深部构造区厚煤层冲击地压防治技术研究.pdf

论文题目 深部构造区厚煤层冲击地压 防治技术研究 作者姓名登创焦 领域名称心坠王翟 入学时间垄Q 曼曼生窆且 研究方向芷出压左皇 指导教师潘童友职 副指导教师互俊生职 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 垄Q 量兰生量且 尘垒兰3 生重且 基层控制 称 教授 称直级工捏垣 S n 巾I YO NT E C ⅡN o L O G YO F 购锄I 刀眵T 纠舢N n o NO FD E E P ⅢG ⅡC o A LS E 创M 矾 S ’I R U C T U R EA R E A A ⅨI 豫巾峭蚰l u h n l 恤诅i n 如I 伽腿mo f 伍er e q m r e m e 砒Io f 恤d 吃n e 订 S h 蚰如呜嘶r s i 姆o f S 血眦e 蚰dT e c h o l o 四 s u nL 缸w e i C 枷e 妒o f N a t 盯蛆l k s o 盯c e sa 耐E n 、r i m n m e n t 蛆E n g i n e e 血g ．I 吼e2 0 1 3 声明 本人呈交给山东科技大学的这赢工j 圈羲- 拦剃汪论文，除了所列参考．丈蚨和 世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下自啊f 吃成果该论文资料尚没有 呈交子其它任何学术机关作鉴定 工程颈士生签名t 日期。 列油I 键 I 出c l I n 也n 蚰h 虹m s 辩r t I 缸o n ，s 曲m №d 缸触丘Ⅱm e 血o f 也en q 眦m m 删b 如r 也e 曩刚I r do fM a s 白盯o fE n g h e 池g 血S h 蛆d o n gI h 瞳h 他璐姆o fS c k 峨a 耐 ’I 蛐咖鼢虹W h 加ym y 咖啪r k 衄k s s 聘如咖∞do fI c k 咖d e 电e ．1 n h e 由c 岫e n th 晦肿tb e e ns d 叫t t e d1 ．o rq u 蚰如I c | m o n 时- 卫伊砌e r 耻瓢如m 矗c 血s 伽钯． 弘a 恤r e D 吨 山峦型技太堂殛堂位j 金文 摘要 摘要 冲击地压是矿山开采中发生的煤岩体动力灾害之一，随着煤炭开采深度的不断增加， 冲击地压问题目趋频繁，特别是在构造区域因地应力异常，能量易积聚，冲击地压发生 的强度及其危害更加突出。据统计，发生在构造 主要指断层、褶曲、相变 附近的冲 击地压占冲击地压发生次数的7 0 ％以上；在厚煤层开采过程中，冲击危害范围更广，能 量更大、破坏更严重。因此，研究深部构造区厚煤层工作面冲击地压规律及其控制，对 于保证煤矿安全生产具有一定的实际意义。 本论文以开滦集团赵各庄煤矿的3 1 3 7 东工作面为研究背景，综合利用理论分析、数 值模拟、现场实测等方法和手段，建立了构造区厚煤层巷道冲击地压力学结构模型；得 出了深部构造区厚煤层工作面巷道冲击地压发生的机理；分析了放顶煤开采支承压力的 分布规律，采用放顶煤开采可以有效控制冲击地压，降低冲击危险性；根据缺陷卸压的 原理，采用开掘大空间卸压巷和底板开槽卸压的方式，人为制造大工程缺陷结构，有效 改善围岩应力分布状态，降低和定向转移煤体的应力集中现象，实现吸收和缓慢有序释 放冲击能量，避免冲击地压灾害的目的，并在3 1 3 7 东工作面成功应用，为解决深部构造 区厚煤层冲击地压的有效防治和安全高产高效开采提供了新的可行性方案。 关键词构造区；厚煤层；冲击地压；防治技术；缺陷法 I b c kb ⅢS ti so mo fn l em i n 通go fc o a la I l dr o c kd y n 锄i cd i s a s t e r S ．W i m 吐l ei n c r e a S i n g d 印吐lo fc o a lm i I l i I l g ，R o c kb u r s to c c u r sm o r ea n dm o r e 仔e q u e n t ．E s p e c i a l l yi I ls 仇l c t u r ea r e a ． m es 仃e 1 1 9 l l la 1 1 de n d 锄g e r 萨t sm o r es 面o u s ．A c c o r d i 】1 9t 0s t a t i s t i c s ，i I l Ⅱ℃V i c i I l i t yo fm e s 仃u 咖r e f a u h s ，f o l d s ，p h a s ec h a I l g e ，r o c kb u 仪p r o b l e ma c c o u n t e df o rm o r em a l l7 0 ％o fm e n u I n b e ro f 血∞s ．1 1 1m eh i 曲c o a ls e a mm i I l i l l gp r o c e s s ，也er o c kb u r s th a z a r d 姗g em o r e 晰d e l y ，m o r ee 鹏F g ，，m D r es 丽o u sd e s n Ⅵc 6 0 n ．S o ，咖由协yo nt h er o c k b u l l s tm l e 觚di t s c o n 缸．0 lo fd e e pl 】i g hc o a ls e 锄鱼c ei l ls 仉l c t u r ea r e ah a sac e r t a i np m c d ca ls i g I l m ca n c ef o r c o a lm i l l ep r o d I 】C t i o ns a f 文y ． ．n l i sd i s s e n 撕o n 妯a S e do nt l l e313 7e a s tw o r k 舭eo f 压a o g e z h u a l l gc o a lm i I l 证g ，u s i l l g Ⅱl e o r e t i c a l 撇l y s i s ，n u m e r i C a ls i n m l a 6 0 na n d6 e l da p p h C a 矗o n Ⅵ血ht o g e l h e r e s 切b l i s h e d Ⅱl e m e c h a n i c a ls 仃u c t u r eo fm em o d e l ，a n a l y s e dt l l ei I l f l u e n c i n gf 础o r s ，o b t a j n e d 也er o a d w a yr o c k b u r s to c c u r r e n cem e c h a n i s mo fd e 印h i g l lc o a ls e 锄f a c em a d w a yi ns n l l c t u r ea r e a ．1 ’o pc a V i I l g c o a lm i I l i I l gc a l le Ⅱb c 6 V e l yc o m r o l Ⅱ1 er o c kb u r s t 锄dr e d u c e 廿1 er i s k ．丽c ht h em e t l l o do Ic u n i f l g 1 a r g cs p a c er e l i c V i n gr o a d w a y 锄dr e l i e V i n gs 1 0 t ，m a n u f a c t L l 血gd e 氏ts t n l c t I l r e ，i 【c a l le f ‰t 如e l yi I n p r o V e t l l es 廿e s s 抵曲l n i o ns t a t e ，r e d u c t i o na I l d 昀n s 衙o fm es 仃e s sc o n c e n 廿撕o no f Ⅱl ec o a lb o d y ， i I lo r d e rt 0a c h i e V eas l o wa n do r d e r l yr e l e a s eo f e n e 玛y ，t oa V o i dt l l er o c kb u 璐td a n g e r o u s ，t o r e s 0 1 V et l l er o c kb u r s tp r e V e n d o no fn l ed e 印h 神c o a ls e 锄i 1 1s 缸u c t u r ea r e aa I l ds a f e t yo f h i 曲一 7 i e l da n de 衔c i e n tm i l l i I l gp r o V i d e san e wf e a s i b l ep l a l l ． №”州s s 缸1 l c t u r ea r e a ；l 】i g hc o a ls e 锄；m c kb u r s t ；p r w e n d o n 白e c l l n o l og y ；d e f e c t s 山峦型拉太堂殛堂位论文 一且录 目录 1 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．。．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 课题的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 2 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 3 深部构造区厚煤层冲击地压机理研充⋯⋯⋯⋯⋯ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 3 ．1 深部巷道围岩变形特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 构造应力与冲击厚煤层巷道稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．3 构造区巷道稳定性模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．4 深部构造区厚煤层冲击地压机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 4 冲击地压防治技术研充⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．1 放顶煤开采控制冲击地压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．2 支承压力实测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．3 常规卸压方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．4 缺陷法防治冲击地压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 工程实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．1 冲击地压影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．2 冲击地压防治对策与工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 山丕抖技太兰蘧堂位论文 目录 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．3 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。。．。．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．。。。．．．．6 6 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 lI n t I ．o d u 响n ．．。．．。．．。．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．。．．．．1 1 ．1B a c k 伊o n d 柚ds i 印_ i f i c 锄ce ．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R - e s e a r c hs t a t l l sa th o m ea n d 吞b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3T h em 血r e s e a r c hc o n 锄t sa n dm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2n q e c tp r o 位e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯1 l 2 ．1M i I l es u m 瑚a r i s a 缸o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l 2 ．2W o r k i l l gf a c es i t u 撕o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3R o c l 【h 璐tm e c h n 缸mo f 出印咝h ∞ms 翰m 虹s t l l I 咖n 曩n 曩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5 一 ．●- 3 ．1T h ec h a r a c t e r i s t i co f s 仃S s 豳油u t i o n 抽d e 印r o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2T e c t o n i cs t r e s s 锄dr o a d w a ys t a b 丑时⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．3N u m e r i c a ls 曲u l a t i o no f r o a d w a ys t a b 丑i 哆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4T h em e c h a n i s mo f r o c kb u r s t ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．5T h ec h a 讲e rs u b t o t a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 n 陀v e 血沁n 钯c M o g y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．。．．．．．．．。．．．．。．．．．2 8 M e c h 锄i s mo f t o pc a V 访gc o a lm 证i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 4 ．2E x p e r 疏e n t a ls t u d yo nt h ea b u t l l l e n tp r e s s l l r 己⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 4 ．3C o m m e nr e l i e V i n gm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4M e c h 锄i s mo f d e f e c t sp r e V e n t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．5T h ec h 印t e rs u b t o t a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5P r o j e c tp r j I c t 壹∞s 。．。．．．。．。。．．。。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．⋯．．。．．。．．．．．．．．．．．。。．．。．。．4 7 5 ．1A n a l y s i so f r o c kb u r s t 证n u e n c ef a c t o r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2P r e v e n t i o nc o u n t e 衄e a S l l r e sa n dp r o j e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．3T h ec h a p t e rs u b t o t a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6c o 耻h s 沁璐a 埘p r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．钞 6 ．1 】Ⅵa i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 山峦型直墨3 1 歪匾土堂垃论文 C 衄l 如盎 6 ．2C r e 细ep o i I l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．3R e s e a r c hp r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 0 R e 庇r e 眦e ‰．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．。．．。．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．。．．．．．．．．。．．．．．．．．6 1 A c h 删e d g m e 址s 。．⋯．⋯．．⋯⋯．。。⋯．⋯．。．。．．．。．⋯。．。．⋯⋯．．⋯．⋯。．．⋯．⋯⋯．．。．．．．．．．．6 6 M 血s 伽y 扯M e 伽呛m s 山I r i n gn 曩m n g 如rm 嬲衙．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 7 山峦型技太堂殛土堂位论文一一蕴论 1 绪论 1 ．1 课题的背景及意义 我国是以煤炭为主要能源的国家，长期以来，煤炭在我国的能源生产与消费结构中 占7 0 ％以上。随着煤炭工业现代化进程的加快，开采速度的提高，煤矿开采深度不断增 加，开采条件也越来越复杂，冲击地压问题日趋严重，己成为煤矿开采中最为严重的灾 害之一。 冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式”z 】，可描述为在高应力集中和高能量积 聚区域进行矿山采掘活动，诱发高强度的煤 岩 体变形能瞬时释放，在相应采动空间 引起强烈巷道围岩震动和挤出，常伴随着巨大响声、煤体震动和冲击波的动力现象。冲 击地压往往造成煤岩体震动和破坏、巷道严重变形、采掘空间支架与机电设备的损坏， 并造成井下人员伤亡；还可能引起煤尘爆炸、火灾以及水灾等其他次生矿井灾害，严重 时甚至引起地表的坍塌下沉、地面震感强烈、建筑物破坏等现象。由于冲击地压产生类 型多样、条件复杂、破坏性大，已成为制约煤矿高产高效开采的一大亟待解决的难题。 开采实践证明，开采深度越大，冲击地压发生次数越多，冲击灾害越严重【3 1 。根据 统计资料，国外主要产煤国家从2 0 世纪8 0 年代开始先后进入深部开采，9 0 年代中期， 德国平均采深达到9 0 0 m ，英国平均采深为7 0 0 m ，波兰平均采深为6 0 0 m 。在开采的矿 井中，德国1 ／2 的煤层有冲击倾向，波兰6 7 个矿井有3 6 个有冲击危险，可以预见，随 着采深增加，这些国家的冲击危险将会更加严重。在1 9 8 0 年，我国煤矿平均开采深度仅 为2 8 0 m ，冲击地压矿井数量仅为3 0 多个；但近年来随着开采深度不断增加，越来越多 的矿井发生了冲击地压灾害。2 0 0 4 年，我国大中型煤矿平均开采深度为4 5 6 m ，按采深 增大速度1 0 ～2 0 ／a 计算，2 0 1 3 年平均采深将达到7 0 0 m 。目前，新汶孙村矿下一开采煤 层深度达到1 5 0 0 m ，而徐州张小楼矿采深也已达1 3 6 5 m 。由于采深的不断加大，中国现 已成为世界上除德国、波兰以外煤矿冲击地压危害最严重的国家之一。随着开采强度和 采深的增加，我国冲击地压矿井数量不断增加，冲击地压矿井分布范围也日趋扩大，而 且冲击地压矿井的冲击次数和强度在不断增加，灾害日趋严重。仅2 0 0 1 年至2 0 1 2 年底， 在大同、抚顺、北京、华亭、阜新、山东等矿区因冲击地压而导致的重大伤亡事故就多 达1 0 余起，死伤人数达数百人。 在煤矿井田内的向背斜轴部、断层带附近、煤层走向或倾斜方向变化处，特别是向 1 山盔型拉太兰砬堂位论文 绪论 斜轴升起、煤层扭转及局部异常 如底板凸起、顶板下陷、煤层变薄和变厚、煤层倾角 突然变化等 处往往残存有较大的构造应力，是冲击地压发生的密集区阳】。而褶皱是岩 层在水平应力挤压下形成的，大部分在沉积岩中形成。一般情况下，对于巷道及回采工 作面来说，在褶皱的各个部位，出现的危险性是不一样的，如图1 ．1 所示，I 区为褶曲向 斜，这部分垂直应力为压力，水平应力为拉力，最容易出现冒顶和冲击地压；Ⅱ区为褶 曲翼部，这部分的应力，垂直和水平均为压力，最容易出现冲击地压；Ⅲ区褶皱背斜， 其应力状态为垂直压力，水平压力，这部分也是最大矿山压力区域。因此，当工作面接 近褶曲附近时，冲击地压危险程度加大[ ，～s 】。 图1 ．1 褶曲部分的受力状态 F 远．1 ．1S 仃e S ss t a t e 证f o l d s 通过对褶曲区现场大量的冲击地压实例的分析和研究，褶曲区冲击破坏的一般特征 为【9 】 1 冲击地压具有明显的分区性。在褶曲的不同部位，冲击地压发生的次数不同。 在向斜轴部附近，冲击地压发生频繁，而在背斜附近发生次数很少。如抚顺老虎台矿位 于向斜轴部的8 0 0 1 工作面顺槽，在准备与回采期间发生了2 8 次1 级以上冲击地压；位 于向斜轴附近的中央主副巷，l 级以上冲击地压发生了3 8 次，是矿井冲击地压发生的主 要地段。甘肃华亭县砚北煤矿临近向斜轴部附近的2 5 0 2 0 5 工作面在开采过程中，回采巷 道累计发生了3 0 次冲击地压 1 次放炮诱发 ，占该面全部发生次数的4 8 ．3 ％。 ， 山峦型拉太堂亟堂位论文 一嚣监 2 冲击破坏巷道具有明显的方向性。当巷道方向与最大水平应力垂直布置时，冲 击地压发生次数频繁，而巷道方向与最大水平应力平行布置时，冲击次数很少。根据对 砚石台煤矿6 撑煤层截止到1 9 9 5 年所发生的1 1 2 次冲击地压统计分析表明采掘方向与 构造主应力近似垂直时发生冲击地压共8 2 次，占总次数的9 0 ．1 1 ％；而与构造主应力顺 向时，发生9 次，仅占总次数的9 ．8 9 ％。 3 冲击地压具有易发性，褶曲构造区实体煤巷道、首采面就可能发生冲击，而一 般区域实体煤巷道、首采面很少发生冲击破坏现象。如甘肃华亭煤矿2 5 0 1 0 1 上工作面、 砚北煤矿2 5 0 2 0 5 上工作面均是采区首采面，开采过程中冲击地压频繁发生华亭煤矿 2 5 0 1 0 2 上工作面回风顺槽在实体煤掘进过程中总共发生7 次冲击地压显现。 4 在巷道破坏形式上，冲击发生时伴有强烈声响，同时伴随底板强烈突出，巷道 严重变形，有时两帮呈现整体外移，巷道断面明显收缩。 厚煤层储量丰富，约占我国煤炭探明储量的4 4 ％，每年地下开采的厚煤层产量约占 全国煤炭产量的4 0 ％一5 0 ％。近年来，随着煤矿开采深度的不断加大，冲击地压以及其诱 发的顶板、瓦斯、煤尘事故在深部厚煤层开采过程中发生的次数显著增加，如何在具有 冲击危险倾向的厚煤层开采过程中进行冲击地压的综合防治，减小冲击地压灾害事故的 发生，是深部厚煤层安全、高效开采必须解决的重要问题。厚煤层冲击性危害大【m 1 2 】， 主要表现为 1 范围广。深部厚煤层巷道在布置时底板为厚底煤或顶板为厚项煤，强度较岩层 低，自身破坏塑性区大，在冲击力源影响下，破坏失稳范围进一步扩大，冲击范围更广。 2 显现明显。厚煤层巷道围岩强度比一般煤层围岩强度低，在深部高垂直应力和 构造应力作用下巷道围岩破坏更严重。 3 灾害性大。厚煤层冲击地压发生后，常常有大量煤块甚至上百方米的煤体突然 破碎并从煤壁抛出，将巷道堵塞，甚至完全充实巷道空间，支架被严重破坏，对地表及 地表建筑物造成损坏，造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。 本论文通过理论分析、数值模拟、现场实测等方法和手段，建立了构造区厚煤层巷 道冲击地压力学结构模型，得出了深部构造区厚煤层冲击地压发生的机理；分析了放顶 煤开采支承压力的分布规律，解释了放顶煤开采可以有效控制冲击地压，降低冲击危险 性；根据缺陷卸压的原理，采用开掘大空间卸压巷和卸压槽的方式，人为制造大缺陷结 构，有效改善围岩应力分布状态，降低和定向转移煤体的应力集中现象，实现吸收和缓 慢有序释放冲击能量，避免冲击地压灾害的目的，并在开滦集团赵各庄煤矿的3 1 3 7 东工 1 山峦型芷太坐砸堂位论文 绪论 作面进行了工程实践，为解决深部构造区厚煤层工作面巷道冲击地压的有效防治和安全 高产高效开采提供了新的可行性方案。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 冲击地压机理研究现状 冲击地压发生机理是预测和防治冲击地压灾害的主要理论基础，是对煤 岩 体变 形破坏的力学过程及其内在规律的研究。回顾总结近百年的研究历史，各国科研学者在 实验室研究和现场调研的基础上，从不同角度出发，形成了多种冲击地压机理的理论或 学说。 1 强度理论 强度理论【”】认为，煤岩体破坏的原因和规律，实际上是强度问题，即煤岩体所受的 应力集中载荷达到或超过其强度极限，必然发生破坏。近代强度理论着眼于“矿体一围岩” 系统复杂受力状态的极限平衡条件，布霍依诺【B m u n e r 】提出煤岩体的夹持理论【。】，该理 论认为较坚硬的顶底板将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤岩体系统的卸载变形。 夹持特性决定“煤体一围岩“ 系统的力学特性，若“煤体一围岩”系统在交界处达到极限 平衡；一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小，则发生冲击地压。 强度理论简单、直观和便于应用，解释了冲击地压的一些现象，但对冲击地压动力 学特征的描述不够，而且不能反应其时间的相关性。在采场周围煤岩体经常出现局部应 力超过其强度极限的情况，只有少数情况发生突然破坏形成冲击地压，多数煤岩体发生 渐进式破坏而没有都发生冲击地压，由此说明强度理论提出的判据并不充分。 2 刚度理论 库克[ C o o k 】等人根据刚性压力试验机理论提出了刚度理论f s 。s 】若试件刚度大于试 验机加载刚度时，破坏是不稳定的，煤岩体就会呈现突然的脆性破坏。7 0 年代，布兰科 [ B l a c k ] 认为矿山结构的刚度大于矿山负荷系统的刚度是产生冲击地压的必要条件，并将 刚度理论用来分析美国爱达荷加利纳矿区的冲击问题。国内学者用刚度理论解释“煤柱一 围岩”系统的冲击地压问题，认为煤柱屈服后的刚度大于顶底板岩体的刚度时，煤柱发 生冲击地压；否则，煤柱和项底板系统处于稳定状态。 刚度理论用于判断煤柱稳定性具有简单、直观的特点，但是没有考虑到煤体本身在 “煤柱一围岩”系统中可以储存和释放能量。此外如何划分矿山负荷系统、如何确定矿山 结构的刚度是否达到峰值强度后的刚度是一难题。 4 山峦丑拉太堂砸士堂位论空 绪i 金 3 能量理论 能量理论是从能量转化方面解释冲击地压机理的。当矿体围岩系统在其力学平 衡状态被打破时所释放的能量大于所消耗的能量，就会发生冲击地压【- ， 1 9 】。能量理论把 煤岩体看成纯弹性，不符合冲击地压使煤岩体破坏的事实，并且该理论没有指出“矿体 一围岩“ 系统平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩释放能量的条件，缺乏必要的 判据和条件。 4 冲击倾向性理论 冲击倾向性理论【z o 一2 ，】是指煤岩体发生冲击地压，产生冲击破坏的固有能力或属性。 冲击倾向性是煤岩体发生冲击地压的必要条件。我国学者【2 2 捌】在冲击倾向理论做了大量 的理论研究和实践工作，提出用煤样的动态破坏时间 历 、冲击能量指数 毖 及弹性 能指数 厩力三项指标综合判别煤的冲击倾向性的实验方法，并制定了两个冲击倾向 性指标弹性能指数刀街和冲击能指数膨。当这两个指标大于某个值时，就会发生冲击 地压。煤炭部门至今还在沿用这一指标，并制定了相关标准。 显然，用一组具体的冲击倾向理论指标评价煤岩体的冲击危险具有较高的实际意义， 并己得到了广泛的应用。然而，冲击地压的发生与采掘和地质环境有关，而且实际的煤 岩物理力学性质随地质开采条件不同而有很大的差异，实验室测定的结果不能完全代表 特定环境下的煤岩性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。 5 三准则理论 通过对强度理论、能量理论和冲击倾向性理论分析研究冲击地压的基础上，我国学 者李玉生【2 5 】等结合三种理论提出了“三准则”冲击地压机理。该理论认为强度准则是 煤岩体的破坏准则，是冲击地压发生的必要条件；能量准则和冲击倾向性准则是煤岩体 突然破坏的准则，是冲击地压发生的充分条件；只有三个准则同时得到满足时，才是判 定冲击地压发生的充要条件。但是三准则理论涉及较多的参数且大多无法确定，实际应 用难度很大。 6 变形失稳理论 章梦涛教授【2 6 】认为冲击地压是煤岩体的一种材料失稳破坏现象，煤岩体受采掘动压 的影响而在采场周围形成了应力集中，导致煤岩体软化，当其处于不稳定状态并受到在 外界采掘活动扰动时，将会发生冲击地压，但没有对冲击地压发生的条件进行具体分析。 7 扩容理论 潘立友教授提出了冲击地压的扩容突变理论，将冲击地压的孕育过程分为三个阶段 气 山盔型技太堂蘧土堂位j 金玄 绪论 弹性变形阶段、非线性变形阶段、扩容突变阶段，建立了冲击地压的扩容模型，通过力 学分析给出了煤岩体扩容破裂机制、力学解答及力学描述方法，当应力。大于临界应力 o 。 后，体积膨胀急速增长，声发射次数、能量出现突变，稳定扩容突变是前兆信息 异常阶段，非稳定扩容说明冲击地压的发生【2 7 】。 8 三因素理论 齐庆新研究员【2 8 】等在研究冲击地压发生与煤岩体摩擦滑动破坏的关系时，认为冲击 地压发生的过程是煤 岩 层受力过程中的瞬时粘滑过程，是煤岩层满足剪切强度准则 的突然滑动并在滑动过程中伴有变形能释放的动力过程，并提出了三因素理论内在因 素 煤岩体的冲击倾向性 、力源因素 采动应力集中 和结构因素 软弱结构面或易于 引起突变滑动的层面 ，此三因素是诱发冲击地压的主导因素。 9 其它理论 谢和平院士将分形几何【z ，】引入冲击地压研究，从现象层面定性描述冲击地压与微震 事件的空间分布关系冲击地压发生前，微震事件的集聚程度明显增加，分形维数减小。 但在定量描述冲击地压发生机理和破坏过程方面仍需大量研究工作；谭云亮教授将非线 性分形【3 0 】理论引入冲击地压的研究，对冲击地压理论研究提供了又一条可能的新路线。 林天键教授将突变理论引入到了岩石力学的研究中，潘岳[ 3 1 】教授、费鸿禄【3 2 】教授、 潘一山【3 3 】教授等通过建立岩体结构失稳突变模型、煤岩突变模型，对围岩压力、刚度和 损伤扩展耗能进行了分析，定性地解释冲击地压的发生机理。近年来，现代数学中的分 叉理论和混沌动力学理论被引进到冲击地压的研究，成为预测预报冲击地压的一个新途 径。 窦林名、何学秋教授提出煤岩体冲击破坏的弹塑脆性突变模型【3 4 1 ，可以反映出煤岩 体在应力作用下的脆性破坏特征，也可以反映煤岩体在动载作用下冲击破坏的脆性冲击 和延时冲击现象，解释了煤岩体冲击破坏的声发射和电磁辐射现象及其耦合规律，提出 了煤岩冲击破坏的危险性评价方法和冲击地压预测预报的电磁辐射监测技术。 潘俊峰、宁宇等人提出冲击地压启动理论[ 3 5 】，认为冲击地压发生经理3 个阶段，依 次为冲击启动阶段、冲击能量传递阶段和冲击地压显现阶段，将冲击地压重新分为集中 静载荷型和集中动载荷型，并建立了2 种类型的工程结构模型，将冲击地压的时间序列 和空间序列对应起来，为冲击地压监测和防治提供了指导。 山东型拉太茔顼土堂垃j金文．线论 1 ．2 ．2 构造区厚煤层冲击地压机理研究现状 构造地质学中认为，褶曲构造是压性构造形迹，是地壳中水平或近水平的构造动力 在地块中形成挤压作用的产物【3 6 】。因此，在褶f H j 构造附近存在着的构造应力场以水平应 力为最大主应力。构造应力对矿井开采和对冲击地压等矿井灾害的影响，长期以来在煤 炭行业一直未能得到深入研究。煤矿地层中的构造应力分布比金属矿更为复杂，变化也 更大。随着煤矿开采深度的加大，构造应力对煤炭开采等的影响也会更加明显。 梁政国、齐庆新、孙步洲【3 ，】通过地表岩层移动观测、巷道变形调查、区域构造形迹 及近代地震调查等资料分析，研究了构造应力对冲击地压灾害的影响，探明了构造应力 是陶庄煤矿冲击地压的主要力源。 谭云亮【3 8 】通过分析构造应力场的分布特点及与冲击地压的关系，在门头沟井田次级 构造的向斜或盆地，构造应力集中，积蓄了大量弹性能，在采掘活动应力扰动影响下极 易引发冲击地压，而且沿轴部及两翼对称分布。 王存文、姜福兴、刘金海【3 ，】结合矿山压力理论、数值模拟和典型案例从构造形成机 制的角度来分析构造区的应力环境，认为构造区发生冲击地压的机理是构造应力与采动 应力的叠加，并具体分析了不同形式构造对冲击地压的控制机理，指出向斜轴部，背斜 轴部、翼部是冲击地压的易发区。 贺虎、窦林名、巩思园【4 0 】等利用微震监测系统，研究了华亭煤矿褶皱区域工作面的 矿震时空演化规律，在向斜轴部矿震强烈、周期短、频次高，频谱呈高频多峰分布，冲 击危险高于其他位置，并从弹塑性模型和断裂力学的角度分析了向斜轴区域强矿震的发 生机理，说明巷道开挖引起围压降低，裂纹更容易扩展，导致巷道突然失稳，释放积聚 的大量弹性能。 潘一山【4 - 】等通过统计分析抚顺老虎台矿从1 9 9 3 年至2 0 0 2 年间发生的冲击地压情 况，发现在构造带区域内冲击地压占主要部分。老虎台井田内分布有1 4 条大断层及周围 形成的向 背 斜构造和次一级的断裂构造，因构造应力的大小、作用方向及边界条件 的改变，形成了不同的结构面组合；在向斜构造控制下，结构面组合的力学性质发生变 化，张性结构面转化为张扭性结构面，压性结构面转化为压扭结构面，压扭性结构面继 续压紧，规模变大，形成应力集中，是引发冲击地压的主要原因。 高森克【4 2 】等对老虎台矿特厚煤层冲击地压成因也进行了理论分析，同样认为地质构 造因素是该矿发生冲击地压的重要因素。一方面，在向斜形成过程中，轴部积聚了大量 的变形能，形成复杂的应力分布；另一方面，在其周围还分布着大量的次一级断层及