钻孔卸压防治煤矿冲击地压的研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 钻孔卸压防治煤矿冲击地压的研究 姓名兰永伟 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张永吉;段克信 20041201 辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘 要 冲击地压是一种复杂的矿井动力现象一直是岩体力学及矿山防治研究的难 点之一近年来随着煤矿采深的增加出现冲击地压显现的矿井明显增多给矿 井生产和安全带来了极大的威胁因而有必要对冲击地压的防治进行深入研究 本文采用现场测试理论分析及数值模拟等研究方法建立力学模型研究了 重力场中支承压力分布影响因素通过分析煤样单向抗压强度的尺寸效应实验室 试验和基于 weibull 分布的数值试验结果 得出了影响任意煤样强度的两个系数和 由标准煤样强度计算原煤强度及煤体强度的回归公式 模拟了钻孔卸压显现过程 对钻孔卸压防治冲击地压进行了深入地研究以数值模拟研究为基础通过 R F P A 软件分析了在不同煤层强度 不同支承压力 垂压 情况下开孔, 对钻孔破坏半径的 影响 通过理论分析和回归分析得出了钻孔破坏半径与煤层强度 煤层压力 垂压 和钻孔直径之间的关系通过理论分析和数值回归分析拟合出了各自的数学表达 式计算结果对于防治冲击地压有重要的理论指导意义以东滩矿为应用背景 研究了现场钻孔卸压应用情况得出钻孔卸压解除冲击危险效果好可预先采取 措施对生产影响小适用于各种煤层条件及开采条件对冲击地压的防治具有指 导作用 关键词冲击地压 RFPA 软件 数值模拟 回归公式 钻孔卸压 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ABSTRACT Rock burst in coalmines is one of the complex dynamic phenomena and is always one of the difficult problems on rock mass mechanics and mine pressure. In recent years, with the excavation depth of coal mining increasing, the mine numbers of rock burst occurrence also increase obviously, which greatly threaten the mine production and safety, so it is necessary to research these prevention measures deeply. In this thesis, many research s, such as field measures, theory analysis, and numeric simulation, are used to found mechanics models, further the influence factors of abutment pressure distribution are researched in the condition of gravity field. By analyzing the experiment results of size effects of uniaxial compression strength of coal sample and the numerical simulation results based on Weibull distribution, the two coefficients affecting any coal samples strength, and the regressive ulation calculating original coal and coal mass strength with standard coal sample strength are gained. The process of drillhole pressure relief is simulated to deeply research the rock burst prevention. Based on the numerical simulation, this thesis analyses the influence of different coal seam pressures and different coal seam strength on the destroy radius of drillholethen by theory analysis and regression analysis, draws the relation between the destroy radius of drilling hole and coal steam strength, coal seam pressure and drilling hole diameter. The results are used to guided to prevent rockburst in coal mining. The of drillhole pressure relief is applied in the Dongtan Mine the effect of releasing rockburst danger is good. Drillhole pressure relief can be applied in advance to decrease the influence to production, i s suitable to all kinds of coal seams and the mining conditions, and has the guidance function to the prevention of rock burst. Keywords rock burst; RFPA software; numeric simulation; regressive ulation; drillhole pressure relief 辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘 要 冲击地压是一种复杂的矿井动力现象一直是岩体力学及矿山防治研究的难 点之一近年来随着煤矿采深的增加出现冲击地压显现的矿井明显增多给矿 井生产和安全带来了极大的威胁因而有必要对冲击地压的防治进行深入研究 本文采用现场测试理论分析及数值模拟等研究方法建立力学模型研究了 重力场中支承压力分布影响因素通过分析煤样单向抗压强度的尺寸效应实验室 试验和基于 weibull 分布的数值试验结果 得出了影响任意煤样强度的两个系数和 由标准煤样强度计算原煤强度及煤体强度的回归公式 模拟了钻孔卸压显现过程 对钻孔卸压防治冲击地压进行了深入地研究以数值模拟研究为基础通过 R F P A 软件分析了在不同煤层强度 不同支承压力 垂压 情况下开孔, 对钻孔破坏半径的 影响 通过理论分析和回归分析得出了钻孔破坏半径与煤层强度 煤层压力 垂压 和钻孔直径之间的关系通过理论分析和数值回归分析拟合出了各自的数学表达 式计算结果对于防治冲击地压有重要的理论指导意义以东滩矿为应用背景 研究了现场钻孔卸压应用情况得出钻孔卸压解除冲击危险效果好可预先采取 措施对生产影响小适用于各种煤层条件及开采条件对冲击地压的防治具有指 导作用 关键词冲击地压 RFPA 软件 数值模拟 回归公式 钻孔卸压 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ABSTRACT Rock burst in coalmines is one of the complex dynamic phenomena and is always one of the difficult problems on rock mass mechanics and mine pressure. In recent years, with the excavation depth of coal mining increasing, the mine numbers of rock burst occurrence also increase obviously, which greatly threaten the mine production and safety, so it is necessary to research these prevention measures deeply. In this thesis, many research s, such as field measures, theory analysis, and numeric simulation, are used to found mechanics models, further the influence factors of abutment pressure distribution are researched in the condition of gravity field. By analyzing the experiment results of size effects of uniaxial compression strength of coal sample and the numerical simulation results based on Weibull distribution, the two coefficients affecting any coal samples strength, and the regressive ulation calculating original coal and coal mass strength with standard coal sample strength are gained. The process of drillhole pressure relief is simulated to deeply research the rock burst prevention. Based on the numerical simulation, this thesis analyses the influence of different coal seam pressures and different coal seam strength on the destroy radius of drillholethen by theory analysis and regression analysis, draws the relation between the destroy radius of drilling hole and coal steam strength, coal seam pressure and drilling hole diameter. The results are used to guided to prevent rockburst in coal mining. The of drillhole pressure relief is applied in the Dongtan Mine the effect of releasing rockburst danger is good. Drillhole pressure relief can be applied in advance to decrease the influence to production, i s suitable to all kinds of coal seams and the mining conditions, and has the guidance function to the prevention of rock burst. Keywords rock burst; RFPA software; numeric simulation; regressive ulation; drillhole pressure relief 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 绪论 1.1 研究问题的提出 煤矿动力灾害一直是岩体力学及矿山压力防治研究难点之一从理论到 防治都尚未完全解决近年来随着采深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因而有必要对这些动力显现的防治进行系统 的深入的研究 煤矿冲击地压属矿井动力现象是矿山压力的一种特殊显现形式是指 在一定条件的高地应力作用下井巷或回采工作面周围的煤岩体由于弹性能 的瞬时释放而产生破坏的动力现象常伴随有巨大的声响煤岩体被抛向采 掘空间和气浪等它往往造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变 形严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏甚至引起地表塌陷而造成局部地震 煤矿冲击地压是一个世界性的灾害现象国际上主要井工开采的国家的 冲击地压都十分普遍目前包括我国在内德国南非前苏联波兰 美国加拿大等 20 多个国家和地区受到冲击地压灾害的威胁如前苏联首 次发生冲击地压是在二十世纪 40 年代的基泽尔煤田二十世纪 80 年代前 194 个矿井的 847 个煤层有冲击危险性并发生了 750 次有严重后果的冲击 地压波兰全国 67 个煤矿中有 36 个煤矿的煤层具有冲击危险性自 1949 年至 1982 年共发生破坏性冲击地压 3097 次;德国从 1949 年至 1978 年 共发生破坏性冲击地压 1001 次因此国际上对冲击地压的研究给予了极 大的关注我国煤矿自 1933 年在抚顺胜利矿发生冲击地压以来从 1933 1996 年的 60 多年全国共有 50 多个矿井累计发生过 4000 余次破坏性的冲击 地压造成数以百计的人员伤亡破坏巷道 30 多公里 我国煤矿矿井大多建于五六十年代随着时间的推移和矿产资源开发向 深部转移这些矿井将逐步进入深部开采冲击地压灾害问题将更加严重 更加突出更为普遍专家预测冲击地压的预测与防治将成为 21 世纪岩石 力学研究的难题之一由于冲击地压发生机理极其复杂对冲击地压的防治 措施研究缺乏系统研究因而影响了对冲击地压的防治 本文在广泛参阅前人研究成果的基础上针对目前冲击地压研究发展的 新趋势以东滩矿冲击地压为研究对象通过实验研究和数值模拟计算等研 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 究手段对钻孔卸压防治冲击地压的效果及应用进行了研究 1.2 冲击地压的研究现状 国外对冲击地压发生条件研究比较早南非于 1915 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德国于 20 世纪 50 年代初 就开始冲击地压的研究工作并且成功地采用了钻屑法来监测冲击危险用 钻孔卸压措施来防治冲击地压自 1951 年起前苏联的全苏地质力学及矿山 测量研究院与其它研究单位配合国家技术监察部门与生产单位一起解决煤 矿冲击地压问题发展并完善了一整套行之有效的防治措施和预报方法波 兰在 20 世纪 60 年代初期就着手大力科学研究和防治工作煤层冲击倾向实 验室鉴定和井下测定是波兰首先倡导并大力发展的此外在将岩体声学以 及地震法用于矿山冲击危险探测和监测方面居世界领先地位 我国对冲击地压的研究是从 20 世纪 60 年代开始的但比较系统的大规 模研究是从 20 世纪 80 年代初才开始从 1978 年到 1985 年煤科总院阜新 矿院重庆大学重庆煤研所唐山煤研所分别在门头沟矿龙凤矿和台吉 矿天池矿唐山矿共完成 9 项科研课题主要成果有提出冲击地压机理 模型钻屑法指标的确定煤层注水及卸压爆破相结合的综合防治措施声 发射技术及地音微震监测在冲击预测方面的应用煤的冲击倾向试验研究 等部分成果接近或达到国际先进水平部分成果填补了我国的空白全国 性的煤矿冲击地压调研工作于 1985 年完成[1]此后煤炭部于 1987 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我国第一部冲击地压煤层 安全开采暂行规定截止到 1990 年我国共开展省级以上科研课题 21 项, 部分研究成果接近或达到国际水平大部分成果获省或部级科技进步奖[2] 1997 年在大连召开了第一届全国冲击地压研讨会2002 年在深圳召开了第二 届全国冲击地压研讨会促进了冲击地压研究的交流 近些年来煤炭高校和科研单位生产单位陆续都开展了许多冲击地压 研究项目取得了较多的成果通过广大科技工作者和研究人员的共同努力 己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冲击地压的有 限元数值模拟煤岩体应力的现场测试和有限元计算分析电磁辐射及声发 射监测技术微震监测及定位系统在防治冲击地压的研究与应用以及综合 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 防治措施等方面己达到较高水平随着研究的深入使冲击地压研究向数值 模拟发生条件实时动态监测非线性综合防治等方向发展 1.3 冲击地压发生的机理及评述 1强度理论 早期的强度理论认为冲击地压是煤岩体局部应力超过强度而发生的 [3] 并对煤岩体形成应力集中的原因提出了各种假说如压力拱理论和悬臂 梁理论等这一理论称为冲击地压的强度理论强度理论进一步发展为近代 强度理论以矿体一围岩系统为研究对象考虑了系统的极限平衡认 为冲击地压发生的应力条件是 * 1.1 二十世纪 70 年代强度理论得到进一步的发展提出了煤岩的夹持理论 认为煤体处于顶底板夹持之中夹持特性决定了煤岩体系统的力学特性 该理论较好的揭示了煤体一围岩力学系统的极限平衡条件强度理论解释了 冲击地压的一些现象具有简单直观和便于应用的特点但对冲击地压动 力学特征的描述不够特别是对于采场周围煤岩体经常出现局部应力超过其 强度极限的现象但并没有都发生冲击地压只有少数情况发生突然破坏形 成冲击地压强度理论无法解释这些事实这说明强度理论提出的判据不够 充分 2刚度理论 刚度理论是 Cook[4][5][6]等人由刚性试验机理论而得到的该理论认为若 试验机刚度小于试件后期变形刚度时则发生突然的失稳破坏对于井下矿 柱与围岩的关系可比拟为试件与试验机的关系所以矿柱冲击的发生条件 可以利用试件在试验机上发生突然破坏的刚度条件作比较即矿山结构的刚 度大于矿山负载系统的刚度是发生冲击的必要条件这一理论被称为刚度理 论 刚度理论只在矿柱冲击情况下较为适用对于巷道或采场等其它冲击情 况较难应用另外如何确定矿山结构刚度是否达到负载系统峰值强度后的 刚度是一个难题它不能由试验确定目前的数值模拟结果还存在偏差[7] 刚度理论没有正确地反映煤体本身在煤岩系统中不但可以积蓄能量而且可 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 以释放能量的这一基本事实且在概念上定义矿山结构刚度并不十分明确 3能量理论 Cook 等人[8]在上世纪 60 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受到破坏时所释放的能量大于所消 耗的能量时就发生冲击地压佩图霍夫认为冲击能量由被破坏的煤岩积 蓄的能量和邻接于煤柱或煤岩边缘的弹性变形能所组成即从外部流入的 能量赋予冲击地压以动力并对产生冲击地压的能量结构作了分析剩余能 量理论认为剩余能的存在是围岩动力失稳的力学原因 该理论上世纪 70 年代 由美国人提出其后得到了进一步的发展和应用 能量理论没有说明煤围岩体系平衡状态的性质及其破坏条件特别是 围岩释放能量的条件因此冲击地压的能量理论缺乏必要条件 4冲击倾向理论 冲击倾向性理论是指煤岩体发生冲击破坏的固有能力或属性煤岩体冲 击倾向性是发生冲击地压的必要条件冲击倾向理论是波兰和前苏联学者提 出的我国学者在这方面做了大量的工作提出用煤样的动态破坏时间Dt 弹性能指数 WET及冲击能量指数KE三项指标综合判别煤的冲击倾向的实 验方法提出了两个冲击倾向性指标弹性能指数 WET冲击能量指数 KE 弹性能指数计算方法是对煤层进行单轴压缩试验达到峰值的 8090时 再卸载弹性能量为 SP 损失能量为 ST 则弹性能指数 WET SP/ST 1.2 冲击能量指数是利用煤的全过程应力应变曲线假设峰值之前的面积为 Fs峰值后的面积为 Fx则冲击能量指数为 KEFS/FX l.3 认为当这两个冲击倾向性指标大于某个值时就会发生冲击地压这一 理论称为冲击倾向性理论件[9][10]至今煤炭部门还在沿用这一指标并制定 了标准如表 1-1 所示 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 表 1 - 1 冲击地压危险指标 冲击危险性 无冲击危险 弱冲击危险 强冲击危险 弹性能指数 WE T2 2 WE T5 WE T5 冲击能量指数 KE1 . 5 1 . 5 KE5 KE5 显然用一组冲击倾向理论指标评价煤岩体本身的冲击危险具有实际的 意义并已得到了广泛的应用然而冲击地压的发生与采掘和地质环境有 关煤岩体的物理力学性质随地质开采条件的不同而有很大的差异实验室 测定的结果往往不能完全代表各种环境下的煤岩体性质这也给冲击倾向理 论的应用带来了局限性 大量的现场调查表明具有相同冲击倾向性的煤层甚至同一煤层只 有少数区域发生冲击地压大多数区域不发生冲击地压而且许多属于强冲 击倾向性的煤层并不发生冲击地压而某些冲击倾向性很弱或无冲击倾向性 的煤层却发生了冲击地压可见冲击倾向性理论的不足 5三准则理论 在研究强度理论能量理论和冲击倾向理论所提出的冲击地压的判据基 础上我国学者李玉生等把强度准则视为煤岩体的破坏准则作为冲击地压 发生的必要条件;把能量准则和冲击倾向性准则视为煤岩突然破坏的准则 作 为冲击地压发生的充分条件认为当三个准则同时满足才是判定冲击地压 发生的充要条件 该理论没有给出三个准则的具体形式且需要确定的参数太多使用不 方便 6失稳理论 章梦涛等[11][12]提出冲击地压是煤岩的一种材料失稳破坏现象认为受 应力影响煤岩局部应力超过峰值强度变成应变软化材料当处于非稳定状态 时遇到扰动发生冲击地压随后该理论得到了进一步的发展及初步的应用 [13][14][15] 齐庆新[16]开展了煤岩摩擦滑动实验研究分析了煤岩的摩擦滑动 性状及摩擦滑动的稳定性提出冲击地压是煤岩体结构摩擦滑动破坏的一种 形式表现为瞬时的粘滑失稳过程李新元[17]根据围岩煤体系统在开 采过程中力学结构和力学状况的运动变化特征研究了瞬间加载时围岩 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 煤体系统从稳定状态到失去稳定的物理力学过程提出了冲击地压发生 的判别准则在现场取得了较为成功的应用 失稳理论揭示了冲击地压是由于采掘空间中煤岩体结构的失稳破坏从 理论上做出深入的探讨但目前还难以建立实用的发生冲击危险的判据因 而用于指导防治冲击地压的作用有限 7 其它理论 二十世纪 70 年代末 林天键将 Thom 创立的突变论引入岩石力学 其后 潘岳[18]谭云亮[19]尹光志[20]潘一山[21]等学者建立了岩体结构失稳的突 变模型对围岩压力刚度和煤岩体损伤扩展耗散能量进行分析定性地解 释发生冲击地压的机理目前大都采用尖角突变模型建立岩体的势函数 分析分叉集得出突变判据突变理论发展了刚度理论和强度理论这一理 论的研究刚刚起步离解决实际问题还有相当距离 近 年 来现 代 数 学 中 的 分 叉 理 论 BifurcationTheory 和 混 沌 动 力 学 chaoticDynamics己在化工物理生物及其他学科领域得到广泛的应用 但应用于研究和分析井下煤岩体发生冲击地压的文献还不多见冲击破坏可 视为煤岩体内部微观裂纹扩展分叉和失稳扩展的动态演化过程裂纹分叉 与失稳是紧密相关的裂纹经过多次的分叉便导致整个系统的失稳这种失 稳可比拟为一类非线性微分方程的倍周期分叉而出现的混沌运动现象可 见利用非线性分叉理论和混沌动力学来研究煤岩体发生冲击地压应成为今 后的一个研究方向也是预测预报冲击地压的一个新的途径 谢和平院士提出了冲击地压的分形特征将分形几何引入冲击地压的研 究这一理论的主要成果是使用分形的数目与半径的关系来分析微震事件的 空间分布发现微震事件具有集聚分形结构[22][23]当冲击地压发生前微 震事件的集聚程度明显增加并出现分形维数的减少最低的分形维数通常 出现在一个主冲击地压临近发生时分形理论对冲击地压发生更多地是从现 象的角度给予定性描述在定量描述冲击地压发生的原因和破坏过程方面还 需要做大量的研究工作 齐庆新等学者在研究冲击地压的发生与煤岩体摩擦滑动破坏的关系时 提出了 三因素理论[24][25][26]该理论将煤岩体内在因素力源因素和结 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 构因素作为导致冲击地压发生的最主要因素认为煤岩体破坏是滑动破坏 其滑动形式分为稳定性滑动和粘性滑动两种煤岩层受力过程中的瞬时粘滑 过程是煤岩层满足剪切强度准则的突然滑动并在滑动过程中伴有变形能释 放的动力过程 除上述研究外国内外学者针对不同的地质开采条件对冲击地压进行 了理论研究 由于目前对煤岩体在受力作用下的细观断裂和破坏的机理认识不深入 特别是煤岩体内部微观裂纹的扩展与冲击过程之间的关系尚不清楚所以还 未能确切地掌握冲击地压发生的机理此外煤岩体的流变特性是导致其发 生破坏和形成冲击地压的一个重要因素但从该角度研究冲击地压机理的文 献并不多见 尽管冲击地压机理的研究已有 80 多年的历史到目前为止还没有提 出更具普遍意义的冲击地压发生的准则没有建立和煤岩体力学参数及结构 几何参数相联系的冲击地压发生的准则 1.4 冲击地压破坏过程的研究现状 冲击地压是采掘活动的结果由于开挖对原有地应力场产生扰动当应 力的再分布使煤岩体达到破坏的临界状态时某些外界因素便可能诱发冲击 破坏冲击地压的发生是动态的但它的孕育过程是静态的是由静态变形 到失稳破坏的力学过程是一个兼有动静两种属性过程需要建立一个能 兼有动静两种性能的理论及相应的研究方法其研究重点在于冲击地压的 形成过程而不是发生过程即煤岩体结构如何由稳定平衡态向非稳定平衡态 发展的过程 1 岩石失稳与控制 唐春安教授[27]研究了脆性介质的破坏过程通过室内声学观测的应力一 应变全过程曲线及伴随试件结构的失稳破坏提出了以下研究成果 l 从细观统计损伤理论的基本概念入手在岩石介质非均匀性假设的 基础上建立了岩石从细观损伤微破裂到宏观变形非线性的理论模型并 利用突变理论系统地研究了岩石渐进破裂直至失稳破坏的发展全过程 2 基于岩石破裂过程中的声发射率与损伤变量具有一致性的学术思 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 想推演了声发射微震时空分布规律与岩石介质中非均匀性之间的定量关 系得到了有关失稳现象特征成因和前兆的系统性理论描述 3 将施载体和承载体作为一个完整的系统来考察岩石破裂的失稳过 程突破了传统意义上只有刚性或伺服试验机才能测定岩石破裂全过程曲线 的观点并研制出在失稳条件下测试岩石应力一应变全过程曲线的新方法 为冲击地压等岩石破裂非稳定机制的研究提供了一种有效的实验研究手段 4 根据开采过程中的顶板一矿柱围岩一巷道围岩一包体 等岩石工程中大量存在的两体相互作用问题提出了破裂体与非破裂体相互 作用的基本力学模型得出了岩石岩体在破裂失稳过程中非破裂体包含有 破裂体失稳前兆信息的重要结论为冲击地压等工程地质灾害现象的预测预 报研究提供了新的研究思路 5 建立了用连续介质力学方法来解决岩体破坏非连续性问题的数值模 拟新方法研究开发的岩石破裂过程分析RFPA系统及其相关分析系统实 现了对岩石破坏过程中的起裂变形局部化成核最终导致失稳破坏的全 过程进行模拟并通过引入渗流一应力一损伤耦合模型基本实现了岩石在 破裂过程中渗流场的数值模拟使数值模拟技术的应用从岩石变形过程分析 的阶段发展到岩石破裂过程分析的新阶段 2 冲击煤岩体变形破坏的空间分布规律 试验研究冲击煤岩体的变形破坏分布规律发现冲击地压发生后煤岩体 并不是整个都被破坏了破坏只局限于一个或几个条带上煤岩体的其它部 分还是完好的即破坏是非均匀的变形破坏会强烈向某一区域集中 美国 Galena 矿的微震监测数据说明微震位置逐渐向最后发生冲击地压的 位置集中 谢和平院士和 Shivakumar 等学者采用分形几何的方法也发现了矿井微震 向某一区域集中的现象 梅世蓉研究员[28]对 1976 年唐山大地震前的 19711975年唐山地区变形场 的观测也发现了变形趋于非均匀化的现象 在实验室对冲击煤岩体变形破坏进行研究国内大都从声发射角度进行 研究对煤岩体变形破坏局部化的研究郑捷[29]等采用光弹贴片方法研究了 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 济南辉长岩的变形局部化;Berthaud[30]采用激光散斑法研究了脆性岩石的变 形局部化;ord[31]等采用准三轴实验装置对砂岩进行破坏试验研究破坏变形 局部化但上述研究还没有发展到用定量化方法研究煤岩体变形破坏局部化 的过程 3冲击地压的防治 充分地研究冲击地压发生的机理运用科学的预测预报方法对冲击地 压进行有效的防治是完全可能的防治技术的研究可归纳为整体防治和局部 防治两个方面 1 整体防治 合理的开采技术措施合理的开拓布置开采方法对避免形成高应力集 中和能量大量积聚防止冲击地压的发生极为重要我国陶庄矿水采区开采 方案的选择与试验是这方面较为典型的实例该矿采区地质构造复杂冲击 危险大针对不同地质条件采取不同的采场布置形式如水采常规布置方式 避峰跳采布置方式和多区段联合开采方式有效地控制了冲击地压的发生 Brauner就长壁开采的布置方式以及必留煤柱与采空区之间的关系给予了较全 面的论述帕雷谢维奇指出穿过煤层地段的开拓巷道石门岩巷应布 置在卸压岩体内如果没有这种可能特别是在必须留下保护煤柱以维护该 段巷道时则应通过在保护煤柱维护区内至少回采一个煤层来降低已有的 应力集中哈雷门在讨论了在平巷掘进时使开采作业处于支撑带后方应该 设计的推进顺序对于开采方式来讲长壁采煤法是回采有冲击地压危险煤 层最有利的方法因为它所需的采准工程量最小这一点已被工程界认同 并已广泛应用同时对长壁采煤的冲击地压预测与防治的研究也不断成熟 如通过岩石力学研究降低长壁工作面的冲击危险在长壁面采用试验钻孔和 AE 监测结合的方法以确定应变能释放密度和应力降低的速度对煤层冲击 地压危险进行预测 开采保护层在进行多煤层的井下开采时每一层煤的开采工作都相互 影响因此在设计阶段就要规定煤层群的协调开采先开采没有冲击危险 的煤层解放冲击危险的煤层达到降低冲击地压潜在的危险性 煤层预注水方法冲击煤层物理力学特性变化的试验和提高煤的湿度试 辽宁工程技术大学硕士学位论文 10 验是研究煤层高压注水工艺的基础波兰上西里西亚矿井中的回采工作面 主要采用两种煤层注水工艺短孔注水法和长孔注水法目前该项技术日趋 完善欧美国家己将其广泛用于降尘冲击地压防治和瓦斯突出 厚煤层坚硬顶板处理厚层坚硬顶板易引起冲击地压一是回采工作面 上方厚层坚硬老顶的大面积悬顶和冒落会引起煤层和顶板内的应力高度集 中二是工作面和上下平巷附近直接岩石的悬露会引起不规则垮落和周期 性增压给工作面顶板管理和巷道维护造成困难目前较为有效的处理方法 是顶板注水软化爆破断顶 2 局部防治 卸压爆破卸压爆破是对具有冲击地压危险的局部区域用爆破方法减 缓其应力集中程度的一种解危措施世界上几乎所有国家在开采有冲击危险 的煤层时都把卸压爆破作为主要的解危措施之一哈雷门等研究了长壁工 作面和房柱式开采端头放炮钻孔方式Brauner 认为该方法是应力解除的最好 的方法可直接处理高应力区此外Brauner 全面研究了采区不同区域的钻 孔布置包括钻孔深度角度孔距和孔数并介绍了钻孔卸压在德国各煤 田的使用情况 诱发爆破诱发爆破是在监测到有冲击地压危险的情况利用较多药量 进行爆破人为诱发冲击地压从而避免更大损害帕雷诺维奇总结了波兰 在此方面的研究经验赵本钧研究员结合我国情况对此作了较全面的综合评 述 钻孔卸压采用大直径钻孔减缓冲击危险此法基于钻孔冲击利用钻 孔周围形成的破碎区的贯通作用使煤层破裂卸压 在冲击地压危险区域的特别支护研究方面ortlepp 和 stacey在文献中就定 义了几种隧道冲击形式给出了不同的锚杆支护方法Yih 和 Kaiser 针对岩爆 条件下采用锚杆支护时对锚杆受冲击载荷进行实验研究得到了一些有益 的结论 在冲击地压的防治方面由于对开采后上覆岩层运动变化规律及采场围 岩的应力场的时空分布规律不清开拓与回采的决策理论不完善目前在冲 击地压煤层的采掘设计基本上依靠统计经验来决策因而经常出现在高应力 辽宁工程技术大学硕士学位论文 11 区内进行采掘工作采掘作业的时间关系不合理为冲击地压的发生提供了 力源条件目前冲击地压的防治是全面防治即对煤层所有工作面以及工作 面的所有位置都要进行冲击地压防治造成人力物力的浪费极大地影响 生产效率实际上全面防治导致大多数矿井经济上难以承受防治工作出 现无法长期坚持的局面 1.5 论文研究内容 国内外应用了许多的防止煤岩体发生冲击地压的局部解危措施在大部 分与冲击地压相关的文献中对局部解危措施都有论述对于冲击地压的解危 措施各国之间相差不大这些措施的实质就是利用各种技术途径人为地 改变煤岩体中的应力状态和其物理力学性质进而达到防治冲击发生或减少 发生的次数及强度的目的本文以兖州东滩矿为研究对象进行了以下工作 1 重力场中支承压力影响因素及其计算研究 2 煤体强度计算研究 3 通过对卸压钻孔的数值模拟得出各影响因素之间的关系 4 卸压钻孔在东滩矿的应用研究 辽宁工程技术大学硕士学位论文 12 2支承压力影响因素及其计算研究 2.1 数值模拟方法简介 数值模拟方法已被学术界乃至工程界广泛接受并作为一种力学状态的 分析工具自数值模拟方法引入岩体工程的研究之后就成为了一种非常有效 的研究手段而且随着计算机及计算技术的发展数值模拟方法必将越来越 发挥其重要性 目前公认的最为成熟的数值模拟计算工具是有限元方法有限元法把 求解区域看作是由许多小的互相连接的子区域或单元构成也可以说是用一 组离散单元的集合体来代替求解区域广义而言这种离散化指的是把连续 体分成有限个部分其性态由有限个参数来表征而后求解作为其单元集合 体的整个系统它所遵循的条件与原问题完全相同有限元法十分适宜