断层影响区工作面回采冲击地压危险性研究.pdf

国家自然科学基金项目（国家自然科学基金项目（51574155）） 分类号分类号TD327 TD327 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 断层影响区工作面回采冲击地压危险性断层影响区工作面回采冲击地压危险性 研究研究 孔孔 朋朋 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓指导教师姓名名蒋蒋 金金 泉泉 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一七年六月二零一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 断层影响区工作面回采冲击地压危险性断层影响区工作面回采冲击地压危险性 研究研究 作者姓名作者姓名 孔孔 朋朋 入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 蒋蒋 金金 泉泉 职职 称称教教 授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON THE RISK OF MINING ROCKBURST IN WORKING FACE OF FAULT ZONE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Kong Peng Supervisor Professor Jiang Jinquan College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 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。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。本人完全意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 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学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 描等复制手段保存和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。师生阅读、浏览。 （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 万方数据 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，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，同意将本论文作为申请学位论文。规定，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 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 冲击地压是我国煤矿严重的灾害之一，尤其是当采煤工作面接近断层时， 采动空间常常会出现强度较大的冲击地压，且断层附近冲击地压发生规律极为 复杂。因此，研究断层影响区域工作面回采期间的冲击地压发生规律具有重要 意义。本文采用相似材料模拟试验、数值模拟、工程实例验证等方法，对断层 影响区域冲击地压危险性进行了研究与分析，取得了如下的结论与成果 （1）采用相似材料模拟的方法，研究了工作面由上盘过断层以及工作面由 下盘过断层覆岩运动规律与冲击危险性。工作面由下盘过断层时，断层对工作 面的影响距离较远，基本顶运动剧烈，断层滑移量较大，工作面冲击危险性高； 工作面由上盘向下盘推进时，断层对覆岩运动影响较小，且断层滑移滞后于工 作面的推进。 （2）采用数值模拟的方法研究了工作面沿断层推进时，煤柱宽度效应及其 冲击危险性。下盘开采断层发生应力松弛现象严重，不利于载荷向对盘传递， 造成下盘工作面断层煤柱应力集中程度高，断层滑移量较大；上盘开采时，断 层面保持较好的闭合状态，有利于破断岩块保持传递力的铰接结构，煤柱应力 集中程度较小。根据下盘工作面回采断层滑移状况，分析了不同煤柱宽度条件 下，采动空间的冲击危险性。 （3）采用数值模拟的方法研究了工作面沿断层走向推进时，断层带及工作 面特征参数对工作面冲击危险性的影响，研究内容主要包括不同断层倾角、断 层带剪切模量、断层带宽度以及工作面长度条件下，断层影响区域工作面冲击 危险性。 （4）通过济三煤矿 6303 工作面，申家庄煤矿 2208 工作面、古城煤矿 2106 工作面、朝阳煤矿 3100 工作面冲击地压事故及微震事件，对研究内容进行了工 程实例验证。 关键词关键词冲击地压；断层；覆岩运动；采动应力；断层滑移 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract Rockburst is one of the serious disarsters in Chinese coalmines, When working face approaches to the fault, the mining stress concentrates and large-scale roof rocks move due to the block of the fault which is caused by the fault cutting, hence the rock bursts with the large-releasing energy might be induced easily. The distribution of the mining stress and the evolution laws of the fault slipping in the fault-affected zone are studied utilizing the physical simulation, numerical simulation and the engineering cases. The main conclusions of the study are shown as follows 1 The movement laws of the overlying strata with the working face in footwall or hanging wall advancing through the normal fault are studied utilizing the physical simulation. According to the comparative analysis of the footwall mining and the hanging wall mining, the movement affected by the fault and the fault slipping of the er are higher than that of the latter, hence, the possibly of the rock burst caused by the violently move of the roof rocks and fault shipping of the er in the vicinity of the fault might higher than that of the latter. 2 The width effect of the fault coal-pillar and its influence on the rock burst with the working face running parallel to the fault are studied utilizing the numerical simulation. When footwall mining, the concentrated stress of the fault coal-pillar and the fault slipping values is high due to the block of the fault and the lowly transfer perance to the hanging wall, while the concentrated stress of the fault coal-pillar when hanging wall is small with the strongly transfer perance to footwall due to the stable structure of the overlying strata. And the possibility of the rock burst with the different width of the fault coal-pillar is analyzed further. 3 The influence of the fault characteristic parameters on the rock burst with the working face running parallel to the fault is studied by means of the numerical simulation. The influence of the fault dip angle on the mining stress and the fault slipping with the footwall mining is higher than that of the hanging wall mining. The smaller of the shear modulus and the larger width of the fault zone, the higher of the fault block effect which might easier induce the rock burst. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III 4 The conclusions of the study are verified via four engineering cases, including the microseismic activity and rock burst accidents at the panel 6303 of the Jishan coalmine, panel 2208 of Shenjiazhuang coalmine, panel 2106 of Gucheng coalmine, panel 3100 of Chaoyang coalmine. Keyword rock burst; normal fault; roof movement; mining stress; fault slipping 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 ..................................................................................................... ⅠⅠ 目目 录录 ..................................................................................................... ⅣⅣ 1 绪绪 论论 ................................................................................................. 1 1.1 研究意义 ................................................................................................................................... 1 1.2 冲击地压的国内外研究现状 ............................................................................................. 1 1.3 断层附近冲击地压研究现状 ............................................................................................. 4 1.4 课题研究的主要内容和方法 ............................................................................................. 6 2 断层诱发煤岩冲击类型及理论研究断层诱发煤岩冲击类型及理论研究 ................................................ 9 2.1 断层冲击矿压分类 ................................................................................................................ 9 2.2 断层对工作面顶板稳定性影响分析 ............................................................................. 10 2.3 断层倾向对工作面应力分布的影响 ............................................................................. 11 2.4 工作面顶板运动对冲击地压影响分析 ........................................................................ 13 2.5 断层冲击地压的黏滑失稳模型....................................................................................... 13 2.6 本章小结 ................................................................................................................................. 15 3 工作面过断层覆岩运动与冲击危险性分析工作面过断层覆岩运动与冲击危险性分析 .................................. 16 3.1 引言 ........................................................................................................................................... 16 3.2 相似材料模拟试验设计 ..................................................................................................... 16 3.3 工作面由下盘过断层时覆岩运动规律 ........................................................................ 20 3.4 工作面由上盘过断层时覆岩运动规律 ........................................................................ 25 3.5 基本顶运动及断层滑移对冲击危险性影响分析 ..................................................... 27 3.6 本章小结 ................................................................................................................................. 29 4 工作面沿断层走向推进煤柱宽度效应及冲击危工作面沿断层走向推进煤柱宽度效应及冲击危险性分析险性分析 .......... 30 4.1 FLAC3D 数值模拟软件介绍 ........................................................................................... 30 4.2 模型的建立 ............................................................................................................................. 31 4.3 正断层下盘工作面采动应力分布及断层滑移规律分析 ....................................... 32 4.4 正断层上盘工作面采动应力分布及断层滑移规律分析 ....................................... 37 4.5 不同断层煤柱宽度下冲击危险性分析 ........................................................................ 42 4.6 本章小结 ................................................................................................................................. 45 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5 断层及工作面特征参数对冲击危险性影响分析断层及工作面特征参数对冲击危险性影响分析 .......................... 46 5.1 断层倾角对冲击危险性分析 ........................................................................................... 46 5.2 断层带强度对采动应力的影响....................................................................................... 52 5.3 断层带宽度对采动应力的影响....................................................................................... 55 5.4 工作面长度对采动应力的影响....................................................................................... 58 5.5 本章小结 ................................................................................................................................. 63 6 工程实例工程实例 ........................................................................................... 65 6.1 工作面过断层推进冲击地压工程实例 ....................................................................... 65 6.2 工作面沿断层走向推进冲击地压工程实例 .............................................................. 66 6.3 工作面沿断层走向推进微震事件分析 ....................................................................... 68 6.4 本章小结 ................................................................................................................................ 70 7 主要结论主要结论与展望与展望 ............................................................................... 71 7.1 主要结论 ................................................................................................................................ 71 7.2 创新点 ..................................................................................................................................... 73 7.3 展望 .......................................................................................................................................... 73 参考文献参考文献 ................................................................................................. 75 致谢致谢 ......................................................................................................... 80 攻读硕士期间发表的论文攻读硕士期间发表的论文 ..................................................................... 81 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents 1 Introduction ......1 1.1 Research significance............1 1.2 Domestic and foreign research of rockburst present situation..........1 1.3 Research status of rockburst near fault zone.........4 1.4 Main research contents and s .......6 2 Fault introduced rockburst types and theoretical research..........9 2.1 Fault rockburst classification ....9 2.2 Analysis of the influence of fault on roof stability of working face ..........10 2.3 Influence of fault orientation on stress distribution of working face .11 2.4 Analysis of the influence of roof movement on rock burst in working face ..13 2.5 Strike-slip model of fault. ...13 2.6 Summary of this chapter .........15 3 Study on the movement of overlying strata and the risk of impact in the working face ...16 3.1 Introduction.... 16 3.2 Similar material simulation test design ......16 3.3 The movement law of overlying strata in the working face from the footwall to the fault ............20 3.4 The movement law of overlying strata in the working face from the hanging wall passing through fault............25 3.5 The influence of roof movement and fault slip on the risk of impact analysis ..27 3.6 Summary of this chapter ....29 4 The width of coal pillar along the strike of the fault and the rockburst risk........30 4.1 FLAC3D numerical simulation software introduction ..........30 4.2 The establishment of the model ..........31 4.3 Analysis of the mining stress distribution and fault slip in the footwall of the normal fault. ...32 4.4 Analysis of mining stress distribution and fault slip in the working face of the normal fault wall ....37 4.5 Rockburst risk analysis of coal pillar width under different faults .........42 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 4.6 Summary of this Chapter ........45 5 Influence of fault characteristic parameters on rockburst risk.... 46 5.1 Analysis of the impact of the fault dip on the risk of shock... 46 5.2 Effect of fault zone strength on mining stress ........52 5.3 The influence of the width of fault zone on the mining stress....... 55 5.4 The influence of the width of working face on the mining stress.............. 58 5.5 Summary of this chapter .........63 6 Engineering example..... 65 6.1 Analysis of the engineering example of advancing the impact risk of working face passing through fault .....65 6.2 Working face advancing along fault strike risk analysis of engineering example..66 6.3 Microseismic event distribution when working face advancing along fault strike.........68 6.4 Summary of this chapter .....70 7 Main conclusions and prospects........... 71 7.1 Main conclusions.........71 7.2 Innovation po