深部条带开采冲击地压诱发机制及防治技术研究.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 深深部部条条带带开开采采冲冲击击地地压压诱诱发发机机制制 及及防防治治技技术术研研究究 肖治民肖治民 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称采矿工程采矿工程 指指导导教教师师姓姓名名顾顾 士士 坦坦职职称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年二零一六年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 深深部部条条带带开开采采冲冲击击地地压压诱诱发发机机制制 及及防防治治技技术术研研究究 国家自然科学基金资助项目（51204102、51374140） 作者姓名作者姓名肖肖 治治 民民入学时间入学时间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 指导教师指导教师顾顾 士士 坦坦职职称称副副教教授授 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 MECHANISM AND CONTROLTECHNOLOGY OF ROCK BURST INDUCED BY DEEP STRIP MINING ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Xiao Zhimin SupervisorAssociated Professor Gu Shitan College of mining and safety engineering June 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 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 摘摘 要要 随着煤炭开采逐渐向深部转移， 条带煤柱冲击失稳发生的频次及灾害程度显著增加， 严重制约了煤矿安全高效生产。为此，本文采用理论分析、数值模拟与现场试验相结合 的综合研究方法，研究了“煤柱-顶板”力学系统尖点突变机制和动载巷道围岩冲击失稳机 制及冲击危险防治技术，取得的主要成果如下 （1）基于尖点突变理论，对“条带煤柱-顶板”系统进行了稳定性分析，得出了“条 带煤柱-顶板”力学系统的势函数，获得了系统发生冲击失稳的必要条件，并对系统发生 冲击失稳时能量释放量进行了算例分析，结果表明随着条带开采采出率的增加， “条带 煤柱-顶板”系统煤柱压缩量及冲击失稳能量释放量也随之增加。 （2） 通过对动载巷道围岩稳定性进行分析， 建立了动静载作用下巷道冲击地压启动 力学模型，推导出了巷道围岩冲击地压发生的能量判据，并且对动载扰动作用下巷道围 岩弹性能演化规律进行了算例分析，结果表明动载强度值越大，衰减系数越小，则巷 道围岩积聚的弹性能越大，从而促使巷道围岩裂隙发育扩展并相互贯通，裂隙越发育， 巷道围岩刚度下降极易诱发巷道冲击失稳。 （3）基于 FLAC 数值模拟软件，研究揭示了深部条带开采不同煤层埋深、煤层厚 度及煤层倾角的煤层过程中，条带煤柱应力、变形及弹性应变能演化规律和分布特征。 通过对比分析采深、煤厚及倾角变化时，条带煤柱应力、变形及弹性应变能变化规律可 知，煤层埋深变化对条带煤柱的稳定性影响程度最大，煤层倾角变化次之，煤层厚度变 化对条带煤柱的稳定性影响程度最小。 （4）运用 FLAC 数值软件，模拟分析了煤层埋藏深度、煤层厚度、钻孔间距及钻 孔直径变化对煤层钻孔卸压效果的影响。 结果表明 当卸压钻孔直径及钻孔长度一定时， 煤层埋深越大及煤层厚度越厚，煤层钻孔卸压效果越显著；当煤层埋深及厚度一定时， 钻孔间距越小及钻孔直径越大，钻孔卸压效果越显著。 （5）基于上述研究，提出了深部条带开采诱发冲击危险的“区域、局部及定点”多参 数联合预警与解危方法。 关键词关键词冲击地压；条带煤柱；尖点突变；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文ABSTRACT ABSTRACT With mining depth of coal mines develop toward deep, the frequency and disaster degree of rock burst induced by significantly increased, which seriously restricted coal mine safety and high effective production. Therefore, in this dissertation, theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring were used to study on the cusp mutation mechanism of “pillar-roof” mechanics system, impactive instability mechanism of dynamic loading roadway and technology of rock burst prevention and control. The main achievements are as follows （1）Based on theory of cusp mutation, stability of “strip coal pillar-roof” system was analyzed; potential function of “strip coal pillar-roof” system was solved; the necessary condition of system rock burst was obtained; at the same time, energy release value of system rock burst was researched by numerical examples. The results showed that with the strip mining recovery rate increased, compressed volume of stirp pillar and energy value of shock instability would increased. （2）Through stability analyses of dynamic load roadway, start mechanical model of roadway rock burst induced by dynamic and static load; energy criterion of roadway rock burst was derived, and elastic energy evolution law of roadway under dynamic load disturbance were analyzed by numerical examples. The result showed that the greater dynamic load value and the smaller attenuation coefficient were, the bigger elastic energy accumulation of roadway surrounding rock, so that roadway surrounding rock fracture extension and inter-permeation, crack development, stiffness of roadway surrounding rock fall, which easily induced rock burst. （3 ）Through FLAC numerical simulation software, evolution laws and distribution characteristics ofstrip stress, deation and elastic strain energy were revealed in deep different strip mining coal seam depth, seam thickness, and seam dip angle. By comparing and analyzing the change laws of strip pillar stress, deation and elastic strain energy during strip mining, the influence of mining depth on the stability of strip pillar was the biggest; coal seam dip was second to burial depth, and the thickness of coal seam was minimum. （4）The influence of buried depth, thickness of coal, drilling diameter and space on the effect of pressure relief were studied by using FLAC numerical simulation software. The results showed that the greater depth of coal seam and coal thickness, the better of the pressure relief remarkably when destressing drill hole diameter and space were ensured; the smaller destressing drill hole space and the bigger drill hole, the better of the pressure relief, when coal 万方数据 山东科技大学硕士学位论文ABSTRACT seam mining depth and coal thickness were given. （5）Based on above research, “region, local and designated” multi-parameter joint early warning and controlling was put forward, which was aimed at rock burst induced by deep strip mining. Keywords rock burst;strip pillar; cusp catastrophe; numerical modeling 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 i 目目 录录 1 绪论绪论...............................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.....................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.....................................................................................................................2 1.3 主要研究内容及技术路线....................................................................................................6 2 条带开采诱发煤柱冲击危险理论研究条带开采诱发煤柱冲击危险理论研究..........................................................................8 2.1 条带开采诱发煤柱冲击危险影响因素...............................................................................8 2.2 条带煤柱-顶板系统挠曲线方程理论解..............................................................................9 2.3 条带煤柱冲击危险的尖点突变机制.................................................................................15 2.4 动载扰动下诱发巷道围岩冲击理论研究.........................................................................21 2.5 本章小结............................................................................................................................... 26 3 典型地质因素对条带煤柱稳定性影响的数值模拟研究典型地质因素对条带煤柱稳定性影响的数值模拟研究.....................................27 3.1 煤层埋深变化对条带煤柱稳定性影响研究.................................................................... 27 3.2 煤厚变化对条带煤柱稳定性影响研究.............................................................................37 3.3 煤层倾角变化对条带煤柱稳定性影响研究.................................................................... 43 3.4 本章小结............................................................................................................................... 48 4 深部条带开采冲击危险防治技术深部条带开采冲击危险防治技术及应用及应用...................................................................49 4.1 条带工作面工程概况..........................................................................................................49 4.2 条带工作面冲击危险性评估..............................................................................................50 4.3 冲击危险监测预警技术......................................................................................................55 4.4 大直径钻孔卸压解危技术..................................................................................................60 4.5 冲击危险多参数联合预警与解危方法.............................................................................73 4.6 本章小结............................................................................................................................... 75 5 主要结论及展望主要结论及展望....................................................................................................................76 5.1 主要结论............................................................................................................................... 76 5.2 展望........................................................................................................................................77 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 ii 致谢致谢.................................................................................................................................................78 参考文献参考文献........................................................................................................................................79 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........................................................................84 万方数据 山东科技大学硕士学位论文contents iii Contents 1 Introduction...................................................................................................................................1 1.1 Backgrounds and Signification of Project................................................................................................1 1.2 Current Study at Home and Abroad......................................................................................................... 2 1.3 Main Research Contents and Technical Routes....................................................................................... 6 2 Theoretical Study on Pillar Rock Burst Risk Induced by Strip Mining.............................8 2.1 Influence Factors of Pillar Rock Burst Risk Induced by Strip Mining....................................................8 2.2 Theoretical Solution of Deflection Curve Equation of Coal Strip Pillar and Roof System.................... 9 2.3 Cusp Catastrophe mechanism of Strip Pillar Rock Burst Danger..........................................................15 2.4 Theoretical Study on Roadway Rock Burst Induced by Dynamic Load...............................................21 2.5 Brif Summary..........................................................................................................................................26 3 Numerical Simulation Study on Stability of Strip Pillar Influenced by Typical Geological Factors..........................................................................................................................27 3.1 Study on Stability of Strip Pillar Influenced by Mining Depth............................................................. 27 3.2 Study on Stability of Strip Pillar Influenced by Thickness of Coal Seam.............................................37 3.3 Study on Stability of Strip pillar Influenced by Coal Seam DipAngle.................................................43 3.4 Brif Summary..........................................................................................................................................48 4 Prevention and Control and Application of Rock Burst Risk Induced by Deep Stirp Mining....................................................................................................................................49 4.1 Engineering Situation of Stirp Working Face.........................................................................................49 4.2 Rock Burst Risk Assessment of Strip Working Face.............................................................................50 4.3 Rock Burst Risk Monitoring and Warning Technology.........................................................................55 4.4 Large Diameter Drilling Pressure Relief Technology............................................................................60 4.5 Muti-Parameter Joint Warning and Danger-Breaking of Rock Burst Risk............................................73 4.6 Brief Summary........................................................................................................................................75 5 Main Conclusions and Prospects..............................................................................................76 5.1 Main Conclusions...................................................................................................................................76 5.2 Research Prospects................................................................................................................................. 77 Acknowledgements........................................................................................................................ 78 References........................................................................................................................................79 MainAchievements During the Master.....................................................................................84 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 研究背景及意义研究背景及意义 我国是当今世界上最大的煤炭生产国和消费国，且已探明的煤炭资源量约占全球总 量的 12.1。长期以来，煤炭在我国化石能源消费结构中占据显著地位，是我国现代化 经济建设强有力的重要保障之一。在一次能源消费结构中，煤占 70左右，预计到本世 纪中叶年煤炭在我国能源消费结构中仍能占据近 50的比重[1-2]。近几年来，煤炭开采深 度越来越大， 平均以每年 8～12m 的速度逐渐向深部发展[3]。 我国东部许多矿区已进入或 正在进入深部开采阶段，且大部分矿区为了延长矿井服务年限和最大限度的提高资源采 出率，已开始进行深部“三下”压煤的条带开采。 随着矿井开采深度的增加，之前一些没有发生过冲击地压的矿井，现在已经开始发 生；且已发生过冲击地压的矿井，现在发生冲击的强度越来越强，发生冲击地压的频率 越来越高，同时造成矿井灾害程度也更加严重及其诱冲机理也将更加复杂[4-5]。1949 年 以前我国确定冲击地压矿井个数仅有 2 个，但是到目前为止已确定为冲击地压矿井的数 量已达 100 多个。虽然近年来采取了相应的冲击地压防治措施，但是从我国煤矿的开采 实践看，冲击地压矿井数量将逐渐增多，其灾害程度将进一步增加。据不完全统计“十一 五”期间，全国共发生煤矿重特大事故 149 起，年均 29.8 起，占我国各类重特大事故总 数的 34.73[6]。 根据中国煤矿开拓系统按深度将矿井划分为400m 为浅矿井，400m-800m 为 中深矿井，800m-1200m 为深部矿井，≥1200m 为特深矿井。对于国外具有深井开采历史 的国家通常认为矿井开采深度超过 600m 即为深部开采矿井。 条带开采自 1967 年在我国初次应用以来， 在数十个矿区取得广泛的应用与普及， 较 好的解决了“三下”压煤的保护开采问题。但随着我国煤矿开采由浅部开采逐渐向深部开 采转变，条带煤柱的受力状态及力学性质等均较浅部发生了巨大的变化，且深部条带开 采极易引起煤柱应力高度集中和弹性能积聚，从而导致煤柱诱发冲击。在深部条带开采 过程中，条带煤柱的长期持久稳定是保障条带开采能否成功的重要因素。条带开采煤岩 体力学系统是一个典型的开放系统，与其自身岩性及赋存环境有着密切的关系，其失稳 和破坏是典型的非线性过程。此外，由于深部煤岩体较浅部更能突显出漫长的地质历史 形迹和近代地质环境下的复杂力学特性，条带开采过程中顶板或底板由于开采引起的煤 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 岩体受力状态的改变，都可能引起条带煤柱边缘屈服或者剥离，导致条带煤柱缓慢或突 然瞬时失稳，从而诱发煤柱型冲击地压。 研究深部条带开采诱冲机制，分析深部条带开采煤柱变形、应力及弹性能演化规律 和防治技术，掌握深部条带开采诱冲机理，对不同危险等级区域有的放矢地采取相应的 冲击危险解危措施，以确保深部条带煤柱的支撑性能，以至于抑制或避免冲击灾害的发 生。 基于上述认识， 本课题结合国家自然科学基金项目“深部条带煤柱开采冲击地压诱灾 机理及防治理论基础（NO.51374140）”，开展深部条带开采煤柱变形、应力及弹性应变 能积聚规律及冲击危险解危技术等方面的研究， 对于保障深部条带开采安全、 稳定生产， 具有一定的指导意义和应用价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 冲击地压机理的研究现状冲击地压机理的研究现状 冲击地压机理研究是开展冲击地压预测预报及防控技术的基础，因此，国内外众多 学者在现场调研和室内试验研究的基础上，从煤岩体强度、稳定及能量等理论方面对冲 击地压的孕育与发生机理进行了研究，并形成了一系列经典冲击地压理论。 （1）强度理论 强度理论主要研究巷道和采场周围应力集中致使岩石破坏的原因，并认为当应力集 中程度达到煤岩体极限时，高应力煤岩体将发生突然破坏，从而诱发冲击地压的发生。 近代强度理论认为当煤岩体所承受的应力超过其极限强度时，则诱发冲击。 （2）刚度理论 刚度理论是 Cook 等人[7]于 20 世纪中期基于单轴压缩试验总结得出的，认为井下矿 柱-围岩关系可以比拟为试件与试验机的关系，即诱发冲击地压的必要条件是矿山结构 （矿体）的刚度大于矿山负荷（围岩）的刚度。 （3）能量理论 能量理论是由 Cook 等人总结十几年冲击地压研究成果的基础上总结提出的。该理 论认为在煤岩层采动过程中，若矿体围岩原有的系统力学平衡状态被破坏，剩余能量 产生震动，从而使煤岩块体剥离岩体并抛出等动力现象，系统释放的能量大于所消耗的 能量，则会诱发围岩系统冲击。能量原理阐述了煤层与顶、底板围岩在破坏过程中能量 的转换关系，且在此后的研究工作中，Petukhov、Jacobi 及 Bbu Hoino 等对这一理论做了 进一步完善[8-10]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 （4）冲击倾向性理论 冲击倾向性理论是众多学者在室内试验和现场研究的基础上总结出来的。该理论认 为，煤岩体的冲击倾向性是发生冲击的必要条件，当煤岩体的冲击倾向度大于它的临界 值时，便发生冲击地压。表征煤岩体冲击倾向性的指标很多，其中常用的三个冲击倾向 性指标弹性能指标 WET、冲击能量指标 KE、煤的动态破坏时间 DT[11-12]。但是在实践 中，却不能仅依靠室内测定的煤岩体冲击倾向性指标作为判定冲击危险是否发生的唯一 依据。 （5）“三准则”理论 基于强度理论、能量理论及冲击倾向性理论的研究，并结合国内外冲击地压研究成 果，我国学者李玉生[13-14]提出了冲击地压发生的“三准则”理论，即“强度准则、能量 准则及冲击倾向性准则” 。