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硕士学位论文 千秋煤矿冲击地压综合预警技术研究 Study on Comprehensive Warning of Rock Burst in Qianqiu Coal Mine 国家自然科学基金项目（51304205） 国家“十二五”科技支撑计划（2012BAK09B01） 教育部科学技术研究项目（113031A） 作者李学龙 导师刘贞堂 教授 中国矿业大学 二〇一四年五月 万方数据 中图分类号 TD712 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 千秋煤矿冲击地压综合预警技术研究 Study on Comprehensive Warning of Rock Burst in Qianqiu Coal Mine 作 者 李学龙 导 师 刘贞堂 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 安全工程学院 学科专业 安全技术及工程 研究方向 冲击地压监控与防治 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，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 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部 分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权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；②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师生阅 读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 84 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文千秋煤矿冲击地压综合预警技术研究 ，是本人 在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。据我所知， 除文中已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 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。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 李学龙 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审 阅，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，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 本论文是在刘贞堂教授的悉心指导下完成的，从论文的选题到定稿无不凝聚着导师的 心血。师从三载，收获颇丰。导师宽厚待人的高尚品质、孜孜不倦的育人态度、乐观向上 的生活态度、高屋建瓴的科研精神和务实创新的科研作风使学生受益匪浅，享用终生。在 此谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢 在论文的选题和写作过程中，得到了中国矿业大学王恩元教授的悉心指导与无私帮 助，每逢遇到疑难问题王恩元教授都能及时并且深刻的给我指点迷津，帮助我开拓研究思 路；王恩元教授勤奋的工作态度、渊博的学术知识、严谨求实的治学态度，是学生一生学 习的榜样，藉此机会谨向王恩元教授表达深深的敬意和无以言表的感谢 特别感谢宋大钊老师在论文内容上的亲切指导和宝贵建议 特别感谢李忠辉教授在学业和生活上的指导与关心 感谢刘晓斐副教授、沈荣喜副教授、赵恩来老师、欧建春老师三年来在学习和生活上 的指导和关心 感谢陈鹏博士、金佩剑博士、李楠博士、刘杰博士、胡少斌博士、冯俊军博士、 陈 亮博士、张志博博士、邱黎明硕士、钮月硕士、刘宝贝硕士等在论文写作及排版方面的建 议及帮助 感谢景林波、朱亚飞、张攀、姜乐等同窗好友七年来的陪伴 感谢苑广华、刘永杰、潘东伟、杨玉龙、陆智斐、许金杯、王嗣衡、何淼、孙珍玉、 高芸及课题组其他师兄师姐师弟师妹们，三年朝夕相处，他们的热心帮助，他们的幽默风 趣，使我度过了一段美好愉快的时光，在此一并致以由衷的谢意 感谢安全学院、研究生院的领导和老师三年来提供的优雅环境和学习条件 感谢义马千秋煤矿魏向志总工、杨超科长、苏士杰副科长、郝其林副科长等在现场资 料收集中给予的帮助和协作。 感谢所引用参考文献的作者，他们卓有成效的工作业绩，让我的论文受益匪浅 感谢各位专家、学者在百忙之中审阅本文，并热切地希望得到您的指教 特别感谢我的家人多年来对我学业的支持与鼓励、生活的关怀与照顾他们多年来辛 勤劳作，含辛茹苦，无私付出，使我能够顺利完成学业，他们的恩情我将永远铭记 万方数据 I 摘摘 要要 冲击地压是矿山深部开采面临的主要灾害之一。随着开采深度的增加和开采强度的加 大，冲击地压强度和频率不断增大，严重威胁着矿山安全、高效开采。对冲击地压灾害进 行综合监测，进一步提高冲击地压灾害预警的准确率，对保障矿山的安全生产具有重要的 理论及实践意义。 本文结合千秋煤矿地质条件及采掘情况，研究了千秋煤矿冲击地压特征及影响因素； 将电磁辐射法（KBD5、KBD7）与微震法（ARAMS-ME、ESG）相结合对千秋煤矿采掘 工作面进行了监测和分析，得出了电磁辐射和微震的前兆规律与冲击危险的内在联系；确 定了该矿的冲击地压预警指标，建立了基于临界值和动态变化率的预警准则，初步形成了 千秋煤矿冲击地压综合监测预警体系并在现场得到了验证应用。本文的研究成果主要有 （1）千秋煤矿目前主要开采的 21 采区是强冲击危险区，其冲击地压灾害是煤岩物理 力学性质、地质构造、采深、煤层厚度和采掘活动几方面因素共同作用的结果。 （2）冲击地压事件发生前，便携式电磁辐射（KBD5）时间上存在逐渐增大又减小的 趋势，空间上表现为冲击地压发生区域电磁辐射强度值与脉冲值均比正常区域高；在线式 电磁辐射信号（KBD7）存在 3 种类型的趋势“倒 V”型，“连续上升”型，“N”型趋 势，所占比例分别为 57.14，28.57，14.29；两种微震（ARAMIS-ME、ESG）监测规 律基本一致日总能量和日频次在冲击事件发生前均呈现逐渐减小的趋势，即出现震前 “平静期”。 （3）研究确定了千秋煤矿冲击地压预警的敏感指标；基于突变理论建立了冲击预警 临界值和动态变化率准则；将综合预警定量化，形成了适用于千秋煤矿的冲击地压综合预 警体系，并成功地进行了验证应用。 该论文有图 78 幅，表 11 个，参考文献 92 篇。 关键词关键词冲击地压；电磁辐射；微震；综合预警 万方数据 II Abstract Rock burst is one of the main hazards faced by deep mine. With the increase of mining depth and mining intension, strength and frequency of rock burst are on the rise, and has become a serious threaten to mine safety and efficient production. Comprehensive monitoring of rock burst hazard can further improve the accuracy of rock burst hazard warning，it has great theoretical and practical significance for the safety production of coal mines. Combining the geological condition and mining circumstance of Qianqiu coal mine, the rock burst characteristic and its influence factor are studied in this paper. Working face in Qianqiu coal mine were monitored and analyzed by combining electromagnetic radiation KBD5、 KBD7 with microseismic ARAMIS-ME、 ESG, and the inherent relationship between the precusor rule of EMR and MS and rock burst risk is obtained; the rock burst warning indicator is determined, warning threshold based on critical value and dynamic changing rate is established, and the initial rock burst comprehensive monitoring and warning system of Qianqiu coal mine is built and applied. The main research results are as follows 1 The major mining area of Qianqiu coal mine has strong rock burst hazard. Physical and mechanical properties of coal and rock, geological structure, mining depth, seam thickness and mining activities etc. collectively result in the rock burst. 2 Before the rock burst, KBD5 signals change from gradual increase to decrease in time, and the EMR intensity and pulse are higher in rock burst area than other places in space. KBD7 has three kinds of trend “inverted V“ type, “N“ type and “Continuous rise“ type, their proportion are 57.14，28.57，14.29 respectively; the monitoring laws of the two microseismic ARAMIS-ME、ESG types are the same The daily total energy and daily frequency show gradually decreasing tendency before rock burst, which means the “quiet period“ before rock burst. 3 The sensitive index of rock burst warning in Qianqiu coal mine is studied and determined, the warning threshold and the dynamic changing rate criterion of rock burst are established based on the mutation theory. By comprehensive warning quantification, a suitable comprehensive warning system is ed and applied in Qianqiu coal mine successfully. The paper contains 78 figures, 11 tables, and 92 references. Keywords rock burst; electromagnetic radiation; microseismic; comprehensive warning 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ......................................................................................................................................... I 目目 录录 ......................................................................................................................................III 图清单 图清单 .................................................................................................................................... VII 表清单表清单 ...................................................................................................................................... XI 1 绪论绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 论文研究背景和意义 ......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................. 2 1.3 主要研究内容及方法 ......................................................................................................... 6 1.4 技术路线及研究手段 ......................................................................................................... 6 2 千秋煤矿冲击地压发生规律及影响因素分析千秋煤矿冲击地压发生规律及影响因素分析 ..................................................................... 8 2.1 矿井概况 ............................................................................................................................. 8 2.2 千秋煤矿冲击地压发生特征及影响因素分析 ............................................................... 13 2.3 本章小结 ........................................................................................................................... 19 3 千秋煤矿冲击地压电磁辐射前兆规律研究千秋煤矿冲击地压电磁辐射前兆规律研究 ....................................................................... 20 3.1 电磁辐射法监测监控冲击地压原理 ............................................................................... 20 3.2 冲击地压事件的便携式电磁辐射（KBD5）规律 ......................................................... 20 3.3 冲击地压事件的在线式电磁辐射（KBD7）规律 ......................................................... 32 3.4 本章小结 ........................................................................................................................... 44 4 千秋煤矿冲击地压微震前兆规律研究千秋煤矿冲击地压微震前兆规律研究 ............................................................................... 46 4.1 微震法监测监控冲击地压原理 ....................................................................................... 46 4.2 冲击地压事件的 ARAMIS-ME 微震前兆规律研究 ...................................................... 46 4.3 冲击地压事件 ESG 微震前兆规律研究 .......................................................................... 52 4.4 千秋煤矿电磁辐射和微震相关性研究 ........................................................................... 58 4.5 本章小结 ........................................................................................................................... 60 5 千秋煤矿冲击地压综合预警体系研究千秋煤矿冲击地压综合预警体系研究 ............................................................................... 61 5.1 冲击地压综合预警方法 ................................................................................................... 61 5.2 冲击地压综合预警指标临界值 ....................................................................................... 62 5.3 冲击地压综合预警体系的建立 ....................................................................................... 68 万方数据 IV 5.4 本章小结 ........................................................................................................................... 69 6 千秋煤矿冲击地压综合预警体系的验证应用千秋煤矿冲击地压综合预警体系的验证应用 ................................................................... 70 6.1 试验区工作面传感器布置 ............................................................................................... 70 6.2 冲击事件的综合预警体系响应规律 ............................................................................... 71 6.3 本章小结 ........................................................................................................................... 75 7 结论与展望结论与展望 ........................................................................................................................... 76 7.1 结论 ................................................................................................................................... 76 7.2 主要创新点 ....................................................................................................................... 77 7.3 展望 ................................................................................................................................... 77 参考文献参考文献 .................................................................................................................................. 78 作者简历作者简历 .................................................................................................................................. 83 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .............................................................................................................. 84 学位论文数据集学位论文数据集 ...................................................................................................................... 85 万方数据 V Contents Abstract .................................................................................................................................... II Contents .................................................................................................................................... V List of Figures ....................................................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................................................... XI 1 Introduction ........................................................................................................................... 1 1.1 Background and Significance ............................................................................................... 1 1.2 Research Status..................................................................................................................... 2 1.3 Main Research Contents and s ................................................................................. 6 1.4 Technical Route and Research Program ............................................................................... 6 2 Analysis on Rule and Factor of Rock Burst in Qianqiu Coal Mine .................................. 8 2.1 Mine Overview ..................................................................................................................... 8 2.2 Analysis on Characteristic and Factor of Rock Burst in Qianqiu Coal Mine .................... 13 2.3 Brief Summary ................................................................................................................... 19 3 Electromagnetic Radiation EMR Precursor Rule of Rock Burst in Qianqiu Coal Mine .................................................................................................................................................. 20 3.1 Principle of Testing and Monitoring Rock Burst by EMR ................................................. 20 3.2 Precursor Rule of EMR（KBD5）in Rock Burst ............................................................. 20 3.3 Precursor Rule of EMR KBD7 in Rock Burst ................................................................. 32 3.4 Brief Summary ................................................................................................................... 44 4 Microseismic Precursor Rule of Rock Burst in Qianqiu Coal Mine .............................. 46 4.1 Principle of Testing and Monitoring Rock Burst by Microseismic ................................... 46 4.2 Precursor Rule of ARAMIS-ME Microseismic in Rock Burst .......................................... 46 4.3 Precursor Rule of ESG Microseismic in Rock Burst ......................................................... 52 4.4 EMR and Microseismic Correlation in Qianqiu Coal Mine .............................................. 58 4.5 Brief Summary ................................................................................................................... 60 5 Research of Rock Burst Comprehensive Warning System in Qianqiu Coal Mine ....... 61 5.1 Comprehensive Warning of Rock Burst ............................................................... 61 5.2 Comprehensive Warning Threshold Index of Rock Burst ................................................. 62 5.3 Establishment of Rock Burst Comprehensive Warning System ........................................ 68 5.4 Brief Summary ................................................................................................................... 69 万方数据 VI 6 Verify and Application of Qianqiu Coal Mine Rock Burst Warning System ................ 70 6.1 Sensor Arrangement in Test Area ....................................................................................... 70 6.2 Response Characteristic of Comprehensive Warning System in Rock Burst .................... 71 6.3 Brief Summary ................................................................................................................... 75 7 Conclusions and Prospects ................................................................................................. 76 7.1 Conclusions ................................................