急倾斜特厚煤层冲击地压综合防治技术研究.pdf

分 类 号 TD324 密 级 学 号 G12309 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 Thesis for Master’s Degree 急倾斜特厚煤层冲击地压综合防治急倾斜特厚煤层冲击地压综合防治 技术研究技术研究 申请人 姓名 孙 豪 指 导 教 师 张恩强（校内） 孙学笃（校外） 类别 非全日制专业学位硕士 工 程 领 域 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力 2016 年 12 月 万方数据 2 万方数据 论文题目急倾斜特厚煤层冲击地压综合防治技术研究 工程领域矿业工程 硕 士 生孙 豪 （签名） 指导导师张恩强 （校内） （签名） 校外导师孙学笃 （校外） （签名） 摘 要 乌东煤矿南区煤层倾角平均为 87 ， 煤层厚度 3048m， 采用水平分段综采放顶煤开 采。近年来随着采深增加，多次发生了煤岩冲击地压现象，已经严重制约了这种开采技 术的应用和影响矿井安全生产。 论文针对该矿存在的冲击地压问题，采用理论分析、实验室实验、现场试验与监测 分析等研究方法，对冲击地压影响因素、监测预警方法、冲击地压致灾机理、防治技术 等进行了研究。 认为影响冲击地压发生的主要自然因素是煤岩的冲击倾向性、 围岩结构、 地质构造等，主要开采技术因素是采煤方法。采用了微震监测预警与地音监测预警相结 合的综合监测预警方法对试验过程进行了监测预警， 并确定了微震预警模式和地音预警 模式。认为冲击地压致灾机理是随采深增加，B12煤层和 B36煤层中间岩层逐渐孤立 在两组煤层采空区中间形成以高岩柱，该岩柱在自重与水平构造力的影响下，产生了倾 斜撬动力，形成较大的应力集中。受开采扰动影响，该应力集中区域释放能量，造成矿 压显现。采用了 B2-B3岩柱注水爆破、顶底板深孔爆破、煤体注水软化等相结合的综合 防治技术，达到了降低岩柱应力集中程度、减弱顶底板水平应力传递、降低煤体应力等 目的，有效的减弱了冲击地压的发生，保证了综放工作面安全生产。 工程应用结果表明 论文对乌东煤矿生产中存在的问题的基本认识和采取的研究方 法及解决方案符合矿井实际情况，对解决该矿冲击地压问题具有指导作用，对类似条件 矿井冲击地压问题研究和治理也具有参考价值。 关 键 词急倾斜特厚煤层；冲击地压；监测预警；综合防治 研究类型.应用研究 万方数据 I Subject . Comprehensive Prevention Technology of coal bump in Extremely Steep and Thick Coal Seams Mining Specialty Mining Engineering Name . Sun Hao Signature Instructor. Zhang Enqiang Signature Sun Xuedu Signature Abstract Extremely steep thick coal seamsESTCS have been mined with using an efficient of horizontal section top coal cavingHSTCC, which of average inclined angle is 87 at the southern mining area of Wudong Coal Mines. Thickness of coal seams range from 30m to 48m. Recent years, coal bump hazards are commonly happen as the deeper mining. It restricted safety production and technology applying in situ. The paper focus on study the coal bump with using s of theory analyzing, experiment in laboratory, testing and monitoring in situ and so on. Factors of mining-induced, monitoring prediction , hazards mechanism of coal bump and prevention technology et al have been researched relating to extremely steep thick coal seams mining. The results show that inducing coal bump factors included coal and rock burst tendency, surrounding rock structure, geological tectonics, et al. Especially, mining is the main technique factor. Comprehensive prediction model of Micro-seismicityMS and Acoustic EmissionAE monitoring have been established during coal seams mining. Mechanism of coal bump is intermediate rock pillar inducing inclination stress under circumstance of gravity and tectonic stress. The focus energy will be release during the mining. Comprehensive prevention measures about hydraulic fracturing and blasting aiming at rock pillar, deep borehole blasting and coal mass hydro-fracturing et al have been taken. These can evacuate stress concentration, blocking horizontal stress and weakening coal mass stress. Therefore, it can reduce possibility of coal bump and guarantee safety production. Results of engineering applying show that basic recognition, studying and solutions all are coning to practical situation during Wudong coal mine production, which can provide some guidance for coal bump prevention in situ and reference in something else. 万方数据 II KeywordsExtremely steep and thick coal seams；coal bump；monitoring and prediction； comprehensive prevention. Thesis . Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 ..................................................................................................... 1 1.1.1 研究背景 .......................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.2.1 国外研究状况 ................................................................................................... 2 1.2.2 国内研究状况 .................................................................................................. 3 1.3 研究基本内容 ......................................................................................................... 5 1.4 研究方案与技术路线 ............................................................................................. 5 1.4.1 研究方案 ........................................................................................................... 5 1.4.2 技术路线 ........................................................................................................... 6 2 急倾斜特厚煤层冲击地压影响因素分析 .................................................................... 7 2.1 矿井概况 ................................................................................................................. 7 2.2 冲击地压显现情况 ................................................................................................. 7 2.3 煤岩层冲击倾向性鉴定 ......................................................................................... 9 2.3.1 冲击倾向性指标 .............................................................................................. 9 2.3.2 冲击倾向性指标计算 ...................................................................................... 9 2.3.3 测试范围 ......................................................................................................... 10 2.3.4 鉴定结果 ......................................................................................................... 10 2.4 地应力测试 ........................................................................................................... 14 2.5 围岩构成 ............................................................................................................... 16 2.6 特殊的地质构造及采煤方法 ................................................................................ 21 2.6.1 特殊的地质构造 ............................................................................................ 21 2.6.2 采煤方法 ......................................................................................................... 21 2.7 小结 ........................................................................................................................ 22 3 急倾斜特厚煤层冲击地压监测预警及发生机理 ...................................................... 24 3.1 预警方式研究 ........................................................................................................ 24 3.1.1 微震预警方式研究 ......................................................................................... 24 3.1.2 地音预警方式研究 ........................................................................................ 26 3.2 监测数据分析研究 ............................................................................................... 30 3.3 冲击地压发生机理 ............................................................................................... 31 3.4 小结 ........................................................................................................................ 32 万方数据 目录 II 4 急倾斜特厚煤层冲击地压综合防治技术 .................................................................. 33 4.1 综合监测方案 ....................................................................................................... 33 4.2 综合治理方案 ....................................................................................................... 34 4.2.1 B2-B3岩柱石门硐室注水爆破治理方案 ....................................................... 34 4.2.2 煤层顶底板深孔爆破治理方案 ..................................................................... 36 4.2.3 注水软化治理方案 ......................................................................................... 38 4.3 小结 ........................................................................................................................ 39 5 急倾斜特厚煤层冲击地压综合治理效果评价 .......................................................... 40 5.1 岩柱石门注水效果验证 ....................................................................................... 40 5.1.1 工程简介 ......................................................................................................... 40 5.1.2 微震效果评价 ................................................................................................. 41 5.1.3 PASAT-M 效果验证 ....................................................................................... 42 5.2 石门爆破效果验证 ............................................................................................... 44 5.2.1 工程简介 ......................................................................................................... 44 5.2.2 PASAT 探测 .................................................................................................... 44 5.3 顶底板岩体爆破效果验证 ................................................................................... 45 5.3.1 爆破孔设置 ..................................................................................................... 45 5.3.2 微震监测分析 ................................................................................................. 45 5.3.3 瞬变电磁探测分析 ......................................................................................... 46 5.4 煤体注水效果验证 ............................................................................................... 47 5.4.1 方案设置 ......................................................................................................... 47 5.4.2 地音监测分析 ................................................................................................. 48 5.5 小结 ........................................................................................................................ 49 6 结论 .............................................................................................................................. 50 致 谢 .............................................................................................................................. 52 参考文献 .......................................................................................................................... 53 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 冲击地压是煤矿开采中发生的煤岩动力灾害之一[1]。煤矿开采过程使煤岩体聚积大 量的能量，当集聚的能量超出承载值时，在井巷中发生破坏性事故，造成人员、设备、 财产损失，并伴有巨大声响和岩体震动。冲击地压是煤矿井下生产过程中发生的剧烈破 坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等，是煤矿重大灾害之一。现阶段国内 外冲击地压研究主要集中在近水平、缓倾斜煤层，但近年来急倾斜煤层相继出现冲击地 压事故。 急倾斜厚煤层在我国探明煤炭储量中占很小的一部分，主要分布在新疆、甘肃、吉 林等地。急倾斜厚煤层开采难度大，效率低。近年来急倾斜特厚煤层综采放顶煤采煤方 法和回采工艺改善了急倾斜厚煤层开采效率低的难题。 急倾斜特厚煤层开采是世界性难 题，其最突出特点为下分段工作面顶板为上分段回采之后的采空区，赋存气体（瓦斯、 硫化氢） 、液体（水）以及固体（残留煤矸）三种介质耦合作用下的复杂采空区。 神新能源公司乌东煤矿南区位于乌鲁木齐东北部，煤层平均倾角 87 ，属于典型的 急倾斜特厚煤层，但随着乌东煤矿采深的不断增加冲击地压灾害逐渐开始发生，给矿井 带来了严重的安全生产隐患，矿井分别于 2011 年 3 月 24 日、2013 年 2 月 27 日及 2013 年 7 月 2 日发生不同程度的冲击地压事故。 由于国内外对急倾斜特厚煤层冲击地压影响因素及发生机理研究较少， 乌东煤矿可 借鉴理论与防治经验极少，因此乌东煤矿冲击地压防治技术研究已迫不可待。本研究在 乌东煤矿现有的技术条件下，从冲击地压防治监测预警、致灾机理、防治方案等方面对 乌东煤矿冲击地压防治技术进行研究，以夯实矿井安全基础。 1.1.2 研究意义 乌东煤矿南采区前期冲击地压监测工作仅以钻屑法，缺乏其它监测设备，自冲击地 压发生后， 神新公司加强了冲击地压监测设备的购置， 目前冲击地压监测设备比较齐全， 但监测设备数据分析等刚起步，采取的各项解危措施效果评价工作也较少。因此，本研 究对提高乌东煤矿整体冲击地压防治水平具有重要意义， 同时可为神新能源公司其他煤 矿提供借鉴。在此基础上由于国内冲击地压研究主要集中在缓倾斜煤层条件，急倾斜特 厚煤层矿井分布少，冲击地压研究工作开展更少，该项目的研究成果对丰富冲击地压研 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 究成果具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究状况 随着矿井采掘深度的不断增加， 冲击地压发生逐渐开始频繁已成为世界采矿业面临 的共同问题。1733 年英国在世界上首先报道了冲击地压现象，之后苏联、美国、加拿大 等国出现了不同程度的冲击地压。目前，有包括我国在内的 20 多个国家都出现冲击地 压。煤矿冲击地压最严重而且防治工作最有效的国家是俄罗斯、波兰和德国[2]。波兰是 世界上最早且冲击地压危害较为严重的国家， 波兰自 20 世纪 60 年代就开始了冲击地压 监测和治理方面的研究工作，在冲击地压监测技术与装备方面一直处于世界前列。 目前国内外对于冲击地压问题的研究，主要集中在三个研究方向上一是冲击地压 预计体系研究；二是发生机理研究；三是治理措施的研究。 在冲击地压机理方面，Petukhov[3]等，认为冲击地压的产生是由于岩体超过峰值强 度后应变软化造成的。 1879年Ritter从研究中发现上覆岩体对巷道围岩压力的影响较小， 围岩可以有效的承受自身自力。 1907 年普罗托吉雅柯诺夫创立了普氏理论。 该理论认为 围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，它 仅为上覆岩石重量的一部分[4]。 1928 年 Hack 等提出了压力拱概念及压力拱假说[5]。 1936 年 Ime 提出了一些压力拱的观点[6]。同时国外针对机理研究方面形成了一系列理论，分 别为强度理论[7]、刚度理论、失稳理论以及冲击倾向性理论[8]等。 在冲击地压监测方面， 1908 年德国建立了世界上第一个用于进行矿山震动观测的系 统。之后波兰、加拿大等国开始对矿井微震监测系统进行研究。波兰是世界范围内冲击 地压监测预警的技术水平最高的国家之一，其突出优势体现在微地震监测技术方面。波 兰矿山研究总院在 70 年代已建立了多套微震监测台网。经现场验证矿井微震监测网络 可以有效的对矿震和冲击矿压进行监测，效果良好，目前国外冲击地压监测预警仍以微 震、地音、钻屑法监测为最常用手段。 在冲击地压防治方面，德国岩石力学研究中心对采场进行模拟施加外载，模拟了采 场支护与围岩应力关系，提出用钻孔卸压法控制冲击地压[9]。前苏联学者 ШЕМЯКИН 认为钻孔爆破能够释放巷道围岩中的弹性变形能，引起应力向深部转移[10]。卸压爆破已 成为冲击矿压解危最常采用的方法，其具有操作简单、卸压范围与强度可控等特点。波 兰学者认为冲击地压的防治分为长期和短期2个阶段， 长期治理主要以系统性治理为主， 即从开采设计、方式、顺序以及支护方面入手，短期治理主要以调整开采工艺、强度、 危险区域卸压等方面，危险区域卸压主要采用大钻孔卸压、高压注水、深孔爆破、断顶 断底等方法。布霍依诺总结了联邦德国 19631971 年间冲击矿压防治成果，可总结为预 万方数据 1 绪论 3 防危险应力状态、卸压、补强支护等[11]。 1.2.2 国内研究状况 我国冲击地压最早于 1933 年发生在抚顺矿务局的胜利煤矿，后来随着开采深度的 增加和采掘范围的扩大，我国多处矿井都相继出现了冲击地压[12]。我国从 20 世纪 70 年 代末期开始系统地开展冲击地压的研究工作，并将其作为国家“六五”、“七五”科技攻关 项目。目前国内煤矿开采深度不断增加，冲击地压防治问题日益严重。据统计，截止到 2006 年，我国已有 80 个以上矿井出现冲击地压事故，其中尤以华丰煤矿、老虎台煤矿、 华亭煤矿等煤矿的冲击地压危害最为严重。冲击地压已严重影响我国煤炭安全高效开 采，每年因冲击地压而造成的伤亡事故数增加趋势明显，但在我国一系列学者的不懈努 力下，近些年在冲击地压发生机理、监测预警技术、防治技术上取得了可喜成绩。 在冲击地压机理发面，周瑞忠、李广平、刘小明、彭祝及陆家佑[13-17]等分别采用断 裂力学和损伤力学方法解释了一些冲击地压发生的机理。 潘一山[18]、 徐曾和[19]及费鸿禄 [20]等利用突变理论模型进一步冲击地压发生机理进行了解释。 贾宝山等[21]在基于超前支 承压力引起巷道围岩的变形的过程研究中，提出蠕变速度与径向应力的正相关观点。王 襄禹等[22]根据对应变软化进行分析， 初步形成了卸压支护的理论雏形。 蔡美峰[23]等在分 析岩石应力应变的基础上， 认为冲击地压的发生加载系统的应力降低速度小于岩石强度 降低速度时，就会发生冲击地压。 钱鸣高[24]院士提出了岩层控制的关键层理论， 认为对采场上覆岩层局部或直至地表 的全部岩层起控制作用的岩层称为关键层。关键层理论的提出实现了矿山压力、岩层与 地表移动等方面研究的统一，为采动损害现象奠定了理论基础，为我安全采技术的研究 提供了理论基础，它是老顶岩层“砌体梁”理论的进一步发展，深受采矿界同行的广泛关 注和重视。 高明仕、窦林名[25]等在建立了冲击矿压巷道围岩强弱强结构力学模型的基础上，提 出了巷道冲击破坏的判据，为巷道冲击地压预控提供了理论依据。在强弱强力学模型的 基础上， 对巷道冲击作用破坏机理进行了研究， 是冲击地压围岩稳定性控制的一大进展． 潘俊锋[26]等提出了冲击启动理论，认为冲击地压发生经历冲击启动、能量传递、显 现三个阶段，冲击启动的内因为采动围岩近场系统内集中静载荷，外因为采动围岩远场 系统外集中动载荷对静载荷的扰动、加载。 在冲击地压监测方面。目前我国在冲击地压监测预警常用手段有微震法、地音法、 钻屑法。各种研究表明单一监测预警方式难以达到预期效果，例如钻屑法是不连续的点 监测方法，监测区域小，不能够反映动态过程；微震监测属于区域监测方法，对局部危 险不能进行有效监测；地音监测信号传输和噪音干扰问题难以解决等等。所以目前没有 任何一种单一的方法能够较准确地预测冲击地压，只有采取多种方法联合预警分析，才 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 能增强冲击地压预警的可能性。 窦林名、何学秋[27]建立了冲击动力灾害的综合监测预警技术体系，从时间与空间对 冲击地压监测预警技术进行阐述，形成了冲击矿压分级（无、弱、中、强四级）分区监 测预警体系。 鞠文君， 潘俊锋[28]等提出了冲击地压监测预警模式设计分源化、 空间层次化的观点， 即采用岩石力学监测方法对集中静载荷进行监测， 采用地球物理法对集中动载荷进行监 测预警。 王恩元[29]等提出了基于总体经验模式分解的自适应组合形态滤波算法， 并通过模拟 仿真信号验证了算法降低了电磁辐射监测噪声和高斯噪声的影响， 应用实测煤岩电磁辐 射信号检验算法滤波性，建立了基于支持向量机的冲击地压电磁辐射前兆信息识别模 型，使电磁辐射预警理论迈向更高水平。 冲击地压灾害发生原因复杂、影响因素多。虽然目前国内外监测手段较多，但各煤 矿的不同地质构造，导致监测效果的不同。因此应对不同采矿地质条件，建立不同的预 测预报技术体系，才能提高冲击危险预测的准确率。 在冲击地压防治方面，国内主要发展与完善了保护层开采、煤层注水、煤层卸压爆 破、深孔断顶爆破等方法，并对煤层钻孔卸压、煤层顶底板处理等措施。孟进军等[30] 使用复变函数法给出了椭圆形卸压孔的围岩应力分布公式， 并通过实例分析了卸压孔的 卸压效果，研究表明椭圆卸压孔对水平应力的卸压效果不太明显，但对垂直应力的卸 压效果很好。张兆民[31]认为钻孔直径和孔间距是影响钻孔卸压开采效果的主要因素，确 保钻孔之间因受压而形成基本贯通的弱化带是实现卸压开采的前提。熊祖强等[32]用 FLAC3D仿真表明，在巷道掘进工作面开凿超深卸压钻孔并不是越深，卸压效果越好， 而是超深达到掘进进尺的 2 倍时卸压效果最好。上述研究奠定了冲击地压防治基础，但 冲击地压防治是无止境的，还需更多的学者进行深入研究。 冲击地压的治理可分为系统性和局部性[33]。 系统性方法是从设计煤层开采时就考虑 这个问题，最大限度地使用开采卸压层卸压，选择有利于冲击地压防治的支护形式，并 且从组织管理上预防冲击地压的发生。 目前国内常用的主动解危措施主要有①卸压爆破法，其原理是利用钻孔爆破，使 得高应力去向煤岩体深部转移，同时有控制的释放储存在煤体内的弹性能。可有效的将 人员工作区域的应力向煤岩体深部进行转移，有效降低煤岩体应力集中现象。②煤层注 水，该方法就是通过高压注水软化、致裂煤体，降低煤体弹性能。从而达到降低煤体应 力解危的目的。③钻孔卸压，利用钻孔特点，在煤体中形成一定空间结构，减少煤体在 变形过程中能量的释放，有效的释放煤体中集聚的能量，从而实现解危的过程[34]。 然而急倾斜特厚煤层冲击地压防治技术，国内外的研究极少。鞠文君研究员对甘肃 华亭煤矿冲击地压发生过程进行了深入的研究， 并建立了急倾斜水平分层放顶煤开采上 万方数据 1 绪论 5 覆岩层“悬臂梁”结构模型。张智慧等对京西煤田大台井急倾斜煤层开采过程中发生的 冲击地压进行了研究，得出了大台井冲击地压的主要类