层发育明显，断层多且相互切割， 呈星罗密布、纵横交错式结构。在纵向上整体穿透断层的存在，破坏了地层的 整体连续状态，形成了“棋盘式”的构造格局。断层的切割将一个整体连续的 板块，切割成多个破碎的板块，断层切割的边界视为简支梁。简支梁解除周边 约束，重力作用更加明显，垮落步距减小，工作面顶板断裂速度快，释放能量 大，易于发生冲击地压[1-4]。煤层厚度大、具有强冲击倾向性、断层多、断层落 差大，造成工作面出现厚度不均的底煤存在，底煤的存在易于发生底板型冲击 地压；顶底板以坚硬砂岩为主，基本顶在回采时不易断裂，易于形成悬顶，积 聚能量，因此也具备发生冲击地压的岩层结构[5-7]。 工作面采用条带式布置，中等条带大工作面的布置方式开采面积小，采空 区冒落、裂隙发育不充分，坚硬的顶板可能处于悬空状态，其上方所承受的厚 表土层的重力向四周转移，由其下方的煤体和岩层来承担，改变了原有的应力 状态，由于垂直应力的增大导致煤岩体积聚了大量的能量，当达到其所能承受 的