深井受采动影响煤层巷道冲击地压预测与防治.pdf

论文题目 作者姓名 专业名称 指导教师 深井受采动影响煤层巷道 冲击地压预测与防治 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位E t 期 入学时间 研究方向 职称 2 Q 曼垒生且 垄Q 曼垒生量且2 鱼目 蛆赋立迸 一一一一 壹盟盟上址越盥监 万方数据 P R E D I C T I o NA N DP R E V E N T I O B NO FR O C KB U R S TI N R o A D Ⅵ，A YI N F L U E N C E DB YD E E PM I N EC O A LM I N I N G AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FP H I L o S o P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y L i uT a o S u p e r v i s o r P r o f e s s o rN i n gJ i a n g u o C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y 2 0 1 4 万方数据 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签 日 A F F I R M A T I O N 期2 ．- o ／垆石．岁 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e 2 - 沁7 如 D a t e 为hl | 5 。罗。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国煤矿开采深度的日益加大，冲击地压灾害发生数量也呈现出上升的趋势。 冲击地压灾害威胁人身安全，造成井巷及设备损坏，严重影响矿井安全生产，因此要对 不同开采条件下的冲击地压的预测与防治的问题进行研究。 论文采用现场观测、理论分析、数值计算、方案设计与实践验证相结合的方法，对 济宁二号煤矿1 1 3 下0 9 工作面和1 1 3 。0 3 工作面巷道掘进和工作面回采时巷道的冲击地 压危险开展了预测及防治研究。根据现场测试结果，确定了3 。和3 下煤层工作面开采矿 压显现规律及超前支承压力影响范围；通过数值模拟方法对1 1 3 下0 9 工作面回采巷道在 多次采动影响下应力分布进行了分析。通过实验室试验及现场测试，确定了3 。和3 下煤 层及顶板的冲击倾向性以及工作面原岩应力分布状态；运用综合指数法预测了回采工作 面巷道冲击危险程度，并确定了冲击地压危险区域。在试验工作面开采时的巷道设计并 采用了综合的冲击地压危险检测及解危措施，最终实现了防治冲击地压的生产安全。 本论文的研究成果对济宁二号煤矿冲击地压防治工作有着实际的指导意义，为深部 采区及多煤层开采条件下的安全生产提供了技术保障。 关键词冲击地压；数值模拟；区域预测；钻孔卸压；微震监测 万方数据 A b s t r a c t A st h ec o a lm i n i n gd e p t hi n c r e a s e d ．t h en u m b e r so fr o c kb u r s td i s a s t e ra r ea l s oi na l l i n c r e a s i n gt r e n d ．R o c kb u r s to c c u r r e n c ew i l ln o to n l yi n j u r et h ew o r k e r s ，d a m a g et h em i n i n g e q u i p m e n t s ．b u ta l s oa f f e c tt h et a s k so fc o a lm i n ep r o d u c t i o n ．S oi ti Sn e c e s s a r y t os y s t e m a t i c r e s e a r c ho nf o r e c a s ta n dp r e v e n t i o no f r o c kb u r s tu n d e rt h ed i f f e r e n tm i n i n gc o n d i t i o n s ． T h r o u g ht h es c e n eo b s e r v a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， a n dp r a c t i c a l v e r i f i c a t i o nm e t h o d ．t h i sp a p e rs y s t e m i c a l l ya s s e s s e dt h er o c kb u r s th a z a r da n dr e s e a r c h e dt 1 1 e t e c h n i c a lm e a s u r e si n1 13 下0 9a n d1 13 上0 3w o r k i n gf a c eo ft h eN o ．2J iN i n gc o a l m i n ei nt h e c o u r s eo fa c t u a lt u n n e l i n ga n de x c a v a t i n g ．A c c o r d i n gt Ot h ef i e l dt e s tr e s u l t s ，i tw a si d e n t i f i e d t h a tt h em a n i f e s t a t i o no fm i n ep r e s s u r ea n di n f l u e n c er a n g eo fa b u t m e n tp r e s s u r eo ft h e3 上 a n d3 。c o a ls e a m ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z et h es t r e s sd i s t r i b u t i o n o f r o a d w a ys u r r o u n d i n gi n f l u e n c e db ym u l t i d i r e c t i o n a ls t r e s sa c t i o n ．T h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t a n df i e l dt e s t ，i tw a si d e n t i f i e dt h a tt h e3Ea n d3 下c o a ls e a mw i t hav a r i e t yo fr o c kb u r S t l i a b i l i t ya n dt h eo r i g i n a ls t a t eo fi n ．s i t us t r e s s ．C o m p r e h e n s i v ei n d e xm e t h o dw a su s e dt o a n a l y s i sh a z a r dd e g r e eo fr o c kb u r s t ，a n dd i v i d et h ed a n g e r o u sa r e a ．t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s a r eu s e dt Ot h ew o r k i n gf a c em i n i n gp r a c t i c e ．C o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n gm e a s u r e sa n dd a n g e r r e l e a s i n gm e a s u r e sw e r ed e s i g n e da n du s e dt oa c h i e v es a f e t yp r o d u c t i o n ． T h er e s e a r c ha c h i e v e m e n th a sap r a c t i c a lg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h eN o ．2J i n i n g c o a l m i n e ，a n dp r o v i d e sac e r t a i nt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt I l em i n es a f e t yp r o d u c t i o nw i t ht h e d e e pd i s t r i c t sa n d m u l t ic o a ls e a mm i n i n g ． K e y w o r d s r o c kb u r s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r e g i o n a lf o r e c a s t ；d r i l lh o l ep r e s s u r er e l i e f ； m i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n g 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 l 绪论．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯．．．⋯．．．．⋯⋯1 1 ．1 研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 冲击地压发生机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 冲击地压预测方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 冲击地压防治方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．5 论文研究的内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 具有冲击地压危险的工作面矿压显现规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 11 3 ，0 9 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．211 3 ，0 3 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 十一采区3 上煤工作面开采初次放项矿压显现分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．4 十一采区3 下煤工作面开采初次放顶矿压显现分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 多次采动影响巷道应力分布数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 数值计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 3 ．2 受多次采动影响巷道应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 - 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 4 多次采动影响巷道冲击地压危险预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 煤岩冲击倾向和地应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．2 工作面冲击危险综合指数法评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 工作面开采期间冲击危险综合评价及危险区域预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 上下煤层工作面同采相互影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 试验工作面冲击地压危险防治方案及防冲实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．1 冲击地压危险监测措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 5 ．2 冲击危险治理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 5 ．3 冲击地压危险防护措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 5 ．4 冲击地压防治实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 7 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s lI n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1R e s e a r c hP u r p o s ea n dS i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2C u r r e n tR e s e a r c ho f R o c k b u r aO c c u r r e n c eM e c h a n i s m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3C u r r e n tR e s e a r c ho f R o c k b u r s tP r e d i c t i o nM e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．4C u r r e n tR e s e a r c ho f R o c k b u r gP r e v e n t i o nM e a s u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．5M a i nR e s e a r c hC o n t e n t sa n dM e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2M i n eP r e s s u r eR e g u l a r i t yo nt h eC o a lF a c e sw i t hR o c kB u r s tD a n g e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1G e n e r a lS i t u a t i o no f11 3 0 9W o r k i n gF a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 2 ．2G e n e r a lS i t u m i o no f11 3 0 3W o r k i n gF a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 4 2 ．3F i r s tC a v i n gM i n eP r e s s u r eA n a l y s i so f3 C o a lW o r k i n gF a c ei n1l t hM i n i n gA r e a ⋯．16 2 ．4F i r s tC a v i n gM i n eP r e s s u r eA n a l y s i so f 3C o a lW o r k i n gF a c e i n1l t hM i n i n gA r e a ⋯．1 7 2 ．5S u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nR o a d w a yS t r e s sI n f l u e n c e db yE x c a v a t e dM a n yT i m e s ⋯⋯．1 9 3 ．1N u m e r i c a lS i m u l a t i o nM o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 3 ．2R o a d w a yS t r e s sD i s t r i b u t i o nI n f l u e n c e db yE x c a v a t e dM a n yT i m e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 ；．3S u m m a r y0 f t h i sC h a p t e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．2 5 4R o c k B ur s tP r e d i c t i o no ft h eR o a d w a yI n f l u e n c e db yE x c a v a t e dM a n yT i m e s ⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1B u r s t i n gL i a b i l i t yo fR o c ka n dC o a lS e a m sa n dt h eM a g n i t u d eo fl n - S i t uS t r e s s ⋯⋯．2 6 4 ．2R o c kB u r s tD a n g e r ’SE v a l u a t i o nb yC o m p r e h e n s i v eI n d e xM e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3C o m p r e h e n s i v eE v a l u a t i o na n dP r e d i c t i o no nR i s kA r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4I n t e r a c t i o nA n a l y s i so f W o r k i n gF a c ew i t hT w o L a y e r sC o a lM i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．5S u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．3 6 5P r e v e n t i o nS c h e m ea n dP r a c t i c eo ft h eR o c kB u r s tD a n g e ri nT e s tW o r k i n gF a c e ⋯⋯3 7 1 ；．1D e t e c t i o nM e a s u r e so f t h eR o c kB u r s tR i s k ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．3 7 1 ；．2P r e v e n t i o nM e a s u r e so f t h eR o c kB u r s tR i s k ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 9 5 ．3P r o t e c t i v eM e a s u r e so f t h eR o c kB u r s tR i s k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．4P r a c t i c eo f R o c kB u r s tP r e v e n t i o n ．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．4 1 1 ；．5S u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．4 6 6C o n c l u s i o n sa n dP r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 6 ．1M a i nC o n c l u s i o n s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 7 6 ．2J o b P r o s p e c t ．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．4 7 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．4 8 R e f e r e n c e ．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯．．4 9 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．1 研究的目的和意义 冲击地压是矿山动力显现的常见方式，也是矿井主要动力灾害之一，它是矿山采场 与巷道煤岩体周围集聚的弹性变形势能在高应力作用下突然猛烈释放，导致采掘空间结 构变形和其中的支护设备损坏，并形成冲击波，以致威胁井下设备和人员的生命安全的 动力现象n 3 。冲击地压是一种积聚的弹性能突然释放的矿山压力显现，发生冲击地压时 常伴有大量的煤岩体抛出，并伴随有巨响和强烈的气浪，因此特别容易导致巷道和工作 面的支架损坏，使井下空间堵塞雎。。冲击地压发生时严重的可波及到地表，形成地表塌 陷，震动显现造成地面建筑物的损坏。近些年来，国内外许多专家参与到冲击地压研究 中来，但是由于它发生前没有明显预兆，发生的原因及其影响因素十分复杂，且各种影 响因素相互作用，具有突然性和随机性，因此在现今的技术条件下还达不到对冲击地压 进行准确预测和可靠治理的程度，从而它成为了采矿工程研究方面的世界性难题陋7 】。 济二煤矿十一采区开采深度较大，已超过7 0 0 m ，由于开采深度的增加，压力显现更 加明显，冲击地压发生的可能性也增大。同时由于多煤层同时开采，上层煤与下层煤间 形成煤柱，并存在相互影响，这将 J n 周J 冲击地压事故发生，使冲击地压发生原因更加复 杂。因此，对冲击地压进行预测和防治的研究是当前矿井安全生产的迫切要求。 济二煤矿1 1 3 下0 9 工作面轨顺布置3 下煤层中，与1 1 3 下0 8 工作面的采空区预留3 ．5 m 煤柱，由于3 。煤层局部可采，1 1 3 。0 2 工作面采空区与1 1 3 下0 8 工作面采空区相距2 7 ．1 m ， 从而形成1 1 3 下0 9 工作面轨顺局部处在1 1 3 下0 8 采空区与1 1 3 。0 2 采空区之间的煤柱区 域，该区域3 。煤与3 下煤层层间距3 0 ～3 5 m ，此处易形成高应力集中区。按生产进度安 排，1 1 3 下0 9 工作面生产前，1 1 3E0 3 工作面将完成轨顺与切眼的掘进；1 1 3 下0 9 工作面 生产时继续掘进1 1 3 。0 3 工作面运顺；1 1 3 下0 9 工作面回采后再回采1 1 3 。0 3 工作面，要 考虑1 1 3 下0 9 工作面对1 1 3E0 3 工作面的影响。 本论文对济宁二号煤矿1 1 3 下0 9 与1 1 3 。0 3 工作面在掘进与回采过程中可能发生的 冲击地压危险进行综合性的预测，从而提出有效的冲击地压的防治措施。并且为其它具 有相似地质条件的矿井在理论和技术上提供了借鉴，最大程度的预防了由冲击地压所引 起的安全事故，减少了经济损失和人员伤亡，最终达到安全生产的目的。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 冲击地压一直伴随着采矿事业的发展，几乎所有国家的矿井都受到其威胁。自1 7 3 8 年发生在英国的第一次冲击地压以来，困扰世界采矿事业已经有2 7 0 多年了。在这期间， 除了我国，英国、波兰、法国、德国、俄罗斯、乌克兰、南非、美国、日本等国家和地 区也遭受了不同程度冲击地压威胁。因此，世界各个国家对冲击地压防治的研究都相当 重视，并在各国成立了许多冲击地压研究基地，如南非于1 9 1 5 年建立了矿山冲击委员会。 而我国防治冲击地压的工作研究可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，但比较系统的研究开始于 2 0 世纪7 0 年代末。冲击地压的发生伴随许多复杂的条件，影响因素众多，而且各影响 因素之间存在互相影响，发生时又具有猛发性和随机性，因此对冲击地压的研究与预测 在世界范围内都是难题旧3 。 在对冲击地压发生机理的研究分析中，国内外主要采用现场监测、实验计算以及数 值模拟等方法，同时提出以下多种理论。 1 ．2 ．1 强度理论 该理论是最先由G ．B r e n e r 发现，煤体在项底板之间相互夹持而存在。因此，顶底 板之间围岩的力学特征决定了煤体力学特征。当煤体与围岩在交界点处于力学极限平衡， 此时煤体就会因为结构失稳而发生冲击危险。强度理论是对冲击地压发生机理方面的解 释，它以其直观的表现，对矿井开采的冲击地压预测和防治起到了指导的作用。对于钻 屑法、卸压爆破以及钻孔卸压等冲击地压的预测与防治方法，都合理利用了强度理论。 但是，应力大于煤岩体极限强度的情况也常常出现在巷道和工作面周围的应力集中区， 而这时煤岩体会发生缓慢发展型的破坏，而只有其中极少部分会直接呈现为冲击破坏。 因而，强度理论也不能完整的描述冲击地压发生的原因和影响条件旧1 。 1 ．2 ．2 能量理论 能量理论是在上世纪6 0 年代提出的。C o o k 等专家分析总结了冲击地压发生规律以 及防治情况后提出煤一围岩体系在处于力学平衡时比较稳定，但当这种平衡状态被破坏， 并且它释放出的能量比消耗的能量大时，能量将以冲击地压的形式猛烈释放。而后D u n k H o u s e 又对能量平衡进行了分析，同时得出了能量平衡方程式。但能量理论依然存在缺 陷，如对于岩爆的成因分析，它只能从能量的转化角度表述，却未能表明平衡状态的力 学特征和破坏因素，尤其是围岩失稳释放能量的条件。另外，该理论中对能量的计算只 停留在理论研究阶段，还不能应用于现场冲击地压防治指导n ”。 万方数据 山东科技大学坝士学位论文绪论 1 ．2 ．3 冲击倾向性理论 冲击倾向性理论认为在煤岩体的冲击倾向性大于一定数值时，就会发生冲击地压。 它是由B i e n i a w s k i 等人提出的，他们认为地质和开采条件相同的情况下，不同的煤岩所 具有的力学性质是决定煤层发生冲击地压与否的主要因素。在此基础上，他们得出了冲 击能量指数以及弹性能量指数这两个冲击倾向性指标，以此作为判断冲击危险发生的依 据，并定义这种煤岩的性质为冲击倾向性⋯q 引。 1 ．2 ．4 刚度理论 刚度理论是C o o k 和H o d g e i m 共同研究提出，当他们进行煤岩体屈服实验时，发现 只要煤岩体屈服后的刚度大于顶板与支架的刚度，就会有冲击动力现象发生。刚度理论 可以很好的解释煤岩发生冲击动力现象，但其具有片面性，在对采场、巷道以及坚硬顶 板等条件下冲击现象解释具有很大的局限性。同时，刚度理论在对矿山的结构刚度解释 时，没有明确的定义，对煤岩体弹性能集聚与释放的过程没有表现出来n 5 。1 7 ‘。 1 ．2 ．5 变形系统失稳理论 变形系统失稳理论是由章梦涛等人共同提出，他们认为煤岩体局部应力超过峰值应 力并变成应变软化材料是因为受到应力的影响，而煤岩体失稳破坏正好可以引发冲击动 力现象。而后齐庆新进行了煤岩摩擦实验，并分析了煤岩摩擦滑动性与稳定性方面的特 性，得出冲击地压以煤岩结构瞬间失稳为表现形式，它属于摩擦动力破坏。李新元根据 开采过程中煤岩体结构运动变化的力学特征，并从物理学和力学的角度对“围岩一煤体” 突然加载进行研究，观察系统从稳定状态到失稳状态的过程，在此基础上确定出冲击现 象发生与否的判别准则，在较大范围进行推广应用，并得到了较好的效果。目前，失稳 理论对冲击危险判据的实用性还不够充分，因而在冲击地压防治指导方面还有一定的局 限性n 心1 。。 冲击地压预测是防治的基础，准确的预测对于采用区域性的防治措施以及解危措施 非常重要。对于冲击地压的预测，主要是对发生时间、地点以及规模的把握。它涵盖实 验中的煤层力学性质和冲击性判断以及在现场采掘活动中对冲击危险程度的现场鉴别。 冲击危险指出了可能形成应力集中，发生冲击地压的概率，而冲击危险程度说明冲击地 压可能造成的损害程度。除经验类比法对于冲击地压的预测以外，还可分两大类一是 局部探测法，其中以钻屑法为代表。它涵盖了岩体变形观测法、煤岩体应力测量法以及 3 万方数据 些奎型垫奎兰堡主兰垡笙茎 丝丝 地音法和电磁辐射法等，它的适用范围主要是监测采掘工作面局部区段的冲击地压危险 程度。对于这种预测方法，其优点是简单且易施，直观可信，因此已经在采矿事业中广 泛应用。但它同样存在缺点，因为在时间和空间上的预测不能连续，耗工耗时；二是系 统监测方法，其代表方法为地音系统监测与微震系统监测，以及其它方法，如地温与地 磁方法等。而这种方法依据煤岩体内部应力的连续变化规律对冲击危险进行预测。 1 ．3 ．1 经验类比法 综合指数法 在采矿事业中，随着冲击地压事故的不断发生，人们对于冲击地压发生的一些规律 进行总结，从而形成经验，并以之来指导未来采矿事业中具有相似情况的问题的方法叫 做经验类比法。因为地质条件与生产条件的不同，需要分析冲击地压发生的综合因素， 重点需要划分以下区域为冲击地压危险区心2 1 。 ①断层、褶曲、煤层突然变化区域。 ②采空区周围。 ③当前煤层或者邻近煤层的开采边界以及煤柱影响区。 ④工作面前方回采巷道或其它巷道。 冲击地压的影响因素主要分两类一是地质条件的限制，如矿井开采深度、煤层的 力学特征以及地质构造等。二是开采技术的局限，如上覆岩层的停采线、残余采区、留 煤柱以及老巷等。将这些冲击地压影响因素综合起来，对其影响程度进行分项评定，最 终以冲击危险影响指数来代表此程度，以此对冲击地压危险状态等级进行划定的方法叫 做综合指数法晗3 | 。 分析研究表明，冲击地压危险的预测与程度评定非常必要。而预测的方法有数值模 拟，其中主要包含有限元、边界元法，当开采设计或者实际开采过程中，利用这些方法 对危险区域的岩体应力分布进行分析，对于一定范围内的冲击地压预测有很大的作用， 能够在很大程度上避免开采过程中冲击地压事故的发生。 1 ．3 ．2 局部探测法 1 钻屑法 煤体是否具有冲击倾向性和支承应力带的分布规律是冲击地压的预测的主要依据。 对于煤的冲击倾向性可以先采用经验类比法评估，后经过实验确定，然后对支承应力带 存在的参数进行确定，需要采用钻屑法进行探测。钻屑法是通过在煤层中打一定尺寸的 孔，依据煤粉的排出多少以及打孔期间的动力变化情况，来判断是否存在冲击危险的一 种特殊方法瞳4 _ 2 引。因为此方法能够分析多种与冲击地压相关的因素，而且具有易操作性， 4 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 所以是最常用的的一种预测方法。我国在钻屑法的研究中也取得了很大的进展，现今在 各大煤矿均有使用。 2 电磁辐射法 电磁辐射法是指煤岩在受到应力作用发生变形破裂时向外辐射电磁波，而这种电磁 波来源于煤岩的变形破裂，通过监测电磁波的变化情况来预测冲击地压的方法啪’27 l 。这 种方法可以通过电磁波的变化规律来反映煤岩体受载以及变形破裂的情况。 电磁辐射仪主要的检测参数是电磁辐射强度和脉冲数，煤体的应力状态与电磁辐射 强度存在正相关的关系。应力增高时，电磁辐射信号强度强，电磁辐射频率同时升高， 脉冲幅值增大，预示着冲击危险的发生。所以，可以利用电磁辐射法进行冲击地压的预 测工作。 1 ．3 ．3 系统检测法 1 地音监测法 地音监测系统是指可以连续监测的一种动态系统啪。。它的操作主要是在探测区内安 置地音探头，依据地质条件配置需要的各项工作参数，自动采集地音新号，并由计算机 处理与加工，最后将所得数据材料输出，分析判断冲击危险程度2 引。地音监测系统一般 包括1 6 - ～3 2 通道，可同时监测多达4 - - - 8 个工作面。振动频率从十几赫兹到2 0 0 0 H z 等； 震动范围主要在几米到2 0 0 m 之间。 2 微震监测法 微震监测法是指煤岩介质由于采掘活动导致高应力集中，造成采掘空间内围岩出现 各种具有动力特征的声发射现象，通过记录一系列声发射的信号数据，进而通过人为分 析和预测冲击危险的方法∽1 。微震监测法优于其它监测方法的主要原因是，它可以再时 间上连续的进行实时监测，在空间上也不是单独对“点”和“线“ 的分析，它的监测范 围可以扩展到一定空间，同时可以运用计算机作为辅助工具进行分析计算，最后进行人 工分析预测冲击危险可能发生的程度。目前世界各个国家都在尝试运用这类方法。微震 系统可对整个矿井进行全面监测，且具有自动性和实时性。因此对评价整个矿井不同区 域的冲击危险提供重要依据。 3 围岩动态监测法 围岩动态法是指对顶板的运动情况