底煤厚度对巷道底板冲击启动的影响规律研究.pdf

 分类号分类号 学校代码学校代码 U D C 密密 级级 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 底煤厚度对巷道底煤厚度对巷道 底板冲击启动的影响规律研究底板冲击启动的影响规律研究 作者姓名 张晨阳 学科专业 采矿工程 导师姓名 毛德兵 潘俊锋 研究员 完成时间 二○一八年五月十五日 万方数据 分类号分类号 学校代码学校代码 U D C 密密 级级 China Coal Research Institute A dissertation for masters degree Research of the Influence Laws of Bottom Coal Thickness On Roadway Floor Burst Start-up Author’s Name Chenyang Zhang Speciality Mining Engineering Supervisor Prof. Debing Mao Prof. Junfeng Pan Finished time May 5th, 2018 万方数据 书脊 2 2 0 0 1 1 8 8 底煤底煤 厚度厚度 对巷对巷 道底道底 板冲板冲 击启击启 动的动的 影响影响 规律规律 研究研究 采采 矿矿 系系 张张 晨晨 阳阳 煤煤 炭炭 科科 学学 研研 究究 总总 院院 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文 底煤厚度对巷道底板冲击启动的影 响规律研究 ， 是本人在导师指导下， 在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 底煤厚度对巷道底板冲击启动的影响规律研究系本人在煤炭科学研究 总院攻读学位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科 学研究总院所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了 解煤炭科学研究总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文 加入中国优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库 。本 人授权煤炭科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可 以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√“; 保密□,在 年解密后适用本授权书 不保密□ 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 摘 要 I 摘摘 要要 近年来，巷道底板冲击地压灾害频繁发生，严重制约深部矿井安全高效开 采。现场统计资料表明，煤矿由于地质及采掘技术条件等限制因素会留有厚度 不等的底煤，是影响底板冲击启动的重要因素。论文综合采用真三轴试验、数 值模拟、理论分析、现场实测相结合的手段，研究底煤厚度对掘进巷道底板冲 击力源分布、应力传递、启动过程等的影响机制。得到如下主要成果 （1） 来自底板煤岩层的组合煤岩体真三轴试验表明 岩样是主要弹性能贮 存体，而煤样是主要动力释放显现体。煤样较薄（煤样与岩样比例为 12）或 者偏厚（比例为 21）时，均会极大程度地增强组合煤岩体动力破坏可能性。 当煤厚比例为 0.33、0.67 时，组合体试样动态破坏时间较低、冲击能量指数较 高，试样整体冲击倾向性较高。 （2） 留底煤巷道掘进数值模拟分析表明 底板横向应力场集中程度相对轴 向、垂向应力场更为显著，其应力集中系数约是后两者的 1.4 倍左右，底板横 向应力场是煤岩冲击破坏的主导力源因素。 （3） 底板煤岩层叠体梁挠曲破坏力学模型分析认为 随着底煤厚度的增加， 底煤积聚弹性能逐渐增加， 增加梯度与底煤厚度 4 次方的倒数具有负相关关系。 （4）巷道掘进时，底板岩层是主要的冲击动力能贮存体，而底煤是主要的 动力释放显现体。底煤厚度变化会影响底板潜在冲击启动区、潜在冲击能量传 递区、潜在冲击地压显现区的范围、能量贮存程度、能量传递能力以及这三者 之间的空间依存位置， 进而影响底板冲击的概率和范围。 随着底煤厚度的增加， 底板冲击启动的趋势性逐渐增强，当底煤厚度增加到 2m 时，其对底板冲击启 动的影响梯度趋于零值。 （5）冲击地压煤层在掘进巷道时应避免留设底煤，必须留底煤时，底煤厚 度不应超过 2m。留底煤底板卸压时，应针对底板岩层采取解危措施，阻断应力传 递路径，弱化底板冲击启动趋势。论文研究结论在现场进行了应用分析，底板解 危效果良好。 关键词关键词冲击地压；底煤厚度；影响规律；底板冲击；底板卸压 万方数据 ABSTRACT I ABABSTRACTSTRACT In recent yasrs, the roadway floor burst disasters occur frequently, which seriously restricts the safe and efficiency of deep mines. The on-site statistical data shows that coal mines, depending on factors such as geology and mining technical conditions, will leave bottom coal with different thicknesses, which is an important factor affecting floor burst start-up. The paper comprehensively uses the true triaxial test, numerical simulation, theoretical analysis, field measurement to study the influence mechanism of bottom coal thickness on the impact force distribution, stress transmission and start-up process in the process of roadway excavation, the following main achievements are obtained 1 The true triaxial test of the coal-rock combination specimen from roadway floor shows that, rock sample is the main elastic energy storage, while coal sample is the main power release indicator. when the coal sample is thin the ratio of coal sample to rock sample is 12 or thick the ratio is 0.7, the possibility of dynamic damage of the combined coal-rock combination is greatly enhanced.When the ratio of coal thickness is 0.33 and 0.67, the dynamic failure time is smaller and the impact energy index is higher, the burst liability of overall combination specimen is relatively higher. 2 The numerical simulation analysis of floor with bottom coal in process of excavation shows that the concentration of the lateral stress field of the floor is more concentrated than that of the axial and vertical stress fields, and the stress concentration factor is about 1.4 times that of the latter two. Floor lateral stress field is the dominant source factor of floor burst. 3 The flexural failure mechanics model of the floor coal-rock laminated beam shows that with the increase of the bottomcoal thickness, the elastic energy of the bottom coal gradually increases, and the gradient has a negative correlation with the fourth power reciprocal of the bottom coal thickness. 4 When the roadway is excavated, the floor rock is the main impact energy storage, while the bottom coal is the main power release. The bottom coal thickness affects the tendency of floor burst start-up by changing the area size of the potential burst start-up zone, potential burst energy transfer zone, potential burst pressur behavior zone, the energy storage degree, and the energy transmission capacity, and 万方数据 ABSTRACT II the spatial dependent position among the three. With the increase of the bottom coal thickness, the tendency of floor burst start-up is gradually strengthened; when the thickness of the bottom coal reaches to 2m, the influence gradient of bottom coal tende to zero. 5 The bottom coal should be avoided in the process of roadway excavation in burst coal seam. When bottom coal must be left, the bottom coal thickness should not exceed 2m. When leaving floor with bottom coal to relieve pressure, it is necessary to take relieving measures for floor rock strata, to block the stress transmission path, to weaken the tend of floor brust start-up. The papar conclusions were applied in the field and the floor has a good anti-danger effect. Key words burst; bottom coal thickness; influence laws; floor burst; floor pressure relief 万方数据 目 录 I 目目 录录 第 1 章 绪论 ............................................................................................. 1 1.1 研究意义 ........................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................... 3 1.2.1 冲击地压机理研究现状 .............................................................................................. 3 1.2.2 底板冲击机理研究现状 .............................................................................................. 7 1.2.3 底板力学模型研究现状 .............................................................................................. 8 1.2.4 煤岩组合破坏研究现状 ............................................................................................ 11 1.2.5 复合煤岩加卸载破坏试验研究现状 ........................................................................ 12 1.3 问题提出 ......................................................................................................... 15 1.4 研究内容 ......................................................................................................... 15 1.5 研究方法和技术路线 ..................................................................................... 16 第 2 章 底板煤岩复合结构动力破坏特性试验分析 .......................... 18 2.1 试验准备 ......................................................................................................... 18 2.1.1 试验目的.................................................................................................................... 18 2.1.2 试验内容.................................................................................................................... 18 2.1.3 试验方案.................................................................................................................... 19 2.2 试验过程 ......................................................................................................... 21 2.2.1 试样制备.................................................................................................................... 21 2.2.2 试验系统.................................................................................................................... 24 2.3 试验结果分析 ................................................................................................. 28 2.3.1 破坏特征分析 ............................................................................................................ 28 2.3.2 强度特征分析 ............................................................................................................ 35 2.3.3 变形特征分析 ............................................................................................................ 37 2.3.4 声发射参数特征分析 ................................................................................................ 41 2.4 本章小结 ......................................................................................................... 47 第 3 章 底煤厚度对底板冲击影响的数值分析 .................................. 48 3.1 数值模拟分析 ................................................................................................. 48 3.1.1 数值模型.................................................................................................................... 48 万方数据 目 录 II 3.1.2 模拟方案.................................................................................................................... 49 3.2 模拟结果分析 ................................................................................................. 50 3.2.1 底煤厚度对底板煤岩应力演化影响 ........................................................................ 50 3.2.3 底煤厚度对底板煤岩塑性区分布影响 .................................................................... 59 3.2.4 底煤厚度对底板煤岩弹性能分布影响 .................................................................... 61 3.3 本章小结 ......................................................................................................... 62 第 4 章 底板煤岩层叠体梁挠曲破坏模型分析 .................................. 64 4.1 底板煤岩应力环境分析 ................................................................................. 64 4.2 底板煤岩挠曲破坏模型分析 ......................................................................... 65 4.3 底煤厚度对底板冲击启动影响分析 ............................................................. 68 4.4 本章小结 ......................................................................................................... 70 第 5 章 巷道留底煤底板防冲控制的应用研究 .................................. 71 5.1 矿井概况 ......................................................................................................... 71 5.2 冲击地压灾害 ................................................................................................. 72 5.3 基于底煤厚度影响的防冲试验研究 ............................................................. 75 5.4 本章小结 ......................................................................................................... 78 第 6 章 主要结论与展望 ........................................................................ 80 6.1 主要结论 ......................................................................................................... 80 6.2 研究展望 ......................................................................................................... 81 参考文献 ................................................................................................... 82 致致 谢谢 ....................................................................................................... 87 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 .............................. 88 万方数据 第 1 章 绪 论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究意义 冲击地压是一种特殊的矿压显现现象。冲击地压发生时，局部煤岩体瞬间 失稳，造成人员伤亡、设备受损、巷道破坏等事故，严重时还会引发煤与瓦斯 突出、瓦斯或煤尘爆炸、煤层自燃、冒顶等一系列次生灾害，对煤矿的安全高 效开采构成严重威胁[1]。 冲击地压事故最早在 1738 年报道于英国的南史塔福煤田， 之后世界其他主 要采煤国如前苏联、德国、法国、美国、波兰、加拿大、南非、印度、保加利 亚、 捷克、 匈牙利等国都有冲击地压事故的记录。 国内冲击地压事故最早在 1933 年报道于原抚顺矿务局胜利煤矿，当时造成 80 余人死亡，距今已有 85 年的历 史。随后，全国各地如鹤岗、辽源、新汶、兖州、义马、枣庄、新疆都报道过 冲击地压事故。 我国冲击地压矿井在建国初期只有10个左右， 改革开放初期达到30余个， 至 2015 年我国共有冲击地压矿井 177 个， 分布于全国 20 多个省 （市、 自治区） ， 遍布全国各大矿区。据不完全统计，就 20002012 年期间，全国煤矿共发生冲 击地压事故 304 起，伤亡人数达到 509 人，造成了巨大的经济损失，为社会稳 定发展带来严重的不良影响[3]。 冲击地压发生的频率、强度与冲击地压矿井开采深度具有显著的正相关关 系。 据不完全统计， 我国目前煤炭资源埋深超过 1000m 的储量达到 2.5 万亿吨， 约占总储量的 50。我国煤矿大多建于上世纪建国初期，其中绝大部分矿井已 进入深部开采高峰期。随着我国现代化矿井大功率、长运距、高可靠性综采与 综放设备的应用，煤矿开采强度也在不断加大。这些因素都进一步增强了冲击 地压发生的可能性，是影响煤矿安全、高效、稳定开采的不利因素，是影响煤 炭资源可持续发展的首要问题[3]。 目前有关冲击地压机理探讨、评价方法、监测手段、预警体系、防治措施 等经过学者的多年研究已取得丰硕的成果，为保障冲击地压矿井安全生产提供 了重要的支撑作用。然而冲击地压发生机理复杂，影响因素众多，显现形式不 一，仍需要进一步研究并完善冲击地压机理与成套技术体系。 可以认为， 冲击地压的监测与防治将会是 21 世纪矿山开采和岩石力学领域 亟待解决的重要问题之一。 万方数据 第 1 章 绪 论 2 国内很多矿井在巷道掘进期间发生过底板冲击地压事故。现场资料统计结 果表明，大部分表现为底板冲击的矿井一般煤层较厚，采煤方法通常采用分层 综采或者放顶煤开采，掘进巷道会留有厚度不等的底煤。根据冲击地压启动理 论[5]，冲击启动区域为对底板冲击显现起主导作用的煤岩破裂区域，其对应冲 击启动阶段。底煤性质与底板岩层性质相差较大，底煤硬度较小，强度较低， 巷道留设底煤可作为冲击能量的积聚和释放区域从而对底板冲击启动造成最直 接显著的影响。 底煤对底板冲击启动的影响因素复杂多样，包括底煤厚度、底煤强度等力 学参数、底煤留存区域、底煤与底板构成的煤岩系统等。底煤厚度作为底煤最 直接可测属性之一，对底煤作用机制存在不可忽视的影响。底煤厚度直接影响 巷道底板煤岩结构比例， 进而影响到底板冲击模型构建以及冲击启动形成过程， 最终影响底板冲击的力源及灾害体。冲击危险性评价的综合指数法[4]中也单独 列出了巷道留底煤的影响指数， 但是与冲击地压矿井的现场防治需求难以匹配。 另外， 煤矿安全规程第二百三十一条规定开拓巷道不得布置在严重冲击地 压煤层中，永久硐室不得布置在冲击地压煤层中。煤层巷道与硐室布置不应留 底煤，如果留有底煤必须采取底板预卸压措施。但是当底板岩层中含有蒙脱石 等粘土矿物时 （如灵北煤矿底板为铝土泥岩） ， 其极易遇水膨胀。 在这种情况下， 煤矿现场不得不留底煤，于是相应出现了底煤留设厚度选择的问题。 目前， 我国厚煤层储量丰富， 目前已探明的煤炭地质储量约 10000 多亿吨， 厚煤层储量占 45左右， 同时厚煤层储量约占全国煤炭总产量的 4050[6]。 我 国主要冲击地压矿井中发生冲击的厚煤层 83以上为厚及特厚煤层。厚及特厚 煤层实现高产高效开采的方法主要有三种，分别是分层综采、大采高综采、综 放开采。由于开采技术条件限制，无论采取何种方法，在采掘巷道中都不可避 免地会面临留设底煤厚度选择的问题。 基于上述认识，论文以冲击地压启动理论为认知基础，以掘进巷道顶板、 煤体、底板岩层组成的力学平衡系统为研究对象，探讨底煤厚度对巷道底板冲 击启动的作用机制，揭示不同比例煤岩复合结构体介质动力特征，建立底板煤 岩层叠体梁挠曲破坏力学模型，以期为底板冲击地压矿井底煤留设厚度选取及 底板卸压解危措施制定提供理论依据。 论文研究过程受国家重点研发计划课题“深部矿井冲击地压动静载分源防 控技术与装备” （2017YFC0804204）支持。 万方数据 第 1 章 绪 论 3 1.2 国内外研究现状 鉴于论文研究对象是煤层巷道顶板、煤体、底板组成的力学平衡系统，研 究焦点是底煤厚度作用机制。论文研究现状主要分为五个部分冲击地压机理 研究现状、底板冲击机理研究现状、底板力学模型研究现状、煤岩组合破坏研 究现状、复合煤岩加卸载破坏试验研究现状。 1.2.1 冲击地压机理研究现状 （1）强度理论 强度理论于20世纪50年代由布霍伊诺等人提出[8]。 早期的强度理论认为， 冲击地压是由于煤岩体局部应力超过强度而引起的，其主要关注点在于煤岩体 力学平衡状态遭到破坏。近代强度理论以煤岩系统整体为研究对象，考虑煤岩 系统整体的极限平衡， 认为煤岩系统的整体极限承载能力是其失稳破坏临界值。 强度理论于 20 世纪 70 年代得到进一步发展。后期李玉生[9]等将此理论做了进 一步的完善。 强度理论计算公式可表达如下 1.1 式中，分别表示为自重应力、构造应力、采动附加应力、 瓦斯和水以及温度等引起的应力、以及其他应力； 煤岩体极限应力； 各应力耦合作用于煤岩体上的应力。 （2）刚度理论 刚度理论由Cook和Hodgeim在上世纪60年代受岩石力学刚性试验机试验 现象启发而提出[10]。刚度理论认为煤岩系统整体刚度大于支架围岩系统整体刚 度是冲击地压发生的基础性条件。 随后， Blake （布莱克） 对此理论进一步完善。 Petukhov（佩图霍夫）将刚度条件引入到其提出的冲击地压机理模型中，并将 井下煤岩或岩体结构刚度进一步确定为达到强度峰值后其应力-应变曲线下降 阶段的刚度[13]。 刚度理论公式可表达如下 （1.2） 式中，、分别表示煤岩体受力屈服后的刚度、 顶底板和支架的刚度。 然而李玉生提出刚度准则并不是构成冲击地压的必要条件，它只是能量准 1234 * ,,,,,, 1 i f     1234 ,,,,,, i     *  f RC KK＞ R K C K 万方数据 第 1 章 绪 论 4 则的一个特例，其包含在能量理论中。 （3）能量理论 能量是物质运动变换或维持形式转换的度量。能量的思想由公元前 4 世界 萌芽，直到 19 世界中叶被物理学界所阐明。此后，能量守恒定律即热力学第一 定律被提出并验证，并各行各业认可并应用。 鉴于此， 学者们试图从能量守恒、 转化、 释放的角度来解释冲击地压现象。 能量理论在 50 年代末由前苏联学者 C.T.阿维尔申及 60 年代由 Cook 等人在总 结南非 15 年来冲击地压防治情况后总结提出[15]。该理论认为，当煤岩系统力 学平衡状态遭到破坏时所释放的能量大于其所消耗的能量便会发生冲击地压。 此后，佩图霍夫、雅克比、布霍依诺对这一理论做了进一步完善[14]。 能量理论公式可表达如下 （1.3） 式中，、围岩、煤体系统所贮存能量的释放速率； 、 围岩、煤体系统所贮存的能量释放速率的有效系数； 克服围岩边界阻力和围岩变形破坏时吸收能量的速率。 从形式上看，式（1.3）考虑了冲击地压发生的时间效应以及煤体、岩体能 量释放的不均匀性，但是该式没有考虑外界动载荷的可能参与，也没有考虑围 岩的结构因素。 白国良[19]提出式（1.3）并非冲击地压发生的充分条件，因为围岩保持相对 稳定还取决于围岩暴露面的形状和面积、岩体强度等因素，故将式（1.3）整理 为式（1.4） ，式（1.4）两边对 t 积分得式（1.5） 。 （1.4） （1.5） 式中，围岩暴露面的形状和面积、岩体强度等指标的函数。 对式（1.5）变形，得 （1.6） 1 SE P dUdU dtdt dU dt   （）（） E dU dt S dU dt   P dU dt SEP dUdUdU dtdtdt （）（） ESP UUU  0 ESP UUU