葛亭煤矿冲击地压危险性评价与防治技术.pdf

分类号分类号TD324 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 葛亭煤矿冲击地压危险性评价葛亭煤矿冲击地压危险性评价 与防治技术与防治技术 宋晓林宋晓林 申请学位级别申请学位级别工程工程硕士硕士 专业专业名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名 孙文斌孙文斌 职职 称称 副副 教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名 陈新华陈新华 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 二零一八年二零一八年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 葛亭煤矿冲击地压危险性评价与防治技术葛亭煤矿冲击地压危险性评价与防治技术 作者姓名作者姓名 宋晓林宋晓林 入学时间入学时间 20162016 年年 9 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向灾害预测与防治灾害预测与防治 指导教师指导教师 孙文斌孙文斌 职职 称称 副副 教教 授授 副副指导教师指导教师 陈新华陈新华 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 10 日日 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 12 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 RISK ASSESSMENT AND PREVENTION TECHNOLOGY OF ROCK BURST IN GE TING COAL MINE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements for the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Song XiaolinSong Xiaolin Supervisor Professor Sun Wenbin Vice-supervisor Senior Engineer Chen Xinhua College of Mining and Safety Engineering June 2018 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已除文中已经经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解本人完全了解山东科技山东科技大学有关保留、使用学位论文的规大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适（保密的学位论文在解密后适用本授权用本授权）） 硕士生硕士生签名签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完成了在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完成了 课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论文中的观点、课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论文中的观点、 数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为 申请学位论文。申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I I 摘摘 要要 近年来，随着开采深度的增加和矿井进入开采后期边角煤开采的增多，煤矿冲击地 压发生的越来越频繁。葛亭煤矿现已进入深部开采，与浅部煤层相比，剩余煤层地质构 造更加复杂，且多处于孤岛或半孤岛等复杂采空条件和应力集中区域，发生冲击地压的 危险性有增加的趋势。本文以葛亭煤矿深部开采冲击危险性问题为研究对象，通过实验 室试验对葛亭煤矿 3 煤层冲击倾向性特征参数进行了测定，葛亭煤矿 3 煤层为弱冲击倾 向性。 采用综合指数法和可能性指数诊断法， 对葛亭煤矿 3 煤采区进行冲击危险性评价， 划分不同工作面为弱冲击危险等级和中等冲击危险等级。通过数值模拟分析了爆破卸压 防治冲击地压的作用机理，并提出合理爆破卸压参数；提出了葛亭煤矿煤层注水防冲设 计，试验工作面倾斜上部的轨道巷为注水点，采用沿倾斜方向的下行注水方式经计算确 定了合理的注水压力、注水量、注水时间等参数。设计了葛亭煤矿合理的钻孔卸压防冲 参数。通过电磁辐射法和钻屑法，对试验采煤工作面及巷道防冲效果进行检验；葛亭煤 矿采取爆破卸压、煤层注水、钻孔卸压等措施后，试验工作面及回采巷道冲击倾向性明 显降低。论文研究成果为葛亭煤矿提供了一套有效的冲击地压评价、预测及防治方法， 对葛亭煤矿冲击地压的预防起到了积极的作用，具有类似条件的矿井都可推广应用，对 存在冲击地压的矿井也有一定的借鉴意义。 关键词关键词冲击地压，危险性评价，区域预测，预测与防治 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract II Abstract In recent years, with the increase of mining depth and the increase of coal mining in the late stage of mining, the impact of coal mining has become more and more frequent.GeTing coal mine has been in deep mining, compared with the shallow coal seam, the remaining coal bed geological structure is more complex, and in the conditions or half island and other complex and the stress concentration area, has increased the risk of percussive ground pressure.Taking GeTing coal mine deep mining shock hazard problem as the research object, through the laboratory test of GeTing impact tendency of coal seam no. 3 coal mine characteristic parameters were determined, GeTing for weak impact tendency of coal seam no. 3 coal mine.Diagnosis , using the comprehensive index and probability index to uate risk impact GeTing 3 coal mine coal mining area, divided into different face for weak shock risk level and moderate impact danger level.Through numerical simulation, the action mechanism of blasting pressure control is analyzed, and reasonable blasting parameters are put forward.Bumper design, proposed GeTing coal mine coal seam affusion test face inclined upper rail lane for water injection point, along the tilt direction downward water injection through calculate and determine the reasonable water injection pressure, injection time, injection parameters such as.The parameters of the reasonable drilling and unloading pressure of geting coal mine are designed.Through the electromagnetic radiation and the drilling cuttings , the test is carried out for the test coal face and roadway.After the measures such as blasting unloading pressure, coal seam filling and unloading pressure, the impact tendency of the test working face and mining roadway is obviously decreased.Thesis research results provides GeTing coal mine with a set of effective impact ground pressure uation, prediction and control , prevention of GeTing coal mine bumps has played a positive role, can be applied mines with similar conditions, the existence of percussive ground pressure mine also to have certain reference significance. Keywords impact pressure, hazard assessment, regional prediction, prediction and prevention. 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 I 目目 录录 摘摘 要要 ...................................................................................................................... I 1 绪论绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 课题提出及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 1 1.3 主要研究内容 .................................................................................................................. 3 1.4 研究方法和技术路线 ...................................................................................................... 3 2 葛亭煤矿葛亭煤矿 3煤层冲击倾向性测试与分析煤层冲击倾向性测试与分析 ....................................................... 5 2.1 矿井概况 .......................................................................................................................... 5 2.2 冲击倾向性测定方法 ...................................................................................................... 6 2.3 葛亭煤矿 3 煤层冲击倾向性测定 .................................................................................. 8 3 冲击地压影响因素分析及危险性评价冲击地压影响因素分析及危险性评价 ..........................................................13 3.1 冲击危险影响因素分析 ................................................................................................. 13 3.2 冲击危险性评价方法 ..................................................................................................... 16 3.3 葛亭煤矿冲击危险性评价 ............................................................................................. 21 3.4 葛亭煤矿冲击危险性结果分析 .................................................................................... 33 4 冲击地压防治措施及效果检验冲击地压防治措施及效果检验 .......................................................................35 4.1 爆破卸压防冲措施 ......................................................................................................... 35 4.2 煤层注水防冲措施 ......................................................................................................... 53 4.3 钻孔卸压防冲措施 ......................................................................................................... 55 4.4 防冲措施效果检验 ........................................................................................................ 58 5 结论与建议结论与建议 ......................................................................................................66 5.1 结论 ................................................................................................................................ 66 5.2 展望 ................................................................................................................................ 67 致致 谢谢 ..................................................................................................................68 参参考文献考文献 ..............................................................................................................69 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 II Content 1 Introduction ..................................................................................................................................................... 1 1.1 Subject and research significance .......................................................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ....................................................................................................... 1 1.3 Main research contents ........................................................................................................................... 3 1.4 Research s and technical route ................................................................................................... 3 2 Test and Analysis of 3 Coal Seam Bursting Liability of Geting Coal Mine ........................ 5 2.1 Mine overview ....................................................................................................................................... 5 2.2 Determination of bursting liability ......................................................................................................... 6 2.3 Coal seam bursting liability of geting coal mine .................................................................................... 8 3 Analysis of Impact Factors and Risk Assessment .......................................................................... 13 3.1 Analysis of impact risk factors ............................................................................................................. 13 3.2 Impact hazard uation ........................................................................................................ 16 3.3 uation of the impact hazard of geting coal mine ........................................................................... 21 3.4 Analysis of the impact risk of geting coal mine ................................................................................... 33 4 Prevention and Control Measures and Effect Test of Rock Burst .......................................... 35 4.1 Blasting pressure prevention measures ................................................................................................ 35 4.2 Anti scouring measures of coal seam water injection .......................................................................... 53 4.3 Drilling and pressure relief measures ................................................................................................... 55 4.4 Effect test of anti-impact measures ...................................................................................................... 58 5 Conclusions and Recommendations .................................................................................................... 66 5.1 Conclusions.............................................................................................................................................. 66 5.2 Expectation .............................................................................................................................................. 67 Appreciation ..................................................................................................................................................... 68 Reference ............................................................................................................................................................ 69 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 课题提出及研究意义课题提出及研究意义 近年来，随着开采深度的增加和矿井进入开采后期边角煤开采的增多，煤矿冲击地 压发生的越来越频繁。目前，华东、华北主要产煤地区的矿井深度已经接近或超过 800m-1000m，矿井深部开采冲击地压灾害成为这些矿井安全开采面临的重大难题，也是 各矿井亟待解决的问题[1-10]。因此深部开采时有效控制矿井动力灾害成为当前科研专家 及现场施工的首要任务，特别是冲击地压的发生更加普遍，危害更加严重，更加需要有 开创性的研究[11-15]。尽管国内外很多学者和科研人员进行了大量的研究和实验，取得了 很多成果，但是还远远没有达到有效控制冲击地压的要求。 葛亭煤矿现已进入深部（800m 以深）及开采边角煤开采区域，与本矿的浅部煤层地 质构造相比，剩余煤层大多处于孤岛或半孤岛等极其复杂的采空条件和应力集中区域地 质构造带，具有增加发生冲击地压的危险性的趋势。由于本矿以前未曾出现冲击地压问 题，因而冲击地压监测手段较简单，只有钻屑法一种监测手段；在防冲技术方面也存在 经验不足和系统性、科学性不足的问题，不能满足深部开采的需要。因此针对葛亭煤矿 剩余的深部构造及采动关系复杂煤层， 进行冲击地压监测与防治技术研究是十分必要的。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 冲击地压危险性评价研究现状冲击地压危险性评价研究现状 冲击地压危险性评价是对发生冲击地压可能性判定并划分危险等级。目前，冲击危 险性评价及预测主要有以下方法。 1、常规方法 （1）钻屑法 通过向煤体钻孔，根据单位孔深排粉量和钻孔过程动力现象判断煤层状态，预测冲 击地压危险程度，这种方法简便易行，成为普遍采用的一种预测方法[16-21]。 （2）应力测量法 多采用钻孔应力计进行应力变化的监测，根据应力状态评价和预测冲击地压危险程 度[22-31]。 （3）工作面测量法 另外，采面顶板动力现象的观察及声响也可提供一系列冲击地压危险信息[32-35]。 2、统计及经验方法 （1）综合指数法 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 2 分析各种因素对冲击地压发生的影响，确定影响权重，根据综合指数，分为无冲击、 弱冲击、中等冲击和强冲击等级，主要用于静态区域预测[36-39]。 （2）地质调查和统计方法 探查地质构造区域，并确定应力集中区，对危险区域开展防治工作[40-43]。 3、地球物理方法 利用物理场监测相关参数变化情况，监测煤岩体动态变化和确定地质构造。地球物 理方法主要包括地质雷达法、红外辐射法、微震法、电磁辐射、声发射法等[44-46]。 4、时空预测方法 时间上，分早期综合预测和即时预测，前者采用综合指数法，后者采用地球物理方 法。空间上，分为点、局部和区域预测[47-49]。 1.2.3 冲击地压的防治技术研究现状冲击地压的防治技术研究现状 冲击地压防治技术包括整体防治和局部防治。 1、整体防治 （1）开采技术 主要为选择合理的开拓布置、开采方法，避免应力集中和能量积聚[50-54]。 （2）开采保护层 多煤层地下采矿过程中，煤层间的开采相互影响，在开采设计时协调开采煤层群， 首先开采无冲击危险的煤层，解放冲击煤层，降低煤层冲击危险[55-59]。 （3）煤岩层预注水 煤岩层高压注水可改变冲击煤岩层物理力学特性，降低冲击倾向和改变应力状态 [59-62]。 （4）厚层坚硬顶板处理 厚层坚硬老顶的大面积悬顶，引起顶板应力高度集中。对坚硬顶板强制放顶，破坏 其完整性，降低应力集中程度[63-68]。 2、局部防治 （1）爆破卸压 爆破卸压是防治冲击地压的最主要解危措施之一，通过爆破方法降低区域应力集中 [69-71]。 （2）诱发爆破 通过诱发爆破，人工诱发冲击地压，以避免冲击地压发生[72-75]。 （3）钻孔卸压 钻孔冲击作用形成贯通破碎区，使煤层破裂卸压，减缓冲击危险[76-79]。 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 3 1.3 主要研究内容主要研究内容 （1）对葛亭煤矿深部构造复杂煤层的冲击倾向性进行大量试验，分析各影响因素， 掌握其变化趋势与规律； （2）深部构造复杂煤层的冲击危险性理论分析，对综合指数法的进行修正；采用修 正的综合指数法，对葛亭煤矿深部构造复杂煤层正在开采的工作面开展分区性冲击危险 性评价； （3）采用数值模拟技术，分析爆破卸压效果及巷道破坏程度，优化卸压爆破参数； 分析国内外现有的各种防治冲击地压的技术，选择经济合理的满足葛亭煤矿实际需要的 防冲技术； （4）选择合理的满足葛亭煤矿冲击地压监测手段与仪器，并制定监测指标参考标准 值，对监测结果进行处理分析； （5）系统总结以上试验与现场测试结果、现场应用效果，提炼出适合葛亭煤矿深部 构造复杂煤层及其顶底板特点的冲击地压预测与防治技术方案，并在葛亭煤矿及类似条 件进行推广。 1.4 研究方法和技术路线研究方法和技术路线 （1）运用可能性指数法和修正的综合指数法对正在开采的工作面进行冲击危险性评 价； （2） 采用电磁辐射法和钻屑法进行现场监测， 提出可行的监测方案与数据处理方案； （3）应用煤层注水及钻孔卸压技术对有冲击危险性的工作面进行现场防治。 项目研究的技术路线如图 1.1 所示。 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 4 图 1.1 技术路线 Fig 1.1 Technical route 3 煤工作面冲击危险性进行评价 冲击地压现场监测方法分析及监测仪器选择器 现场取煤样，通过试验分析煤层冲击倾向性 数值模拟 坚硬厚层采高比 采空区宽度 应力集中系数 综合指数评价法 可能性指数诊断法 制定防冲措施，并在现场应用 项目调研、资料收集及分析 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 葛亭煤矿