阜矿集团五龙煤矿冲击地压事故分析与综合防治技术研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 阜矿集团五龙煤矿冲击地压事故分析与综合防治技术研究 姓名李雪青 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师齐庆杰;孙凯 20050301 摘要 冲击地压是矿井生产活动中出现的一种矿山动力现象，也是严重威胁煤 矿安全生产的主要灾害之一。由于其显现的突然性和破坏性，会严重摧毁 矿井设施，并可能导致重大人身伤亡察故。冲击地压的事故处理和防治技 术一直是国内外采矿界研究的重点课题之一。 本文在系统分析国内外矿井冲击地压灾害现状、矿井冲击地压理论与防 治技术研究现状的基础上，系统总结了矿井冲击地压理论与防治技术；根 据我国矿井冲击地压的特征，提出了矿井冲击地压的最新分类与分类防治 对策；提出了阜矿集团五龙煤矿两起矿井冲击地压事故的处理方案，并分 析了事故的原因；重点对阜矿集团五龙煤矿冲击地压预测预报与综合防治 技术进行了深入研究。 关键词矿井冲击地压冲击地压的分类五龙煤矿事故分析综合防治技术 A b s t r a c t T h e u n d e r g r o u n d s t r e s su n d e ri m p a c ti sam i n ed y n a m i cf o r c ep h e n o m e n o n d u r i n gt h em i n ep r e d u c t i o nc o u r s e ， i ta l s oi so n eo ft h em a j o rc a s u a l t i e st h a t t h r e a t e n st h e s a f e t yp r o d u c t i o no fm i n es a f e t y ．B e c a u s eo fi t ss u d d e na n d d e s t r u c t i v e n e s so fa p p e a r i n g ，w h i c hw i l lc a u s et h ed e s t r o y so fm i n ef a c i l i t i e s s e r i o u s l y ，a n dm a y c a u s et h es e r i o u s p e r s o n a lc a s u a l t y a c c i d e n t s ．T h e t r e a t m e n tf o ra c c i d e n ta n d t h e t e c h n o l o g y o fp r e v e n t i o na n dc u r et h a tt h e u n d e r g r o u n ds t e s s si ni m p a c ti n v o l v e si ns t i l li st h eo n eo f e m p h a s i ss u b j e c t s t h a tt h eg e l o g yc i r l c l ea n dt h em i n ec i r c l eo ft h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l p u te m p h a s i so n ． T h e p a p e rg e n e r a l i z e s t h e u n d e r g r o u n d s t r e s su n d e r i m p a c t a n dt h e p r e v e n t i o ns y s m s t e r i c a l l ya b o u tm i n eo nt h eb a s i so ft h es y s m s t e r i c a la n a l y s i s t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm i n ed i s a s t e rp r e s e n tc o n d i t i o na n dt h et h e o r y o fm i n eu n d e r g r o u n ds t e s si n i m p a c ta n dt h et e c h n o l o g yo fp r e v e n t i o na n d c u r e ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i n eu n d e r g r o u n ds t e s su n d e ri m p a c t o fo u r c o u n t r y ，t h ep a p e rp u tf o r w a r d st h et h e n e w l yc l a s s i f a c t i o n a n dt h e c o u n t e r m e a s u r eo ft h ec l a s s i f a c t i o np r e v e n t i o na n dc u r e ；i ta l s op u t sf o r w a r d s o m eh a n d l i n gs c h e m e so ft h eu n d e r g r o u n ds t e s su n d e ri m p a c ta b o u tt h et w o w u l o n g m i n et h a to w n st h ef u x i nm i n e c o r p e r a t i o n ，a n da n a l y s i z e s t h e r e a s o n so ft h ea c c i d e n t s ．T h ek e yi st os t u d yt h eu n d e r g r o u n ds t e s su n d e r i m p a c t f o r c a s ta n dt h et e c h n o l o g yo fp r e v e n t i o na n dc u r ed e e p l y ． K e yw o r d s M i n e u n d e r g r o u n ds t r e s su n d e ri m p a c t T eC a s s i f a c t i o no ft h e u n d e r g r o u n d u n d e r i m p a c tW l o n g m i n eT e A a l y s i s o fa c c i d e n t g e n e r a lp r e v e n t i o na n dc u r et e c h n o l o g y 辽宁T 程技术大学工程硕十学位论文I 绪论 1 绪论 1 ．1选题意义 冲击地压是矿井生产活动中出现的一种矿山动力现象。它是井巷和采 场周围的煤岩体，由于弹性能的释放而产生的以突然、猛烈破坏为特征的 动力现象。它会对地下硐室、人员、设备以及地面建筑物等造成强烈的破 坏。冲击地压现象是威胁煤矿安全生产的主要灾害之～，其显现往往是突 然发生、瞬时结束。显现轻者造成巷道围岩急剧变形、支架损坏，重者严 重摧毁矿井设旌，并可能干百万重大人身伤亡事故。冲击地压的事故处理、 发生机理以及预测预报和防治技术一直是国内外地质界和采矿界研究的重 点课题之一，但仍未从根本上解决。随着我国煤矿开采深度逐年增加，冲 击地压显现日趋频繁，许多矿井因此遭受惨重损失。我国冲击地压除了突 然性、瞬时震动性和破坏性等显现特征以外，从显现情况发生条件来看， 还具有以下特点 1 类型多种多样，灾害严重程度不同； 2 发生条件 极为复杂； 3 发展趋势是事故矿井数量逐渐增多，灾害的危险程度日益 严重。 因此，在系统分析国内外矿井冲击地压灾害现状、矿井冲击地压理论 与防治技术研究现状的基础上，系统总结矿井冲击地压理论与防治技术； 根据我国矿井冲击地压的特征，提出矿井冲击地压的最新分类与分类防治 对策研究对于我国矿井冲击地压灾害防治具有重要的指导意义。通过阜矿 集团五龙煤矿两起矿井冲击地压事故的处理方案与事故原因的分析，可为 我国类似矿井冲击地压事故的处理与预防提供参考依据。通过对阜矿集团 五龙煤矿冲击地压预测预报与综合防治技术进行了深入研究，对于阜矿集 团五龙煤矿冲击地压的防治，保证企业的安全生产具有重要意义，对条件 类似的矿井也具有重要的指导意义。 1 ．2 国内外矿井冲击地压灾害现状 煤矿冲击地压和岩爆是世界性的灾害现象。从1 7 3 8 年英国的南史塔福 煤田发生世界上第一次冲击地压以来，已有2 6 0 年的历史了。其间在世界 上发生冲击地压的国家除我国外，还有英国、波兰、法国、德国、俄罗斯、 乌克兰、南非、美国、日本等2 3 个国家和地区。 辽宁工程技术大学T 程硕士学位论文1 绪论 2 我国最早记录的冲击地压是1 9 3 3 年在抚顺胜利矿发生的。从1 9 3 3 19 9 6 年的6 0 多年问，全国共有3 6 个矿井累计发生过4 0 0 0 余次破坏性的冲 击地压，造成4 0 0 多人死亡，2 0 0 多人受重伤，破坏巷道2 0 k m 之多，其经 济损失十分严重。 随着我国煤矿开采深度逐年增加，冲击地压显现日趋频繁，许多矿井 因此遭受惨重损失。我国冲击地压除了突然性、瞬时震动性和破坏性等显 现特征以外，从显现情况发生条件来看，还具有以下特点1 类型多种多 样，灾害严重程度不同；2 发生条件极为复杂；3 发展趋势是事故矿井 数量逐渐增多，灾害的危险程度日益严重。 我国冲击地压主要分布在华北、东北地区、主要集中分布在四个条带， 即北纬2 6 0 、北纬3 4 0 、北纬3 9 0 和北纬4 2 0 附近区域的黑、吉、辽、京、 冀、豫、鲁、皖、川、黔、湘、赣等十二个省市，其中辽、京、鲁、皖、 黔等五省市发生冲击地压的煤矿较多。大部分都靠近渤海湾和东海一带， 这一地带恰好靠近太平洋板块与亚欧板块分界线，属于天然地震多发地带， 这说明冲击地压与天然地震有一定的相关性。 由此可见，对矿井冲击地压事故的原因进行分析，找出事故处理对策， 提出预防事故再次发生的技术措施仍是目前值得深入探讨的问题。 1 ．3 国内外矿井冲击地压理论与防治技术研究现状 1 ．3 ．1 国内外矿井冲击地压机理研究现状 南非于1 9 1 5 年就建立了南非矿山冲击委员会，对煤和金属矿的冲击地 压进行研究。西德于2 0 世纪5 0 年代初就开始冲击地压的研究工作，并且 成功地采用了钻孔卸压措施来防治煤矿井下发生的冲击地压。前苏联的全 苏矿山测量科学研究院也制定了有冲击地压危险煤层的矿井的采矿工程 施工的安全规程。在美国主要采用的方法有煤层掏槽、钻孔卸压、卸压爆 破和煤层注水等。 我国对冲击地压的研究是从6 0 年代才开始的，主要是由一些有严重冲 击地压的局矿在生产实践中加以探索。第一次比较系统地进行煤矿冲击地 压的研究工作是由熏庆大学和煤科总院重庆分院于1 9 7 8 年在天池煤矿进行 的。全国性的煤矿冲击地压调研工作于1 9 8 5 年完成。此后，煤炭部1 9 8 7 年颁布实施由煤科院北京开采所和阜新矿业学院联合起草的我国第一部 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文1 绪论 3 冲击地压煤层安全开采暂行规定。通过广大科技工作者和研究人员的共 同努力，已使我国对冲击地压机理和防治措施的研究有了较大的进展，其 中煤体注水与深孔松动爆破方法相结合的综合防治措施以及冲击地压的非 线性有限元数值模拟、煤岩体地应力场的测试有限元计算分析、声发射技 术、微震监测系统在防治冲击地压的研究与应用方面已达到国际先进水平。 对煤、岩体冲击地压和岩爆机理的研究，国内外曾提出了多种理论。 按现代力学观点来看，主要有以下几种。 1 ．3 ．1 ．1刚度理论 C o o k 和H o d g e m 于6 0 年代提出当煤岩体受力屈服后的刚度fK 。f 大于顶 底板和支架的刚度『K 。J 时，便发生冲击地压。而当IK 。l JK 。I 时，煤岩体处于 稳定状态，不发生任何冲击动力现象。 1 ．3 ．1 ．2强度理论 强度理论是由一G ．．B r a e n e r 提出的。该理论认为煤体处于顶底板的夹 持之中，夹持特性决定了煤一围岩体系的力学特性。当煤体和围岩的交界 处达到极限平衡条件时，煤体便失稳而发生冲击地压。 1 ．3 ．1 ．3 能量理论 C o o k 等人在6 0 年代对南非15 年来冲击地压的防治情况总结后指出 当煤～围岩体系在其力学平衡状态遭破坏其所释放出的能量大于所消耗的 能量时，就发生冲击地压。随后给出了能量平衡的方程式，佩图霍夫对产 生冲击地压的能量结构作了分析。 1 ．3 ．1 ．4 冲击倾向理论 针对不同的煤层，其发生冲击地压的强弱程度各不相同这一事实。国 内外提出了煤、岩体的冲击倾向理论。该理论认为当煤岩体的冲击倾向度 k 。大于它的临界值K 。时，便发生冲击地压。国内外已提出的以衡量煤岩体 冲击倾向指标概括起来主要表现在煤岩体的能量、破坏时间、变形大小和 刚度四个方面。 1 能量指标弹性变形 应变 能指标w 州冲击能指标w 。，；有效冲 击能指标n 。；弹性能量指标P 。 2 时间指标动悉破坏时间△T 。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文l 绪论4 3 形变指标弹性变形指标D 。。 4 刚度指标脆性系数K 。刚度比指标K 。，。 1 ．3 ．1 ．5“三准则”理论 该理论是我国学者在总结了强度理论、能量理论和冲击倾向理论之后 所提出来的。其基本观点是将上述三种理论结合起来，并且认为强度准则 是煤岩体的破坏准则，而能量准则和冲击倾向准则是煤岩体突然破坏准则， 只有当三个准则同时满足时，才能发生冲击地压。 1 ．3 ．1 ．6 变形系统失稳理论 煤岩体变形系统失稳理论提出了煤岩体系统发生冲击地压的失稳判 据，即6 。 0 和52 。 5 为强冲击倾向；2 w E T 5 为弱冲击倾问；W E T 2 为无冲击倾向。该方法虽存在一些不足之处，但 基本适于我国情况，可作为煤层冲击倾向鉴定指标之一。 2 ．弹性变形法 它是前苏联矿山测量研究院提出的用于测定冲击地压的方法。即在载荷 不小于强度极限8 0 ％的条件下，用反复加载和卸载循环得到的弹性变形量与总 变形量之比 K ，作为衡量冲击倾向度的指标，当K ≥0 ．7 时，有发生冲击地压 的危险。 辽十T 程技术k 学下程硕上论文2 矿井冲击地压理论弓防治技术 1 5 3 ．煤岩强度和弹性系数法 该方法是用煤岩的单向抗压强度或弹性模量的绝对值，作为衡量冲击倾向 度的指标。这种方法较为简单，经常用作辅助指标。其指标的赛限值须根摆各 矿井的试样进行试验确定。 4 ．钻屑法 又称为钻粉率指数法或钻孔检验法。它是用小直径 4 2 m m - - 4 5 m m 钻孔，根 据打钻不同深度时排出的钻眉量及其变化规律，来判断总体内应力集中情况， 鉴别发生冲击地压的倾向和位置。在钻进过程中，在规定的防范深度范围内， 出现危险煤粉量的测值或钻杆被卡死的现象，则认为具有冲击危险，应采取相 应的解危措施。 5 ．地音、微震监测法 岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中，必然以脉冲形式释放弹性 能，产生应力波或声发射现象，这种声发射亦称为地音。显然，声发射信号的强 弱反映了煤岩体破坏时的能量释放过程。由此可知，地音监测法的原理是用 微震仪或拾震器连续或间断地监测岩体的地音现象。根据铡得的地音波或微震 波的变化规律与正常波的对比，判断煤层或者煤体发生冲击倾向度。 山东肥城矿务局陶庄矿用微震仪研究了发生冲击矿压的规律，结论为微 震由小而大，间有大小起伏，次数和声响频繁；在一组密集的微震之后变得平 静，是产生冲击矿压的前兆现象；稀疏和分散的微震是正常应力释放现象，无 冲击危险，记录下来的震相图，若振幅衰减较快，持续时间较短，在l O s 一2 0 s 左右，曲线形态似伞形，如图2 2 a 所示。这种曲线是冒顶的震相图。若振 幅衰减缓慢，持续时间达1 2 0 s ，为冒顶持续时间的5 倍左右，则是冲击矿压的 震相图，如图2 2 b 所示。天然地震多为构造地震，其震源较深，距离也多 是很远的，所以在图面上的纵波与横波的走时差是很明显的，振幅较大，曲线 衰减较馒，如图2 2 c 所示。 根据震相曲线和地震学的知识，则可以计算出发生冲击地压的震源位置。 由于各种煤岩体的地音和微震特性不同，并且又具有不均质性和各向异性等特 点，其传播速度有很大差异。此外，各处的地质和开采条件也不相同，矿井下 又常有强烈的环境噪音干扰，地音或微震信号在煤岩体中产生和传播情况将是 很复杂的。可能产生多次的反射、折射和绕射，还可能发生波型变换等现象。 辽宁工程技术大学工程硕士论文2 矿井冲击地压理论与防治技术 r 口1 图2 ．2微震仪测出的震相图 a ～冒顶震相图曲线．b 一冲击地压震相图曲线；c 一天然地震的震相图曲线。 辽宁工程技术大学下程硕士论文2 矿井冲击地压理论与防治技术 1 7 因而在使用中应注意与其他预测方法综合使用，特别是与钻屑法综合使用， 以保证预测的准确性。 6 。工程地震探测法 用人工方法造成地震，观测这种地震波的传播速度，编制出波速与时间的关 系图，波速增大段表示有较大的应力作用，结合地质和开采技术条件分析， 判断发生冲击地压的倾向度。 7 ．综合测定法 为了能够更准确地判断出发生冲击地压的地点和时间，可同时采用上述两 种以上的方法，根据多因素的变化，综合加以确定。国内外常使用的是钴屑法、 地音探测、地质及开采技术条件分析的综合方法，是实用、简易的有效方法。 2 ．6 矿井冲击地压的防治技术 根据发生冲击地压的成因和机理，防治措旋的基本原理有两方面一是降 低应力的集中程度；二是改变煤岩体的物理力学性能．以减弱积聚弹性能的能 力和释放速率。 1 ．降低应力的集中程度 减弱煤层区域内的矿山压力值的方法有①超前开采保护层；②无煤柱开 采，在采区内不留煤柱和煤体突出部分，禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采 ③合理安排开采顺序，避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在回来工作 面前方掘进巷道，必要时应在岩石或安全层内掘进巷道，禁止工作面对采和追 采。 2 ．改变煤层的物理力学性能 改变煤层的物理力学性能主要有高压注水、放松动炮和孔相卸压等方法。 1 高压注水是通过注水，人为地在煤岩内部造成一系列的弱面，并使其 软化，以降低煤的强度和增加塑性变形量。注水后，煤的湿度平均增加1 ％一 2 ．2 ％时，可使其单向受压的塑性变形量增加1 3 ．3 ％一1 4 ％。 2 放松动炮是人为地释放煤体内部集中应力区积聚的能量。在回采工作 面中使用时，一般是在工作面沿走向打4 米一一6 米深的炮眼，进行松动爆破。 它的作用是可以诱发冲击地压和在煤壁前方经常保持一个破碎保护带。使最大 支承压力转入煤体深处，随后即使发生冲击地压，对采场的威胁也大为降低。 辽宁T 程技术大学工程硕士论文2 矿井冲击地压理论与防治技术 】8 3 钻孔槽卸压是用大直径钻孔或切割沟槽使煤体松动，达到卸压效果。 卸载钻孔的深度一般应穿过应力增高带。在掘进石门揭开有冲击危险的煤层时， 应距煤层5 m 一一8 m 处停止掘进，使钻孔穿透煤层，进行卸压。 此外，还可依靠选择最佳采煤方法、回采设备、开采参数和工作制度等方 法，局部降低煤层边缘的冲击危险程度。例如，当开采有冲击危险的单一煤层 时，应采用直线式长壁工作面的前进式采煤方法，并在巷道侧不留煤柱。对有 冲击危险的厚煤层，应采用倾斜分层长壁式采煤方法。上分层的开采厚度应当 最小。 开采有冲击危险的煤层时，无论是在回采工作面，还是在掘进工作面中， 都应采用支撑力大的可缩性金属支架。 综合上述可以认为，在现有技术水平下对冲击地压认真地进行测定和预报 工作，并针对具体情况采取有效的防治措旆，完全可以消除或大大减少冲击地 压事故。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文3 矿井冲击地压的分类与防治对策 3 矿井冲击地压的分类与分类防治对策研究 3 ．1 前言 冲击地压是一种复杂的矿山动力现象，其形成的力学环境、发生的地 点、宏观和微观上的显现形态多种多样，冲击破坏强度和所造成的破坏程 度也各不相同。由于冲击地压发生的机理存在不同的理论，有各自不同的 发生条件和差别准则。客观上不同矿井的冲击地压的成因和显现特征也不 同，即使同一矿井，由于地质构造、开采条件和开采方法的差异，使得冲 击地压的成因、性质、特征、震源部位和破坏程度不同。因此冲击地压存 在不同的种类，不能用同一机理去解释不同冲击地压的成因和现象，更不 能用单一方法或措施去预测和防治冲击地压。 3 ．2 矿井冲击地压的分类研究与分类方案 冲击地压的发生与冲击地点的源动力直接相关，源动力不同，其冲击 地压的显现特征、破坏类型及强度就不同。因此在分清源动力类型的项目 对冲击地压进行科学分类。为使分类符合目前我国冲击地压矿井的实际， 能够针对不同类别的冲击地压实旌有效的监测、防治措施，并在此基础上， 统计分析冲击地压的临界深度，研究I 临界深度下的冲击地压的强度、频率、 与采深的关系对主要冲击地压矿井发生的破坏性冲击地压进行案例分析， 分析其发生的力学环境、判断准则及影响因素，最终提出冲击地压的分类 方案。 3 ．2 ．1 我国冲击地压的分布状况 圈1 我阔冲出地胍分布网 由图3 ．1 可见，我国冲 击地压主要分布在华北、东 北地区、主要集中分布在四 个条带，即北纬2 6 0 、北纬 3 4 0 、北纬3 9 0 和北纬4 2 。附 近区域的黑、吉、辽、京、 冀、豫、鲁、皖、川、黔、 湘、赣等十二个省市，其中 辽、京、鲁、皖、黔等五省 市发生冲击地压的煤矿较 多，如表3 1 。大部分都靠 坚主王堡垫查查兰三堡堡土堂焦丝苎 芏茎鲨圭些垦塑坌鲞兰堕塑翌苎一三 一 近渤海湾和东海一带，这一地带恰好靠近太平洋板块与亚欧板块分界线， 属于天然地震多发地带，这说明冲击地压与天然地震有一定的相关性。 3 ．2 ．2 冲击地压发生的I 临界深度 开采深度愈大，煤岩体应力愈高，高应力所导致的成为有声显现和冲 击地压等现象就愈严重。一定的煤层开采技术条件下，具有冲击危险的煤 层都存在一个冲击地压发生的临界深度。我国部分矿井发生冲击地压的始 发深度和国外几个主要采煤国家的冲击地压始发深度，见表3 ．2 。由表中数 据可知，冲击地压的始发深度一般为2 0 0 4 0 0 m ，少数矿井达到5 0 0 6 0 0 m 以 I 一。 表3 1 我国发生冲击地压的矿井分布表 表3 2 冲击地压始发深度统计 3 ．2 ．3 冲击地压与开采深度的关系 我国煤矿发生冲击地压的始发深度为2 0 0 8 0 0 m ，随着开采深度增加和 开采范围的扩大，发生冲击地压的矿井逐渐增多。5 0 年代之前只有2 个矿 井发一过冲击地压，5 0 年代增加到7 个，6 0 年代为1 2 个，7 0 年代为2 2 个， 进入