忻州窑矿压缩型冲击地压发生机理及防治研究
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摘要
冲击地压是以煤岩体突然急剧猛烈破坏为特征的一种矿山动力现象。冲击地压发生时有大量煤岩突然抛出,瞬间几十甚至上百米巷道或采煤工作面遭到破坏,支护、设备设施折损,伴有顶板震动下沉、底板膨裂等,是煤矿重大灾害之一。由于其影响因素众多,形成机理复杂,也是煤矿井工开采领域遇到和致力研究的难题之一。大同矿区忻州窑矿顶、底板及煤层坚硬,大部分冲击地压发生地点附近少有大的地质构造,对于这种条件下冲击地压发生机理及判别准则的研究鲜见报道。本文在总结已有研究成果的基础上,结合大同矿区忻州窑矿开采条件及冲击地压发生的现场情况,就冲击地压形成机理和防治问题,综合运用案例分析、现场实测、室内实验、理论分析、数值模拟与现场试验等方法,从冲击地压发生的原因与特点、发生机理、监测预报、防控方法等方面作了探索性研究。主要研究内容和成果如下：
(1)以忻州窑矿为试验矿井,对其开拓方式、现开采区域的地质情况、开采技术情况、冲击地压发生情况等进行深入调研,掌握历史上有记载的冲击地压发生的时间、地点、强度、破坏程度和人员伤亡情况,对其中典型的冲击地压事故进行详细分析。总结了忻州窑矿冲击地压的总体特征,分析了“三硬”条件下冲击地压的发生条件及影响因素,确定忻州窑矿冲击地压类型为煤体压缩型冲击地压。
(2)建立五种数力模型,采用理论分析方法,对坚硬煤层及坚硬顶、底板岩层变形破坏规律进行对比分析,得出考虑水平位移的弹塑性损伤模型计算结果更符合实际情况,在分析“三硬”条件下煤体压缩型冲击地压发生机理基础上,对该模型进行了理论推导。
(3)选择忻州窑矿西二盘区8935工作面为试验区,开展岩石基本物理力学实验、冲击倾向性实验、相似材料模拟实验和数值模拟实验研究,掌握煤及顶、底板岩层的物理力学性质及其冲击倾向性,研究了“三硬”条件下煤层、顶板、底板运动规律及变形破坏规律；为冲击地压发生机理及防治措施研究提供了基础。
(4)根据对现场冲击地压情况统计分析、实验室实验结果分析及理论分析,提出“三硬”条件煤体压缩型冲击地压发生的压变区域失衡理论。该理论认为压缩型冲击地压的发生是煤岩体在动变荷载作用下,压变软化破坏区和压变硬化弹塑区煤体动态平衡遭到破坏所致。该理论能够解释具有相同冲击倾向性煤层和相同开采技术条件下,冲击地压发生时煤体抛射和深部煤炮响动共存的现象。
(5)根据压变区域失衡理论,针对忻州窑矿现场实际,研究应用综合指数法、SOS微震监测法、矿压分析预测法、KBD5电磁辐射法和钻屑法五种预测预报方法；对冲击地压进行监测预报；采用施工卸压孔、开切卸压槽和解危爆破等卸压方法；强制放顶和断顶等卸载方法；加强超前支护、临空巷煤柱加固方法以及避免两翼工作面同时相向开采和人员避开冲击危险区的躲避方法等,使忻州窑矿冲击地压发生频率由09年前的每年50余次下降到目前的每年10-20余次,每次冲出煤量由10-150吨下降到10吨以下。形成了“三硬”条件压缩型冲击地压“测、卸、支、断、护、避”六字的综合防治技术。
Rock burst is a phenomenon that suddenly coal was fiercely destroyed, which main show is that a large number of coal been fling at roadway suddenly, and destroyed a few even100meters of the roadway or the coal face instantly, causing stent wreck, roof sinking and floor expansion and so on. Due to its complex formation mechanism and a multitude of influence factors, rock burst is a difficult problem of the research in coal mine exploiting. In Xinzhouyao mine of Datong, coal mine's roof, floor and coal seam are very hard, and most place of occurring rock burst have not geological structure. In this condition, a little of rock burst occurrence mechanism and criterion has been reported. This paper has summarized what we have got results, combined the mining condition and what rock burst happened of Xinzhouyao mine in Datong with case analysis, site measurement, laboratory experiment, theoretical analysis, numerical simulation and field test method to research the occurrence mechanism and prevention of rock burst. The main contents and results are as follows:
(1) Xinzhouyao mine has worked as a test mine. We have investigated its development form, its geological condition of mining area, its mining technology condition, rock burst occurred condition and so on, kept the time, place, strength, damage and casualties of what have happened and recorded all rock burst, and detailed analyzed the typical one. The general characteristics of rock burst in Xinzhouyao mine have been summarized, this occurred condition and influencing factors in three-hard conditions have been analyzed, and rock burst type been made sure as coal compression type rock burst.
(2) Used five model analyzed the deformation and destruction law of hard coal seam and hard roof, floor strata by the method of theoretical analysis, concluded that elasto-plastic damage model might be suitable for the actual conditions. This model has been inferred on the base of analyzing the occurrence mechanism of coal compression type rock burst in three-hard conditions.
(3)8935working face in west2panel Xinzhouyao mine has worked as a test part. The rock physical and mechanical experiments, the impact tendency experiments, the similar material experiments and numerical experiments have been made, then we mastered the physical and mechanical properties and the impact tendency of roof, floor strata in Xinzhouyao mine, and studied the motion law and the deformation damage law of coal seam, roof and floor in three-hard conditions; moreover, provided base data for the occurrence mechanism and prevention on rock burst.
(4) According to the statistics, theoretical analyses and experimental result of rock burst, the changing pressure area imbalance theory on compressive type rock burst of coal in three-hard conditions has been build. This theory said that compressive type rock burst caused by the damage of coal dynamic balance in the changing pressure soften damage zone and changing pressure harden elastic-plastic zone under the variable load. This theory explained that some area in coal seam having same impact tendency may happen rock burst under same mining conditions, and some do not.
(5) According to changing pressure area imbalance theory, we have researched and applied some technology by actual conditions of Xinzhouyao mine, the comprehensive index method, the SOS microseismic monitoring method, the mine pressure analysis and forecast method, the KBD5electromagnetic radiation law and the drilling five forecast method; the construction relief pressure hole, the open-cut relief pressure slot and relief pressure blasting relief pressure method; the force caving roof and proximal surface broken roof shift pressure method; the relatively strengthen coal by strengthening advance support method; the airport roadway coal pillar and strengthen support method; and avoiding the two wings of the face mining at the same time and worker avoid the danger zone method etc. Occurrence frequency of rock burst in Xinzhouyao mine has declined from50in2009to10-20times in today, the number of expulsion coal has declined from10-150t to under l0t. At the end, raising the six words policy of synthetical utilize technique on compressive type rock burst in three-hard conditions:"measure, relief, support, break, care, avoid".
(1)以忻州窑矿为试验矿井,对其开拓方式、现开采区域的地质情况、开采技术情况、冲击地压发生情况等进行深入调研,掌握历史上有记载的冲击地压发生的时间、地点、强度、破坏程度和人员伤亡情况,对其中典型的冲击地压事故进行详细分析。总结了忻州窑矿冲击地压的总体特征,分析了“三硬”条件下冲击地压的发生条件及影响因素,确定忻州窑矿冲击地压类型为煤体压缩型冲击地压。
(2)建立五种数力模型,采用理论分析方法,对坚硬煤层及坚硬顶、底板岩层变形破坏规律进行对比分析,得出考虑水平位移的弹塑性损伤模型计算结果更符合实际情况,在分析“三硬”条件下煤体压缩型冲击地压发生机理基础上,对该模型进行了理论推导。
(3)选择忻州窑矿西二盘区8935工作面为试验区,开展岩石基本物理力学实验、冲击倾向性实验、相似材料模拟实验和数值模拟实验研究,掌握煤及顶、底板岩层的物理力学性质及其冲击倾向性,研究了“三硬”条件下煤层、顶板、底板运动规律及变形破坏规律；为冲击地压发生机理及防治措施研究提供了基础。
(4)根据对现场冲击地压情况统计分析、实验室实验结果分析及理论分析,提出“三硬”条件煤体压缩型冲击地压发生的压变区域失衡理论。该理论认为压缩型冲击地压的发生是煤岩体在动变荷载作用下,压变软化破坏区和压变硬化弹塑区煤体动态平衡遭到破坏所致。该理论能够解释具有相同冲击倾向性煤层和相同开采技术条件下,冲击地压发生时煤体抛射和深部煤炮响动共存的现象。
(5)根据压变区域失衡理论,针对忻州窑矿现场实际,研究应用综合指数法、SOS微震监测法、矿压分析预测法、KBD5电磁辐射法和钻屑法五种预测预报方法；对冲击地压进行监测预报；采用施工卸压孔、开切卸压槽和解危爆破等卸压方法；强制放顶和断顶等卸载方法；加强超前支护、临空巷煤柱加固方法以及避免两翼工作面同时相向开采和人员避开冲击危险区的躲避方法等,使忻州窑矿冲击地压发生频率由09年前的每年50余次下降到目前的每年10-20余次,每次冲出煤量由10-150吨下降到10吨以下。形成了“三硬”条件压缩型冲击地压“测、卸、支、断、护、避”六字的综合防治技术。
Rock burst is a phenomenon that suddenly coal was fiercely destroyed, which main show is that a large number of coal been fling at roadway suddenly, and destroyed a few even100meters of the roadway or the coal face instantly, causing stent wreck, roof sinking and floor expansion and so on. Due to its complex formation mechanism and a multitude of influence factors, rock burst is a difficult problem of the research in coal mine exploiting. In Xinzhouyao mine of Datong, coal mine's roof, floor and coal seam are very hard, and most place of occurring rock burst have not geological structure. In this condition, a little of rock burst occurrence mechanism and criterion has been reported. This paper has summarized what we have got results, combined the mining condition and what rock burst happened of Xinzhouyao mine in Datong with case analysis, site measurement, laboratory experiment, theoretical analysis, numerical simulation and field test method to research the occurrence mechanism and prevention of rock burst. The main contents and results are as follows:
(1) Xinzhouyao mine has worked as a test mine. We have investigated its development form, its geological condition of mining area, its mining technology condition, rock burst occurred condition and so on, kept the time, place, strength, damage and casualties of what have happened and recorded all rock burst, and detailed analyzed the typical one. The general characteristics of rock burst in Xinzhouyao mine have been summarized, this occurred condition and influencing factors in three-hard conditions have been analyzed, and rock burst type been made sure as coal compression type rock burst.
(2) Used five model analyzed the deformation and destruction law of hard coal seam and hard roof, floor strata by the method of theoretical analysis, concluded that elasto-plastic damage model might be suitable for the actual conditions. This model has been inferred on the base of analyzing the occurrence mechanism of coal compression type rock burst in three-hard conditions.
(3)8935working face in west2panel Xinzhouyao mine has worked as a test part. The rock physical and mechanical experiments, the impact tendency experiments, the similar material experiments and numerical experiments have been made, then we mastered the physical and mechanical properties and the impact tendency of roof, floor strata in Xinzhouyao mine, and studied the motion law and the deformation damage law of coal seam, roof and floor in three-hard conditions; moreover, provided base data for the occurrence mechanism and prevention on rock burst.
(4) According to the statistics, theoretical analyses and experimental result of rock burst, the changing pressure area imbalance theory on compressive type rock burst of coal in three-hard conditions has been build. This theory said that compressive type rock burst caused by the damage of coal dynamic balance in the changing pressure soften damage zone and changing pressure harden elastic-plastic zone under the variable load. This theory explained that some area in coal seam having same impact tendency may happen rock burst under same mining conditions, and some do not.
(5) According to changing pressure area imbalance theory, we have researched and applied some technology by actual conditions of Xinzhouyao mine, the comprehensive index method, the SOS microseismic monitoring method, the mine pressure analysis and forecast method, the KBD5electromagnetic radiation law and the drilling five forecast method; the construction relief pressure hole, the open-cut relief pressure slot and relief pressure blasting relief pressure method; the force caving roof and proximal surface broken roof shift pressure method; the relatively strengthen coal by strengthening advance support method; the airport roadway coal pillar and strengthen support method; and avoiding the two wings of the face mining at the same time and worker avoid the danger zone method etc. Occurrence frequency of rock burst in Xinzhouyao mine has declined from50in2009to10-20times in today, the number of expulsion coal has declined from10-150t to under l0t. At the end, raising the six words policy of synthetical utilize technique on compressive type rock burst in three-hard conditions:"measure, relief, support, break, care, avoid".
引文
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