深部条带煤柱冲击失稳发生机理及微震前兆模式预警.pdf

分类号分类号 TD324 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 深部深部条带条带煤柱煤柱冲击冲击失稳发生失稳发生机机理及理及微震微震 前兆模式预警前兆模式预警 张伟张伟 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名谭谭 云云 亮亮 职职 称称教教 授授 顾顾 士士 坦坦 副副 教教 授授 副副指导教师指导教师姓名姓名李李 磊磊 职职 称称研研 究究 员员 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二 O 一七年一七年六月六月 万方数据 国家自然科学基金项目（51474137、51374140） 国家重点研发计划（2016YFC0801403） 山东省泰山学者工程专项经费资助（NO.ts201511026） 论文题目论文题目 深部条带煤柱冲击失稳发生机理深部条带煤柱冲击失稳发生机理 及微震及微震前兆模式预警前兆模式预警 作者姓名作者姓名 张张 伟伟 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿矿业工程业工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 谭谭 云云 亮亮 职职 称称 教教 授授 顾顾 士士 坦坦 副副 教教 授授 副副指导教师指导教师 李李 磊磊 职职 称称 研研 究究 员员 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 THE MECHANISM OF ROCK BURST IN DEEP STRIP PILLAR AND EARLY WARNING BY PRECURSORY PATTERN OF MICROSEISMIC A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Wei Supervisor Professor Tan Yunliang College of mining and safety engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声学位论文原创性声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。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。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆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；为教学和科研描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆目的，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。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计 划，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论划，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论 文，论文中的观点、数据文，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、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，同意将本论文作为申请学位论文。相关规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 随着开采深度的逐渐增加，越发频繁和严重的冲击地压制约了煤矿的安全 高效生产。本文采用理论分析、室内试验、数值模拟与现场实践相结合的方法， 研究了深部条带开采冲击地压发生机理及监测卸压技术，主要结论如下 （1）试验研究了条带工作面顶板覆岩运移特征及围岩应力分布演化规律。 结果表明，条带开采顶板裂隙发育高度与采宽呈正指数关系。煤柱应力分布类 似于“马鞍形”，即煤柱边缘发生塑性破坏，其应力释放减小，其余区域煤柱应 力随采空区增加而逐渐增加，且工作面开挖进度的改变（如开挖新工作面、推 进速度的突然增加）以及顶板运动产生动载都会引起煤柱应力的突然增加。 （2）理论分析了煤岩体冲击地压发生过程及其能量转化规律，建立了冲击 地压发生的能量判据及单位体积煤岩体临界能量密度表达式，得到了古城煤矿 -1200m 水平采场单位体积煤岩体临界能量密度值。 （3）基于莫尔-库伦准则，推导了矩形采空区侧煤柱塑性区宽度表达式， 得到 3202 工作面煤柱塑性破坏区宽度为 59.92m；建立了条带开采“煤柱-顶板” 协同作用突变模型，得到了煤柱发生冲击失稳的充分必要条件，建立了条带煤 柱冲击失稳能量释放量表达式，并提出了用于评价古城煤矿煤柱冲击危险性的 指标 煤柱弹塑性区刚度比 k 、 塑性区宽度比 aY 及煤柱核区弹性变形指标 Uq 。 （4）基于 FLAC3D 数值模拟软件，分析了开采方式（条带采宽、留宽） 、 顶板属性（顶板断裂、顶板强度、顶板厚度） 、煤层厚度等因素对条带煤柱稳定 性的影响。结果表明，条带开采一定程度上降低了采场应力集中程度，减小发 生冲击地压的可能性；当顶板厚度为 1020m 时，冲击地压发生类型主要为煤 柱型冲击地压，随着顶板厚度的增加，煤层应力峰值减小，顶板活动诱发冲击 的可能性增加；降低顶板强度，使顶板应力集中程度降低，可减小工作面冲击 危险性；薄煤层工作面前方应力峰值较大，峰值距煤壁较小，厚煤层工作面前 方应力峰值相对薄煤层有所降低，峰值区向煤体深部转移。 （5）统计分析得到了古城煤矿微震事件空间分布特征、微震前兆模式特征 及临界预警值，依此实现了工作面的准确及时预警，并采用大直径钻孔卸压及 顶板预裂爆破卸压技术顺利解除冲击危险。 关键词关键词条带煤柱；冲击地压；相似模拟实验；微震监测；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract With the gradual increasing of mining depth, the more frequent and serious rock burst restrictes the safe and efficient production of coal mine. Based on theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and field practice, the mechanism of rock burst occurred in deep strip mining and technology of monitoring and pressure relief were studied.The main conclusions are as follows 1The characteristics of roof’s overburden rock migration and evolutionary regularity of surrounding rock’s stress distribution of strip working face was experimental studied. The results show that the fracture height of roof has the positive index relation with mining width. Stress distribution of coal pillar is similar with “saddle“, namely that the edge of coal pillar occurs plastic failure and the stress is releasing and decreasing. The stress of the rest of area of coal pillar increases gradually with the increase of goaf area. The change of the mining progress e.g. mining new working face, sudden increasing of advancing speed and the dynamic from roof movement will cause a sudden increase of stress of coal pillar. 2 The process of rock burst occurrence in coal-rock and the law of energy conversion was theoretical analysed. The energy criterion of rock burst occurrence and the expression of critical energy density of per unit volume of coal-rock was set up. The critical energy density value of per unit volume of coal-rock of -1200m level stope in Gucheng coal mine was got. 3Based on Mohr - coulomb criterion, the width expressions of plastic zone of coal pillar at the side of rectangular goaf was deduced. We can come to the conclusion that the width of plastic zone at coal pillar of 3202 working face is 59.92m. The synergy mutation model of Strip mining“ pillar-roof“ was set up, and the sufficient and necessary conditions for shock instability at coal pillar was got. The expression of energy released quantity of shock instability was established.The indicators which are used to uate the rock burst danger of coal pillar in Gucheng coal mine were put forward the ratio k of stiffness at elastic-plastic zone of pillar, the ratio aY of width of plastic zone and the elastic deation index Uq of nuclear area of coal pillar. 4 Based on FLAC3D numerical simulation software, the influence of the factors such as the mining mining width and retaining 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III width, the properties of roof roof fracture, roof strength, roof thickness, coal thickness on the stability of coal pillar was analysed. The results show that strip mining reduces stress concentration degree and the possibility of rock burst occurrence in stope in a certain extent. When the roof thickness is 1020m, rock burst is mainly coal pillar type, and with the increase of thickness of roof, the peak value of stress in coal seam decreases, and the possibility of rock burst caused by roof activity increases. Reduce the intensity of roof, the degree of stress concentration in roof will be reduced, so that the denger of rock burst will decrease. The stress peak value in front of working face in thin coal seam is largger, and the distance from the peak area to coal wall is smaller.The stress peak value in thick coal seam is smaller than in thin coal seam and peak area transfers to deep coal peak. 5The space distribution characteristics of microseismic events, the characteristics of seismic precursory pattern and critical warning value of Gucheng coal ming was got by statistical analysis and the accurate and timely early warning was achieved in accordance with this implementation. The pressure relief technology of large diameter borehole and roof pre-splitting blasting is used to remove rock burst danger successfully. Key words coal pillar; rock burst; Similar simulation experiment; microseismic monitoring; numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 ..................................................................................................................... I 目目 录录 .................................................................................................................. IV 1 绪论绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 研究的背景及意义 .............................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容及技术路线 ................................................................................................................. 7 2 深部条带开采相似材料模拟试验深部条带开采相似材料模拟试验 .................................................................... 9 2.1 引言 ....................................................................................................................................... 9 2.2 相似材料模型设计 ............................................................................................................... 9 2.3 条带开采顶板覆岩运移规律 ............................................................................................. 13 2.4 条带开采的应力分布演化规律 ......................................................................................... 15 2.5 本章小结 ............................................................................................................................. 22 3 条带煤柱冲击失稳的理论研究条带煤柱冲击失稳的理论研究 ...................................................................... 24 3.1 煤岩冲击地压过程的能量转化规律 ................................................................................. 24 3.2 条带开采冲击失稳力学模型分析 ...................................................................................... 28 3.3 条带煤柱冲击危险评价指标 .............................................................................................. 38 3.4 本章小结 ............................................................................................................................. 41 4 深部条带开采冲击危险关键因素数值模拟深部条带开采冲击危险关键因素数值模拟 .................................................. 42 4.1 引言 ..................................................................................................................................... 42 4.2 数值模型的建立 ................................................................................................................. 42 4.3 开采方式对条带煤柱冲击危险的影响研究 ..................................................................... 45 4.4 顶板属性对采场冲击危险的影响研究 ............................................................................. 52 4.5 煤层厚度对采场冲击危险的影响研究 ............................................................................. 60 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 4.6 本章小结 ............................................................................................................................. 63 5 古城古城煤矿微震监测预警技术及应用煤矿微震监测预警技术及应用 .............................................................. 65 5.1 3202 条带工作面工程概况 .............................................................................................. 65 5.2 微震监测预警系统基本原理及布置方式 ......................................................................... 66 5.3 3202 工作面微震事件空间分布特征 .............................................................................. 66 5.4 冲击地压微震前兆模式研究 ............................................................................................. 67 5.4 微震前兆模式特征及预警指标的验证应用 ..................................................................... 72 5.5 本章小结 ............................................................................................................................. 75 6 主要结论与展望主要结论与展望 .............................................................................................. 76 6.1 主要结论 ............................................................................................................................. 76 6.2 创新点 ................................................................................................................................. 78 6.3 展望 ..................................................................................................................................... 78 参考文献参考文献 .............................................................................................................. 79 致致 谢谢 .................................................................................................................... 85 从事科学研究和学习经历从事科学研究和学习经历 .................................................................................. 86 攻读硕士期间的主要研究成果和获奖情况攻读硕士期间的主要研究成果和获奖情况 ...................................................... 87 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents 1 Introduction ............................................................................................................................. 1 1.1 Research Background and Significance ...................................................................................................... 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ......................................................................................................... 2 1.3 Main Research Contents and Technical Routes ........................................................................................ 7 2 Similar Material Simulation Test of Deep Strip Mining ...................................................... 9 2.1 Introduction ................................................................................................................................................. 9 2.2 Similar Material Model Design ................................................................................................................... 9 2.3 Movement Regularity of Roof Strate of Strip Mining .............................................................................. 13 2.4 Distribution and Evolution Rule of Stress of Strip Mining ....................................................................... 15 2.5 Brif Summary .......................................................................................................................................... 22 3 Theoretical Study of Rock Burst of Strip Coal Pillar ......................................................... 24 3.1 Energy Convesion Law in the Process of Rock Burst of Coal Rock ........................................................ 24 3.2 Mechanical Model Analysis of Impact Buckling of Strip Mining ............................................................ 28 3.3 uation Index of Rock Burst Danger of Strip Mining .......................................................................... 38 3.4 Brif Summary ............................................................................................................................................ 41 4 Numerical Simulation of Key Factors of Rock Burst Danger in Deep Strip Mining ...... 42 4.1 Introduction ........................................................................................................................................