急倾斜特厚煤层水平分段开采夹持型冲击失稳机理研究.pdf

国家重点研发计划（2016YFC0801403） 国家自然科学基金（51874292, 51804303） 江苏省重点研发计划（BE2015040） 江苏省自然科学基金（BK20180643） 江苏省普通高校研究生培养创新工程资助项目（KYCX17_1556） 中央高校基本科研业务费专项资金资助（2017BSCXB45） 博士学位论文 急倾斜特厚煤层水平分段开采 夹持型冲击失稳机理研究 Mechanism of Clamping Rockburst in Horizontal Section Mining of Steeply Inclined, Extra-Thick Coal Seam 作 者王正义 导 师窦林名 教授 中国矿业大学 二○一九年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、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学校档案馆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。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD324 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 急倾斜特厚煤层水平分段开采 夹持型冲击失稳机理研究 Mechanism of Clamping Rockburst in Horizontal Section Mining of Steeply Inclined, Extra-Thick Coal Seam 作 者 王正义 导 师 窦林名 教授 申请学位 工学博士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 灾害防控 答辩委员会主席 张农 评 阅 人 盲 审 二○一九年五月 万方数据 致 谢 致 谢 岁月匆匆，光阴易逝，追忆五年的研究生生涯，感慨万千回想求学生活的点点滴 滴， 曾为成果不佳而焦虑， 也曾为试验出错而苦恼。 不经一番寒彻骨， 哪得梅花扑鼻香， 在毕业论文定稿之际， 我怀揣着无比激动的心情， 感谢一路走来的各位老师和师兄弟们， 在你们的指引和帮助下，让我砥砺前行，走到今天 首先，我要真诚地感谢我的导师窦林名教授。窦老师为人质朴、待人随和，在学习 和生活上给予了我极大的关怀与支持； 窦老师广阔的学术视野以及深刻的学术见解深深 地影响着我，在浩瀚的学术海洋里始终为我指引着方向。研究生期间开始撰写学术论文 的时候得到了导师的鼓励， 增强了我在科研的道路上走下去的信心。 在窦老师的带领下， 深入煤矿现场，了解实际存在的问题，为我的研究打开了新的思路。承蒙导师的赏识， 能够在导师的门下继续攻读博士学位。在撰写毕业论文的过程中，反复与导师讨论了论 文的选题、内容和章节安排，论文的成果凝结着导师精益求精的学术精神。在此向我的 恩师窦林名教授表达我诚挚的敬意和感谢 特别感谢课题组何江副教授， 他灵活跳跃的学术思维和风趣幽默的气质深深感染了 我。毕业课题来自现场实际问题，从问题提出、模型构建，再到结果讨论、现场验证， 何老师总能给予有价值的启发，让我豁然开朗；幽默的性格、睿智的思路，让学术课题 变得深入浅出，让现场问题迎刃而解，着实是我的良师益友。 特别感谢牟宗龙教授、曹安业教授、巩思园副研究员在博士阶段给予的指导，在论 文结构、论文框架方面提出的建设性意见。特别感谢王桂峰副研究员、蔡武讲师、李许 伟讲师在实验设计、论文写作过程中提出的宝贵建议和帮助，让我获益匪浅。特别感谢 新疆大学温颖远讲师、北京科技大学李振雷讲师、西安科技大学朱广安讲师在学习和生 活上的帮助。 论文的顺利完成同样离不开课题组师兄弟们的鼎力相助。感谢沈威博士、刘广建博 士、刘志刚博士、王盛川博士、郭文豪博士在论文写作过程中给予的建议。感谢张敏博 士、冯龙飞硕士、康凯硕士、解嘉豪硕士、马滕飞硕士等在数据计算、模拟分析研究过 程中提供的帮助。感谢周坤友博士、曹晋荣博士、白金正硕士、李安宁硕士、陈为帅硕 士在资料收集资料方面提供的帮助。感谢柴彦江博士、阚吉亮硕士、韩泽鹏硕士、王孟 琦硕士、孙宇俊硕士、刘全硕士、郝晓琦硕士、关德位硕士在实验过程给予的帮助。感 谢王翰秋硕士、王崧玮硕士、杨景硕士、曹京龙硕士、山长昊硕士的陪伴。五年的学习 和生活经历十分珍贵，每每想起过往点滴，终生难忘，在此向他们表示衷心的感谢。 感谢莫纳什大学李静博士在学术论文发表上提供的建议与帮助。 感谢郑西贵教授在 我初入大学时的科学引导，使我坚定选择了科研之路。 感谢中国矿业大学李学华教授、刘长友教授以及西安科技大学伍永平教授、大同煤 矿集团公司总工程师于斌教授在论文选题过程中给予的指导。 万方数据 感谢窑街煤电集团袁崇亮总工程师，窑街三矿王永忠矿长、矿压办张强主任等各位 领导、工程技术人员及各位朋友，感谢你们多年来给予的诸多帮助和指导 感谢矿业工程学院、煤炭资源与安全开采国家重点实验室、深部煤炭资源开采教育 部重点实验室、江苏省矿山地震监测工程实验室及采矿工程系的各位老师、领导无微不 至的关怀和指导。 特别感谢我的父母，您们的理解与支持是我近三十年来求学生涯的前进动力，感谢 您们多年的默默付出，为我的学业攀峰之路提供最为坚强的后盾。特别感谢李琪女士在 学习和生活中的关心与陪伴，希望我们能携手一生，走的更远。 感谢各位论文评审专家和答辩专家委员感谢你们在百忙之中评审本论文，衷心感 谢您们的指导和帮助 王正义 2019 年 5 月 于中国矿业大学矿业科学中心 万方数据 I 摘 要 摘 要 冲击矿压是典型的煤岩动力灾害之一，随着开采深度与强度的增大，冲击矿压灾害 越来越严重。其中，在急倾斜特厚煤层分段开采过程中也发生了冲击动力灾害，严重影 响矿井正常安全生产。 因此研究急倾斜分段开采条件下冲击矿压机理与防治问题具有重 要的理论意义及实用价值。论文综合采用现场调研、理论分析、物理模拟试验、数值模 拟试验及工程实践等方法，开展了急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击机理研究。 分析了急倾斜分段开采冲击显现特征。 急倾斜分段开采采场煤体具有夹持受载特性， 顶底板两侧煤体的冲击显现具有非对称性。分段开采工作面和巷道冲击显现存在差异， 采场冲击发生次数少于巷道冲击但破坏程度大于后者， 采动影响是巷道冲击的主要诱因。 研究了急倾斜分段开采夹持煤体受力及动载扰动特征。 基于受力状态将夹持煤体划 分为三角塑性区，深部塑性区，深部弹性区和原岩应力区，其中深部塑性区和深部弹性 区均属于深部承载区，是采动应力的主要承载区域。当夹持煤体处于本分段工作面回采 影响期间，覆岩运移活动性增强且采动应力增大。通过建立覆岩破断释放能量、矿震能 量、质点峰值振动速度和动载扰动的互相联系，推导出覆岩破断诱发动载的表达式。高 位关键层破断会引起下位关键层的同步提前破断， 覆岩协同破断时对采场煤体的动载扰 动是多层覆岩破断诱发动载的叠加。覆岩铰接结构失稳类型主要包括滑落失稳、回转变 形失稳和铰接岩块再次破断，滑落失稳主要发生在铰接结构的上拱脚，而回转失稳主要 发生在下拱脚。铰接结构瞬时失稳同样会诱发动载荷，按照第 II 类煤矿动载估算。 揭示了急倾斜分段开采夹持型冲击失稳机理。 提出了急倾斜分段开采的夹持冲击类 型（采场冲击型和巷道冲击型）并建立了冲击失稳判别准则。急倾斜分段开采采场冲击 发生位置在夹持煤体，而冲击显现位置在工作面；通过相似模拟试验再现和验证了急倾 斜采场冲击发生过程；基于现场显现情况验证了底板（底煤）动力抬升和挤压是急倾斜 分段开采采场支护冲击破坏的主要诱因。静态巷道围岩破坏以顶底板为主，两帮次之。 处于围岩高应力区的巷道深部围岩，在外界动载下会加剧其发生压剪破坏；处于围岩应 力降低区的巷道浅部围岩则主要受动载应力的反射拉伸破坏。 近直立煤层巷道冲击显现 表现为以帮鼓最为严重（岩帮侧帮鼓大于煤帮侧） ，底鼓和顶板下沉次之。 提出了急倾斜分段开采冲击矿压防治对策， 包括适合急倾斜分段开采的冲击危险性 评价的综合指数法、监测预警体系和防控技术；防控措施主要包括选择合理的急倾斜 分段垂高，确定安全的采掘相对距离，针对防冲开展采场支架和巷道支护选型和参数设 计以及优化煤岩体卸压方案。研究成果在窑街三矿进行了工程实践，减冲效果显著，取 得了良好的社会经济效益。 该论文有图 126 幅，表 33 个，参考文献 206 篇。 关键词关键词冲击矿压；急倾斜特厚煤层；分段开采；夹持型冲击；覆岩结构；动载扰动 万方数据 II Abstract Rockburst is one of the characteristic coal-rock dynamic disasters. With the increase of mining depth and intensity, rockburst disasters become more and more serious. Therein, the dynamic disasters have also occured in horizontal section mining of steeply inclined, extra- thick coal seam, which seriously affects the normal safety of mine production. Therefore, it is of great significance and practical value to study the mechanism and prevention of rockbursts under sublevel mining of steeply inclined coal seam. For this reason, the rockburst mechanism of horizontal sublevel mining in steeply inclined and extra-thick coal seam was studied by field investigation, theoretical analysis, physical simulation test, numerical simulation test and engineering practice. Statistical analysis was made on the rockburst characteristics in horizontal section mining of steeply inclined, extra-thick coal seam. The coal seam in sublevel mining is clamped between the roof and floor and the dynamic appearances on both sides of roof and floor are asymmetric. There are differences between stope rockburst and roadway rockburst. The frequency of stope rockburst is less than that of roadway rockburst, while the degree of damage is greater than that of the latter. Moreover, extractive activities is the main cause of roadway rockbursts. The characteristics of load-bearing for clamped coal mass and dynamic disturbances in subsection mining were analyzed and studied. The mining stress fields of clamped coal mass can be divided into four parts, including triangular plastic zone, deep plastic zone, deep elastic zone and original stress zone. The deep plastic zone and deep elastic zone both belong to deep bearing zone, and are the main bearing zone of mining-induced stresses. When the clamped coal mass is under the mining influence of current sublevel working face, the movement activities of overlying strata and the mining-induced stresses both increase. The expression of dynamic loads induced by overburden breaking was deduced by establishing the relationship among the energy released in overburden breaking, microseismic energy, peak vibration velocity of particles and dynamic disturbances. The breaking of high key strata can lead to the synchronous breaking of lower key strata in advance. Besides, the dynamic disturbance effected on coal mass is the superposition of dynamic loads induced by multi-layer overlying strata breaking when overlying strata break synergistically. The instability types of overburden articulated structures mainly contains sliding instability, rotational deation instability and further breakage for articulated rock blocks. The sliding instability occurs at the upper arch foot of articulated structures, while the rotational instability occurs at the lower arch foot. Dynamic loads can be also induced by the instantaneous instability of articulated structures, which is estimated according to dynamic loads of type II in coal mines. 万方数据 III The mechanism of clamping rockburst instability in horizontal section mining of steeply inclined, extra-thick coal seam was revealed. The rockburst type and discriminant criterion of clamped coal mass suitable for subsection mining were put forward and established, including the stope rockburst type and roadway rockburst type. The occurring position of stope rockburst is inside the coal mass, while its appearing position is in the sectional working face. In addition, the occurring process of stope rockburst was reproduced and verified by similar simulation test. Based on the in-situ rockburst situation, it is verified that the dynamic lifting and extrusion of supporting floor bottom coal is the main cause of impact damages of hydraulic supports. Moreover, quasi-static failures of roadway surrounding rocks mainly occur at the roadway roof and floor, followed by two sides. External dynamic loads can aggravate the compression-shear failures of deep roadway surrounding rocks in high-stress zones, while shallow roadway surrounding rocks in stress-relaxed zones is mainly subjected to reflection-tension failures under dynamic loads. The roadway rockburst in near vertical coal seam shows that the chief destruction is the side heave of roadway side heave of rock side is larger than that of coal side, followed by the floor heave and roof subsidence. The strategy of rockburst control in horizontal section mining of steeply inclined, extra- thick coal seam was put forward, including comprehensive index uation , monitoring and early warning system and prevention s adapted to subsection mining. The prevention measures mainly contains selecting reasonable subsection vertical height, determining safe relative distances of excavations, selecting type and designing parameters of supports in stope and roadway for resisting rockbursts, as well as optimizing pressure-relief schemes. The research results were applied in Yaojie No. 3 coalmine, and achieved remarkable control effects and good social and economic benefits. The dissertation contains 126 figures, 33 tables and 206 references. Keywords Rockburst; Steeply inclined extra-thick coal seam; Horizontal section mining; Clamping rockburst; Overburden structure; Dynamic disturbance 万方数据 IV 目 录 目 录 摘摘 要要 ......................................................................................................................................... I 目目 录录 ...................................................................................................................................... IV 图清单图清单 ................................................................................................................................... VIII 表清单表清单 .................................................................................................................................... XV 变量注释表变量注释表 ......................................................................................................................... XVII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................................ 1 研究背景及意义 ................................................................................................................. 1 国内外研究现状 ................................................................................................................. 2 主要研究内容与方法 ......................................................................................................... 8 2 急倾斜分段开采夹持煤体受力及影响因素分析急倾斜分段开采夹持煤体受力及影响因素分析 .............................................................. 10 急倾斜分段开采冲击显现特征 ....................................................................................... 10 煤岩层冲击倾向性及物理力学参数测定 ....................................................................... 15 采场夹持煤体承载特征 ................................................................................................... 16 三角塑性区受力分析 ....................................................................................................... 18 深部承载区采动应力分析 ............................................................................................... 20 夹持煤体受力及分区的影响因素分析 ........................................................................... 27 2.7 小结 ................................................................................................................................... 36 3 急倾斜分段开采覆岩破断失稳及其诱发动载扰动规律急倾斜分段开采覆岩破断失稳及其诱发动载扰动规律.................................................. 38 覆岩破断及其诱发动载扰动规律 ................................................................................... 39 覆岩铰接结构失稳及其诱发动载扰动规律 ................................................................... 47 小结 ................................................................................................................................... 54 4 急倾斜分段开采覆岩演化及采动应力分布特征数值模拟急倾斜分段开采覆岩演化及采动应力分布特征数值模拟 ............................................. 55 数值模型与方案 ............................................................................................................... 55 覆岩运移及夹持煤体受载演化过程 ............................................................................... 58 煤层倾角对覆岩运移及采动应力分布的影响 ............................................................... 64 煤层真厚对覆岩运移及采动应力分布的影响 ............................................................... 68 小结 ................................................................................................................................... 71 5 急倾斜分段开采夹持型冲击机理急倾斜分段开采夹持型冲击机理 ...................................................................................... 73 夹持冲击概念类型 ........................................................................................................... 73 急倾斜煤层采场冲击及支护破坏分析 ........................................................................... 75 动载诱发急倾斜采场冲击的相似模拟试验 ................................................................... 88 万方数据 V 急倾斜煤层巷道围岩稳定性及冲击破坏特征 ............................................................. 100 小结 ................................................................................................................................. 124 6 急倾斜分段开采冲击矿压防治对策及工程实践急倾斜分段开采冲击矿压防治对策及工程实践 ............................................................ 126 急倾斜分段开采冲击矿压防治对策 ............................................................................. 126 窑街三矿急倾斜分段开采防冲实践 ............................................................................. 135 小结 ................................................................................................................................. 149 7 结论与展望结论与展望 ........................................................................................................................ 151 研究结论 ......................................................................................................................... 151 创新点 ............................................................................................................................. 155 研究展望 ......................................................................................................................... 155 参考文献参考文献 ................................................................................................................................ 156 作者简历作者简历 ................................................................................................................................ 168 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................................ 170 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................................... 171 万方数据 VI Contents Abstract .................................................................................................................................... II Contents ...........................................................................................................