浅部厚煤层W型工作面冲击地压显现规律.pdf

论文题目浅部厚煤层 W 型工作面冲击地压显现规律 专 业矿业工程 硕 士 生杩牧笛 签名 指导教师邓广哲 （校内） 签名 赵 凯 （校外） 签名 摘 要 宽沟煤矿 E1148 工作面的开采煤层是厚煤层，工作面呈 W 型布置，该工作面开采 时具有冲击地压灾害。 论文以 E1148 工作面为研究对象，利用微震系统、在线监测系统等监测手段，通过 冲击地压评价、现场试验相结合的综合分析方法，针对 E1148 工作面的老顶初次来压、 周期来压、以及解危措施等内容进行系统研究，得到 E1148 工作面回采期间的矿压显现 基本规律和针对性煤岩冲击灾害的解危措施和参数。 结合冲击灾害预警分析结果制定了相应的灾害防控方案，采用工作面顶板动态解 危、煤体卸压动态解危和定向水力致裂解危等解危措施，进行工作面冲击地压的防治。 实施后，强矿震活动降低，工作面附近应力水平和钻屑量下降、微震事件能量降低，对 治理冲击矿压危害起到了显著作用。 研究成果为宽沟煤矿工作面的安全回采提供了保障，同时对相似条件下工作面的冲 击地压防治具有一定参考意义。 关 键 词W 型工作面；冲击地压；矿压规律；放顶技术 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Shallow Thick Coal Seam Rockburst of Working Face of Type W Behavior Specialty Mineral Engineering Name Ma Mu Di Signature Instructo Deng Guangzhe Signature ABSTRACT Kuan Gou coal mine E1148 mining coal seam is thick coal seam, W type layout, after inspection, the exploitation of coal seam has strong rock burst tendency, the roof has a weak impact orientation, and mining is the rockburst risk. Based on the E1148 working face as the research object, the use of micro system, monitoring system and monitoring , A comprehensive analysis of research s through theoretical analysis, monitoring analysis and field application of combining, The main content of the E1148 working face roof first weighting, the periodic weighting, the systematic research on preventing measures，then geting the basic rule of pressure in the E1148 working face of mine. With the development of prevention and control scheme of the monitoring results, the large diameter deep hole blasting, coal roof pressure relief blasting controlling measures can effectively reduce the impact of dangerous area. In the prevention and control measures after the implementation of strong mining earthquake activity, reduce stress, and drilling cuttings weight decreased, reduce the energy of microseismic events should be near the surface, so that the pressure relief technology, the development of the mine pressure bumping danger governance plays a significant role in. The results of this study provide a guarantee for the safety of coal mining working face. At the same time the research of shallow coal seam roof is hard to run under the conditions of coal mining safety is of great reference significance. Key words W type working face; Rock burst; Mine Pressure Regularity; Caving Technology Thesis Application Research 万方数据 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论绪论...................................................................................................................................1 1.1 选题背景.................................................................................................................1 1.2 研究意义.................................................................................................................1 1.3 国内外研究现状.....................................................................................................1 1.3.1 工作面上覆岩层结构及运移规律和冲击地压发生机理研究现状..............2 1.3.2 冲击地压监测技术研究现状 .......................................................................5 1.3.3 工作面坚硬顶板放顶技术现状....................................................................6 1.3.4 冲击煤层卸压研究.......................................................................................8 1.4 研究内容.................................................................................................................8 1.5 研究方案.................................................................................................................8 1.6 技术路线.................................................................................................................8 2 工作面冲击地压评价工作面冲击地压评价......................................................................................................10 2.1 工作面位置及井上下关系....................................................................................10 2.1.1 工作面位置................................................................................................10 2.1.2 地面相对位置.............................................................................................10 2.2 煤层赋存特征.......................................................................................................10 2.2.1 煤层厚度....................................................................................................10 2.2.2 煤层产状....................................................................................................11 2.2.3 煤层顶板....................................................................................................11 2.2.4 煤层底板....................................................................................................11 2.3 地质构造与水文地质............................................................................................11 2.3.1 断层............................................................................................................11 2.3.2 褶曲............................................................................................................11 2.3.3 陷落柱、火成岩.........................................................................................12 2.3.4 水文地质....................................................................................................12 2.4 采煤方法与顶板管理............................................................................................13 2.4.1 采煤方法....................................................................................................13 2.4.2 工作面顶板管理.........................................................................................13 2.4.3 工作面顺槽及端头顶板控制 .....................................................................13 2.5 工作面冲击地压危险评价....................................................................................14 2.5.1 冲击地压危险评价.....................................................................................14 万方数据 目录 II 2.5.2 冲击地压危险区域划分.............................................................................16 2.6 本章小结...............................................................................................................17 3 工作面冲击地压监测方案工作面冲击地压监测方案 ..............................................................................................18 3.1 微震系统监测方案 ...............................................................................................18 3.2 电磁辐射监测方案 ...............................................................................................18 3.3 钻屑监测方案.......................................................................................................20 3.4 巷道综合监测.......................................................................................................21 3.5 工作面支架压力在线监测实施方案.....................................................................23 3.6 本章小结...............................................................................................................24 4 工作面冲击地压解危措施工作面冲击地压解危措施 ..............................................................................................25 4.1 工作面动态解危区域............................................................................................25 4.2 煤体动态解危方案 ...............................................................................................25 4.2.1 大孔径卸压................................................................................................25 4.2.2 煤体卸压爆破.............................................................................................25 4.3 工作面顶板动态解危方案....................................................................................26 4.3.1 工作面初次放顶方案.................................................................................26 4.3.2 工作面顶板超前预裂方案.........................................................................29 4.3.3 区段煤柱侧顶板预裂方案.........................................................................31 4.4 定向水力致裂解危措施........................................................................................33 4.4.1 定向水力致裂钻孔深度.............................................................................33 4.4.2 主要施工设备及其工艺参数 .....................................................................34 4.4.3 初始裂缝的切槽工艺.................................................................................34 4.4.4 预致裂钻孔的密封.....................................................................................35 4.4.5 注水参数....................................................................................................36 4.4.6 钻孔的窥视................................................................................................36 4.4.7 致裂及效果评价.........................................................................................36 4.5 解危方案选择.......................................................................................................36 4.6 本章小结...............................................................................................................37 5 工作面矿压显现基本规律工作面矿压显现基本规律 ..............................................................................................38 5.1 工作面顶板垮冒规律............................................................................................38 5.1.1 工作面直接顶初次破断步距 .....................................................................38 5.1.2 工作面老顶初次破断步距.........................................................................38 5.1.3 工作面老顶周期来压步距.........................................................................41 5.2 工作面推进度与矿压显现的关系........................................................................43 万方数据 目录 III 5.3 工作面不同危险区域矿压显现规律.....................................................................44 5.3.1 工作面一般危险区域矿压规律..................................................................44 5.3.2 工作面危险区域矿压规律.........................................................................51 5.3.3 过 E11422 停采线后工作面矿压规律.....................................................60 5.4 工作面解危措施效果分析....................................................................................64 5.4.1 KBD-5 电磁辐射效果检验分析.................................................................65 5.4.2 钻屑效果检验分析.....................................................................................66 5.4.3 微震监测分析.............................................................................................66 5.4.4 综合效果检验.............................................................................................67 5.5 巷道围岩位移监测分析........................................................................................67 5.5.1 一般变形区域.............................................................................................67 5.5.2 剧烈变形区域.............................................................................................69 5.5.3 煤柱侧巷道应力监测分析.........................................................................70 5.6 E1148 工作面微震活动规律分析.........................................................................71 5.6.1 工作面并架前微震活动规律分析..............................................................71 5.6.2 工作面并架后微震活动规律分析..............................................................73 5.6.3 E11422 停采线区域微震活动规律..........................................................78 5.6.4 工作面超前预裂爆破前后微震规律..........................................................85 5.7 本章小结...............................................................................................................86 6 结论结论.................................................................................................................................88 致谢.....................................................................................................................................91 参考文献参考文献.............................................................................................................................92 万方数据 万方数据 主要符号表 主要符号表 M 煤层采高 h 基本顶岩层厚度 Hk 垮落带高度 kt 基本顶抗拉强度系数 α 煤层倾角 e ρ 炸药密度 ξ 岩石碎胀系数 Lx 最小控顶距 w 垮落过程中顶板下沉值 hZD 垮落带直接顶最大分层的厚度 qn1 考虑第n层岩层时第一层岩层的载荷 LZDxc 垮落带直接顶最大分层的极限跨距 E1En 各岩层的弹性模量 a 衰减指数 γ1γn 各岩层体积力 γls 垮落带基本顶最上分层的平均体积力 h1hn 各分层厚度 h ls 垮落带基本顶最上分层的厚度 v 岩层的泊松比 Llxc 垮落带基本顶最上分层的极限跨距 a 工作面推进距离 γZ 直接顶岩层容重 b 工作面长度 HX 垮落带高度 σt 基本顶岩层抗拉强度 M1 基本顶岩层厚度 kt 基本顶抗拉强度系数 γ1 基本顶岩层容重 q 基本顶上覆载荷 Lz 周期来压步距 m 邻近系数 0 ρ 炸药密度 N 直接顶充填系数 Lf 基本顶初次来压步距 hm 煤层采高 hi 直接顶厚度 σt 基本顶岩层抗拉强度 万方数据 万方数据 1 绪论 - 1 - 1 绪 论 1.1 选题背景 据 2014 年 BP 世界能源统计年鉴官方数据显示，截止 2013 年底，中国煤炭探明储 量为 11450 亿吨，占世界煤炭探明储量的 12.8，仅次于美国和俄罗斯位居世界第三。 煤炭在中国一次能源消费结构中的比重达到 67，煤炭消费及生产的增长幅度虽已放 缓，但仍然保持增长趋势。 目前针对矿井冲击地压的研究多集中在深部条件下，但在以新疆为代表的部分西部 省区，已出现多起在浅埋深（≤400m）条件下发生的冲击地压事故案例。 本文以神新能源公司宽沟煤矿 E1148 工作面为研究对象， 宽沟煤矿井田位于呼图壁 县城西南 70km，矿井采用反斜井开拓，设主副斜井和回风斜井三个井筒，采用中央分 列式抽出式通风方法，设 2 个开采水平。E1148 工作面位于一水平一采区 B41煤层，B41 煤层具备强冲击倾向性，E1148 工作面巷道布置方式为 W 型布置，即三条顺槽，其中 上顺槽和工艺巷作为进风巷，下顺槽作为回风巷。 1.2 研究意义 本文以神新能源公司宽沟煤矿 E1148 工作面为研究对象， 提出针对性的 E1148 工作 面矿压防治方案，实现矿井的安全高效开采，同时归纳总结浅部厚煤层 W 型工作面冲 击地压显现规律。 研究成果不仅可以为本矿井其他工作面冲击地压防治提供直接指导，而且对于新疆 乃至全国浅部煤矿冲击的防治具有重要参考价值，推广应用前景广阔，其研究结果也将 进一步丰富我国冲击地压的研究成果，为现场冲击地压防治提供重要依据。 1.3 国内外研究现状 国内外对于矿井冲击地压的研究已经很多，特别是针对埋深 600m 以下的深部矿井 冲击地压发生机理有了较全面的理论体系，但对于浅部矿井的冲击地压发生机理、防治 体系尚待进一步研究。同时，通过多年的矿压防治实践，防冲监测手段和解危措施也得 到长足发展，但由于各矿井的地质条件差异和采掘工作面周边空间关系不同，导致各矿 井的“六位一体”防冲手段也存在很大不同。本文以 E1148 工作面为例，探索浅部厚煤 层 W 型工作面冲击地压显现规律，探索浅部矿井冲击地压的诱导因素、监测措施和防 治手段，在国内外冲击地压防治中具有一定的新颖性和研究价值。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 - 2 - 1.3.1 工作面上覆岩层结构及运移规律和冲击地压发生机理研究现状 1）覆岩结构研究现状 早在十九世纪初就初步形成了有关采场顶板岩层移动的理论。其中最具代表性的就 是后来发展为“法线规则”的多里斯-哥诺理论[5]，而同时代的斯巴列首次提出了岩层弯 曲断裂的概念。 “高斯理论”认为岩层移动造成岩层塌落、弯曲，并在采空区上方形成综合移动带 [6]。 前苏联的 Cr阿威尔辛在上世纪 50 年代提出，上覆岩层在没有受到破坏的情况 下处于弹性状态。岩层受回采工作的影响发生变形，其弹性状态受到破坏，继而在塑性 介质条件下产生塑性移动。 原联邦德国科学家克拉茨H 通过大量实验分析后提出水平煤层回采过程中采空区 上方岩层会受采动影响而拉伸变形，形成拉伸变形带[79]。 文献[8]在对岩体水平移动和变形进一步分析基础上提出，从开始回采到回采结束， 随着时间和空间的变化，岩体静力平衡不断遭到破坏，从而导致覆岩拉伸和压缩区的轮 廓不断变化。 文献[6]在岩层移动计算方面作了深入研究，分别将岩体假设成弹性介质、非弹性介 质、随机介质以及由有限单元组成的介质，通过积分网格法进行分析计算，并对结果进 行了对比分析。 2）覆岩运移规律研究现状 20 世纪以来， 国内外专家学者对工作面上覆岩层结构及运移规律相继提出了不同的 假说，主要有悬臂梁假说、压力供假说、铰接岩块假说、预成裂隙假说、砌体梁理论、 薄板理论和关键层理论等[1021]。 悬臂梁假说[1011]认为工作面在开采过程中，采空区上方的顶板可以看作一段一端 固定于岩体内，另一端处于悬伸状态的梁，也就是悬臂梁。由于顶板一般是由多层岩体 构成，因此悬臂梁又可以叫做组合悬臂梁。随着工作面推进，悬臂梁弯曲下沉，最后受 到已垮落岩石的支撑，当组合梁悬臂弯曲达到极限时，发生有规律的周期性破断，从而 引起周期来压。此假说不但解释了顶板下沉量和支架载荷随着距工作面距离增加而增大 的现象。同时也解释了工作面前方的支承压力及周期来压现象。 压力拱假说[1113]认为长壁采煤工作面从工作面开切巷开始产生压力拱，该压力供 随着工作面不断推进而前移，前后拱脚分别位于工作面煤壁前方和采空区。压力供的应 力升高区位于两个拱脚处，而应力降低区位于压力供下方的工作面处。压力供假说虽然 能够解释围岩卸载现象的成因，但没有对顶板周期性破断规律、围岩与支架的作用关系 等作出说明。 万方数据 1 绪论 - 3 - 20 世纪中期的铰接岩块假说认为[2223]当工作面直接顶的分层厚度小于采高时， 上覆岩层的破坏可分为垮落带和其上的规则移动带，需要控制的是垮落带和垮落带的铰 接岩梁。该假说很好的揭示了工作面周期性来压原因，提出了估算直接顶范围的公式， 揭示了采场液压支架所受载荷的来源和顶板岩层运动与下沉量的关系，但缺少铰接岩块 之间受力情况的分析。 比利时学者 A拉巴斯于 1947 年提出预成裂隙假说[1015]。假说认为顶板在工作 面前方支承压力的影响下产生很多裂隙，由于这些裂隙的存在使原本连续的上覆岩层被 破坏，变成类似于塑性体的介质。该假说很好的揭示了煤层及临近采场的部分岩层超前 破坏的原因，但不能正确的解释工作面上覆岩层的周期性破坏和来压现象。 中国工程院院士钱鸣高教授结合铰接岩块假说和预成裂隙假说，通过实践验证提出 了“砌体梁”理论模型[1517]。该理论认为上覆岩层一般是由多个坚硬岩层组成的，而 其中的软岩可以作为坚硬岩层的载荷，系统平衡被破坏时多组坚硬岩层之间相互作用就 造成结构失稳，同时，在一定的条件下，多组坚硬岩层会已铰接岩块的形式形成平衡结 构。该研究的意义是给出了采场围岩结构形态与平衡条件的上部边界条件。1994 年，钱 鸣高院士又在“砌体梁”理论的基础上提出了“S-R”稳定理论，通过对离层区附近关 键岩块稳定性