平煤十一矿深孔爆破防治冲击地压技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 薛晓刚 指 导 教 师 胡卫民 教授、魏建平 教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程（安全技术及工程） 研 究 方 向 矿山安全技术及工程 河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院 二二○○一二年六月一二年六月 平 煤 十 一 矿 深 孔 爆 破 防 治 冲 击 地 压 技 术 研 究 平 煤 十 一 矿 深 孔 爆 破 防 治 冲 击 地 压 技 术 研 究 薛 晓 刚 薛 晓 刚 河 南 理 工 大 学 河 南 理 工 大 学 平煤十一矿深孔爆破防治冲击地压技术研究平煤十一矿深孔爆破防治冲击地压技术研究 万方数据 中图分类号中图分类号 密密 级公开级公开 UDC 单位代码单位代码10460 平煤十一矿深孔爆破防治冲击地压 技术研究 Research on Deep-hole Blasting Rockburst Prevention Technique in NO.11 Coal Mine of Pingdingshan 申请人姓名申请人姓名 薛晓刚薛晓刚 申请学位申请学位 工学硕士工学硕士 学科专业学科专业 安全技术及工安全技术及工程程 研究方向研究方向 矿山安全技术及工程矿山安全技术及工程 导导 师师 胡卫民胡卫民 职职 称称 教授教授 副副 导导 师师 魏建平魏建平 职职 称称 教授教授 提交日期提交日期 2012.4 答辩日期答辩日期 2012.6 河南理工大学 万方数据 河南理工大学河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何 其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发 和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 时光如梭，岁月如歌，转眼之间就要毕业。面对即将离别的母校、师长和同 学，心中有太多的不舍与留恋。三年求学路上，不仅仅学会了专业知识，更重要 的是学会了为人处事的方式，感悟了做人的道理。这是我人生中最为珍贵的财富， 将让我受益一生。 特别感谢恩师胡卫民教授和魏建平教授对我的谆谆教导和无微不至的关怀。 导师渊博的知识、严谨的治学态度、为人处事的大家风范，让我万分敬仰。论文 从选题、资料搜集、撰写都是在导师精心指导下完成的，导师对学术研究精益求 精的态度和一丝不苟的精神让我深受感动，这些都是我在今后学习和工作中践行 的标准。同时对自己没有全身心扑在学习研究上，距导师期望的目标尚有差距而 深深的自责。唯有在以后用更加专注的精神和百倍的努力去学习和工作，以期有 所弥补。在此，衷心祝福导师永远幸福安康。 诚挚感谢王国际教授，在生活上承蒙王老师多加照顾，在学习上给予很多有 益的点拨。在这里，向您表示崇高的敬意和深深的感谢。 在进行数值模拟过程中，得到了安全学院王登科老师和河南工程学院陈国祥、 孙光中老师的热心指导和大力支持，在此向三位老师表达我最诚挚的谢意。感谢 河南工程学院田坤云老师对我学习上的指点和生活上的照顾，在此对您表示衷心 的感谢。 感谢安全学院高建良教授、刘明举教授及学院全体教师，感谢河南工程学院 安全工程系全体老师对我学业的关心、支持与帮助。感谢平煤十一矿领导、通防 科全体成员及现场工人师傅在参数测定、资料收集方面给予的莫大支持。 感谢同门郑吉玉、董飞亚、杨腾飞，感谢舍友李瑞健和同学张智峰、范衡、 王凯、王稳飞、朱华，和你们一起度过的美好时光，注定是我今生最美丽的回忆。 特别要感谢我的父亲和母亲，家人对我一如既往的支持，是我不断前进的强 大动力和坚实后盾。 最后，诚挚感谢各位评审及答辩委员会老师于繁忙之中抽出宝贵时间审阅我 的论文，热切期待您的指导。 万方数据 I 摘 要 随着煤矿开采日趋向深部转移，采场高应力所造成的冲击地压的威胁也越来 越严重。平煤十一矿主采煤层采深已达 900m，在回采过程中，受悬露岩层重量转 移的影响，采面煤体上方极易出现应力升高区。对此，论文依据经典爆破理论和 冲击地压强度弱化减冲理论，分析了深孔爆破卸压防冲机制，提出用深孔爆破技 术消除采面前方局部应力集中的状况。通过本次研究，得出以下有益成果 （1）通过搜集平煤十一矿以往冲击动力现象资料，分析了发生冲击动力现象 的原因及各种影响因素。 （2） 对试验工作面进行煤层冲击倾向性测试， 测定结果为具有弱冲击倾向性。 结合综合指数法评定己16-17-22161 工作面具有中等冲击危险程度。 通过在现场实测 工作面超前支承压力峰值位置，划分了高应力危险区域范围。 （3）运用数值模拟软件模拟了在不同装药深度的情况下，根据爆破后对工作 面前方支承压力峰值的大小和位置的影响，确定了合适的装药位置为煤壁内支承 压力峰值处向里；模拟了不同装药量条件下爆破的效果，得出了合适的装药量为 基础模型的 1.5 倍。据此制定了深孔爆破卸压方案。 （4）运用钻屑法和电磁辐射法进行现场验证卸压方案，结果表明起到了很好 的卸压效果，同时也证明了计算机模拟结果与现场的一致性，以及数值模拟研究 可以为现场工作提供有益的指导。 关键词关键词深孔爆破；数值模拟；卸压方案；防冲技术 万方数据 III Abstract As coal mining transfer to deep area day by day，the rockburst dynamic phenomenon caused by high stress in stope appears more frequently。The mining depth of main active coal seam has reached 900m in NO.11 coal mine，and during process of coal winning，it’s very easily to engender high stress area when the weight of hanging rock move to the coal above working face。Therefore ，this thesis on the basis of classical blasting theory and intensity weakening theory for rockburst，analysed the rockburst prevention mechanism of relieving shot by deep-hole blasting，and put forward using the deep-hole blasting technology to eliminate local stress concentration conditions in front of working face。According to this research，the beneficial achievements were obtained as follow （1）By way of gathering the dynamic phenomenon materials in the past years about NO.11 coal mine in Pingdingshan，and analysing the reason why the dynamic phenomenon will come about and various impact factors。 （2）By way of testing the coal seam rockburst tendency in working face，the results concluded that the coal seam have weak rockburst tendency。Combined the comprehensive index to uate the shock hazard of JI16-17-22161，the results showed that it has moderate rockburst dangerous。 Meanwhile， measured the position of advance supporting pressure peak in working face，and differentiated the range of high stress dangerous area。 （3）The numerical simulation software has been applied to simulate the influence about values and positions of advance supporting pressure peak in working face，and fixed the rational charge position was behind advance supporting pressure peak in coal face。 Then simulated blasting effect under the condition of different charge weight， and find out that the reasonable charge weight was 1.5 times of basic model。On this basis， work out the rockburst prevention scheme of relieving shot by deep-hole blasting。 （4） The drilling and electromagnetic radiation has been applied to verify the effect of relieving shot by deep-hole blasting，and the results indicated that the programme obtained a very well effect。 Simultaneously， it proved that the computer simulation and testing scene results were congruity，and the computer simulation 万方数据 IV research could provide beneficial guidance for testing scene work。 Keywords Deep-hole blasting； Numerical simulation； The relieving shot programme； Rockburst prevention technology 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................... I 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 引言引言 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ........................................................................................................ 1 1.2 冲击地压理论研究及防治现状 ................................................................................ 2 1.3 深孔爆破研究现状分析 ............................................................................................ 3 1.4 研究主要内容及技术路线 ........................................................................................ 5 2 深孔爆破卸压防冲机理分析深孔爆破卸压防冲机理分析 ...................................................................................... 7 2.1 煤岩体爆破基本原理 ................................................................................................ 7 2.2 煤岩体爆破破坏过程 ................................................................................................ 8 2.2.1 爆破冲击波作用下形成的压碎区 ............................................................................................ 9 2.2.2 爆破应力波作用下形成的压坏区与裂隙区 .......................................................................... 10 2.2.3 爆轰气体作用下形成的裂隙区 .............................................................................................. 11 2.3 冲击地压的强度弱化减冲理论 .............................................................................. 11 2.4 深孔爆破卸压防冲机理 .......................................................................................... 12 3 冲击动冲击动力现象概述及影响因素分析力现象概述及影响因素分析 ........................................................................ 17 3.1 矿井概况 .................................................................................................................. 17 3.2 冲击动力现象 .......................................................................................................... 19 3.2.1 动力现象描述 .......................................................................................................................... 20 3.2.2 动力现象分类 .......................................................................................................................... 20 3.3 冲击地压影响因素分析 .......................................................................................... 21 3.3.1 采深的影响 .............................................................................................................................. 21 3.3.2 煤岩冲击倾向性的影响 .......................................................................................................... 22 3.3.3 地质构造的影响 ...................................................................................................................... 23 3.3.4 采动的影响 .............................................................................................................................. 23 4 煤层冲击性试验及冲击地压危险程度评定煤层冲击性试验及冲击地压危险程度评定 ............................................................ 25 4.1 煤层冲击性测试 ...................................................................................................... 25 4.1.1 取样地点概况 .......................................................................................................................... 25 4.1.2 样本选取及加工 ...................................................................................................................... 25 万方数据 VI 4.1.3 实验系统介绍 .......................................................................................................................... 26 4.1.4 实验结果 .................................................................................................................................. 27 4.2 工作面冲击地压危险程度评定 .............................................................................. 29 4.2.1 冲击地压危险程度分级及对策 .............................................................................................. 29 4.2.2 地质因素确定冲击地压危险程度 .......................................................................................... 30 4.2.3 开采技术因素确定冲击地压危险程度 .................................................................................. 31 4.2.4 工作面冲击地压危险程度确定 .............................................................................................. 33 4.3 高应力危险区域范围 .............................................................................................. 33 4.3.1 超前支护支柱工作阻力测定过程及结果分析 ...................................................................... 33 4.3.2 应力传感器测定及结果分析 .................................................................................................. 35 4.3.3 超前支承压力影响范围的确定 .............................................................................................. 37 5 深孔爆破卸压防冲方案及效果考察深孔爆破卸压防冲方案及效果考察 ......................................................................... 39 5.1 深孔爆破合适装药位置的确定 .............................................................................. 39 5.1.1 模型建立及参数选择 .............................................................................................................. 39 5.1.2 工作面前方支承压力模拟 ...................................................................................................... 40 5.1.3 模拟方案及结果分析 .............................................................................................................. 41 5.2 深孔爆破合适装药量的确定 .................................................................................. 43 5.2.1 模拟基础理论及软件介绍 ...................................................................................................... 43 5.2.2 模型建立及参数选取 .............................................................................................................. 43 5.2.3 模拟方案及运算过程 .............................................................................................................. 45 5.2.4 单孔 0.04m 爆破模拟 .............................................................................................................. 45 5.2.5 孔径 0.06m 和 0.08m 爆破模拟 .............................................................................................. 48 5.3 深孔爆破实施工艺 .................................................................................................. 53 5.3.1 深孔爆破布孔方式 .................................................................................................................. 53 5.3.2 深孔爆破参数设置 .................................................................................................................. 54 5.4 卸压效果考察 .......................................................................................................... 54 5.4.1 钻屑法考察卸压效果实施方案 .............................................................................................. 54 5.4.2 采面爆破前后钻屑量变化 ...................................................................................................... 55 5.4.3 采面爆破前后巷帮钻屑量变化 .............................................................................................. 56 5.4.4 电磁辐射法考察卸压效果 ...................................................................................................... 59 万方数据 VII 6 结论及展望结论及展望 ................................................................................................................ 63 6.1 结论 .......................................................................................................................... 63 6.2 展望 .......................................................................................................................... 63 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 65 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 69 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 71 万方数据 1 引言 1 1 引言 1.1 研究背景及意义 我国是一个多煤少油的国家。据 BP 世界能源统计，至 2010 年年底，全 球煤炭探明储量为 8609 亿吨，中国探明储量为 1145 亿吨，占全球的 13.3， 居全球第三位[1]。2011 年全国煤炭总产量为 35.2 亿吨，总产量较 2010 年增长 8.7[2]，位居世界第一。对中国而言，我国能源生产结构长期维持以煤炭为主 ， 煤炭在我国一次能源生产和消费中费中所占比重一直保持在 70左右，其中我国 电力燃料的 76、钢铁能源的 70、民用燃料的 80、化工燃料的 60，均来自 于煤炭[3]。可以预见，煤炭工业在国民经济中的基础地位，将是长期的和稳固 的，具有不可替代性。 近年来我国原煤产量逐年递增，与此同时重大灾害事故频频发生。据资料统 计[4]，2010 年 1 月 1 日截止 2011 年 12 月 5 日，全国煤矿发生事故 186 起，死亡 1047 人，其中较大事故 121 起，死亡 573 人；重大事故 26 起，死亡 319 人；特别 重大事故 4 起，死亡 132 人。安全生产形势依然严峻。 随着矿井开采逐渐转向深部，深部开采过程中的动力灾害问题越来越凸现出 来。平煤集团所属矿井的自然条件、瓦斯条件和开采技术条件发生了显著变化， 出现了高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性的复杂现象交织的情况。据调 研可知[5]，平煤集团公司所属各煤矿，目前已有 9 个垂深超过 1000m 的采掘工作 面，而 800～1000m 则是发生冲击地压的初始临界深度，1000m 以下发生冲击地压 的危险性显著增加。 自 2002 年 2 月至 2008 年 10 月间，平煤集团地震台整理出有记录的平顶山煤 田 ML≥0.9 矿震 254 次，大致分布在四、五、六、七、八、十、十一、十二矿。在 井下有强烈的冲击地压显现情况的为十矿、十一、十二矿，并且造成了一定的人 身伤亡和经济损失。2007 年 11 月 12 日十矿己15-16-24110 采面采煤期间发生一起 有冲击地压参与的煤与瓦斯突出事故，突出煤量 2243 吨，涌出瓦斯量 47509m3； 2005 年 1 月 3 日十一矿己16-17-22120 风巷外口 92m 范围内有明显动力现象，上帮 煤墙向外移动最大位移量 1m，锚盘部分崩掉，锚网开裂，散煤冲到巷道中，一工 人背部被煤粒打伤，巷道明显底鼓开裂，据市地震台测定，此次震动相当于 2.8 级 地震。因此，深入开展对矿井冲击动力现象及事故的原因分析，加强防治冲击地 压技术的研究，对实现煤矿安全高效生产具有重要的现实意义和经济意义。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 在研究内容展开前，有必要简要叙述一下冲击地压防治现状，各自的特点及其 存在的问题。 1.2 冲击地压理论研究及防治现状 有历史记载的第一次冲击地压发生于 1738 年英国的 South Stafford 煤田， 两百 多年来，冲击地压的危害遍布全球各个煤矿开采国家。自 1933 年我国抚顺胜利矿 发生冲击地压以后，北京、辽源、通化、阜新、北票、枣庄、大同，开滦、天府、 南桐、徐州、大屯、新汶、平顶山等矿务局都相继发生过冲击地压。 国内外研究人员在防治冲击地压方面做了大量的工作，取得了显著的成果。 在现场实测调查和实验室模拟研究的基础上，各国学者从不同角度提出了各自代 表性的观点，形成了一系列的基本理论，如Brauner 提出的近代强度理论， Bieniawski 等[6]提出冲击倾向性理论，COOK 等[7]提出刚度理论，章梦涛等[810]提 出失稳理论，众多学者[1113]引入了 Thom 创立的突变理论。这些理论的创立与发 展，为冲击地压的防治奠定了坚实的基础。 目前，国内外冲击地压的防治方法大体可以分为两个方面一是战略性的长 期防御