深部矿井巷道冲击地压风险评价及应用.pdf

分类号分类号 TD324 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码10424 学学 位位 论论 文文 深部深部矿井矿井巷道巷道冲击地压风险评价冲击地压风险评价及及应用应用 王九利王九利 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称安全安全工程工程 指导教师姓名指导教师姓名秦忠诚秦忠诚 职职 称称教教 授授 副副指导教师姓指导教师姓名名张张学生学生 职职 称称工程技术研究员工程技术研究员 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一七年五月一七年五月 论文题目论文题目 深部矿井巷道冲击地压风险评价及应用深部矿井巷道冲击地压风险评价及应用 作者姓名作者姓名 王九利王九利 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 安全安全工程工程 研究方向研究方向 灾害预测与防治灾害预测与防治 指导教师指导教师 秦忠诚秦忠诚 职职 称称 教教 授授 副副指导教指导教师师 张学生张学生 职职 称称 工程技术研究员工程技术研究员 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文论文答辩日期答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 RISK ASSESSMENT AND APPLICATION OF ROCK BURST IN DEEP MINE ROADWAY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Wang Jiuli Supervisor Qin Zhongcheng School of Mining and Safety Engineering May 2017 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。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。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。本人完全意全意 识到本声明的法律结果由本人承担。识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指位论文并向国家有关部门或其指 定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案 馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开手段保存和汇编学位论文；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。览。 （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） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，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，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， 同意将本论文作为申请学位论文。同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 冲击地压灾害是煤矿中最严重的动力灾害之一，严重威胁着矿井安全生产。 随着采深不断增加，其发生冲击地压的频率也随之增加。如何准确、有效的对冲 击地压危险源进行辨识和评价，降低冲击地压事故发生的频率，是矿山企业安全 生产急需解决的难题之一。 本文基于重大危险源辨识原理，首先对诱发冲击地压事故的危险源进行辨识、 分级与分类。通过对多个矿区的现场调研和查阅大量参考文献，制定出可能会诱 发冲击地压事故的综合因素调查表，邀请本领域的技术专家对其进行打分。然后， 运用粗糙集综合评价法和加权评分法计算出各个基本事件概率，依据重大危险源 辨识与评价原理，对各影响因素分析与归类建立冲击地压事故树分析模型，并进 行定性与定量分析，进而确定各个危险因素的对顶上事件影响程度。 其次，运用层次模糊综合评价法对事故严重程度进行评价，根据评价结果确 定矿井冲击地压的危险等级。进而以星村煤矿 3302 掘进工作面为研究背景，利用 FLAC3D模拟分析了掘进工作面在断层影响下的应力分布规律，据此制定了冲击地 压的防治措施。 最后，基于Visual Basic开发设计了冲击地压风险评价软件系统，将评价过程 以及评价结果可视化、易于计算和操作，初步实现了安全评价的软件化。 关键词关键词冲击地压；危险源辨识；危险性评价；数值模拟；评价系统 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract Rock burst is one of the most serious power disaster in coal mines, which seriously threatens the safety of mine production. The frequency of rockburst in most mining areas increases with depth. How to accurately and effectively identify and uate the source of rockburst and reduce the frequency of rockburst is one of the difficult problems to be solved urgently in mine safety. Based on the principle of identification of major hazard sources, this paper first identifies, classifies and classifies the hazard sources of the induced earthquakes. Through a number of mining areas of the field research and access to a large number of references, develop the comprehensive questionnaire of possible risk factors that could induced an rockburst，and invite technical experts in the field to rate each factor. Then, using the rough comprehensive uation and weighted score to calculate the exact value of each basic event probability, according to major hazard identification and uation principles, The fault tree analysis model of rockburst is established, and completed the qualitative analysis and quantitative analysis, and then determine the impact of various risk factors on the top event. Secondly, The fuzzy comprehensive uation is used to uate the severity of the accident, and the hazard level of the mine rockburst is determined according to the uation results. And then to Xingcun coal mine 3302 working face for the research background, using the FLAC3D numerical simulation, the stress distribution law of the mining face under the influence of the fault is studied deeply. According to the development of the impact of the pressure control measures. Finally, develop risk assessment system for rockburst using Visual Basic. So that the uation process and uation results are visualized, easy to calculate and operate. And the safety uation software is realized. Key words rockburst；hazard identification；risk assessment； numerical simulation； uation system 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III 目目 录录 摘要摘要 ................................................................................................................ I 目录目录 ............................................................................................................ III 1 绪绪 论论 ....................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义 .................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 研究内容与技术路线 ........................................................................................ 7 2 冲击地压危险源辨识研究冲击地压危险源辨识研究 ....................................................................... 9 2.1 重大危险源辨识的基本原理 ............................................................................ 9 2.2 冲击地压危险源辨识的标准与步骤 .............................................................. 11 2.3 冲击地压危险源辨识应用 .............................................................................. 12 2.4 冲击地压发生的影响因素及分类 .................................................................. 14 2.5 本章小结 .......................................................................................................... 18 3 冲击地压危险性评价冲击地压危险性评价 ............................................................................. 19 3.1 事故发生可能性 .............................................................................................. 19 3.2 冲击地压事故树的建立与分析 ...................................................................... 19 3.3 基于粗糙集综合评价法的应用 ...................................................................... 26 3.4 层次模糊综合评价法的应用 .......................................................................... 31 3.5 确定危险源风险评价指标权重 ...................................................................... 37 3.6 模糊矩阵与权重的合成及评价结果分析 ...................................................... 40 3.7 本章小结 .......................................................................................................... 41 4 断层对掘进巷道冲击危险性影响数值模拟研究断层对掘进巷道冲击危险性影响数值模拟研究 ................................. 42 4.1 FLAC3D 软件简介 ........................................................................................... 42 4.2 工程概况 .......................................................................................................... 44 4.3 掘进巷道冲击危险性模拟分析 ...................................................................... 47 山东科技大学硕士学位论文 摘要 IV 4.4 冲击地压事故的防治措施 .............................................................................. 51 4.5 解危效果检验 .................................................................................................. 54 4.6 本章小结 .......................................................................................................... 54 5 冲击地压安全评价系统开发与设计冲击地压安全评价系统开发与设计 .................................................... 55 5.1 Visual Basic 软件简介 ................................................................................... 55 5.2 冲击地压风险评价系统模型算法设计 .......................................................... 55 5.3 冲击地压评价系统模型界面设计 .................................................................. 58 5.4 本章小结 .......................................................................................................... 63 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................. 64 6.1 结论 .................................................................................................................. 64 6.2 论文不足与展望 .............................................................................................. 65 参考文献参考文献 ..................................................................................................... 66 致致 谢谢 ........................................................................................................... 70 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ............................................................................. 71 山东科技大学硕士学位论文 摘要 V Contents Abstract ......................................................................................................... I Contents ..................................................................................................... III 1 Introduction .............................................................................................. 1 1.1 Proposition and significance of project ............................................................... 1 1.2 Currentstudy at home and abroad ........................................................................ 2 1.3 Research content and s ............................................................................ 7 2 Study on hazard source identification of rock burst ............................. 9 2.1 The basic principle of major hazard identification .............................................. 9 2.2 Standard and procedure for identification of hazard ground hazard ................. 11 2.3 Application of hazard identification for impact ground pressure ...................... 12 2.4 Factors and classification of rock burst ............................................................. 14 2.5 Summary for this chapter .................................................................................. 18 3 Risk assessment of rock burst accident ................................................ 19 3.1 The possibility of an accident ............................................................................ 19 3.2 Establishment and analysis of fault tree of impact earth pressure ..................... 19 3.3 Application of comprehensive uation based on rough set ............. 26 3.4 Application of hierarchical fuzzy comprehensive uation ............... 31 3.5 Determine the risk of risk assessment ............................................................... 37 3.6 The synthesis and uation of fuzzy matrix and weight ................................. 40 3.7 Summary for this chapter .................................................................................. 41 4 Numerical simulation study on the influence of fault on the impact risk of driving roadway ...................................................................... 42 4.1 Introduction to FLAC3D ................................................................................... 42 4.2 Engineering survey ............................................................................................ 44 4.3 Simulation analysis of impact risk of driving roadway ..................................... 47 4.4 Prevention measures of rock burst accident ...................................................... 51 山东科技大学硕士学位论文 摘要 VI 4.5 Test the effect of dispelling danger .................................................................... 54 4.6 Summary for this chapter .................................................................................. 54 5 Development and design of rock burst safety uation system ...... 55 5.1 Introduction to Visual Basic .............................................................................. 55 5.2 Model design of rock burst risk assessment system model ............................... 55 5.3 Interface design of rock burst uation system model ................................... 58 5.4 Summary for this chapter .................................................................................. 63 6 Conclusions and prospect ...................................................................... 64 6.1 Conclusion ......................................................................................................... 64 6.2 The insufficiency and prospect of the paper ...................................................... 65 Reference .................................................................................................... 66 Thank .......................................................................................................... 70 Main achievements during the postgraduate study ............................... 71 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 煤炭产业直接关系到我国经济命脉，是支撑我国经济持续高速发展的重要基 础。在开采过程中尚未实现对灾害事故的有效控制，重特大灾害事故仍时有发生， 安全生产形势依然面临严重威胁。冲击地压是开采过程中常见的煤岩动力现象， 是乃至世界范围内矿井生产中最严重的动力灾害之一。我国大多数矿区煤岩体都 具有不同程度的冲击倾向性，特别随着采深的不断增加，冲击发生的频率也随之 加大，冲击危害性越严重。由于煤岩体所积聚的弹性能突然而猛烈地释放将煤岩 抛向井巷，造成巷道和设备损坏，甚至人员伤亡，同时伴随有巨大的声响和强烈 的震动，有时还会引起地表塌陷而造成局部地震，引发瓦斯突出、水灾等其他灾 害。 在我国约 95左右的煤炭量来自井工作业，地质结构赋存条件复杂、技术和 管理水平仍然较低，工作人员的素质良莠不齐，因此，导致灾害及伤亡事故多发、 严重。虽全国煤矿事故次数及死亡总数大体呈逐年下降趋势，但死亡人总数仍旧 很大，高达世界死亡总数 70左右。近十年我国煤矿事故数据见表 1.1。 表 1.1 2006-2015 年我国煤矿事故情况 Tab.1.1 Coal mine accident from 2006 to 2015 years in China 年份 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 事故起数（次） 3639 3341 2945 2941 1901 1616 1403 1201 779 604 死亡人数（人） 6027 5986 4746 3786 3215 2631 2433 1973 1384 1067 百万吨死亡率 3.081 2.811 2.041 1.485 1.182 0.892 0.749 0.564 0.374 0.293 随着不断的开采，超深米矿井越来越多，冲击地压发生的频率和强度也随之 加大。国内外学者对矿震的发生机理和冲击地压的相互关系进行研究，通过冲击 地压多因素耦合诱因分析，认为大多数冲击地压的发生并不是单一因素造成的。 当采深不断增加，坚硬煤层本身有强冲击倾向性，在回采过程中坚硬上覆岩层顶 板是诱发冲击地压的重要影响因素。当应力、开采设计、生产管理等方面的因素 控制得不够合理或人为无法控制时，则此时极易诱发冲击地压。冲击地压严重威 胁矿井的安全生产，破坏设施、造成人员伤亡。实践表明，冲击地压发生次数与 采深成显著正相关关系[1]。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 冲击地压的界定与分类冲击地压的界定与分类 （1）冲击地压的界定 冲击地压、岩爆和矿震都是矿山和地下工程采掘中常见的动力现象，不同领 域称谓有所不同，在水电、桥隧等领域一般称岩爆，在矿山则称冲击地压或矿震。 国家科技名词审定委员会对其定义，即冲击地压是指工作面或井巷围岩在弹性能 瞬间释放时产生突然剧烈破坏的动力现象，并伴有煤岩体的抛出、冲击波和巨响 等现象[2]； 岩爆是在地下工程开挖过程中由应力释放导致围岩破坏并喷射出来的