砚北矿特厚煤层冲击矿压规律及防治研究.pdf

国家重点基础研究发展规划973资助项目 2010CB226805 国家自然科学基金和神华集团有限公司联合资助项目 51174285 国家科技支撑计划资助项目 2012BAK09B01 江苏高校优势学科建设工程资助项目 SZBF2011-6-B35 硕士学位论文 砚北矿特厚煤层冲击矿压规律及防治研究 Research on Law and Prevention of Rock Burst for Extremely Thick Coal Seam in Yanbei Coal Mine 作 者王佳硕 导 师窦林名 教授 中国矿业大学 二○一四年五月 万方数据 中图分类号 TD322 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 砚北矿特厚煤层冲击矿压规律及防治研究 Research on Mechanism and Prevention of Floor Burst for Extremely Thick Coal Seam Roadway in Folded Region 作 者 王佳硕 导 师 窦林名 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 矿山压力 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 71 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砚北矿特厚煤层冲击矿压规律及 防治研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研 究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本 人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥 有学位论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文 的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文；②为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论 文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 Thesis approval identification 研究生 王佳硕 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文， 经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符 合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 论文是在导师窦林名教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，在论文选题之初，窦老 师就注入了极大的关心与鼓励，使我能够全身心投入到论文的写作中。在论文撰写过程 中，窦老师还给了我孜孜不倦的教诲、宽阔的科研平台，为我的论文创作之路提供了一 切优越条件。他严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、孜孜以求的工作作风和大胆创 新的进取精神也将对我未来的人生产生重要影响，渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思 维更是给了我深深的启迪。 值此论文完成之际， 我谨向恩师窦林名教授致以深深地谢意。 其次，我还要感谢陆菜平教授、刘海顺教授、牟宗龙教授、曹安业副教授，巩思园 副研究员，贺虎讲师，何江讲师，他们循循善诱的教导，让我迅速的融入冲击矿压的专 业知识领域。 同时也特别感谢蔡武博士以及冲击矿压课题组的所有师兄弟们，他们在论文思路、 数值模拟等方面提供了许多宝贵的建议和帮助。 感谢矿业工程学院的各位领导、老师三年来对作者的关怀和指导，感谢重点实验室 的各位老师在学习、实验过程中给予的指导和帮助。 感谢华煤集团砚北煤矿的领导、防冲科技术人员及现场施工、监测人员，在项目进 行中给予了大力支持；在作者进行课题研究和论文撰写过程中，他们的辛勤工作保证了 项目的顺利实施，并为本论文提供了许多宝贵的现场资料与数据。 感谢我远在他乡的父母，感谢他们的养育之恩，感谢他们给予的关心与无私奉献， 感谢亲人们、朋友们一直以来的默默鼓励和支持。 感谢所有帮助、 关心和支持我的同学和朋友们， 你们的友谊是我今生最宝贵的财富 最后，向百忙之中审阅本文和参加论文答辩的各位专家、教授致谢，并恳请指正 万方数据 I 摘摘 要要 砚北煤矿的煤层属于特厚煤层，而且处于褶皱构造区。褶皱区特厚煤层在开采过程 中，受水平构造应力影响显著，使得厚煤层积聚大量弹性能，加之煤的临界冲击强度较 小，更容易在动静载组合作用下发生失稳诱发巷道冲击。 本文采用理论分析、数值模拟以及现场应用实践相结合的综合分析研究方法，主要 针对砚北煤矿褶皱区特厚煤层巷道冲击的作用机理、巷道冲击的显现规律、巷道冲击控 制措施思路以及现场实践应用进行系统研究。 基于动静载叠加诱发冲击的理论， 总结出特厚煤层巷道冲击破坏的必要条件是动静 载叠加后的水平应力大于临界水平应力。 动载的影响在巷道围岩破坏过程中主要起两种 作用，一是诱发作用；二是主导作用。巷道的破坏是在静载荷和动载荷共同作用下产生 的，巷道破坏程度随动载能量的增大而增加，在具有冲击倾向性煤层中掘进的巷道，围 岩破坏就有可能会演化成冲击矿压事故。 采用 FLAC2D数值软件分别模拟研究了静载作用、动载扰动下巷道围岩的应力、位 移、水平变形速度、塑性区分布等参量的演化规律，数值模拟分析了特厚煤层巷道冲击 的影响因素。通过对比模拟不同底板属性、不同原岩水平应力以及不同能量动载对于巷 道冲击的影响。 矿震监测表明，应力集中区内煤岩体发生破裂释放能量，与矿震震源的分布位置形 成了很好的对应。运用微震监测数据、声发射监测数据以及电磁辐射监测数据分析覆岩 关键层的破断规律，覆岩关键层破断期间，发生大能量矿震，声发射和电磁辐射监测数 据达到最大值。 结合现场实测数据制定砚北矿 250204 工作面开采期间冲击矿压监测预警体系，主 要采用震动波 CT、在线应力监测及钻屑监测形成动、静组合的监测体系，从而达到有 效监测效果。结合监测预警结果制定相应的防控方案，采用顶板深孔爆破、底板大直径 钻孔卸压、煤体大直径深孔卸压爆破等解危措施，能够有效的降低危险区域的冲击危险 性。在防治措施实施后，强矿震活动降低，工作面附近应力水平与钻屑量下降，由此表 明，制定的卸压技术对治理冲击矿压危害起到了显著作用。 该论文有图 72 幅，表 13 个，参考文献 84 篇。 关键词关键词冲击矿压；水平构造应力；特厚煤层；动静载；矿震活动特征 万方数据 II Abstract The special thick coal of yanbei Coal Mine is in the fold structure area. Fold zone specially thick coal seam in the process of mining, significantly influenced by the horizontal tectonic stress, the thick coal seam accumulate a large amount of elastic energy, together with the critical impact strength of coal is smaller, more easily under the effect of combination of dynamic and static load instability induced shock of roadway. In this paper, the theoretical analysis, numerical simulation and field application practice of the comprehensive analysis and research of combining， Mainly aimed at systematic research of the mechanism of the impact of roadway, the appeared rule of gateways, the control measures to train of thought and practice application gateways in yanbei Coal Mine。 Using numerical software FLAC2D, respectively, simulation of the roadway surrounding rock stress, displacement, horizontal deation rate, plastic zone distribution of evolution law of the parameters Under the action of static load and dynamic load disturbance。By comparing the simulated different bottom properties and level of the original rock stress and the influence of different impact energy dynamic load for roadway. Rock-burst monitoring show that the stress concentration zone fracture of coal or rock released energy, and the distribution of the mine earthquake focal position to the good correspondence. Using microseismic monitoring data, the acoustic emission monitoring data and the analysis of the electromagnetic radiation monitoring data of the rules of the key strata, the key strata breakage during a major energy rock-burst, acoustic emission and electromagnetic radiation monitoring data to achieve maximum value. Combined with field measured data set during the inkstone north mine 250204 working face mining rock-burst monitoring and early warning system, the main stress with the vibration wave CT, online monitoring and cuttings combination of dynamic and static monitoring system. Combining with the monitoring and early warning results ulate corresponding prevention and control plan, adopting prevention measures such as roof of large diameter deep hole blasting, bottom hole pressure relief, coal large diameter deep hole blasting pressure relief，to effectively reduces the risk of the impact of the danger zone.In prevention and control measures after implementation, strong earthquake activity is reduced, near the working face stress level decreased and cuttings, which shows that make the unloading technology of governance of rock-burst harm has played a significant role. This paper has 72 figures, 13 tables and 84 references. Keywords rock burst;horizontal tectonic stress;extremely thick coal seam;dynamic and static load;mining tremor features 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 .........................................................................................................................................I 目目 录录 ..................................................................................................................................... III 图清单图清单 .................................................................................................................................... VII 表清单表清单 ...................................................................................................................................... XI 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................................ XII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 ................................................................................................................. 1 1.2 研究现状综述 ..................................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容 ...................................................................................................................... 6 1.4. 研究方法及技术路线 ........................................................................................................ 7 2 特厚煤层巷道冲击失稳机理分析特厚煤层巷道冲击失稳机理分析 ........................................................................................ 9 2.1 特厚煤层巷道冲击破坏机理 ............................................................................................. 9 2.2 特厚煤层巷道冲击破坏必要条件 ................................................................................... 11 2.3 动静载组合作用下巷道围岩破坏规律 ........................................................................... 13 2.4 小结 ................................................................................................................................... 15 3 特厚煤层巷道冲击的数值模拟研究特厚煤层巷道冲击的数值模拟研究 .................................................................................. 17 3.1 引言 ................................................................................................................................... 17 3.2 模型的建立 ....................................................................................................................... 17 3.3 不同底板属性对巷道冲击的影响 ................................................................................... 17 3.4 不同水平应力对巷道冲击的影响 ................................................................................... 19 3.5 不同能量动载与不同水平应力叠加对巷道冲击的影响 ............................................... 22 3.6 小结 ................................................................................................................................... 26 4 特厚煤层工作面冲击矿压显现及关键层破断规律分析特厚煤层工作面冲击矿压显现及关键层破断规律分析 .................................................. 27 4.1 250204 工作面冲击矿压显现 ........................................................................................... 27 4.2 250204 工作面矿震活动特征 ........................................................................................... 32 4.3 250204 工作面覆岩关键层破断规律分析 ....................................................................... 35 4.4 小结 ................................................................................................................................... 50 5 特厚煤层冲击矿压预警与防治技术的现场实践研究特厚煤层冲击矿压预警与防治技术的现场实践研究 ...................................................... 51 5.1 引言 ................................................................................................................................... 51 万方数据 IV 5.2 250204 工作面冲击矿压预警技术 .................................................................................... 51 5.3 250204 工作面冲击矿压危险防控措施 ............................................................................ 56 5.4 小结 .................................................................................................................................... 62 6 主要结论主要结论 ............................................................................................................................... 64 参考文献参考文献 ................................................................................................................................... 66 作者简历作者简历 ................................................................................................................................... 70 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .............................................................................................................. 71 学位论文数据集学位论文数据集....................................................................................................................... 72 万方数据 V Contents Abstract ........................................................................................................................................ I Contents ..................................................................................................................................... III List of Figures .......................................................................................................................... VII List of Tables ............................................................................................................................. XI List of Variables ....................................................................................................................... XII 1 Introduction .............................................................................................................................. 1 1.1 Research Backgrounds and Significance ................................................................................. 1 1.2 Present Research ...................................................................................................................... 2 1.3 Main Research Objectives ....................................................................................................... 6 1.4 Research Approaches and Technical Route ............................................................................. 7 2 Analysis of Mechanism of Burst Failure for Extremely Thick Coal Seam Roadway ......... 9 2.1 Mechanism of Floor Burst Failure for Extremely Thick Coal Seam Roadway ...................... 9 2.2 Necessary Condition of Floor Burst Failure for Extremely Thick Coal Seam Roadway ........ 11 2.3 Law of roadway surrounding rocks destruction under dynamic and static loading .............. 13 2.4 Summary ................................................................................................................................ 15 3 Numerical Simulation of Burst for Extremely Thick Coal Seam Roadway ...................... 17 3.1 Foreword ................................................................................................................................ 17 3.2 Establishment of Numerical Model ....................................................................................... 17 3.3 Effect of Different Floor Properties on Roadway Burst ........................................................ 17 3.4 Effect of Different Horizontal Stress on Roadway Burst ...................................................... 19 3.5 Effect of Different Horizontal Stress and Energy of Dynamic Load on Roadway Burst ...... 22 3.6 Summary ................................................................................................................................ 26 4 Analysis in Rock Burst Appearance and Breaking Law of the Key Layer for Working Face in Extremely Thick Coal Seam ........................................................................................ 27 4.1 Rock Burst Appearance in 250204 Working Face ................................................................. 27 4.2 Characteristic of Seismic Events in 250204 Working Face Passing Exploration Lane ........ 32 4.3 Analysis in Breaking Law of the Key Layer for 250204 Working Face ............................... 35 4.4 Summary ................................................................................................................................ 50 5 Practice Research of Early Warning and Prevention Technology for Rock Burst for Extremely Thick Coal Seam ..................................................................................................... 51 万方数据 VI 5.1 Foreword ............................................................................................................................... 51 5.2 Mining-induced Tremor Early Warning of 250204 Working Face ....................................... 51 5.3 Control of Mining-induced Tremor of 250204 Working Face ................................ 56 5.4 Summary .........................................................................................................................