深部煤层冲击地压机理与监测防治技术研究.pdf

1 分类号TD324密级公开 U D C 单位代码10424 学位论文学位论文 深部煤层冲击地压机理 与监测防治技术研究 深部煤层冲击地压机理 与监测防治技术研究 申琳申琳 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导老师姓名指导老师姓名马其华马其华职称职称副教授副教授 山东科技大学山东科技大学 二零一六年六月二零一六年六月 万方数据 论文题目论文题目 深部煤层冲击地压机理 与监测防治技术研究 深部煤层冲击地压机理 与监测防治技术研究 作者姓名 申琳作者姓名 申琳入学时间入学时间2013 年年 9 月月 专业名称采矿工程专业名称采矿工程研究方向矿山压力与岩层控制研究方向矿山压力与岩层控制 指导老师马 其 华指导老师马 其 华职称副教授职称副教授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON THE MECHANISMAND PREVENTION TECHNOLOGY FOR COAL BUMPS IN DEEPCOAL MINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILLSOPHY from ShandongUniversity of Science and Technology By Shen Lin Supervisor Ma qihua College of Mining and Safety Engineering June 2016 万方数据 声明声明 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 公认的参考文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有 呈交于其他任何学术机关做鉴定。 硕士生签名 日期 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 公认的参考文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有 呈交于其他任何学术机关做鉴定。 硕士生签名 日期 AFFIRMATION I declare that this dissertation，，ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering 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 摘要摘要 冲击地压的发生机理是一个复杂的演化过程，至今尚未形成统一的理论体系，对深 部煤层的冲击地压发生机理的研究还不够多，因此对深部煤层冲击地压发生机理的研究 具有重要的现实意义。本文结合郓城煤矿 1302 工作面，采用理论分析、数值模拟及现场 实测相结合的研究方法，对深部煤层的应力分布规律、影响因素以及卸压解危措施进行 研究。 根据以往监测数据探求郓城煤矿深部煤层冲击地压的发生规律，阐述了应力场形成 冲击地压成因，对构造应力区域发生冲击成因进行了力学分析，并且构建相关模型。对 深部煤层巷道平动式失稳机理进行了研究。主要从开采深度和深部水平应力这两个方面 研究冲击地压的发生机理。 运用 FLAC3D数值模拟软件，模拟研究深部应力场下工作面随推进步距、埋深及水 平应力变化的超前支承压力分布演化规律。模拟工作面顺槽随埋深及水平应力变化的围 岩水平及垂直应力分布演化特征。模拟随煤层埋深和水平应力的增加，采场前方支承压 力的变化情况和应力峰值出现的位置变化以及应力的影响范围。为冲击地压的监测和防 治提供理论依据。 将理论分析和数值模拟结果应用到具体工程实例中。 选取郓城煤矿 1302 工作面作为 工程实践， 检验模拟结果的科学性和合理性。 对郓城煤矿 1302 工作面采掘过程中易发生 冲击地压（微震）的危险区进行冲击地压的监测预警。采用 KI550 冲击地压在线监测系 统和 KI551 微震监测预警系统对现场进行监测，确定具有冲击危险的区域，即解危区。 对已经确定的解危区进行冲击地压的防治。运用大直径深孔卸压技术对具有冲击危 险的巷道进行卸压，包括掘进迎头卸压和巷道两帮卸压。在巷道迎头向工作面煤体内施 工大直径钻孔进行回采期间的超前卸压，掘进期间超前卸压则是在巷道迎头向巷道掘进 方向施工大直径钻孔。利用爆破卸压方法对有冲击倾向的底板进行卸压防冲，解决其冲 击危险。改进巷道的两帮和顶板支护方式，辅助已有的卸压解危措施。优化原有的刚性 支护，采用皮带条代替钢筋梯的柔性支护方法。 关键词关键词深部；冲击地压；数值模拟；监测；防治 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 Abstract Mechanism of the rock burst is a complex evolutionary process, has yet to a recognized theoretical, especially the study of the mechanism of rock bursts occurred in deep coal seam is less, so the research on the mechanism of rock bursts occurred in deep coal seam has important practical significance. Combining YunCheng coal mine 1302 working face, the academic thesis study the stress distribution law of deep coal seam, influence factors and preventionmeasuresusingthetheoreticalanalysis,numericalsimulationandfield measurement s. According to the monitoring data of past of YunCheng coal mine, research the rule of rock bursts occurred in mining deep coal seam. This paper expounds the ation stress field the cause of impact ground pressure and Mechanics analysis For the cause of tectonic stress areas. the genesis of percussive ground pressure. Research instability mechanism of deep coal seam roadway translational. Mainly from the deep mining depth and horizontal stress both study the mechanism of percussive ground pressure. Research the abutment pressure distribution evolution rule of deep stress field with the advance step distance of working face, buried depth and horizontal stress changes using FLAC3Dnumerical simulation software. Simulation the horizontal and vertical stress distribution of surrounding rock evolution characteristics of working face gateway with buried depth and horizontal stress changes. Simulation the horizontal and vertical stress distribution of surrounding rock evolution characteristics and the position of the peak stress appears and the influence of stress of the front of the stope with buried depth and horizontal stress changes. As to provide theoretical basis for impact ground pressure monitoring and control. Apply the theoretical analysis and numerical simulation results to an engineering example. Select YunCheng coal mine 1302 working face as the engineering practice, test the scientificity and rationality of the simulation results. Monitor and early warning to the danger zone of percussive ground pressure in the process of mining of YunCheng coal mine 1302 working face. Using KI550 impact ground pressure on-line monitoring system and KI551 microseismic monitoring and early warning system monitoring the construction site, determine the shock danger area. Preventing rock burst to established dangerous area of rock burst. Using large diameter 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 deep hole pressure relief technology to unloading of roadway with impact danger, including drivage head pressure relief and The two sides of roadway pressure relief. Drill large diameter hole from working face to coal body for releasing of pressure in advance during the period of stoping and drill large diameter hole from working face to drivage direction for releasing of pressure in advance during the period of drivage. Using the of blasting pressure relief to hit the bottom for unloading impingement, address its impact. To improve the two sides of roadway and roof support, assist existing unloading pressure measures. Optimize the existing rigid support, using the flexible supporting with a belt to replace the steel ladder. Keywords Deep; Coal bumps; Numerical simulation ;Monitoring; Prevention and control 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目录目录 1 绪论1 绪论....................................................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义..................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状................................................................................................. 3 1.3 主要研究内容和技术路线.................................................................................. 9 2 工程地质条件2 工程地质条件...................................................................................................1111 2.1工作面位置..................................................................................................... 11 2.2煤（岩）层赋存特征..................................................................................... 12 2.3地质构造......................................................................................................... 14 2.41302 工作面煤层冲击危险性分析................................................................ 14 3 深部煤层冲击地压机理及影响因素分析3 深部煤层冲击地压机理及影响因素分析......................................................1616 3.1 深部冲击地压发生规律及显现特征............................................................... 16 3.2 深部煤层冲击地压发生机理研究................................................................... 20 3.3 深部应力场下工作面诱发冲击地压数值模拟............................................... 26 3.4 本章小结........................................................................................................... 41 4 深部煤层冲击地压防治技术研究4 深部煤层冲击地压防治技术研究.................................................................. 4242 4.1 冲击地压监测预警技术及装备........................................................................ 42 4.2 冲击地压危险区检验....................................................................................... 51 4.3 冲击地压危险区解危方法................................................................................ 53 4.4 本章小结............................................................................................................ 58 5 主要结论与展望5 主要结论与展望...............................................................................................5959 5.1 主要结论........................................................................................................... 59 5.2 创新点............................................................................................................... 60 5.3 展望................................................................................................................... 60 致谢致谢....................................................................................................................... 6262 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 参考文献参考文献...............................................................................................................63 攻读硕士期间的主要成果 63 攻读硕士期间的主要成果...................................................................................6767 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 contents 1Introduction..........................................................................................................................1 1.1Subject posed and research significance........................................................................................1 1.2Research status of domestic and overseas......................................................................................3 1.3Research content and technology roadmap....................................................................................9 2Engineering geological conditions.................................................................................... 11 2.1Working location...........................................................................................................................11 2.2The occurrence characteristics of coal seam................................................................................12 2.3Mine structure...............................................................................................................................14 2.4Risk analysis of coal seam impact in 1302 working face............................................................14 3Mechanism of deep coal seam impact ground pressure and numerical analysis of influencing factors....................................................................................................................16 3.1The law and characteristics of rock bursts occurred in deep coal seam......................................16 3.2Research on the mechanism of rock bursts occurred in deep coal seam.....................................20 3.3Numerical simulation of coal bumps induced by face in deep stress field..................................26 3.4Summary of this chapter...............................................................................................................41 4Research on prevention technology of deep coal bumps................................................42 4.1The monitoring and early-warning technology and equipment of coal bumps...........................42 4.2Test danger zone of coal bumps...................................................................................................51 4.3Pressure relief of danger zone of coal bumps.................................................................53 4.4Summary of this chapter...............................................................................................................58 5Conclusions and prospects................................................................................................59 5.1 Main conclusions.............................................................................................................................50 5.2 Innovations......................................................................................................................................60 5.3 Prospects..........................................................................................................................................60 Acknowledgements.................................................................................................................. 62 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 Reference.................................................................................................................................. 63 Academic achievements...........................................................................................................67 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 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 我国煤炭资源大约有 3 万亿 t 埋深在千米以下，占我国煤炭资源总量的 50以上[1]。 目前， 我国煤矿开采深度超过 800 m 的约有百余处， 已有 40 多个开采深度超过千米的煤 矿，最深可以达到 1500 m，煤矿开采深度平均以每年 10 m 的速度增长[2]。我国预计大 部分煤矿在未来的十到二十年内将进入到 1000～1500m 的超深开采深度。 例如山东地区 的滕州朝阳煤矿、新汶华丰煤矿、兖州古城煤矿、孙村煤矿、曲阜星村煤矿开采深度、 新泰良庄煤矿等几大煤矿开采深度都超过了 1000 m 的深度， 而且随着时间的发展开采深 度会逐渐加深。根据以往的研究结果表明，垂直应力随深度增加而增长，构造应力在大 埋深条件下更加突出，形成了大埋深“高垂直应力、高构造应力”的高应力条件，冲击 地压产生的频率也在增加。如图 1.1 是我国国有重点煤矿平均采深发展趋势图。 图图 1.1 我国国有重点煤矿平均采深发展趋势我国国有重点煤矿平均采深发展趋势 Fig.1.1 Our country state-owned key coal mines average trend of SDB 最近几年，因为我国大部分地区浅部煤层已经开采将尽，因此新的矿井都主要是深 部开采，很多老的矿井都开始进行了深部开采，垂直应力随着开采深度的增加而增加， 上覆岩层因为开采深度的增加而持续遭到破坏，顶板应力逐渐叠加集中导致顶板垮落严 重，矿山灾害严重，尤其是冲击地压的发生，更加频繁，对我们的生产工作提出了巨大 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 挑战。如图 1.2 是我国煤矿开采深度与冲击地压发生次数的关系。 百 万 吨 煤 冲 击 次 数 120 90 60 30 30060090012001500 采深/m 图图 1.2 我国煤矿开采深度与冲击地压发生次数的关系我国煤矿开采深度与冲击地压发生次数的关系 Fig.1.2 Chinas coal mining depth and the number of times of rock bursts occurred in relations 近年来冲击地压在世界范围内严重影响着煤矿安全，我冲击地压的危害在我国同样 严重，截止到现在可以说是遭受世界上冲击地压最严重的国家[2]。冲击地压发生时常伴 有大量能量突然释放，摧毁井下巷道、采煤工作面，造成人员伤亡机械损毁，如同炸药 在煤岩体内爆炸，煤岩石破碎抛出，支架损毁，巷道坍塌，并伴有巨大声响和短时强烈 的持续震动，抛出的煤岩体最多能够达到几百吨，煤矿记录到的由冲击地压引起的地震 的最大震级已超过里氏 5 级，由于距地面较近，冲击地压表现的强烈度远大于同级天然 地震表现出的强烈度。以下是对近 10 年由冲击地压造成的重大灾害的简单统计，如表 1.1。 表表 1.1 对近对近 10 年冲击地压事故的简单统计年冲击地压事故的简单统计 Table.1.1 For nearly a decade the simple statistic of the rock bursts accident 近 10 年冲击地压事故的简单统计近 10 年冲击地压事故的简单统计 时间时间地点地点造成的损坏造成的损坏 2006.9.9山东新汶华丰煤矿 事故摧毁巷道 78m， 造成 2 人死亡， 20 多人受伤， 工作面停产封闭 8 个月 2007.3.13山东兖州南屯煤矿冲击地压事故造成 3 人重伤，破坏巷道 150m 2008.6.5河南义马千秋煤矿 冲击地压事故造成 13 人死亡，7 人受伤，100m 巷道被毁 2009.7.21山东梁宝寺煤矿事故造成 2 人死亡、多人受伤 2010.2.3山东新巨龙煤矿矿压显现强烈，造成多个支架被压死 2011.11.3河南义马千秋矿 事故造成 10 人死亡、 64 人受伤， 400m 巷道严重受 损，直接经济损失 2748 万元 2012.3.31山东梁宝寺煤矿事故造成 2 人死亡，工作面停产数十天 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 2013.3.15黑龙江峻德煤矿事故造成 4 人死亡，巷道被毁 2014.3.27河南义马千秋矿事故造成 6 人死亡，80 米巷道被毁 从上表我们可以看到山东和河南是冲击地压发生的高发区，冲击地压发生时往往造 成巨大的财产损失和人员伤亡。 我国煤矿大多建于建国初期， 随着生产发生和时间推移， 这些矿井将进入或者已进入深部开采，冲击地压对矿井生产的威胁将更加严重[8]。世界 上对冲击地压的研究已有百年，南非从上世纪就开始了对冲击地压的研究并成立了专门 的研究机构，随后苏联和欧洲等国及日本也相继成立了对冲击地压研究的专业机构，目 前国际上每年都会进行关于冲击地压问题的专题研讨会。我国从八十年代初开始对冲击 地压问题进行研究，一直没有间断，虽然从不同角度对冲击地压的发生机理进行了深刻 探讨研究，有了一些新的认识，但是到目前为止，国际上还没有一套理论和方法可以解 决我们所遇到的所有问题，可以说解决冲击地压问题已迫在眉睫。 我国幅员辽阔，每个矿区都有自身的独特地质环境，地质构造差异较大、开采条件 千差万别、技术水平参差不齐，从而各个地区的冲击地压案例也千变万化，引起冲击地 压因素也各不相同。由于冲击地压发生因素的多样性，使得冲击地压发生机理的研究空 间更大，给我们提供很好的机遇但也是巨大的挑战，这些年我们对冲击地压，有了一定 程度的了解，但不可否认，目前对于深井条件下的冲击地压的研究还不多，尤其是对发 生机理的研究，尚处于初步阶段，在这个领域中仍存在很多问题亟需解决。虽然认识到 研究冲击地压发生机理的艰巨性，但是作为煤炭战线的一员，感到有义务和责任在前人 的基础上对冲击地压的发生机理进行研究，为煤矿安全尽一份力。 郓城煤矿具有埋深大，深部煤层顶板坚硬，构造复杂等特点。已采的 1300 和 1301 工作面由于埋深大导致高地应力引起冲击地压发生，同时由于工作面附近断层多，侧压 系数升高引起冲击地压。本论文就埋深和侧压系数对深部复杂构造煤层的冲击地压影响 机理展开研究，将研究成果应用于郓城煤矿 1302 工作面，检验其科学性和合理性。本论 文对研究类似条件下矿井的冲击地压发生机理具有很大的参考价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 经过广泛调研、资料收集与整理分析发现，目前国内外针对深部复杂构造煤层冲击 地压发生机理这个特定课题的研究还不多见，但是相关领域的研究如岩石破坏及冲击地 压发生的能量机理、巷道破坏及巷道冲击地压机理和冲击地压的防治等方面已经取得了 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 大量十分有价值的成果，这些成果为本文的研究奠定了坚实的基础，现分述如下 部分学者认为结构的失稳破坏过程是冲击地压发生的本质，即开挖后煤岩体在变形 过程中集聚的弹性应变能大于其由于破坏而释放的塑性应变能，多余的弹性应变能转化 为动能以突然释放的方式表现出来[7]。众多文学者对岩石破坏及冲击地压的能量机理和 灾变条件进行了研究，近几年也有学者提出了关于应力诱发冲击地压的说法。 1.2.1深部煤层冲击地压机理研究现状深部煤层冲击地压机理研究现状 冲击地压的重点和难点问题在于冲击地压机理的研究，多年以来，国内外学者针对 冲击地压机理