跃进煤矿23130工作面冲击规律及防冲支护研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目跃进煤矿 23130 工作面冲击规律及防 冲支护研究 英文题目英文题目 Research on 23130 working face’s impact law and avoiding impact of Yuejin coal mine 学位类别学位类别工程硕士学位 研 究 生 姓 名研 究 生 姓 名郭强强学号学号2013022372 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教师指导教师段军职称职称教授 协助指导教师职称协助指导教师职称 2015 年 6 月 6 日 分类号分类号TD32TD32密级密级公开公开 U D C U D C 学校代码学校代码1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要摘要 冲击矿压作为矿山安全生产的重大隐患，严重制约着煤矿的安全高产。同时它作为 岩石力学界的难题之一，从有文献记载的 1738 年英国南史塔福煤矿发生冲击矿压开始， 一直困扰着国内外众多学者。底板型冲击矿压是在特定的地质条件下形成的以底板为突 破口的冲击矿压，目前对此研究相对薄弱，因此不管从经济效益还是社会效益来说，对 底板型冲击矿压冲击规律和防冲措施的研究都是极其有意义的。 为了深入探究跃进煤矿 23130 工作面底板型冲击矿压发生的规律以及巷道开挖后的 防冲支护措施，论文以该矿为研究主体，在前人已有的研究成果的基础上首先通过煤岩 冲击倾向性实验对跃进煤矿煤岩样进行冲击倾向性判定，然后根据综合柱状图，计算出 23130 工作面顶板岩层特征参数，以此作为跃进煤矿冲击规律的判断依据之一。其次，根 据岩石力学、弹性力学理论建立底板应力计算模型，计算推导出巷道开挖后围岩应力转 移过程中，底板发生破坏的极限条件，并引入底板冲击矿压危险性系数，得到影响该矿 冲击矿压发生的主要因素，并结合该矿实际条件加以分析。最后，运用综合指数法和类 比法对 23130 工作面进行危险区域划分并提出锚网“O”型棚联合支护的支护方式，通过 FLAC 3D 软件建模并对两种支护条件下，巷道开挖后底板应力分布、监测点水平垂直位 移和塑形区分布进行对比，为选择最优化方案提供依据，同时针对 23130 工作面贯通期 间，安全施工需要避开高应力区提出两种贯通方案，并数值模拟，得出最优化方案，并 说明此贯通方法对于冲击矿压危险巷道具有一定借鉴作用。 在以上的研究工作基础上主要得到以下结论跃进煤矿冲击矿压受开采深度、顶板 岩层性质、煤的物理力学性质、煤层厚度变化、地质构造等多方面影响。冲击矿压类型 属于大采深、受巨厚坚硬砾岩层影响的底板冲击矿压；根据力学模型的推导计算，巷道 沿顶板布置时，底板煤层水平应力增加、垂直应力减小这是底板冲击的力学原因；通过 理论分析和现场实践检验，锚网“O”型棚联合支护具有抗冲和抑制冲击、减小冲击灾害 的作用，对于跃进煤矿 23130 工作面来说，更能起到防治冲击矿压的作用，达到了预期 效果。 关键词冲击矿压；冲击倾向性；顶底板；数值模拟；工作面贯通 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract The impact of the mine pressure as a major risk of mine safety, seriously restricting the safety and high coal mine. At the same time, it as one of the difficult problems in rock mechanics field, from documented in 1738 British history Southern Dynasties tafo coal mine occurred rock pressure began, has been plagued by many scholars at home and abroad. Floor type rock pressure is ed under the specific geological conditions to the bottom for a breakthrough of rock pressure, at present, this research is relatively weak, so no matter from the economic benefit and the social benefit of floor rock pressure impact law and anti shock measures are extremely meaningful. In order to explore the 23130 of Yuejin Coal mine working face bottom pressure plate rockburst occurrence regularity and the excavation of tunnel after the anti scour supporting measures to support, the according to the mine as the research subject, on the basis of previous research results first by impact trend of rock and coal experiment of Yuejin Coal Mine Coal rock of rockburst tendency decision, then according to the comprehensive histogram calculated 23130 of working face roof slate layer characteristic parameter, taking it as one of Yuejin Coal Mine impact rules on the basis of the judgement. Secondly, according to rock mechanics, elastic mechanics theory to build a base plate stress calculation model are calculated after the excavation of tunnel surrounding rock stress transfer process, damage limit conditions occurred on the base plate, and the introduction of floor burst dangerous coefficient of pressure, have an impact on the mine rock pressure of the main factors, and combined with the actual conditions of the mine to analyze the. Finally, the use of comprehensive index and the of analogy areas classified as hazardous on 23130 working face and puts forward the anchor net and “O“ type shed combined support, by FLAC 3D software modeling and to support conditions, after the excavation of tunnel floor stress distribution, point level monitoring of vertical displacement and plastic zone distribution were compared, and provide basis for optimization scheme selection, also for 23130 working face through the period, the security 内蒙古科技大学硕士学位论文 III construction need to avoid high stress area is put forward and two through programs, and numerical simulation that optimization scheme, and shows the linking for rock pressure dangerous laneway has certain reference function. In on the basis of the above research work mainly obtains the following conclusion Yuejin Coal Mine Rock Pressure by mining depth, the roof rock properties, coal physical and mechanical nature, the variation in thickness of coal seam, geological structure effects. Rock pressure type belongs to deep mining, hard and thick gravel stratum of floor burst; calculated according to the derivation of the mechanical model of roadway along the layout of the roof, coal seam floor level stress increases, the vertical stress decreased the mechanical reasons of floor burst; through theoretical analysis and field test of practice, anchor net and “O“ type shed combined support with anti impact and restrain the impulse, reduce the impact of disasters, for 23130 of Yuejin Coal mine working face, play a role in preventing rockburst in coal mine, to achieve the desired effect. Key WordsKey WordsRock burst；Impact bias；Roof and floor；The numerical simulation；Working face through 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目录 摘要................................................................................................................................ I Abstract................................................................................................................................. II 1 绪论................................................................................................................................... 1 1.1 研究的目的及意义...................................................................................................1 1.2 我国冲击地压概况及国内外研究现状....................................................................2 1.2.1 我国冲击地压概况.........................................................................................2 1.2.2 国内外研究现状.............................................................................................2 1.2.3 冲击地压分类................................................................................................ 5 1.3 研究的内容、技术路线及方法............................................................................... 7 1.3.1 研究内容........................................................................................................7 1.3.2 研究技术路线................................................................................................ 8 1.3.3 研究方法........................................................................................................8 2 矿区工程地质条件概况...................................................................................................10 2.1 井田位置................................................................................................................10 2.2 23130 工作面概况.................................................................................................. 10 2.2.1 煤层顶底板.................................................................................................. 10 2.2.2 水文地质及防治水措施............................................................................... 11 2.2.3 岩相组合特征.............................................................................................. 12 2.3 本章小结................................................................................................................13 3 跃进煤矿冲击规律及原因分析.......................................................................................14 3.1 冲击倾向性实验.................................................................................................... 14 3.2 顶板岩层结构特征.................................................................................................18 3.3 开采深度及其它影响.............................................................................................19 3.4 底板冲击矿压发生的力学模型............................................................................. 21 3.4.1 底板应力计算模型及水平应力计算............................................................21 3.4.2 底板发生破坏的条件...................................................................................23 3.4.3 底板冲击矿压危险性系数........................................................................... 25 3.5 本章小结................................................................................................................27 4 工作面危险区域划分及支护原理................................................................................... 29 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 4.1 冲击危险性评价.................................................................................................... 29 4.1.1 地质因素对冲击矿压的影响....................................................................... 29 4.1.2 开采条件对冲击矿压的影响....................................................................... 30 4.2 划分23130 工作面高危险区域.............................................................................. 31 4.3 强冲击巷道蓄能柔性支护体系.............................................................................. 34 4.3.1 冲击震动巷道强弱强结构控制机理.............................................................34 4.3.3 深部巷道防冲控制对策................................................................................38 4.3.4 锚网支护结构存在的问题............................................................................39 4.4 巷道支护优化.........................................................................................................40 4.5 本章小结.................................................................................................................41 5 23130 高危险区防冲效果数值模拟分析..........................................................................43 5.1 柔性蓄能支护防冲体系及防冲效果.......................................................................43 5.1.1 模型的建立...................................................................................................43 5.1.2 底板位移监测分析........................................................................................44 5.1.3 应力分布规律............................................................................................... 45 5.1.4 塑性区分布...................................................................................................48 5.2 柔性蓄能支护体系................................................................................................. 50 5.3 23130 工作面贯通实践...........................................................................................52 5.3.123130 工作面贯通期间防冲分析..................................................................52 5.3.2 贯通方案设计及选择....................................................................................53 5.3.3 贯通施工及防冲措施....................................................................................58 5.4 本章小结.................................................................................................................59 结论..............................................................................................................................60 参考文献..............................................................................................................................62 在学研究成果......................................................................................................................67 致谢..............................................................................................................................68 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪论绪论 1.1 研究的目的及意义研究的目的及意义 在煤矿中（多发生于井工矿井） ，将井下巷道周围煤及岩体由于采动影响或 围岩应力变化而导致的严重破坏并引发巷道震动与围岩抛入巷道内的矿压显现 现象称为冲击矿压。冲击矿压发生时产生的动力会将煤岩体抛向巷道，同时伴随 震动发出强烈声响，造成巷道、围岩及支架设备的破坏，严重时有可能造成井下 工作人员的伤亡， 同时可能会引发水灾、 火灾、 瓦斯及煤尘爆炸等其他矿井灾害。 底板型冲击矿压是冲击破坏位置以底板为主的冲击矿压， 其多发生在底板相 对软弱无支护时， 且在采掘工作的扰动下形成以底板煤岩突入巷道空间造成人员 设备破坏的矿井灾害。其机理也是底板聚积的弹性能的瞬间释放[1]。 根据以往多次底板型冲击矿压发生的现场经验， 底板型冲击矿压多发生在巷 道沿顶板布置并未对已留底煤进行卸压及合理支护时， 顶板岩层坚硬且煤层岩层 具有一定的冲击倾向性，多以底鼓和围岩煤体压入巷道为主要显现特征。如义马 煤田跃进、千秋矿等。 关于冲击矿压机理的研究有强度理论、能量理论、冲击倾向性理论、失稳理 论和突变理论等，这些理论为冲击矿压的预测及防治提供了理论平台。由于冲击 矿压危害越来越大，各国学者对此的研究也更加深入，对于冲击矿压的研究根据 发生地点、冲击能量、显现强度更加细化的分为多种形式，学者们针对发生地点 不同的冲击矿压研究的最为深入，这也是冲击矿压的本质区别，对于预测与防治 方法的选择有着直接的影响。煤矿冲击矿压根据发生的位置可分为顶板冲击、煤 层冲击和底板冲击，相关文献对顶板及煤层冲击矿压的研究较为深入，建立了相 应的力学模型，初步形成了一系列的研究体系和成果。对于底板冲击矿压机理的 研究还较少， 部分研究对底板冲击矿压现象进行了描述或对其影响因素进行了定 性分析。王来贵建立了顶底板受拉应力型冲击矿压的数学模型，潘立友等建立了 底板屈曲破坏的模型， 但没有对底板冲击矿压的影响因素进行深入的理论分析和 实验研究。 由于底板型冲击矿压的发生具有一定特定的地质基础， 现在对于底板型冲击 矿压的研究还较为薄弱， 针对不同矿井深入研究其底板型冲击矿压发生的规律及 治理措施是极其必要的，为保证矿井安全施工，最大化的增加经济效益，保障井 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 下工作人员的人身安全， 对底板型冲击矿压的发生规律及防治措施的研究是一项 极具经济效益与社会效益的课题。 1.2 我国冲击地压概况及国内外研究现状我国冲击地压概况及国内外研究现状 1.2.1 我国冲击地压概况我国冲击地压概况 距冲击矿压最早的发生已经有几百年，早在 1738 年，英国南史塔福煤矿便 发生了冲击矿压。现在，几乎在存在煤炭资源并开采利用的国家均在不同程度上 受冲击矿压的威胁，因而引起国际岩石力学和采矿工程界的广泛关注。 根据以往理论经验以及现场实践情况发现，随开采进行，采深逐渐加大，冲 击矿压发生的频率与程度也随之增加，两者间有着紧密的联系。特别是近几年， 随着我国科技的发展，现代化进程加快，对于能源的需求量逐年增长，尤其是对 煤炭的需求，进而使煤炭产量大幅度上升。进几十年对浅部煤炭资源的开采利用 已经满足不了需求，浅部资源的减少导致煤矿开采深度的增加，已经探明的煤炭 资料多处于-600m 以下，目前为止已经有 30 多个矿井开采深度超过 1000m，随着 采深的增加，地下应力围岩应力的变化更加无规律可寻，冲击矿压危险性直线升 高，可以预想，在未来随着我国煤矿采深的增加，冲击矿压的威胁将越来越大， 破坏也会越来越严重， 所以深部矿井的冲击矿压防治是现在包括未来急需解决的 难题之一[2]。 1.2.2 国内外研究现状国内外研究现状 冲击矿压一直是国内外学者竭力解决的难题之一， 防治冲击矿压也是各国岩 石力学工程界共同关注的重要内容。 由于冲击矿压多发生在开采深度比较大的深 部矿井，应力结构复杂，但各国学者对此的研究已经取得了一定的成果，其中代 表便是强度理论、刚度理论、能量理论等[3,4]。 （1） 强度理论 对于冲击矿压的研究，强度理论是最早出现的，其认为煤岩具有一定的强度 极限， 只要超过这个极限变会发生冲击矿压，并且提出了压力拱理论以及悬臂梁 理论等，为了探究煤矿煤岩体为何形成应力集中现象，各国学者在此做了大量研 究， 但是由于冲击矿压形成复杂，这些理论研究仅仅是以材料破坏的一般规律为 出发点的，并不能解释冲狂矿压形成的真实机理 [5]。近代，随着针对冲击矿压研 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 究的深入，强度理论开始研究煤体与围岩极限破坏，其中更是提出了夹持煤体理 论。该理论的主要内容便是，围岩的坚硬可以对煤体有夹紧，坚固效果，提高了 其稳定性，阻碍其卸载变形，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹 性能， 高压带和弹性能积聚区位于煤壁附近，煤体产生突然地破坏和运动的条件 就是高应力的突然加大或者系统阻力突然减小,这样就形成了冲击矿压 [6,7]。夹持 煤体理论把围岩与煤体看做一个整体，用以力学手段解释其极限平衡条件，但是 没有深入研究极限破坏发生的条件，故无法作为预防冲击矿压的基础。 最近几年，陈宗基、侯发亮等人通过大量的实践研究分析，提出巷道破坏的 劈裂破坏与剪切破坏。 强度理论简单直观的解释煤矿冲击矿压发生的机理,便于应用于各种研究, 但是对于冲击矿压研究的深度不够，尤其是力学特征的描述，尤为重要的一点就 是无法解释冲击矿压与时间的关系。根据多个矿井的资料显示,井巷及工作面煤 岩局部应力经常超过其极限,即便在具有强冲击倾向性的煤层中,多数也不会发 生冲击地压。这说明强度理论可以做为判断冲击矿压发生的必要条件，但其提出 的判据是不够充分的。 （2） 刚度理论 刚度理论出现在20世纪60年代，由库克等人提出，随后Brake又将其普遍化， Petukhov进一步明确矿山结构的刚度理论。 从最早的将煤体与围岩看做试样与试 验机， 到明确矿山结构的刚度为达到峰值后其应力变形曲线下降的刚度。各国学 者在此方面做了大量工作。但是刚度理论并不全面，它只是冲击矿压发生的必要 条件， 尤其是对于煤岩失稳之后的稳定性判别缺乏依据，所以有时刚度理论提出 的判别依据是不可信的。 （3） 能量理论 根据能量平衡的说法，假如消耗的小于产生的便会把能量释放，从而产生冲 击矿压，库克等人在针对南非多来来冲击矿压的研究，提出这种冲击矿压产生的 原因，他们认为随采掘的深入，导致煤岩系统平衡破坏 [8]。耶格、库克等人考虑 到围岩与煤体之间的相互作用，导致能量耗散，并对此做了大量的研究。主要从 巷道开挖的形状不同，其单位体积的煤岩体随开挖所释放的能量也不同，对此进 行了大量分析与研究计算方法，其研究主体便是南非金矿，主要研究内容就是随 冲击矿压的发生次数即岩体破坏次数与能量释放快慢的关系， 许多学者在能量理 论上做了很多研究，提出了各种观点与计算方法用以阐述能量理论。同样，能量 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 理论也存在一定的局限性， 它仅从能量释放与集中的角度去研究冲击矿压发生的 机理，而忽略了井下巷道系统力学平衡破坏，没有与力学结合。所以，能量理论 同样不能成为冲击矿压发生机理的判别依据，需要进一步研究补充。但是各国学 者为了攻克煤矿安全生产这一重大难题下足了功夫。 （4） 冲击倾向性理论 该理论认为发生冲击矿压的介质都具有一些特殊的物理力学性质， 因而可以 用一种或一组指标来衡量煤岩介质产生冲击式破坏的潜在能力， 即介质的冲击 倾向。我国此方面研究人员在波兰和前苏联学者研究的基础上做了大量的工作， 提出煤样动态破坏时间（DT） 、弹性能指数（WET）冲击能指数（KE）三项指标的综 合判别煤冲击倾向的试验方法，制定了冲击矿压危险指标 [9]。 任何煤岩体都具有固定的冲击倾向性，并且根据前人对此的深入研究，现在 我们可以通过实验测得的一系列数据计算出煤岩样的冲击倾向性， 并以此为基础 对煤矿冲击矿压进行进一步的研究。过去几年，我国学者对于评价岩爆倾向性有 深入的研究，其中代表有，王淑坤、鲜来福和冯夏庭等，他们分别用模糊数学和 神经网络系统理论来综合评价岩爆的倾向性， 其对于岩爆倾向性的评价可以减少 实验误差并使各方法单独评价时，结果一致 [10]。 冲击倾向性理论主要针对顶板型冲击矿压进行研究,我国大部分冲击矿压都 是由于顶板相对软弱，从而发生的顶板型冲击矿压，此理论对于研究冲击矿压具 有重要意义 ,但对于底板型冲击矿压仅具有参考作用,这方面研究主要包括长壁 采煤由于顶板断裂而引起的煤层冲击以及顶板弯曲能指标等。 当然，冲击倾向性同样具有很大的不完善性，它只能说对冲击矿压的研究有 一定帮助，因为影响冲击矿压的因素太多太复杂，地下应力多变，地质结构同样 复杂多样，判断冲击矿压不能使用单一的标准。事实表明，许多煤样检测为强冲 击倾向性的煤矿并没有发生冲击矿压，恰恰相反，在有些煤矿煤样检测为弱冲击 倾向性时，该煤矿发生了冲击矿压 [11]。 （5） 组合冲击矿压发生理论 随着对于冲击矿压机理的研究，上述几种理论皆存在不同程度的缺陷，无法 全面有效的阐述冲击矿压发生的机理，随即李玉生等提出设想，即在上述理论的 基础上， 把各种理论组合在一起形成一种新的理论方法来阐述冲击矿压发生的机 理。 以强度理论作为冲击矿压发生的必要条件，把能量理论与冲击倾向性理论作 为冲击矿压发生的充分条件。这种设想在理论上具有一定的可行性。但是，其仅 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 仅把这些理论观点简单的组合起来，并没有考虑其内在的联系与本质的区别。尤 其是考虑到实际问题时，往往缺乏有效参数，所以，此理论需要学者们进一步研 究开发，与实际应用还有一定的距离。 （6） 煤（岩）失稳理论 此理论研究较为深入的是章梦涛教授等人， 他们认为煤矿围岩与煤