（采矿工程专业论文）孙村矿冲击地压区域预测研究.pdf

辽rr 程技术人学硕士浮位论文 摘要 煤矿冲击地压一直是岩体力学及矿山压力防治研究的难点之一，从理论到防治都尚 术完全解决。随着矿井开采深度的增加，发生冲击地压的矿井越来越多，强度也越来越 人，造成巨大的经济损失和人员伤亡，给安全生产带来巨大压力。冲击地压已成为威胁 煤矿安全生产的严重自然灾害之一。 本文以新汶孙村矿为研究对象，通过地质动力区划方法确定区域地质构造背景，建 立地质构造模型；采用理论分析、数值汁算等综合研究方法确定孙村块区区域内的各级 活动断裂，划分岩体断块结果；通过井下地应力测量和数值模拟方法确定岩体应力状态； 采用多凶素概率预测方法完成冲击危险性的区域预测，进而划分出发牛冲击地压的危险 区、威胁区与安仝区，对冲击地压危险性做出评t 1 i 和预测。对孙村矿今后冲击地压预测、 检测和综合防治工作起到了指导作用。 关键词：冲击地压；区域预测；地质构造；地质动力区划 辽。r 】程技术人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o c kb u r s ti nc o a l m i n e si sa l w a y so n eo ft h ed i f f i c u l tp r o b l e m so nr o c km a s s m e c h a n i c sa n dm i n ep r e s s u r e ，w h i c hi sn o ts o l v e di nt h et h e o r ya n di np r a c t i c e a l o n gw i t h t h ei n c r e a s i n go ft h ec o a l m i n ed e p t h ，t h ec o a l m i n ew h i c hh a si m p a c t e dr o c kb u r s tm o r ea n d m o r e ，a n dt h ei n t e n s i t yw a sa l s om o r ea n dm o r eb i g ，a l lt h a th a v ec r e a t e dt h eh u g ee c o n o m i c l o s sa n dt h ep e r s o n n e lc a s u a l t y , t h i sp h e n o m e n o nh a sc a u s e dt h eh u g ep r e s s u r ef o rt h es a f e t y i np r o d u c t i o n ，s or o c kb u r s th a sb e c o m eo n eo fs e r i o u sd i s a s t e r si ns a f e t y p r o d u c t i o no f c o a l m i n e s t h es a n c u nc o a l m i n ei sr e g a r d e da st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i st h e s i s ，i nt h i sp a p e rt h e m e t h o do fg e o d y n a m i cd i v i s i o nw a su s e dt od e t e r m i n et h er e g i o n a lg e o l o g i cs t r u c t u r e b a c k g r o u n d ，a n dt h e ne s t a b l i s h e dt h eg e o l o g i cs t r u c t u r em o d e l ；s y n t h e t i cs t u d ym e t h o ds u c h a st h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc o m p u t a t i o nw e r eu s e dt od i v i d et h ea c t i v ef a u l to fa l ll e v e l s i nt h er e g i o no fs u n c u nc o a l m i n e ，a n dt h r o u g ht h a tm e t h o d st od i v i d et h es t r e s ss t a t eb l o c k f a u l t ；s t a t es t r e s sm e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw e r eu s e dt od e t e r m i n es t a t e s t r e s s c o n d i t i o n ；u s e dt h em u l t i - f a c t o r sp r o b a b i l i t yp r e d i c t i o nm e t h o dt oc o m p l e t et h e r e g i o n a lp r e d i c t i o no f r o c kb u r s t ，t h e nd i v i d e dt h ed a n g e ra r e a ，t h et h r e a t e na r e aa n dt h es a f e t y a r e a a n dm a d et h ea p p r a i s a la n dt h ep r e d i c t i o no fr o c kb u r s tr i s k ，a n dg i v e nai n s t r u c t i o nt o s u n c u nc o a l m i n ef o r t h e r e g i o n a lp r e d i c t i o n ，t h ee x m n i n a t i o na n dt h ep r e v e n t i n ga n d c o n t r o l l i n go fr o c kb u r s t k e y w o r d s ：r o c kb u r s t ；r e g i o n a lp r e d i c t i o n ；g e o l o g i cs t r u c t u r eg e o - d y n a m i cd i v i s i o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 矿井动力灾害冲击地压以其突然、急剧、猛烈的破坏特征对煤矿、金属矿井、 隧道等的安全轻则构成严重威胁，重则造成臣大的经济损失和人员伤亡。随着井工矿井 开采深度的增加，矿井动力灾害冲击地压的危险性也在逐步增加。原来没有发生过 冲击地压的矿井，现在也开始发生，原来发生过冲击地廿! 的矿井，现在冲击发生的强度 越来越大，发生的次数越来越多，危害程度也越来越大，必须及早引起重视。 根据冲击倾向性理论和原煤炭部有关规定，经煤科院试样鉴定，新汶矿区发生冲击 地压的煤层具有强烈冲击倾向，孙村矿4 层煤，煤层本身弹性高，强度大，在高应力压 缩f ，积存了较多的弹性能，顶板也为中等偏强烈冲击倾向，具备了产生冲击地压的客 观因素。随着4 0 余年的开采，孙村煤矿成为我国最人采深的煤矿之，4 层煤深部采掘 工作面，山于高地应力作用，加之上部煤层多次采动的应力鲁加影响，造成深部罔岩明 显的应力集中。在巷道掘进和同采过程中，冲击地压屡次发生，给安伞牛产带来巨大压 力。本文应用地质动力区划方法，以孙村矿为研究对象，对孙村矿区的冲击地爪进行了 区域预测研究。 1 2 国内外冲击地压概况 我国煤矿冲击地压火害极为严重。我国早在1 9 3 3 年抚顺胜利矿发生冲击地压以米， 先后在北京、鹤壁、通化、中新、北票、枣庄、大同、丌滦、徐州、新汶等矿务局都相 继发生过冲击地压现象。1 9 4 9 年以前我国发生冲击地压的矿井只有1 2 个，5 0 年代增 加为7 个，6 0 年代为1 2 个，7 0 年代为2 2 个，目前近8 0 个。随着丌采深度的增加、开 采范围的扩大，近年来虽然采取了不少措施，但全国矿井总的冲击次数并末减少。冲击 地压问题逐年增多，近年来显得尤为突出。机理、评价、预测、防治都是需要网答的重 要问题。 冲击地压作为煤岩动力灾害，i ：h 有记载的第一次是发生于1 7 3 8 年英困南史塔福煤 用的冲击地压，至今二百多年来，其危害几乎遍布世界各个采矿国家。英国、德国、南 非、波兰、原苏联、捷克、加拿大、日本、法国以及中国等二十多个国家和地区都记录 有冲击地压现象。 辽宁工= 程技术人学硕士学位论文 2 国外对冲击地压发生条件研究比较早，煤矿冲击地压最严重而且防治工作最有成效 的国家是俄罗斯、德国和波兰。 我国对冲击地压的研究足从2 01 廿纪6 0 年代丌始的，但比较系统的大规模研究是从 2 0 世纪8 0 年代初才丌始。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，卢发射技术及地音、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 填补了我围的空白。全围性的煤矿冲击地压凋研工作于1 9 8 5 年完成。此后，煤炭部于 1 9 8 7 年颁布实施由煤科院北京丌采所和阜新矿业学院联合起草我困第部冲击地压煤 层安全丌采暂行规定。1 9 9 7 年、2 0 0 2 年和2 0 0 5 年召开了全国冲击地压研讨会。 近些年来，煤炭高校和科研单位、生j “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芡刷努力，己使我困对冲击地压 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。 综上所述，世界采矿业发生冲击地压的历史己近2 5 0 年之久。近3 0 年来，冲击地 压所造成的破坏后果日益严重，引起了各国的注意。目前世界采矿大会国际岩石力学局 成立了冲击地压研究小组。冲击地压的研究已成为矿山压力学科中与现代科学联系最密 切的一个独立的学科分支。 1 3 矿井冲击地压现象研究 1 3 1 冲击地压发生条件的理论研究综述 长期以来，冲击地压作为岩石力学的重人难题之一，一直是国内外学术界和一程界 关注的重要研究课题。冲击地压发生机理十分复杂，是一个正在深入研究的问题、更是 关注的焦点。各国学者在对冲击地压现场渊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、冲击倾向理论等。 ( 1 ) 强度理论 煤岩体破坏的原因和规律，实际上是强度问题，即材料受载后，超过其强度极限时， 必然要发，卜破坏。但这仅是对材料破坏的一般规律的认识，它不能深入解释冲击地压的 真实机理。在强度理论指导下，对围岩体内形成应力集中的程度及其强度性质等方面曾 辽宁一：样技术大学硕+ 学位论文 3 做了大量t 作。从2 0 世纪5 0 年代起，这种理论开始着眼于矿体围岩力学系统的极 限平衡条件的分析和推断。具有代表性的是夹持煤体理论。这种理论认为，较峰硬的顶 底极可将煤体夹紧，煤体火持阻碍了深部煤体自身或煤体罔岩交界处的卸载变形。 这种阻抗作用意味着，由于平行于层面的侧向力( 摩擦阻力和侧向阻力) 阻碍了煤体沿层 面的卸载移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。从极限平衡和 弹性能释放的意义上来看，夹持起了闭锁作用。据此，在煤体央持带所j “生的力学效应 是：压力高、并储存有相当高的弹性能；高压带和弹性能积聚区可他于煤壁附近。 旦 高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体u j ”生突然破坏和运动，抛向已采空间， 形成冲击地压。 ( 2 ) 刚度理沦 刚度理论是c o o k 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i ：发生突然破坏 的刚度条件作比较，即矿山结构的刚度大丁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，对丁巷道或采场等其它冲击情况较难应 用。另外，如何确定矿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。刚度理论没有正确的反映煤体本身 在煤岩系统中不但i 叮以积蓄能量而且可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1 if 分明确。 ( 3 ) 能量理论 2 0 世纪j o 年代术期苏联学者c t 阿维尔申，以及2 0 世纪6 0 年代中期英国学者库 克等人提出了矿体与【制岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于消耗能量时，就 会发生冲击地压。它阐明了矿体与围岩的能量转换关系，煤、岩体急剧破坏形式的原因 等问题。由于在刚性压力机上获得了岩石的令应力应变曲线，揭示山非刚性压力机与试 件系统的不稳定性导致了试件在峰值强度附近发生突然破坏的现象。1 9 7 2 年布莱克把它 推广为发生冲击地压的条什，认为矿i i 结构( 矿体) 的刚度大于矿i jj 负荷系( 围岩) 的刚度 是发生冲击地压的条件，这也称为刚度理论。实际上它也是考虑系统内所储存的能量和 消耗于破坏和运动等能量的一种能量理论，但这种理论并未能得到允分证实，即在围岩 刚度人于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。 辽1 j r t 程技术大学硕士学位论文 ( 4 ) 冲击倾向理论 冲击倾向性是指煤( 岩) 介质产生冲击破坏的吲有能力或属性。煤( 岩) 体冲击倾向性 是产生冲击地压的必要条件。冲击倾向理沧是波兰和前苏联学者提出的，我圈学者在这 方面作了大量的工作，提出用煤样动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数三项指标综 合判别煤的冲击倾向的试验方法。此外，在试验方法、数据处理及综合评判等研究中取 得了一定的进展。 冲击倾向理论的另一重要方面是顶板冲击倾向性的研究，而且也越来越引起人们的 重视。这方面的研究包括顶板弯曲能指标和长壁丌采方式下顶板断裂引起的煤层冲击 等。 显然，用一组冲击倾向指标末评价煤( 岩) 体本身的冲击危险具有实际意义，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，而且实际的煤( 岩) 物 理力学性质随地质开采条件不同而有很大差异，实验室测定的结果往往不能完令代表各 种环境下的煤( 岩) 性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。 除了上述四个主要理论外，国内外还提出了其它方面地理沦。丰要包括：失稳理沦、 突变理论、分彤理论、断裂力学、流变特性及时间相关性等。 1 3 2 冲击地压特征 通常情况下，冲击地压会直接将煤岩抛向巷道，引起岩体的强烈震动，产生强烈卢 响，造成岩体的破裂和裂缝扩展。因此冲击地压具有如下明显的显现特征： ( 1 ) 突发性。冲击地压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，冲击过程短暂，持 续时间儿秒到儿十秒，难以事先准确确定发生的时间、地点和强度。 ( 2 ) 瞬时震动性。冲击地压发生过程急剧而短暂，向爆炸样伴有巨大的响声和 强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几千米甚 至几十千米，地面有震动感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。 ( 3 ) 巨大破坏性。冲击地压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般不冒落； 有时底板突然升裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上卣立方米的煤体突然破碎并从 煤壁抛出，堵塞苍道，破坏支架；从后果来看冲击地压常常造成惨重的人员伤亡和巨大 的生产损失。 ( 4 ) 复杂性。在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击地压现象， 采深从2 0 0 1 0 0 0 m ，地质构造从简单到复杂：煤层从薄层到特厚层，倾角从水平到急倾， 顶板包括砂岩、狄岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件上， i 论水采、 辽+ j 。r 程技术人学硕士学何论文 炮采、机采或是综采，全部垮落法或水力充填法等各种采煤工艺，不论长壁、短壁、房 柱式或煤柱支撑式，分层开采还是倒台阶等各种采煤方法都山现过冲击地压。 1 3 3 冲击地压分类 根据虑力状态、显现强度、发散的地点和位置的不同，冲击地压有如下几种分类方 法。 根据原岩( 煤) 体应力状态不同，冲击地压可分为三类： ( 1 ) 重力型冲击地压。主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下 引起的冲击地压，如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击地压属重力型。 ( 2 ) 构造应力型冲击地压。若构造应力远远超过岩层自重应力时，丰要受构造应 力的作用引起的冲击地压被称为构造应力型冲击地压。 ( 3 ) 中问型或重力一构造型冲击地压。它是受重力和构造成力的共同作用引起的 冲击地压。 冲击地压按其显现强度、释放能量进行分类。根据冲击地压的显现强度，又可分为 四类：弹射、矿震、弱冲击、强冲击。 根据发生的地点和位置冲击地压呵分为两大类： ( 1 ) 煤体冲击。发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部利深部冲 击。 ( 2 ) 罔岩冲击。发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。 根据国内外的分类方法，冲击地压可分为 扫采矿活动引起的采矿型冲击地压和由构 造活动引起的构造型冲击地压。而采矿型冲击地压可分为握力型、冲击型和冲击压力型。 压力型冲击地压是由丁i _ 巷道周围煤体巾的压力由亚稳态增加至极限值，其聚集的能量突 然释放。冲击型冲击地压是由丁煤层顶板厚岩层突然破断或位移引发的，它与震动脉冲 地点有关。在某种程度上，构造型冲击地压也可看作冲击型。冲击压力型冲击地压则介 于上述两者之问，当煤层受较大压力时，来自围岩内不大的冲击脉冲作用卜发生的冲击 地压。 1 4 国内外冲击地压的预测与治理方法 l4 1 概述 冲击地压现象是由于巷道或工作面周围煤体中的压力超过极限值，使聚集的弹性能 突然释放而造成的。冲击地压防治和研究工作的困难之一在于这种现象在发生前往往没 辽。j 2 t ：程技术人学颌十学位论文6 有明显的宏观前兆，这就为预测预报带来很大困难。然而，只有较为准确地进行预测预 报，才能有针对性地采取防治措施，治理工作才能收到良好的安全效益和经济效益。因 此，必须对冲击地压预测预报工作给弘高度重视，这是冲击地压研究和防治工作的特点 之一。 为了减缓以至消除冲击地压危险，必须进行治理，各项研究工作和预测预报的目的 完全是为了保证治理工作的有效性和合理性。冈此，正确地执行各种治理措施，对丁：确 保安全生产、避免或减轻冲击地压的危害具有直接晌重要意义。 根据冲击地压的发生原因和规律，治理措施的基本原理包括两方面：一是减缓应力 梯度，即降低应力的集中程度或使应力高峰值向煤体深部移动，从而避免产生大量弹性 能积蓄并释放的外界条件；_ = 是改变煤岩体本身的结构及物理力学性能，以减弱其积蓄 和释放弹性能的能力，并减缓其破坏时的能量释放速率。 根据治理的作用目的和时空范倒，治理措施分三大类：防范措施、解危措施和防护 措施。第一类是战略性或区域件措施。这类措施旨存消除产牛冲击地压的条件，其特点 是：在完备程度上具有彻底性。在时间上具有长期性，在空问匕具有区域性。属于这类 措施的主要有：矿区地质动力区划区域预测，合理选择丌拓布置和丌采方式，事先对顶 板或煤体进行无冲击处理等。第二类措施为战术性或局部性措施。这类措施旨在对已形 成冲击地压危险或可能具有冲击危险地段进行解危处理，属于暂时的、局部性的措施。 卸载钻孔、诱发爆破、煤层卸载、注水等均属于此类。第三类属于被动性措施。目的是 在发生小规模冲击地压日、j ，尽量避免人员伤害或设备损坏。例如，加1 强支护、宽巷掘进 等即属此类。 1 4 2 冲击地压预测预报方法 冲击地压的预测主要包括时间、地点和规模人小。f 1 前采用的方法丰要包括综合指 数法、数值模拟分析法、钻屑法、微震法、声发射法、电磁辐射法、振动法、重力法、 地质动力区划方法等，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人小。 ( 1 ) 综合指数法：就是在分析己发生的各种冲击地压灾害的基础 二，分析各种采 矿地质囚素对冲击地压发生的影响，确定各种困素的影响权重，然后将其综合起来，建 立冲击地压危险性预测预报的一种方法。 这是一种早划预测方法。对于具有冲击地压危险性的矿井来说，存进行采区设计， j ：作而布置，采煤方法选择时，都应对该采区、煤层、水平或工作面进行冲击地压危险 辽j 。t 碍 技术火学硕士学位论文 7 性评定工作，以便减少或消除冲击地压对矿井生j “的威胁。 ( 2 ) 计算机模拟：随着计算机技术的发展，可采用分析模拟方法确定采矿区域内 的应力分布状态和其它参数。f 1 前f u 界上比较通用的分析模拟程序有f l a c 、u d e c 、a n s y s 等，其采用的方法主要是有限元法、边界元法、离散元法等。 该方法的丰要优点是可提前确定冲击地压防治的重点区域，对丁任意地点，特别是 未开采区域，可提前预测冲击地压危险状态，可得出火范h 爿内的空问信息，可确定在工 作而回采过程中，出现最大应力的时问； u 地点，可预测开采空间大小、丌采参数，开采 历史对冲击地压的影响。这种方法的缺点主要是对煤岩体进行了简化处理，对于模拟中 的煤岩体特性，特别是弹性模量和泊松比没有考虑局部非均质性和各向异性。 因此，数值模拟方法只能作为种近似方法使用，多年实践证明，数值模拟结果对 于确定冲击地压危险区域是有效的。 ( 3 ) 钻屑法：钻屑法是通过在煤层中打直径4 2 5 0 m m 的钻孑l ，根据排m 的煤粉量 及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法。该方法的基本理论和最初试 验始于2 0 世纪6 0 年代，其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系，即 在其它条件相同的煤体，当应力状态不同时，其钻孔的煤粉量也不i 司。当单位长度的排 粉率增大或超过标定值时，表示应力集中程度的增加和冲击危险性的提高。 钻俏量预测冲击地压危险时，常采用钻出煤粉量与j f 常排粉量之比，作为衡量冲击 危险的指标。煤粉量比值也町用体积或重量比表示，它又称为钻悄量指数。 除煤粉量指标外，还应考虑动力效应。动力效应是反映冲击倾向的一个直观指标。 对于煤体打钻到一定深度后，钻孔周围将逐渐过渡到极限应力状态。钻孔过程呈现一系 列的动态效应，当钻孔钻杆进入高应力区时，孔壁部分煤体可能突然挤入孔内。并伴有 矸i 同程度的响声和微冲击，也会出现钻进容易，或卅现卡钻其至卡死现象。出现这些变 化的原因是钻孔周围煤体变形和破碎所致。煤层中的应力愈大，煤的脆塑性破碎愈剧烈。 在钻孔过程巾，孔周罔煤体处于极限应力状态，钻屑量异常增多，钻屑粒度增人，响声 和微冲击增大，出现钻孔效应。这种效应与巷道发生的冲击地压相似，只是规模不同而 己。通过记录钻孔时所发生的动力效应，可更加准确地判断危险位置。 ( 4 ) 微震法：微震法就是记录采矿震动的能量，确定和分析震动的方向，在震中 定位来评价和预测矿山动力现象。具体的说，就是记录震动的地震图，确定已发生的震 动参数，例如震动发生的时间，震中的坐标，震动释放的能量，特别是震中的大小，地 震力矩，震动发_ i 的机理，震中的压力降等，以此为基础，进行震动危险的预测预报， 辽宁j：程技术火学硕十学位论文8 如预报震动能量大于给定值的平均剧期，在单位时f u j 内震动能量小于或等于给定值的几 牢，该区域内震动的危险性及其它参数。 此外，用震动法预测冲击地压危险时应考虑： 井巷的种类( 开采面、巷道，还有处在采矿作业影响区外的巷道) ； 采空区顶板处理方式； 支架类型( 单体支柱还是液压支架) 。 ( 5 ) 地音法：采矿活动引发的动力现象分为两种：强烈的，属于采矿微震的范畴； 较弱的，如声响、振动、卸压等则为采矿地音，也称为岩石的卢发射。 声发射法就是以脉冲形式记录弱的、低能量的地音现象。其丰要特性是振动频率从 几f 到至少2 0 0 0 h z 或更高；能量低丁n1 0 2 j ，下限不定；振动范围从j l 米到大约2 0 0 m 。 对于冲击地压危险性的评价来说，丰要是根据记录到的岩体声发射的参数与局部应 力场的变化来进行。岩石破坏的彳i 稳定阶段是岩石中裂缝扩展的结果，而卢发射现象则 是微扩张( 岩体中出现的破裂和少量裂缝) 超过界限的表扯，而该现象的进一步发展则表 明岩石的最终断裂。根据矿山压力，最终断裂引发高能量的震动，对巷道的稳定形成威 胁，可能引发冲击地压。 ( 6 ) 电磁辐射法：电磁辐射可用束预测煤岩体动力灾害现象。其主要参数足电磁 辐射强度和脉冲数。 掘进或h 采空间形成后，工作面煤体失去应力平衡，处于不稳定状态，煤壁中的煤 体必然要发生变形或破裂，向新的应力平衡状态过渡，这种过程会引起电磁辐射。由松 弛区域到应力集中区，应力越来越高，因此电磁辐射信号也越来越强。在应力集中区， 应力达到最大值，冈此煤体的变形破裂过程也较强烈，电磁辐射信号最强。进入原始应 力区，电磁辐射强度将有所下降，且趋于平衡。采用非接触方式接收的信号主要是松弛 区和应力集巾区中产生的电磁辐射信号的总体反映( 叠加场) 。 电磁辐射和煤的应力状态有关，戍力高时电磁辐射信号就强，电磁辐射频率就高， 应力越高，则冲击危险越人。电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力 的集中程度的大小，因此可用电磁辐射法进行冲击地压预测预报。 ( 7 ) 地质动力区划方法：地质动力区划是地质动力学的一个新分支，它基于板块 构造学说，根据地形地貌的基本形态和主要特征决定于地质构造形式的原理，通过对地 形地貌的分析，查明区域断裂的形成与发展，确定研究区域的各级断块图( 活动性断裂 剧) 及断块间的相互作用方式；应用地应力测虽，以断块图为计算模型，进行构造应力 辽。卜1 程技术大学硕l 学位论文 9 计算，确定构造应力场的大小和方向，划分出应力升高区、应力降低区和应力梯度区； 应用地质动力区划信息管理系统预测冲击危险区、威胁区及安伞区，为人类的丁程活动 提供地质环境信息和预测工程活动可能产生的地质动力效应。 ( 8 ) 综合预测法：由于冲击地压的随机性和突发性，以及破坏形式的多样性，使 得冲击地压的预测工作变得极为刚难复杂，单凭一种方法足不可靠的，必须进行冲击地 压危险的区域预报与局部预报帽结合，早期预报与及时预报相结合。因此，应该根据具 体情况，在分析地质开采条件的基础上，采用多种方法进行综合预测。 一般来说，首先分析地质开采条件，根据地质动力区划方法、综合指数法和计算机 模拟分析方法，预先划分出冲击地压危险及重点防治区域，提出冲击地压的早期区域性 预报。 在上述分析的基础上，采用微震监测系统，对矿井冲击地压的危险性提出区域预测 和及时预报；采用地音监测法、电磁辐射监测法等地球物理龄测手段，对矿井回采和掘 进工作面进行局部地点的预测预报；然后采用钻屑法，对冲击地压危险区域进行检测和 预报，同时对危险区域和地点进行处理。显然，运用上述所有的方法进行综合预测是不 可能，也不需要同时采取所有的预测方法。应该在试验的基础上，采用地质动力区划方 法、综合指数和分析方法进行早期预报，采用微震进行区域预报，采用地音或电磁辐射 进行局部及时预报，冉加卜钻屑法，就可以构成简单易行、行之有效的预测方法。 1 4 3 冲击地压的防范与治理措施 1 4 3 1 概述 对于冲击地压的治理措施，主要从防御和主动解危两个方面进行。防御性措施主要 有丌采保护层，在进行开采设计时，选择合适的开采顺序、开采方法和采煤工艺。力争 消除形成冲击地压发生的因素。冲击地压的主动解危措施主要有卸压爆破、煤层注水、 钻孔卸压、定向裂缝法等方法。这些方法的应用，减弱或消除了冲击地压的危险，取得 了很好的治理效果。 1 4 3 2 冲击地压的防范措施 ( 1 ) 合理的开拓布置和丌采方式 实践表明，合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集巾和叠加，防止冲击地压发 牛关系极大。大量实例证明，多数冲击地压的发生是由丁开采技术不合理造成| e f 匀。不正 确的开拓开采方式一经形成就难以改变，临到煤层丌采时，只能采取局部措施，而且耗 费很大，效果有限。故合理的开拓布置和丌采方式是防治冲击地压的根本性措施。主要 辽中1 ：群技术人学硕j ：学位论义l o 原则是： 丌采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采。 划分采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。 盘区的采而应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。 在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓心力集巾和叠加的外采程序。 冲击危险的煤层的丌拓或准备巷道、永久硐审、二 三要i i ( 卜) 山、主要溜煤巷和 回风巷成布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。 冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。 顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支 架。 ( 2 ) 丌采解放层 丌采解放层是防治冲击地压的有效和带有根本性的区域性防范措施。 一个煤层( 或分层) 先采，能使临近煤层得到一定时问的卸栽。这种卸载开采称之为 丌采解放层。先采的解放层必须根据煤层赋存条件选择无冲击倾向或弱冲击倾l 门的煤 层。实施时必须保证丌采的时问和空间的有效性。不得存采空l 苎：内留煤柱，以使每一个 先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤层得到最大限度的“解放”。解放层开采后，采 空区垮落的矸石或充填料，随着时m 的延长逐渐被压实，同时采空区和围岩中的应力相 应地逐渐增加，趋于原岩应力水平，所以解放层的作用是有时间性的，卸压作用和效果 随时问的延长而减小。对于下部煤层，由丁受到解放层丌采时的前、后支承压力产生的 加载和卸载交替作用，在很大程度上改变了下部煤层的结构和层间岩石的性质，特别是 改变了它们的裂隙度和透气性，改变了煤岩结构和属性，释放了潜在的弹性能，消除或 减缓了冲击地压危险。 1 4 3 3 冲击地压的治理措施 ( 1 ) 煤层注水：煤层注水和项板注水，包括压注各种溶液，是治理冲击地压的重 要措施。水能够使岩体( 包括煤体) 的性质产生重大变化，这是防治煤层冲击和顶板冲击 的理论基础。 大量的研究表明，煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低，同样， 煤的强度与冲击倾向指数也随煤的湿度的增加而降低。研究表明，注水后山于煤的结构 发生改变，导致强度下降、冲击倾向减弱甚至完全失去冲击能力；煤体积蓄弹性能的能 力下降，而以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加，因此煤层巾储存的可恢复弹性能减 辽宁1 科技术大学硕k 学何论文 少i 。 煤层注水的实用方法有三种布置方式，即与采而煤壁垂直的短钻f l 注水法，与采面 煤壁平行的长钻孔注水法和联合注水法。 ( 2 ) 卸压爆破：煤层卸压爆破是存己确认有冲击危险的区域，通过对煤体实施爆 破，以达到解除冲击危险的。种措施。卸压爆破可分为松动爆破和震动爆破两种。 松动爆破，利用炸药爆炸的力量，人为地增加和扩大煤体的裂隙，同时又不使煤体 整体结构破坏。其原理类似煤体注水方法，由于裂隙的增加，导致了煤的物理力学性质 的改变，从而使得煤的冲击倾向性降低，煤层中的应力分布更加均匀，分布面积更大， 避免了煤岩体系中的弹性能积聚。而被松动的煤体也会形成冲击地压的阻力，松动爆破 属于一种预防施，常在煤体出现应力集巾以前进行。 震动爆破是另一种作用机理。震动爆破的能量丰要消耗在诱发煤体中的弹性应力 波。震动爆破地区周围的动应力叠加在静应力场卜，从而导致应力集中程度的增高并诱 发冲击地压，这时也称其为诱发爆破。通过选择震动爆破| 勺参数、选择爆破的时间和地 点，可在一定程度上调节被诱发出的冲击地i 的强度，也就是通过诱发强度较小的冲击 地压，从而避免强度较大的冲击地乐的危害。震动爆破属于一利，解危措施，常使用在冲 击危险极，“重的区域。 ( 3 ) 钻孔卸越：采用煤体钻孔可以释放煤体中聚集的弹性能，消除应力升高区。 顶板岩层作用在煤体上，t 作面前方煤体上的压力有个发生冲击地压的极限应力值， 从煤壁开始，煤层上覆岩层的应力达到了极限值，说明了冲击地压危险陛很人。这种情 况卜- ，在支承压力区域内，采用大直径钻头钻孔，降低其应力值，而钻孔局部范围出现 小的应力集中，当该应力超过钻孔壁的强度时，随着时间的推移，钻i l i h j 煤体的风化与 压裂，导致在每个钻孔周围的卣径范围内卸压。 ( 4 ) 定向裂缝 定向水力裂缝法 定向水力裂缝法就是人为地在岩层中，预先制造一个裂缝。在较短的时间内，采用 高压水，将岩体沿预先制造的裂缝破裂。在高压水的作用下，岩体的破裂半径范围可达 1 5 2 5 m ，有的甚至更大。 定向水力裂缝法有两种，周向预裂缝及轴向预裂缝。研究表明，在要形成周向预裂 缝的情况下，为了达到较好的效果，周向预裂缝的直径至少应为钻孔直径的两倍以上， 且裂缝端部要尖。高压泵的压力成在3 0 m p a 以上，流量应在6 0 l m i n 以上。而轴向裂缝 法则是沿钻孔轴向制造预裂缝，从咖沿裂缝将岩体破断。 定向爆破裂缝法 定向爆破裂缝法的原理与上法相同，不同之处只是将高压水换成了炸药。其预裂缝 也有周向和轴向之分。而制造的岗向裂缝可以是在钻孔的底部，也可以在钻孔中形成几 个预裂缝。定向爆破裂缝法的钻孔长度、布冒方式、制造预裂缝的数昂、形式等均呶决 于井巷支护形式，要破坏岩体的力学性质以及破裂勺f i 的，这需要根据具体的生产实际， 进行具体的设计和实施。 1 5 本文研究工作 煤矿冲击地压一直是岩体力学及矿山压力防治研究的难点之一，从理论到防治都尚 未完全解决。随着矿井开采深度的增加，发生冲击地压的矿井越米越多，弘度也越米越 人，造成巨大的经济损失和人员伤1 1 ：，给安全生产带来臣大压力，已成为威胁煤矿安全 生产的严覃自然灾害之。冈而有必要对这些冲击地压现象进行系统的、深入的研究。 本文应用地质动力区划方法，以板块构造研究为基础，根据地形地貌的摹本形态和 主要特征决定地质构造形式的原理，通过对地形地貌的分析，查明区域断裂的形成与 发展，利用地应力测量、数值分析、3 s 等技术手段，结合实际t 程问题确定矿井动力现 象的影响冈素。应用模式识别概率预测方法，划分地质动力灾害危险区域。研究中把地 质构造形式及活动性、岩体的应力状态与矿井动力现象发生密切联系起来，利用板块构 造学的观点和理论研究局部区域地质新构造，查清矿区及其邻近区域的各级断块结构。 同时建立事故预测决策信息化体系，实现决策和实施管理的信息化、智能化利口j 视化。 从而有效的对冲击危险的发生地点以及冲击危险程度进行区域预测。 通过以上分析，本文进行了以f 研究工作： ( 1 ) 对冲击地压的影响凶素进行了分析； ( 2 ) 矿区地质构造形式划分，地面考察及井卜卜断层考察； ( 3 ) 建立地质构造模型，确定、分析矿区构造应力存在的条件及分布规律，并通 过岩体的原岩应力评价，确定矿井的高应力区、应力梯度区和降低区。 ( 4 ) 对冲击地压进行区域预测，并对其危险性进行评价，划分山冲击危险区、冲 击威胁区及安全区。 击威胁区及安全区。 辽宁】程技术人颂士学位论文 2 冲击地压影响因素分析 2 1 概述 最有效的防治冲击地压的方法是在矿井的设计与建设阶段就采取相应的措施，及早 考虑各种区域性预防措施，可以大量减少冲击地压的危险性。为此，各设计部门，不仅 仅应掌握开采技术和管理方法，还要掌握被设计项目| 1 勺地质、水文地质、地质构造以及 为保证达到定的技术经济指标所需要的资料和数据，而且一定要了解矿区内的地壳结 构及未采动的岩体内的应力状态。不考虑这些因素就不可能保证矿区深部的安全与有效 的开采，特别是那些具有冲击地压危险的矿区。 冲击地压发生的原因是多方面的，但从总的来说j 。以分为三类，即开采技术条件、 自然因素和组织管理措施。 从发生冲击地压的技术因素来分析，首先是开采引起局部应力集中。其主要原因是 开采系统不完善，或坚硬的顶板条件下较人的悬顶，造成较大的应力集中；或由于开采 力史造成的，如煤柱停采线造成的应力集中，传递到临近煤层。 自然因素中，开采深度、煤体特性、顶底板岩性等对冲击地压的发牛有很大的影响； 地质构造形式如活动断裂、褶皱、隆起与门陷等也是影响冲击地压发生的重要凼素。 技术和管理相互交叉的因素主要为作业和投资没有到位。如采矿作业没有到位，支 架利技术设备没有到位，没有选择有效的冲击地压预报仪器和防治的装备。 2 2 开采技术对冲击地压的影响分析 冲击地压的影响因素巾开采条件和生产技术是很重要的因素。冲击地压大多数发生 在巷道( 7 2 6 ) ，采场则较少( 2 7 4 ) 。而在有些情况下，冲击地址同时在巷道和采场发 牛。 表2 一l 冲击地压发生的区域分布表 序号发生冲击地压的地点垮落面近旁次( )充填而近旁次( ) 1采空区变的原煤体( 6 0 m ) 9 4 2 采动压力影响下的原煤体 2 7 d5 9 3 采动j | ：力区外靠近采空区 1 0 40 g 4采动压力区内靠近采宅区 1 1 3 6 6 5 采动压力页内靠近采空区的原煤体( 6 0 m ) 2 8 6 采动压力区外的原煤体 2 45 辽。j 。t 程技术大学硕士学位沧文1 4 残采区和停采线对冲击地压发生影响较大。 残采区，停采线，断层区域或煤层超采的地方。 ( 1 ) 开采设计和开采顺序 从统计结果看，8 9 的冲击地压发生在 发生冲击地压的区域见表2 1 所示。 当在几个煤层中同时布置几个采面时，采面的布置方式和开采顺序将强烈影响煤岩 体内的应力分布。 冲击地压经常出现在采面向采空区推进时，在距采空区1 5 4 0 m 的应力集中区内掘 进巷道时，两个采面相向推进时及两个近距离煤层中的两个采面同时开采时。如胜利矿 相向掘进回风巷时，当两巷相距1 0 m 时，发生了冲击地压，破坏巷道6 0 m 。 ( 2 ) 上覆煤层工作面停采线和残采区的影响 上覆煤层工作面的停采线和煤柱形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威胁，使 冲击地压的危险性有很大的增加。如果定义e 为观测范围内单位生产煤量所产生的 震动能量( j t ) ，则上覆煤层的停采线对采面的推进过程中影响的e 指标值如图2 1 所示。其中5 0 4 、5 0 1 煤层距5 1 0 煤层分别为4 0 m 和6 4 m 。当5 1 0 煤层的下山经过上覆煤 层的停采线时，e 形的变化清楚、详细地表明了冲击地压危险性增加地区。 图2 2 介绍了工作面通过上覆煤层残采区时的e w 指标值的变化曲线。图中4 1 6 煤层的残采区距5 0 1 煤层7 0 m 。图中表明了残采区范围内冲击地压的危险性，说明残采 区对下部煤层的开采影响很大，冲击地压的危险性大幅度增加。 i p 5 0 1 剥八9 5 0 ；| i | r 二1 04 0酊一 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 。j 叠l 一a 4 1 6 l 罡! ! 苎! ! 蔓_ _ - _ _ _ 一p 5 0 1 、| l 寸 j 、 一， l 、i 面二商一= 面；1 r6 01 0 0t ；6 一 推进 图2 1 巷道过上层停采线时e w 图 图2 2 采面过上层残采区时e w 图 ( 3 ) 采空区的影响 当工作面接近已有的采空区，其距离为2 0 3 0 m 时，冲击地压危险性随之增加。如 辽j 。t 程技术大学硕十学位论文 果工作面旁边有上区段的采空区，该采空区也使冲击地压的危险性增加，危险的最大位 置在距煤柱l o m 左右。 ( 4 ) 老巷的影响 图2 - 3 介绍了工作面过煤层老巷时e 彬指标值的变化规律。从图中可以看出当工 作面接近老巷约1 5 m 左右时，冲击地压的危险性最大。 1 6 0 012 0 8 0 4 0 o 1 0 3 05 0 巷道 一1 一 7 09 01 1 0 推进距离 图2 - 3 采面过老巷时e w 分布规律 ( 5 ) 开采区域的影响 在煤层开采面积增加的情况下，岩体的震动能量也随之增加。研究表明，当丌采面 积为3 万m 2 时，释放的单位面积的震动能量为最大。 2 3自然因素对冲击地压的影响分析 ( 1 ) 开采深度对冲击地压的影响 随着丌采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中积聚的弹性能也随之 增加。 统计分析表明，开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。考虑到安全界限， 可以确定，深度h 3 5 0 m 时，冲击地压一般不会发生。深度3 5 0 m 1 0 0 0 m ，使泰山群与 石炭二迭系地层相接触。该组断层对区域内各h , j 代地层的赋存起重要的控制作用。 ( 2 ) 北东东向断层组 主要分布在向斜北翼，泉沟煤矿范围内尤为突出，如f 。f 。等断层。 ( 3 ) 北东向断层组 主要分布l q h , f 4 南翼，如良f - 、f 。断层等，该组断层多沿地层倾向发育，除发育横 切煤田的大断层外，也发育密集的中小断层。 大断层常成为各煤矿的自然边界，中等和较小断层则对煤层沿走向延展起限制作 用，使各煤层的自然块段长度大大截短，成为划分采区和区段的自然边界，区段内也发 育了密集的微小断层。 从构造发展过程看，运动初期以印支垂直运动为主，区域整体抬升，遭受剥蚀，至 燕山期第一幕产生宽缓褶曲和少量断层，向斜的雏形和北西向大断层大致在这一时期形 成，而后燕l i j n 动中、晚期主要受南北向强大水平挤脏，先后形成第二组和第三组断层。 这些断层在喜i i i 期又继续活动，r 枉i i l 使断层切割关系变得十分复杂，大体是：第三组切 割第一、二组，第二组切割第组。从地层赋存情况看，右炭二迭系地层存燕i i i 运动 的控制下丌始出现赋存筹异，