孤岛区域开采冲击与突出危险性耦合规律答辩PPT-采矿工程博士论文

1、平朔项目一期汇报平朔项目一期汇报孤岛区域开采冲击与突出危险性耦合规律孤岛区域开采冲击与突出危险性耦合规律及其预测技术研究及其预测技术研究 答答 辩辩 人：人： 导导 师：师： 教授教授中国矿业大学（北京）2011年6月矿大（北京）博士学位论文答辩矿大（北京）博士学位论文答辩平朔项目一期汇报平朔项目一期汇报论文主要内容论文主要内容1 绪论绪论2 影响冲击与突出耦合因素分析影响冲击与突出耦合因素分析 3 冲击地压与突出耦合机理研究冲击地压与突出耦合机理研究 4 孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究 5 巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究巷道掘进冲击与突出危险性预测的

2、数值模拟研究 6 孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究 7 孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究 8 结论与展望结论与展望矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 1.1 1.2 问题的提出和选题的意义问题的提出和选题的意义 随着煤矿井下开采深度和开采规模的日益扩大，冲击地随着煤矿井下开采深度和开采规模的日益扩大，冲击地压、煤与瓦斯突出的危害也日趋严重，已成为矿山开采的主压、煤与瓦斯突出的危害也日趋严重，已成为矿山开采的主要障碍。但是，现有的冲击地压与突出机理、预测预报方法，要障碍。但是，现有的冲击地压

3、与突出机理、预测预报方法，绝大多数是针对其中之一而进行的研究，没有将二者结合起绝大多数是针对其中之一而进行的研究，没有将二者结合起来进行考虑，特别是在进入深部开采后，许多矿井同时具有来进行考虑，特别是在进入深部开采后，许多矿井同时具有冲击地压与突出倾向，二者相互作用和诱发，可产生复合型冲击地压与突出倾向，二者相互作用和诱发，可产生复合型灾害，对采矿安全构成重大威胁，如表灾害，对采矿安全构成重大威胁，如表1.1所示。因此，高瓦所示。因此，高瓦斯、高地应力煤层冲击地压与突出耦合发生机理和预测预报斯、高地应力煤层冲击地压与突出耦合发生机理和预测预报技术的研究成为需要亟待解决的重要课题。技术的研究成为

4、需要亟待解决的重要课题。矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 1.3 1.4 国内外冲击地压与突出机理、预测技术研究现状国内外冲击地压与突出机理、预测技术研究现状l国内外冲击地压机理研究现状国内外冲击地压机理研究现状 l国内外煤与瓦斯突出机理研究现状国内外煤与瓦斯突出机理研究现状 l国内外冲击地压与突出耦合机理研究现状国内外冲击地压与突出耦合机理研究现状 u 章梦涛等提出的冲击地压与突出统一失稳理论认为二者都章梦涛等提出的冲击地压与突出统一失稳理论认为二者都是是煤岩体内具有应变软化和非应变软化两种不同性质的介质煤岩体内具有应变软化和非应变软化两种不同性质的介质组成的力学变形系统

5、，在外界扰动下发生的动力破坏过程组成的力学变形系统，在外界扰动下发生的动力破坏过程 。 u 卫修军等提出的复合矿井灾害理论认为卫修军等提出的复合矿井灾害理论认为在深部开采条件下，在深部开采条件下，地应力和瓦斯吸附压力都很高，存在一种开挖卸载与瓦斯解地应力和瓦斯吸附压力都很高，存在一种开挖卸载与瓦斯解吸膨胀耦合下的冲击地压，伴随瓦斯涌出和突出。吸膨胀耦合下的冲击地压，伴随瓦斯涌出和突出。 l冲击地压与突出预测技术研究现状冲击地压与突出预测技术研究现状 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 1.5 存在的问题及不足存在的问题及不足（1）冲击地压与突出是当前深部开采矿井面临的主要威胁

6、，由于它们的机理仍然还是立足于试验基础上提出的各种假说，它们之间耦合关系的研究基本上处于空白。（2）原有预测方法只能预测冲击地压或突出一种结果发生的可能性大小，不能解决预测结果不确定性问题。（3）瓦斯涌出初速度法、钻屑法等单一的预测方法不可能解决复合型矿井灾害的预测问题。（4）井下煤岩（瓦斯）动力灾害预测指标的临界值受人的主观判断干扰，直接影响预测结果的准确性。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 1.6 论文研究的内容论文研究的内容（1）研究高地应力和高瓦斯条件下冲击地压与突出发生的条件，在此基础上建立冲击地压与突出的耦合力学模型，分析冲击地压与突出耦合的规律，找出有针对性

7、的预测预报方法。（2）通过实验研究煤体与顶底板组合的冲击倾向性，数值模拟孤岛区域应力场变化规律，对该区域冲击地压与突出的危险性进行区域预测，根据预测结果划分重点监测区域。（3）研究瓦斯涌出初速度法、钻屑法与电磁辐射法预测冲击地压与突出的基本原理与规律，根据现场测定的数据得出预测临界指标值。（4）把上述研究结果用于现场生产实践，依此来验证本文研究结果的正确性和可靠性。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 1.6 论文主要创新点论文主要创新点 （1）运用尖点突变理论建立了冲击地压与突出的耦合力学模型，揭示了冲击与突出耦合是以原岩应力为主，包括瓦斯作用力、构造应力和开采产生附加应力

8、相互叠加诱发的煤岩体弹性能和瓦斯潜能共同参与的复合型矿井灾害。（2）将直接模糊信息集的关联测度理论和熵函数理论用于冲击地压、突出及二者耦合灾害区域预测，实现了对具有多预测指标和预测结果不确定的复杂矿井灾害的定量预测。（3）提出了复合型矿井灾害的综合预测法，并采用井下数据归纳统计与回归分析相结合确定钻屑量、瓦斯涌出初速度、电磁辐射幅值与脉冲数指标的临界值，为灾害预测预报提供了一种新的途径。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 目 录1 绪论绪论2 影响冲击与突出耦合因素分析影响冲击与突出耦合因素分析 3 冲击地压与突出耦合机理研究冲击地压与突出耦合机理研究 4 孤岛区域煤岩冲击

9、倾向性试验研究孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究 5 巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究 6 孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究 7 孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究 8 结论与展望结论与展望矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 2.1 开采深度开采深度l开采深度对冲击地压的影响冲击地压发生与开采深度有关，开采深度越大，由于上部岩层自重增加导致煤体压缩，积蓄的弹性能相应增加，冲击地压发生的可能性也越大。 l开采深度对突出的影响煤与瓦斯突出和开采深度

10、有关，随着采深的逐渐增加，处于深部的煤与其顶底板组合体在较高的地应力作用下，孔隙和裂隙发育受到限制，煤岩体内的瓦斯大都处于吸附状态，不能向外有效释放，导致瓦斯压力升高。当井下从事采掘活动时，很容易在采掘区域附近形成较高的瓦斯压力梯度，诱发煤与瓦斯突出灾害。矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 2.2 2.3 煤层厚度和地质构造煤层厚度和地质构造l根据资料统计，厚度为48m的煤层比厚度为12m的煤层发生冲击地压的次数大6倍。l在煤层厚度突然变薄或变厚处，支承压力将显著增高，同时，煤层厚度变化越剧烈，应力集中的程度越高，在这些区域容易发生冲击地压与突出。l冲击矿压经常发生在向斜轴部

11、，特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层皱曲、构造应力带。 l根据平煤集团资料统计，在各种构造类型中，软分层变厚突出强度最大，煤层倾角变化排第二，然后是煤厚变化和断层，无构造的突出强度较小，构造突出强度是无构造的突出强度的4.14.7倍。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 2.4 工作面推进速度工作面推进速度l总体上来说，工作面推进速度越快，在推进过程中煤岩体的变形就会变小，从而煤岩体释放的能量就越小，煤岩体积聚的弹性能就会增加，冲击地压危险就会增加。 l对于高瓦斯煤层来说，如果工作面推进速度加快，工作面前方的应力集中区域来不及向煤体深部转移，使该区域煤体的孔隙、

12、裂隙在高应力作用下闭合，透气性减弱，原岩应力区和应力集中区的瓦斯不能尽快释放，瓦斯压力将进一步升高。工作面附近煤体在地应力、瓦斯压力及采掘活动的破坏下，强度急剧降低，一旦原有平衡被打破，在煤岩体内积聚的弹性能和瓦斯潜能将迅速释放，形成冲击或突出。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 2.5 护巷煤柱护巷煤柱沿空掘巷之前，岩层运动已经稳定的采空区附近，处于极限平衡状态下的煤体的残余支承压力分布如图2.7中的1曲线所示，沿空巷道破坏了原有平衡状态，支承压力向煤体深部转移，如图2.7中的2曲线所示。12HKH 1掘巷前的应力分布；2掘巷后的应力分布；破裂区；塑性区；弹性区应力增高部

13、分；原岩应力区图2.7 沿空掘巷引起煤帮应力重新分布 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 2.6 2.7 瓦斯压力、瓦斯压力、煤体结构和顶底板岩层的性质煤体结构和顶底板岩层的性质 l瓦斯压力一方面是突出形成的主要动力，为粉碎和抛出煤体提供能量；另一方面阻止煤体裂纹的闭合，加速其形成，同时，减弱了宏观裂缝面间的摩擦系数，降低了煤体强度。l对煤的试样研究表明,煤试块的冲击性在其单向抗压强度RC16Mpa时，试样表现为强冲击倾向性。l煤的突出与否与煤的强度、瓦斯解吸和渗透能力、透气性等因素关系密切，而这些因素又是由煤的结构决定的。研究表明，顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬厚层砂岩顶

14、板是影响冲击地压发生的主要因素之一。顶底板岩性对突出有控制作用，表现在对瓦斯的保存条件产生影响。矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 2.8 本章小结本章小结 l冲击地压和煤与瓦斯突出的主要影响因素有开采深度、冲击地压和煤与瓦斯突出的主要影响因素有开采深度、煤层厚度、地质构造、工作面推进速度、护巷煤柱、瓦斯压煤层厚度、地质构造、工作面推进速度、护巷煤柱、瓦斯压力、煤体结构和顶底板岩层的性质八个方面。力、煤体结构和顶底板岩层的性质八个方面。l冲击地压和煤与瓦斯突出发生的可能性随开采深度、煤冲击地压和煤与瓦斯突出发生的可能性随开采深度、煤层厚度、瓦斯压力的增加基本呈增大趋势。层厚度

15、、瓦斯压力的增加基本呈增大趋势。l地质构造复杂区域、工作面推进速度和护巷煤柱留设不地质构造复杂区域、工作面推进速度和护巷煤柱留设不合理均易诱发冲击地压和煤与瓦斯突出灾害。合理均易诱发冲击地压和煤与瓦斯突出灾害。l煤体结构和顶底板岩层的性质是影响冲击与突出发生与煤体结构和顶底板岩层的性质是影响冲击与突出发生与否的重要因素。煤的单轴抗压强度与冲击地压有关，煤的坚否的重要因素。煤的单轴抗压强度与冲击地压有关，煤的坚固性系数和瓦斯放散指数与突出有关。坚硬厚层砂岩顶板易固性系数和瓦斯放散指数与突出有关。坚硬厚层砂岩顶板易引发冲击地压，而顶底板岩层的透气性越差，越有利于突出。引发冲击地压，而顶底板岩层的透

16、气性越差，越有利于突出。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 目 录1 绪论绪论2 影响冲击与突出耦合因素分析影响冲击与突出耦合因素分析 3 冲击地压与突出耦合机理研究冲击地压与突出耦合机理研究 4 孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究 5 巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究 6 孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究 7 孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究 8 结论与展望结论与展望矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位

17、论文答辩辩 3.1 3.2 冲击地压与突出概述、耦合现象及结论冲击地压与突出概述、耦合现象及结论l 2005年6月29日，平煤集团十二矿回风下山掘进过程中由于放炮引发煤岩（瓦斯）动力灾害，伴随巨大声响且顶底板有较大震动掉渣。卫修军等将本次动力现象定义为：在高应力作用下，以冲击地压为主导，冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用下的复合型矿井动力现象。与单纯的动力现象相比，复合型矿井动力效应更强、更猛烈，如本次事故躲避硐室工人听到连续三次脆性声音，表明复合型矿井动力过程可连续演化数次，造成的破坏性更大。l八矿戊9.10-12160孤岛区域地质条件和开采条件复杂，与十二矿发生煤岩动力灾害的区域类似，因此，该

18、区域在开采过程中有诱发复合型矿井灾害的可能性。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 3.3 孤岛区域应力场分布规律与灾害诱发形式分析孤岛区域应力场分布规律与灾害诱发形式分析戊戊9.10-12160孤岛面地质条件复杂，存在原岩应力、构造孤岛面地质条件复杂，存在原岩应力、构造应力及瓦斯解析压力等多重因素综合作用，易引发冲击矿压、应力及瓦斯解析压力等多重因素综合作用，易引发冲击矿压、煤与瓦斯突出及二者耦合的复合型矿井灾害。其诱发形式可煤与瓦斯突出及二者耦合的复合型矿井灾害。其诱发形式可分为如下几种。分为如下几种。（1）固体能量诱发型）固体能量诱发型在瓦斯能量较小可以忽略不计的条件下

19、，冲击地压发生主要在瓦斯能量较小可以忽略不计的条件下，冲击地压发生主要由煤体弹性能引起，属于固体能量诱发型。其单位体积能量由煤体弹性能引起，属于固体能量诱发型。其单位体积能量大小为：大小为：EEm2/2313221232221矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 戊戊9.10-12160孤岛面煤层瓦斯压力孤岛面煤层瓦斯压力1.6MPa，瓦斯含量，瓦斯含量18m/t，为突出，为突出煤层，其较高的瓦斯能量极易在开采扰动下诱发煤与瓦斯突出等灾害，煤层，其较高的瓦斯能量极易在开采扰动下诱发煤与瓦斯突出等灾害，即气体能量诱发型。即气体能量诱发型。单位体积瓦斯膨胀释放的能量单位体积瓦斯膨胀

20、释放的能量Ew为：为：aasssawypppbbpaVapE/11111ppTsaadssawjapbdpppKabapE2/11111wjwywEEE（2）气体能量诱发型）气体能量诱发型 3.3 孤岛区域应力场分布规律与灾害诱发形式分析孤岛区域应力场分布规律与灾害诱发形式分析矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 戊戊9.10-12160孤岛面存在孤岛面存在较高的原岩应力和瓦斯膨胀较高的原岩应力和瓦斯膨胀压力，在采煤或巷道掘进等压力，在采煤或巷道掘进等的扰动下，其灾害的诱发形的扰动下，其灾害的诱发形式有可能是固体与气体能量式有可能是固体与气体能量的复合，但两种能量形式不的复合，

21、但两种能量形式不可能是简单的叠加，因此，可能是简单的叠加，因此，必须建立一个包含了两种能必须建立一个包含了两种能量因素的综合模型，以此来量因素的综合模型，以此来揭示冲击地压与突出耦合的揭示冲击地压与突出耦合的机理。机理。（3）复合能量引起的冲击地压与突出耦合模型）复合能量引起的冲击地压与突出耦合模型PPkddwkskt考虑原岩应力、采动应力考虑原岩应力、采动应力和瓦斯作用力的力学模型和瓦斯作用力的力学模型顶板作用力顶板作用力瓦斯作用力瓦斯作用力含瓦斯煤层含瓦斯煤层底板岩层底板岩层 3.4 孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士

22、学位论文答辩辩 根据上面的势能函数和根据上面的势能函数和图图3-4分析可以看出：灾害发分析可以看出：灾害发生的能量释放大小与煤层厚生的能量释放大小与煤层厚度、煤层弹性模量、顶板刚度、煤层弹性模量、顶板刚度、弹性区刚度、煤层弹塑度、弹性区刚度、煤层弹塑性区的宽度有关。性区的宽度有关。因此，为了提高孤岛工因此，为了提高孤岛工作面开采的安全性，降低灾作面开采的安全性，降低灾害损失，可以通过在工作面害损失，可以通过在工作面打卸压孔或瓦斯抽放孔，增打卸压孔或瓦斯抽放孔，增加钻孔直径和长度，减少煤加钻孔直径和长度，减少煤层弹塑性区的宽度，从而减层弹塑性区的宽度，从而减小灾害发生的可能性。小灾害发生的可能性

23、。图图3-4 3-4 能量释放计算图能量释放计算图 3.4 孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 项项 目目能能 量量 条条 件件灾灾 害害 类类 型型预计采用的预测预报方法预计采用的预测预报方法主要治理措施主要治理措施一一EwEm且EUmin+Wmin冲击地压1、综合指数法2、钻屑法3、电磁辐射法1、煤层注水2、钻孔卸压3、卸压爆破二二Em Ew且Ew Umin+Wmin煤与瓦斯突出1、综合指标法2、钻屑法3、钻孔瓦斯涌出初速度法4、电磁辐射法1、煤层瓦斯抽放2、煤层注水3、超前钻孔4、浅孔松动爆破三三Ew

24、Em 且Ef Umin+Wmin冲击与突出耦合的复合型灾害（一）和（二）结合（一）和（二）结合表3.1 戊9.10-12160孤岛面灾害分类及对策表 3.4 孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 图3.7 冲击与突出耦合关系 采矿扰动采矿扰动煤体透气性煤体透气性瓦斯压力瓦斯压力煤体强度煤体强度瓦斯流动特征瓦斯流动特征冲击地压冲击地压煤与瓦斯突出煤与瓦斯突出地应力地应力 3.4 孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析孤岛面冲击与突出耦合模型及机理分析矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 目 录1 绪论

25、绪论2 影响冲击与突出耦合因素分析影响冲击与突出耦合因素分析 3 冲击地压与突出耦合机理研究冲击地压与突出耦合机理研究 4 孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究 5 巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究 6 孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究 7 孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究 8 结论与展望结论与展望矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 4.1 冲击倾向性原理冲击倾向性原理 判别指标强冲击弱冲击无冲击动态破坏时间DT/

26、ms5050500500冲击能指数Ks5.05.01.51.5弹性能量指数WET5.05.02.02.0表4-1 煤岩的冲击倾向性判别指标 OLPs tspOEQFDCFsFx图图4-1 4-1 弹性能量指数计算图弹性能量指数计算图 图图4-2 4-2 冲击能量指数计算图冲击能量指数计算图 冲击矿压的发生不仅与外部条件有关，而且还与煤岩的物理性质有关，冲击矿压的发生不仅与外部条件有关，而且还与煤岩的物理性质有关，这种决定产生冲击矿压的能力的物理性质是煤岩体固有的属性，称为煤这种决定产生冲击矿压的能力的物理性质是煤岩体固有的属性，称为煤（岩）体的冲击倾向。（岩）体的冲击倾向。 矿大矿大(北京北京

27、)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 4.2 煤岩的冲击倾向性试验煤岩的冲击倾向性试验图图4.4 4.4 控制试验机主机控制试验机主机 图图4-5 4-5 试验过程照片试验过程照片 图图4-6 4-6 煤岩样冲击破坏后的照片煤岩样冲击破坏后的照片图图4-7 BKZ1#4-7 BKZ1#试验结果试验结果 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 表4-3 戊9.10-12160孤岛面纯煤样冲击倾向性参数 4.3 煤岩冲击倾向性确定煤岩冲击倾向性确定 表4-4 戊9.10-12160孤岛面组合煤岩样冲击倾向性参数试样名称煤岩比例/%试样高度/mm试样直径/mm弹性模量/GPa冲击能指数/

28、KE弹性能指数/WET抗压强度/MPa动态破坏时间/msBKZ3#30:7098.4349.092.972.187.2522.41452BKZ4#60:40101.2948.372.162.014.344.50310BKZ5#60:40103.1548.759.792.225.2119.00472BKZ6#30:70101.0048.583.362.106.0022.94480BKZ7#80:20103.5449.004.761.352.738.36262BKZ8#80:2096.2148.684.941.124.0713.45351平均值100.6048.754.661.834.9315.1

29、1388试样名称试样高度/mm试样直径/mm弹性模量/GPa冲击能指数/KE弹性能指数/WET抗压强度/MPa动态破坏时间/msBKM1#99.6948.271.571.512.1710.42335BKM2#101.3547.791.751.022.985.97156平均值100.5248.031.661.272.588.20246矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 4.3 煤岩冲击倾向性确定煤岩冲击倾向性确定 表4.5 纯煤样和组合煤岩试样冲击倾向性参数测定结果的平均值统计 试样种类动态破坏时间/ms冲击能指数/KE弹性能指数/WET抗压强度/MPa冲击倾向性纯煤样2461

30、.272.588.20弱冲击组合煤岩样3881.834.9315.11弱冲击从表从表4.5可以看出，平八矿戊可以看出，平八矿戊9.10-12160孤岛面的戊孤岛面的戊9.10煤样为弱冲击倾向，煤样为弱冲击倾向，戊戊9.10煤与顶板泥岩组合煤岩样为弱冲击倾向。由此可见，平八矿戊煤与顶板泥岩组合煤岩样为弱冲击倾向。由此可见，平八矿戊9.10-12160孤岛面具有诱发冲击地压的可能性。孤岛面具有诱发冲击地压的可能性。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 4.3 煤岩冲击倾向性确定煤岩冲击倾向性确定 图4.15 顶板占组合煤岩样比例与弹性模量关系 图4.16 顶板占组合煤岩样比例与冲

31、击能指数关系 图4.17 顶板占组合煤岩样比例与弹性能指数关系 图4.19 顶板占组合煤岩样比例与动态破坏时间关系 结论：组合煤岩样平均冲击能指数、平均弹性能指数和平均抗压强度分别比纯煤样大69.4%、52.3%和54.3%，可见组合煤岩样中顶板岩样厚度越厚，则其冲击倾向性就越强。矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 目 录1 1 绪论绪论2 2 影响冲击与突出耦合因素分析影响冲击与突出耦合因素分析 3 3 冲击地压与突出耦合机理研究冲击地压与突出耦合机理研究 4 4 孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究 5 5 巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研

32、究巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究 6 6 孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究 7 7 孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究 8 8 结论与展望结论与展望矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 -530-520-520-510-500-490-480-470-460-500-5 1 0-530-480-520-4704400450046004700480049005000520053005400550056007 2 0 07 1 0 07 8 0 07 7 0 07 6 0 07 5 0

33、 07 4 0 07 3 0 0570051007 9 0 08 0 0 0 5.1 5.2 矿井及戊矿井及戊9、10-112160孤岛区域概况孤岛区域概况戊戊9.10-12160机巷机巷戊戊9.10-12160里风巷里风巷戊戊9.10-12160外风巷外风巷戊戊9.10-12160高位中间巷高位中间巷戊戊9.10-12160高位抽排巷高位抽排巷戊戊9.10-12180高位抽排巷高位抽排巷采空区采空区 戊戊9.10-12160采面属孤岛型煤柱开采，埋深采面属孤岛型煤柱开采，埋深620.5736.2m。煤层平均厚度。煤层平均厚度4.3m，平均倾角，平均倾角10。直接顶为砂质泥岩，平均厚度直接顶为

34、砂质泥岩，平均厚度6.5m，老顶为细砂岩，平均厚度，老顶为细砂岩，平均厚度8.2m，距煤层顶板，距煤层顶板3.4m8.8m为戊为戊8煤，煤，直接底为泥岩及砂质泥岩。该区域共揭露断层直接底为泥岩及砂质泥岩。该区域共揭露断层13条，落差在条，落差在0.43.8m。煤。煤层瓦斯压力层瓦斯压力1.6MPa，瓦斯含量，瓦斯含量18m/t。设计工作面长度里段。设计工作面长度里段191m，外段，外段212m，采高，采高4.3m。布置。布置四条巷道，按标高从上至下依次布置风巷、高位抽排巷、高位中间巷、机巷，另戊四条巷道，按标高从上至下依次布置风巷、高位抽排巷、高位中间巷、机巷，另戊9.10-12180外外错尾

35、巷赋存于机巷上方。错尾巷赋存于机巷上方。矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 5.3 模型的建立和模拟内容模型的建立和模拟内容 图5-4 巷道围岩岩层分布图 表5-1 计算模型中岩层和煤体的力学参数材料密度kg/m3剪切模量MPa体积模量MPa粘结力MPa内摩擦角 ()抗拉强度MPa细砂岩244970002480015301.17砂质泥岩25821077915655202020细至中粒砂岩244970002480015301.17砂质泥岩25821077915655202020戊8煤层1400800020002.52290.60细砂岩粉砂岩244970002480015301.

36、17戊9-10煤层1310950020580.9840.60.65泥岩258210779156552057.220戊11煤层1400850019503.5040.60.60矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 图5-6 采空区附近巷道开挖前铅垂应力分布曲线图 010203040506002468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60距离采空区的距离/m垂直方向的应力分布/MPa原岩应力线原岩应力线应应力力降降低低区区塑塑性性区区弹性区应力增高部分弹性区应力增高部

37、分原岩应力区原岩应力区合理的煤柱留设区域采空区侧应力分布曲线如图采空区侧应力分布曲线如图5.65.6所示。可以看出，从采空区边缘到所示。可以看出，从采空区边缘到煤体深部，依次形成应力降低区、塑性区和弹性区应力增高部分、原煤体深部，依次形成应力降低区、塑性区和弹性区应力增高部分、原岩应力区。应力降低区的宽度约岩应力区。应力降低区的宽度约4m4m左右，在左右，在6 612m12m范围应力达到最高，范围应力达到最高，煤柱超过煤柱超过30m30m后应力显著降低。后应力显著降低。 5.3 模型的建立和模拟内容模型的建立和模拟内容 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 5.4 数值模拟过程

38、及结论数值模拟过程及结论 图5.9 风巷里段巷道围岩铅垂应力分布 图5.13 风巷外段巷道围岩铅垂应力分布 图5.17 机巷外段巷道围岩铅垂应力分布图5.21 机巷里段巷道围岩铅垂应力分布 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 目 录1 1 绪论绪论2 2 影响冲击与突出耦合因素分析影响冲击与突出耦合因素分析 3 3 冲击地压与突出耦合机理研究冲击地压与突出耦合机理研究 4 4 孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究 5 5 巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究 6 孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究孤岛区

39、域冲击与突出危险性分区预测研究 7 7 孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究 8 8 结论与展望结论与展望矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 6.16.2 直觉模糊集的关联测度预测模型直觉模糊集的关联测度预测模型 直觉模糊集的概念：设X是一个非空集合，A为直觉模糊集，其中A(x)和vA(x)为X中元素x属于A的隶属度和非隶属度。直觉模糊集的关联测度： 2(A1，A2)为直觉模糊集A1和A2的关联系数。其中为权重向量。 maxmaxminmaxmaxmin121221,vvvvAAiinii XxxvxxAAA,Tn,21矿大矿大(北

40、京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 6.3 熵函数预测模型熵函数预测模型 iniiiaPaPaPXHlg1lg1 H(X)称为熵函数，它从平均意义上表示了信源的总体信息测度。H(X)具有两种含义：当信源输出前，信源的平均不确定性；当信源输出后，每个符号所提供的平均信息量。 在煤矿开采前，煤岩与内部积存的瓦斯处于一个相对稳定的状态，其熵值也保持一个定值。一旦井下进行采掘活动，煤岩（瓦斯）系统的稳定性将遭到破坏，其熵值将增加或减少。由此，我们可以判断煤岩（瓦斯）系统的安全性能是趋向恶化，还是趋向好转。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 6.4 戊戊9.10-12160孤岛

41、开采区域冲击与突出危险性预测孤岛开采区域冲击与突出危险性预测 1 2 1 6 0工 作 面 机 巷1 2 1 6 0工 作 面 风 巷12160工作面切眼位置1 3 0 m2 0 0 m6 2 0 m12160工作面停采线ABC2 0 0 mD1 2 1 4 0工 作 面 采 空 区1 2 1 8 0工 作 面 采 空 区图6.1 戊9.10-12160工作面冲击与突出预测分区 预测 指标 现场数据煤层瓦含量A1/m3/t瓦斯涌出初速度A2/L/min构造复杂程度A3采空区影响指数A4开采深度A5/m煤层厚度A6/m软分层厚度A7/m煤的冲击能指数A8A区4.852.55116104.50.6

42、2.14B区8.063.64236304.30.62.14C区6.102.94126603.90.42.14D区5.242.45226904.20.72.14表6.3 分区预测指标统计 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 预测 指标等级划分煤层瓦斯含量A1/m3/t瓦斯涌出初速度A2/L/min构造复杂程度A3采空区影响指数A4开采深度A5/m煤层厚度A6/m软分层厚度A7/m煤的冲击能指数A8521150020.283.53370040.55表6.4 矿井煤岩动力灾害分级标准 将戊将戊9.10-12160孤岛工作面可能引发的灾害分为冲击地压、煤与瓦斯突孤岛工作面可能引发的灾

43、害分为冲击地压、煤与瓦斯突出及二者耦合的复合型矿井灾害三个类型，根据关联测度模型预测结果，出及二者耦合的复合型矿井灾害三个类型，根据关联测度模型预测结果，冲击地压发生的可能性冲击地压发生的可能性A区最大，煤与瓦斯突出或冲击地压与突出耦合型区最大，煤与瓦斯突出或冲击地压与突出耦合型复合灾害复合灾害B区可能性最大。区可能性最大。 6.4 戊戊9.10-12160孤岛开采区域冲击与突出危险性预测孤岛开采区域冲击与突出危险性预测矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 目 录1 1 绪论绪论2 2 影响冲击与突出耦合因素分析影响冲击与突出耦合因素分析 3 3 冲击地压与突出耦合机理研究冲击

44、地压与突出耦合机理研究 4 4 孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究孤岛区域煤岩冲击倾向性试验研究 5 5 巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究巷道掘进冲击与突出危险性预测的数值模拟研究 6 6 孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究孤岛区域冲击与突出危险性分区预测研究 7 孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究孤岛区域冲击与突出危险的现场综合预测研究 8 8 结论与展望结论与展望矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 7.1 围岩变形和矿压观测预测围岩变形和矿压观测预测 12160工作面2号测站1号测站3号测站4号测站70m15m315m15m12160工作面机巷12160工作

45、面风巷12140工作面采空区12160工作面切眼位置测站12180工作面采空区为了有效预测冲击地压，在冲击地压危险区域进行了巷道变形观测，为了有效预测冲击地压，在冲击地压危险区域进行了巷道变形观测，经计算，经计算，风巷实体煤段两帮移近速度风巷实体煤段两帮移近速度0.222cm/d0.222cm/d，顶底板移近速度，顶底板移近速度0.278cm/d0.278cm/d；风巷采空区；风巷采空区段两帮移近速度段两帮移近速度0.185cm/d0.185cm/d，顶底板移近速度，顶底板移近速度0.259cm/d0.259cm/d。与本矿其它巷道相比，。与本矿其它巷道相比，巷道变形速度较快，但是处于较合理范

46、围，表明观测期内应力变化较平缓，观察巷道变形速度较快，但是处于较合理范围，表明观测期内应力变化较平缓，观察期内无冲击地压骤然显现特征。期内无冲击地压骤然显现特征。 图7-1 巷道变形观测测点布置矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 图图7-11 7-11 工作面支架载荷随时间变化曲线图工作面支架载荷随时间变化曲线图 回采工作面附近的冲击与突出多发生在顶板来压期间，据此通过支架载荷预测来压时间和回采工作面附近的冲击与突出多发生在顶板来压期间，据此通过支架载荷预测来压时间和来压步距，并根据来压情况预测冲击与突出危险性，这种方法被大多数国家的煤矿采用。来压步距，并根据来压情况预测冲击

47、与突出危险性，这种方法被大多数国家的煤矿采用。依据工作面液压支架依据工作面液压支架测力计数据，统计了测力计数据，统计了10号、号、30号、号、60号、号、90号、号、120号液压支架观察号液压支架观察期内支架载荷变化情况。支架载荷在观察期内呈现周期性变化。根据载荷变化规律，推断基期内支架载荷变化情况。支架载荷在观察期内呈现周期性变化。根据载荷变化规律，推断基本顶初次来压步距本顶初次来压步距32m左右，来压期间加强了监测和措施执行力度，保证了回采安全。左右，来压期间加强了监测和措施执行力度，保证了回采安全。 7.1 围岩变形和矿压观测预测围岩变形和矿压观测预测 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答

48、博士学位论文答辩辩 5m 3m3m3m3m3m5m 3m3m3m3m3m3m3m3m3m3m250m12160工 作 面12160工作面切眼位置A 2A 1A 4A 3A 6A 5B 2B 1B 4B 3B 6B 5C 2C 1C 4C 3C 6C 57 #支 架2 0 #支 架3 3 #支 架4 7 #支 架6 0 #支 架7 3 #支 架8 7 #支 架1 0 0 #支 架1 1 3 #支 架测 站12160工 作 面 机 巷12160工 作 面 风 巷12180采 空 区12140采 空 区 7.2 电磁辐射法监测电磁辐射法监测煤与瓦斯突出、煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力冲击地压等煤岩

49、动力灾害发生前有明显的灾害发生前有明显的电磁辐射规律：工作电磁辐射规律：工作面前方煤岩体处于高面前方煤岩体处于高应力状态，煤岩体电应力状态，煤岩体电磁辐射信号较强，或磁辐射信号较强，或处于逐渐增强的变形处于逐渐增强的变形破裂过程中，煤岩体破裂过程中，煤岩体电磁辐射信号逐渐增电磁辐射信号逐渐增强。电磁辐射强度变强。电磁辐射强度变化反映了煤体前方应化反映了煤体前方应力的集中程度和产生力的集中程度和产生应力突变的程度。应力突变的程度。图7-12 电磁辐射监测测点布置图矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 7.2 电磁辐射法监测电磁辐射法监测（1）由图）由图7-14可以得出，戊可以得出

50、，戊9.10-12160工作面在防突措施执行前电磁辐射工作面在防突措施执行前电磁辐射强度值偏高，执行措施后电磁辐射强度总体上减弱，表明执行措施后使得煤体强度值偏高，执行措施后电磁辐射强度总体上减弱，表明执行措施后使得煤体应力集中区向深部转移，使得其卸压带的范围加大，发挥了防冲减突作用。应力集中区向深部转移，使得其卸压带的范围加大，发挥了防冲减突作用。 图图7-14 87-14 8月月1616日至日至8 8月月1717日执行措施前后电磁辐射值变化曲线图日执行措施前后电磁辐射值变化曲线图 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 图图7-16 87-16 8月月2 2日风巷里段和机巷电

51、磁辐射幅值变化曲线图日风巷里段和机巷电磁辐射幅值变化曲线图 图图7-15 77-15 7月月2323日风巷里段和机巷电磁辐射幅值变化曲线图日风巷里段和机巷电磁辐射幅值变化曲线图 7.2 电磁辐射法监测电磁辐射法监测（2）由图）由图7-15和图和图7-16可以看出，戊可以看出，戊9.10-12160工作面前方煤体内部工作面前方煤体内部08.0m范围内电磁辐射值较低，尽管有波动，但可初步判明此区为卸压带或应力范围内电磁辐射值较低，尽管有波动，但可初步判明此区为卸压带或应力松驰区；而松驰区；而8.017.0m范围内电磁辐射强度值偏高，为应力集中区；范围内电磁辐射强度值偏高，为应力集中区；17.0m以

52、外以外电磁辐射值又显著降低，初步判断为原岩应力区。电磁辐射值又显著降低，初步判断为原岩应力区。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 7.3 钻屑量、瓦斯涌出初速度监测钻屑量、瓦斯涌出初速度监测 表7-7 戊9.10-12160工作面钻屑量统计表 单位：kg/m 测点位置日期7号支架处20号支架处33号支架处47号支架处60号支架处73号支架处87号支架处100号支架处113号支架处7月20日2.40 2.60 2.40 2.40 2.60 2.80 1.80 2.00 2.20 7月26日2.40 3.00 2.60 2.60 2.60 2.80 2.20 2.40 2.20

53、 7月27日2.40 2.40 2.80 2.40 2.60 2.20 2.80 3.20 2.40 7月28日2.80 2.60 2.80 2.80 3.00 2.80 2.60 2.40 2.20 7月30日3.20 2.80 2.40 3.20 2.60 3.00 2.60 2.40 2.40 8月1日2.60 3.20 2.80 2.80 2.80 3.00 2.40 2.40 2.60 8月2日2.20 3.00 2.40 2.40 2.20 2.80 2.60 2.60 3.00 8月3日2.60 2.60 2.80 2.60 2.80 3.20 2.60 2.80 2.00 8月

54、5日2.60 2.40 2.80 2.80 2.40 2.60 2.60 2.40 2.40 8月6日2.00 3.00 2.00 2.80 3.00 2.60 2.40 2.60 2.60 8月7日2.40 2.20 2.40 2.20 2.80 2.60 3.00 2.80 2.80 8月9日2.00 2.60 2.60 2.40 2.80 2.80 2.40 2.80 2.80 8月11日2.00 2.40 2.60 2.80 2.80 3.00 2.20 2.40 2.60 8月12日2.802.802.602.803.002.802.402.202.208月13日2.402.602.

55、402.402.602.402.402.402.608月15日2.802.602.402.402.403.003.003.002.408月16日2.402.802.802.802.602.802.802.603.008月17日2.403.202.602.402.803.602.603.603.00矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 测点位置 日期7号支架处20号支架处33号支架处47号支架处60号支架处73号支架处87号支架处100号支架处113号支架处7月20日0.29 0.46 0.38 0.37 0.37 0.48 0.42 0.42 0.32 7月26日0.26 0.

56、26 0.26 0.39 0.49 0.49 0.24 0.37 0.24 7月27日0.28 0.28 0.28 0.48 0.48 0.48 0.26 0.36 0.26 7月28日2.66 0.48 2.66 0.28 0.56 0.56 0.36 0.26 0.26 7月30日2.28 0.26 0.26 1.72 0.83 0.83 2.66 0.24 0.48 8月1日0.47 0.26 0.63 2.66 0.42 0.42 0.23 0.32 0.43 8月2日0.17 0.43 0.43 0.32 0.32 0.32 0.36 0.47 0.43 8月3日0.32 0.42

57、0.54 0.32 0.32 0.24 0.24 0.55 0.24 8月5日0.24 0.48 0.55 0.66 0.42 0.66 0.47 0.47 0.47 8月6日0.78 0.17 0.78 0.71 0.37 0.71 0.32 0.42 0.32 8月7日0.17 0.17 0.17 0.44 0.66 0.52 0.25 0.65 0.39 8月9日0.24 0.37 0.24 0.43 0.23 0.32 0.32 0.32 0.73 8月11日0.24 0.48 1.74 0.32 0.42 0.32 0.26 0.36 0.26 8月12日0.980.260.260.

58、420.960.420.820.550.558月13日0.230.910.430.260.430.470.430.240.248月15日0.260.260.260.230.320.590.420.960.328月16日0.321.052.230.360.360.480.370.370.488月17日0.320.960.320.910.320.590.260.941.05表7-8 戊9.10-12160工作面瓦斯涌出初速度统计表 单位：L/min 7.2 钻屑量、瓦斯涌出初速度监测钻屑量、瓦斯涌出初速度监测 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士学位论文答辩辩 7.4 预测指标临界值的确定预测指

59、标临界值的确定 图7-19 工作面7号支架处电磁辐射幅值L、钻屑量S和瓦斯涌出初速度q变化曲线 根据井下观测数据统计，戊根据井下观测数据统计，戊9.10-12160工作面电磁辐射幅值、钻屑量与瓦斯涌工作面电磁辐射幅值、钻屑量与瓦斯涌出初速度预测结果存在一致性，如图出初速度预测结果存在一致性，如图7-19所示。因此，在采用目前的钻屑量与瓦所示。因此，在采用目前的钻屑量与瓦斯涌出初速度监测的同时结合电磁辐射监测，可以实现对戊斯涌出初速度监测的同时结合电磁辐射监测，可以实现对戊9.10-12160工作面突出工作面突出与冲击地压的预测预报。与冲击地压的预测预报。 矿大矿大(北京北京)博士学位论文答博士

60、学位论文答辩辩 7.5 钻屑量和瓦斯涌出初速度临界指标值钻屑量和瓦斯涌出初速度临界指标值 根据戊9.10-12160孤岛区域掘进期间钻屑量预测统计，观测到有煤岩（瓦斯）动力现象的钻屑量最小值为5.3kg/m，因此钻屑量临界值取5.3kg/m。依据表7.7和表7.8观测结果，用SPSS数据分析软件的回归分析方法，三次曲线和二次曲线拟合效果最好，当钻屑量取5.3kg/m，则瓦斯涌出初速度用上述曲线回归结果依次为4.2L/min、4.9L/min。从安全考虑，确定瓦斯涌出初速度的临界指标值取4.2 L/min。 表表7.9 钻屑量与瓦斯涌出初速度函数模型汇总表钻屑量与瓦斯涌出初速度函数模型汇总表 方