龙家堡煤矿冲击地压测控技术研究.pdf

论文题目 论 文英 文题 目 龙家堡煤矿冲一击地压测控技术研究 M 劝 具 鱿 匹运9. 叨旦 . 尽p具 如 1. 业旦 助 pJ. ggy. pf二 助 明鲜 h，p具 . 脉 . R Q比 旦世丝. 远卫Q卿 i .q P 从 . M 运旦 姓名 二 于先富一. 年级 二零零六级 专业 . ‘ 采矿工程二研究方向 矿山压力与控制 导师 . 孔祥义. .职称 二 教 _ . _ _ 授二 论文 完成 日期 . 只零零八年土二且一答辩 日期 授 予学位 日期 . ， . - . ， ‘ ， - - 辽宁工程技术大学 摘 任石 3 七 本 文 针 对 龙 家 堡 煤 矿 冲 击 地 压 的 预 测 与 防 治 进 行 了 详 细 的 论 述 ， 指 出 随 着 我 国 煤 矿 开 采 深 度 的 不 断 加 大 ，煤 层 的 埋 藏 深 度 及 复 杂 的 地 质 构 造 应 力 成 为 诱 发 冲 击 地 压 的 主 要 因 素 。采 用 电 磁 辐 射 法 和 钻 屑 法 预 测 冲 击 地 压 ，先 利 用 电 磁 辐 射 法 监 测 冲 击 危 险 ， 再 用 钻 屑 法 在 危 险 区 域 检 测 冲 击 危 险 程 度 ，这 种 综 合 预 测 方 法 使 预 测 结 果 更 加 准 确 并 且 节 省 工 时 ， 提 高 工 作 面 推 进 速 度 。 对 出 现 冲 击 地 压 显 现 的 区 域 ， 采 取 了 钻 孔 卸 压 的 局 部 解 危 措 施 。 引 用 岩 石 破 裂 过 程 分 析 软 件 R F PA Z“ ， 对 单 个 钻 孔 卸 压 范 围 进 行 数 值 模 拟 ，使 钻 孔 卸 压 方 案 更 加 合 理 ， 并 且 在 现 场 应 用 中 取 得 了 良 好 效 果 。本 文 以 龙 家 堡 煤 矿 为 背 景 ，提 出 了 切 实 可 行 的 预 测 及 防 治 冲 击 地 压 的 方 法 ，可 以 作 为 研 究 同 等 条 件 下 其 他 矿 区 冲 击 地 压 预 测 与 防 治 的 参 考 。 关 键 词 冲 击 地 压 ;电 磁 辐 射 法 和 钻 屑 法 ;岩 石 破 裂 过 程 分 析 软 件 ; 钻 孔 卸 压 ; Ab s t r a c t In th is P a P e r ，L o n g j ia P u c o a l min e r o e k b u r s t P r e d ie tio n a n d P r e v e n tio n we r e d is e u s s e d in d e ta il， P o in te d o u t th a t a s C h in e s e e o a l m in in g d e P th in e r e a s in g ， th e e o a l b u r ie d d e e P a n d e o mP le x g e o lo g ie a l stru etu re一 in d u eed stress h av e b eco m e m ajo r ro ek b u rst facto rs. T h e me th o d o f e le c tr o ma g n e tie r a d ia tio n a n d d r illin g b it s we r e u s e d to P r e d ie t r o e k b u r st . F ir s tly u s e th e e le e tr o ma g n e tie r a d ia tio n me th o d to P r e d ie t d a n g e r o f b u r s t ， a n d th e n d r ill in d a n g e r o f r e g io n a l imP a c t to te st th e d e g r e e o f r is k .T h is e o mP r e h e n s iv e a P P r o a e h e a n ma k e f o r e e a s ts mo r e a c c u r a te ，s a V e time a n d imP r o v e th e fa e e fo r wa r d s P e e d . F o r r o c k b u r s t o c c u r r e d o n th e e me r g in g r e g io n s ， T h e d r illin g o f th e r e lie f me a s u r e s fo r lo c a l wa s ta k e n to r e lie v e d a n g e r .T h e s o ftwa r e R o c k F ailu re P ro ce SS A n aly siS R F P A Z” w a s u sed t。 Sim u 一 ate th e seo p e 。 r r e lie f o f a s in g le d r ill to ma k e th e P r o g r a m o f d r illh o le P r e s s u r e r e lie f mo r e r e a s o n a b le ，a n d h a d g o t b e tte r r e s u lt s in th e o n 一 s ite a P P lie a t io n s . In th is P a P e r ， a r e a lis tic P r e d ic t io n a n d P r e v e n tio n o f r o e k b u r s t wa y wa s P r o P o s e d b a s e d o n L o n g j ia P u e o a l min e ’ 5 b a e k g r o u n d ，a n d it e a n b e th e r e f e r e n e e f o r o th e r min in g u n d e r s a me c o n d itio n s to P r e d ie t a n d P r e v e n t r o e k b u r s t . Ke y wo r d s r o e k b u r s t ;th e me th o d o f e le c tr o ma g n e tie r a d ia tio n a n d d r illin g b its ;R o e k F a ilu r e P r o e e s s An a ly s is ;d r illh o le P r e s s u r e r e lie f 辽宁工程技术大学硕士学位论文 目录 1绪 论 1 1.1问题 的提 出 1 1. 2国内外冲击地压 的研 究现 状 ， 1 1. 3本文 主要 工 作 8 2冲 击 地 压 现 象 及 机 理 ” ” ” ” ” ”10 2.1冲 击 地 压 的特 点 10 2. 2冲 击 地 压 的分 类 10 2. 3冲击 地 压 机 理 12 2. 4本 章 小 结 .. . 17 3 20 1 工 作 面顺 槽 冲 击 地 压 发 生特 点及 影 响 因素 18 3.1 20 1 工 作面 概 况 18 3. 2基础 数据 测 定 18 3. 3 20 1 工 作 面顺 槽 冲 击 地 压特 点 23 3. 4 20 1 工 作 面 顺 槽 冲 击 地 压 发 生 的影 响 因素 24 3.5本 章 小 结 29 4 20 1 工 作 面顺 槽 冲 击 危 险性 预 测 30 4.1冲 击 地 压 综 合 预 测 30 4. 2钻 屑 法 检 测 冲 击 地 压 31 4. 3电磁 辐 射 法 监 测 冲 击 地 压 38 4. 4本 章 小 节 41 5 20 1 工 作 面顺 槽 冲 击 地 压 防 治 43 5.1数 值 模 拟 方 法 简 介 43 5. 2钻 孔 卸 压 及 其 数 值 模 拟 47 5. 3钻 孔 卸 压 方 案 设 计 49 5. 4钻机 及 钻 具 选 择 ， 50 5.5现 场 应 用 情 况 51 5. 6本 章 小 结 51 犷 辽宁工程技术大学硕士学位论文n 6结论 与 建 议 52 6.1主 要 结 论 52 6. 2主要 建 议 52 参 考 文 献 53 致谢 一 55 作 者 在 攻 读 学位 期 间 已发表 的学术 论 文 及 科研 成 果 56 附录 A. 1 57 ; 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪 论 1. 1问 题 的 提 出 煤 矿 冲 击 地 压 是 指 在 矿 井 开 采 过 程 中 ， 井 巷 或 采 场 周 围 岩 体 在 力 学 平 衡 状 态 破 坏 时 ， 由 于 弹 性 变 形 能 突 然 释 放 而 产 生 的 急 剧 、 猛 烈 的 动 力 现 象 。 任 何 具 有 冲 击 地 压 危 险 的 煤 层 ， 若 开 采 技 术 因 素 不 变 ， 都 必 然 存 在 一 个 发 生 冲 击 地 压 的 临 界 深 度 。 在 开 采 浅 部 煤 层 时 ， 有 的 虽 然 具 有 冲 击 危 险 ， 但 因 煤 体 应 力 不 大 ， 未 能 达 到 临 界 破 坏 条 件 ， 因 而 不 会 发 生 冲 击 地 压 。但 随 着 我 国 矿 井 开 采 深 度 的 不 断 增 加 ， 发 生 冲 击 地 压 的 危 险 性 将 逐 步 加 大 川 。 影 响 冲 击 地 压 发 生 的 因 素 很 多 ， 因 此 ，研 究 冲 击 地 压 问题 ， 必 须 针 对 具 体 开 采 条 件 ， 充 分 考 虑 各 种 因 素 ， 采 用 多 种 预 测 与 防 治 方 法 ， 具 体 问 题 具 体 研 究 ， 才 能 更 加 有 效 的 保 证 矿 井 的 安 全 生 产 。 龙 家 堡 煤 矿 为 深 部 开 采 矿 井 ，现 在 开 采 垂 深 为 SOOm ，己达 到 发 生 冲 击 地 压 的 临 界 深 度 。该 矿 井 在 掘 进 201 首 采 工 作 面 顺 槽 时 ，出 现 了 冲 击 地 压 现 象 ， 煤 爆 发 生 频 繁 ，最 多 时 达 到 每 小 班 60一 70 次 。响 煤 炮 时 经 常 有 煤 壁 片 帮 、塌 落 、 掉 渣 、 顶 板 下 沉 等 现 象 发 生 ， 塌 落 最 大 煤 量 达20 一 30t ， 几 乎 将 掘 进 机 埋 住 ，最 大 顶 板 下 沉 量 为 80 0m m左 右 。给 掘 进 工 作 带 来 严 重 影 响 ，无 法 使 用 机 掘 ， 只 能 采 用 炮 掘 ， 掘 进 速 度 由 原 来 设 计 的 每 小 班 6m降 低 到 每 小 班 Zm 。 为 防 止 在 巷 道 掘 进 过 程 中 ， 造 成 不 必 要 的 人 员 伤 亡 和 财 产 损 失 ， 提 高 掘 进 速 度 ， 本 文 对 龙 家 堡 煤 矿 201 采 区 顺 槽 冲 击 地 压 的 预 测 与 防 治 进 行 了 深 入 研 究 与 探 讨 。 1.2国 内 外 冲 击 地 压 的 研 究 现 状 有 记 录 以来 ， 最 早 发 生 冲 击 地 压 的 煤 田是1783年 英 国 南 斯 塔 煤 田 。 然 而 ， 一 直 以 来 仍 然 是 困 扰 世 界 上 许 多 矿 井 正 常 开 采 的 现 实 问 题 。 在 波 兰 、 德 国 、 印 度 、 法 国 、 和 南 非 等 国 矿 井 开 采 煤 层 、 金 属 矿 床 和 非 金 属 矿 床 时 ， 都 有 数 量 可 观 的 冲 击 地 压 事 故 发 生 。 冲 击 地 压 不 仅 损 坏 生 产 设 备 、 破 坏 生 产 、 损 失 储 量 ， 而 且 给 煤 矿 职 工 造 成 人 身 伤 亡 。 为 了研 究 如 何 预 测 、 控 制 和 消 除 冲 击 地 压 危 险 ， 各 国 都 投 入 了 大 量 的 人 力 物 力 。 目前 ， 世 界 各 国 已成 立 了 许 多 研 究 冲 击 地 压 的 专 门委 员 会 和 机 构 。 如 南 非 于 19 巧 年 成 立 了 矿 山 冲 击 委 员 会 ;波 兰 中 央 采 矿 研 究 所 的 冲 击 地 压 研 究 委 7 二 习坚、 户 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 员 会 就 是 波 兰 冲 击 地 压 研 究 中心 ; 俄 罗 斯 有 若 干 研 究 所 和 高 等 院 校 从 事 冲 击 地 压 的 研 究 工 作 ; 美 国 的 一 些 煤 矿 和 金 属 矿 山 也 存 在 较 为 严 重 的 冲 击 地 压 ， 六 十 年 代 ， 美 国 研 究 并 采 用 了 宽 频 带 微 震 系 统 以 监 测 冲 击 地 压 震 源 位 置 ， 为 冲 击 地 压 的 预 测 提 供 了 重 要 的 手 段 [2 l[3 ] 。 在 我 国 ， 冲 击 地 压 最 早 于1933年 发 生 在 抚 顺 胜 利 煤 矿 。 以 后 ， 随 着 开 采 深 度 的 增 加 和 开 采 范 围 的 不 断 扩 大 ， 北 京 、 抚 顺 、 枣 庄 、 开 滦 、 大 同 、 北 票 、南 桐 等 矿 区 的 许 多 矿 井 ，都 先 后 有 冲 击 地 压 现 象 发 生 。 1992 年 以 前 ，我 国 有 50 余 个 煤 矿 发 生 了 冲 击 地 压 。比较 突 出 的 有 北 京 矿 务 局 门 头 沟 煤 矿 、抚 顺 矿 务 局 龙 风 煤 矿 、 枣 庄 矿 务 局 陶 庄 煤 矿 、 大 同 矿 务 局 忻 州 窑 煤 矿 、 四 川 省 天 池 煤 矿 和 新 汉 矿 务 局 华 丰 煤 矿 等 。目前 ，全 国 近 10 0 个 矿 区 存 在 冲 击 地 压 ， 冲 击 地 压 矿 井 分 布 范 围 正 日趋 扩 大 [3 ] 。 最 近 一 次 煤 矿 冲 击 地 压 事 故 发 生 在 2008 年 6 月 5 日河 南 省 义 煤 集 团 公 司 千 秋 煤 矿 ，造 成 75 Om 一 85Om深 处 巷 道 瞬 间 被 毁 ，20 名 被 困 矿 工 中 ， 9 人 死 亡 ， H人 获 救 。 我 国 自1976年 开 始 系 统 研 究 冲 击 地 压 以 来 ， 在 冲 击 地 压 发 生 机 理 、 冲 击 倾 向性 测 定 、 冲 击 地 压 检 测 仪 器 与 设 备 、 冲 击 地 压 治 理 技 术 等 多 方 面 取 得 了 一 定 的 成 果 。 目前 国 内进 行 冲 击 地 压 研 究 的 单 位 主 要 有 煤 炭 科 学 研 究 总 院 北 京 开 采 所 、 辽 宁 工 程 技 术 大 学 、 中 国 矿 业 大 学 等 单 位 。 1.2.1冲 击 地 压 预 测 的 研 究 现 状 预 测 预 报 是 冲 击 地 压 研 究 的 一 个 主 要 领 域 ， 具 有 冲 击 矿 压 灾 害 的 各 国 都 投 入 了 大 量 财 力 对 此 进 行 长 期 的 研 究 ， 许 多 学 者 、 研 究 人 员 对 此 也 作 出 了 不 懈 的 努 力 ， 发 展 了 众 多 的 冲 击 矿 压 预 测 预 报 方 法 。 目前 ， 冲 击 危 险 性 预 测 的 方 法 主 要 有 围 岩 变 形 检 测 法 、 钻 屑 法 、 电 磁 辐 射 法 、 地 质 动 力 区 划 和 微 震 监 测 法 等 。 a .围 岩 变 形 监 测 法 开 采 活 动 引 起 了 围 岩 的 变 形 与 移 动 ， 在 采 面 表 现 为 顶 底 板 移 近 包 括 顶 板 下 沉 和 底 板 鼓 起 ， 巷 道 表 现 为 围 岩 变 形 。 巷 道 变 形 量 大 ， 说 明 煤 体 松 软 ， 煤 体 刚 度 小 ，不 容 易 形 成 冲 击 破 坏 ; 如 果 巷 道 变 形 量 小 ，说 明 煤 体 的 刚 度 大 ， 则 很 容 易 发 生 脆 性 破 坏 ， 强 度 发 生 突 变 ， 形 成 冲 击 破 坏 。 巷 道 移 近 量 观 测 是 矿 压 观 测 的 重 要 内 容 ， 也 是 冲 击 地 压 综 合 防 治 的 基 础 工 作 之 一 。 其 目 的 是 测 定 工 作 面 煤 岩 变 形 规 律 ， 圈 定 支 承 压 力 显 著 作 用 的 范 围 及 其 峰 值 位 置 ， 预 防 官 辽宁工程 技术大学硕士学位论文3 冲 击 地 压 [4 l 。 b .钻 屑 法 钻 屑 法 就 是 向 煤 体 钻 小 直 径 钻 孔 ， 根 据 钻 孔 过 程 中 单 位 孔 深 排 粉 量 的 变 化 规 律 和 动 力 现 象 ， 了 解 煤 体 内应 力 集 中 程 度 、 峰 值 大 小 及 位 置 ， 以 判 定 冲 击 地 压 的 危 险 等 级 ， 达 到 预 测 冲 击 地 压 危 险 的 目 的 [5 ] 。 该 方 法 不 仅 有 大 量 的 实 践 依 据 ， 而 且 有 严 格 的 理 论 基 础 ， 因 此 是 可 行 的 。 早 在 五 十 年 代 中 期 ，西 德 等 国家 就 开 始 研 究 钻 屑 法 。六 十 年 代 以后 ，前 苏 联 、 波 兰 、 英 国 也 相 继 开 始 试 验 研 究 。 目前 世 界 上 所 有 发 生 冲 击 地 压 的 国 家 都 在 应 用 和 研 究 钻 屑 法 。 我 国 几 个 冲 击 地 压 严 重 的 矿 井 ， 如 北 京 矿 务 局 门 头 沟 矿 、 开 滦 矿 务 局 唐 山矿 以及 重 庆 大 学 、 北 京 煤 科 总 院 开 采 所 等 单 位 也 都 进 行 了试 验 。 辽 宁 工 程 技 术 大 学 在 这 个 方 面 开 展 研 究 也 比 较 早 ， 处 于 国 内领 先 地 位 。 c .电 磁 辐 射 法 电磁 辐 射 监 测 法 即 根 据 煤 岩 流 变 破 坏 电磁 辐 射 特 性 及 规 律 ， 利 用 煤 岩 流 变 破 坏 电 磁 辐 射 特 性 监 测 煤 岩 流 变 破 坏 过 程 及 非 接 触 式 预 测 冲 击 地 压 的 方 法 。研 究 表 明 ， 煤 岩 变 形 破 坏 时 将 会 产 生 电磁 辐 射 现 象 。 电 磁 辐 射 是 煤 等 非 均 质 材 料 在 受 到 载 荷 作 用 情 况 下 发 生 变 形 和 破 坏 的 结 果 ， 是 由 于 煤 体 各 部 分 的非 均 匀 变 形 引起 的 电荷 迁 移 和 裂 纹 扩 展 过 程 中形 成 的 带 电粒 子 产 生 变 速 运 动 而 形 成 的 ， 煤 体 中 应 力 集 中 程 度 越 高 ， 变 形 破 坏 过 程 越 强 烈 ， 电磁 辐 射 信 号 越 强 。 电 磁 辐 射 信 息 综 合 反 映 了 冲 击 地 压 的 主 要 影 响 因 素 ， 电 磁 辐 射 强 度 主 要 反 映 了 煤 岩 体 的 受 载 程 度 及 变 形 破 裂 强 度 ， 脉 冲 数 主 要 反 映 了 煤 岩 体 变 形 及 微 破 裂 的 频 次 。 电 磁 辐 射 强 度 和 脉 冲 数 随 着 载 荷 的 增 大 而 增 强 ， 随 着 加 载 及 变 形 速 率 的 增 加 而 增 强 [6 ] [7 l 。 掘 进 或 回 采 过 程 中 ， 围 岩 原 有 应 力 状 态 被 打 破 ， 应 力 重 新 分 配 ， 围 岩 体 向 新 的 应 力 状 态 转 化 ， 转 化 期 间 煤 体 必 然 要 发 生 变 形 或 破 裂 ， 从 而 引 起 电 磁 辐 射 。 采 掘 活 动 造 成 煤 层 中 应 力 场 的 非 均 匀 性 ， 从 低 应 力 区 到 高 应 力 区 ， 煤 体 变 形 不 同 ， 裂 纹 扩 展 程 度 不 同 ， 所 以 电 磁 辐 射 信 号 的 强 度 也 就 不 同 。 在 高 应 力 集 中 区 应 力 达 到 最 大 值 ， 电 磁 辐 射 信 号 最 强 。 电 磁 辐 射 预 测 预 报 冲 击 危 险 有 两 种 方 法 ， 分 别 是 临 界 值 法 和 偏 差 方 法 。 临 界 值 法 是 在 没 有 冲 击 矿 压 危 险 ， 压 力 比 较 小 的 地 方 观 测10个 班 的 电 夕 辽宁工程技术大学硕士学位 论文 磁 辐 射 值 、 幅 值 平 均 值 和 脉 冲 数 数 据 ， 取 其 平 均 值 的 k 倍 作 为 临 界