低位巨厚岩层破断规律及矿山压力显现.pdf

分类号分类号 TD324 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 低位低位巨厚巨厚岩层破断规律岩层破断规律及及矿山压力显现矿山压力显现 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 汤建泉汤建泉 职职 称称高高 工工 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二零零一一六六年年四四月月 万方数据 论文题目论文题目 低低位位巨厚巨厚岩层破断规律岩层破断规律及及矿山压力显现矿山压力显现 作者姓名作者姓名 李干李干 入学时间入学时间 2013 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 汤建泉汤建泉 职职 称称 高高 工工 论文提交日期论文提交日期 论文答辩日期论文答辩日期 授予学位日期授予学位日期 万方数据 FRACTURING AND DYNAMIC RESPONSE OF LOW AND THICK STRATAS OF HARD ROCKS A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Gan Supervisor Senior engineer Tang jianquan College of Mining and Safety Engineering May 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 本文针对在低位巨厚岩层影响下的冲击地压事故，以峻德煤矿 9103 工作面为工程 背景，以实用矿山压力理论、材料力学为理论基础，分析了工作面长度、煤柱宽度、掘 巷位置、覆岩运动对冲击地压的影响，得到了峻德煤矿 9103 工作面掘进与回采期间冲 击地压发生特征，采用理论分析、相似材料模拟、数值模拟等方法，开展了对低位硬厚 岩层影响下冲击地压发生动力基础的研究，取得了如下结论 （1）掘进过程中冲击地压事故发生原因上部工作面较短，巨厚岩层处于弯曲状 态集聚较大弯曲弹性能，煤柱积聚较大压缩弹性能，留设护巷煤柱宽度超过内应力场 范围‖，巷道位于支承压力高峰区都是引发冲击地压的原因，内应力场掘进不会发生冲 击地压，构造应力场高应力区间也是引发冲击地压的动力源。在高应力区推进和维护的 巷道预留的护巷煤柱煤柱愈宽，冲击地压强度和波及的严重程度愈高。在支承压力高峰 区域维护的巷道存在多次冲击地压的危险性。 （2）回采过程中冲击地压事故发生原因上区段工作面长度较短，老顶（特别是 巨厚岩层） 运动不充分， 造成高强度弯曲弹性能储存； 较宽隔离煤柱， 造成大面积悬顶， 积聚了高强度的压缩弹性能和顶板弯曲弹性能；顶板巨厚岩层裂断，压缩煤壁，造成大 面积顶板弯曲弹性能和煤壁压缩弹性能的释放；在 3.15 冲击区域有上覆 9 层、11 层煤 柱，导致压力集中传递于应力集中冲击区域；地震诱发都是引发冲击地压的重要因数。 （3）根据实验得知工作面推进至 235m 左右时巨厚岩层断裂，组合岩层在自重与 煤柱压力作用下达到极限悬顶从而断裂垮落，弹性变形能通过 17 煤煤层释放；由于 11 煤煤柱的影响，17 煤上覆岩层离层裂隙带发育过程中左端区域大于右端区域，呈三角 形分布。11 煤煤柱向底板传递力，应力传播角大约 35 度，随着工作面推进，支承压力 高峰区与煤柱应力传播相互影响，支承压力最大应力集中系数 Kmax 为 3.0-5.5，平均值 为,4.3，均方差为 0.478。 4根据数值模拟可知，当工作面长度为 298m 时，巨厚岩层断裂，支承压力高峰区 位于煤壁侧向 18m 左右，内应力场范围约为 0-5m。工作面长度大于 298m，且在上一 工作面岩层垮落完全及应力重新分布稳定后，在内应力场中进行沿空留巷或沿空掘巷， 可以避免冲击地压。 关键词关键词巨厚岩层；动力源；破断规律；冲击地压；煤柱；工作面长度 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT ABSTRACT This article in view of the low thick layers under the influence of impact ground pressure accident, in the engineering background of strict DE coal mine 9103 face, With practical mine pressure theory, the theoretical basis of mechanics of materials, analyses the working face length, width of coal pillar, roadway location, the influence of strata movement of percussive ground pressure, Has been completed, during excavation and mining of coal mine 9103 working face of the characteristics of rock bursts occurred in, Adopts theoretical analysis, similar material simulation and numerical simulation , carried out on low after hard rock under the influence of the power of rock bursts occurred in basic research, has made the following conclusions 1 Driving impact earth pressure in the process of accident reason Upper face short, thick layers in bending state agglomeration bigger bending elastic energy, coal accumulating large compression elastic energy, over and roadway protection coal pillar width is “stress field within the range“, is located in the abutment pressure peak area of roadway are causes of percussive ground pressure, Tectonic stress field of rock bursts, the stress field in advance will not occur high stress range is also cause the power source of the impact ground pressure. Reserved at high stress area to promote and maintain the roadway of the coal pillar width chain pillars, the severity of the impact ground pressure strength and spread. In the region of the abutment pressure peak risk of maintenance exist multiple gateways. 2 Impact earth pressure in the process of mining accident reasons Section on the working face length is shorter, the old top especially the thick rock insufficient movement, high strength and bending elastic energy storage; Wider isolated coal pillar, cause large overhang, compressed elastic energy accumulated a high strength and roof bending elastic energy; On impact area is 3.15 9, 11 layer coal pillars, cause stress concentration transfer in stress concentration area; Earthquake induced is the important factor of impact ground pressure. （3）Learned that working face advance according to the experiment to around 235 m thick rock fracture, Combination of rock under the action of gravity and pressure coal pillar limits overhang to fracture caving, 17 coal seam by elastic deation energy release; 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT Because of the influence of the 11 coal pillar, 17 coal and overburden abscission layer fissure zone development left side area is greater than the right side area, triangular distribution. coal pillar to the backplane heritability, the stress transmission Angle of about 35 degrees, with working face advancing, the abutment pressure peak area and coal pillar stress influence each other, bearing pressure Kmax maximum stress concentration coefficient of 3.0-5.5, on average, 4.3, mean square error of 0.478. 4 According to the numerical simulation shows that when the working face length of 298 m, the thick rock rupture, lateral abutment pressure peak area is located in the coal wall around 18 m, stress field within the range of 0 to 5 m. Working face length is more than 298 m, and completely in a caving working face strata and the stress redistribution after stability, including stress field of roadway driving along goaf or along the empty left lane, can avoid the impact ground pressure. Keywords The thick rock ation; Power source; Breaking law; The impact pressure; Coal pillar; Working face length 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 研究目的及意义 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................... 1 1.3 主要研究内容及技术路线 ............................................................................................... 3 2 工程地质概况及岩石力学参数工程地质概况及岩石力学参数 ........................................................................ 4 2.1 峻德煤矿 9103 工作面地质概况 ..................................................................................... 4 2.2 峻德 17 层煤冲击倾向性测定结果 ................................................................................. 7 3 冲击地压发生动力基础及案例研究冲击地压发生动力基础及案例研究 ...............................................................10 3.1 冲击地压动力基础及实现条件 ..................................................................................... 10 3.2 冲击地压事故案例分析 ................................................................................................. 12 3.3 本章小结 ......................................................................................................................... 18 4 采场结构力学模型及低位巨厚岩层破断规律采场结构力学模型及低位巨厚岩层破断规律 ..............................................20 4.1 采场结构力学模型理论分析及其形成发展规律 ......................................................... 20 4.2 低位巨厚岩层破断规律 ................................................................................................. 34 4.3 上覆煤柱对冲击地压影响 ............................................................................................. 38 4.4 小结 ................................................................................................................................. 41 5 相似材料模拟与数值模拟研究相似材料模拟与数值模拟研究 ......................................................................42 5.1 低位巨厚岩层影响下上覆岩层运动及矿山压力显现相似模拟 ................................. 42 5.2 下行开采中上覆煤柱对开采影响相似模拟 ................................................................. 51 5.3 合理开采参数优化研究 ................................................................................................. 65 5.4 小结 ................................................................................................................................. 67 6 主要结论主要结论 ..........................................................................................................68 致致 谢谢 ..................................................................................................................69 参考文献参考文献 ..............................................................................................................70 攻读硕士期间的主要研究成果攻读硕士期间的主要研究成果 ..........................................................................70 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents Contents 1 Introduction ........................................................................................................... 1 1.1 Research Purposes and Significance ...................................................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ....................................................................................................... 1 1.3 Main Sdudy Contents and Technology Route ........................................................................................ 3 2 General situation of engineering geology and rock mechanics parame ........................ 4 2.1 Junde Coal Mine geological survey of 9103 working face .................................................................... 4 2.2 Junde Coal Mine 17 layer coal measurement results of impact tendency .............................................. 7 3 The power of rock bursts occurred in base and case studies .....................................10 3.1 Dynamic foundation and realization condition of rock burst ............................................................... 10 3.2 Research on the innovation of rock burst monitoring equipment ........................................................ 12 3.3 Case analysis of rock burst accident .................................................................................................... 14 3.4 Summary .............................................................................................................................................. 18 4 Mechanical model of stope structure and law of breaking of rock strata ...................20 4.1 Theoretical analysis of mechanical model of stope structure and its ation and development ........................................................................................................................................ 20 4.2 Low and thick stratas law of rock breaking ......................................................................................... 34 4.3 Influence of overlying coal pillar on rock burst and the law of energy transmission in thick rock strata ...................................................................................................................................................... 38 4.4 Summary .............................................................................................................................................. 41 5 Simulation and numerical simulation of similar materials ........................................42 5.1 Similarity simulation of movement of overlying strata and mine pressure appearance under the influence of low level thick rock strata ...................................................................................................... 42 5.2 Similarity simulation of upper coal pillar mining in downward mining .............................................. 51 5.3 Study on Optimization of mining parameters ...................................................................................... 65 5.4 Summary .............................................................................................................................................. 67 6 Main Conclusions ................................................................................................. 68 References .............................................................................................................. 75 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究目的及意义研究目的及意义 我国煤矿赋存地质条件复杂并且井工开采逐渐由浅部向深部开展，近年来在煤矿开 采过程中发生了多起因开采设计不当、煤柱留设、地质条件不明、地应力过高等多种因 素引起的冲击地压，造成了巨大人员伤亡与财产损失。工程实践中出现的冲击地压灾害 已经对现有事故机理研究、治理方案以及预测预报理论发出了挑战[1-3]。 鹤岗矿区峻德煤矿 9103 工作面所开采的 17 煤层顶板为坚硬岩层且距顶板 45m、 110m 处分别存在巨厚岩层与 11 煤，工作面掘进和开采期间发生多次冲击事故。蒋金泉 教授[4]等对高位巨厚岩层破断规律及动态响应分析，姜福兴教授[5]等对高位厚硬顶板断 裂与矿震预测关系探讨，窦林名教授[6]等对巨厚火成岩矿震分析特征分析，根据类比原 则认为峻得煤矿 9103 工作面上方 45m 处，厚度约 92m 的岩层为低位巨厚岩层。 巨厚岩层破断歩距较大，破断前积累的弹性应变能较高，破断会导致矿山压力显现 剧烈变化，容易引起冲击地压。对低位巨厚岩层控制主要以大煤柱护巷及爆破泄压为主 要手段，但在煤层组间距较小时，采用大煤柱护巷，在下组煤开采时也容易引发冲击地 压。并且由于巨厚岩层引起的侧向支承压力影响范围较大，煤柱留设也应较大，极大浪 费煤炭资源。 低位巨厚岩层条件下开采参数与冲击地压影响的研究及冲击地压发生机理、 预测及控制措施研究成果较少。 本文基于现有冲击地压理论，通过对典型低位巨厚岩层下冲击地压事故研究，明确 了在低位巨厚岩层下工作面宽度、掘进巷道位置、留设煤柱宽度以及上覆煤柱都是引发 冲击地压重要因数，研究成果对类似地质条件矿井有借鉴意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 矿山压力理论研究现状矿山压力理论研究现状 煤矿开采过程中遇到的一切形式的矿山压力显现均是由于采场上覆岩层运动一起 的，而上覆岩层岩性、层位、厚度以及构造的多样性也造成了覆岩运动规律的多样性。 对此问题近年来国内外诸多学者做了许多研究，形成了诸多理论假说，为采场上覆岩层 结构理论的发展起到了推动作用[7-10]。 （1）压力拱假说 压力拱假说最早是一种对采场矿压现象简单的力学解释， 其中比较有影响的是上世 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 纪 50 年代前苏联工程师 许普鲁特提出的压力拱假说，解释了支架承受的覆岩范围的 有限性‖以及煤壁和采空区的支承压力来源为其上方岩层重量‖这两个重要矿压现象， 但是此假说实践性较低。 （2）悬臂梁假说 悬臂梁假说是由上世纪初德国学者 K.Stoke 提出。悬露长度的增加造成的顶板规律 性折断，形成来压。但是此假说不能较好解释顶板超前断裂现象。 （3）砌体梁‖理论 上世纪六、七十年代，我国钱鸣高院士提出了采场上覆岩层开采后成砌体梁试平衡 的结构力学模型，也就是砌体梁‖理论。该理论认为采场覆岩是由多个坚硬岩层组成， 坚硬岩层之间的软岩可看做其载荷来源，因此也会存在滑落和回转变形两种失稳形式。 （4）传递岩梁‖理论 上世纪八十年代末，我国宋振骐院士基于对采场覆岩运动规律的研究提出了传递 岩梁‖理论，建立了传递岩梁‖力学模型。该理论认为煤壁及采空区受力是由于采场上 覆坚硬顶板断裂后重新平衡造成的。 1.2.2 动力灾害机理研究现状动力灾害机理研究现状 随着人类采矿深度的增加， 冲击地压造成的危害与日俱增。 从上世纪五十年代至今， 人类对于冲击地压的研究已有六十余年，国内外的诸多专家学者也对此提出了许多观 点，形成了丰富的理论体系，为冲击地压的预防治理提供了强大的理论支撑。 强度理论认为煤岩体局部应力过大，超过其本身强度，就会诱发冲击地压；能量理 论认为采场围岩力学系统所受能量超过其维持平衡状态所需能量时就会诱发冲击地压。 近年来许多学者对于冲击地压诱发机理又有了新的认识，提出了新的观点。 姜福兴认为水平应力突变造成垂直应力突变是诱发冲击地压的主要因素； 潘峻峰等 将冲击地压发生分为三个阶段，即启动、能量传递、冲击地压显现三个阶段；姜耀东 认为冲击地压的发生就是煤岩体变形时从稳定状态变为非稳定状态的能量释放过程 [9-20]。 冲击地压的诱发具有复杂性、多样性、突然性、多变性等特点，因此对于各种条件 下冲击地压现象的解释十分困难。尽管对于冲击地压的理论研究已经有六十余载，也从 各种角度阐述了诱发冲击地压的充分‖及必要‖条件，但是并没有形成一个准则来阐述 冲击地压现象，也没有形成关于冲击地压的岩体力学参数以及几何参数的确立准则。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 1.3 主要研究内容及技术路线主要研究内容及技术路线 1.3.1 主要研究内容主要研究内容 （1）通过分析冲击地压动力基础及实现条件，总结了峻德煤矿 9103 工作面掘进和 回采过程中冲击地压事故发生原因，提出工作面长度、煤柱宽度、掘巷位置、覆岩运动 是影响冲击地压事