姚家山千米深井冲击地压灾害预测和防治技术研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 姚家山千米深井冲击地压灾害预测和防治技术研究姚家山千米深井冲击地压灾害预测和防治技术研究 摘要摘要 冲击地压是一种破坏性极强的煤岩体动力现象。随着我国煤矿采掘深度的不断增加， 冲击地压发生的概率也不断升高，我国首次出现冲击地压是在地下 200m 深度，即将出 版的煤矿新规程规定，所有采掘深度超过 400m 的煤矿，都必须经过冲击地压的检测工 作，所以现在冲击地压越来越受到煤矿以及学术界的关注，目前其发生机理被广泛认同 的一种说法是，煤岩体中所赋含的弹性能过载，使得煤岩体不能维持极限平衡状态，且 其在释放弹性能的时候，释放时间极短，这就造成了冲击地压检测的困难性。发生的随 机性以及形成机理的说法不一，也造成了冲击地压预测的不准确性。冲击地压所抛出的 煤岩体对工作面或巷道空间中的人员以及机械设备造成损害。由此，冲击地压作为一种 受地质条件影响的并与开采过程密切相关的灾害，其强大的破坏性对煤矿工作面以及巷 道都具有极大的威胁，并且煤岩体在释放能量瞬间还会产生声波引起震动，波及的范围 会更广，很容易导致工作面支架倾倒以及破损，抛出的煤岩体很容易导致巷道以及工作 面的堵塞。特别是冲击地压比较剧烈时，其产生的声波以及震动的表现形式就是矿震， 矿震不仅对煤矿工作面及巷道破坏很大，有可能还会波及到地面建筑物或者地表。近年 来，国内外专家对于冲击地压都做过很多的研究，但因冲击地压发生具有多样性、随机 性和突然性，在其发生之前并没有明显的迹象以及可靠的单一指标能够预示冲击地压灾 害。构成冲击地压发生的影响因素很多，各因素之间相互作用对冲击地压的剧烈程度的 影响并没有一个准确的判断指标，所以对冲击地压的预测和防治并不能达到完全杜绝的 程度，在煤矿灾害中尚属难以完全避免和圆满解决的重大技术问题。 本文以姚家山矿作为研究目标，对姚家山矿其初步设计开采的两组主采煤层群，开 采深度为 1000～1300m。现阶段姚家山矿主要对一采区进行规划设计，决定进行生产， 所以主要对一采区的 8 个工作面、其上下顺槽以及一采区上下山是否具有冲击地压可能 性以及冲击地压危险性进行评估，结合姚家山矿井一采区的工作面开采条件、上下煤层 之间的关系以及地质条件对其是否具备冲击地压可能性进行分析。首先通过关键层理论 确定一采区首采煤层 45 号煤层（两煤层之间夹矸很少，可以进行统采）的初次来压步 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 距以及周其来压步距来判断应力集中峰值时煤层是否发生冲击地压，然后再采用煤层埋 深、倾角以及 FLAC3D 对其危险区域进行预测以及验证。根据以上结论提出解决方案达 到防治冲击地压的目的，对以下四个方面进行探讨分析 （1）通过关键层理论，确定煤层上方关键层并计算其初次破断距以及周期破断距， 以此来估算煤壁以及工作面的应力集中数值，然后根据强度理论确定工作面以及上下顺 槽是否具有发生冲击地压的可能性。 （2）通过经验类比法来对工作面以及上下顺槽冲击地压的危险性进行评估，确定高 危区域，为姚家山矿冲击地压防治对策的选择提供依据。 （3） 依据煤层倾角、 高程等地质赋存条件对井田内部各采区冲击危险区域进行划分， 采用 FLAC3D 软件进行煤层工作现场推进过程模拟，以此对工作面、上下顺槽可能发生 冲击地压的区域进行划分。 （4）通过理论论证，下保护层开采和放顶煤开采对防治冲击地压的影响程度及优越 性，确定放顶煤开采可以防治工作面发生冲击地压并满足生产要求，制定局部冲击防治 措施，并给出具体方案。 关键词千米深井，综放开采，冲击地压，冲击灾害防治，FLAC3D 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III Study on Prediction and Control Technology of Rock Burst Disaster in YaoJiaShan Thousands Meter Mine ABSTRACT Rock burst is a kind of dynamic phenomenon of coal and rock mass which is very destructive. With the continuous increase of Chinas coal mining depth, the probability of rock burst is also rising. Chinas first rockburst in 200m depthunderground coal mine. The new will be published regulations all excavation depth more than 400m of the coal mines, must go through the detection of rockburst. So now more and more people in academic circles pay a attention to coal mine rockburst and a mechanism of rock burst is widely accepted. That is the elastic energy in coal and rock overload, makes coal and rock cannot maintain the limit equilibrium state, and the time of releasing elastic energy is very short, which resulted in detect the rock burst more difficulty.The prediction of rock burst is inaccuracy for its random happen and suddenly. The occurrence of randomness and the views of mechanism on rock burst aredifferent,both of them caused the uncertainty of the prediction of rock burst. The coal and rock thrown by the rock burst causes damage to the personnel in the working face ,tunnel space and the mechanical equipment. Thus, rockburst, as a affected by the geological conditions of and is related to the process of mining disastersclosely, the destructive power of coal face and roadway has great threat and coal and rock in the release of energy moment will produce sound waves caused by vibration, affecting the scope will be broader, it is easy to cause working surface support dumping and damage, thrown out of the coal and rock mass can easily lead to blockage of roadway and working face. When the degree of rock burst is more severe, it will be accompanied by a strong earthquake, it may also spread to the ground caused by ground subsidence, damage to buildings above the ground. In recent years, domestic and foreign experts for rockburst have done a lot of research, but because of the rockburst is random and sudden, before its occurrence did not obvious signs and indicators to predict rock burst may occur. There are a lot of factors of rockburst, 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV between the various factors mutual effect of rock burst intensity did not an accurate indicator to judge, so of rockburst prediction and prevention is not to completely eliminate the degree, in coal mine disaster is difficult to overcome the difficulties. The Yao Shan Mine as the research target, because Yao Jia Shan mine after years of mining the mining depth deepening, has reached the average depth of 1000m. At this stage Yao Jia Shan Mine mainly of a mining area were planning and design, decided to undertake the production, so the main of eight working surface of a mining area, the Shun groove and a mining area on the downhill of rockburst possibility and rockburst risk assessment, combined with Yao Jia Shan mine mining working face mining conditions, the relationship between the coal seam and the geological conditions of whether to have rockburst possibility were analyzed. First through the key strata theory to determine a first mining area mining coal seam of 545 coal coal gangue rarely, can be unified mining first weighting step distance and periodic pressure step distance to determine the stress concentration peak coal seam is burst, and then use FLAC3D to the danger zone for prediction and verification. According to the above conclusions, the solution to the prevention and control of the means, mainly carried out the following four aspects of research 1 Through the key strata theory to determine the seam at the top of the key layer and calculate the first breaking distance and cycle breaking distance, in order to estimate the stress value set of coal wall and working face, and then according to the strength theory to determine the upper and lower along the groove of the possibility of impact ground pressure. 2 According experience comparison toassess rockburst risk in working face and upper and lower along the groove,identify high-risk areas, provide the basis for Yao Jia Shan Mine rockburst prevention countermeasures. 3 According to the geological occurrence condition of coal seam dip angle and elevation of mine in the mining area to divide the impact danger zone. FLAC3D software for coal field to forward the process of simulation, in order todivid work surface and the upper and lower groove where may happen rockburst region. 4 Through the argumentation theory, under the protection layer mining and fully mechanized top coal caving mining influence on rock burst prevention and superiority, to 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V determine the top coal caving mining can prevent rockburst and meet production requirements, develop local impact prevention and control measures, and gives a concrete solution. KEY WORDSThousands metermine, fully mechanized caving mining, rock burst, control of rock burst, FLAC3D 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 目录目录 第一章绪论 ............................................................... 1 1.1 研究的目的和意义 .................................................... 1 1.2 冲击地压机理研究现状 ................................................ 2 1.2.1 强度理论 .................................................... 2 1.2.2 能量理论 .................................................... 3 1.2.3 冲击倾向性理论 .............................................. 4 1.2.4 刚度理论 .................................................... 4 1.2.5 失稳理论 .................................................... 4 1.2.6 三准则理论 .................................................. 5 1.3 冲击地压预测方法研究现状 ............................................ 5 1.3.1 经验类比法综合指数法 ...................................... 5 1.3.2 局部探测法 .................................................. 6 1.3.3 系统检测法 .................................................. 7 1.4 冲击地压防治方法研究现状 ............................................ 8 1.4.1 冲击地压区域防治方法 ........................................ 8 1.4.2 冲击地压局部解危措施 ........................................ 9 1.5 论文研究的内容及方法 ............................................... 10 1.5.1 论文的研究内容 ............................................. 10 1.5.2 论文研究方法和技术路线 ..................................... 10 第二章姚家山矿冲击地压影响因素分析 ...................................... 13 2.1 1（45）01 工作面概况 .............................................. 13 2.1.1 工作面参数及煤层赋存特征 ................................... 13 2.1.2 工作面冲击地压多发区域 .................................... 14 2.2 冲击地压显现特点 ................................................... 15 2.3 煤矿动压影响因素 ................................................... 16 2.3.1 开采深度 .................................................. 16 2.3.2 煤岩的冲击倾向性 .......................................... 16 2.3.3 顶板活动的影响 ............................................ 17 2.3.4 煤层厚度及其变化的影响 .................................... 18 2.3.5 瓦斯因素的影响 ............................................ 19 2.4 姚家山矿煤层顶板关键层的确定 ....................................... 20 2.4.1 姚家山矿 5（45）号上覆岩层关键层的判定 .................... 22 2.4.2 姚家山矿 9（89）号上覆岩层关键层的判定 .................... 25 2.5 煤层关键层初次来压以及周期来压步距的理论预测 ....................... 26 2.6 强度理论判断煤层与围岩冲击性 ....................................... 30 2.7 动态载荷对煤岩体冲击性的影响 ....................................... 35 2.8 本章小结 ........................................................... 36 第三章姚家山矿冲击地压危险性的综合评价 .................................. 39 3.1 冲击倾向性指标分类及评价 ........................................... 39 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.2 多次采动影响煤层冲击地压危险预测................................... 44 3.3 工作面冲击危险综合指数法评价 ....................................... 46 3.3.1 1401 工作面冲击危险综合指数法评价 .......................... 46 3.3.2 1（45）01 工作面冲击危险综合指数法评价 .................... 49 3.4 本章小结........................................................... 50 第四章姚家山矿区以及工作面冲击危险区域 .................................. 51 4.1 姚家山矿区冲击地压危险区域划分..................................... 51 4.1.1 姚家山矿区概况 ............................................ 51 4.1.2 根据地质构造对姚家山矿区进行冲击危险区域划分 .............. 51 4.2 FLAC3D 介绍以及工程概况 ............................................ 64 4.3 模型建立........................................................... 66 4.3.1 模型的几何尺寸 ............................................ 66 4.2.2 煤岩物理力学性质 .......................................... 67 4.2.3 模拟方案 .................................................. 68 4.3 模拟结果分析....................................................... 69 4.3.1 应力分布规律分析 .......................................... 69 4.4 本章小结........................................................... 70 第五章冲击地压防治技术 .................................................. 73 5.1 冲击地压防治措施概况............................................... 73 5.2 整体防突方案的确定................................................. 73 5.2.1 保护层开采方案确定以及可行性分析 ........................... 73 5.2.2 放顶煤方案确定及其可行性 .................................. 80 5.3 局部防突方案确定 ................................................... 82 5.3.1 煤层注水卸压 ............................................... 82 5.3.2 巷帮钻孔卸压 ............................................... 83 5.3.3 掘进头卸压爆破 ............................................. 84 5.3.4 加强防冲支护 ............................................... 85 5.3.5 工作面冲击地压防治措施 ..................................... 85 5.4 本章小结........................................................... 87 第六章主要结论与不足 .................................................... 89 6.1 主要结论........................................................... 89 6.2 主要的不足之处..................................................... 91 参考文献 ................................................................ 89 致谢 .................................................................... 97 攻读学位期间发表的学术论文 .............................................. 99 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 研究的目的和意义 煤矿灾害种类繁多，冲击地压就是矿山动力灾害的一种，随着我国煤矿开采深度的不断 加深，冲击地压灾害发生概率不断升高 [1]。冲击地压是煤矿开采过程中由于采掘活动， 造成煤岩体在高应力作用下其内部赋存的弹性能在短时间内释放，其抛出的煤岩体对工 作面或者巷道空间中的人员以及机械设备造成损害 [2～5]。由此，冲击地压是一种煤岩体 内部赋含的弹性能突然释放的过程，并且释放时形成冲击波和强烈的声波，很容易导致 工作面的支架倾倒以及破损，抛出的煤岩体很容易导致巷道以及工作面的堵塞。当冲击 地压发生的程度比较剧烈时，会伴随着强烈的矿震，有可能还会波及到地面造成地面塌 陷，对地面以上的建筑物造成损害。近年来，国内外专家对于冲击地压都做过很多的研 究，但是由于冲击地压发生具有多样性、随机性和突然性 [6]，在其发生之前并没有明显 的迹象以及可靠的单一指标预测冲击地压灾害。构成冲击地压发生的影响因素很多，各 因素之间相互作用对冲击地压的剧烈程度的影响并没有一个准确的判断指标，所以对冲 击地压的预测和防治并不能达到完全杜绝的程度，在煤矿灾害中尚属难以克服的难点。 姚家山矿目前正在规划的一采区以及二采区开采的煤层埋深都很大，平均深度为 800～1000m，地应力比较大，冲击地压发生的可能性大幅度增加。一采区以及二采区中 主要的两个可采煤层关系属于上下层，如果在开采过程中采用上下层开采，且还预留煤 柱的情况下，这些因素都是影响着冲击地压的发生，这样就造成了姚家山矿冲击地压发 生影响因素更加多元化，难以防治，所以对冲击地压的预测和防治进行研究是很有必要 性的。 本文以姚家山矿目前正在进行采掘规划一采区的一个工作面 1（45）01 为研究对 象，对工作面、上下顺槽以及一采区上下山发生冲击地压的可能性进行预测，针对可能 发生的冲击地压灾害提出相应的解决方案和防治措施。在此基础之上，为将来类似姚家 山矿地质条件的煤矿提供可以参考的案例，通过多种技术手段，使得冲击地压发生的可 能性降低到最低，以此确保煤矿能够进行正常的采掘活动，减少人员伤亡，避免地下构 筑物的破坏，提高煤矿的总体经济效益。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.2 冲击地压机理研究现状 采矿学科经过数百年的发展，对于冲击地压的研究一直就没有间断过，全世界很多 矿井都受到过冲击地压的危害。自从18世纪英国首次发生冲击地压直到今天，冲击地压 伴随着采矿的发展持续270多年。在这个过程中，中国以及全世界各个国家的矿井都发 生过大小程度不同的冲击地压灾害，这个问题一直都受到各个国家的学者们的关注和研 究，建立了专门针对冲击地压机理研究的实验室 [7～9]。比如在20世纪初，由于钻石矿的 开采深度较大，迫于冲击地压发生的压力，南非建立了专门的矿山冲击委员会研究冲击 地压，我国也在上个世纪60年代开始针对冲击地压进行研究，一直到70年代末，我国建 设了自己的实验室，对冲击地压进行了系统性的研究。当时由于条件所限，煤矿开采深 度不断增加，虽然对冲击地压发生的诱因有了定论，但诱导因素太多，这些因素之间还 存在着相互联系，发生冲击地压时伴随的突然性和随机性 [10]，目前预测以及防治冲击地 压的技术仍有很大的发展空间，属于世界性难题。当前，在冲击地压研究过程中，主要 是通过在现场进行检测和分析，通过数据分析和相似模拟的手段对冲击地压进行推测， 以此来判断发生冲击地压的可能性的大小， 主要得到 刚度理论、 强度理论、 能量理论、 冲击倾向理论、变形系统失稳理论、剪切滑移理论、三准则理论、“三因素”理论、强 度弱化减冲理论、复合型厚煤层“震冲”机理、岩体动力失稳的折迭突变机理、冲击启 动理论、煤岩组合冲击机理、冲击地压和突出的统一失稳理论等 [11～13]，其中比较成熟， 受到学者们认同的理论如下。 1.2.1 强度理论 强度理论是由 G.Brener 提出来的，煤层在地层中的赋存形式同其它岩层一样，是 由其上下部岩层共同叠加在一起的，所以煤层的力学参数与其上下岩层存在着很密切的 关系。在煤岩体发生冲击地压前，其处于一种危险的极限平衡状态，如果一旦施加外部 扰动，就会发生冲击地压 [14]。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。这在后来出现的预测以及防治冲击地压的措施当中， 比如岩石钻屑法以及爆破卸压法，都是根据强度理论所发明出来的防治方法 [15]。经过我 国科学家的不断完善，近代强度理论认为煤体与周围岩体系统发生冲击地压的条件可用 下式表达 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ∑𝜎𝑖 𝑜 𝑖1 𝑆 ≥ 1（1-1） 式中 𝜎𝑖煤体以及岩体在自然以及人为采动条件下受到的地应力总和，MPa； 𝑆煤体以及岩体所能承受的最大应力，MPa。 然而，对于冲击地压来说，其发生的偶然性，强度理论是无法解决的，在井下应力 集中现象造成煤岩体发生了塑性破坏，其破坏过程是缓慢进行的，并没有大面积的发生 冲击地压，只是偶然有几处发生了冲击地压事故。所以，强度理论只是解释了发生冲击 地压的必要条件，并不能很好的对冲击地压进行准确的预测和分析 [16]。 1.2.2 能量理论 能量理论是由 Cook 等人在上个世纪 60 年代提出来的，它通过现场试验以及采用的 防治手段对冲击地压进行了分析，提出当煤岩体处于平衡状态时，其内部赋含弹性能较 大使其所释放的能量大于所消耗的能量，在这种情况下，煤岩体就会发生冲击地压 [17]。 后来 Dunk House 在能量理论的基础之上， 进一步予以解释， 并且形成了能量破坏方程， 但其方程过于理论化，尚不能应用到实践中来解决实际发生的问题 [18]。比如，它并不能 解释冲击地压发生时的多种成因，并从力学的角度对冲击地压进行分析。像岩爆此类事 故，也不能单纯用能量理论进行解释，所以在实际生产过程中，能量理论的应用还是存 在其局限性的，能量理论用以下式子对煤岩体是否发生冲击地压进行判断，即 𝛽𝑒𝑈𝐸 𝑒𝑢 𝛾（𝑒𝑈𝑆 𝑒𝑢 ） 𝑒𝑈𝑃 𝑒𝑢 ≥ 1（1-2） 式中𝑈𝐹围岩体内部赋存的能量，MJ/m 3； 𝑈𝑇煤体内赋存的能量，MJ/m 3； 𝛽围岩体能量释放有效性系数； 𝛾煤体能量释放有效性系数； 𝑒𝑉𝐸 𝑒𝑢 围岩能量释放速度，MJ/（m 3s）； 𝑒𝑉𝑆 𝑒𝑢 煤体能量释放速度，MJ/（m 3s）； 𝑒𝑉𝑃 𝑒𝑢 煤体以及围岩体破坏吸收能量的速度，MJ/（m 3s）。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1.2.3 冲击倾向性理论 冲击倾向性理论是由 Bieniawski 等人提出来的，他们认为如果煤岩体内部所具有 的冲击倾向大于某一个特定值的时候，冲击地压就会在煤岩体中发生 [19]。在外部条件维 持恒定的情况下，煤岩体的自身力学性质对其发生冲击地压起着至关重要的作用，他们 提出采用两个指标来衡量煤岩体内部的冲击倾向性，这两个指标分别是冲击能量指标和 弹性能量指标，并且通过大量的实验数据确定不同岩层的冲击指标，判断预测是否发生 冲击地压，即 𝐿 𝐿˙ ≥ 1（1-3） 式中𝐿煤岩体冲击倾向性指标； 𝐿˙实测煤岩体冲击倾向性极限值。 1.2.4 刚度理论 Cook 以及 Hodgeim 共同在实验室中进行实验时发现， 当岩体发生塑性破坏以后的刚 度仍然大于顶板的刚度以后，岩体就会发生冲击地压现象，由此他们提出了刚度理论， 此理论在一定程度上能够说明冲击地压为何发生 [20]。但是自身具有很大的局限性，因为 它针对有工作面、巷道和硬度较大的顶底板进行分析时，并不能很好地说明情况，所以 刚度理论只是在某一个方面能够片面的解释冲击地压发生的机理，在应用当中仍存在不 小的差距 [21]。 1.2.5 失稳理论 此理论是由章梦涛教授为带头人，认为煤岩体发生冲击地压是由于其内部失稳从而发 生的一种破坏现象，当煤岩体处于应力集中状