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致 谢 致 谢 论文是在导师陈学华教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、构思到论 文撰写期间，导师一直关心作者的论文进展情况，对论文的研究思路和方法给 予了热心指导和有益的启迪，整个过程无不浸透着陈老师的心血和汗水。在攻 读硕士期间，导师在学习上、生活上给了我无微不至的关怀，给了我许多终身 受益的教诲和帮助，他在百忙之中对我论文的撰写给予了细心的指导，并以博 学的知识、敏锐的学术洞察力，勇于创新的科研态度，不懈追求的治学精神和 处世态度，为我树立了一生的学习榜样。天涯海角有穷时，只有师恩无尽处， 完稿之际，谨向导师表达我最衷心的感谢和崇高的敬意。 在两年半的研究生学习生涯中，得到了研究生学院领导及老师的关心和培 养，在此感谢研究生学院的刘景凡院长，陈凯，贺飞老师对我以前工作的支持 和帮助。 在论文的写作和有关科研项目的研究过程中，辽宁工程技术大学资源与环 境工程学院宋卫华老师和刘光伟老师向本人提出了宝贵的建议，同时感谢东滩 煤矿李伟清副矿长和谭文峰科长等给予了大力支持，在此一并致以诚挚的谢 意。 在论文撰写过程中，还得到了我的同学王伟、王晓磊、张磊、王明星、李 明等，以及我的师弟王铁林、刘洋给予我的帮助和支持。 感谢各位专家在百忙之中评审我的论文。 感谢所有关心、支持和帮助我的人。 - I - 摘 要 摘 要 矿井动力灾害一直是岩体力学及矿山压力防治研究难点。冲击地压作为矿井中 最严重的动力现象之一，从理论到防治都尚未完全解决。地下开采引起的应力集中 增大了发生冲击地压的危险性。东滩煤矿 14309（西）综放工作面处于高应力集中 区， 因此非常有必要对是否存在冲击地压灾害， 是否需要治理及如何防治进行研究。 本文采用理论分析，经验类比及应力分析等方法综合确定 14309（西）工作面 在过高应力煤柱区时具有中等冲击危险。采用综合指数法及 RFPA 软件数值模拟方 法的结果表明，当联络巷与轨顺间的煤柱尺寸为 10～30m 时，具有从弱到中等程度 的冲击危险。根据工作面的生产条件，应用中等直径钻孔卸压的措施，施工较为灵 活方便，速度快。采取了钻屑法结合电磁辐射仪的严格的检测措施，实施了大量的 检测工作，确认了无冲击危险，保证了安全生产，说明卸压效果明显。应用电磁辐 射仪，还检测出了在工作面过巷道交叉及停采线时检测指标明显升高，说明这些地 段是冲击或巷道失稳的危险区。工作面过 NF21 断层时，制定及执行了专门的技术 措施，使回采工作得以顺利进行。工作面过 NF21 断层后停采，工作面撤出时维护 条件好，并避免了冲击危险，为其它类似条件下停采线的留设提供了依据。 通过本论文的研究，保证了 14309（西）工作面过联络巷、临近工作面停采线 高应力煤柱区及 NF21 断层的安全生产，安全回采出了大量煤炭，取得了较大的社 会效益及经济效益。 关键词冲击地压；RFPA 软件；数值模拟；区域预测；钻孔卸压 - II - Abstract Abstract The dynamic disasters in coal mines have always been the main difficult problems on rock mass mechanics and mine pressure. As one of the most serious dynamic phenomenon in mines, rock burst is still not solved from the theory to the practice completely. Stress concentration Caused by underground mining increases the risk of rock burst occurrence. The No. 14309 west fully-mechanized-face of Dongtan coal mine is in the high stress concentration area. Therefore it’s very necessary to whether there is rock burst disasters, whether measures are needed and study on how to prevent and control. This paper based on theoretical analysis, analogies of experience and stress analysis and so on to synthesize set 14309 west working face in coal block high stress area with medium burst risk. To use synthetic index and RFPA software numeric simulation showed when coal block size 10～30 meter connecting tunnel and rail trough, from weak to moderate degree burst danger. According to the working conditions, the application of medium diameter drillhole pressure measure, construction more convenient, flexible, and faster. The strict inspection measures of combining electromagnetic radiation instrument and drilling sludge s are adopted, implemented a lot of testing work, and confirmed the impact of risk-free to ensure safety in production, indicating pressure relief the effect is obvious. Application of electromagnetic radiation instrument, the test index increased significantly when the working face went through the stop line of adjacent working face and the roadway intersection, description of these lots are burst or instability of the danger zone. The working face through NF21 faults, specialized technical measures are ulated and implemented, to make mining work to be carried out smoothly. Working face had stopped mining after the NF21 faults, working face to maintain good conditions for the withdrawal of, to avoid the burst risk, for other similar conditions of stop line leaving providing the basis for. Through the study of this paper, ensures safety for 14309 west working face passed tunnel intersection, stop line of adjacent working face in coal pillar of high stress area and NF21 faults, a large of coal is mined, greater social and economic benefits has been achieved. Key Wordsrock burst，RFPA software，numeric simulation，regional prediction， drill hole pressure relief - III - 目 录 目 录 摘 要.....................................................................................................................................I Abstract ..................................................................................................................................... II 1 绪 论 ...............................................................................................................................1 1.1 问题的提出....................................................................................................................1 1.2 冲击地压国内外研究现状............................................................................................2 1.3 冲击地压预测与防治方法............................................................................................3 1.3.1 冲击地压危险的区域预测............................................................................3 1.3.2 冲击地压危险的区域性监测........................................................................6 1.3.3 冲击地压危险的局部检测............................................................................7 1.3.4 冲击地压防治措施........................................................................................8 1.4 论文研究的必要性及主要研究内容..........................................................................10 2 应力集中区冲击危险条件分析与评价............................................................................12 2.1 14309（西）工作面概况............................................................................................12 2.1.1 工作面位置及与周边关系..........................................................................12 2.1.2 煤层及顶底板特征......................................................................................13 2.1.3 地质构造情况..............................................................................................15 2.1.4 巷道布置......................................................................................................15 2.2 高应力区的冲击危险条件分析..................................................................................16 2.2.1 原岩应力条件分析......................................................................................16 2.2.2 采动应力集中情况分析..............................................................................17 2.3 煤岩层性质及赋存条件..............................................................................................19 2.3.1 煤层性质及赋存条件..................................................................................19 2.3.2 顶底板岩层性质及赋存条件......................................................................20 2.4 冲击危险综合指数评价..............................................................................................20 2.4.1 影响冲击地压危险状态的地质因素及指数..............................................20 2.4.2 影响冲击地压危险状态的开采技术因素及指数......................................21 2.4.3 冲击地压危险程度的预测预报..................................................................22 2.5 冲击地压发生类型的对比..........................................................................................22 2.6 本章小结......................................................................................................................23 3 工作面过 14309（西）轨顺联络巷冲击危险的数值模拟.............................................24 - IV - 3.1 模拟方案的确定..........................................................................................................24 3.2 煤柱为 10m 时的破坏状态模拟.................................................................................24 3.2.1 逐步加载条件下弹模图及声发射图..........................................................24 3.2.2 逐步加载条件下声发射能量分布规律统计..............................................26 3.2.3 逐步加载条件下 10m 煤柱上的应力变化情况.........................................27 3.2.4 根据模拟结果分析 10m 煤柱冲击的可能性.............................................28 3.3 煤柱为 20m 时的破坏状态模拟.................................................................................28 3.3.1 逐步加载条件下弹模图及声发射图..........................................................28 3.3.2 逐步加载条件下声发射能量分布规律统计..............................................29 3.3.3 逐步加载条件下 20m 煤柱上的应力变化情况.........................................30 3.3.4 根据模拟结果分析 20m 煤柱冲击的可能性.............................................30 3.4 煤柱为 30m 时的破坏状态模拟.................................................................................31 3.4.1 逐步加载条件下弹模图及声发射图..........................................................31 3.4.2 逐步加载条件下声发射能量分布规律统计..............................................33 3.4.3 逐步加载条件下 30m 煤柱上的应力变化情况.........................................33 3.4.4 根据模拟结果分析 30m 煤柱冲击的可能性.............................................35 3.5 煤柱为 40m 时的破坏状态模拟.................................................................................35 3.5.1 逐步加载条件下弹模图及声发射图..........................................................35 3.5.2 逐步加载条件下声发射能量分布规律统计..............................................37 3.5.3 逐步加载条件下 40m 煤柱上的应力变化情况.........................................37 3.5.4 根据模拟结果分析 40m 煤柱冲击的可能性.............................................38 3.6 煤柱为 50m 时的破坏状态模拟.................................................................................39 3.6.1 逐步加载条件下弹模图及声发射图..........................................................39 3.6.2 逐步加载条件下声发射能量分布规律统计..............................................40 3.6.3 逐步加载条件下 50m 煤柱上的应力变化情况.........................................41 3.6.4 根据模拟结果分析 50m 煤柱冲击的可能性.............................................42 3.7 本章小结......................................................................................................................42 4 冲击危险的监测及治理方案............................................................................................43 4.1 冲击危险的预治理及解危..........................................................................................43 4.1.1 冲击危险的预治理......................................................................................43 4.1.2 冲击危险的解危..........................................................................................45 4.2 冲击危险的监测..........................................................................................................45 - V - 4.3 工作面过 NF21 断层的冲击危险评价及安全措施...................................................48 4.3.1 冲击危险性分析..........................................................................................48 4.3.2 安全回采技术措施......................................................................................48 5 冲击危险的防治及效果分析............................................................................................49 5.1 冲击危险的检测及结果分析......................................................................................49 5.1.1 检测方法......................................................................................................49 5.1.2 检测结果整理..............................................................................................51 5.1.3 钻屑法检测记录及分析..............................................................................52 5.1.4 电磁辐射仪检测记录及分析......................................................................59 5.2 冲击危险的治理及效果分析......................................................................................63 5.2.1 卸压钻孔施工过程......................................................................................63 5.2.2 卸压钻孔卸压效果分析..............................................................................63 5.3 工作面过断层时的情况及分析..................................................................................66 5.3.1 工作面过断层时的情况..............................................................................66 5.3.2 工作面过断层时的状态分析......................................................................66 6 结论与展望........................................................................................................................67 6.1 主要结论......................................................................................................................67 6.2 今后工作展望..............................................................................................................67 参 考 文 献............................................................................................................................68 作 者 简 历............................................................................................................................71 学位论文数据集......................................................................................................................73 － － 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 问题的提出 矿井动力灾害一直是岩体力学及矿山压力防治研究难点。近年来随着开采深度 的增加，动力灾害更加明显，给矿井生产和安全带来了极大的威胁。煤矿冲击地压 属矿井动力灾害，是矿山压力的一种特殊显现形式，冲击地压是在高地应力条件下 进行地下工程施工的过程中，坚硬围岩因开挖卸荷形成二次应力场，表现为在巷道 围岩附近产生应力集中，当应力超过岩体的破坏强度时，聚积在巷道周围的岩体内 部储存的弹性应变能常常以突然、急剧、猛烈的形式释放，其灾害性表现为煤岩体 被抛出，支架损坏，巷道堵塞，并产生巨大的响声和岩体震动，震动时间从几秒到 几十秒，冲出的煤岩从几吨到几百吨，对矿山安全生产威胁极大，时常造成重大伤 亡事故。 由于冲击地压发生的原因和条件极为复杂、影响因素颇多、灾害严重且发生的 随机性和突发性、破坏形式的多样性难以预测而成为岩石力学研究中的一个重大问 题。随着开采技术的提高和煤矿资源开采向深部的转移，加之绝大多数矿山的煤岩 层都具有强烈或明显的冲击倾向性，故冲击灾害问题也更为突出、严重和普遍。 世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。世界上首例冲击地压 1738 年发生在英国南斯坦福煤田，现在已发生冲击地压的有南非、德国、英国、俄 罗斯等 20 多个国家[1-4]。在我国抚顺胜利矿最早 1933 年发生冲击地压，1960 年全 国发生冲击地压的矿井只有 6 个，1985 年我国冲击地压煤矿为 32 个，主要分布在 北京、枣庄、抚顺、大同、天池等局矿，开采深度平均仅为 500～650m。到 1990 年仅煤炭部所属煤矿发生冲击地压的矿井已增加到 58 个。截止 2006 年底，仅新发 生冲击地压的矿井就多达近 70 个，分布范围扩大到开滦、新汶、徐州、义马、鹤 岗、淮南、华亭、大屯、韩城、兖州等局矿，开采深度也达到 750～1150m。仅 2001～ 2006 年底，先后在大同、北京、华亭、徐州、抚顺、新汶、开滦、阜新等局矿因冲 击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达 10 余起，死伤人数达百余人。我国冲 － － 2 击地压矿井数量随着采深的增加而增加。可以预计，到 2010 年前后，我国冲击地 压矿井数量将达到 120 个左右，冲击地压矿井开采深度将达到 850m[5-6]作为我国煤 矿开采深度以每年 8～12m 的速度增加，东部矿井正以每年 10～25m 的速度发展， 冲击地压灾害越来越严重，己成为威胁矿井安全生产的主要动力灾害之一[7]。 1.2 冲击地压国内外研究现状 冲击地压作为岩石力学中的复杂疑难问题之一，是国内外许多岩石力学工作者 的重要研究内容，特别是冲击地压发生机制问题，更是过去几十年来国内外有关专 家与学者共同关注的焦点。我国自 1976 年开始系统研究冲击地压以来，在冲击地 压发生机制、冲击倾向性测定、冲击地压监测仪器与设备、冲击地压治理技术等多 方面取得了一定的成果[8-11]。尽管如此，就冲击地压的研究而言，冲击地压发生机 制至今尚不完全清楚。 冲击地压发生机理十分复杂。各国学者在对冲击地压现场调查及实验室研究的 基础上，从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量 理论、冲击倾向理论、三准则和变形系统失稳理论等。20 世纪 50 年代提出的强度 理论[12-14]认为，产生冲击地压时支架－围岩力学系统将达到力学极限状态；刚度理 论[15-17]认为，矿山结构的刚度大于围岩－支架刚度是产生冲击地压的必要条件；能 量理论 [18-19]则认为矿山开采中如果支架－围岩力学系统在其力学平衡状态破坏时 的能量大于所消耗的能量时即发生冲击地压；冲击倾向性理论认为煤岩层冲击倾向 性是煤岩介质的固有属性，是产生冲击地压的内在因素；变形系统失稳理论[20]则认 为，煤岩体内部高应力区局部形成应变软化，与尚未形成应变软化的介质处于非稳 定平衡状态，在外界扰动下动力失稳，形成冲击地压等。 虽然冲击地压的发生已有二百多年的历史，但直到本世纪，特别是近 30～40 年来真正引起了各国研究者的注意。各国都已成立了相应的专门研究机构。对冲击 地压的研究及防治工作最有成效的国家是苏联，其次是波兰和西德。我国冲击地压 方面的研究工作始于 1978 年重庆大学在天池煤矿所进行的煤层注水试验。之后， 国内开展了若干部委级重点科研项目的研究，积累了一定经验；80 年代中期引进了 － － 3 监测系统和一批仪器，为提高研究水平奠定了先进的技术基础；近年来通过中外科 技合作和人才交流，吸取了国外的先进防治技术和科研思想。在这些有利的环境条 件下，煤炭科学研究总院北京开采研究所、枣庄矿务局、北京矿务局和西安仪表厂 等单位，在 1990 年底完成了“冲击地压预测与防治”和“冲击地压监测装置”两 项国家“七五”科技攻关专题。在此基础上，制定了我国的“冲击地压危险煤层安 全开采规程”及“冲击地压防治及预测暂行技术规范”，使我国冲击地压的研究与 防治工作在较短的时间内取得了突破性进展[21]。 随着目前矿井开采强度增大，矿井延伸速度加快，开采深度的增加巷道围岩的 受力状况恶化， 冲击地压逐渐显现， 并随开采深度的增加其频度和强度不断增加[22]。 因此，研究发生在巷道应力区施工中的冲击地压问题，探索冲击地压发生的区域预 测及防治措施，总结冲击地压发生发展的规律，采取有效的预测预报并提出相应的 防治措施，对于保证深埋巷道施工的安全具有实用价值。 1.3 冲击地压预测与防治方法 1.3.1 冲击地压危险的区域预测 对冲击地压进行科学的预测是冲击地压防治的关键。近几年来这方面的研究取 得了重大的进展[23]。冲击地压的预测主要包括时间、地点和规模大小。目前采用的 方法主要包括经验类比法、综合指数法、数值模拟法、可能性指数诊断方法、地质 动力区划方法、微震法、声发射法，使较准确预报冲击地压发生的地点和位置成为 可能，并能初步确定冲击地压发生强度和震动释放能量的大小。 （1）经验类比法[24] 用经验类比分析法评定待开采地点的冲击危险级别时，应着重考虑以下因素 ①本煤层已发生冲击地压，或相似条件下的采区已发生冲击地压；②煤岩层的 冲击倾向；③煤层老顶为厚 5m 以上，强度大于 70MPa 的坚硬岩层；④孤岛形、半 岛形煤柱或本煤层支承压力影响区；⑤铅垂上方 100m 以内有上部煤层遗留煤柱或 回采边界；⑥煤层厚度和倾角有突然变化；⑦向斜和断层等地质构造带。 － － 4 （2）综合指数法[25] 首先根据影响冲击地压危险状态的地质因素，主要开采深度、顶板坚硬岩层、 构造应力集中、煤层冲击倾向性等，确定采掘工作面周围采矿地质条件对冲击地压 危险状态的影响程度以及确定冲击地压危险状态等级评定的指数 Wt1。其次，根据 开采技术条件、开采历史，煤柱、停采线等这些开采历史和开采技术因素，确定相 应的影响冲击地压危险状态
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