深部复杂厚煤层冲击地压防治技术研究.pdf

分类号分类号 TD324TD324密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 深部复杂厚煤层冲击地压深部复杂厚煤层冲击地压深部复杂厚煤层冲击地压深部复杂厚煤层冲击地压 防治技术研究防治技术研究防治技术研究防治技术研究 田田 志志 超超 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称工程力学工程力学 指导教师姓名指导教师姓名潘潘 立立 友友职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○○○八年五月八年五月 论文题目论文题目论文题目论文题目 深部复杂厚煤层冲击地压深部复杂厚煤层冲击地压深部复杂厚煤层冲击地压深部复杂厚煤层冲击地压 防治技术研究防治技术研究防治技术研究防治技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名 田田 志志 超超入学时间入学时间入学时间入学时间2005200520052005 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称专业名称 工程力学工程力学研究方向研究方向研究方向研究方向岩土力学及工程岩土力学及工程 指导教师指导教师指导教师指导教师 潘潘 立立 友友职职职职称称称称教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2008200820082008 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 STUDYSTUDYSTUDYSTUDY ONONONON PREVENTIONPREVENTIONPREVENTIONPREVENTIONANDANDANDANDCONTROLCONTROLCONTROLCONTROL TECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGYOFOFOFOF ROCKROCKROCKROCK BURSTBURSTBURSTBURST OFOFOFOF DEEPDEEPDEEPDEEP COMPLEXCOMPLEXCOMPLEXCOMPLEX THICKTHICKTHICKTHICKSEAMSEAMSEAMSEAM A A A ADissertationDissertationDissertationDissertation tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements ofofofof thethethethe degreedegreedegreedegree ofofofof MASTERMASTERMASTERMASTER OFOFOFOF ENGINEERINGENGINEERINGENGINEERINGENGINEERING fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology ByByByBy TianTianTianTian ZhichaoZhichaoZhichaoZhichao SupervisorSupervisorSupervisorSupervisor ProfessorProfessorProfessorProfessorPanPanPanPan LiyouLiyouLiyouLiyou CollegeCollegeCollegeCollegeofofofof NaturalNaturalNaturalNaturalResourcesResourcesResourcesResourcesandandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEngineeringEngineeringEngineeringEngineering MayMayMayMay 2008200820082008 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它 任何学术机关作鉴定。任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclaredeclare thatthatthatthat thisthisthisthis dissertation,dissertation,dissertation,dissertation, tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements forforforfor thethethethe awardawardawardaward ofofofof MasterMasterMasterMaster ofofofof PhilosophyPhilosophyPhilosophyPhilosophy inininin ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand Technology,Technology,Technology,Technology, is is is is whollywhollywhollywholly mymymymy ownownownown workworkworkwork unlessunlessunlessunless referencedreferencedreferencedreferenced ofofofof acknowledge.acknowledge.acknowledge.acknowledge. TheTheTheThe documentdocumentdocumentdocument hashashashas notnotnotnot beenbeenbeenbeen tedtedtedtedforforforforqualificationqualificationqualificationqualificationatatatat anyanyanyanyotherotherotherotheracademicacademicacademicacademic institute.institute.institute.institute. SignatureSignatureSignatureSignature DateDateDateDate 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 当前煤矿中的冲击地压已成为煤矿安全生产的重大危害，煤矿矿井中，煤层、顶板 和底板构成一个平衡系统。本文在基于现有研究成果的基础上，主要利用弹塑性力学、 损伤力学、岩石力学等有关理论，以力学理论推导和力学模型分析为主，同时结合现场 实测等手段对深部复杂厚煤层冲击地压防治做具体的分析和研究，重点研究深部构造复 杂煤层的综放开采冲击地压的防治以及其巷道围岩的变形破坏。通过力学公式的推导， 确定了端面顶板和底板失去应力平衡后发生破坏的极限区域、具体的损伤变量和深部复 杂煤层支承压力粘弹性损伤解析公式。通过对构造区域应力和上山煤柱的危险性进行分 析，确定了三个基本假设，并计算出应力极限平衡区高度及采空区边缘极限平衡区高度， 同时根据能量之间的转化关系，得出煤柱破坏失稳的力学条件判据。采用 RFPA 和 FLAC 两种数值模拟软件对应力高度集中煤柱的卸压巷进行了不同位置数值模拟，确定了卸压 巷的合理位置，同时还验证了该煤柱倾向支承压力分布的正确性。结合现场对防治技术 的应用和对巷道围岩变形的监测，确定了煤柱动静状态下的危险区域，并提出具体的解 危措施，实践应用结果表明，理论研究成果与现场具有较好的一致性，对现场的实践工 作起到了良好的指导作用，并完善了深部复杂厚煤层开采的动压防治理论与方法。 关键词关键词关键词关键词应力极限平衡 构造复杂煤层动压现象 卸压巷现场实测 防治技术 山东科技大学硕士学位论文摘要 AbstractAbstractAbstractAbstract The rock burst has been a major hazard of safety production in current coal mine. The coal seam,roof and floor constitute a balance system. Based on the existing results of research, by main use of elastic-plastic mechanics, damage mechanics , rock mechanics, and other relevant theories, this paper does specific analysis and research on prevention and control technology of rock burst of deep complex thick seam, and focuses on prevention and control of comprehensive caving rock burst of deep complex thick seam as well as its deation and damage to the roadway depending on the derivation of mechanics theory and analysis of mechanical model and by means of field measurements.Through the the derivation of mechanics ula, the roof and the limits of the region after the end-floor has lost balance of the destruction of stress, the specific damage variable and support pressure viscoelastic injury analytical ula of complex deep seam are determined. Through the danger analysis of regional tectonic stress and the mountain of coal pillar, three basic assumptions are identified and the height of limited equilibrium district stress and the height of gob edge are calculated. Furthermore,according to the transation relationship of energy, the mechanical conditions criterion of pillar damage instability is obtained. Numerical simulations to on different locations of the stress highly concentrated coal-lane are relieved by means of two simulation softwares,which are RFPA and FLAC, to determine the reasonable position of relieving lane and show the correctness of the tendency of coal-bearing pressure distribution. Combined with the application of control technology and the monitor of roadway deation, the dangerous region is determined under the static and dynamic state of the coal pillar, and specific measures to resolve danger are proposed. The practical application results show that the theoretical research results and the scene have so good consistency that it plays a important role in guiding the practice of on-site work and thus the prevention and control theory and of comprehensive caving rock burst of deep complex thick seam is improved. K Keywordseywords limitstressbalance,complexstructuresseam,dynamicpressure phenomenon, relieving Roadway, field Measurement, control techniques 山东科技大学硕士学位论文目录 I 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论1 1 1 1 1.1 课题的提出及研究意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 本文研究的主要内容7 2 2 2 2 工程理论基础分析工程理论基础分析工程理论基础分析工程理论基础分析9 9 9 9 2.1 端面顶板稳定性分析9 2.2 底板岩层受力状态稳定性分析14 2.3 煤壁片帮特征分析18 2.4 本章小结21 3 3 3 3 深部复杂煤层应力分布研究深部复杂煤层应力分布研究深部复杂煤层应力分布研究深部复杂煤层应力分布研究22222222 3.1 深部复杂煤层采场顶板结构力学分析22 3.2 深部巷道围岩变形破坏特征分析29 3.3 深部复杂煤层煤柱应力分布研究31 3.4 本章小结34 4 4 4 4 深部构造复杂煤层应力数值模拟研究深部构造复杂煤层应力数值模拟研究深部构造复杂煤层应力数值模拟研究深部构造复杂煤层应力数值模拟研究35353535 4.1 构造区域应力环境分析35 4.2 煤柱动压现象危险性数值模拟研究39 4.3 深部构造复杂煤层冲击地压防治技术研究56 4.4 本章小结63 5 5 5 5 工程实践应用工程实践应用工程实践应用工程实践应用64646464 5.1 工程概况64 5.2 工程现场监测冲击地压防治技术研究66 5.3 解危技术72 5.4 本章小结73 6 6 6 6 主要结论主要结论主要结论主要结论74747474 致致致致 谢谢谢谢76767676 参考文献参考文献参考文献参考文献77777777 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果81818181 山东科技大学硕士学位论文目录 II Contents 1 1 1 1I I I Introductionntroductionntroductionntroduction1 1 1 1 1.1Raising and Significance of Project1 1.2History and Present Situation of the Study at Home and Abroad2 1.3Main Content of This Paper7 2 2 2 2AnalysisAnalysisAnalysisAnalysis ofofofof TheoreticalTheoreticalTheoreticalTheoretical FoundationFoundationFoundationFoundation9 9 9 9 2.1StabilityAnalysis of End-roof9 2.2StabilityAnalysis of Force State atThe Rock Bottom14 2.3Analysis of Coal-help Features18 2.4Brief Summary21 3 3 3 3RearchRearchRearchRearch onononon StressStressStressStress DistributionDistributionDistributionDistribution ofofofof D D D Deepeepeepeep C C C Complexomplexomplexomplex T T T Thickhickhickhick SeamSeamSeamSeam21212121 3.1Structure Mechanical Analysis of Stope Roof22 3.2Analysis of Damage Characteristics of Rock Deation in Deep Roadway29 3.3Study on Coal-stress Distribution of Deep Complex Thick Seam31 3.4Brief Summary34 4 4 4 4RearchRearchRearchRearch onononon StressStressStressStress SimulationSimulationSimulationSimulation ofofofof DeepDeepDeepDeep structuralstructuralstructuralstructural C C C Complexomplexomplexomplex T T T Thickhickhickhick SeamSeamSeamSeam35353535 4.1Analysis of Stress Environment in TheTectonic Region35 4.2Simulation of Dangerous Phenomenon of Pillar’s Dynamic Pressure39 4.3Prevention and Control Technology of Rock Burst of Deep Complex Thick Seam56 4.4Brief Summary63 5 5 5 5ApplicationApplicationApplicationApplication EngineeringEngineeringEngineeringEngineering PracticePracticePracticePractice64646464 5.1Project Overview64 5.2Prevention and Control Technology of Rock Burst’s On-site Monitoring66 5.3Technology of Solving Danger72 5.4Brief Summary73 6 6 6 6MainMainMainMain ConclusionConclusionConclusionConclusion 74747474 ThanksThanksThanksThanks76767676 MainMainMainMain WorkWorkWorkWorkAchievementAchievementAchievementAchievementofofofof thethethetheAuthorAuthorAuthorAuthor duringduringduringduring WorkingWorkingWorkingWorking onononon MasterMasterMasterMasterPaperPaperPaperPaper77777777 ReferenceReferenceReferenceReference DocumentsDocumentsDocumentsDocuments81818181 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 目前我国的能源结构仍以煤炭为主,随着煤炭工业现代化开采速度的提高， 开采的深 度迅速加大，冲击地压也变得日趋严重，特别是深部复杂厚煤层开采的冲击地压安全防 治已显得极为迫切。 煤矿冲击地压又称煤爆，它是一种发生在井巷或者回采工作面围岩（煤）体内，以 突然、急剧、猛烈破坏为特征的动力现象。常伴有巨大响声、煤体振动和冲击波。它往 往造成采掘空间中支护设备的破坏及采掘空间的变形， 严重造成人员伤亡和井巷的破坏， 甚至引起地表塌陷而造成局部地震。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。灾害是以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩变形能，煤岩被抛出，造成支架损 坏，巷道堵塞，并产生巨大的响声和岩体震动，震动时间从几秒到几十秒，冲出的煤岩 从几吨到几百吨，记录到的矿山最大震级已超过里氏 5 级。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问题。 国际上主要井工开采的国家的冲击地压也都十分普遍。目前，包括我国在内，德国、 南非、前苏联、波兰、美国、加拿大、日本等 20 多个国家和地区受到冲击地压灾害的威 胁。如在前苏联的基泽尔煤田，80 年代前 194 个矿井中的 847 个煤层具有冲击危险性， 并发生了 750 次有严重后果的冲击地压；波兰全国 67 个煤矿中 36 个煤矿的煤层具有冲 击危险性， 自 1949 年至 1982 年， 共发生破坏性冲击地压 3097 次； 德国从 1949 年至 1978 年，共发生破坏性冲击地压 1001 次。因此，鉴于冲击地压发生的广泛性、多发性和严重 性，国际上对冲击地压的研究给予了极大的关注。 我国最早记录的冲击地压于 1933 年发生在抚顺胜利矿， 随后， 在北京矿务局的门头 沟、房山、城子、大沟峪、大台、木城涧等 6 个矿井，开滦矿务局的唐山矿等 2 个矿井， 抚顺的龙凤、老虎台矿，南桐的矸石台、南桐矿，枣庄的陶庄、八一、柴里等矿井，大 同忻州窑、煤峪口、永定庄等矿井，沈阳中心台矿，北票台吉矿 ，阜新高德、五龙矿， 通化铁厂矿，舒兰营城矿，鹤岗南山矿，鸡西滴道矿，天池、五一，擂鼓、花鼓山、冰 沟等地方煤矿都发生了严重的冲击地压。 我国煤矿总体数量大，进入深部开采的矿井数目较多，而且在这些矿井中，有相当 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 一部分大型骨干矿井（如开滦、新汶、徐州等） 。在我国预测的煤炭总储量中，有 73％ 左右的储量埋深超过 600m。 随着煤炭资源的不断开发， 越来越多的矿井进入了深部开采 ， 并且有的煤矿深部规则型煤层已开采完毕。 近几年来，煤层开采深度的增加、开采范围的扩大，并且开采的边界条件也变得越 来越复杂，深部复杂厚煤层高应力冲击地压发生的灾害性破坏也越来越严重，如开滦的 赵各庄矿、新汶的华丰矿、枣庄的八一矿、欢城矿、兖矿的东滩矿、南屯矿等都不同程 度的发生了灾害性冲击地压。最近，在深部厚煤层开采的工作面也发生了冲击地压，深 部复杂厚煤层的冲击地压问题日益凸出，但到目前为止，对深部复杂厚煤层的冲击地压 控制研究还没有建立符合实际的、有效的安全防治技术措施。这样使得对深部复杂厚煤 层开采的安全性已显的更为迫切，因此本课题研究深部复杂厚煤层开采的冲击地压安全 防治技术 （方法） ， 对控制深部复杂厚煤层的冲击地压具有极为重要的理论指导和较强的 应用价值。 1.21.21.21.2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 冲击地压是采掘活动的结果，由于开挖对原有地应力场产生扰动，当应力的再分布 使煤（岩）体达到破坏的临界状态时，某些外界因素便可能诱发冲击破坏。冲击地压的 发生是动态的，但它的孕育过程是静态的。是由静态变形到失稳破坏的力学过程，是一 个兼有动、静两种属性过程，需要建立一个能兼有动、静两种性能的理论及相应的研究 方法。 1.2.11.2.11.2.11.2.1 冲击地压冲击地压冲击地压冲击地压理论研究现状理论研究现状理论研究现状理论研究现状 冲击地压作为岩石力学的重大难题之一，冲击地压的发生和发展过程是一个极难用 数学手段模拟的动力失稳过程，而煤（岩）体本身是非均匀的各向异性体，所以冲击地 压的研究十分缓慢。由于各国学者在对冲击地压现场调查研究及实验室研究的基础上相 继提出了一系列的理论，按照现代力学观点对冲击地压从不同角度提出了一系列的重要 理论，主要有以下几种强度理论、刚度理论、冲击倾向性理论、能量理论以及断裂、 损伤理论等。 其中较早的理论为强度理论，该理论早期认为，冲击地压是煤岩局部应力超过强度 而发生的，并对煤岩体形成应力集中的原因提出了各种假说，如压力拱理论和悬壁梁理 论等， 这一理论称为冲击地压的强度理论。 强度理论进一步发展为近代强度理论， 以 “矿 体－围岩”系统为研究对象，考虑了系统的极限平衡。 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 70 年代强度理论得到进一步的发展，提出了煤岩的夹持理论，该理论较好的揭示了 煤体－围岩力学系统的极限平衡条件。 强度理论解释了冲击地压的一些现象， 具有简单、 直观和便于应用的特点，但对冲击地压动力学特征的描述不够，特别是对于采场周围煤 岩体经常出现局部应力超过其强度极限的现象，但并没有都发生冲击地压，只有少数情 况发生突然破坏形成冲击地压，强度理论无法解释这些事实，这说明强度理论提出的判 据不够充分。 刚度理论是由 Cook 等人在 60 年代根据刚性压力机理论而得到的。认为试件的刚度 大于试验机构的刚度时，破坏是不稳定的，煤岩呈现突然的脆性破坏。70 年代，Black 将矿柱视为矿山结构的刚度大于矿山负荷系统（围岩）的刚度是产生岩爆的必要条件。 Petukhov 在他的冲击地压机理模型中引入了刚度条件， 并明确认为矿山结构的刚度是达 到峰值强度后其载荷－变形曲线下降段的刚度。这一理论简单、直观，但矿山负荷系统 的划分、刚度的概念及如何确定矿山结构的刚度是否达到峰值强度后的刚度是一难题； 该理论没有考虑到矿山结构与矿山负荷系统本身可以储存和释放能量。 按照现代力学观点， 冲击倾向性理论是指煤岩介质产生冲击破坏的固有能力或属性。 煤岩体冲击倾向性是产生冲击地压的必要条件。冲击倾向理论是波兰和前苏联学者提出 的，我国学者在这方面做了大量的工作，提出用煤样的动态破坏时间（Dt） 、弹性能指数 （）及冲击能量指数（）三项指标综合判别煤的冲击倾向的实验方法，提出了两 ET W E K 个冲击倾向性指标弹性能指数、冲击能量指数。弹性能指数计算方法是对煤层 ET W E K 进行单轴压缩试验， 达到峰值的 8090时再卸载， 弹性能量为ΦSP，损失能量为ΦST, 则弹性能指数为 ΦSP/ΦST1.1 ET W 冲击能量指数是利用煤的全过程应力应变曲线，设峰值前的面积为,峰值后的面 S F 积为,则冲击能量指数为 X F /1.2 E K S F X F 认为当这两个冲击倾向性指标大于某个值时，就会发生冲击地压，这一理论称为冲 击倾向理论。至今煤炭部门还在沿用这一指标，并制定了标准，如表 1.1 所示。 显然，用一组冲击倾向理论指标评价煤岩体本身的冲击危险具有实际的意义，并 已得到了广泛的应用。然而，冲击地压的发生与采掘和地质环境有关，而且实际的煤岩 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 物理力学性质随地质开采条件不同而有很大的差异，实验室测定的结果往往不能完全代 表各种环境下的煤岩性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。 表 1.1 冲击地压危险指标 Table1.1 Rock burst risk indicators 大量的现场调查表明，具有相同冲击倾向性的煤层，甚至同一煤层，只有少数区域 发生冲击地压，大多数区域不发生冲击地压。而且许多属于强冲击倾向性的煤层并不发 生冲击地压，而某些冲击性很弱或无冲击性的煤层却发生了冲击地压，可见冲击倾向性 理论的不足。 随着理论体系的不断完善，有的学者提出了能量理论，能量理论是从能量转化方面 解释冲击地压的成因。该理论认为矿体－围岩系统在其力学平衡状态破坏所释放的能量 大于所消耗的能量时发生冲击地压。能量理论可以解释一些现象，但它把煤岩体看成纯 弹性的，不符合冲击地压是煤岩破坏的事实；该理论没有说明平衡状态的性状及其破坏 条件，特别是围岩能量释放的条件，缺乏必要的判据和条件。 在研究强度理论、能量理论和冲击倾向理论所提出的冲击地压的判据基础上，我国 学者李玉生等把强度准则视为煤岩的破坏准则，作为冲击地压发生的必要条件；把能量 准则和冲击倾向性理论度视为煤岩突然破坏的准则，作为冲击地压发生的充分条件。认 为，当三个准则同时满足，才是判定冲击地压发生的充要条件。该理论没有给出三个准 则的具体形式，且需要确定的参数太多，使用不方便。 我国学者章梦涛等人提出了失稳理论，该理论认为冲击地压是煤岩的一种材料失稳 破坏现象，认为煤岩受采动而在采场周围形成应力集中，煤岩变成软化材料，当处于不 稳定状态时，在外界扰动下，发生冲击地压，提