深部开采坚硬顶板冲击地压特征及控制.pdf

论文题目深部开采坚硬顶板冲击地压特征及控制 专 业安全技术及工程 硕 士 生邢立杰许 签名 指导教师李树刚刚 签名 许满贵 签名 摘 要 集贤煤矿现已接近深部开采阶段，冲击地压事故时有发生，给集贤煤矿的安全高 效回采带来巨大的压力。因此，研究集贤煤矿冲击地压规律及其防治尤为重要。 本文针对集贤煤矿冲击地压问题，采用了现场调研和理论分析方法，分析了集贤 矿冲击地压发生的特点、因素、原因。通过实验室测定煤岩体力学参数及冲击倾向性 指标，得出了集贤矿西二采区的煤样具有弱冲击倾向、岩样无冲击倾向的结论；依据 西二采区的地质条件，运用 RFPA 数值模拟软件，确定深孔断顶爆破孔的深度并寻找 动载源，划分了西二采区左一片工作面的冲击危险区域。根据集贤煤矿冲击地压发生 原因分析结果，制定了西二采区左一片工作面冲击地压防治方案，利用大直径煤体钻 孔卸压和深孔断顶爆破技术手段解除或消弱冲击危险性， 综合运用电磁辐射法、 KJ550 应力计法、钻孔窥视法和微震法等监测手段，对西二采区左一片工作面的围岩应力进 行监测、预报，以及大直径煤体钻孔卸压和深孔断顶爆破的效果检验，证明了该方案 的可行性。 该方案的实施，实现了煤岩层的卸压，从而防治冲击地压动力现象的发生，为该 矿乃至整个矿区冲击地压危险性评价及防治提供指导。 关 键 词冲击地压；数值模拟；动载源；防治方案；效果检验；动力现象 研究类型应用研究 资助项目国家自然科学基金（51304154） 、 （51174157） 万方数据 万方数据 Subject Research on The Characteristic and Control Technology of Rock Burst under The Condition of Deep Mining and Hard Roof Specialty Safety Technology and Engineering Name Xing Li Jie Zhang W （（Signature）） InstructorLi Shugang L （（Signature）） Xu Mangui Shuga （（Signature）） ABSTRACT JiXian coal mine has entered the stage of deep mining, rock burst happened very often, it brings great pressure to the safe and efficient production of JiXian coal mine. As a result, it is particularly important to do a research on the rules of rock burst and its prevention and control in JiXian coal mine. The dissertation contrapose the problem of rock burst in JiXian coal mine, analyzed the characteristics and factors of rock bursts occurred in JiXian mine by using the of field investigation and theoretical analysis. Mechanics parameters and impact tendency index of coal and rock of 2 west mining area have been determined in the laboratory, the results show that the coal sample with weak impact tendency, and rock sample with no impact tendency. According to the geological conditions of 2 west mining area, the depth of the deep hole blasting and the location of dynamic load sources have been determined by using numerical simulation software RFPA, and the danger zones of impact have been divided in left 1 working face of 2 west mining area. Based on the cause of rock burst, the prevention scheme for rock burst has been ulated Use the technology of large- diameter drilling and deep hole blasting to remove or weaken the risk of rock burst, and integrated use monitoring s of electromagnetic radiation, KJ550 stress meter, borehole imaging and microseisms, monitoring and forecast the stress of surrounding rock, and test the effect of large- diameter drilling and deep hole blasting, it is proved the feasibility of the scheme. The industrial tests have realized the pressure relief of coal and rock strata, controlled the rock burst effectively, and provide guidance for the mine and even the whole mining area to uate hazard and prevent rock burst. Key wordsrock burst; numerical simulation; source of dynamic load; prevention scheme; effect test; dynamic phenomenon Thesis Application Study Funded projectsThe national natural science foundation（51304154） 、 （51174157） 万方数据 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 ............................................................................................................... 1 1.2 冲击地压研究现状 ........................................................................................................... 2 1.3 存在问题 ........................................................................................................................... 4 1.4 研究内容、研究目标和技术路线 ................................................................................... 4 1.4.1 研究内容 ................................................................................................................... 4 1.4.2 研究目标 ................................................................................................................... 5 1.4.3 技术路线 ................................................................................................................... 5 2 集贤煤矿冲击地压发生特点及其发生原因分析 ................................................................. 6 2.1 矿井概况 ........................................................................................................................... 6 2.1.1 煤层及开采技术条件 ............................................................................................... 6 2.1.2 西二区左一片工作面概况 ....................................................................................... 7 2.1.3 地质构造 ................................................................................................................... 8 2.2 集贤煤矿冲击地压灾害 ................................................................................................... 9 2.2.1 冲击地压事故介绍 ................................................................................................... 9 2.2.2 冲击地压事故危害 ................................................................................................. 11 2.3 集贤煤矿冲击地压发生特点 ......................................................................................... 11 2.4 集贤煤矿冲击地压影响因素 ......................................................................................... 12 2.5 矿井冲击地压发生原因分析 ........................................................................................ 12 2.5.1 区段煤柱应力集中 ................................................................................................. 12 2.5.2 坚硬顶板应力集中 ................................................................................................. 12 2.6 本章小结 ......................................................................................................................... 13 3 煤（岩）样物理力学参数测试及冲击倾向性实验 ........................................................... 14 3.1 取样与加工 .................................................................................................................... 14 3.1.1 取样目的 ................................................................................................................. 14 3.1.2 取样要求 ................................................................................................................. 14 3.1.3 取样 ......................................................................................................................... 15 3.1.4 试样加工与实验 ..................................................................................................... 15 3.2 煤（岩）样物理力学参数测试实验 ............................................................................ 17 3.3 煤层的冲击倾向性实验 ................................................................................................ 20 万方数据 目录 II 3.3.1 煤层倾向性指标 ..................................................................................................... 20 3.3.2 实验 ......................................................................................................................... 21 3.3.3 实验结果及分析 ..................................................................................................... 21 3.4 岩样的冲击倾向性实验 ................................................................................................ 23 3.4.1 岩样的冲击倾向性指标 ......................................................................................... 23 3.4.2 实验 ......................................................................................................................... 24 3.4.3 实验结果及分析 ..................................................................................................... 24 3.5 本章小结 ........................................................................................................................ 26 4 回采顶板跨落数值模拟及工作面冲击危险区分布 ........................................................... 27 4.1 RFPA 的原理 .................................................................................................................. 27 4.2 回采中顶板垮落诱发冲击数值模拟 ............................................................................ 27 4.2.1 数值模型 .................................................................................................................. 27 4.2.2 计算结果及分析 ...................................................................................................... 28 4.3 基于岩层移动的西二采区工作面冲击危险区分布 ..................................................... 32 4.3.1 第一危险区工作面回采接近本工作面老顶初次跨落 .................................. 32 4.3.2 第二危险区工作面“见方”阶段 ....................................................................... 32 4.3.3 第三危险区双工作面“见方”阶段 ................................................................... 33 4.3.4 第四危险区断层区域 ...................................................................................... 33 4.3.5 第五危险区三工作面“见方”阶段 ................................................................... 34 4.3.6 第六危险区停采线附近 .................................................................................. 34 4.4 本章小结 ......................................................................................................................... 35 5 西二采区左一片冲击地压防治技术工业性试验 ............................................................... 36 5.1 集贤煤矿冲击地压的预测技术 .................................................................................... 36 5.2 集贤冲击地压防治方法 ................................................................................................ 37 5.2.1 大直径煤体钻孔卸压技术 ..................................................................................... 37 5.2.2 深孔顶板爆破断顶技术 ......................................................................................... 38 5.3 冲击地压防治效果检验方法 ......................................................................................... 48 5.3.1 钻孔窥视效果检验 ................................................................................................. 48 5.3.2 电磁辐射效果检验 .................................................................................................. 49 5.3.3 KJ550 效果检验 ....................................................................................................... 51 5.3.4 微震效果检验 .......................................................................................................... 52 5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 52 6 结论及展望 .......................................................................................................................... 53 万方数据 目录 III 6.1 主要结论 ........................................................................................................................ 53 6.2 研究展望 ........................................................................................................................ 53 致 谢 ...................................................................................................................................... 55 参考文献 .................................................................................................................................. 56 附 录 ...................................................................................................................................... 62 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 矿井开采深度以每年近 10～20m 的速度向深部延伸[3]， 一些以前没有发生过冲击 地压的矿井，现在已经开始发生；以前发生过冲击地压的矿井，现在冲击强度越来越 大，频率越来越高[1,2]。此外，冲击地压还可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯、煤 尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，强烈的冲击地压还会造成地面建筑物的破坏 和倒塌等[4,5]。因此，冲击地压是煤矿重大灾害之一[6]。 国内在“深部”这一概念上至今也没有明确的概念或划分标准，而国外采矿、岩 土工程界专家学者认为深部随着开采深度增加，工程岩体开始出现非线性力学现象 的深度即为深部开采[7]。 根据国外的概念可得出，集贤煤矿现在开采水平已经达到- 600m，接近于深部开 采阶段，受地质条件、围岩性质、采掘工艺、支护方式等各方面因素的影响。冲击地 压对工作面和巷道造成了不同程度的破坏，随着机械化程度不断的提高，回采速度不 断加快， 采掘深度也不断加深， 冲击地压发生的频率越来越高， 危险程度也不断增大， 己经成为集贤煤矿进行安全、高效生产的严重问题之一。 从该矿井煤岩层地质赋存情况来看，煤层顶底板为较厚的细砂岩（近 10m） ，符 合稳定、坚硬、完整的顶底板类型。研究表明[8,9]，在受到采动影响条件下，厚层坚 硬顶板能将积聚在其中的弹性势能以急剧猛烈的方式突然释放出来，从而形成动载 源，以致诱发冲击地压或矿震。 尽管集贤煤矿已经就冲击地压的监测预测与治理方面开展了相关的研究， 也取得 了一定的科研成果，但随着矿井开采深度的逐渐延伸，开采条件更加的趋于复杂，冲 击地压事故仍不断发生，事故没有得到有效的遏制，给矿井的安全高效开采带来了巨 大的压力。可见，针对深部复杂条件的冲击地压问题，仍需要进一步深入开展深部冲 击地压危险性评价及防治解危方法的研究，加大科研攻关的力度。 因此，为了充分 解决集贤矿冲击地压问题， 本论文在充分吸取国内外在冲击地压的监测预测与治理技 术方面的先进经验基础上，结合集贤矿实际条件，利用大直径煤体钻孔卸压和深孔断 顶爆破两种冲击地压治理方法对西二采区左一片工作面冲击地压进行卸压解危， 使其 该工作面的冲击地压达到弱化或消除的目标。 本论文的研究成果将为集贤煤矿西二采 区左一片工作面治理冲击地压工作提供很好的借鉴作用。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 冲击地压研究现状 长久以来，冲击地压问题一直受到国内外学者和工程界的关注，在冲击地压研究 过程中，国内外学者相续提出了强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、组 合冲击地压发生理论和失稳理论等众多理论。 （1）强度理论 认为煤（岩）一旦超过自身强度极限时就会发生冲击破坏，基于这一认识，人们 在冲击地压的研究过程中，开始关注这一现象。这其中典型代表是布霍依诺的夹持煤 体理论[10]， 但这仅仅是对材料破坏一般规律的认识， 不能深入了解冲击地压的真实机 理。该理论没有研究“矿体围岩”系统力学平衡状态破坏发生的条件，不能对冲击 地压的发生进行预报。 （2）刚度理论 刚度理论是压力试验机出现以后， 最早由 Petukhov[19]和后来的 Cook[14]及 Diest[20] 认识到岩石试件在刚度较小的柔性试验机上的动态破坏而得出的。研究表明[17,18]，刚 度比较只是试验机与岩样组成的系统平衡状态稳定性的判别准则， 至于发生失稳以后 过程的稳定性还需要补充新的判别准则。因而刚度比较是没有意义的，冲击地压刚度 理论提出的判据使用不方便，而且做出的判断也不可信，甚至难于作出判断。 （3）能量理论 Cook[15,16]等人根据南非十五年来冲击地压研究的总结， 分析了南非金矿采用长壁 法开采时，能量释放率和岩爆次数的关系。其他许多学者佩图霍夫等对地下开挖的能 量结构进行了分析，并且提出了用解析式表达的能量或能量释放率的关系式作为判 据。这些理论都是从能量的观点来阐述的，故可统称为能量理论。能量理论没有研究 冲击发生的机理，没有指出系统力学平衡状态破坏发生的条件，没有说明平衡状态的 破坏是否就一定会出现系统释放的能量大于消耗能量的现象。 所以能量理论提出的冲 击地压发生的判据缺乏了必要条件，不能对冲击地压的发生进行预报，需要作进一步 补充。 （4）冲击倾向性理论 该理论认为发生冲击地压的介质都具有一些特殊的物理力学性质， 因而可以用一 种或一组指标来衡量煤（岩）介质产生冲击式破坏的潜在能力。我国学者提出煤样动 态破坏时间[39,40]、弹性能指数[36,37]、冲击能指数[38]三项指标的综合判别煤冲击倾向的 试验方法。赵本钧等[41]认为指标本身是根据冲击地压发生理论提出的。 冲击倾向是煤（岩）的固有属性，因而可以通过实验室对煤（岩）试样的测试得 到一些指标，用这些指标将不同煤层的煤进行比较判别，就能事先大致估计煤层发生 冲击地压的危险程度。王淑坤[12]、鲜学福[13]等提出运用模糊数学综合评价岩爆的倾 万方数据 1 绪论 3 向性方法，对岩爆的倾向性进行综合评价。 （5）组合冲击地压发生理论 由于上述几种关于冲击地压的发生理论存在不同的缺陷， 李玉生等在上述理论研 究的基础上（不是在对冲击地压机理研究基础上）提出了一种设想，将强度理论提出 的强度准则，看作煤（岩）发生破坏的判据，作为必要条件，而把能量理论和冲击倾 向理论提出的准则作为煤（岩）突然破坏的充分条件。齐庆新[34,35]认为，冲击地压发 生的过程是煤岩地层受力的瞬间粘滑过程。 该理论是作为机理模型提出的，但机理是现象发生的物理过程，研究机理的目的 是要搞清冲击地压发生前后的主要真实的过程，以作为建立冲击地压发生理论的基 础。而判据的研究属于冲击地压发生理论，将其作为机理模型是不合适的。由于只是 将从不同观点建立的关于冲击地压发生理论所提出的判别准则加以简单的组合， 没有 共同的物理基础，这些准则之间缺乏内在、本质的联系。对于实际问题，由于影响因 素较多，各参数几乎无法确定。 （6）煤（岩）失稳理论 1979 年，Salamon 等[21]提出，煤岩进入峰值强度后，进一步增加应变，相对应 的应力反而下降，出现应变软化。后来，Zubelewicz 等[22]，把冲击地压作为动力非稳 定问题，Lippmann[23]认为，引起冲击地压发生的原因是煤层与顶底板之间瞬时发生 相对滑移。这时人们就开始关注由失稳所引起的冲击地压问题。章梦涛教授[11]提出 煤岩变形进入了峰值强度后出现应变软化现象。梁冰、章梦涛[24]运用有限元数值计 算方法，对开采过程中采区冲击地压的发生情况进行了数值实验预测。王来贵等[25] 运用岩体的振动与断层间的刚体错动的叠加的方法， 解释了不连续面冲击地压发生的 动力失稳过程。齐庆新等[26]认为冲击地压是煤岩结构体摩擦滑动的粘滑失稳过程 Dyskin[27]提出了单裂纹失稳扩展的二维模型。张晓春、缪协兴等[28- 29]研究了片帮型冲 击地压的发生机理。缪协兴、安野等[30]建立了岩（煤）壁中滑移裂纹扩展的冲击地压 模型；周晓军、鲜学福[31,32]以粘弹性本构模型和微元统计损伤本构模型，对煤岩体变 形失稳的条件进行了研究。 （7）非线性科学在冲击地压研究中的应用 近年来，随着实验条件的改善和分析理论的发展，利用岩石的全应力应变曲线 岩石的本构方程，引入数学力学方法来分析岩体的非线性方法较为流行，常见的有 突变理论、断裂力学、分叉理论、分形理论等分析方法。这些理论处于起步阶段，与 现场应用还有一定差距。 唐春安等[42]运用突变理论对岩石断裂失稳、 冲击地压作了大 量的研究。潘一山等[43]用突变理论分析了冲击地压发生的物理过程。尹光志等[44]建 立了描述煤岩体失稳的尖点突变模型。 徐曾和等[45]建立了坚硬顶板条件下煤柱岩爆的 尖点突变模型。 潘岳等[46]建立了折断式顶板大面积冒落的尖点突变模型。 宋维源等[47] 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 考虑了冲击地压的非线性动力模型，并用该模型对冲击地压进行预测预报。潘一山等 [48]利用冲击地压的观察资料进行反演，建立了冲击地压的混沌模型。 朱清安等[49]研 究了冲击地压的混沌特性。 李洪等[50]在工作面电磁辐射脉冲时间序列的基础上， 利用 非线性时间序列分析方法， 通过提取最大 Lyapunov 指数来作为冲击地压的预测模型。 谢和平[51]、 李玉等[52]利用分形几何学Fractal Geometry的方法来研究冲击地压发生 的机理和预测预报。Huang、Turcotte[54]研究了 San