鲍店煤矿5306及103上04综放面冲击地压预测与防治技术研究.pdf

分类号分类号 TD32TD32密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 鲍店煤鲍店煤鲍店煤鲍店煤矿矿矿矿5305305305306 6 6 6及及及及101010103 3 3 3 上上上上0 0 0 04 4 4 4综放面冲击地 综放面冲击地综放面冲击地综放面冲击地 压预测与防治技术研究压预测与防治技术研究压预测与防治技术研究压预测与防治技术研究 屈庆贺屈庆贺 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名许许 东东 来来职职称称副副 教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名李李峰峰职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年十月二零零六年十月 山东科技大学硕士学位论文题目 2 鲍店煤矿鲍店煤矿鲍店煤矿鲍店煤矿 5306530653065306及及及及 103103103103 上上上上04 040404 综放面冲击地压综放面冲击地压综放面冲击地压综放面冲击地压 预测与防治技术研究预测与防治技术研究预测与防治技术研究预测与防治技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名 屈屈 庆庆 贺贺入学时间入学时间入学时间入学时间 20042004 年年 4 4 月月 领域名称领域名称领域名称领域名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向研究方向研究方向冲击地压预测与防治技术冲击地压预测与防治技术指指指指 导教师导教师导教师导教师 许许 东东 来来职职职职称称称称 副副教教授授 副指导教师副指导教师副指导教师副指导教师李李峰峰职职职职称称称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期20062006 年年 1010 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期20062006 年年 1010 月月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 山东科技大学硕士学位论文题目 3 PREDICTIONPREDICTIONPREDICTIONPREDICTIONANDANDANDAND CONTROLCONTROLCONTROLCONTROLFORFORFORFORROCKROCKROCKROCK BURSTBURSTBURSTBURST OFOFOFOF5306530653065306ANDANDANDAND 103103103103UPPER UPPERUPPERUPPER04 040404 MECHANIZEDMECHANIZEDMECHANIZEDMECHANIZED SUBLEVELSUBLEVELSUBLEVELSUBLEVEL CAVINGCAVINGCAVINGCAVING FACEFACEFACEFACE ININININ BAODIANBAODIANBAODIANBAODIAN COALCOALCOALCOAL MINEMINEMINEMINE A A A ADissertationDissertationDissertationDissertationtedtedtedtedinininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethetherequirementsrequirementsrequirementsrequirements ofofofof thethethethedegreedegreedegreedegree ofofofof MASTERMASTERMASTERMASTER OFOFOFOFENGINEERINGENGINEERINGENGINEERINGENGINEERING fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology bybybyby QuQuQuQu QingheQingheQingheQinghe SupervisorProfessorSupervisorProfessorSupervisorProfessorSupervisorProfessorXuXuXuXu donglaidonglaidonglaidonglai CollegeCollegeCollegeCollegeofofofof NaturalNaturalNaturalNatural ResourcesResourcesResourcesResources andandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEngineeringEngineeringEngineeringEngineering December.December.December.December. 2006200620062006 山东科技大学硕士硕士学位论文目录 目录 绪论绪论1 1 1 1 1 问题的提出1 2 国内外研究现状2 3 本文研究的主要内容4 1 1 1 1 10304103041030410304 工作面概况工作面概况6 6 6 6 1.1 工作面位置及井上下关系6 1.2 煤层及顶底板6 1.3 地质构造7 2 2 2 2 煤层冲击地压危险性分析煤层冲击地压危险性分析9 9 9 9 2.1 煤体冲击倾向性测定9 2.2 鲍店矿冲击地压案例分析10 3 3 3 3 冲击地压成因研究冲击地压成因研究11111111 3.1 自然因素11 3.2 开采因素11 3.3 冲击地压类型12 3.4 冲击地压成因分析13 4 4 4 4 冲击地压控制的数值模拟分析冲击地压控制的数值模拟分析20202020 4.1 RFPA 程序简介20 4.2 数值模拟21 4.3 模拟方案说明34 5 5 5 5 冲击危险防治的关键技术研究冲击危险防治的关键技术研究36363636 5.1 放顶煤开采的采场结构模型36 5.2 控制采场推进速度37 5.3 断层带预卸压技术37 5.4 冲击危险区域划分37 5.5 危险区域的确定38 山东科技大学硕士硕士学位论文目录 5.6 监测结果38 5.7 卸压措施39 5.8 103 上04 综放面接近断层时工作面冲击地压防治措施39 6 6 6 6 冲击地压监测冲击地压监测42424242 6.1 电磁辐射监测42 6.2 钻屑法煤粉监测43 6.3 矿震监测44 6.4 顶板动态法预测45 7 7 7 7 5306530653065306 综放面冲击地压预测与防治技术综放面冲击地压预测与防治技术51515151 7.1 5306 综放面概况51 7.2 顶板管理55 7.3 冲击地压危险性评价56 8 8 8 8 主要结论主要结论58585858 致谢致谢致谢致谢60606060 参考文献参考文献参考文献参考文献61616161 山东科技大学硕士硕士学位论文目录 Content OpeningOpeningOpeningOpening1 1 1 1 1 Questionopening1 2 Present situation in both here and abroad2 3 Main conterts in this paper4 1 1 1 1 103103103103上 上04 040404WorkingWorkingWorkingWorking facefacefaceface surveysurveysurveysurvey6 6 6 6 1.1 Face location and relation with the gruond6 1.2 Coal seam roof and floor 6 1.3 Geology structure7 2 2 2 2 CoalCoalCoalCoal seamseamseamseam rockrockrockrock burstburstburstburst dangerdangerdangerdanger analysisanalysisanalysisanalysis9 9 9 9 2.1 Coal rock burst inclination mensuration9 2.2 Baodian coal mine rock burst case analysis10 3 3 3 3 RockRockRockRock burstburstburstburst ationationationation studystudystudystudy11111111 3.1 Natural factor11 3.2 Mining factor11 3.3 Kinds of rock burst12 3.4 Rock burst ation study13 4 4 4 4 RockRockRockRock burstburstburstburst controlcontrolcontrolcontrol simulationsimulationsimulationsimulation analysisanalysisanalysisanalysis20202020 4.1 RFPA program synopsis20 4.2 Simulation21 4.3 Simulation schemes34 5 5 5 5 KeyKeyKeyKey technologytechnologytechnologytechnology forforforfor rockrockrockrock burstburstburstburst preventionpreventionpreventionprevention36363636 5.1Face structure model of mechanized sublevel caving 36 5.2 Control face mining velocity37 5.3 Faults pre discharge press37 5.4 Partition for rock burst danger area37 5.5 Ensurance of danger area38 山东科技大学硕士硕士学位论文目录 5.6 Inspection result38 5.7 Press discharging measure39 5.8 Rock burst prevention when 103 上 04 face near faults39 6 6 6 6 RockRockRockRock burstburstburstburst inspectioninspectioninspectioninspection 42424242 6.1 Electromagnetism radium inspection42 6.2 Coal powder inspection43 6.3 Shake inspection44 6.4 Roof dynamic prediction 45 7 7 7 75306530653065306mechanizedmechanizedmechanizedmechanizedsublevelsublevelsublevelsublevelcavingcavingcavingcavingrockrockrockrockburstburstburstburstpredictionpredictionpredictionpredictionandandandand preventionpreventionpreventionprevention51515151 7.1 5306 mechanized sublevel caving survey 51 7.2 Roof control55 7.3 Rock burst dangers estimation 56 8 8 8 8 MainMainMainMain conclutionconclutionconclutionconclution58585858 AcknowledgementAcknowledgementAcknowledgementAcknowledgement60606060 MainMainMainMain referencesreferencesreferencesreferences61616161 山东科技大学硕士学位论文摘要 8 摘 要 本文以鲍店煤矿 5306 及 103 上 04 综放面为具体条件，研究了综放工作面开 采过程中冲击地压的预测与防治技术。针对鲍店煤矿的地质和采矿条件，采用以 现场实测研究为主，结合理论研究、数值模拟计算以及类比研究的综合研究方法； 通过类似条件（东滩煤矿、欢城等）冲击地压分析，研究鲍店煤矿发生冲击地压 的条件和开采环境。采用“煤层动态观测方法”确定采场周围煤体上支承压力分 布规律，包括支承压力的分布范围、内应力场的大小、变化规律等参数，实测工 作面前方煤体应力分布状态、煤层破坏特征的分区以及不同应力环境下冲击危险 程度指标值。针对 103 上 04 半岛工作面推进过程中冲击地压发生的机理，进行两 顺槽冲击危险区域的预测， 提出了 103 上 04工作面推进期间冲击地压的防治措施。 通过冲击地压危险性评价，为 5306 综放面两顺槽冲击地压危险性分析、选择预测 方法、确定预测指标，对两顺槽进行解危措施、动态解危技术和分段解危研究， 保证了工作面的安全开采。鲍店煤矿深部构造复杂、冲击地压煤层综放开采技术 集深部、构造复杂、冲击地压危险等复杂性、特殊性（有矿震、厚砾岩）于一体， 技术难度大，该项技术的成功解决了深部冲击地压的危险、构造复杂、矿震能量 大等技术难题，丰富和发展了冲击地压预测与防治技术，提出了冲击地压治理的 新技术、新方法，为国内外同类条件煤层实现安全开采创出了新路子。 关键词关键词冲击地压 综放工作面 预测与防治 关键技术 安全生产 山东科技大学硕士学位论文摘要 9 ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT According to the condition of 5306 and 103upper04 mechanized sublevel caving face in Baodian Coal Mine, this paper studies the prediction and control technology for rock burst during mining period.Especially, this paper mainly adopts the approach to local investigation, theory study, computer simulation, analogical study and so on to the geographical andminingcondition in Baodian. Through rock burst analysisofsimilar condition such as Dongtan Coal Mine and Huancheng, this paper studies the condition and mining environment happened rock burst in Baodian, makes sure the distributed law of the force of supporting around the fieldonthe coal body with “coal bed dynamic observation ”, including a varietyofparameters, for example, the distributed scope offorceofsupporting, planted agent field of force size, change regulation, the distribution conditionoffront the actual working surface the coal body,the area having the coal bed destruction characteristic aswellas the indexofthe degree of attacked hazard underthe different stress environment To the condition 103upper04 mechanized sublevel caving face rock burst during mining, this paper carriesontwo the troughimpact dangerous region forecast,proposed 103upper04 workingsurfaces advancements period impact geostatic pressure preventing and controlling measure. By analysis of rock burst dangers , prevention choose and prediction in order to safety produce. The synthesis puts the surface two to be suitable the trough impact geostatic pressure risk analysis, the choice forecast , the determination forecast target, to two was suitable the trough to carryonthe solution danger measure, the dynamic solution danger technology and partitions to study, has guaranteed working surface safe mining. The technology of Baodian Coal Mine rock burst prediction and preventionis difficult and a new technology and for a new way of national and abroad similar mines. KeywordKeywordKeywordKeyword rock burstmechanized sublevel caving faceprediction and prevention key technologysafe mining 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论绪论绪论绪论 1 问题的提出 冲击地压是世界范围内煤矿中最严重的自然灾害之一。我国大多数矿山的煤 层与岩层都具有不同程度的冲击倾向性，在一定的临界深度下煤岩突出极为严重， 特别是随着我国煤矿开采深度以每年约 20m 的深度不断增加，冲击地压越来越严 重，已成为制约我国矿山生产和安全的主要重大灾害性事故之一。尽管国内外学 者在冲击地压发生机理、监测手段及控制技术等研究方面取得了重要进展，但还 远没有从根本上解决其有效预测和防治问题。至 2004 年，发生冲击地压的矿井已 达 80 多个。我国煤矿矿井大多建于五六十年代，随着时间推移和矿产资源开发向 深部转移，这些矿井将进入深部开采，冲击地压灾害问题将更趋严重、更为突出、 更为普遍。 国内外对冲击地压发生的机理、预测预报方法与防治技术进行了广泛的试验 和理论研究，并取得了较多的成果，尤其是在冲击地压机理的研究中，提出了多 种理论，如刚度理论、强度理论、能量理论、冲击能量理论、失稳理论、突变理 论及“三因素”理论等。其研究工作大致分为二类一是当成静态稳定性问题处 理，进行纯弹性、弹塑性分析或当成变形局部化采用分叉理论来分析；一是冲击 波或弹性波在岩层中传播与发生冲击地压的关系的研究。目前，国内外趋向于对 岩体的物理力学过程与发生冲击地压的关系的研究，采用非线性科学中的分叉、 混沌理论进行研究，其研究尚处在应用非线性模型初步描述冲击地压现象的非线 性特征阶段。除以上研究外，国内外学者针对不同的地质开采条件，对冲击地压 进行理论和实验研究。尽管冲击地压机理的研究已有八十多年的历史，但还没有 提出更具普通意义的冲击地压发生的机制，没有建立和煤岩力学参数及结构几何 参数相联系的冲击地压发生的准则，极大地影响了冲击地压预测和防治。 在冲击地压预测与防治方面，由于对开采后上覆岩层运动变化规律及采场围 岩的应力场的时空分布规律不清，开拓与回采的决策理论不完善，目前在冲击地 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 压煤层的采掘设计基本上依靠统计经验来决策，因而经常出现在高应力区内、孤 岛与半孤岛煤柱中进行采掘工作，为冲击地压的发生提供了力源条件。由于没有 把握复杂高应力和大埋深条件下的冲击煤岩层破坏过程的内在本质规律，因而对 冲击地压发生的时间、地点及强度等没有达到定量预计的程度；冲击地压矿井普 通采用的信息采集技术，其测试参数不完善，监测的信息还不十分可靠，只能进 行冲击地压的定性监测；对监测到的信息没有从理论上、实验上、方法上进行综 合处理，其反馈的信息对冲击地压预测的可靠性较差。所以目前冲击地压控制是 全面防治，即在矿井某一煤层一旦发生冲击地压，对该煤层所有工作面以及工作 面的所有位置都要进行冲击地压防治，造成大量的人力、物力的浪费，极大地影 响生产效率。实际上全面防治导致大多数矿井经济上难以承受，无法长期坚持的 局面。 迄今为止，我国煤矿冲击地压煤层的开采设计和实施仍然停留在对开采覆岩 运动和应力场分布发展规律不清的发展阶段。这是当前煤矿冲击地压事故频繁， 特别是重大灾害事故没有从根本上得到控制，开采经济效益低的重要原因之一。 理论研究和生产实践证明，冲击地压事故几乎都与采掘工作面推进覆岩运动破坏 和应力场应力大小及分布密切联系在一起。 鲍店矿 3 煤层未开采区域埋深较大，一般为 500700m，煤层顶板中存在坚硬 的粉砂岩、中粗砂岩，顶板岩层厚度分别为 4.01m、1.73m、16.36m，厚度较大的 顶板坚硬岩层具有发生冲击地压的应力和能量条件。特别是 10304 工作面受向斜 构造控制，属于构造区域，同时由于开采深度超过冲击地压的临界深度，发生复 合型冲击地压的可能性较大；5306 工作面受断层和采空区控制，根据东滩矿高应 力异常区域发生冲击地压的开采环境分析，该工作面具有发生冲击地压的可能； 深部构造区域，煤层埋深 600700m，煤层赋存变化较大，断层较多，小构造发育， 具有发生复合型冲击地压的应力条件。因此从相邻矿已发生冲击地压的煤层条件 和目前鲍店矿 3 煤层的地质开采条件分析可知，局部区域存在发生冲击地压的条 件，对 3 煤层未开采区域进行冲击地压预测与防治研究十分必要。该项目的实施， 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 对鲍店矿实现安全、高效开采具有重大社会和经济意义。 2 国内外研究现状 国内外对冲击地压发生的机理、预测预报方法与防治技术进行了广泛的试验 和理论研究，并取得了较多的成果，尤其是在冲击地压机理的研究中，提出了多 种理论，如刚度理论、强度理论、能量理论、冲击能量理论、失稳理论、突变理 论及“三因素”理论等。其研究工作大致分为二类一是当成静态稳定性问题处 理，进行纯弹性、弹塑性分析或当成变形局部化采用分叉理论来分析；一是冲击 波或弹性波在岩层中传播与发生冲击地压的关系的研究。目前，国内外趋向于对 岩体的物理力学过程与发生冲击地压的关系的研究，采用非线性科学中的分叉、 混沌理论进行研究，其研究尚处在应用非线性模型初步描述冲击地压现象的非线 性特征阶段。除以上研究外，国内外学者针对不同的地质开采条件，对冲击地压 进行理论和实验研究。尽管冲击地压机理的研究已有八十多年的历史，但还没有 提出更具普通意义的冲击地压发生的机制，没有建立和煤岩力学参数及结构几何 参数相联系的冲击地压发生的准则，极大地影响了冲击地压预测和防治。 在冲击地压破坏过程的研究方面，没有建立采场的动态结构模型，没有弄清 采场围岩的应力场的时空分布规律，没有把握冲击地压破坏过程的发展变化规律。 应进行采场的静、动态结构模型的三维图示的研究、采场围岩应力场的时空分布 规律以及冲击地压破坏过程的煤岩变形破坏的空间分布规律研究；在冲击地压的 变形破坏的空间分布规律研究方面，现场和实验研究表明，破坏是非均匀的，变 形破坏强烈向某一区域集中。现场调查表明，冲击地压发生后，工作面或巷道并 不是所有地方都被破坏了，破坏只局限于某一范围内。但对冲击地压发生的前兆 信息的研究较少，使冲击地压的预测预报工作远没达到定量阶段。 在冲击地压发生后煤岩变形破坏震级分布规律研究方面，日本对水力采煤工 作面微震（2 到 0.8 级）进行了统计分析，发现基本符合 Gutenberg-Richter 公式。 通过建立断层地震模型从理论上证明了对于断层地震其发生的震级和次数符合 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 Gutenberg-Richter 公式。 但对于深部开采的构造型冲击地压的震级分布规律方面没 有进行深入的研究。 冲击地压是采掘活动的结果，由于开挖对原有地应力场产生扰动，当应力的 再分布使煤（岩）体达到破坏的临界状态时，某些外界因素便可能诱发冲击破坏。 冲击地压的发生是动态的，但它的孕育过程是静态的。是由静态变形到失稳破坏 的力学过程，是一个兼有动、静两种属性的过程，需要建立一个能兼有动、静两 种性能的理论及相应的研究方法。其研究重点在于冲击地压的形成过程而不是发 生过程，即煤（岩）体结构如何由稳定平衡态向非稳定平衡态发展的过程。 深部冲击地压的研究目前仍然采用过去冲击地压的研究思路，因此在预测理 论、信息采集系统、防治技术等方面需要做大量的研究工作。鲍店矿的深部冲击 地压的发生主要与构造应力、开采应力及原始应力有关，应从开采应力分布规律、 区域构造特性、开拓部署上进行综合研究，并最终形成深部冲击地压的预测与控 制技术。 3本文研究的主要内容 3.1 鲍店矿 3 煤层冲击地压危险性分析。 （1）煤体冲击倾向性测定 （2）鲍店矿冲击地压案例分析 3.2 综放开采冲击地压成因研究 （1）自然因素分析； （2）开采因素分析； （3）冲击地压类型与成因分析。 3.3 冲击地压数值模拟研究 （1）RFPA 程序简介； （2）数值模拟； （3）模拟方案说明； 山东科技大学硕士学位论文绪论 5 3.4 冲击地防治关键技术研究 （1）放顶煤开采的采场结构模型； （2）控制采场推进速度； （3）断层带预卸压。 3.5 冲击地压监测 （1）电磁辐射监测； （2）钻屑法（煤粉）监测； （3）矿震监测； （4）顶板动态法预测 3.6 冲击地压防治 （1）冲击危险区域划分； （2）危险区域的确定； （3）监测结果 （4）卸压措施 （5）103上04 综放面接近断层时工作面冲击地压防治措施 3.7 5306 综放面冲击地压预测与防治技术 （1）5306 综放面概况 （2）采煤方法 （3）顶板管理 （4）冲击地压危险性评价 山东科技大学硕士学位论文103上04 工作面概况 6 1 103 上04 工作面概况 1.11.11.11.1 工作面位置及井上下关系工作面位置