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在职工程硕士学位论文 峻德矿冲击危险防治研究 STUDY ON IMPACT RISK PREVENTION OF JUNDE MINE 作 者王巍 校内导师肖福坤 教授 校外导师宋继臣 高级工程师 黑龙江科技大学 二○一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、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 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部 分使用权，即①学校档案室和图书馆有权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汇编学位论文；②为教学和科研目的，学校档案室和图 书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅 读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生 学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10219 UDC 622 密 级 公开 黑龙江科技大学 在职工程硕士学位论文 峻德矿冲击危险防治研究 STUDY ON IMPACT RISK PREVENTION OF JUNDE MINE 作 者 王巍 导 师 肖福坤 宋继臣 申请学位 工程硕士 培养单位 矿业工程学院 工程领域 矿业工程 领域范围 采矿工程 答辩委员会主席 邢殿生 评 阅 人 陈海波 二○一四年六月 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 王巍 在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要求，完 成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指导下独立完成 本学位论文,经审阅，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，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本论文是在导师肖福坤教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、实验方案的设计、 结果分析到论文的撰写,无不倾注了肖老师的大量心血和辛勤汗水。肖老师深厚的理论基 础、丰富的实践经验、严谨求实的治学态度,让我受益非浅。 感谢宋继臣老师在实验阶段为我解决了很多疑难问题,他循循善诱的教导和不拘一格 的思路都给予了我很大的帮助。 感谢我实验室所有的师兄弟,在我研究生学习、实验研究和生活中给予的帮助和支持。 衷心感谢我的父母,感谢他们一直以来给予我的最无私、最伟大的爱,他们的理解和支 持是我不断努力的原动力,是我力量的源泉。 在此文论完成之际,谨向两年来给予我关心的良师益友和亲人们致以最诚挚的谢意 万方数据 I 摘 要 冲击地压是一种不同寻常的矿山压力表现方式，他是煤矿开采尤其是深部矿井开采的 重要灾难事故之一。随着浅部资源的逐步减少和枯竭，地下开采的深度越来越大，目前我 国已有大批矿井进入千米以下开采深度，随着开采深度的增加，发生冲击灾害的矿井也在 明显增加。 冲击地压灾害严重影响着煤矿的安全高效生产， 危及井下工作人员的人身安全， 因此对冲击地压的研究具有重要的理论和现实意义。 本文以峻德煤矿三水平北 17 层三四区一段工作面为背景，以评价工作面冲击地压危 险性为对象。对前人研究的冲击地压机理、评价方法、防治以及影响因素情况进行综述。 并且构造的地层开采结构模型，得出冲击地压事故的发生是煤柱应力-自重应力-坚硬覆岩 运动应力、构造应力为辅形成的外力场与回风道和机道两帮及顶板都有高强度的支护、工 作面内有支架支撑，底煤成为弱面，这种内力场耦合叠加作用下失稳发生冲击。提出通过 合适的开采顺序、开采方法和采煤工艺，同时要求选择合理的区段煤柱宽度、正确的布置 开切眼和停采线的位置等并且配合数值模拟计算与冲击地压监测预警系统，得到具有针对 性的与开采条件相匹配的冲击地压治理措施，并进行治理效果的监测、检验，形成适用于 峻德煤矿的冲击地压控制体系。 该论文有图 94 幅，表 34 个，参考文献 41 篇。 关键词关键词冲击地压；危险性评价；数值模拟；监测预警系统 万方数据 II Abstract Impact earth pressure is a kind of unusual way of mine pressure perance, he is coal mining, especially one of the important disasters in mining the deep mine accident. As shallow resources gradually reduce and dried up, the depth of the underground mining is more and more big, at present our country has a large number of mines into the mining depth below, with the increase of mining depth, the impact of disasters occurred mine are also increased significantly. Impact ground pressure disasters seriously affects the safe and efficient production of coal mine, endanger underground staffs safety, so the study of impact ground pressure has important theoretical and realistic significance. Based on strict the three levels 17 layers of coal mine area three or four period of working face as the background, to uate coal face impact ground pressure hazard for the object. The impact pressure mechanism of predecessors research, uation, prevention and influence factors were summarized. Mining structure and structure ation model of impact ground pressure the accident is the pillar stress and gravity stress - hard strata stress, tectonic stress is complementary with the external force field ed by the return air duct and machine two sides and the roof has high strength bolting, working with brace, bottom coal as the weak, the internal force under the action of superposition of field coupling instability occurs. Put forward by suitable mining and mining process, mining sequence and at the same time asked to choose a reasonable starting cut section width of coal pillar, the correct layout and stops the location of the pick line and cooperate with the numerical simulation and impact ground pressure monitoring and early warning system, get targeted match the mining conditions of impact ground pressure control measures, and the governance effect of monitoring, inspection, is suitable for the rolling impact ground pressure control system of the coal mine. Keywords rock burst; risk uation; numerical simulation research; monitoring and control system 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 .......................................................................................................................................... I I AbstractAbstract .................................................................................................................................... IIII 目目 录录 ...................................................................................................................................... IIIIII 1 1 绪论绪论 .......................................................................................................................................... 1 1 1.1 题目来源及选题依据 ...................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................... 1 1.2.1 冲击地压发生条件的研究现状 ...................................................... 1 1.2.2 冲击地压的监测预报现状 .......................................................... 2 1.2.3 冲击地压的防治现状 .............................................................. 2 1.3 冲击地压概况 ............................................................ 2 1.3.1 交通位置 ......................................................................... 2 1.3.2 矿井冲击地压概况 ................................................................ 3 1.3.3 工作面位置及周边关系 ............................................................ 4 1.4 煤质情况及煤层赋存特征 .................................................. 5 1.4.1 煤岩层产状 .................................................................... 5 1.4.2 煤层顶底板情况 .................................................................. 6 1.4.3 工作面开采技术条件 .............................................................. 6 1.5 主要研究内容 ............................................................ 6 1.6 技术路线 ................................................................ 7 2 2 峻德矿煤岩冲击倾向性鉴定峻德矿煤岩冲击倾向性鉴定 .................................................................................................. 8 8 2.1 试块加工 ................................................................ 8 2.2 试验系统 ................................................................ 8 2.3 鉴定方法 ................................................................ 9 2.4 煤（岩）层冲击倾向性测定 ............................................... 10 2.4.1 17 层顶煤二水平南块 ............................................................. 10 2.4.2 17 层底板岩石 ................................................................... 16 2.4.3 17 层顶板岩石 ................................................................... 20 2.4.4 17 层底板岩石17 层顶煤 ......................................................... 23 2.4.5 17 层顶板岩石17 层顶煤 ......................................................... 26 2.5 总结 ................................................................... 28 万方数据 IV 3 3 冲击地压事故机理分析冲击地压事故机理分析 ........................................................................................................ 2929 3.1 地层与开采结构模型 ..................................................... 29 3.1.1 多层煤开采结构模型 ............................................................. 31 3.1.2 沿空分层开采结构模型 ........................................................... 34 3.2 冲击地压发生机理分析 ................................................... 36 3.2.1 外力场机理 ..................................................................... 36 3.2.2 内力场机理 ..................................................................... 38 3.2.3 冲击地压发生机理 ................................................................ 40 3.3 防冲优化方案 ........................................................... 40 3.3.1 三水平北三四区 17 层一段一分层停采线优化 ........................................ 40 3.3.2 三水平北三四区 17 层一段底分层两巷及停采线优化 ................................... 41 4 4 事故工作面冲击地压控制研究事故工作面冲击地压控制研究 ............................................................................................ 4242 4.1 冲击地压治理机理 ....................................................... 42 4.2 内外力场治理机理 ....................................................... 42 4.2.1 内力场治理机理 ................................................................. 42 4.2.2 外力场治理机理 ................................................................. 43 4.3 冲击倾向性工作内容和测定标准 ........................................... 45 4.3.1 冲击倾向性工作内容 .............................................................. 45 4.3.2 冲击倾向性测定标准 .............................................................. 46 4.4 冲击地压治理措施 ....................................................... 47 4.4.1 大直径钻孔卸压 .................................................................. 47 4.4.2 断底爆破 ....................................................................... 50 4.4.3 低位断顶 ....................................................................... 52 4.5 区段煤柱治理措施 ....................................................... 52 4.5.1 强支护 ......................................................................... 52 4.5.2 强监测 ......................................................................... 53 4.5.3 强防护 ......................................................................... 54 4.5.4 机道煤-岩交界区域治理措施 ...................................................... 54 4.6 回风返上及-250 北二石门治理措施 ........................................ 56 4.6.1 治理措施 ....................................................................... 56 4.6.2 回风返上监测方案 ............................................................... 56 4.6.3 区段煤柱卸压措施 ............................................................... 56 5 5 峻德煤矿冲击地压监测预警模型峻德煤矿冲击地压监测预警模型 ........................................................................................ 5858 万方数据 V 5.1 监测预警系统 ........................................................... 58 5.2 现场监测方案 ........................................................... 60 5.3 数据处理反馈 ........................................................... 61 5.4 综采支架数据监测分析 ................................................... 62 5.4.1 综采支架工况分析 ............................................................... 62 5.4.2 基本顶初次来压特征分析 .......................................................... 62 5.4.3 基本顶周期来压特征分析 .......................................................... 64 6 6 结论和展望结论和展望 ............................................................................................................................ 7070 6.1 主要结论 ............................................................... 70 6.2 展望 ................................................................... 70 参考文献参考文献 .................................................................................................................................... 7171 作者简历作者简历 .................................................................................................................................... 7373 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................................ 7474 学位论文数据集学位论文数据集 ........................................................................................................................ 7575 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 题目来源及选题依据 我国是一个富煤、少气、缺油的国家，长期以来，煤炭是我国的主体能源。随着国民 经济的快速发展，煤炭需求不断加大，煤炭作为我国能源结构中的主体地位在今后几十年 内不会改变[1]。 随着浅部资源的逐步减少和枯竭，地下开采的深度越来越大，目前我国已有大批矿井 进入千米以下开采深度。开采深度增加，地质环境趋于复杂，高地应力、高地温、高瓦斯、 高水压等引起的动力灾害 [2-5]。 目前，龙煤鹤岗分公司所属煤矿都已接近开采后期，矿井都进入到二、三水平开采， 采深达到 500 米以上，原来少见的冲击矿压频频发生，并且随着采深的增加，这种灾害越 来越严重，造成重大人员伤亡和财产损失，尤其以峻德煤矿最为严重，在近几年内，峻德 煤矿在掘进、回采过程中先后发生冲击地压二十余起，造成人员伤害事故和不可估量的经 济损失， 此外还引发水灾等， 因此， 冲击地压是威胁峻德煤矿安全开采的重大灾害之一[6-10]。 如何防治冲击地压成为保证峻德煤矿安全生产的首要课题，结合本岗位工作现场，针对冲 击地压发生的机理及相关的预测预报方法和综合防治手段做一可行性研究，实现我矿深部 开采的安全生产。 1.2 国内外研究现状 关于冲击地压的研究，目前形成了一系列的理论，包括强度理论、刚度理论、能量理 论等等。这些理论对冲击地压的发生机理有了充分的研究和定义。本文针对俊德矿的实际 情况，结合工作中遇到的实际问题，从应用的角度，对发生冲击地压机理进行了分析，提 出了防治措施，在俊德矿进行了很好的应用，对峻德煤矿的安全生产起到指导意义[11-14]。 1.2.1 冲击地压发生条件的研究现状 受材料达到极限强度而破坏启发，冲击地压研究者提出了强度理论，对冲击地压发生 原因进行解释，早期强度理论认为巷道和工作面附近部位会产生不同程度的应力集中，当 煤岩体所受应力达到煤岩体极限强度时，煤岩发生突然破坏，导致冲击地压。1984 年中国 煤炭科学研究院与波兰采矿研究总院合作研究煤的冲击倾向性，研究结果表明，以煤的动 态破坏时间 DT 弹性能量指数 WET、冲击能量指数 KF 作为判定冲击倾向的指标较为科学 实用，并依此建立了冲击倾向判据。 关于冲击地压发生的原因和条件冲击地压学者提出了多种理论，但这些理论大多只能 够从某些方面解释冲击地压，由于冲击地压的复杂性和原因的多样性，迄今为止还没能够 建立普遍适用的冲击地压发生条件，也许这样的普适条件根木就不存在，所以结合现场具 体条件，提出针对具体条件的冲击地压的发生准则是一条现实的道路。 万方数据 硕士学位论文 2 1.2.2 冲击地压的监测预报现状 对冲击地压进行科学的监测预报，是有效防治冲击地压的基础。多年来冲击地压工作 者提出了多种冲击地压监测预报方法，主要有经验类比法、声发射监测法、电磁辐射法、 钻屑法和应力预测法等[18-23]。 还有其他一些方法如地质层析 X 线成像法、地震法和电阻法等这些方法[23-30]。总之， 冲击地压工作者提出了多种冲击地压的监测预报于段，且这些手段得到了大量应用，也取 得了不错的效果，但由于冲击地压本身的复杂性，单靠单一手段很难做到冲击地压的准确 预报，在具体应用要根据实际条件探索使用的综合运用方式，要研究每种手段具体判断标 准，还要探索新的预测手段[31-41]。 1.2.3 冲击地压的防治现状 与冲击地压机理的研究进展相比，国内外冲击地压的防治措施的探索工作十分活跃， 成功运用了多种方法。这些措施可分为区域性防范措施和局部解危措施[28]。 区域性防范措施主要包括合理开拓布置和开采方式，开采保护层，坚硬顶板与处理， 煤层注水等。与预先防治冲击地压的区域防范措施不同，局部解危措施是对己具有冲击 危险的部位采取措施，以降低或完全消除即将发生的冲击地压危害。主要包括钻孔卸压、 卸压爆破、诱发爆破和冲击地压防护措施等。 1.3 冲击地压概况 1.3.1 交通位置 峻德煤矿位于黑龙江省鹤岗市区南端，行政区划隶属于鹤岗市兴安区，井田地理坐标 为13013′54″13017′13″；北纬 4709′16″4712′48″。峻德井田南北走 向最大 6.258km，平均为 5.426km，东西倾斜长最大为 4.088km，平均为 3.584km。井田面 积为 19.447km2。 峻德煤矿 1975 年 8 月建矿，1981 年 11 月投产，矿井南北走向 5.4 公里，东西倾斜 3.6 公里，面积 19.447 平方公里，2010 年升级为突出矿井。矿井水、火、瓦斯、煤尘、煤与瓦 斯突出、冲击地压等灾害严重。全矿有三个综合机械化采煤队，15 个开拓掘进队和 9 个回 采掘进队。 采煤机械化程度 100， 掘进机械化程度 87。 截止 2013 年 4 月， 在册职工 6354 人，在岗 5340 人。 峻德煤矿位于鹤岗市市区南端，区内东有峻德火车站，北距鹤岗火车站 15km，西部 有鹤大高速公路通过，交通方便[15-17]。详见图 1-1。 万方数据 1 绪论 3 图 1-1 峻德煤矿交通位置图 Figure 1-1 Junde Coal traffic location map 1.3.2 矿井冲击地压概况 至 2010 年以来，发生多起冲击地压事故，详见表 1-1, 1-2。 表 1-1 掘进工作面冲击地压事故统计 Table 1-1 tunneling working face burst accident statistics 序号 时间 释放能量及 地震等级 显现程度 1 2010 年 11 月 17 日 9.10E04J 1.2 级 1） 回风道 65m 范围内上帮两处变形， 移近量 0.10.4m， 底鼓 0.30.7m。 2）上帮下部一根锚索索具脱落。 2 2011 年 1 月 11 日 2.06E05J 1.8 级 1）回风道 57m 范围内上帮变形移进 0.3--1.3m，底鼓 1.21.8m。 2）上帮有三根锚索折断。 3 2011 年 5 月 2 日 1.69E07J 2.86 级 1）回风道迎头后 35m 范围，上帮移进量 0.20.9m，底鼓 0.6m。 4 2011 年 7 月 3 日 1.76E05J 1.81 级 1）回风道迎头向后 15m 范围，底板鼓起 0.51m。 2）巷道上帮、下帮、顶板无变化。 5 2011 年 12 月 31 日 3.08E05J 1.94 级 1） 回风道 65m 范围内上帮有二处变形， 移进 0.10.4m， 底鼓 0.30.7m。 2）上帮下部有一根锚索的索具脱落，吊挂上帮下部的水管被甩至巷道中 部。 3）北部回风道独头壁上的喷碹物经震动整体脱落。 峻 德 万方数据 硕士学位论文 4 表 1-2 回采工作面冲击地压事故统计 Table 1-2 mining working face burst accident statistics 序号 时间 释放能量及 地震等级 显现程度 1 2012 年 8 月 30 日 2.2E03J 0.81 级 1）回风道超前 36m 外共 49m 区域发生冲击。 2）上帮移进 1.01.2m， 3）上帮侧底鼓 0.5-0.6m。 2 2013 年 1 月 9 日 1.26E05J 1.74 级 1）回风道超前 45m 范围内巷道底鼓 0.3--0.7m，上帮移近 0.2--0.3m。 2）上出口工作面溜子尾鼓起 1m。 3 2013 年 1 月 21 日 8.21E06J 2.69 级 1）回风道超前工作面 72m 范围内底鼓 0.3--1.2m，两帮移近 0.2--0.5m。 2）超前工作面 58m 上帮码放单体向下帮倾斜散落。 4 2013 年 2 月 1 日 3.67E04J 1.45 级 1）工作面 43 组至 57 组支架护帮板和油缸变形损坏，5 组支架油缸损坏。 2）30 -75 组支架范围内硬帮片帮 0.5 -2m。 5 2013 年 3 月 15 日 9.36E04J 1.67 级 1）机道工作面下出口向外 60m 范围底鼓将巷道合严，转载机被弹至顶 板，ZY2300 钻机被掀翻。 2）回风道工作面上出口向外 50m 范围内底鼓将巷道合严，JD-40 绞车被 掀至巷道中间。 1.3.3 工作面位置及周边关系 综采一区北 17 层三四区一段工作面开采三水平北 17 层三四区一段一分层，工作面走 向长 1637m，倾斜长 168m。 该工作面位于三水平北 17 层三四区一段，上部是二