湖西矿井31202工作面冲击地压发生机制与防冲技术研究.pdf

分类号分类号TD353 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 湖西矿井湖西矿井31202工作面工作面冲击地压发生冲击地压发生 机制与防冲技术研究机制与防冲技术研究 武光峰武光峰 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 指导教师姓名指导教师姓名梁梁 赛赛 江江 职职 称称讲讲 师师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一二〇一八八年五月年五月 万方数据 论文题目 湖西矿井湖西矿井 31202 工作面工作面冲击地压发生冲击地压发生 机制与防冲技术研究机制与防冲技术研究 作者姓名作者姓名 武武 光光 峰峰 入学时间入学时间 2015 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 梁梁 赛赛 江江 职职 称称 讲讲 师师 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 The coal mine 31202 working face of rockburst mechanism and scour prevention technology research A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wu Guangfeng Supervisor Lecturer Liang Saijiang College of Mining and Safety Engineering May 2018 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，除所列参考文献和本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世世所所公认公认 的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指学位论文并向国家有关部门或其指 定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案 馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开 的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏 览。览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 冲击地压是矿山灾害形式中造成人员伤亡、经济损失最为严重的灾害之一， 而且随着采深的日益增加，已逐渐成为威胁煤矿安全生产的重大隐患之一。作为 煤矿的主要动力灾害，冲击地压的发生机理复杂、影响因素多、治理难度大，至 今尚未从根本上解决有效预测和科学防治的问题。 本文以湖西矿井 31202 工作面具体地质生产条件为背景，采用室内试验、理 论计算、数值模拟等相结合的方法，对湖西矿井 31202 工作面进行覆岩运动规律、 采动应力演化的研究，进而得出冲击地压的发生机制，并以此为依据制定相应监 测、治理方案。对 31202 工作面顶板岩层进行力学性质测试，主要测试岩体物理 力学性质包括抗压强度及抗拉强度；研究载荷三带与“传统三代”之间的差异性 以及采掘不同阶段载荷三带时空演化规律，推导载荷三带的厚度及应力变化的理 论计算公式，得出延时加载带、及时加载带对工作面的超前支承压力的影响范围； 利用 FLAC 3D 数值模拟软件，模拟工作面回采过程不同阶段超前支承压力的分布 特征，将模拟数据与载荷三带计算结果进行对比分析；基于上述研究成果，综合 经典强度理论，得出 31202 工作面冲击地压发生机制，进而制定合理的矿压监测 方案以及冲击地压防治方案。本论文研究结果集冲击地压发生机制、监测与预防 于一体，对类似地质条件下工作面的冲击地压防治有一定的借鉴意义。 关键词关键词冲击地压，载荷三带结构模型，数值模拟，发生机制 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract The rock burst is one of the mine disasters that presents the most significant casualties and economic losses, And with the increasing depth of mining, it has become one major hidden danger in mine production. Rock burst, with complex occurrence mechanism, multiple influence factors and hard management, is the main dynamic catastrophe of coal mine. The problem of effective prediction and scientific prevention has not been solved so far. This paper, taking the specific geological conditions of the 31202 working face of the Hu Xi mine as the background, adopts the of combining with indoor test, theoretical calculation and numerical simulation and studies the movement of overlying strata and the evolution of mining stress in the 31202 working face of the Huxi Mine. Next, the mechanism of the occurrence of rock burst was derived, and based on this, a corresponding monitoring and treatment plan was ulated. The mechanical properties of the roof rock in the 31202 working face, especially the main physical and mechanical properties of the rock mass including compressive and tensile strength, were tested. Then, the difference between the “load three belt” and the “traditional three generation” and the temporal and spatial evolution rules of the “load three belt” in different excavation stages are studied, and the theoretical calculation of the “three zones of load” is derived. This paper deduces the theoretical calculation ula of the thickness and stress variation of three zones of load, and obtains the influence range of the delayed loading belt and the timely loading belt on the leading bearing pressure of the working face. The FLAC 3D numerical simulation software was used to simulate the distribution characteristics of 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III advance bearing pressure at different stages of the working face, and the simulated data was compared with the calculated results of the three zones of load. Based on the above research results, the classical strength theory was used to obtain the mechanism of rock burst in the 31202 working face, and then a reasonable mine pressure monitoring program and a rock pressure control program were developed. The research results of this paper integrate the mechanism of rock burst occurrence, monitoring and prevention, and have certain reference value for the control of the rock burst under the working conditions of similar geological conditions. Key words rock burst; “ three zones of load” structural model; numerical simulation; mechanis 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 ......................................................................................................... I 目目 录录 .................................................................................................. IV 1 绪绪 论论 .................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 ........................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................... 3 1.3 研究内容及技术路线 ................................................................................... 6 2 工程概况与煤岩体力学性质测试工程概况与煤岩体力学性质测试 ..................................................... 8 2.1 31202 工作面概况 ........................................................................................ 8 2.2 煤（岩）层赋存特征 ................................................................................. 10 2.3 水文地质构造 ............................................................................................. 10 2.4 煤岩力学性质测试 ..................................................................................... 12 2.5 小结 ............................................................................................................. 17 3 基于载荷三带的冲击地压分析及其工程应用基于载荷三带的冲击地压分析及其工程应用 ............................... 18 3.1 载荷三带结构模型基本概念 ..................................................................... 18 3.2 采掘不同阶段载荷三带时空演化规律 ..................................................... 21 3.3 载荷三带评价指标理论计算 ..................................................................... 24 3.4 小结 ............................................................................................................. 33 4 31202 工作面采动应力演化的数值模拟研究工作面采动应力演化的数值模拟研究 ................................ 34 4.1 数值模型建立与模拟方案 ......................................................................... 34 4.2 31202 工作面采动应力演化动态过程 ...................................................... 36 4.3 模拟结果分析与对比验证 ......................................................................... 40 4.4 小结 ............................................................................................................. 41 5 工作面回采期间冲击地压防治技术研究工作面回采期间冲击地压防治技术研究 ......................................... 42 5.1 31202 工作面冲击发生机制 ...................................................................... 42 5.2 31202 工作面冲击危险区域划分 .............................................................. 43 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5.3 31202 工作面冲击地压监测方法选择 ...................................................... 46 5.4 31202 工作面冲击地压防治方案 .............................................................. 50 5.5 工作面冲击地压防治措施效果检验 ......................................................... 53 5.6 小结 ............................................................................................................. 54 6 结论与展望结论与展望 ........................................................................................ 56 6.1 主要结论 ..................................................................................................... 56 6.2 展望 ............................................................................................................. 57 参考文献参考文献 .................................................................................................. 58 致致 谢谢 ...................................................................................................... 62 攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况 ......................................... 63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents Abstract ...................................................................................................................... ⅡⅡ Contents ...................................................................................................................... ⅥⅥ 1 Introduction ........................................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significance ........................................................................... 1 1.2 Research Status ................................................................................................................ 3 1.3 Research Contents and Technical Route .......................................................................... 6 2 Project Profile and test of mechanical properties of coal and rock mass ......... 8 2.1 31202 Working Face Profile ............................................................................................ 8 2.2 Coal Rock Bed Storage Feature .................................................................................. 10 2.3 Hydrogeological Structure ............................................................................................. 10 2.4 Test of Mechanical Properties of Coal and Rock ........................................................... 12 2.5 Summary ........................................................................................................................ 17 3 Analysis and Engineering Application of Rock Burst Based on Three Zones of Load. 18 3.1 The Basic Concept of Three Zones of Load Structure Model ....................................... 18 3.2 The Temporal and Spatial Evolution Rule of Three Zones of Load at Different Stages of Mining ............................................................................................................................. 21 3.3 The uation Index Theoretical Calculation of Three Zones of Load ........................ 24 3.4 Summary ........................................................................................................................ 33 4 Numerical Simulation Study on Mining Stress Evolution of 31202 Working Face ..................................................................................................................... 34 4.1 Numerical Model Establishment and Simulation Scheme ............................................. 34 4.2 Dynamic Process of Mining Stress Evolutionof 31202 Working Face .......................... 36 4.3 Simulation Results Analysis and Comparison Verification ........................................... 40 4.4 Summary ........................................................................................................................ 41 5 Study on Prevention and Control Technology of Rock Burst During Mining Period .................................................................................................................. 42 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 5.1 Impact Mechanism of 31202 Working Face .................................................................. 42 5.2 Impact Hazard Zone Division of 31202 Working Face Area ........................................ 43 5.3 Selection of Monitoring for Rock Burst at 31202 Working Face ................... 46 5.4 Plan for Prevention and Control for Rock Burst on 31202 Working Face .................... 50 5.5 Effect Test of Prevention and Control Measures for Rock Burst at Working Face ....... 53 5.6 Summary ........................................................................................................................ 54 6 Conclusion ............................................................................................................ 56 6.1 Conclusion ..................................................................................................... 56 6.2 Expectation .................................................................................................. 57 Reference .................................................................................................................... 58 Acknowledgements .................................................................................................... 62 Academic Achievements and Awards Received During the Academic Degree .... 63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 我国煤炭储量巨大，是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，同时也是全世界 最大的煤炭生产、消耗国家。因为石油等不可再生资源日趋减少，且新兴能源风 能、太阳能等开发尚不成熟，所以在将来相当长的一段时间之内，支撑我国国民 经济社会发展的主要能源依旧是煤炭资源，这是我国在能源方面的基本国情。目 前，在我国消费的一次能源中，62以上来自煤炭[1]，煤炭资源依旧是我国的基本 燃料和重要的工业原料，煤炭在能源结构中生产比重和消耗比重一直占绝对位置， 如图 1.1 和图 1.2 所示。 图 1.1 近 10 年我国煤炭所占能源生产和消费比重图 Figure.1.1 The past 10 years Chinas coal share of energy production and consumption proportion map 近年来，由于采深不断加大，工作面地应力、温度、岩溶水温均比浅部工作 面的高出许多，在“三高”作用下的工作面煤岩的物理力学特性 与浅埋条件下相 比也有较大差别[2-4]。深部煤炭的开采工作将面临更为频繁和复杂的动力灾害，如 底板突水、冲击地压、煤与瓦斯突出等。其中，冲击地压是造成深埋条件下工作 面重大人员伤亡、经济损失的最主要灾害之一。国内外专家对冲击地压的发生机 制、防冲技术进行了大量深入的研究，取得了许多有益的成果[5-12]。但由于深埋条 件下岩体所处的应力场极为复杂，到目前为止，冲击地压的预测和防治依然是采 矿工程乃至整个岩石力学学科亟需解决的难题。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 图 1.2 2017 年我国煤炭所占能源生产和消费比重 Figure.1.2 The proportion of coal in energy production and consumption in 2017 由矿山压力与岩层控制可知，冲击地压发生机制及其监测、预防与上覆岩层 运动规律有密切联系，掌握采场的覆岩结构以及上覆岩层分层运动的规律，对于 预测冲击地压发生的时间、位置，并此为基础对冲击地压进行防治具有重要意义。 沿走向方向，上覆岩层的分层运动规律可以对顶板的来压时间与周期进行动态预 警，在冲击来压前，制定科学的防冲方案，防止冲击地压的发生；沿倾向方向， 根据上覆岩层分层运动的规律，针对工作面周边的高应力区域进行监测，指导与 调整相邻掘进或回采工作面的开拓设计及开采计划，避开应力集中区域，降低冲 击地压的发生几率。 湖西煤矿 31201 工作面主采 3上煤层，通过前期现场调研可知，3上煤层冲击倾 向性为强冲击倾向性，3上煤层顶板岩层同样具有冲击倾向性，且在 31201 工作面 回采过程中，已经出现了较为严重的煤炮等冲击地压现象，在一定的煤层赋存条 件、地质条件、开采条件以及大面积采空区悬顶等条件下，发生冲击地压的危险 性很大。31202 工作面是二采区布置的第二个工作面，紧邻 31201 工作面，地质条 件较复杂，面对冲击地压，工作面需要采取有效的防治