水力割缝防治忻州窑矿冲击地压试验研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 边岿】砭 日期 超生李笸宜笸这 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签 名边d 波日期丝』坦[ 酋么卤 导师签名丢丢毫r 喜卜日期Ⅻ丘√√，- 一 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 水力割缝防治忻州窑矿冲击地压试验研究 摘要 J I I IIIII I IIU lI III IU l Y 2 7 9 7 5 5 7 冲击地压是指煤炭开采过程中，煤岩体在一定条件的高应力作用下突 然失稳而发生破坏的矿井动力现象，是采动空间周边煤岩体在矿山压力作 用下，以煤岩体突出为特征的矿山压力动力显现。是煤矿重大事故灾害之 一，严重威胁着矿井的安全生产。 同煤集团忻州窑矿是典型的浅部 埋深3 8 0 米 冲击地压矿井，自开 采以来多次发生冲击地压。曾用钻孔卸压、卸压槽、爆破卸压、水力致裂 等方法治理，起到了一定的效果，但这些方法仍存在一定的缺陷，例如爆 破卸压容易产生二次灾害等。本次试验针对8 9 3 7 工作面状况，提出利用水 力割缝防治冲击地压，取得了良好的效果，水力割缝具有很好的推广价值。 本文主要工作和研究成果如下 通过研究8 9 3 7 面实际情况，结合地质情况、煤岩特性、工作面周围情 况、原岩应力测量等讨论了该矿发生冲击地压的诱发因素，认为地质构造、 相邻工作面及留设煤柱、“两硬”条件、原岩应力是诱发该矿冲击地压的主 要因素。 分析了水力割缝防治冲击地压机理，完成了割缝设备的组装和调试， 并在井下施工前进行了实验研究，确定了相关割缝参数。对施工巷道进行 了水力割缝数值模拟研究，确定了钻孔长度，并模拟了割缝与不割缝巷道 稳定性差别，结果表明水力割缝能有效防治冲击地压的发生。 为使水力割缝防治冲击地压达到最优效果，对割缝角度、钻孔间距、 割缝速度等进行对比研究，根据压力变化、排渣量的多少等将水压确定为 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 0 M P a ，割缝速度为8 c m ／m i n ，钻孔间距为1 ．5 m ，割缝深度8 ～l O m ，割缝 角度为0 。。 本文通过五种方式对割缝效果进行评测钻孔压力变化、微震信号分 析、巷道变形分析、钻孔电视监测、和含水率变化，结果表明水力割缝 后煤岩体内的应力得到释放和转移，应力向深部和两侧转移，使冲击地压 发生的风险降低，有效的防治了冲击地压的发生。 关键词水力割缝，冲击地压，机理，忻州窑矿，应力 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 E X P E R I M E N T A LS T U D Y O NH Y D R A U L I C C U T T I N GS E A MP R E V E N T I o NA N DC U R E o F ⅪN Z H O U Y A oM I N E SR O C K B U R S T A B S T R A C T R o c k b u r s tr e f e r st ot h ep h e n o m e n o nt h a td u r i n gc o a lm i n i n gp r o c e s sc o a l a n dr o c ku n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n so fh i g hs t r e s su n d e rt h ea c t i o no fs u d d e n i n s t a b i l i t yd e s t r u c t i o no fm i n ed y n a m i c ．W h e nc o a lm i n i n gs p a c es u r r o u n d i n g r o c km a s si nm i n ep r e s s u r e ，r o c k b u r s ti sc h a r a c t e r i z e db yc o a lr o c ko u t b u r s t m i n ep r e s s u r ep o w e r ．I ti so n eo ft h em a j o rc o a lm i n ed i s a s t e r sa n ds e r i o u st h r e a t t h es a f e t yo ft h em i n ep r o d u c t i o n ． D a t o n gC o a lM i n eG r o u pX i n z h o u y a om i n ei st h et y p i c a ls h a l l o w d e p t h 38 0m b u m p i n gm i n e ，w h i c hm i n i n gr o c kb u r s to c c u r r e dr e p e a t e d l y ．D r i l l h o l e p r e s s u r er e l i e f , r e l i e fg r o o v e ，b l a s t i n g r e l i e f , h y d r a u l i cf r a c t u r i n ga n d o t h e r m e t h o d sw e r eu s e df o rm a n a g e m e n ta n dp l a y e ds o m ec e r t a i ne f f e c t s ．H o w e v e r , t h e s em e t h o d ss t i l lh a v es o m ef l a w s ，s u c ha s b l a s t i n gr e l i e fe a s il y c a u s e s e c o n d a r yd i s a s t e r ．T h i st e s tp r o p o s e du s i n gh y d r a u l i cc u t t i n gs e a mt Op r e v e n t i m p a c tg r o u n dp r e s s u r ef o r8 9 3 7w o r k i n g f a c es t a t u s ，a n dg e tg o o da p p l i c a t i o n r e s u l t s ．T h em a i n w o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s B ys t u d y i n gt h e8 9 3 7w o r k i n g f a c eo ft h ea c t u a ls i t u a t i o n ，c o m b i n e dw i t h g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，c o a lp e t r o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s i t u a t i o na r o u n dt h e w o r k i n gf a c e ，t h eo r i g i n a lr o c ks t r e s sm e a s u r e m e n t sa n dS Oo n ，d i s c u s s t h e f a c t o r so fr o c kb u r s to c c u l l r e di nt h em i n e ．I ti s c o n s i d e r e dt h a tg e o l o g i c a l s t r u c t u r e ，l e a v i n gi nt h ea d j a c e n tc o a lp i l l a r sf a c e ，t w oh a r d c o n d i t i o n ，t h e o r i g i n a lr o c ks t r e s sa r et h em a j o rf a c t o r si nm i l l er o c k b u r s t ． T h em e c h a n i s mo fs l o t t i n gr o c kb u r s tp r e v e n t i o ni sa n a l y s i s e d ．T h es l o t t e d e q u i p m e n ta s s e m b l ya n dc o m m i s s i o n i n ga r ec o m p l e t e d a n di nf r o n to ft h e ⅡI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o nw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ，t h e ng o ts o m er e l e v a n t s l o t t e dp a r a m e t e r s ．T h es t u d yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh y d r a u l i cs l o t t i n gw o r k o u tt h ed r i l l i n gl e n g t h ，a n ds i m u l a t et h ed i f f e r e n c es t a b i l i t yb e t w e e ns l o t t e da n d n o n ．s l o t t e dr o a d w a y ．T h er e s u l t ss h o wt h a ts l o t t i n gc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h e o c c u r r e n c eo fr o c kb u r s t ． T o m a k e s l o t t i n g r o c k b u r s t p r e v e n t i o n t oa c h i e v e o p t i m a lr e s u l t s ， c o m p a r a t i v es t u d i e da b o u tt h es l o t t e da n g l e ，d r i l ls p a c i n g ，s p e e d s l o t t e de t c ．h a v e b e e nc o m p l e t e d ．T h ep r e s s u r ei st h ea m o u n to fs l a gt o6 0 M P ad e t e r m i n e db yt h e p r e s s u r ec h a n g ea n dt h ea m o u n to fd i s c h a r g eq u a n t i t y , s l o t t e ds p e e d8 c m ／m i n ， d r i l l i n gs p a c i n go f1 ．5 m ，s l o t t e dd e p t h8 ～10 m ． T h e s i si nf i v ew a y st oe v a l u a t es l o t t e de f f e c t s d r i l l i n gp r e s s u r ec h a n g e s ， m i c r o s e i s m i cs i g n a la n a l y s i s ，r o a d w a yd e f o r m a t i o na n a l y s i sa n dd r i l l i n gT V m o n i t o r ．T h er e s u l t ss h o wt h a ts l o t t i n gc o a la n dr o c ks t r e s sb er e l e a s e da n d t r a n s f e r r e d ，t h e nt h es t r e s st r a n s f e rt ot h ed e e pa n ds i d e st h a tr e d u c et h er i s ko f r o c kb u r s ta n de f f e c t i v ep r e v e n t i o no f r o c kb u r s t ． K E YW O R D S H y d r a u l i cC u t t i n gs e a m ，R o c k b u r s t ，M e c h a n i s m ，X i n z h o u y a o m i n e ，S t r e s s I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章研究现状及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 ．1 冲击地压发生机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 冲击地压预测预报⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 冲击地压的防治⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．4 水力割缝防治冲击地压研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 忻州窑矿冲击地压研究情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 ．4 本文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 第二章忻州窑矿8 9 3 7 面冲击地压发生机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 忻州窑矿8 9 3 7 面冲击地压情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 综合指数法分析该面冲击倾向性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 西二8 9 3 7 面冲击地压机理诱因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 2 ．3 ．1 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l 2 ．3 ．2 相邻采空区及煤柱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．3 ．3 “两硬”条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 4 2 ．3 ．4 原岩应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 第三章水力割缝防治冲击地压机理研究及设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 水力割缝卸压原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 水力割缝降低煤体冲击倾向性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 忻州窑矿防治冲击地压水力割缝设备介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．1 高压水射流的破岩作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 ．3 ．2 水力割缝成套装备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第四章水力割缝数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 冲击地压失稳模拟的力学模型简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 冲击地压失稳模型及数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．3 水力割缝防治冲击地压的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 ．1 工作面煤体侧水力割缝弹塑性区分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 ．2 煤柱侧水力割缝弹塑性区分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 割缝与不割缝情况下，应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．5 巷道煤柱易发生冲击地压的机理及对策分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第五章水力割缝防治冲击地压实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 试验工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．2 水力割缝参数的确定⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5 ．2 ．1 实验室研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5 ．2 ．2 现场割缝割缝参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．2 ．3 割缝角度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 5 ．3 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．4 现场施工情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 5 ．4 ．1 施工流程及技术要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 5 ．4 ．25 9 3 7 巷现场割缝情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 第六章水力割缝效果研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．1 割缝钻孔压力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．1 ．1 压力测试原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 ．1 ．2 应力沿钻孔深度方向转移规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．2 微震检测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．3 巷道变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．4 割缝前后钻孔变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．5 含水率测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 攻读学位期间参与的科研项目目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章研究现状及存在的问题 1 ．1 问题的提出及研究意义 冲击地压指煤炭开采过程中，煤岩体在一定条件的高应力作用下突然失稳产生破坏 的煤岩动力现象，是采动空间周边煤岩体在矿山压力作用下，以煤岩突出为特征的矿山 压力动力显现，是煤矿重大事故灾害之一l l 】。冲击地压发生的原因是由于积聚在煤岩体 内的能量突然释放，这部分能量将煤岩体抛向巷道，并且会引起底鼓、片帮冒项等现象， 同时造成煤岩体震动和破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、巷道破坏等灾害【2 J 。已经成 为威胁矿井安全生产的主要矿井灾害，也成为采矿界以及岩石力学领域的热点研究课题。 自1 7 3 8 年英国首次发生冲击地压以来，世界范围内超过2 0 多个国家相继发生冲击 地压，1 9 3 3 年在我国的抚顺胜利矿第一次发生了冲击地压事故。一般来说，随着开采深 度和开采强的增加，冲击地压发生的频率越来越来越强且强度也越来越大，但近几年在 我国的一些浅部矿井不断有冲击地压发生，例如新疆宽沟矿 3 1 7 m 、硫磺沟矿 3 5 0 m ， 乌东矿 1 5 0 m 左右 、平庄矿区古山矿 3 8 0 m 左右 、华亭矿 3 0 0 m 左右 、同煤集团 忻州窑矿 3 8 0 m 等发生过冲击地压或具有发生冲击地压的危险。据不完全统计，仅 2 0 1 0 年至2 0 1 3 间全国范围内共发生冲击地压1 5 起，共造成4 2 人死亡，近百人受伤， 造成了巨大的经济损失和人员伤亡。 同煤集团忻州窑矿已有近百年的开采历史，自投产以来多次发生冲击地压，该矿发 生冲击地压的初始深度仅为2 0 0 m ，属于典型的浅埋冲击地压矿井。目前，正在开采的 1 1 ～1 4 号煤层均有中等冲击危险性，本课题所研究的西二盘区8 9 3 7 面目前正在开采1 1 号煤层，该工作面2 0 1 2 年发生冲击地压的能量高达1 ．5 1 0 6 焦耳 相当于1 ．8 级地震 。 忻州窑矿在预防冲击地压上主要采取卸压孔、爆破卸压、开挖卸压槽、煤层注水、放顶 和加强支护等措施，取得了一定的效果。但是这些方法都存在一定的缺点钻孔卸压增 加井下施工量、卸压效果不明显，爆破卸压可能会带来二次灾害，且有可能成为冲击地 压的诱发因素，而水力致裂的缺点在于需要将钻孔封堵并对设备要求较高。鉴于此，亟 需一种安全可靠且能有效防治冲击地压发生的方法来治理冲击地压的发生，赵阳升教授 提出了水力割缝防治忻州窑矿冲击地压的方法，该方法所用设备为太原理工大学自主研 制。其优点为将钻孔卸压、卸点压槽以及水力致裂等优点集于一体，且所用设备已经 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 多次成功的在潞安、阳泉等矿井实施提高瓦斯抽放实验，具备了成熟的技术，有推广价 值。 1 ．2 国内外研究现状 国内外学者对冲击地压进行了大量的研究工作，研究的重点主要有①冲击地压发 生机理的研究，②冲击地压的预测、监测，③冲击地压治理。 1 ．2 ．1 冲击地压发生机理研究 对冲击地压发生机理的研究主要是对其发生的原因、条件、机制、以及物理过程等 进行研究，在对冲击地压发生机理研究的过程中，国内外学者提出了很多经典理论，主 要有强度理论、能量理论、刚度理论、冲击倾向性理论、变形失稳理论和三因素理论等。 强度理论【3 卅是煤体的破坏准则，以材料破坏强度理论为基础，认为冲击地压发生 的原因是煤岩体所承受的应力超过其强度极限。B r a u n e r 于二十世纪七十年代提出的夹 持理论是对强度理论的继承和发展，我国学者李玉生【5 】于1 9 8 5 年对强度理论进行了理论 计算，进一步完善了强度理论，在强度理论、能量理论和冲击倾向性理论的基础上提出 了三因素理论。祝捷等【6 】在改进L i p p m a n n 模型后，研究了水平煤层巷道两帮突出前的 应力分布规律。但是，强度理论无法解释的一个事实是即使部分煤岩体所承受的应力 超过其强度极限但并没有冲击地压发生。 能量理论[ 1 , 2 , 7 - 9 】是由前苏联学者以及英国学者库克等人提出，该理论认为冲击地压 是由于煤岩体失去平衡时所释放的能量大于其消耗的能量所致。布莱克于1 9 7 2 年研究 美国加利纳矿冲击地压时将强度理论推广为刚度理论【卜3 1 。强度理论很好地解释了冲击 地压发生时的能量转换关系，但是没有将煤岩体破坏时的性质以及条件进行详细的阐述， 尤其是煤岩体破坏释放能量时的围岩状态。而刚度理论无论是试验还是数值模拟都很难 确定煤岩体的刚度，且忽略了煤岩体积聚、释放能量的客观事实【1 0 1 。 冲击倾向性理论I l l - 1 2 1 是在试验研究以及现场研究的基础上提出的，该理论认为煤岩 体的冲击倾向性是其固有属性，是冲击地压发生的内在因素。B i e n i a w s k i t l 2 - 1 3 ] 等人通过 测试煤的应力应变现象，结合现场调查结果，提出冲击倾向性的三个指标弹性能量指 数 w E T 、冲击能量指数 1 5 0 0 无 裹1 - 2 顶板；中击倾向性分类 1 类2 类3 类 分类指标 无冲击倾向性弱冲击倾向性强冲击倾向性 弯曲能量指数U W QU w Q ≤1 01 0 U w o 一 r ／1 0 0 我国学者对冲击地压发生机理方面做了很多研究工作，取得了很多成果。章梦涛等 [ 1 6 - 1 8 ] 提出了失稳理论，并建立统一数学模型对失稳理论进行初步计算；谢和平【1 9 1 利用分 形几何的方法研究了冲击地压发生的机理以及其分形特征；赵阳升等‘2 川提出的最小能量 原理，为冲击地压发生时的弹性能在空间上的改变做了详细的阐述；齐庆新等‘2 1 】提出的 “三因素”理论认为冲击地压的发生是由煤岩体的冲击倾向性 内因 、高应度力集 中或高度能量储存扰动 力源因素 、若面以及易引起突变滑动的介质 结构因素 三 个因素所引起；窦林名等【2 2 】提出的“冲击地压强度弱化减冲机理”，对防治冲击地压很 好的指导意义。 1 ．2 ．2 冲击地压预测预报 防治冲击地压发生的基础是对其进行预测预报，煤矿开采的不同阶段所使用的方法 也不尽相同，目前主要的方法有经验类比法、钻屑法、计算机模拟法、声发射 地音 法、微震监测法、电磁辐射法、应力预测法和含水率测定法等[ 1 , 2 3 - 2 5 】。实践表明，采用 上述单一的预测预报方法都会造成很大的误差，所以要综合考虑影响冲击地压发生的各 个因素，从而准确的对冲击地压进行预测预报。 1 经验类比法 根据己发生冲击地压矿井的情况，总结经验教训并得出相应的规律，用以指导类似 煤岩条件的矿井煤层防治冲击地压的发生。该方法的重点在于总结和对比，要着重考虑 影响两个矿井冲击地压发生因素的相似性，依此来预测预报冲击地压的发生。 2 钻屑法【2 6 】 3 万方数据 太原理工大学硕士研宄生学位论文 所谓钻屑法就是在煤层中布置直径为4 2 “ - 5 0 咖的钻孔，以钻孔内排出的煤粉量及 其变化规律为依据，并结合有关动力效应来鉴别冲击危险性预测方法。该方法以钻出煤 粉量和正常排粉量之比作为衡量指标，我国在龙凤矿、忻州窑矿、门头沟矿等都有应用。 钻屑法的原理为随着煤岩体内的应力增加，使煤体破碎程度增加，导致排粉量增加，即 根据排粉量的多少判断煤体内应力分布。 3 计算机模拟法 计算机模拟法预测冲击地压应用于煤矿开采过程的各个阶段，尤其在开采设计阶段 只能依靠计算机模拟，结合经验类比法，用来评估煤层在将来开采过程中是否有发生冲 击地压的可能。目前，常用的模拟程序有F L A C 、U D E C 、A N S Y S 等，其优点是可以提 前对有可能发生冲击地压部位进行预防，因模拟时对煤岩体进行了简化处理，没有考虑 煤岩体局部非均质性、各向异性等他点，所以只能作为一种近似方法使用【2 1 。 4 声发射 地音 与微震检测 地下工程活动引起的震动主要有两种j 微震 M S ，震动比较强烈 和声发射或地 音 A E ，震动较弱 ，该方法利用连续检测和便携式检测检测系统进行检测和评价局部 冲击地压的危险性以及随时间的变化情况，根据检测到的微震及地音信号的强弱对冲击 地压进行预测预报[ 1 , 2 , 2 7 - 2 8 】。 5 电磁辐射法 岩石在发生变形或微破裂时会有电磁辐射产生，根据监测到的电磁辐射强度和脉冲 数来预测冲击地压，大量研究结果表明煤岩体内的的应力越高，破坏时所释放的电磁 辐射频率就高，发生冲击地压的危险性就越大【2 ，2 9 ‘3 1 】。因此。可根据监测到的电磁辐射 强度来反应煤岩体内的应力大小，以达到监测冲击地压的目的 1 ．2 ．3 冲击地压的防治 目前，防治冲击地压的主要方法有防范措施和解危措施两种。防范措施主要有合 理的开采布置、开采保护层、煤层注水等。解危措施主要有水力割缝、煤层卸压爆破、 钻孔卸压、定向水力致裂等。 1 ．2 ．3 ．1 冲击地压的防范措施 1 合理的开采布置与开采方式 合理的开拓布置和开采方式可以有效的避免应力集中区的形成，避免因开采引起应 力叠加，从而诱发冲击地压；要求开采过程中应尽量避免形成煤柱、孤岛工作面等应力 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 集中区；开采过程中，当地质构造可能会引起冲击地压的特殊部位，应采取合理的开采 顺序避免形成应力集中。 2 开采保护层 保护层开采就是先开采一个发生冲击地压危险性较小的煤层，卸载掉临近煤层内的 应力，这就是所谓的开采保护层。保护层要求是无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层，并且 要保证开采的时间和空间的有效性，确保后开采煤层内应力得到最大程度的释放。 3 煤层注水 煤层注水防治冲击地压是一种重要的防治措施。注水后的煤层结构发生改变，强度 降低，冲击倾向发生很大变化，其冲击倾向性会性减弱甚至消失，积聚在煤体内的弹性 能下降，有效的防治冲击地压的发生。实践表明，随着注水的时间加长，煤的冲击倾向 性、弹性能量指数、动态破坏时间等均减小，且随之间加长减小的程度也增加；从能量 角度来讲，煤层注水使得煤层在能量释放的过程中在时间上的稳定性和空间上的均匀性 得到显著改善，减小了开采过程中的应力集中。 1 ．2 ．3 ．2 冲击地压的解危措施 1 煤层卸载爆破 卸压爆破方法就是在钻孔内布置一定量的炸药，煤岩体在炸药爆炸形成的压力和冲 击波被扰动，于采面附近以及巷道两帮处形成卸压区，煤岩体内的应力集中向深部转移。 该方法可适应各种地质条件，另外因其操作方便、施工简单等特点，广泛的应用于冲击 地压的防治。 2 钻孔卸压 在煤层中应力集中区布置一定数量的钻孔，煤体在应力作用下破碎，钻孔周围形成 一定范围的破碎区，破碎区周围煤岩体的应力集中程度下降或转向煤岩体深部，实现防 治冲击地压的目的。 3 定向水力致裂 该方法就是预先在煤体内人为的制造一个裂缝，再在较短时间内用高压水将预先制 造的裂缝破裂，水力致裂的方法的主要作用是使煤岩体的物理力学性质发生改变，可有 效的降低煤岩体的冲击倾向性。另外，裂缝的破裂扩展也可在一定程度上卸载煤岩体内 的应力。 5 水力割缝 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 该方法先在煤层中布置一定直径的钻孔，然后利用高压水射流在钻孔内切割煤壁， 形成一定深度和宽度的裂缝，其防治冲击地压的机理在后文中将做详细介绍。 研究冲击地压的最终目的就是有效防止其发生，根据冲击地压发生机理，对冲击地 压的防治的主要问题是改变煤岩体内高应力状态或者是防止产生较高的应力，从而保证 煤岩体内的应力不能诱发煤岩体产生失稳破坏。 上述所采用的方法都旨在通过改变煤岩体的应力分布规律，降低可能发生冲击地压 的可能性。 1 ．2 ．4 水力割缝防治冲击地压研究现状 水力割缝防治冲击地压可以达到很好的卸压效果，是一种行之有效的防冲办法，国 内外一些学者对此也进行了理论和实验研究，取得了一定的成果。西德曾用旋转水射流 钻孔防治冲击地压，裂缝高1 2 m m 、长l ～1 ．5 m ，在防治冲击地压上取得了一定的效果1 3 2 J ； 李超等【3 3 】在庞庄煤矿进行水力割缝防治冲击地压试验研究，结合电磁辐射监测地应力分 布情况，结果表明水力割缝卸压效果显著张啸等【3 4 】利用高压水射流切割水泥砂浆试件， 分别从切削体与压力、排水量的关系以及切割深度与压力、排水量的关系几个方面进行 实验研究，得出水射流的压力为试件强度的2 0 倍时为最佳切割水压，裂缝的宽度受水 射流给进速度的影响等结论；李成全等【3 5 】对旋转水射流设备、钻头等进行研究，并对喷 头做了详细的阐述，提出利用磨料射流防治冲击地压的建议；李忠华等【3 6 】通过高压水射 流切割煤层过程、水射流速度等对防治冲击地压机理进行了详细论述，估算了煤体在切 槽后的卸压范围。文献[ 3 7 1 对高压水射流防治冲击地压机理进行了较详细的论述，通过 对割缝前后钻孔压力变化进行对比，对比电磁辐射强度变化，结果表明水力割缝能很好 的减小煤体的强度，改变了煤体内的应力状态。 在数值模拟方面，国内外许多学者也做了大量工作，对水力割缝防治冲击地压工作 起到了一定的指导作用。李忠华等1 3 8 】利用A N S Y S 对水力割缝卸压效果进行模拟研究， 表明卸压范围可达5 m 以上，且z 日, 匕v ．1 4 Ⅸ1 3 好的克服地质因素的限制唐巨鹏等【3 9 】模拟了平行、 菱形、交错三种水力割缝布置方式下的应力变化规律，模拟结果显示三种布置方式都有 很好的卸压效果，但交错割缝布置方式应力变化比其他两种方式卸压效果更好，卸压范 围几乎覆盖整个煤层，效果更理想尹亮亮等1 4 0 】通过有限元计算，证明水力割缝在防治 冲击地压方面有很好的有效性和优越性，得出割缝方向是决定卸压效果的关键因素． 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．3 忻州窑矿冲击地压研究情况 忻州窑矿是典型的浅部开采条件下的冲击地压矿井，该矿自投产以来多次发生冲击 地压，国内一些专家学者对其发生机理以及治理等做了很多工作。田利军【4 1 】对忻州窑矿 冲击地压的预测预报以及治理措施进行了综合分析，总结了忻州窑矿冲击地压发生规律； 侯志鹰等f 4 2 】分析研究了忻州窑矿冲击地压发生的机理，提出了冲击地压发生的时空能量 准则，提出利用卸压放能的方法治理冲击地压李有春【4 3 1 分析了忻州窑矿多煤层开采条 件下冲击地压发生情况，提出利用深孔爆破卸压防治冲击地压，实践证明该技术防治冲 击地压效果良好；陆菜平等【删通过分析微震监测系统所得数据，总结了微震信号与冲击 地压发生之间的关系；赵毅鑫等【4 5 】结合微震检测数据分析了该矿8 9 3 5 面冲击地压情况， 得出忻州窑矿冲击地压诱发原因为“两硬”条件下冲击地压的诱因提供了依据；王宗林 等”6 】研究了卸压槽在防治冲击地压中的作用，得出卸压槽可有效减小应力集中，在防治 冲击地压中起到很好的作用。 本文所研究的对象为忻州窑矿8 9 3 7 面冲击地压情况，针对该工作面的实际情况， 赵阳升教授提出利用高压水射流防治冲击地压，这是在防治冲击地压方面的一个新的进 展，笔者将在后文做详细介绍。 1 ．4 本文研究内容 目前，关于冲击地压的机理研究以及防治技术等已经取得了长足的进展，但还需要 更加经济合理的新技术来防治冲击地压的发生。笔者针对同煤集团忻州窑矿8 9 3 7 面冲 击地压实际情况，结合前人研究成果，总结该面冲击地压发生机理，并利用高压水射流 防治冲击地压。本文所研究的主要内容分为以下几点 1 分析忻州窑矿8 9 3 7 面冲击地压的诱发因素，通过