不同类型采场冲击地压危险预测体系研究.pdf

分类号 I 旦三 U D C ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 工学硕士学位论文 密级 公珏 单位代码 鲤2 鱼 不同类型采场冲击地压危险预测体系研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 郭晓朋 侯玮 工学硕士 矿业工程 资源学院 河北工程大学 万方数据 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro f E n g i n e e r i n g P r e d i c t i o nS y s t e mR e s e a r c hi nD i f f e r e n tT y p e so f S t o p e C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i c D e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t G u oX i a o p e n g A ．R H o u Ⅵ馈 M a s t e ro f E n g i n e e r i n g M i n i n gE n g i n e e r i n g C o l l e g eo f R e s o u r c e H e b e iU n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g M a r c h ，2 0 1 5 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑韭王壁盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签字 风阑签字日期矽眵 年9 月／7 『日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑些兰壁盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权塑些墨堡盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学雠文储替佛心碉签字脚矽／争年f 月／7 日 导师签字 ／f 乙啼 签字日期矽』与年多月／少日 万方数据 摘要 摘要 近年来随着我国越来越多的矿井进入深井开采，煤矿冲击地压已经成为我国 乃至世界各大矿井安全生产和井下作业人员人身安全的主要障碍之一。目前我国 很多深井矿井由于地面压煤等原因，采用大条带开采，首采面一般工作面两侧都 为实体煤，随后便要开采一侧采空、两侧采空甚至“孤岛”工作面，不同的边界条件 下工作面所处的应力场有很大的差别，其发生冲击地压的危险性也有很大的差别。 因此很有必要结合不同类型采场，综合考虑影响冲击地压的各个因素，建立一个 统一的冲击地压危险性预测体系。 论文通过采用覆岩空问结构及关键层理论分析、数值模拟等方法，对朝阳煤 矿的几个不同类型采场的覆岩空间结构形式、运动规律以及应力场分布进行了横 向对比，直观的反映了不同类型采场所处应力场以及发生冲击地压危险性的差别。 同时首次将不同类型采场冲击地压危险性的差别与影响冲击地压事故的诸多因素 相结合，建立了一个统一的冲击地压危险性预测体系，打破了以往适用于某一特 定的开采条件和采场类型的单一预测体系。 此外，论文还利用所建立的基于不同采场类型冲击地压危险预测体系对朝阳 煤矿3 2 0 1 工作面的冲击危险区域进行了预测，并结合现有的微地震监测结果以及 现场冲击地压发生的实际情况对这一预测结果进行了验证，保证了预测结果的准 确性。 关键词不同类型采场；覆岩空间结构；数值模拟；预测体系；微地震监测 万方数据 A b s t r a c C A b s t r a c t l nr e c e n ty e a r s ．w i t ht h ec o a lm i n ei nC h i n am o r ea n dm o r ec o m ei n t ot h ed e e p m i n i n g ，t h er o c k b u r s tw h i c hw i l li n f l u e n c et h em i n ea n dt h em i n e r s ’s a f e t yh a sb e c o m e o n eo ft h em a i no b s t a c l e so fm i n ei no u rc o u n t r ya n de v e nt h ew o r l d ．A tp r e s e n t ，b e c a u s e o ft h eg r o u n dp r e s s u r eo fc o a lm i n e ，m a n yc o a lm i n e su s et h el a r g es t r i pm i n i n g ，t h ef i r s t m i n i n gf a c eu s e dt ob es o l i dc o a lo fb o t hs i d e s ，t h e nt oo n es i d ee m p t yf a c ea n de n v e n t h e ”i s o l a t e di s l a n d ”f a c e ．T h ew o r k i n gf a c e si nd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sh a v eg r e a t d i f f e r e n c ei nt h es t r e s sf i e l da n dt h er o c kb u r s to c c u r r e n c e ，S oi ti sn e c e s s a r yf o rU St o c o m b i n et h ed i f f e r e n tt y p e so fm i n i n gf i e l da n dc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i o u s f a c t o r so fr o c k b u r s tt oe s t a b l i s hau n i f i e dr o c k b u r s tp r e d i c t i o ns y s t e m ． P a p e rB a s e do nt h eo v e r l y i n g m u l t i s t r a t as p a t i a ls t r u c t u r et h e o r y ，t h ed o m i n a n t s t r a t u mt h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p a i rt h eo v e r l y i n gs t r a t a s p a t i a ls t r u c t u r ef o r m s ，r u l e sa n dd i s t r i b u t i o no fs t r e s sf i e l do fs o m ed i f f e r e n tw o r k i n g f a c e si nC h a o y a n gw h i c hh a v ed i f f e r e n t d i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n dd i r e c t l y r e f l e c tt h ed i f f e r e n tt y p e so fm i n i n gs i t e si ns t r e s sf i e l da n dt h eo c c u r r e n c eo fr o c k b u r s t h a z a r dd i f f e r e n c e ．A tt h es a m et i m e ，b yc o m b i n i n gt h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sw i t h t h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i o u sf a c t o r so fr o c k b u r s te s t a b l i s hau n i f i e dr o c k b u r s tp r e d i c t i o n s y s t e m ，w h i c hb r e a kt h ep r e v i o u ss y s t e ma p p l i c a t i o nt oas p e c i f i cm i m n g c o n d i t i o n sa n d t oas i n g l eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ． I na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s ou s e st h ep r e d i c t i o ns y s t e mt of o r e c a s tt h ed a n g e r o u s a r e a so f3 2 01w o r k i n gf a c ei nC h a o y a n g ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n gm i c r o s e i s m i c m o n i t o r i n gr e s u l t sa n dt h ea c t u a ls i t u a t i o no f r o c kb u r s t st ov e r i f yt h ep r e d i c t e dr e s u l t s ， a n de n s u r et h ea c c u r a c yo ft h ep r e d i c t i o nr e s u l t s ． K e y w o r d s d i f f e r e n tt y p e so fs t o p e ；o v e r l y i n gs t r a t as p a t i a ls t r u c t u r e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；p r e d i c t i o ns y s t e m ；m i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n g 万方数据 目录 摘要⋯ A b s t r a c t 第1 章概述⋯⋯⋯⋯ 1 ．1 研究背景及意义⋯ 1 ．2 冲击地压研究现状 目录 1 ．2 ．1 冲击地压发生机理的研究现状 1 ．2 ．2 冲击地压预测预报研究现状⋯ 1 ．2 ．3 冲击地压防治措施研究现状⋯ 1 ．2 ．4 冲击地压危险性评价研究现状 1 ．3 本文的研究内容和研究方法⋯⋯ 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 ．4 本文的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 第2 章不同类型采场冲击地压危险性对比分析 2 ．1 对比分析目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 2 ．2 采场类型的划分及所对应的覆岩空间结构 2 ．2 ．1 两侧实体煤工作面 2 ．2 ．2 - N 采空工作面 2 ．2 ．3 孤岛工作面⋯⋯ 2 ．3 覆岩空间结构岩层组成及岩层运动与冲击地压的关系⋯ 2 ．3 ．1 覆岩空间结构岩层组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 2 ．3 ．2 覆岩空间结构岩层运动与冲击地压之间的关系⋯⋯ 2 ．4 冲击地压数值模拟区域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．4 ．1 模拟区域基本地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．5 冲击地压数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．5 1 数值模拟软件简介⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．5 ．2 模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．5 ．3 岩石力学参数选取及本构模型确定⋯⋯⋯ 2 ．5 ．4 模拟结果及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ，U 1 1 0 o 百1 曙 他 B B B H H “ 加 加 侈 加加挖 勉龙 巧 巧 万方数据 目录 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 4 0 第3 章影响冲击地压危险性的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．1 自然地质因素对冲击地压的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．1 ．1 开采深度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．1 ．2 煤岩结构特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．1 ．3 煤层的物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．1 ．4 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．2 开采技术因素对冲击地压的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．2 ．1 采煤方法的选取对冲击地压的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 1 2 _ 2 采掘顺序对冲击地压的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．2 ．3 煤柱对冲击地压的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．3 组织管理因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．- ⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯一．5 0 3 ．4 冲击地压影响因素的定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 第4 章矿井冲击地压危险预测体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．1 冲击地压危险预测体系的建立原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 4 ．2 建立冲击地压危险预测体系的流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 _ 3 预测体系中预测指标的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．4 冲击地压危险预测体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 第5 章基于不同采场类型冲击地压危险预测体系的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 朝阳煤矿冲击地压危险预测实例⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 ．1 朝阳煤矿地理位置及冲击地压基本情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．1 ．23 2 0 1 - [ 作面基本条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．1 ．3 单因素对3 2 0 1 工作面冲击地压危险预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．1 ．4 3 2 0 1 工作而冲击地压危险性的多因素耦合及区域划分⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 第6 章基于微地震监测结果的冲击地压预测验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．1 微震监测系统组成及其测区布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．2 微地震监测结果 M S 验证 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，7 1 6 ．3 现场发生冲击地压情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 万方数据 目录 参考文献 作者简介 7 5 7 9 万方数据 第1 章概述 1 ．1 研究背景及意义 第1 章概述 煤炭是我国的基础能源，是关系国家经济命脉的重要基础产业，也是国家能 源安全的基石。当前，煤炭在我国的一次能源消费构成中，一直保持着较高的占有率， 达到大约7 0 ％左右 见表l 1 。有专家预计2 0 1 5 年中国的一次能源消费结构比 中，煤炭仍将占到6 3 ％左右，到2 0 5 0 年随着一些新型能源的开发与利用这一比例 将有所下降，但仍能占到5 0 ％以上。因此，有学者断言，在今后相当长的一段时期 内，煤炭资源仍将作为我国的第一大消费能源。与此同时我国的各大煤矿普遍存 在着地质条件复杂，煤炭开采困难，各种灾害事故频繁等问题，其严峻的安全生 产形势造成了大量人员伤亡、重大财产损失和严重的社会影响，也引起了国际社 会的广泛关注。尤其是近年来随着矿井深度的不断增加，煤矿冲击地压、岩爆、 矿震等动力灾害事故时有发生，已经成为制约我国乃至世界主要产煤国家煤炭行 业安全高效生产以及井下作业人员人身安全的主要障碍之一，表1 ．2 为本人收集的 我国近年来所发生的冲击地压事故实例。 冲击地压又称岩爆，是深井开采中常见的一种自然灾害，它是指在井下开掘巷 道或采煤作业中，受人为扰动，导致赋存有大量弹性变形能的煤岩体突然发生破 坏、冒落或抛出，瞬时释放能量且伴随有声响、震动和冲击波的矿山动力现象J 。 世界上首例冲击地压事故报道于1 7 3 8 年英国南斯坦福煤田，此后在西欧许多国家 的煤矿，前苏联的基泽洛夫矿区，德国的鲁尔、多特蒙德煤矿区，波兰的上西里 西亚矿区，陆续发生冲击地压事故。世界上一次性致亡人数做多的矿震于1 9 6 0 年 1 月2 0 日发生在南非的C o a l b r o c kN o r t h 煤矿，此次矿震造成3 0 0 万衍顶板塌陷， 4 3 7 人罹难。可以说世界上几乎所有的国家都不同程度的受到冲击地压的威胁【2 卅。 我国发生冲击地压、岩爆和矿震的煤矿广泛分布于大陆的东部，北起黑龙江， 南至广西，总体呈N E S w 方向展布，与全国主要煤矿的分布基本吻合。在我国 最早的冲击地压事故报道始见于1 9 3 3 年抚顺胜利煤矿。虽然灾害出现较晚，但呈 快速增长趋势。如图1 1 所示，1 9 5 0 年前全国发生冲击地压的矿区仅见到报道2 例，2 0 世纪5 0 年代增加到8 例，6 0 年代增至1 4 例，7 0 年代增至3 0 余例。8 0 年 代后，全国范围矿井冲击地压和矿震灾害的报道快速增加。截止目前，己有1 2 0 个煤矿、2 0 余个非煤矿山曾发生和尚在发生此类动力灾害”1 。例如河南省义马煤 业集团千秋矿于2 0 11 年1 1 月3 日发生了冲击地压事故，造成了重大的人员伤亡和 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 经济损失，2 0 1 3 年1 月1 2 日，辽宁省阜矿集团五龙矿发生冲击地压事故，造成8 人死亡，2 0 1 4 年3 月2 7 【] ，河南省能源化工集团千秋煤矿发生冲击地压事故，造 成6 人死亡等等。而且随着我国煤矿采深的不断增加，越来越多的矿井进入深井 开采，这一动力灾害事故将会日趋严重1 6 J 。 我国冲击地压发生具有突发性、多样性、破坏性和复杂性。冲击地压发生时， 往往会造成井下各种设备的移动和损坏、巷道的坍塌和堵塞，不仅影响了矿井的 正常生产，还会对井下作业人员的生命安全造成严重的威胁。更为严重的是冲击 地压事故的发生还会引发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列的二次灾害，从而严 重扩大事故的灾害后果和影响范围，给矿井带来更大的经济损失和人员伤亡。因 此建市‘套完善的较为精确的冲击地压预测预报体系，为冲击地压的综合防治提 供理论依据就显得尤为重要。然而在我国很多深井矿井由于地面压煤等原因，采 用大条带开采，首采面一般工作面两侧都为实体煤，随后便要开采一侧采空、两 侧采空甚至“孤岛”工作而，而边界条件不同的采场其应力场的分布有很大的差异， 从而导致其发生冲击地压事故的危险性也不尽相同。而以往有关冲击地压机理的 各种理论和学说仅适用于特定的开采条件和煤层赋存条件下，因此很有必要结合 不同类型采场，分别研究阐述其采动过程中所对应的覆岩空间结构形式、运动规 律以及应力场分布，以便为冲击地压危险区、冲击地压危险性的临场超前预报以 及采场预卸压提供理论依据。其研究成果以及所应用的微地震监控手段对于具有 深井复杂条件动压控制问题的矿井具有十分显著的示范作用和推广借鉴意义。 表1 - 1中国各种一次能源消费的百分率 ％ T a b l e1 - 1T h ep e r c e n t a g eo fC h i n e s ea l lk i n g d so fp r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n ％ 万方数据 第1 章概述 四川德阳市天池集团公司 辽宁阜新矿务局五龙矿 辽宁抚顺市露天区抚顺矿业集团老虎台煤矿 河南鹤壁矿务局五矿井 四川德阳市市中区天池集团 北京京煤集团木城涧煤矿 鲍店矿 东滩矿 千秋矿 河南省义马煤业集团公司千秋煤矿 辽宁省阜矿集团五龙矿 黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司峻德煤矿 河南省能源化工集团义煤公司千秋煤矿 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 冲击地压 1 6 0 1 4 0 1 2 0 厶1 0 0 圣8 0 矗 6 0 4 0 2 0 1 9 4 91 9 6 91 9 8 9 2 0 0 9 年份 图1 一l中国发生冲击地压、岩爆和矿震矿井数量累计分布【5 】 F i g ．1 - 1 T h en u m b e ro f r o c kb u r s ta n dm i n ee a r t h q u a k ei nc h i n e s ed i s t r i b u t i o n 1 ．2 冲击地压研究现状简介 1 ．2 ．1冲击地压发生机理的研究现状 所谓冲击地压的发生机理就是指形成冲击地压的内在规律，它是冲击地压安 ，8 2 ●0 ，2 ●B m 8 4 6 9 塌四9 J ”五3 5 3 眩b ” 愿禾 2 4 9 J 石L 1 王 叭眩眩蚪M∽蚪∞∞㈦n n M 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 全评价和冲击地压预测与防治的理论基础[ 7 】。有关动力灾害冲击地压发生机理，国 内外学者进行了长时间的深入研究，目前具有代表性的理论主要有C o o k 、B r a u n e r 的能量理论、C o o k 、B l a c k 等人的刚度理论、基于T h o r n 突变论的突变理论、波兰 和前苏联学者提出的冲击倾向性理论、李玉生的“三准则”理论、章梦涛的变形系统 失稳理论和冲击地压和突出的统一失稳理论、扩容理论、煤柱冲击地压时问效应 理论、动态失稳理论等[ 8 - 1 3 1 。 强度理沦认为煤岩体应力要等于或大于煤岩体系统的强度，这是发生冲击地 压的强度条件。早期强度理论从煤岩体破坏原因的角度出发，认为受井卜 开采影 响，上覆岩层应力向井巷和采场周围转移，导致该区域产生应力集中现象，当其 集中应力超过岩体的极限强度时，煤岩体发生破坏，形成冲击地压[ 1 4 】。近代强度 理论则从矿体一围岩力学系统的极限平衡条件角度出发，其中最具影响力的便是 布霍伊诺等人在2 0 世纪5 0 年代提出的夹持煤体理论，他们认为，较坚硬的顶底 板可将煤体夹紧，从而使煤体夹持带产生高度的应力集中并且储存大量的弹性变 形能，而且高压带和高弹性能积聚区就位于煤壁附近，且承载能力储备小，一旦 高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体就会产生突然破坏和运动，抛向己 采空间，形成冲击地压[ 15 1 。库克等人根据刚性压力机理于2 0 世纪6 0 年代提出了 刚度理论，7 0 年代布莱克将此理论完善化，将矿柱视为矿山结构，把围岩视为负 载系统，认为矿山结构的刚度大于矿山负载系统的刚度是产生冲击地压的必要条 件I l6 | 。前苏联学者C 1 T 1 阿维尔申及库克等人在2 0 世纪5 0 年代末提出了能量理论， 该理论认为发生冲击地压需要大量能量，不仅矿体释放能量，围岩也释放能量， 随着采掘范围的不断扩大，矿体一围岩系统在其力学平衡状态破坏时，可释放的 能量大于消耗的能量时，就发生冲击地压【1 7 】。冲击倾向理论‘1 8 1 将煤岩介质固有的 冲击破坏的能力称为冲击倾向[ 1 9 ．2 0 1 ，而衡量煤岩介质冲击倾向的一系列力学特性 指标或指标组则称为煤岩的冲击倾向度，当介质的实际冲击倾向度大于或等于规 定的极限值时，则发生冲击地压[ 15 1 。 我国学者李玉生提出了“三准则理论”，该理论是以能量理论、强度理论、冲击 倾向理论为基础，其中强度理论为强度条件，能量理论和冲击倾向理论为突然破 坏条件，只有当三个条件同时满足时才是发生冲击地压的充分必要条件【H 1 1 2 1 1 。章 梦涛等人则把冲击地压看作是煤岩体的一种材料失稳破坏现象，认为煤岩体受采 动影响在采场周围形成应力集中，煤岩体内高应力区局部形成应变软化介质与尚 未形成应变软化的介质处于非稳定平衡状态，在外部扰动下产生动力失稳，从而 形成冲击地压【2 2 1 。潘一山通过对冲击地压发生的机理分析指出，煤岩体冲击地压 发生启动条件和煤岩体变形局部化开始条件是一样的，即冲击地压启动后的变形 破坏过程就是煤岩体变形局部化的过程【2 3 1 。潘俊锋针对巷道冲击地压显现主要表 4 万方数据 第l 章概述 现为底板冲击，建立了巷道冲击地压发生工程结构模型，揭示了全煤巷道板冲击 启动实质来自于两帮高集中应力区，底板只是能量传递与释放的载体，即冲击地 压显现位置[ 2 4 ] 。北京科技大学的姜福兴等人提出的覆岩空间结构理论学说‘2 5 。2 8 1 ， 他认为覆岩空间结构岩层的运动与冲击地压有着密切的联系，井下采场在采动作 业的影响下，覆岩空间结构岩层发生运动变形，从而导致采场出现应力集中区， 当应力集中区域内压力大于周围煤岩体的强度极限时，就可能发生冲击地压。此 外，近年来，随着一些国外新型科学技术的引入，国内学者相继提出了一些较为新 颖的冲击地压理论，它们中有宋维源基于混沌学理论提出的冲击地压混沌学模型， 并且基于该模型建立了预测预报冲击地压的方法【2 9 】。高玮、冯夏庭则基于神经网 络学对冲击地压进行了非线性系统建模，并对其进行了实用性验证【30 1 ，等等。 冲击地压是一个十分复杂的矿山压力动力问题，其发生机理国际上目前尚未 达成广泛的共识，且上述各个理论基本都还停留在理论阶段，也需要进一步的完 善和深入的研究。 1 ．2 ．2 冲击地压预测预报研究现状 冲击地压的预测预报是采取冲击地压防治技术措施的理论依据，它是指对冲 击地压潜在危险程度的预先判断，它要求查明有冲击地压危险的区域、冲击地压 发生的时间、空间以及规模[ 3 1 1 。目前，概括起来，冲击地压的预测方法大体可分 为三大类，即实验室法、基于数值模拟软件的数值模拟法以及冲击地压现场实测 法[ 3 2 1 。 实验室法包括煤岩层冲击倾向性鉴别法和相似材料模拟法。其中冲击倾向性 是井下煤岩体是否发生冲击地压的一个必要条件，’它是煤岩体发生冲击地压的一 种固有属性，目前国内普遍把煤岩体的弹性能量指数、动态破坏时间、单轴抗压 强度、弯曲能量指数作为评价煤岩层冲击倾向性的指标[ 3 2 - 3 4 ] 。相似材料模拟是以 相似理论为基础，通过分析实际模型的特性，在实验室建造扩大或缩小的实验模 型，给实验模型施加与实际模型同等的边界条件及力学条件，最后通过试验模型 所表现的一些力学特性或破坏变形过程，去反推对应原型的力学运动以及破坏变 形的一种实验方法[ 35 1 ，但该方法存在着很多的弊端，例如建模时材料的选取以及 实验模型与实际煤岩体间存在的差异，直接导致了其预测结果偏差较大，再加上 其高昂的实验成本，直接导致了该方法使用较少。数值模拟也叫计算机模拟，是 指基于F L A C 、U D E C 、A N S Y S 等一系列的数值模拟软件，采用有限元法、边界 元法、混合离散元法等将采场周围煤岩体简化为由若干单元体组成的空间模型， 结合采场实际采动情况通过电脑在空间模型上模拟井下采动过程，模拟采场周围 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 煤岩体所处的垂直或水平应力场及煤层顶底板的位移量，并通过三维云图直观的 展现出来，从而确定冲击危险区域，实现冲击地压的预测预报【3 6 l 。 冲击地压的现场实测法[ 37 ] 可分为岩石力学方法、地球物理方法和经验类比法、 三种。岩石力学方法中最常用的有钻屑法、煤体应力测定与计算、顶板动态监测 及地表岩层移动等方法，其中尤以钻屑法较为常用。钻屑法是指通过在煤层中钻 小直径钻孔 一般为4 2 5 0 m m ，通过钻孔在不同深度时排出的煤粉量多少、煤 粉量的变化规律以及其出现的一些动力现象，来预测煤体内的应力集中情况和冲 击地压危险的一种方法【3 8 】，当单位长度上排出的煤粉量大于标定值时，表示高应 力和冲击危险状态。钻屑法预测冲击地压的临界指标值包括钻屑量、钻孔深度和 动力效应三者，其中钻屑量为单位长度内钻孑L 所排出的煤粉质量；钻孔深度为所 打钻孑L 的深度；动力效应指钻孔施工过程中产生的卡钻、冲击、煤体响声和煤粉 粒度变化等现象”9 1 。其预测指标详见表1 ．3 ，1 4 所示。地球物理方法主要包括声 发射与微震监测法、地电和地磁监测以及底层层析成像法，其中尤以声发射与微 震监测法较为常用【4 0 ’4 1 1 。煤岩体在发生变形和开裂破坏过程中会产生声波和震动， 声发射与微震监测法就是通过在采场顶底板内布置检波器实时采集微震数据，经 过数据处理后，采用震动定位原理，确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示 出来，从而实现冲击地压危险区域预测[ 4 2 1 。经验类比法是根据相邻矿井或地质条 件相似的矿井在开采活动中已经出现的冲击地压事故，对待采区域的冲击地压危 险性进行比对分析，从而来预测判断本矿井冲击地压危险程度，但该方法由于经 验性较强，导致预测结果偏差较大。 预测预报冲击地压危险性的方法有很多，但由于冲击地压发生的复杂性和多 样性，单一种预测方法效果较差，往往需要实验室法与现场实测方法相配合进 行综合预测预报，而且各种预测预报方法或多或少存在一些问题，如精确性较差， 不能进行区域性预测等问题，均有待进一步完善与发展。 表I - 3 钻屑法确定冲击地压危险程度【3 9 】 T a b l e1 - 3 D r i l l i n gc u t t i n g sm e t h o dt od e t e r m i n et h er o c kb u r s th a z a r dd e g r e e 注l 为钻孔深度，M 为煤层的厚度 万方数据 第1 章概述 表1 ．4 判别工作地点冲击地压危险性的钻粉率指数[ 3 9 ] T a b l e1 - 4D i s c r i m i n a n tw o r k i n gp l a c er o c k b u r s td a n g e r o u si n d e xo fd r i l l i n gc u t t i n g sr a t e 注钻粉率指数 每米实际钻粉量／每米正常粉量 1 ．2 ．3 冲击地压防治措施研究现状 近年来，许多具有冲击危险的矿井 煤层 的顺利开采表明，冲击地压是可 以做到安全有效防治的，当然这需要我们前期做大量的准备工作，这些工作包括 充分研究弄清冲击地压发生的内在机理，采取科学的行之有效的预测评价方法， 制定完善的科学的综合防治措施等。目前，冲击地压的防治措施归纳起来大体可 分为四种，即防范冲击地压的根本措施、临时解危措施、冲击地压的防护措施以 及综合防治措施，而不管采用哪种防治措施，都是从以下几点来防治冲击地压危 害程度的采取泄压措施降低应力集中区积聚的高应力；改变煤岩体受力状态； 通过注水或其它措施改变煤岩体力学性能等。 防范冲击地压的根本措施是从考虑煤层有冲击危险开始，在设计阶段就考虑 治理措施，力求从根本上整体上解除煤层的冲击地压危险，目前主要使用的方法 有制定合理的开采部署 包括合理的开采顺序、巷道的布置、合理的开采方法、 支护方式的选择等 、煤层注水、开采保护层等[ 4 3 l 。我国于1 9 5 8 年开始试用保 护层开采并成功地解决了部分瓦斯突出煤层的开采问题；2 0 世纪8 0 年代初，我国 首次在具有冲击地压危险的抚顺龙凤矿成功应用了煤层注水技术，并取得了良好 的冲击地压防治效果。 冲击地压的临时解危措施是指对已形成冲击地压危险或可能具有冲击危险的 地段进行解危处理，目前使用较多的，较为成熟的技术措施有松动爆破、大直径 钻孔卸压、巷道卸压、震动爆破 诱发爆破 等【4 4 1 。位于山东省新汶矿区的华丰 煤矿针对具有冲击地压危险的区域，采取深孔爆破、大直径钻孔卸压等卸压措施， 成功的度过了冲击地压危险区域，实现了工作面的安全回采。 冲击地压的防护措施是被动的，它主要针对的是井下发生的小规模冲击地压。 当前期的冲击地压防治措施实施效果不理想的情况下，通过加强采掘空间强力支 护，人员防护服的穿戴等防护措施来尽量避免和减轻小规模冲击地压事故的危害 程度。 综合防治措施即以上三种防治措施的结合。首先针对具有冲击倾向性的煤层， 在工作面回采前，采取煤层注水、开采解放层等防范冲击地压的根本措施，在整 体上降低煤层的冲击倾向能力其次在防范冲击地压根本措施的基础上，针对一 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 砦冲击地压危险性较高的局部区域采取松动爆破、大直径钻孔卸压等临时解危措 施；最后，在以上基础上采取一定的防护措施，例如穿防护服、采掘空间强力支 护，降低冲击地压危害程度。 1 ．2 ．4 冲击地压危险性评价研究现状 危险性评价又称安全评价或风险评价，是以实现工程、系统安全为目的，应 用安全系统工程原理和方法，对工程、系统中存在的危险、有害因素进行识另U 与 分析，判断工程、系统发生事故和急性职业危害的可能性及其严重程度，提出安 全对策建议，从而为工程、系统制定防范措施和管理决策提供科学依据[ 4 5 , 4 6 ] 。 安全评价技术是随着美国保险业的发展需要而发展起来的，首先使用于美国 军事工、阮后来陆续推广到了矿山、石油、化工等领域，在推广的过程中得到了 不断完善和发展。这一期间，产生了许多对后期安全评价发展起到指导作用的评 价方法，例如道化学火灾、爆炸指数评价法【47 1 、蒙德指数法[ 4 8 1 、曰本劳动省颁布 的“化工安全评价六阶段法”等。此外，随着近年来系统工程各学科与理论的不断完 善发展，出现了许多适用于各种生产领域的定性或定量的安全评价方法，如安全 检查表法 S C L 、事故树分析 F T A 、故障类型及影响分析 F M F A