爆破卸压在冲击地压防治中的应用研究.pdf

分类号 T D 3 2 4 U D C6 2 2 密级公开 硕士学位论文 爆破卸压在冲击地压防治中的应用研究 A p D l i c a t i o no fP r e s s u r eR e l i e fb VB l a s t i n 2o nt h eA D D I l C a t l o n0 tr r e S S U r eK e n e tb VB l a S t l n g0 nt n e ⋯仙Ⅲ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■●■⋯⋯⋯⋯⋯⋯●●●i ，⋯⋯⋯⋯⋯⋯■ P r e v e n t i o no fR 0 c kB u r s t 作者姓名徐翔 指导教师陈学华教授 申请学位工学硕士 学科专业矿业工程 研究方向矿山压力与矿井动力灾害防治 辽宁工程技术大学 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王墨撞丕太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽室王猩堇本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名盎翘旦 力件年∥月／／ 日 ～ 耸日学一川，一月f 辽G 一 ．．． 一，％一1 每 名吐r 签 少 秘 2 导 致谢 教诲如春风，师恩似海深。在完成本论文的同时，首先，我要向我的恩师陈学华教授 致以最诚挚的敬意和谢意 陈老师严谨的治学态度、深厚的学术造诣，忘我的工作作风及 宽厚待人的高尚品格是我今后努力学习的方向、学习的榜样。恩师对我学术上的谆谆教诲， 生活上的关怀备至让我终生铭记。毕业之际，我对恩师的尊敬和感激难以言表，在此，学 生仅向恩师致以崇高的敬意和最衷心的感谢 在硕士学习期间及论文的撰写方面，得到了辽宁工程技术大学矿业学院和研究生院各 位老师的关心与指导，在此表示由衷的感谢。在论文现场实施与资料收集方面，感谢济三 煤矿张士斌副总、南屯煤矿王洪德副总，以及防冲办的相关工作同志的支持。正是你们的 大力支持与协作，才使得我的工作得到顺利进行、圆满完成。 在论文撰写过程中，得到了师兄关伟、万长涛的意见和建议以及师弟邓春生、张朝阳 的热心帮助，在此表示感谢。 在此，我还要感谢我的父母及家人多年来对我的支持、鼓励。感谢在我成长路上所有 关心、支持和帮助我的人们。 摘要 煤矿动力灾害一直是岩体力学及矿山压力防治研究难点。冲击地压作为矿井中最严重 的动力现象之一，从理论到防治都尚未完全解决。随着矿井开采深度的增加，发生冲击地 压的矿井越来越多，强度也越来越大，造成巨大的经济损失和人员伤亡，给矿井生产和安 全带来了极大的威胁，因而有必要对冲击地压的防治进行深入研究。 煤岩体深孔爆破卸压技术长期以来一直是用于解除冲击危险的基本措施，并得到广泛 的应用，该方法在我国所有的冲击地压矿区都得到应用，是较为实用的措施。本文从爆破 卸压的机理入手，分析了煤体卸压爆破与岩体卸压爆破的不同点，研究了在煤层坚硬顶板 卸压爆破和煤体中卸压爆破的机理与合理爆破参数的确定。在工程实例中，通过数值模拟 手段预测爆破卸压效果及可行性来验证爆破参数选取的可靠性。在现场爆破卸压后，通过 矿用钻孔窥视仪、电磁辐射仪及钻屑法等方法来检验爆破卸压效果，验证方案的实用性。 检验结果表明卸压效果明显，达到防冲目的，方案可行。 在实际应用中，针对不同类型的冲击地压危险，应视情况采取不同的卸压措施，可以 将爆破卸压方法与其它防冲方法联合运用并不断改进施工技术及参数，达到理想的防冲目 的，为煤矿的安全生产，创造条件。 关键词冲击地压；卸压爆破；参数优化；卸压方案 A b s t r a c t T h ed ，I l 锄i cd i s a s t e r si nc o a lm i n e sh a V ed w a y sb e e nm em a i nd i m c u l tp r o b l e m so nr o c k m a L s sm e c h a m c sa n dr o c kp r e s s u r e ．A so n eo f 出em o s ts e r i o u sd ，I l a m i cp h e n o m e n o ni nm i n e s ， r o c kb u r s ti ss t i l ln o ts o l V e d 舶mm et h e o r ，t ot h ep r a c t i c ec o m p l e t e l y ．W i mt h ei n c r e a s e o f m i m n gd 印t h ，r o c kb u r s th a L so c c u r r e dm o r ea I l dm o r et i m e si nt l l em i n e s ，a 1 1 dt 1 1 es 仃e n g mo fi t s b e c o m e s1 1 i g h e rt h a nb e f o r e ．T m sp r o b l e mc a u s e se n o n n o u Se c o n o m i cl o s s a I l d p e r s o I u l e l c a L s u a l t y ，w m c hg r e a t l yt h r e a t e nt h em i n ep r o d u c t i o na n ds a f e t y ．S o ，i ti ss i g m f i c a l l tt or e s e a r c h t h e s ep r e V e n t i V em e a S u r e so f r o c kb u r s td e 印l y ． D e e ph o l ep r e s s u r er e l i e fb yb l a S t i n gi nc o a lh a Sb e e nu s e dt or e m o v et 1 1 ed a n g e ro fr o c k b u r S ti m p a c tb a S i cm e a S u r e sa n d 晰d e l yu s e d ，t l l em e m o di sm o r e p r a c t i c a lm e a S u r e sw h i c hw a S 印p l i e do na 1 1m er o c kb u r s tm i l l i n ga L r e ai no u rc o 嘶巧T K sp a p e ro b t a i n s 丘o mt l l ep r e s s u r e r e l i e f b yb l a u s t i n gm e c h 撕s m ，a 1 1 a l y z e dt h ed i 疏r e n c e so fp r e s s u r er e l i e f b yb l a s t i n gi nc o a la n d p r e s s u r er e l i e fi nr o c k ，s t u d i e dt h em e c h 枷s mo fp r e s s u r er e l i e fb yb l a L s t i n gi nh a r dr o o fa n d p r e s s u r er e l i e fb yb l a s t i n gi nc o a la I l dt l l ed e t e m l i n a t i o no fr e a S o n a b l eb l a s t i n gp a r a m e t e r s ．I I lm e e n g i n e e l l i n ge x a m p l e ，t k o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt op r e d i c te 仃．e c ta n df e a S i b i l i t yo f p r e s s u r er e l i e fb yb l a S t i n gt oV e r i 匆t l l er e l i a b i l i t ，o ft h es e l e c t i o no fb l a S t i n gp a r 锄e t e r s ．A R e r p r e s s u r er e l i e f b yb l a S t i n gi nt h es c e n e ，t l l r o u 曲m i n ed r i l l i n gp e e pi n s t r u m e n t ，e l e c 仃o m a g l l e t i c r a d i a t i o ni n s t m m e n ta n dt h em e t h o do fd d l l i n gb i t st o t e s te f ．f e c to fp r e s s u r er e l i e fb yb 1 2 L s t i n g a 1 1 dd e m o n s t r a t e st h ep r a c t i c a l i t ，o ft 1 1 es c h e m e ．T e s tr e s u l t ss h o wt 1 1 a tt 1 1 ee f I f e c to f p r e s s u r er e l i e f i so b V i o u sp u I p o s eo fi m p i n g e m e m ，t h es c h e m ei sf ．e a S i b l e ． I np r a c t i c e ，i nV i e wo ft h ed i f f e r e n tt ，p e so fr o c kb u r s ts h o u l da d o p td i f f e r e n tp r e s s u r er e l i e f m e a S u r e sa S 印p r o p r i a t e ，p r e s s u r er e l i e fb yb l a S t i n gc a nb ea S s o c i a t e d 诚t l lo m e ri m p i n g e m e n t m e t h o du s ea n dc o n s t a n t li m p r o V et h ec o n s t r u C t i o nt e c l l I l o l o g ya J l d p a u r a m e t e r ，a c l l i e v ei d e a J i m p i n g e m e n t ，f o rc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o n a I l dc r e a t et h ec o n d i t i o n s ． K e yW o r d s R o c kB u r s t ；P r e s s u r eR e l e a s eB l a s t i n g ；P a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ； R o c k b u r s tp r e V e n t i o nt e c h n o l o g y I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2冲击地压防治技术研究情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 冲击地压研究进展情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2冲击地压区域防治措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．3 局部解危措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 卸压爆破防治冲击地压研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1煤体中卸压爆破应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．2顶板岩层中斜眼爆破应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4本文研究内容、方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．1研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 ．4 ．3 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2爆破卸压机理及爆破方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1爆破卸压机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1爆破的内部作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2顶板岩层中爆破卸压机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．3煤体中卸压爆破机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2岩层中卸压爆破方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1影响岩层中爆生裂隙的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2岩石爆破参数之间关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．2 ．3岩层卸压爆破方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3煤体中爆破卸压方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 ．1煤体与岩体中爆炸作用的不同点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 2 ．3 ．2煤体爆破参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．3 ．3 煤体中爆破卸压方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 2 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3爆破卸压参数及爆破效果模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 A N S Y S ／L S ．D Y N A 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 爆破卸压模拟模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．1 煤岩体失效准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．2爆破模型的边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3 爆破效果模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4卸压爆破方法的现场应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 济三煤矿6 3 0 3 工作面顶板及煤层爆破卸压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 ．1 工作面概况及煤岩层性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 4 ．1 ．2工作面辅助顺槽实体煤冲击情况及原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 ．3煤层深孔卸压爆破⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 ．46 3 0 3 工作面顶板深孔爆破方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．5爆破卸压效果现场监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．2南屯煤矿9 3 上1 2 工作面煤层顶板爆破卸压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．2 ．1工作面冲击地压危险性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．2 ．2爆破卸压方案及参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 ．3爆破效果的检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 一I V 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 问题的提出 冲击地压属矿井动力灾害，是矿山压力的一种特殊显现形式，冲击地压常常以突然、 急剧、猛烈的形式释放煤岩弹性能、变形能，其灾害性表现为煤岩体被抛出，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。由于冲击地压发生的原因和条件极为复杂、影响因素颇多、灾害严重且发生的 随机性和突发性、破坏形式的多样性难以预测而成为岩石力学研究中的一个重大问题。随 着开采技术的提高和煤矿资源开采向深部的转移，加之绝大多数矿山的煤岩层都具有强烈 或明显的冲击倾向性，故冲击灾害问题也更为突出、严重和普遍，因而有必要对这些冲击 地压的防治进行系统的、深入的研究【l 。5 】。 长期以来，许多国内外专家都对冲击地压现象做了大量的研究工作，得出了一些关于 冲击地压机理及防治技术的重要成果。实践证明，卸压爆破可有效地减缓煤岩体应力集中， 控制冲击地压的发生，其效果明显，简单易行，可作为防治冲击地压的主要手段，实现有 冲击地压地点的安全生产。为了取得良好爆破卸压效果，在煤岩体中合理地布置炮眼和确 定正确的爆破参数至关重要。但是在研究与工程实践中对煤层和岩体中爆破卸压的作用机 理以及合理的爆破参数进行系统研究的较少。因此本文在广泛参阅前人研究成果的基础 上，结合工程实例在煤岩体爆破卸压机理和合理的爆破参数确定方面开展了研究工作，并 进行了工程实例验证。 1 ．2冲击地压防治技术研究情况 1 ．2 ．1 冲击地压研究进展情况 从英国最早发生世界上首例冲击地压以来，现在己发生冲击地压的国家有南非、德国、 波兰、日本等2 0 多个国家和地区。因此，冲击地压是一个世界性的煤矿动力灾害。 冲击地压机理研究是后期制定有效监测与防治措施的重要基础。在对冲击地压机理的 研究历史过程中，由于各国专家学者对冲击地压的认识不同，形成了不同的描述和见解， 提出了不同的冲击地压理论。这其中应用最广泛的理论有强度理论【6 】、刚度理论【‘7 ’8 】、能量 理论‘9 1 、冲击倾向理论【1 0 ．13 1 ，失稳理论【1 4 - 1 7 1 等。随着现代数学、力学以及非线性科学在冲 击地压研究中的应用，冲击地压机理又产生了大量新的理论，如断裂力学和混沌力学等。 目前被广泛应用的主要有以下几种方法。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 综合指数法 综合指数法是一种早期预测方法，就是在分析已发生的各种冲击地压灾害的基础上， 分析各种采矿地质因素对冲击地压发生的影响，确定各种因素的影响权重，然后将其综合 起来，建立冲击危险性预测预报的一种方法【1 8 】。 2 钻屑法 钻屑法是建立在与煤体应力之间的有定量关系的基础上，在煤层中打直径为4 2 ～5 0 m m 不等的钻孔，通过监测钻孔钻出的煤粉量及其变化规律和相关动力效应，鉴别冲击地 压危险的一种常用方法【1 9 ，2 0 1 。钻屑法基于受压煤层中钻小直径钻孔，当钻孔进入煤体高应 力区域时，钻进过程呈现动态特征，孔壁煤体部分可能突然挤入孔内，并伴有振动、声响 或微冲击等钻孔效应，单位长度上排出的煤粉量大于正常排粉量，钻屑粒度增大，以及随 之出现的卡钻现象。当单位长度的排粉率增大到标定值时，表示高应力和冲击危险状态。 3 电磁辐射法 电磁辐射主要是通过电磁辐射强度和脉冲数两个参数来预测煤岩体的应力状况，电磁 辐射与煤的应力状态有关系，当煤体的应力程度高时，电磁辐射的强度和脉冲数的频率就 高。当煤体的应力程度越高时，冲击危险性就越大。因此，可以用电磁辐射方法来预测预 报冲击地压【2 1 ，2 2 1 。 4 数值模拟分析法 随着计算机技术的发展，可采用分析模拟方法确定采矿区域的应力分布状态和其他参 数。目前，世界上比较通用的分析模拟程序有F L A C ＼U D E C 认N S Y S 等，其采用的方法主 要是有限元法、边界元法、离散元法等‘2 3 1 。 5 微震监测法 它是以地震学和声发射学为基础发展起来的监测方法【2 4 】。微震监测法是根据微震活动 的变化、震源方位和活动趋势来评价冲击地压危险。具体说就是通过微震网络提供的震源 位置、发生的时间以及释放出的能量来计算微震活动的频率和强度，并结合微震事件分布 的位置判断潜在的冲击危险信息，从而进行冲击地压的预测预报。 最早对冲击地压发生机理进行研究的国家是南非，其率先成立了首个冲击地压研究机 构，专门针对金属矿山和煤矿的冲击地压，这标志着冲击地压理论研究的开始。随后西德 也开始了冲击地压的研究工作，并且成功地采用了钻孔卸压措施来防治冲击地压，取得了 相当好的效果。波兰对冲击地压的研究方法和成果在世界居领先地位，最早运用煤层冲击 倾向性来判定井田冲击地压的发生，同时将岩体声发射和地震法很好的结合起来，综合预 测和探测煤矿冲击危险性，对矿山的冲击危险的防治具有广泛的应用。 我国虽然相对国外研究较晚一些，对冲击地压的研究是从2 0 世纪6 0 年代开始的，但 辽宁工程技术大学硕士学位论文 比较系统的大规模研究是从2 0 世纪8 0 年代初才开始。经过多年的探索与研究取得了大量 的研究成果。近些年来通过全国煤炭高校以及科研单位、矿山生产单位相互之间共同努力， 各类相关学术会议的成功召开，使得我国对冲击地压的发展有了质的飞跃。尤其是在对冲 击地压机理和防治措施取得较大的进展，特别是在冲击地压的非线性有限元数值模拟、电 磁辐射及声发射技术、微震监测系统以及煤层注水及卸压爆破相结合的综合防治措施等方 面的综合利用。随着科学技术的进步，使冲击地压研究向机理的力学分析及试验、应用非 线性科学和实时动态监测、综合治理等多方面发展。 1 ．2 ．2冲击地压区域防治措施 冲击地压的区域防治措施主要包括合理的开拓布置及开采方式、开采解放层等。 1 合理的开拓布置及开采方式 通过合理的开拓布置和开采方式减小开采技术中存在的不合理因素，避免开采过程中 形成的应力集中和叠加，以此来防治冲击地压的发生，该措施包括合理的采区开采顺序、 合理的工作面推进方向、合理的巷道布置等【2 5 】。此外，确定合理的解放层开采是较为有效 的冲击地压防治措施。 ①合理的采区开采顺序 保证合理的采区划分，尽可能的避免煤柱的形成。由于煤柱所承受的应力较高，当煤 柱为岛形或半岛形时，其周围应力场交错，形成的叠加应力共同作用于煤柱，导致煤柱具 有极高的冲击危险性。上部煤层回采结束后，该层遗留煤柱会将其所承受的集中应力向下 传递，且传递的深度相当大，可以导致在开采下层煤的时候产生冲击地压。统计表明，回 收煤柱过程中冲击地压发生的次数明显增多，两侧均为采空区的工作面在回采过程中也较 易发生冲击地压。 ②合理的工作面推进方向 采区或盘区的工作面在回采时应该朝相同方向推进，尽量避免相向回采，减少因工作 面回采产生的应力叠加。当工作面相向开采时，上山煤柱宽度逐渐减小，煤柱所承受的支 承压力逐渐增大，此时较易引起冲击地压。 ③合理的巷道布置 对于具有冲击危险的煤层，在开拓巷道时应将其布置在无冲击煤层或底板岩层中，尽 量减小冲击危险的可能。回采巷道尽可能避开较高的支承压力区域，巷道掘进时尽量的采 取宽巷方式，减少或者避免同时有两条甚至多条巷道平行掘进。 2 开采解放层 解放层开采是冲击地压防治的有效和根本性的区域性防范措施。这种方法在我国被广 辽宁工程技术大学硕士学位论文 泛应用以防止动力灾害的发生，对煤矿的安全生产起到了促进作用。例如，法国早在1 9 3 3 年就开始将解放层开采技术运用在煤矿开采过程中，降低了煤矿冲击地压发生的概率。由 于坚持首先对解放层开采的措施，除了石门揭煤外，动力灾害的发生已基本上得到了控制。 英国、捷克、波兰、日本等国家均采用解放层开采措施来防治冲击地压的发生。 1 ．2 ．3 局部解危措施 局部解危措施主要包括卸压爆破、煤层注水、钻孔卸压等。 1 卸压爆破 卸压爆破是使用爆破的方法对局部应力集中程度高且具有冲击地压危险区域进行解 危的一种措施【2 6 ‘2 8 】。在具有冲击危险的区域进行卸压爆破既可以解除冲击地压发生的强度 条件，同时还可以破坏冲击地压能量条件，从而降低弹性能的积聚，以达到安全生产的程 度。合理的炮眼位置和正确的爆破参数是取得良好卸压效果的有力保证。 2 煤层注水 大量的研究表明，在煤层开采前，对其进行长时间的压力注水，可以降低煤的抗压强 度，同时降低了煤对弹性能的存储能力，注水后的煤层，含水量有较大幅度的增高，从而 加大了煤体的塑性变形，降低了其脆性破坏的危险性，含水率的高低直接决定着煤层冲击 倾向性的强弱，含水率越低煤层的冲击倾向越强，反之则越弱【2 9 1 。所以，煤层注水是一种 有效的区域防范措施。 3 钻孔卸压 该方法是利用钻机向煤体打一定数量的钻孔，使钻孔周围煤体形成较大范围的塑性破 坏区域，煤层的压力通过塑性区释放，降低了煤层的冲击危险性，是一种较为有效的解危 措施。此法是在钻屑法的基础上产生的，通过对煤体钻孔，其所承受的高应力促使钻孔周 围形成破碎区，当这些破碎区接近以致贯通后，便可以起到弹性能释放、煤层卸压的效果 【3 0 ，3 1 1 。同时，煤层支承压力的最大峰值降低且向煤体深部转移。该方法在多数国家得到了 广泛应用，经验表明，钻孔卸压技术在多数情况下是冲击地压防治较为实用和有效的方法。 该方法已经在我国的各大煤炭企业进行了良好的推广及应用。 1 ．3 卸压爆破防治冲击地压研究现状 1 ．3 ．1煤体中卸压爆破应用 波兰上西里西亚煤田各矿也广泛采用卸压爆破方法松动煤体，以减少冲击地压危险性 辽宁工程技术大学硕士学位论文 p 2 | 。根据他们多年的经验，几米宽的安全带对减缓和消除冲击地压对工作面的威胁是足够 的。该安全带宽度的形成所需的炸药量应根据不同条件试验确定。按A ．克拉维茨建议，炸 药量单孔中为3k g ；炮眼长度全部垮落长壁工作面为6m ，水砂充填长壁工作面，按 顶板暴露长度选取。顶板暴露4m 以下，最有利的炮眼长度为6m ；5m 以下为7m ；6m 以下为7m ；7m 以下为8m ；8m 以下为9m 。 义马集团跃进矿2 3 1 3 0 工作面回采时，2 0 0 9 年6 月1 7 日8 时发现距切眼2 0m 处的 电磁辐射强度值达到临界报警值，于是采取放卸压爆破进行解危【3 3 1 。在巷道两帮进行深孔 爆破卸压。上帮钻孔沿煤层倾向布置，下帮钻孔沿一5 0 ～一8 0 钻进，孔口距巷道底板距离为 0 ．5 ～1 ．0m ，孔深为1 5 m ，孔径为4 5I m ，孔间距为5m ，装药量为4 埏，封孔长度不小 于6m 。炸药采用2 号煤矿许用乳化炸药，雷管采用煤矿许用毫秒延期电雷管，炮眼采用 连续偶合方式装药，采用双雷管引爆，每次起爆卸压炮数量不超过4 个。由于采取卸压爆 破等措施得当，电磁辐射幅值和应力值均回落到安全范围，安全回收全部煤炭，没有发生 冲击地压事故。 以上列举了一些国内外较早应用煤体卸压爆破的实例。由于煤体卸压爆破简便易行， 装药量也可适当控制，卸压效果比较可靠。 1 ．3 ．2顶板岩层中斜眼爆破应用 在一定采深条件下，煤层上方厚而坚硬砂岩顶板是影响冲击地压发生的主要因素之 一。采用顶板卸压爆破，将顶板破断，降低项板整体强度，释放因应力集中而产生的能量， 减少顶板由于采动影响和时间效应而产生的断裂对煤层和支架的冲击振动。从而可以有效 地降低冲击地压危险性。 国外一些冲击地压矿井也采用过顶板爆破卸压的方法并取得了良好的卸压效果。例如 俄罗斯基泽洛夫矿，某采煤工作面由于顶板厚而坚硬积聚了大量的弹性能，在回采过程中 煤壁出现大面积片帮，煤体片帮冲击等事故，不能安全回采。在距离工作面5 0m 处，在 辅顺、运顺巷道间隔1 0m 向煤层顶板施工扇形大直径超深钻孔5 个，最大孔深达到3 2m ， 进行超前断顶。装药爆破后，煤壁片帮冲击事故得到有效控制。 新汶矿区1 2 0 3 W 工作面进风巷顶板为细砂岩，厚度达1 4m ，具有较强的储存弹性能 的能力，根据钻屑法检验该巷道具有冲击危险，在检验具有冲击危险地点沿工作面倾斜方 向与煤层分别成3 0 0 、4 5 0 、6 0 0 ，孔深分别是4 0m 、2 8 m 、2 4m 向顶板施工两组炮孔，每 组施工3 个钻孔，钻孔间距2 ．5m ，组间距1 0m 【”J 。装药后进行卸压爆破，通过钻孔应立 计监测煤体应力大大降低，冲击危险得到解决。 济三煤矿6 3 0 3 工作面辅顺由于受到6 3 0 2 采空区老顶未充分垮落应力叠加的影响，曾 辽宁工程技术大学硕士学位论文 发生过多起巷道冲击事故，通过6 3 0 3 辅顺向6 3 0 2 采空区顶板打孔深1 2m 、仰角7 5 0 、孔 距间隔3m 的钻孔【35 1 。装药爆破后6 3 0 2 采空区老顶充分断裂，释放其储存的弹性能，使 得6 3 0 3 辅顺巷道支承压力减小，并向煤体内部转移，有效的防止了冲击地压的事故发生。 1 ．4 本文研究内容、方法及技术路线 1 ．4 ．1 研究内容 由于煤体和岩层爆破过程受它们的性质、地质条件、装药量、孔间距等多种因素的制 约，对爆破参数的合理确定和用精确的公式来表达是很难的。本文结合工程实例，从爆破 卸压的发生机理、爆破参数方面综合分析卸压爆破，具体内容如下 1 爆破卸压机理 从岩体爆破的内部作用出发，研究了在爆破过程中岩体产生粉碎区、裂隙区及弹性震 动区的物理过程。进一步阐述冲击地压解危措施的爆破卸压原理，将爆破卸压原理应用到 煤层顶板爆破卸压及煤层爆破卸压。 2 岩体中爆破卸压合理参数的研究 分析了影响岩体中爆破卸压产生裂隙的影响因素，及其爆破卸压参数间关系。具体研 究了沿空巷道小直径断顶爆破卸压、中等直径钻孔顶板超前断裂爆破卸压和超深孔坚硬顶 板断裂爆破参数的具体确定方法。 3 煤体中爆破卸压合理参数的研究 分析了煤体与岩体中爆炸作用的不同点、煤体中卸压爆破影响参数以及煤体爆破参数 的确定。并通过实例具体研究煤体中小直径钻孔爆破卸压和大直径超深钻孔煤体爆破卸压 参数的确定。 4 爆破卸压数值模拟 建立A N S Y S ／L S ．D Y N A 爆破计算模型，以最佳装药量为基础，改变不同的炮孔孔间距， 模拟深孔卸压爆破过程，分析爆破孔爆破应力的传播规律及爆裂裂纹扩展规律，得出炮孔 爆破的有效影响半径。 5 爆破卸压方法在工程中的应用 通过济三煤矿6 3 0 3 工作面沿空巷道断顶卸压爆破和南屯煤矿9 3 上1 2 工作面煤体爆破 卸压防冲的工程实例，探讨了卸压爆破参数确定方法的工程应用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．4 ．2 研究方法 本文结合项目实践经验和有关参考文献给出各种爆破参数的计算公式，采用理论分 析，参数计算，现场实施的方法分析卸压爆破机理和防治方案，具体的研究方法为 1 理论分析根据爆破理论进行分析，设计爆破方法。 2 参数计算在具体条件下，根据煤岩性质及开采条件计算合理的爆破参数。 3 数值模拟根据工作面具体情况建立数值模拟模型，进行在不同爆破参数下爆 破卸压效果模拟分析选择最优方案 4 工程实践根据理论分析和参数优化结果，现场实施钻孔、装药、起爆等工作， 并对卸压效果进行实际验证。 1 ．4 ．3 研究技术路线 本论文研究的技术路线如图1 ．1 所示 图1 ．1技术路线 F i g ．1 ．1 T e c h n i c a lr o u t e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 爆破卸压机理及爆破方法 2 ．1 爆破卸压机理 2 ．1 ．1 爆破的内部作用分析 岩石中爆炸压碎区、裂隙区和震动区半径的计算方法。炸药爆炸后煤岩体内的破坏区 域如图2 ．1 所示。 r o 一孔半径；R 。一压碎区半径；R p 一裂隙圈半径；R 一震动圈半径 图2 ．1炸药爆炸后煤岩体内的破坏区域 F i g2 ．1D y n a m i t eb l a s ti nt h ec O a la n dr o c kd a m a g ea r e a 1 压碎区 冲击波在岩体内衰减很快，其峰值随距离变化关系近似为 争 2 ．1 式中尸K 一冲击波传播至距离爆源为r 处的压力； F 一对比距离F 二； ％ ％一卸压炮孔半径； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a 一衰减指数，对于冲击波区取。。 ”，应力波区取“一”a 2 J L ； 1 Ⅳ ∥一泊松比； 尸2 一作用在药室岩壁处的最大初始冲击压力 对于耦合装药 最 竽 对于不耦合装药 只 华㈡胛 ‘ 8I ， J 式中p o 一装药密度； - 一装药半径； 门一爆生气体与炮孔壁碰撞时的增大系数，，2 8 ～1 0 。 压缩圈半径可用下式计算 耻㈤啦靠 式中S c 一岩石单轴抗压强度； p 。一岩石密度； R K 一卸压空腔半径的极限值 耻㈡们％ 上式中E 一炸药平均爆轰压 鼻 丢咿2 只一多向应力条件下的岩石强度 2 ．2 2 ．3 2 ．4 2 ．5 2 ．6 知鬲 一 十一1 ●■ 辽宁工程技术大学硕士学位论文 狲㈦班 ㈦7 ， 2 裂隙区 压碎圈是由塑性变形或剪切破坏形成的，而裂隙圈则是内拉伸破坏形成的【3 6 1 。计算裂 隙区时可以忽略冲击波和压碎圈，按式 2 ．2 、 2 ．3 计算应力波初始径向峰值应力， 则裂隙圈半径为 耻斛口％ 泣8 ， 式中 6 一切向应力和径向应力的比例系数，6 L l 一“ 一岩石的抗拉强度，s 鲁； ∥一岩石的泊松比。 3 震动区 裂隙区之外的区域统称为震动区，该区内的应力波统称为地震波。地震波可以传到很 远的距离，直至其能量完全被岩体吸收【3 7 】。 由于炸药量与爆破地震波的传播距离成正比，振动圈半径可按下式计算 R z 1 ．5 ～1 ．8 √Q 2 ．9 式中 Q 一同时起爆的炸药量。 若在煤岩体中采取合理的爆破方式使其只产生内部作用，并且使爆破产生的裂隙区相 互贯通，则会在爆破区域形成卸压带。在卸压带中，由于煤岩体已经发生破坏，强度下降， 应力大大降低或向深部转移，原来在高应力作用下积累的能量也将得到释放。所以爆破卸 压在有冲击危险的地点的煤层或岩层中形成一定宽度的卸压保护带，可对深部煤岩层震动 起到阻碍破坏和吸收能量的作用。 2 ．1 ．2顶板岩层中爆破卸压机理 厚而坚硬砂岩顶板是影响冲击地压发生的主要因素之一。分析表明坚硬厚层砂岩顶 板容易聚积大量的弯曲弹性能，