忻州窑矿冲击巷道支护设计研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 忻州窑矿冲击巷道支护设计研究 英文题目英文题目 The impact of Xinzhouyao mine roadway Supportdesign and research 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 王小亮 学号学号2013022399 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 张金山 职称职称教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2015 年 6 月 5 日 分类号分类号 TDTD 3 3 密密 级级 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 II 内蒙古科技大学硕士学位论文 III 摘摘 要要 在全世界范围内， 地下浅部的能源被日益发展的经济形势和能源危机的影响下正 在逐步变的减少，即刻需要对深部能源进行开发。但是，随着采矿技术的提高人类深 入地下的能力越来越强大，导致地应力不规则增加，地球内部温度陡然上升，地质环 境也变的更加糟糕，这就使得冲击地压的发生的频率和破坏程度也在不断增加，发射 出来的能量对巷道造成了破坏，给人民财产安全带来特大危害。所以说，研究冲击地 压很有意义。 在巷道开挖过程中， 当有冲击地压倾向巷道支护是现在煤矿开采领域不得不面对 的问题，然而随着采深越来越增加，我们就必须对有冲击地压的这种巷道进行研究。 本文以忻州窑矿 8939 工作面 5939 巷道作为研究对象， 从实际出发与理论相结合去研 究冲击地压。 本文在相关的理论基础上通过对现场进行验证的方法， 分别进行冲击地压机理研 究，冲击特征分析，支护优化等，该论文从三个方面阐述了在此地质条件下冲击地压 的特性和影响的方面， 通过分析明确了忻州窑矿为煤层型冲击地压， 中等冲击倾向性。 经过支护现状调查发现目前采用支护材料级形式单一，锚杆索均为普通类型，存 在锚杆索附件不合理情况，在冲击倾向巷道高矿压作用下难以满足安全要求，未见 有针对抗冲击地压需要的新型材料；支护参数设计不合理，缺乏针对性，锚杆索结 构在两帮不能发挥作用， 支护强度不足， 效果差。 通过对冲击倾向巷道进行， 消、 防、 治相结合的思路提出防冲设计指导思想。分别进行了原位强度的调查，松动圈测试， 通过 RBST 岩石钻孔剪切测试系统对冲击地压发生的机理和巷道破坏机制进行了检测 和研究，在基于 5937 巷的冲击特征分析的基础上，对支护参数进行优化，并根据忻 州窑矿的具体情况提出了消-钻孔卸压法和防整体耦合让均压支护系统的设计指导思 想。通过对 5939 巷进行了支护参数的设计，经过现场工业性试验表明，锚杆起到了 很好的支护作用，混合支护效果明显，参数设计也达到了标准，取得了预期效果。 关键词关键词冲击地压 ； 巷道支护 ； 整体耦合让均压 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV AbstractAbstract Worldwide, shallow underground energy is increasingly development of economy and under the influence of the energy crisis is gradually reduced, immediate need of deep energy development. However, with the improvement of human deep underground mining technology ability is getting stronger and stronger, lead to irregular ground stress increases, the interior of the earth temperature rise abruptly, geological environment became worse, this makes the frequency of the occurrence of percussive ground pressure and the extent of damage is also increasing, the energy of the emitted caused damage to roadway, heavy bring to peoples property safety hazards. So, it is meaningful to study impact ground pressure. In the process of roadway excavation, when has a tendency to impact ground pressure roadway support is now have to face the problem of coal mining areas, however, with the increase of mining depth is more and more, this kind of roadway support problem becomes more and more worth to study and solve. In this paper, the mine 8939 working face of 8939 roadway of xinzhou kiln as the research object, to have tended to impact ground pressure of roadway support problem was studied. Paper by theoretical analysis and field test of the , a study on mechanism of impact earth pressure respectively, impact characteristic analysis, support optimization, etc., the paper from three aspects this paper expounds the impact ground pressure under the geological conditions of the characteristics and effects of the aspect, by analyzing the mining for coal seam has been clear about the xinzhou kiln type of percussive ground pressure, medium impact bias. After supporting status quo survey found currently, with the supporting materials level a single, anchor rod rope are common type, anchor rod rope the attachment is not reasonable, the impact tendency of roadway under the action of high pressure is difficult to meet the safety requirements, in view of the resistance to pit your estimate has been observed pressure need new materials; Support parameters design is unreasonable, lack of pertinence, anchor rod rope structure in the two sides cant work, lack of support strength, the effect is poor. Through the impact tendency of roadway, disappear, and the combination of prevention and cure of bumper design guiding ideology is put forward. Respectively, the strength of in situ investigation, loose circle test, shear test system by RBST rock drill on the mechanism of impact ground pressure and roadway failure 内蒙古科技大学硕士学位论文 V mechanism were tested and studied, based on the basis of the analysis of the impact of the 5937 lane, optimize the supporting parameters, and proposed according to the specific situation of the mine of xinzhou kiln - borehole pressure relief and preventing the overall coupling design guidelines for equalizing supporting system. On 5939 lane through the design of supporting parameters, and through the field industrial test shows that the roadway mouth more and more far away from, bolt on the force it also becomes small; Each monitoring station anchor force into a trend of increase, gaining more and more small, but over time, eventually tend to a certain value, to reach a steady state. This also means that the anchor has played a very good supporting role, supporting small clear, mixed parameter design has reached the standard, also has obtained the expected effect. KeywordsKeywords Rock burst; Roadway support; Overall coupling press 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目目 录录 摘 要 ...................................................................................................................... III Abstract ......................................................................................................................... IV 1 绪论 .................................................................................................................... 4 1.1 课题背景及研究的意义 ......................................................................... 4 1.1.1 课题背景 ...................................................................................... 4 1.1.2 研究的意义 .................................................................................. 4 1.2 国内外关于冲击地压的研究简要概括 ................................................. 5 1.2.1 冲击地压发生机理 ...................................................................... 5 1.2.2 冲击预测技术研究现状 ............................................................. 8 1.2.3 冲击地压防治技术概况 .............................................................. 8 1.3 研究内容与研究方法 ............................................................................. 9 1.3.1 研究内容 ...................................................................................... 9 1.3.2 研究方法 .................................................................................... 10 1.4 技术路线 .............................................................................................. 11 2 忻州窑矿工程地质概况 .................................................................................. 12 2.1 矿井概述 ............................................................................................... 12 2.2 井田境界及地理位置 ........................................................................... 12 2.3 矿井地质概况 ....................................................................................... 12 2.3.1 各煤层特征 ................................................................................ 12 2.3.2 井田内及周边小窑情况 ............................................................ 12 2.4 矿井通风 ............................................................................................... 13 2.4.1 概况 ............................................................................................ 13 2.4.2 通风系统 .................................................................................... 13 2.5 防灭火 ................................................................................................... 13 2.6 综合防尘 ............................................................................................... 13 2.7 矿井提升、运输 ................................................................................... 14 2.8 矿井排水、供液和压风系统 ............................................................... 14 3 忻州窑矿冲击地压相关性 .............................................................................. 15 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 3.1 忻州窑矿试验点工作面概况 ............................................................... 15 3.2 忻州窑矿冲击地压发生特点 .............................................................. 16 3.3 忻州窑矿冲击现象影响因素分析 ....................................................... 16 3.4 综合指数法确定采区程度 .................................................................. 18 3.4.1 冲击地压危险性等级的划分原则 ............................................ 18 3.4.2 冲击地压危险性评定综合指数法 ............................................ 18 3.5 忻州窑矿冲击地压的动力灾害现象 ................................................... 21 3.6 忻州窑矿冲击地压的分类 ................................................................... 22 3.7 煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一 ....................... 24 3.8 忻州窑矿冲击巷道断面宽度对冲击地压的影响 ............................... 26 4 基于 5937 巷的冲击特征分析 ........................................................................ 31 4.1 5937 巷基本资料 .................................................................................. 31 4.2 5937 巷冲击地压发生情况 .................................................................. 31 4.3 5937 巷现状调查 .................................................................................. 33 4.3.1 支护现状调查 ........................................................................... 34 4.3.2 卸压安全技术调查 .................................................................... 34 4.3.3 松动圈测试 ................................................................................ 34 4.3.4 原位强度测试 ............................................................................ 37 4.4 总体测试结论 ....................................................................................... 38 4.4.1 煤岩体原位强度 ........................................................................ 38 4.4.2 冲击地压对井下巷道的影响 .................................................... 39 4.4.3 冲击矿压对井下作业工人的影响 ............................................ 40 4.4.4 采掘顺序对冲击地压的影响 ................................................... 40 4.4.5 煤柱的影响 ................................................................................ 41 5 5939 巷防冲设计指导思想 .......................................................................... 42 5.1 消-钻孔卸压法 ...................................................................................... 42 5.2 防-整体耦合让均压防冲支护系统 ..................................................... 44 5.2.1 整体耦合让均压防冲支护系统主要组成 ................................ 45 5.2.2 整体耦合让均压防冲支护系统实施要点 ................................ 47 6 5939 巷防冲设计 ............................................................................................. 48 6.1 消-钻孔卸压设计 ................................................................................. 48 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 6.2 整体耦合让均压防冲支护系统设计 .................................................. 50 6.2.1 支护对巷道围岩稳定性的影响分析 ........................................ 54 7 现场监测 .......................................................................................................... 57 7.1 监测方法 ........................................................................................... 57 7.2 监测数据分析 ....................................................................................... 58 7.2.1 巷道顶板离层监测 .................................................................... 58 7.2.3 顶板离层监测 ............................................................................ 60 7.2.4 锚杆轴力随时间变化曲线 ........................................................ 60 结 论 ..................................................................................................................... 61 参考文献 ..................................................................................................................... 62 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题背景及研究的意义课题背景及研究的意义 1.1.11.1.1 课题背景课题背景 煤炭是能源结构中占有非常大比重的重要能源，这在很长时间内都不会改变。作 为我国国民消费第一大能源，它起的作用举足轻重，并长期保持主要能源这一地位不 变。煤对中国经济的腾飞起着非常显著的作用。 在煤矿各种多发事故中，冲击地压算是遇到的最严重的灾害之一，全国已经有很 多地方煤矿都发生过冲击地压的事故。由于综采工作面广泛的使用了液压支架，随之 它的支护强度相应的提高，逐渐的它的破坏大部分由工作面转向了巷道中。河北唐山 杏沟煤矿发生的冲击事故，分别造成巷道扭曲损坏；不仅如此还有很多煤矿的冲击地 压可以造成煤帮发生严重变形，巷道遭到严重破坏，顶板垮落，底板鼓起，工作面设 备被摧毁的严重后果。 本文所研究的是忻州窑矿 11层 309 盘区，它位于忻州窑矿井田北部，东部，北 部与云冈矿相邻，西部与煤峪口矿相邻，南部为忻州窑矿西二盘区。309 盘区东西长 1104～1600m，面积 1.787 平方公里，储量 1769.4 万吨。该区为 11层和 12-1合并 层，煤层平均厚度为 7.5m，为特厚煤层，单翼开采，实际布置八个工作面，该区放顶 煤工作临空尾巷在采掘过程中矿压显现明显，时有冲击地压发生，巷道变形量打，支 护破坏严重，为冲击地压频发盘区 [1]。本文着重以锚杆支护理论为基础，设计出冲击 巷道支护的初步方案。 1.1.21.1.2 研究的意义研究的意义 随着世界范围的浅部资源枯窘的加剧，资源的强度开发刻不容缓。然而，随着深 采矿、深埋隧道的逐步深部大型开采，和其他人类活动转入地下，地应力呈非线性提 高，温度升高，地质环境变得越来越繁杂，冲击地压发生的次数和损失力度也越来越 激烈，发射出来的能量对巷道造成了破坏，给人民财产带来特大危害，亟需在抗冲击 地压的支护方法上取得重大进展 。 众所周知，人类对采矿技术的不断探索，使各种煤炭技术得到了全面的发展，譬 如综采放顶煤技术对于煤矿开采具有深远意义，但人类对资源的需求越来越大，进而 使得矿井越掘越深，面临的问题也就越来越复杂，不管是巷道围岩压力逐渐增长还是 对巷道支护的技术水平的不增长都必须考虑进来 [2]。所面临的问题也愈加突出和严重， 相对来说也造成了很大的困难。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 忻州窑矿的调研地点为8937工作面， 为该区的第六个回采工作面， 测试巷道5937 巷已发生过多次冲击地压现象，为典型冲击倾向巷道，相邻的 8939 工作面为该区第 八个回采工作面，依据综合指数分析法，8939 工作面冲击危险指数预测 WT0.75，具 有中等冲击地压危险，该工作面的 5939 巷整体应力较大，将同样面临冲击的问题， 本次作为冲击倾向巷道工业性试验地点 [3]。事实证明，忻州窑矿支护设计不合理，支 护参数落后等，都对冲击地压的发生埋下了隐患 [4]。 1.21.2 国内外关于国内外关于冲击地压冲击地压的的研究研究简要简要概括概括 冲击地压是矿山开采的煤岩动力现象这种动态灾害通常发生一个强有力声音， 使 支承装置及巷道受到毁坏，工作人员发生不同程度的伤害甚至是工亡。通过学习它的 相关理论，我们可知当各种力学平衡条件被打破，它内部的弹性能量就会被发射出来 既急促又猛烈。这么严重的爆炸事故，将巷道中的煤块岩体像发射子弹一样，冲击力 量非常大，同样也给煤巷带来毁坏。最早由冲击地压记录的是英国。现在，在中国， 日本，德国，美国，波兰，俄罗斯，南非等 20 多个国家和地区有不同的冲击地压的 威胁程度[5]。 1.2.11.2.1 冲击冲击地压发生机理地压发生机理 影响冲击地压可以概括为煤矿采场的巷道和周围的岩体,由于释放变形能而生成 的，它特点是突然,急促,严重破坏的动态现象 6]。如图 1.1 所示。冲击地压引起的破坏 如图 1.2、图 1.3 所示。 图 1.1 冲击地压发生机理 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6- （a） （b） c （a）c冲击地压引起的巷道损坏 （b）岩块飞落到水管表面 图 1.2 冲击地压造成的破坏细节图 A冲击地压发生前的巷道形状 B冲击地压发生后的巷道形状 图 1.3 上个世纪英国某矿发生冲击地压造成的巷道破坏 内蒙古科技大学硕士学位论文 -7- 像岩爆、煤爆、矿山冲击、岩石突出这些词语都和冲击地压有相似性，在煤矿开 采总遇到的譬如顶板大面积来压、煤和瓦斯突出、矿震与冲击地压都是可以相互诱发 的，它们同属于矿山动力现象 [7]。冲击矿压发生原因如图 1.4 所示 图 1.4 冲击地压发生原因 冲击地压的主要表现在多样性、破坏性、突发性、复杂性等方面。在我国冲击 地压除了以上特点外， 还有诸如它的类型也千变万化， 损坏程度也不尽相同 [8]。 而且， 它的发生条件也比较复杂， 随着矿井数量的不断增加， 造成的危险程度也越来越严重。 对于冲击地压发生的机理研究，各国学者都付出了孜孜不倦的努力，通过现场 和实验室调查论证的基础上， 客观的对一些重要理论进行了研究 [9]。 提出了很多假说， 其中三准则假说比较有特色。在这么多假说中，可以解释相关的冲击地压现象，为下 一步预测预报和防治工作也能提供一些理论基础 10]。 （1）强度失稳理论 这个理论也有其局限性， 局限在于不能全方位的考虑损坏的样式时动态的还是静 态的。所以这个理论还不完整。. （2）刚度理论 六十年代初，Cook 和 Hojem 经过不懈研究努力，第一次取得了大理石的受力变 形曲线，在某种程度上揭露了煤矿发生冲击地压的实质 岩爆的刚度准则可用下式表达 KmKs （式 1.1） 式中 Km 是广义岩石力学系统中非破裂体的刚度，而 Ks 是破裂体的瞬时刚度。 这个理论的缺陷是不能反映冲击地压发生的动态过程，因而机理不是很明确[11]。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -8- （3）能量理论 库克等人在总结前人的基础上，提出了能量理论。在此过程中，对能量理论都做 出了卓尔不群的贡献中我国岩石力学工作者发挥了极大的重要作用。它的表达式为 δ 2Π ∫ 𝜀𝑑𝜁′𝐷𝜀𝑑𝜁𝑑𝑉 ∫ 𝜀𝑑𝑢 ̅̅̅ Γ𝑣𝑠 ′𝐷 ̅𝑒𝑝𝜀𝑑𝑢̅̅̅𝑑Γ 5 为强冲击倾向；2WET5 为弱冲击倾向； WET2 为无冲击倾向。这个方法严格来说也有缺点，但是对于我国的情况还是基本适用的， 在煤层冲击倾向鉴定上也可以采用[14]。 （2）钻屑法 钻屑法是通过在煤层中打直径为 42～50mm 的钻孔，根据排出的煤粉量及其变 化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法。 （3）电磁辐射监测发 磁辐射和煤的应力状态及瓦斯状态有关，应力高、瓦斯压力大时电磁辐射信号就强， 电磁辐射频率就高，应力和瓦斯压力越高，则突出危险越大。电磁辐射强度和脉冲数 两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度和瓦斯压力的大小， 因此可用电磁辐射 法进行突出预测预报[15]。 1.2.31.2.3 冲击冲击地压防治技术概况地压防治技术概况 一是降低应力集中程度，二是削弱其力学特性，使释放速率减慢、弹性释能降低。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -9- （1）降低应力的集中 方法有1、超前开采保护层。2、无煤柱开采。3、合理安排开采顺序。 （2）采用合理的开拓布置和开采方式 合理的开拓方式和采矿方法对预防和控制冲击地压很重要。大量的例子表明，大 部分冲击地压的影响是由于不合理的开采技术[16]。 不管以哪种方式开采，应考虑到开拓方式对开采保护层的影响。它包括在勘探和 矿井设计阶段，应提前了解冲击危险区域，这样在做设计时就能制定冲击地压的防治 办法，并在开拓和准备阶段采用合理的开拓开采方式和顺序，目的是完全去除冲击地 压的危险关系，亦或是降低到最低程度。开拓和准备巷道应布置在底板岩层中或没有 冲击危险的薄煤层中。当岩体中存在远大于重力的构造应力情况下，主要开拓或准备 巷道的方向最好是与构造应力作用方向一致，以使巷道周边应力分