龙煤南山矿冲击地压的预警研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目龙煤南山矿冲击地压的预警研究 英文题目英文题目Research on Coal mine warning rockburst of Long Nanshan 学位类别学位类别工程硕士 研 究 生 姓 名研 究 生 姓 名李 铸 锋学号学号2013022370 学科学科领域领域名称名称矿 业 工 程 指导教师指导教师郭昭华职称职称教授级高级工程师 协助指导教师协助指导教师职称职称 2015 年 6 月 5 日 分类号分类号TD32TD32密级密级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要摘要 随着矿井开采深度的增大，冲击地压已经成为严重制约矿井安全生产的主要原 因， 在一定程度上对矿工的生命安全， 对矿井的安全高效生产已经形成了严重的威胁， 本文主要针对龙煤南山矿的 22 采区冲击地压的预警进行研究，先通过学习总结国内 研究冲击地压的先进理论如强度理论刚度理论等，学习冲击地压发生的内在原因， 然 后再去研究外部因素对冲击地压的影响的作用， 综合研究分析各种影响冲击地压发生 的原因，通过理论研究实验验证，再运用冲击地压预警研究的相关技术方法相结合， 对龙煤南山矿 22 采区的 22135 工作面进行冲击危险区域预警。 本文通过理论分析与现场试验相结合，多角度考虑影响因素， 通过运用多种先进 的预测方法对南山矿进行研究的， 先运用综合指数法针对全矿井的地质进行研究分析 发现，全矿井大部分区域都具有中等或强冲击的危险，并将危险区域绘出，而深度开 采的 22 采区是具有强冲击危险的区域，然后分析开采技术条件对冲击地压的影响， 发现三个冲击危险工作面如 22135 等工作面， 然后对 22135 工作面在回采过程中进行 数值模拟研究分析， 得出具有较高的原岩应力区域及在工作面回采过程中应力重新分 布规律，并划分出回采过程中的 5 个应力集中区， 然后运用微震监测数据进行研究发 现， 上述危险区域的微震能量普遍超标， 并通过对以往冲击事件发生时能量都在 105J 左右，因此以 105J 为一个临近值，然后通过电磁辐射方法对危险区域进行进一步的 研究，研就发现对 22135 上巷下帮 20-120m，下巷上帮 20-500m 的监测范围各 10 个 班的电磁辐射强度监测数据进行统计，电磁辐射强度平均值上巷 24.8mv，下巷 25.6mv，临界值为 24.81.538mv， 22135 下巷中部区域电磁辐射强度值一直处于比 较大的状态，22135 工作面回采期间可以参考此临界值，然后运用钻削的方法对冲击 危险区域进行研究，其数据表明大部分区域平均钻屑量和最大钻屑量均超过临界值， 说明下巷的应力很大，确定了冲击危险源，并采取卸压措施。 关键词关键词冲击地压；微震；电磁辐射；钻削；综合指数 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract With the increase of mining depth, the rock burst has become a serious constraint of the main mine production safety, to a certain extent on the lives and safety of miners ed a serious threat to this paper, for 23 coal mining area of ​Long Nanshan mine impact ground pressure warning studies, summarized by learning first domestic research rockburst advanced theory, study the underlying causes of rock burst occurred, and then go to study the impact of external factors on the role of the rock burst, the comprehensive impact of various shocks to Pressure causes through the rational use of the relevant technical means 22135 Face Long coal mining area will be the impact of the danger zone warning. Through theoretical analysis and field trials combining factors to consider multiple perspectives, through the use of a variety of advanced forecasting s Nanshan mine study, the first comprehensive index applying research and analysis for the entire mine geological discoveries, all mine most regions with moderate or strong shock hazard and danger zone draw, while 22 mining area is the depth of mining region with strong shock hazard, and then analyze the impact of mining conditions ROCKBRUST found three shocks hazardous work 22135 and other surfaces such as the face, and then simulate 22135 Face analysis in the mining process, the results of the original rock with high stress areas and in the process of mining face re-distribution of stress, and the division of the recovery process The five stress concentration area, then use the microseismic monitoring data found microseismic energy above the danger zone generally exceeded, and by the impact of the past when the incident energy is about 105J, 105J and therefore to a near value, and then through the solenoid Radiation for hazardous areas for further research, and research found on the lower roadway 22135 20-120m, to help monitor the range of 20-500m each 10 classes of electromagnetic radiation intensity of monitoring data, statistics on the lower roadway, the average intensity of electromagnetic radiation values ​ ​ Lane 24.8mv, under Lane 25.6mv, the critical value of 24.8 1.5 38mv, 22135 内蒙古科技大学硕士学位论文 III under the central region of the electromagnetic radiation intensity Lane has been in a relatively large value of the state, during the 22135 mining face can refer to this threshold, then the use of the drill cut approach to study the impact of the danger zone, the data indicate that the majority of the regional average amount of drill cuttings and drilling cuttings maximum volume exceeds the critical value, Lane explained under great stress, to determine the impact of the danger zone and determine the critical value. Key Words Rockbrust;Microseisms;Electromagneticradiation;Drilling;Compositeindex 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目录目录 摘要......................................................................................................................I Abstract......................................................................................................................II 1 绪论.........................................................................................................................1 1.1 研究的背景和意义............................................................................................1 1.2 国内外研究现状................................................................................................2 1.3 冲击地压预测技术的研究现状........................................................................3 1.4 研究方法及技术路线........................................................................................4 2 南山矿冲击地压现象概述..............................................................................................7 2.1 矿井概况...........................................................................................................7 2.1.1 水文情况................................................................................................. 9 2.1.2 地质情况................................................................................................. 9 2.1.3 煤层赋存情况........................................................................................11 2.2 工作面情况..................................................................................................... 15 2.2.1 煤岩层冲击倾向性................................................................................15 2.2.2 煤层顶板特征........................................................................................15 2.2.3 地质构造............................................................................................... 16 2.3 冲击地压现象..................................................................................................16 2.4 本章小结.........................................................................................................19 3 冲击地压危险区域划分原理................................................................................20 3.1综合指数法.....................................................................................................20 3.2 微震监测法.....................................................................................................21 3.3 数值模拟法.....................................................................................................21 3.4 电磁辐射法.....................................................................................................21 3.5 钻屑法.............................................................................................................22 3.6 本章小结.........................................................................................................22 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 4 冲击地压的预测研究............................................................................................24 4.1 综合指数法进行危险区域划分...................................................................24 4.1.1 根据地质条件划分冲击危险性................................................................24 4.1.2 根据开采技术条件划分冲击危险性.................................................26 4.2 基于岩层运动规律和采动应力场分布的采掘工作面危险性评价............29 4.2.1 划分 22135 工作面高危险区域.................................................................29 4.2.2 回采过程中工作面冲击危险区分布..................................................31 4.3 巨厚坚硬砾岩层及采空区对 22135 下巷掘进的影响...............................33 4.3.1 开挖巷道后的应力分布.....................................................................35 4.3.2 掘进面冲击矿压发生的滞后效应.....................................................36 4.4 南山矿微震系统及监测分析.......................................................................37 4.5 本章小结........................................................................................................ 41 5 冲击地压危险区域的重点局部点预测研究............................................................42 5.1 运用电磁辐射法对危险区域划分...................................................................42 5.1.1 掘进巷道电磁辐射测点布置方式.........................................................42 5.1.2 回采工作面电磁辐射测点布置方式.....................................................42 5.1.3 监测分析数据........................................................................................43 5.2 冲击矿压即时点预测......................................................................................45 5.2.1 即时点预测............................................................................................45 5.2.2 钻屑量与冲击矿压事故分析.................................................................47 5.3冲击危险区域的预测结果及预测方法的评价.....................................................51 6 冲击危险区的局部防治及效果分析...................................................................... 53 6.1 卸压方法....................................................................................................... 53 6.2 效果分析........................................................................................................55 结论................................................................................................................................57 参考文献...............................................................................................................................58 在学研究成果.............................................................................................................62 内蒙古科技大学硕士学位论文 III 致谢.....................................................................................................................63 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1绪论绪论 1.1研究的背景和意义研究的背景和意义 煤炭作为我国的主要能源， 它支撑着国民经济的快速发展， 据国家统计局的 2002 年统计数据了解到，单 2002 年一年国内煤炭生产量达 110732 万吨，而国内煤炭消 费量高达 108413 万吨，这一数据表明我国国内煤炭消费量占到了 97.9左右，这正 是因为我国正处于发展中阶段，而资源更是发展的基础，煤炭它的作为一种适用范 围极为广泛资源，它可以成为多个领域的原料，例如火力发电，炼钢，工业建材， 化工领域等，还用一部分为生活用煤，电力行业一直是我国煤炭消费的大户，据权 威机构统计 2007 年我国发电用煤占全国煤炭消费的 50左右，而另一消费大户就是 钢铁行业了，钢铁业一直都是发展一个国家重要的物质基础，钢铁业的耗煤也占了 很多一部分比重，因为一个国家的发展离不开钢铁，而铸造钢铁却又离不开煤炭， 钢铁它既是制造机械的原材料，也是建筑行业的骨架。据国家统计局的 2011 年最新 数据了解到，2011 年生产量已高达 246931 万吨同比 2002 年上涨了 9.3而内消量为 239286 万吨同比上涨了 9.4，这一组新的数据说明国家的发展离不开煤炭，随着国 家的发展壮大，对煤炭的需求量还会不断增大，这就要求我国各大煤矿的年产量也 要逐年加大来适应国家的快速发展。 但随着煤炭的开采深度的不断增大，地质条件不断恶化，伴随出现了一系列严 重影响安全生产的问题例如巷道围岩变形，瓦斯爆炸，冲击地压，低温升高等。 这些灾害不仅阻碍了矿井的高效生产，而且严重威胁了矿工的生命安全，这些灾害 中最难治理，危害较大的就是冲击地压，早在 1783 年英国在世界上首次报道了在矿 井中发生冲击地压的现象，以后在前苏联，南非，德国，美国，加拿大，印度，美 国等多国也都发生了冲击地压，我国最早发生冲击地压是 1933 年发生在辽宁抚顺胜 利煤矿，后来又在吉林，黑龙江，江苏徐州等多地发生了多起冲击地压事故。 矿井的深度开采时通常发生冲击地压，它是由岩石体中存储的弹性势能引导的， 发生时具有突发性，导致岩石破裂、犹如爆炸的现象。冲击地压轻则导致岩石脱落， 重则会有明显震感并伴随瓦斯爆炸事故同时发生等，它具有很大的破坏力，所以对 冲击地压的深入研究是很有必要的，本文主要采用综合指数法，钻削发，微阵法， 电磁辐射法并结合 FLAC 3D软件， 对南山矿的实际情况做预警研究， 查找出冲击地压的 危险源，并对该危险源作分析评价，划分出比较危险的区域，分析危险等级，以便 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 及时采取有效的措施，降低事故发生几率，为井下工作人员营造安全的生产环境， 实现矿井的安全高效生产。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 1强度理论 各国学者对于冲击地压的研究始于南非，是对金属矿的岩爆问题开始着手研究 的，在早期研究学者们首先提出了强度理论，为当井巷和采场周围产生了应力集中， 当应力达到煤岩的极限强度时，煤岩发生破坏，形成了冲击地压他们主要对遭到破 坏的煤岩体进行分析研究原因，自此学者们在强度理论的指导下，采取降低应力集 中的措施，防治冲击地压工作。可有时巷道与采场周围虽然出现压力过高时，但是 并没有发生冲击地压，这说明了当应力达到了极限强度时，这只是煤岩开始破坏的 条件，不是发生冲击地压的条件，并得到煤体极限方程式 [1～3]。 c ] 1[exp2tgctgp m x ck （式1.1） 式中 k p -煤体极限压力；  -煤体围岩交界处粘结力； c  -煤体单轴抗压强度； x–计算点距煤壁距离； m–采高；  –煤体围岩交界处的摩擦角； （2）能量理论 在 60 年代中期以库克为首的一些专家学者，在总结了南非冲击地压经验的基础 上提出了能量理论 [1]。他们认为在冲击地压发生的过程中释放了大量的能量，而这些 能量远远大于被破坏岩体所存储的能量。根据能量守恒定律判定，围岩也肯定释放 了能量，提出“矿体-围岩”系统打破其力学平衡时所释放的能量大于消耗的能量是 就会发生冲击地压的理论 [2]。能量理论的提出为当时防治冲击地压找到了新的方法- 降低“矿床-围岩”系统破坏时所释放的能量和增加消耗的能量。 （3）刚度理论 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 在刚性实验机问世后，cook 等人发现用刚性实验机试验时试验品破坏程度要比 要普通实验机试验破坏程度小的多，发现原因是因为刚性实验机的刚度要大于试验 品，后 cook 等人把矿柱与围岩的关系也类似比拟得出刚度理论，70 年代布莱克将这 种理论应用在分析冲击地压的问题上，在 1984 年达到极限强度后的应力应变曲线下 降段的刚度由佩图霍夫把矿山结构的刚度明确 [3]，这种理论称刚度理论。 （4）冲击倾向理论 后期国内外学者经过大量实验研究认为，冲击地压的发生不单是外部条件有关， 而且与内部因素也有很大的关系-与煤岩本身的物理学性质有很多的关，试验主要针 对寻求一种或一组指标来衡量煤岩介质产生冲击式破坏的能力，将这种能力称之为 冲击倾向 [4]。 （5）失稳理论 随着刚性试验机和伺服控制实验机等先进的现代测试技术的发展与应用，国内 外的学者们对冲击地压煤岩变形破坏机理有了更深一步的了解，认识到煤炭的突然 破坏实际上是破坏的不稳定形态，在 1983 年许多学者认为，不稳定取决于矿岩结构 理论不稳定的压力，因为煤炭转化为变形后的应变软化行为的煤的最终强度部分的 浓度，导致原来的系统分为两种不同类型的介质，以形成一个新的系统中，当在系 统的外部干扰的非稳定状态中发生不稳定的故障，不稳定能量释放在系统大于能耗， 多余的能量被转换成引起岩爆动能 [5]。 国内外一直对冲击地压的发生机理不断研究，但由于它自身的特点，目前仍无 法完全攻克此难题，目前它仍然是国内外学术界的重要研究课题，但经过多年的理 论研究与发生冲击地压的矿井实例结合，国内外学者还提出了很多经典的理论，例 如三准则理论，分形理论，突变理论，分叉理论，混沌学理论等 [6,7]。 1.3冲击地压预测技术的研究现状1.3冲击地压预测技术的研究现状 近年来对冲击地压预警的研究国内外专家倾注了很多的心血，但是由于其自身 的复杂性，现还没有建立一套成型的体系 [8]，也没有研究出成熟的理论和方法，现在 只能是从刚度，能量，稳定，强度等一些冲击现象进行实验研究，目前对冲击地压 的预测微观上主要可分为两种，一种是区域预测，一种是局部预测 [9]。 区域预测的主要方法有（根据开采地质条件就行研究分析的综合指数法，和运 用 FLAC 3D软件进行研究的数值模拟法） 和微震法。 综合指数法是早期的一种预测方法， 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 在进行工作面布置，采区设计对煤层冲击地压的监测方法。数值模拟研究方法是借 助 FLAC 3D软件进行数值模拟研究煤岩体的应力分布， 根据应力分布并结合已有理论进 行研究分析冲击危险区域的研究方法。微震法目前在再我国技术还不成熟，微震监 测法可以监测冲击地压发生地点，释放能量大小，震动频繁程度等，目前应用较少。 区域预测有它自身的优缺点，它的优点在于可以宏观的分析开采后应力分布大 小，不足之处是它不能准确的确定冲击地压发生地点，发生等级，释放能量的大小 等。 局部预测常用的方法有电磁辐射法，钻削法，声发射法等。电磁辐射法是根据 大量的实验研究与现场实际相结合发现，电磁辐射的强度与煤体应力分布状态有关， 在低应力区时，电磁辐射强度比较弱，在高应力区时，电磁辐射信号比较强，且变 化强度比较频繁，是通过监测煤体电磁辐射信号的强弱来预测煤体冲击危险程度的 [1113]。 钻削法是根据在煤体中打钻孔，根据测定煤粉量反映出的应力参数并结合一些 已有理论进行预测冲击冲击危险程度的一种方法，这种方法在预测冲击地压中也是 比较常用的方法，可信度比较高，但也存在自身的缺点如无法实现连续监测，而且 信息量比较少，另外受到操作人员的影响，影响准确性。 声发射监测方法属于接触式，它的传感器一定要与矿岩体很好的接触，但此监 测方法受外界干扰信号的影响，目前对外界干扰信号的识别计较困难，因此排除干 扰信号，实现定向监测，预测指标是当下之急。 另外对冲击地压危险性预测从宏观上也可分为两种一种是潜在危险性预测，另 一种是冲击危险性预测，目前冲击地压的预测技术已取得阶段性的成功 [10]，但还不 能从根本上准确预测预报，目前仍是国内外学者的重要的研究课题。 1.4研究方法及技术路线研究方法及技术路线 预测冲击地压有很多方法，但是由于岩体不稳定非线性特性的破坏，所以岩爆 灾害预测是极其复杂的，不同的预测方法是基于岩爆不同的机理得出来的，所以对 冲击地压灾害的影响因素有很多 [11]，其机理是比较复杂的，许多理论的提出，目前 还不能完全准确的预测冲击地压灾害，每个预测判断只是对单一的某个影响因素考 虑，预测精度不能完全满足煤矿安全生产要求 [12]。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 本文采用多种预测方法对南山矿进行冲击地压预测研究，主要进行两部分研究 分析 （一）综合分析预测 （1）通过分析南山矿的实际地质质料划分出冲击危险性） （2）根据开采技术条件划分冲击危险性 （3）基于岩石运动规律和采动应力场分布的采掘工作面危险性评价） （二）即时分析预测 （1）即时区域预测的微震监测预警分析 （2）即时局部监测电磁辐射预警分析 （3）即时点预测钻削预警分析。 通过以上方法划分出冲击危险区域并提出高危险区域的卸压方法，本文的核心技术 路线图如图 1.1。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6- 图1.1 主要技术路线图 重点区域预测 重点局部预测 制定冲击地压治理方案 综合各预测手段，得出冲击危险区 南山矿冲击地压预警研究 危险区域的综合指数判定 重点区域的数值模拟 高应力区的电磁辐射 危险区域的微震监测 钻屑判定危险源 内蒙古科技大学硕士学位论文 -7- 2南山矿冲击地压现象概述南山矿冲击地压现象概述 2.1矿井概况矿井概况 鹤岗矿区地处依舒断裂、青黑山断裂、黑龙江断裂所形成的三角形区内，区域 内差异性升降运动及断裂构造活动强烈。依舒断裂途经鹤岗 260 多公里，其西支主 干断裂临近鹤岗市城区，并经过矿震易发区，区域内构造地震与矿震相互作用，相 互诱发，地震地质构造背景复杂，同时受次级断裂青石山断裂带、鹤立河断裂带活 动的影响，存在发生中强度破坏性地震的地震地质构造背景，是中国地震局重点关 注、省政府确定的地震重点监视防御区。 南山煤矿位于鹤岗煤田中部,共有八个拐点圈定，南与大陆矿相邻，东部与振兴 矿，新一矿相连，东部 9 剖面以南深部以-320 标高为界，9 剖面往北以南 13 断层为 界。北与振兴矿的 5 号断层相邻。南北长 4.2 公里，东西宽平均 2.53 公里，矿区面 积 10.6365 平方公里。 井田东部和西部煤层走向北北东，倾向南东东，倾角 1035，南部三采区上 部为一个小背斜，但在矿区的中部为一构造短轴向斜，轴向北东向；轴向北东，在 井田北部 3 层、7 层、8 层、9 层南 5 断层附近有一背斜轴向 SE。井田中部煤层倾角 1015，是单层构造的缓倾斜煤层。 在井田的西部地区和东部地区具有比较复杂的断裂构造在井田的断裂发育地 区，拥有断层 140 个左右，其中以南字号断层落差严重，落差在 20 以上的大断层就 具有 85 条左右经过巷道和勘探实际见到的断层，断层走向是北东方向居多，有的是 纺锤状互相平行的，又或者是“人”字型的小断层。 设计开采 19 个可采煤层和局部可采煤层南北长 4.2 公里，二 00 五年核定能力 300 万吨/年，二 00 七年生产能力复核 300 万吨/年，目前，矿井原煤产量保持在 300 万吨/年。东西宽平均 2.53 公里，矿区面积 10.6365 平方公里，矿井分布如图 2.1。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -8- 图2.1 鹤岗矿区矿井分布示意图 内蒙古科技大学硕士学位论文 -9- 2.1.1 水文情况水文情况 本矿区水文地质类型为坚硬裂隙充水为主的矿床，矿井水的补给为垂直渗透为 主，以大气降水为主要补给来源[13]，因矿区地质构造相对来讲比较复杂，具有较多 的断层破碎带宽，当老区顶板垮落后，而形成很大的裂隙和塌陷坑，这此都是大气 降水补给井下的通道，因而雨季防水工作十分重要，要及时填好地裂、陷坑、挖排 水沟、修水泥渡槽等。矿区成立了专职防水机构，回填地裂，处理积水区。 2.1.2 地质情况地质情况 鹤岗矿区地层区划属准噶尔－兴安大区中的内蒙古－松花江地层区。鹤岗煤田 范围南起新华[14]，北至四方山、云山林场，西自煤系地层基底，东到云山林场园 头山桦树岗新华一线。地理坐标东经 13011′～13040′，北纬 4700′～4750′， 现把该区赋存的地层自下而上简述如下 1.元古界 下元古界麻山群（Pt1ms） 由下而上可以分为三组 十字山组 （