华亭煤矿综放煤柱区冲击地压防治研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 华亭煤矿综放煤柱区冲击地压防治研究 姓名周澎 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师伍永平 论文题目华亭煤矿综放煤柱区冲击地压防治研究 专 业矿业工程 硕 士 生周 澎 （签名） 指导教师伍永平 （签名） 芦 熹 （签名） 摘 要 冲击矿压是矿山开采中发生的煤岩动力现象之一。华亭煤矿 2501 采区综放煤柱区 冲击矿压显现频繁且剧烈，严重影响了 2501 采区工作面的安全生产，因此，研究华亭 煤矿综放煤柱区冲击矿压规律及其防治显得极为迫切，对保证安全生产具有重大意义。 通过实验室煤岩冲击倾向性试验并运用综合指数法确定了华亭煤矿 2501 采区 250102 工作面的煤岩冲击倾向特性， 煤层具有弱偏强冲击倾向性， 软化煤具有弱冲击倾 向性；2501 采区 250102 工作面具有强冲击危险性，受 20m 煤柱的影响，运输顺槽冲击 矿压危险指数高于回风顺槽，属于强冲击危险。研究认为影响 250102 工作面发生冲击 矿压的主要因素为褶曲构造、煤层冲击倾向性、坚硬顶板、20m 煤柱等。针对 2501 采 区的冲击危险倾向性分析，划分了 250102 工作面回采过程中的危险区段。从开采技术 方面入手，进行了工作面长度、煤柱合理留设宽度和工作面接替顺序等回采防冲设计。 建立了华亭煤矿 2501 采区冲击矿压危险监测技术体系和冲击矿压危险控制技术体系。 综合运用电磁辐射法、钻屑法和微震法对冲击矿压危险性进行了监测、预测预报和解危 效果检验，采用巷帮煤体卸压爆破，注水和顶板深孔爆破等措施解除或减弱了冲击矿压 危险性，保证了安全生产。 关 键 词综放煤柱区；冲击矿压；综合指数法；综合监测；控制措施 研究类型应用研究 Subject Study on Prevention of Rockburst in Pillar Region of Fully Mechanized Top Coal Caving of Hua-ting Mine Specialty Mining Industry Engineering Name Zhou Peng Signature Instructor Wu Yongping Signature Lu Xi Signature ABSTRACT The rock burst is one of the dynamic catastrophe phenomena in the coal mining. In the pillar region of fully mechanized caving and mining face of 2501 mining section of Hua-ting coal mine, this phenomena is more frequent and violent causing the dangerous situation in the 2501 mining section. Therefore, it is great urgent to study the laws of rock burst and prevention measures of pillar region ,and that will make a great significance for the safety of coal mine. First, the coal and rock burst potential of 250102 working face in Hua-ting coal mine are determined by comprehensive index in laboratory in this dissertation.The experiment results showed that the coal seam has 3nd level of burst potential, and weak burst potential after waterish and 250102 working face of 2501 mining section has strong burst potential, and the index of burst potential of is bigger than the air return gate because of the 20m width pillar. The main factors of influencing the rock burst hazard of 25102 working face are folding structure, burst tendency of coal seam, hard main roof and 20m width pillar and so on. According to the analysis of 2501 mining section, the dangerous areas are defined during the mining process of 250102 working face, and some advices on prevention design, length of working face, width of pillar and mining sequence were given. The rock burst monitoring and controlling system of 2501 mining section were constructed. The electro magnetic emission EME, drilling bits and seismological were alternately and synthetically used to inspect and forecast the burst danger. The pressure release blasting in ribs, deep-hole blasting and water infusion in roof and coal seam s were used to reduce the rock burst danger, and the safety of 250102 working face has been basically ensured. Key words Pillar region of fully mechanized caving and mining face Rock burst Comprehensive index Comprehensive monitoring system Control measurements. Thesis Application research 1 绪论 1 绪论 1.1 选题背景及意义 深部资源开采一直是国内外采矿工程界关注的一个十分重要的研究课题， 巷道变形 剧烈，采场矿压显现剧烈，采场失稳加剧，岩爆与冲击地压聚增，瓦斯高度聚积诱发严 重安全事故。井筒破裂、煤自燃发火等事故也大量增加，深部开采对地表环境也往往造 成严重损害。甘肃华亭煤矿开采煤层为煤5层，平均厚度51.51m，平均倾角45，属急倾 斜特厚煤层。目前主采5煤层开采最深处已达到819.45m，顶板岩性为炭质泥岩和粉砂 岩，赋存不稳定，直接顶为砂岩或粉砂岩，易冒落，老顶为粉砂岩及细砂岩；煤层底板 为泥质胶结的中、粗砂岩，常具有似鲕状结构。煤层中含有多层厚度580mm的炭质泥 岩。现采用水平分段综采低位放顶煤采煤方法开采，工作面两顺槽分别沿煤层顶、底板 布置。另外，华亭煤矿井田面积小，开采深度大，煤层厚，采掘工作面布置集中，采掘 影响大，多分段同采、同掘造成采动影响相互作用，相互叠加，增大了矿压的显现的激 烈程度，造成巷道支护、维修困难，容易出现片巷道底鼓、片帮、冒顶现象，支护难度 大，安全性差。近年来，随着急倾煤层开采深度的不断增加，矿压显现越来越大，巷道 变形显著增加，支护维修更加困难。由于工作面上下顺槽完全布置于煤层中，煤体在矿 压作用下变得破碎，顺槽维护相当困难，经常发生片帮、冒顶、底鼓、巷道自然发火等 现象，并不时伴有动压现象的发生。华亭煤矿20032008年期间，多次发生煤、岩层巷 道瞬间破坏并急剧变形，并伴有较大的煤爆声，出现很大的冲击性矿压现象，给矿井安 全生产造成了严重威胁。为了保证矿井的安全生产，迫切需要开展对华亭煤矿急倾斜特 厚煤层开采情况下的地压研究工作，控制破坏性、冲击性地压事故发生。 华亭煤矿 2501 采区为二水平的首采采区，煤层埋深为860.7m1023.9m，地表标 高1557m1580m，开采深度 719.3m，其接续面为 250102 综放工作面，250102 工作面 东部为向斜轴部，东低西高，煤层走向转向 180，倾角 58，煤厚平均 36m；工作面 南部位于背斜东翼，基本沿走向布置，较平缓，煤层底板沿走向次级褶曲发育，底板起 伏不平。250101 工作面回采期间并未出现大的矿压显现，自开掘 250102 工作面以来， 2007 年 4 月2008 年 7 月， 250102 工作面顺槽掘进和回采过程中， 发生了几十次冲击矿 压现象，其表现主要为运输顺槽转载机巷道部分地段帮部移近、底臌 0.1m1.8m 不等， 损坏部分机电设备，造成支护设施损坏和人员伤亡，具有典型的动力学特征，主要集中 在与 250101 采空区和 250102 工作面之间 20m 煤柱相邻的运输顺槽内。 多起冲击矿压事故表明华亭煤矿褶曲构造、覆岩与煤体特征、开采因素、工作面布 置、上覆岩层运移，工作面开采强度和速度对冲击矿压的显现有很大的影响，其中尤其 1 西安科技大学工程硕士学位论文 以褶曲构造和留设的 20m 煤柱影响最大， 多起冲击矿压显现给工作面的安全回采和巷道 掘进带来了较大困难，也给矿井造成巨大的损失。鉴于矿区属于大型的褶曲构造矿井， 如何进行华亭煤矿如此复杂地质条件下的冲击地压防治工作是摆在面前的一道难题。 1.2 国内外的研究动态及发展趋势 国外从 20 世纪 80 年代初开始深部问题的研究。以南非为代表，美国、加拿大、澳 大利亚、波兰、俄罗斯等政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结 合进行深部资源开采相关的基础课题研究。 南非政府、 大学与工业部门密切合作， 于 1998 年开始启动“Deep mine”研究计划，旨在解决30005000m 深度的开采安全等问题。加 拿大 80 年代开展了为期 10 年的两个深井研究计划。美国 Idaho 大学、Michigan 大学与 西南研究院和美国国防部合作，就岩爆引发的地震信号进行了研究。西澳大利亚大学在 深部开采方面也进行了大量工作。例如国内广泛研究的顶板来压和周期来压现象，以及 煤柱、采空区大规模坍塌造成的动力灾害。然而，许多动力灾害构成具有突发性，如冲 击地压、矿震和岩爆，由于地质环境、应力环境和开采因素的复杂性和多样性，在动力 灾害的宏观和局部区域定量预报方面至今仍是世界级难题。 建立有效的灾害危险区域评 价和监测体系，通过岩体稳定性演化过程中“多维信息”的探测和分析，追踪灾害的孕育 过程，实现灾害的定位预报是保障生产安全的重要方面。从国内许多矿藏的赋存条件来 看，平均开采深度将超过 700m，大多进入深部开采矿井。另外，井田范围内的主要构 造体系，断层附近岩体破碎、次生构造发育、构造应力集中，残留煤矿柱高应力集中 和围岩结构演化，在邻近区域开采过程中非常容易诱发动力灾害，更具有发生冒顶、坍 塌、冲击地压等动力学灾害的危险性。为此，对井下资源区域开采过程中各种灾害的危 险性进行预报和评价，及早发现孕育和产生工程动力灾害的危险性地区，并提出消除和 缓解产生和孕育地质灾害的控制对策，保持矿井生产的连续性和稳定性具有重要意义。 另外， 深部开采岩层稳定性控制和支护方式的研究已成为目前矿井安全支护研究的 主要方向。在美国、波兰等主要产煤国家已经加大投资力度，在我国，已经对深部高应 力软弱岩层控制技术开始研究。目前，该领域已取得了大量有价值的成果，主要涉及 1 煤矿深部地应力测量 一般来说，地壳中垂直地应力的分布规律为垂直应力随深度增加呈线性增大。与地 应力实测结果对应，各国学者也提出了一些假说来认识地应力场的变化规律。最早的地 应力模型是1879年Haim提出的各向等压假说，认为水平地应力和垂直地应力相等。 2 岩石强度与强度准则 已有资料表明，总体上岩石的强度随深度的增加而有所提高。有的矿区从深度小于 600m 变化到8001000m 时， 强度为2140MPa 的岩石所占的比重从 30减少到 24， 而强度为81100MPa 的岩石比重则从 5.5增加到 24.5， 岩石更脆， 更容易发生岩爆。 2 1 绪论 如果说浅部岩石强度理论是以摩尔-库仑准则为主的线性破坏准则为主，那么深部高地 应力下则更多地采用了非线性强度准则。随着开采深度的增加，岩石破坏机理也随之转 化， 由浅部的脆性能或断裂韧度控制的破坏转化为深部开采条件下由侧向应力控制的断 裂生长破坏，更进一步，实际上就是由浅部的动态破坏转化成为深部的准静态破坏，以 及由浅部的脆性力学响应转化为深部的潜在的延性行为力学响应。 深部岩体的破坏更多 地表现为动态的突然破坏，根据相关的统计资料，岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬 岩层中，对含煤地层而言，岩爆发生的典型条件是顶板含有较厚的砂岩。 3 物理与数值模拟 近年来，有关急倾斜煤层开采物理与数值模拟研究取得了一定进展，西安科技大学 的伍永平教授等通过平面应力走向、倾斜和三维可加载模型等手段，研究了大倾角煤层 走向长壁工作面倾斜布置开采过程中矿山压力显现规律、围岩变形、破坏与移动特征 和工作面支架与设备的下滑机理，并探讨了顶板破断岩块运动、底板破坏滑移以及回采 工序对支架或支护系统工作阻力和“R-S-F”顶板-支架-底板系统动态稳定性的影响。 4 深部动力学灾害防治 冲击矿压发生机理十分复杂， 各国学者在对冲击矿压现场调查及实验室研究的基础 上，从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲 击倾向理论、 三准则和变形系统失稳理论、 流变理论等。 五十年代提出的强度理论认为， 产生冲击矿压时支架－围岩力学系统将达到力学极限状态；刚度理论认为，矿山结构的 刚度大于围岩-支架刚度是产生冲击矿压的必要条件；能量理论则认为矿山开采中如果 支架－围岩力学系统在其力学平衡状态破坏时的能量大于所消耗的能量时即发生冲击 矿压；冲击倾向性理论认为煤岩层冲击倾向性是煤岩介质的固有属性，是产生冲击矿压 的内在因素；稳定性理论则认为，煤岩体内部高应力区局部形成应变软化，与尚未形成 应变软化的介质处于非稳定平衡状态，在外界扰动下动力失稳，形成冲击矿压；弹塑脆 性流变理论则认为，煤岩体是一弹塑性体，在载荷作用下，可能发生脆性破坏冲击， 也可能先产生流变，然后发生破坏延时冲击等。进入 20 世纪 80 年代末期，随着煤矿 开采深度加大，千米矿井不断出现，软岩问题更为突出，仅以锚喷支护为主的支护技术 在软岩巷道中成效很低。例如，波兰鲁滨煤矿，巷道采用锚喷支护后，出现了底臌、引 帮、变形、压力大等现象。由于我国地域广阔，煤炭分布广，地质构造复杂，煤层赋存 条件差别大，赋存在松软围岩的煤层占可采煤层的三分之一，而各地软岩的成因和具体 变形力学机制不尽相同。目前我国国有重点煤矿有回采工作面约 5500 多个，每年掘进 巷道总长达 700 万 m。在采矿过程中，由于某些原因，巷道不得不布置在松软围岩中， 松软围岩具有强度低、结构面发育、膨胀性和流变性严重的特点；巷道布置在松软岩层 中，收敛强烈、破坏和失修屡屡出现，不仅影响了生产，而且使得巷道维修十分困难， 耗资巨大，甚至导致个别矿井停产或停建。 3 西安科技大学工程硕士学位论文 5 深部开采冲击矿压研究 冲击地压具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性的特征。冲击地压一般没有明显的 宏观前兆而突然发生，难以事先准确确定发生的时间、地点和强度；冲击地压发生过程 急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员 被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有震感，但一般震动持续时 间不超过几十秒；冲击地压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，有时地板突然开裂鼓起 甚至接顶，常常有大量煤体从煤壁抛出，堵塞巷道，有时还造成人员伤亡。世界上最早 记录的冲击地压于 1738 年发生在英国的南史塔福煤田，之后前苏联、南非、德国、波 兰、美国、加拿大、日本、法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、新西兰、 安哥拉和中国都记录了冲击地压。其中受灾最严重而防治效果又最为显著的是苏联、波 兰和德国。苏联的基泽洛夫矿区于 1947 年发生了该矿区历史上有史记录的第一次冲击 地压，随后又有库兹列茨、滨海、中亚细亚、特克布尔、伯绍拉和波里等煤矿先后发生 冲击地压，自 19471971 年期间，前苏联煤矿共发生冲击地压 675 次，始发深度大多在 180400m 之间。冲击地压是波兰煤矿重大灾害之一，在波兰的 67 个煤矿中，36 个煤 矿具有冲击地压危险，占 55，大约 50的采煤量来自冲击危险煤层，从 19491982 年，波兰共发生冲击地压 3097 次，始发深度平均为 400m。冲击地压对德国煤矿的危害 也很严重，鲁尔矿区是该国发生冲击地压最早和最多的产煤区，仅 19101978 年就记载 了危害性冲击地压 283 次，开采深度为 5901100m 的冲击地压次数占 75。我国最早 记录的冲击地压发生于抚顺的胜利煤矿，当时开采深度只有 200m。此后，随着开采深 度的加大，北京矿务局的门头沟、城子、房山、千军台、长沟峪和木城涧矿井、抚顺矿 务局龙凤矿和老虎台矿、枣庄矿务局的陶庄矿、八一矿以及开滦矿务局的唐山矿等煤矿 先后发生冲击地压。据不完全统计，19491997 年，我国的 33 个煤矿发生了 2000 多起 冲击地压事件，震级从里氏震级 0.5 级至 3.8 级，其中 3.0 级以上的 5 起，最大的震级达 到 4.2 级，造成了几百人伤亡、破坏巷道 13km、停产 1300 多天的严重危害。1999 年我 国 17 处大中型煤矿就发生了 1377 次冲击地压，最大强度达到里氏 4 级。辽宁省抚顺矿 务局老虎台煤矿，2002 年发生各类冲击地压 6127 次，其中大于 3 级的为 21 次，平均每 天发生 17 次冲击地压。自英国首次发生冲击地压灾害事故以来，许多学者对冲击地压 进行了大量的研究，包括冲击地压的发生机理、预报和防治技术等。 长期以来，冲击地压作为煤矿开采的重大难题之一，始终是国内外学术界和工程界 关注的重要研究课题。各国学者在对冲击地压的现场调查和实验室研究的基础之上，从 不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向 理论、失稳理论、三准则理论等。冲击地压的预测是冲击地压防治的基础。冲击地压预 测预报方法很多，目前常用的冲击地压预测方法主要有以下三类第一类是以综合指数 法为主的经验类比分析方法；第二类是以钻屑法为主的岩石力学方法；第三类是以声发 4 1 绪论 射、微震监测和电磁辐射监测为主的采矿地球物理方法。由于冲击地压发生的随机性和 突发性，以及破坏形式的多样性，单凭一种预测方法往往不能准确预测预报冲击地压。 一般都是在分析地质条件和生产条件的基础上， 首先用经验类比分析方法确定冲击危险 区域，然后采用钻屑法、声发射、电磁辐射、微震等多种方法预测生产过程的冲击危险 性，这也是目前冲击地压预测预报的主要途径和方法。对于冲击地压的治理措施，目前 国内外主要从战略性的防御和主动解危两个方面进行。 战略性和防御性措施主要有开采 解放层，在进行开采设计时，选择合适的开采顺序，开采方法和采煤工艺，力争消除形 成冲击地压发生的因素。冲击地压的主动解危措施主要有煤层注水，钻孔卸压，卸压爆 破，定向裂缝法等方法等。煤的强度与冲击倾向指数WET也随煤的湿度的增加而降低， 如图 1.1 和图 1.2 所描述。 图 1.1 单向抗压强度与其含水量关系 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 00.511.52 湿度增量,dW 冲击倾向性指数,Wet Ce510 M703/J M703/M NW502 NW504 NW506 NW507 Ry620 Sz504 Mie510 图 1.2 冲击倾向指数与煤的湿度增量关系 5 西安科技大学工程硕士学位论文 图 1.3 煤体钻孔对应力分布的影响描述 采用煤体钻孔可以释放煤体中聚集的弹性能，消除应力升高区。如图 1.3 所示。顶 板岩层作用在煤体上，工作面前方煤体上的压力可用曲线 σz 表示。而 σk 表示了发生冲 击地压的极限应力值，即煤层的应力达到该值时将会发生冲击地压。从煤壁开始，煤层 上覆的应力达到了最大值 σzmax，而该值接近于极限应力值，说明了冲击地压危险性很 大。这种情况下，采用直径 d2r，长 l 的钻孔，钻孔中部受挤压的长度为 a，结果使钻 孔煤体的压力降为 σsc。应力 σz 越高，钻孔受挤压移动的程度就越大。在支承压力区域 内，用大直径钻头钻孔，降低其应力值，而钻孔局部范围出现小的应力集中 σ’z，当该 应力 σ’z 超过钻孔壁的强度时，随着时间的推移，钻孔间煤体的风化与压裂，结果在每 个钻孔周围直径为 D 的范围内卸压。 煤体卸压爆破是对已形成冲击地压危险的煤体， 用爆破方法减缓其应力集中程度的 一种解危措施。卸压爆破在煤体中产生大量裂隙，使煤体的力学性质发生变化，弹性模 量减小，强度降低，弹性能减少，破坏了冲击地压发生的强度条件和能量条件。煤体卸 压爆破的主要作用有降低煤体的强度、降低煤体的冲击倾向性、支承压力高峰值向煤体 深部转移、振动释放能量、形成冲击地压危险的松散煤体阻挡带。蒋金泉等人认为，综 放工作面开采厚度大，高位厚硬岩层会成为主关键层，其运动幅度大、冲击能量高，发 生冲击地压的可能性与危害性加大。综放开采诱发冲击地压是由上位主关键层与大结 构、台阶形采空区边界覆岩的非充分沉降、区段煤柱、断层活化、煤柱应力集中与长时 强度降低等因素导致的。主关键层大面积破断运动导致大结构失稳、释放重力势能，重 力势能和冲击气浪的能量叠加转化为冲击动能，对围岩做功发生冲击地压。秦四清等把 坚硬顶板视为弹性梁，把煤柱视为应变软化介质并采用分布描述它的损伤本构模型，对 6 1 绪论 坚硬顶板和煤柱组成的力学系统，运用突变理论方法研究了它的演化失稳过程。通过对 建立的尖点突变模型的分析认为系统失稳主要取决于系统的刚度比k与材料的均匀性或 脆性指标 m 值， 并给出了失稳的充要条件力学判据和失稳突跳量的表达式。 考虑煤柱介 质的粘性或蠕变性，建立了系统演化的非线性动力学模型－物理预报模型，并给出了根 据顶板沉降观测数据反演非线性动力学模型的方法和稳定性判别准则。 并运用理论对木 城涧矿根据观测序列进行了动力学模型的反演分析，一个重要发现是D 值在临近失稳 时陡增出现峰值而后急剧下降。根据材料损伤与声发射累计计数的对应关系，建立了系 统演化过程中声发射率的动力学模型， 并进行了声发射模拟分析和分维分析， 发现 m 值 与系统的演化路径对系统演化的声发射活动规律及分维特征有重要影响， 单纯根据声发 射监测和降维现象预报冲击地压是不可靠的。 潘一山等提出应用煤层塑性软化理论和材 料失稳的动力判别准则，对煤柱冲击地压进行的解析分析方法。计算顶板变形和煤柱应 力分布规律，探讨有关参数对煤柱产生冲击地压的影响、临界载荷随煤体强度的变化规 律，得到煤柱发生冲击地压现象的临界点，即在临界状态下，煤柱处于非稳定状态；在 外部扰动影响下，发生冲击地压显现。钱七虎指出在深部岩体中开挖峒室或巷道时， 其两侧和工作面前的围岩中会产生交替的破裂区和不破裂区， 称这种现象为分区破裂化 现象。李俊平认为岩石体的声发射水平和应力级存在一定的关系。岩体结构承受较大 载荷时，其声发射率急剧上升，结构一旦破坏，声发射率很快减少。因此，对岩体的声 发射进行检测分析，可圈定高应力区，预测预报岩体的稳定性。深部开采条件下钻屑量 受地质因素及开采技术因素影响较严重，不同区域、不同深度的钻屑量基础值不同，因 此应根据实际情况及时调整标准煤粉量指标，否则监测预报的准确性将受到影响。在应 用钻屑法寻找煤体的应力集中区域时， 主要依据钻屑量的变化规律作为判定应力集中指 标，同时应结合其他方法判断其冲击危险程度和冲击时间。通过优化支护方式、采取卸 压保护方式、离层带充填技术和保护层开采技术来降低或消除冲击危险。煤岩体受力破 坏时将伴随着能量的释放过程，声发射与微震是这种释放的效应之一，因此，声发射和 微震的活动水平反映了煤岩体的能量释放率，因而，通过连续监测声发射和微震活动的 变化，可以评价煤岩体的能量变化动态，从而判断冲击地压的危险程度。可采取煤层注 水、顶板注水、合理选择采场布置与开采程序和煤体卸压爆破等措施来防治冲击地压。 窦林名等研究认为，煤岩体所受应力与电磁辐射之间存在耦合关系，可以反映煤岩体的 破坏程度和预测预报冲击地压。从诱发和发生的冲击地压前后电磁辐射变化情况看，有 这样的规律，即冲击地压发生前的一段时间内，电磁辐射值较高，之后有一段时间相对 较低，但这段时间内，其电磁辐射值均达到、接近或超过临界值，之后发生冲击地压， 也即，冲击地压发生前的一段时间，电磁辐射值连续增长或先增长，然后下降，之后又 呈增长趋势。同时，电磁辐射法也可检验卸压爆破的效果。认为煤柱区域冲击地压的防 治应优先考虑避开上层煤柱及邻近区段的高峰影响区域，积极采用窄煤柱留巷等方案； 7 西安科技大学工程硕士学位论文 同时，煤柱高应力区应充分利用爆破工艺进行卸压。煤柱区钻粉率检测结果同样表明， 在冲击地压危险区域内，煤粉量值增幅较大，煤粉量随钻孔可施工深度煤层内应力的增 大而增加，且孔内动力冲击现象特别明显。数值模拟分析结果认为，随着护巷煤柱宽度 的增大，煤柱中的最大垂直应力也由小变大，然后再变小。也就是当煤柱宽度小于 10m 时，最大垂直应力较小，而当煤柱宽度在 1015m 时，煤柱中的最大垂直应力相对较大， 随着煤柱宽度的继续增大，煤柱中的最大垂直应力又将减小。而且煤柱宽度的增大，引 起巷道附近煤体中的应力集中程度也增加。 煤体中产生的最大垂直应力的分布和煤柱中 的最大垂直应力分布类似。认为留设 35m 宽的护巷煤柱时是较容易维护的，同时也可 以节省煤炭资源。从防冲的角度来讲，煤柱越窄对防冲越有利，因为窄煤柱中的煤体几 乎会全部被“压酥”，其内部不存在冲击核，也就不会存储大量的弹性能，所以发生冲击 地压的危险性就小。因此对于此类条件下的冲击地压预测与防治研究就十分必要，同时 由于单一方法不能够完全准确的反应出煤岩体中的应力情况，有效的预测冲击地压危 险，所以研究华亭煤矿综放条件下煤柱区冲击地压预防需要综合应用钻屑法、电磁辐射 法和微震法进行冲击地压监测，并应用煤层注水、爆破卸压等防治措施进行治理就显得 尤为迫切和具有现实意义。 1.3 研究方法与内容与关键技术路线 1.3.1 研究内容与方法 为了研究华亭煤矿开采期间煤柱区域的矿震活动规律； 建立以综合指数法、 钻屑法、 电磁辐射法和微震法为基础的冲击地压危险预报技术；依据试验研究、理论分析和现场 监测建立综放面煤柱区域的冲击地压防治技术； 建立深部矿井冲击地压危险工作面的安 全生产管理制度，解决华亭煤矿综放面煤柱区域的冲击地压问题。研究内容包括 1 实验室测定煤岩的冲击倾向性及其破坏时的电磁辐射、声发射和震动特性。 2 采用多种监测和分析方法，对煤柱和综放工作面区域进行矿压危险性分析，预 测预报冲击地压发生的重点区域和危险区域。 3 优化煤柱留设方案和工作面接替顺序。 理论分析和数值模拟，确定华亭煤矿 2501 采区相邻工作面之间的煤柱冲击地压危 险性，提出合适的煤柱留设宽度。根据华亭煤矿煤层赋存情况、地质条件及现有开采条 件，从高效开采和防冲击地压角度出发，提出最优防冲击地压开采设计方案。 4 冲击地压危险区域的安全防治技术及对策。 1.3.2 关键技术技术路线 采用理论分析，室内实验以及现场测试与工程实践等方法和手段，研究华亭煤矿 8 1 绪论 2501 采区 02 综放面煤柱区冲击地压发生的原因，判定冲击地压防治重点区域，采用降 低应力集中程度、卸压解危、强度弱化减冲等原理，减弱或消除冲击地压危险。根据研 究目标与研究内容，本研究技术路线和关键如图 1.4 所示。 综放煤柱区冲击地压防治研究 工程调查 实验与现场监测 理论分析与研究 岩石力学实验 现场微震监测 现场开采试验 工程地质调查 开采技术调查 模拟实验 数值计算 理论分析 现场冲击地压防治对策 图 1.4 关键技术路线 9 西安科技大学工程硕士学位论文 2 煤样冲击倾向性室内测试与分析 2.1 区域地质特征 华亭煤田处于这两大构造复合部位，其含煤建造及其后期的构造形态，都受总构造 轮廓控制。华亭煤田大体上是一个北西－南东向展布的、微具S形的弯曲、中间宽缓、 两头收敛封闭的复式向斜构造，向斜西翼之北段，走向近南北向、倾向西、倾角 80 度 的断层切断。该断层南段延至煤层露头线以外，走向不明。华亭煤矿井田位于该复式向 斜的南段东缘，井田内表现为一单斜构造，含煤地层走向 345井田南部－355井田北 部，倾向 255－265，倾角 4050。井田面积 0.45m2，地质构造条件简单。但动力破 坏现象频发， 每年都有近十次， 图 2.1 反映了煤层赋存与分层开采状况及特征。 图 2.2ad 分别描述了现场动力冲击破坏情况。 回风平巷 回风平巷 回风平巷 回风平巷 回风平巷 运输平巷 运输平巷 运输平巷 运输平巷 运输平巷 层 煤 图 2.1 煤层赋存与分层开采情况 a 支架折损严重 b 防爆水袋破裂 10 2 煤样冲击倾向性室内测试与分析 c 运输顺槽浆皮震落 d 行人台阶与轨道移位 图 2.2 巷道动力破坏情况及特征描述 2.2 煤体冲击倾向性测试 2.2.1 试样加工与实验系统 试件加工遵照中华人民共和国煤炭行业标准煤和岩石物理力学性质的测定方法 MT44-87、MT45-87、MT47-87、MT173-87 的规定执行。先将现场所取煤样放在钻芯机 的加工平台上，用金刚石钻头钻出直径为 50mm 的圆柱体，再根据试验要求用切割机切 取约 100mm 长的圆柱块，最后在磨平机上进行端面磨平，直到达到规程所要求的标准 为至。根据试验项目及要求，分别测定煤在自然状态下和饱和水状态下的冲击倾向性， 试验加工煤样 14 块，其中两块备用。实验系统由加载系统、微震监测系统、电磁辐射 和声发射信号采集系统、载荷位移记录系统组成。加载装置采用由长春实验机研究所生 产的高精度能控制加载速度及调节油压的 CSS-4400 电子万能实验机主机、附件、计算 机系统和德国 DOLL 电子公司生产的 EDC120 数字控制器力学试验系统。 该系统可记录 煤岩体变形破坏过程中的声发射和电磁辐射信号，记录信号的幅值、脉冲数、声发射的 振铃计数率、能量等等，是目前国内最先进的岩石力学声-电测试系统。如图 2.3 所示。 声发射探头 前放 电磁辐射探头 前放 P 微震探头 测试仪测试仪 保护隔离箱 信号记录 图 2.3 测试系统 微震采集系统由六个微震信号采集分站和一个中心主站组成，完成震动信号的采 11 西安科技大学工程硕士学位论文 集、记录和分析。分站采集到的信号通过无线和有线两种传输方式实时传送到中心站， 中心站在屏幕上实时显示接收信号波形、并记录数据到计算机硬盘，分站留有有线传输 接口，可将震动信号采集后通过电缆方式传送到主站，主站回放记录数据，自动计算震 动事件。 2.2.2 试验准备及过程 本次试验需要分别测定煤样在自然状态下及饱和水软化状态下的冲击倾向性等特 性，预先将 7 块煤样完全浸入清水当中，浸泡时间超过 48 小时。其他 7 块煤样用密封 袋包好进行干燥状态保存。将 24K 声发射探头固定于煤样之上，使之与煤样紧密耦合， 56K 电磁辐射探头对准煤样中部以收集电磁辐射信号， 4 台微震探头置于试验机底座、 2 台置于紧靠试验机底座的水泥地面上，以测定煤样破坏时产生的震动信号特征。 1 煤样的一次加载破坏性试验以测定冲击能指数和动态破坏时间。 取三块自然状态煤样进行单轴压缩试验，编号分别为 ZM1、ZM2 和 ZM3，然后进 行饱和水状态的单轴压缩试验，编号分别为 SM1、SM2 和 SM3。试验过程中测定载荷 －位移曲线、声发射信号、电磁辐射信号和震动信号。加载过程中，随着载荷的增加， 电磁辐射和声发射信号有上升的趋势，当加载至煤样强度极限时，煤样发生破坏，发出 较大的声响和震动，有碎块崩出，同时电磁辐射和声发射信号发生突变，产生峰值，同 时，记录到煤样破坏时产生的震动信号也发生突变。3 块自然状态煤样破坏时的强度分 别为 33KN、18.7KN 和 38.9KN，平均为 30.2KN，即 15.4MPa，3 块饱和水状态煤样破 坏时的强度分别为 26.5KN、12.8KN 和 18.7KN，平均为 19KN，即 9.8MPa，说明煤在 吸水后强度降低。 2 煤样的循环加载破坏性试验以测定弹性能指数。 根据单轴一次加载求得的煤样强度范围， 当加载至20KN或15KN时进行卸载至3～ 5KN 附近，然后重新加载至煤样破坏。取三块自然状态煤样进行试验，编号分别为 XHZM1、 XHZM2 和 XHZM3， 然后进行饱和水状态的试验， 编号分别为 XHSM1、 XHSM2 和 XHSM3。同样在试验过程中测定载荷－位移曲线、声发射信号、电磁辐射信号和震 动信号。循环加载过程中，电磁辐射和声发射信号及产生的震动信号也发生与加载相一 致的循环变化，随着载荷的增加，采集的信号特征与单轴加载时基本相同。 煤即 2煤层，二煤为全区发育稳定的厚至特厚煤层，上距一煤北部平均 11.3m， 向南逐渐加大到 16.7m， 深部 20.1m， 平均 14.91m。 北部 1251 线间， 东部大致沿 5127、 1305、1407、1605 等孔连线以西，煤层下部分层逐渐分开为二下煤层。二煤煤层厚度由 分岔前的 1013m变为分岔后的 8m左右，可采厚度 4.4213.46m，平均 7.2m。煤层顶板 为砂岩，常有薄层状泥岩伪顶，底板为砂岩。煤层一般含 13 层夹矸，集中于煤层下部， 最大厚度达 1.42m煤层沿走向、倾向变化不大，属稳定煤层。 12 2 煤样