厚煤层冲击地压预测分析和支护技术研究.pdf

万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 厚煤层冲击地压预测分析和支护技术研究 摘 要 冲击地压是一种破坏性比较强的煤岩体动力现象，并且具有突然性和 多样性，目前关于冲击地压机理最为广泛的说法是由于煤岩体中弹性能存 储过载，煤岩体最终发生了失稳破坏，并释放出弹性能，矿井开采当中， 厚煤层相比于薄煤层和分层开采存在大采高、扰动影响大的特点，冲击地 压发生的可能性也比较高，特别是埋深较大的厚煤层矿井，依据煤矿相关 规定一般采深超过 400m 的矿井都需要进行冲击地压的监测， 由于发生具有 随机性和不确定性，所以至今冲击地压的预测还没有得到很好的解决。 本课题以小纪汉煤矿为工程背景，针对厚煤层冲击地压发生孕育时间 较长，蠕变型冲击地压在高应力的情况下工作面和已经成巷回采巷道都易 发生冲击地压的现象，通过理论和数值模拟的方式对小纪汉煤矿可能发生 冲击地压的部位给予预测分析，并对已产生大变形和冲击现象的回采巷道 支护方案进行支护优化和改良。 主要研究结果如下 （1）通过中薄煤层和厚煤层的对比分析得出厚煤层下弹性能量的集聚 大于薄煤层，并通过理论计算得出在小纪汉厚煤层地质条件下弹性能量、 巷道半径和煤层埋深的相互关系曲线。 （2）蠕变型冲击地压具有自发性和时滞性的特点，巷道开挖以后塑性 区围岩完全蠕变破坏以后将会形成“伪自由面”， 部分弹性煤体三向应力状解 除，最终在巷道薄弱区域发生冲击地压，围岩由于蠕变速率存在差异，故 将围岩分为快速不稳定蠕变区、慢速不稳定蠕变区以及稳定蠕变区，并通 过理论计算得出小纪汉煤矿回采巷道的三种蠕变区的大致范围，为之后的 回采支护提供了理论依据。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II （3）由于煤厚变化区对小纪汉煤矿冲击地压可能造成影响，故通过建 立简易弹簧体力学模型并利用计算式得出煤厚由厚变薄应力增加的结论， 并通过数值模拟进行了论证。 （4）通过 Flac3D 对小纪汉煤矿现有回采工作面三个阶段性回采，分 析了该煤矿工作面前方冲击地压可能发生区域，以及回采巷道两帮应力异 常区域。 （5）针对原有支护在回采巷道之中存在锚固范围小无法形成有效的压 力拱的问题以及巷道的冲击地压尤其是存在应力异常区域的回采巷道，提 出了锚杆锚索钢带的联合支护形式，并对煤厚变化应力异常区域加强监 测并采取钻孔卸压的措施。 （6）提出采煤工作面冲击地压防治的局部方案。 关键词冲击地压，预测分析，煤厚变化，数值模拟，支护 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III PREDICTIONANALYSISAND SUPPORT TECHNOLOGY RESEARCH OF ROCK BURST IN THICK COAL SEAM ABSTRACT Rock burst is a kind of strong destructive power phenomenon in coal and rock mass, and it has suddenness and diversity. At present, the most extensive theory about the mechanism of rock burst is that the elastic energy in coal and rock is stored over loading. Finally, the coal and rock mass destabilize and release the elastic energy. On coal mining, thick coal seam compared with thin coal seam and layered mining, thick coal seam has the characteristics of large mining height and large disturbance, so the possibility of rock burst is also high and it is especially in thick coal seam mine with deep depth. According the relevant regulations of the coal mine, the mine which the depth is more than 400m needs to monitor the rock burst. The prediction of rock burst has not been well solved because of the randomness and inaccuracy. Xiao Ji Han mine as the engineering background,thick coal seam rockburst has gestating time when it emerge rock burst.Creep-induced rock burst is easy to occur in the working face and the roadway that has already been produced under high stress. By means of theoretical and numerical simulation to forecast the rock burst of xiao ji han mine. The support of the roadway which has produced 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV large deation and impact is optimized and improved. The main research results are as follows 1 Through the comparison and analysis of thin coal seam and the thick coal seam, we could use calculation to induce the relation curve of the elastic energy, the radius of the roadway and the depth of the coal seam under the geological conditions of xiao ji han mine. 2 The Creep-inducetd rock burst has the characteristics of spontaneity and delay. The “pseudo free surface“ will be ed after the roadway which surrounding rock is destroied creeply. Some of the elastic coal body is relieved from three-dimensional stress state, finally, the rock burst in the weak area of the roadway is broken down. The surrounding rock is divided into the rapid unstable creep zone, the slow unstable creep zone and the stable creep zone because of the difference of the creep rate and the approximate range of three kinds of creep zones is calculated in xiao ji han, it provide the theoretical basis for the support of roadway. 3 Because the change area of coal thickness may affect the of the coal mine in xiao ji han, so a simple mechanical model of spring body is established and calculated to draw the conclusion that thick coal seam to thin coal seam the stress will increase, the view is proved by numerical simulation. 4 Through three stages mining of working face by the mean of flac3D in xiao ji han, the possible area of rock burst in front of working face and abnormal stress areas in both sides of roadway are analyzed. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 5 The problem that there is a small anchorage range in the original support and the effective pressure arch can not be ed in the roadway ,rock burst and abnormal stress is also existing in roadway so the bolt anchor steel combined support is proposed , the monitoring of the abnormal stress area of coal thickness is strengthened and measures for release pressure boreholer should be implemented. 6 A partial measure for prevention and control of rock burst in front of working face is put forward. KEY WORDSrock burst，prediction analysis，change of coal thickness， numerical simulation，support 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目 录 摘 要........................................................................................................................................... I ABSTRACT..............................................................................................................................III 第一章 绪论...............................................................................................................................1 1.1 课题背景和研究意义...................................................................................................1 1.2 冲击地压相关理论及研究现状...................................................................................2 1.3 冲击地压预测技术研究现状.......................................................................................4 1.4 冲击地压的防治技术研究现状...................................................................................6 1.4.1 冲击地压长期防治措施...................................................................................6 1.4.2 冲击地压主动解危措施....................................................................................6 1.5 国内外冲击地压巷道支护技术研究...........................................................................7 1.6 研究内容和技术路线..................................................................................................8 1.6.1 研究内容...........................................................................................................8 1.6.2 技术路线...........................................................................................................9 第二章 厚煤层巷道冲击地压机理发生机理研究.................................................................11 2.1厚煤层发生事故案例..............................................................................................11 2.2 厚煤层围岩冲击机理分析.........................................................................................12 2.2.1 薄及中厚煤层与厚煤层冲击机理对比分析.................................................12 2.2.2 厚煤层冲击能量计算.....................................................................................12 2.2.3 计算分析.........................................................................................................15 2.3 厚煤层围岩应力蠕变冲击机理.............................................................................16 2.3.1 厚煤层巷道分区蠕变变形特征......................................................................19 2.3.2 厚煤层不稳定蠕变机理分析.........................................................................20 2.3.3 蠕变冲击地压的防治措施.............................................................................22 2.4 本章小结.....................................................................................................................23 第三章 小纪汉矿冲击地压危险性评价和预测.....................................................................25 3.1 工作面概况.................................................................................................................25 3.2 小纪汉煤矿冲击地压影响因素.................................................................................25 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.2.1 开采深度.........................................................................................................25 3.2.2 煤体的冲击倾向性.........................................................................................26 3.2.3 顶板岩层的的结构特点..................................................................................26 3.2.4 相邻采空区的影响..........................................................................................27 3.2.5 煤厚变化区的影响..........................................................................................28 3.3综合指数法确定 10 盘区冲击危险性....................................................................30 3.3.1 冲击地压危险性划分衡量指标.....................................................................30 3.3.2 冲击地压危险情况地质因素指数..................................................................30 3.3.3 影响冲击地压危险性的开采因素和系数......................................................32 3.4 数值模拟揭示和预测 11217 工作面和回采巷道的冲击危险性............................34 3.4.1 模型的建立......................................................................................................34 3.4.2 边界条件..........................................................................................................35 3.4.3 模拟过程..........................................................................................................35 3.4.4 模拟结果分析..................................................................................................36 3.5 本章小结....................................................................................................................41 第四章 冲击地压型厚煤层回采巷道支护方式研究.............................................................43 4.1 回采巷道的基本情况................................................................................................43 4.2 冲击地压的发生和支护现状.....................................................................................43 4.3 厚煤层围岩巷道结构特点.........................................................................................45 4.3.1 11217 工作面回采巷道类型...........................................................................46 4.4 锚杆锚索在冲击地压下支护机理............................................................................47 4.4.1 锚杆冲击地压下支护机理..............................................................................47 4.4.2 锚索冲击地压下支护机理..............................................................................48 4.5 冲击地压厚煤层回采巷道支护设计........................................................................49 4.5.1 顶锚杆参数设定.............................................................................................50 4.5.2 帮锚杆支护参数确定......................................................................................52 4.5.3 锚索支护参数的确定.....................................................................................52 4.6 工程支护方案的数值模拟.........................................................................................54 4.6.1 模型以及相关参数的选取.............................................................................54 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 4.6.2 数值模拟结果分析.........................................................................................55 4.8 本章小结.....................................................................................................................58 第五章 冲击地压的防治措施.................................................................................................59 5.1 整体防突措施.............................................................................................................59 5.1.1 保护层开采原理及可行性方案......................................................................59 5.1.2 小纪汉矿保护层开采可行性分析..................................................................60 5.2 放顶煤方案的可行性分析........................................................................................63 5.3 局部防突措施.............................................................................................................64 5.3.1 巷道煤厚变化区帮部防冲方案......................................................................64 5.3.2 11217 工作面的防冲方案...............................................................................64 5.4 本章小结....................................................................................................................65 第六章 主要结论和展望.........................................................................................................67 6.1 主要结论....................................................................................................................67 6.2 不足和展望.................................................................................................................68 参考文献...................................................................................................................................69 致 谢.........................................................................................................................................73 攻读硕士学位期间发表的学术论文.......................................................................................75 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题背景和研究意义 近年来虽然我国加大了能源转型的力度， 但是煤炭在我国能源消费结构中还是占据 着很高比重，达到了 65[1]。其中厚煤层在煤炭生产中的比例大致为 40，由于煤炭资 源长时间的开采，我国绝大多数煤矿已转入深井开采。同时，大埋深条件下煤矿回采巷 道的支护问题越来越复杂，冲击地压灾害的发生频率也与日俱增，这对矿井生产带来了 很大的安全隐患。冲击地压是由于大量的弹性能没有得到释放而集聚于煤岩体当中，当 受到外界诱发因素的影响而突然释放，是一种急剧猛烈的的矿压显现现象，通常会造成 巷道断面产生较大变形，设备损坏严重，甚至造成人员伤亡[2-5]。 矿井开采当中回采巷道和工作面是冲击地压发生的主要区域， 这就要求巷道支护需 要进一步的加强以满足冲击性区域的安全要求。从 20 世纪以来国内外的专家针对煤矿 井下冲击现象做了多方面的研究工作，但是由于冲击地压的发生因素影响较多，自身具 有诸多不确定性，从而造成冲击地压到目前为止没有统一的判别标准，很难采取有针对 性的预测和防治方法。 事故案例中甘肃华亭、山东鲁西和河南的义乌等矿发生的冲击地压事故都体现为， 煤层厚度大，埋深接近冲击临界深度，但是冲击地压确形成一定的规模，目前的厚煤层 冲击理论尚不完整， 比如一些矿井在进行预测预警的时候因为围岩具有较大程度的蠕变 型， 继而表现为“长期震动”，但是很长一段时间只震不冲，当发生冲击地压时规模较大， 这就给厚煤层的冲击防治带来了巨大的困难，严重的制约了井下矿井的生产。 本课题通过理论分析对厚煤层情况下冲击能量计算、 蠕变冲击机理等进行了研究， 针对小纪汉煤矿特殊的煤厚变化区构造建立了相应的物理和数学模型， 并通过力学角度 分析其机理， 应用数值模拟的方式对小纪汉煤矿的冲击地压发生区域给予相应的预测分 析，并通过数值模拟、工程对比和工程实例的方式对 11217 工作面回采巷道原支护进行 优化设计，使其更能适应蠕变型冲击巷道，并提出相应的冲击防治措施。由此能够为将 来和小纪汉矿存在相似的厚煤层、煤厚变化等地质条件的煤矿提供参考案例，应用多种 技术手段使得蠕变型冲击地压能在厚煤层之中的发生几率降到最低， 从而保证矿井的安 全生产，提高煤矿的生产效益。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.2 冲击地压相关理论及研究现状 冲击地压属于矿山开采中煤岩体矿压显现的剧烈表现形式， 煤岩体破坏经常体现为 当煤岩力学系统达到强度极限的时候，煤岩体之中的弹性能以一种快速、猛烈、急剧的 形式释放出来造成破坏[6]， 冲击地压从 18 世纪英国首次发生以来， 已经经历过了二百多 年。在这期间波兰、中国、德国等地质开采条件比较复杂的国家都遭受到了不同程度的 冲击地压威胁，属于世界性的岩石力学难题[7-9]。目前，冲击地压的研究和防治主要是通 过现场的设备检测，并对检测到的数据进行处理分析，从而对矿井开采过程当中冲击地 压可能发生的部位进行一定程度上的预测。冲击地压机理研究的过程当中，国内外学者 也相应的提出了诸多理论如强度理论、刚度理论、冲击倾向性理论等[10-12]，应用比较 广泛，发展比较成熟的理论主要有以下几种。 （1）强度理论 早期的强度理论认为，在地下工程当中，冲击地压是煤岩体局部应力超过其自身强 度极限便会发生，由此围绕围岩体的应力集中提出各种理论，如悬臂梁理论和压力拱理 论等这些理论统称为冲击地压强度理论。强度理论，非常直观的对冲击地压发生时所需 要的必要条件进行了解释和说明，以系统性的方式对其发生机理进行了分析，为后来很 长一段时间研究者预测冲击地压提供了依据。。 强度理论在阐释冲击地压这一现象中虽然表达具有通俗、简易的特征，但是也会时 常遇到虽然煤岩体的应力集中已经达到甚至是超过了其强度极限但是仍然没有发生冲 击地压，这说明强度理论只能是冲击地压的必要条件，并不能进行准确预测和分析[13]。 （2）刚度理论 刚度理论是 Cook[14-16]等人在 20 世纪 60 年代将试验机的刚度调整到小于试件的刚 度时， 试件便会产生不稳定的脆性破坏， 这一结论在一定程度上体现了冲击地压的本质。 20 世纪 70 年代 Black 将此理论进一步的完善，当矿山岩体的结构刚度大于支护系统的 刚度时也是冲击地压发生的重要条件。唐春安[17]等人依照岩体相互作用的原理，研究了 围岩体破裂过程失稳的刚度效应模式。 一些学者将该理论主要应用于煤柱和围岩系统的 冲击地压问题，从刚度的角度构建了冲击地压的模型。 冲击地压的刚度准则可以作如下表达 e KK m （1-1） 式中 m K是岩体未破裂时的刚度，而 e K是岩体破裂时的瞬间刚度。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 该理论虽然直观并揭示了冲击地压所发生的原因， 但是在并未将煤岩体自身能够储 存释放能量这一特性考虑在内。 （3）能量理论 能量理论的基本观点是矿体围岩平衡系统所释放的能量大于岩体破坏过程中消 耗的能量，即为发生了冲击地压。该理论从能量守恒的角度，阐释了冲击地压发生过程 当中能源问题。Dunk House 将能量理论作出进一步的解释，并得出了能量破坏方程，但 很难应用于实际工程当中[18]。能量理论可以对部分的冲击地压现象作出解释，但是岩体 被看作是纯弹性的，这和煤岩体破坏的实际过程并不相符，该理论并没有说明平衡状态 及破坏条件，缺少必要的判据，故能量理论还是存在局限性。能量理论判别冲击地压发 生可采用下式，即 1 d              t dW dt dW dt dW D sE  （1-2） 式中 E W围岩赋存的变形能； 围岩能量释放的有效系数； S W煤体赋存的变