冲击地压防治研究-yhz

冲击地压及其防治冲击地压及其防治一、冲击地压动力灾害二、冲击地压发生原因三、冲击地压机理研究四、冲击危险的预测预报五、冲击地压解危与治理冲击地压动力灾害现象冲击地压：矿山井巷和采场周围煤、岩体由于变形能释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。是煤矿开采中典型的动力灾害之一。动力将煤岩抛向巷道，发出强烈声响，造成煤岩体震动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击地压还会或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统等。岩爆造成损害细部岩块嵌入水管表面电缆被高速抛出的岩块割断(实验结果表明：岩石弹射速度50m/s)50年代中期印度某金矿巷道中岩爆造成的戏剧性效果(dramaticeffect)岩爆前中度破坏区严重破坏区完全闭合区美国LuckyFriday金属矿采场中发生的岩爆：(埋深超过700m,震级3.6-4.2,发生于1988年10月18日)美国LuckyFriday金属矿采场中发生的岩爆：(埋深超过700m,震级3.6-4.2,发生于1988年10月18日)南非某矿岩爆对巷道的破坏(巷道尺寸3m*3m,埋深1540m,震级4)巷道尺寸3m*3m深度2600m震级4震级3.7对上图巷道破坏的推断，估计是由巷道中部岩层的剪切破坏引起的(一)我国冲击地压概况我国最早记录的冲击地压现象于1933年发生在原抚顺矿务局的胜利煤矿，当时的开采深度是200m。随后，在北京、枣庄、抚顺、大同、阜新、天池等矿务局有冲击地压现象发生，这些矿井的平均开采深度为600～750m。近年来，冲击地压发生的矿井数量和危害程度又呈明显上升趋势。截至2006年底，新发生冲击地压现象的矿井多达60多个，主要分布在开滦、新汶、徐州、义马、鹤岗、淮南、大屯、平顶山、华亭、韩城、兖州、七台河、古城、单家村等局、矿，它们的开采深度达到了750～1150m。中国煤矿冲击地压灾害情况抚顺胜利龙凤老虎台北京门兴沟房山城子大台木城涧开滦唐山赵各庄辽源西安矿南桐砚石台南桐矿枣庄陶庄八一柴里徐州三和尖张集矿旗山矿权台矿兖州东滩鲍店济二济三南屯（动压）地方煤矿：天池、五一、擂鼓、花鼓山、冰沟、欢城、裕隆等新汶华丰孙村潘西协庄良庄我国冲击地压的主要特点（1）具有突发性，过程短暂，伴有强烈震动和声响；（2）类型多样性；（3）造成巨大的破坏和损失：人员伤亡；破坏生产；房屋开裂；（4）灾害严重程度不同；（5）发展趋势：冲击地压逐渐增多，且日益严重。(二)国外冲击地压历史与现状首次冲击地压现象于1738年发生在英国，到现在为止，已有包括德国、波兰、俄罗斯、南非、美国，加拿大、中国、日本、澳大利亚等20多个国家和地区发生过冲击地压或受到冲击地压的威胁。这一事实表明：世界上几乎所有的采矿国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。俄罗斯、波兰、德国在研究冲击地压方面走在世界的前列。世界煤矿冲击地压灾害情况国家年代矿井数目冲击次数灾害情况前苏联80194750后果严重波兰1950－1982673097破坏性德国1949－1978201001死亡150余人(三)冲击地压发生的特点特点突发性瞬时震动性巨大破坏性（四）冲击地压的分类方法和分类分类方法按岩体分类按力源和加载形式分类按显现强度分类按破坏效果分类冲击地压的分类按岩体类别煤层冲击岩层冲击按力源和加载形式分类重力型构造型震动型综合型按显现强度弹射煤炮微冲击强冲击按震级和抛煤量轻微冲击（10t）1级中等冲击（10-50t）2级强烈冲击（50t）2级按冲击地压的破坏后果分一般冲击地压破坏性冲击地压冲击地压事故等级123456里氏震级0.5-1.01.1-1.51.6-2.02.1-2.52.6-3.0≥3.0冲击地压按显现强度分级根据引起的地震震级划分冲击地压发生原因分析二、冲击地压发生原因矿压显现强烈冲击地压危险加大瓦斯涌出量增加突出危险性增加地温升高开采困难和经济效益下降随着开采深度的增加，采矿工程面临的问题更加复杂，由此产生的工程灾害事故更为严重，尤其是冲击地压危险加大。二、冲击地压发生原因1、开采深度220121173.1KRHc我国煤矿深井冲击地压发生情况目前国有重点煤矿中采深大于700m的矿井有50多处，以每年8-12m的速度递增国内：沈阳采屯矿1197m；长广矿1000m；新汶孙村矿1055m；北票冠山矿1059m；徐州张小楼矿1100m；开滦赵各庄矿1159m；北京门头沟1008m。德国1991年平均采深900m,最大采深1500m；超过1000m的国家：俄罗斯英国波兰日本比利时等。国外：二、冲击地压发生原因2.煤体力学特性的影响在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或采场可能发生冲击地压煤的强度越高，引发冲击地压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击地压，就需要比硬煤高得多的应力煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一冲击能量指数KE弹性能量指数WET动态破坏时间DT单向抗压强度Rc二、冲击地压发生原因(1).冲击能指数冲击能指数KE—在单轴压缩状态下，煤样的“全应力—应变”曲线峰值C前所积聚的变形能Fs与峰值后所消耗的变形能Fx之比值二、冲击地压发生原因σE0QsFFxDεFKe=Fs/Fx(2).弹性能指数弹性能指数WET—煤样在单轴压缩条件下破坏前所积蓄的变形能与产生塑性变形消耗的能量的比值二、冲击地压发生原因Ke=Fs/Fx0P1ST2spLstspETW(3).动态破坏时间动态破坏时间DT—煤样在常规单轴压缩试验条件下，从极限载荷到完全破坏所经历的时间DT二、冲击地压发生原因Ke=Fs/Fxσ0cσDTT,/ms《中华人民共和国行业标准》MT/T174-2000二、冲击地压发生原因Ke=Fs/Fx煤的冲击倾向鉴定指标值指标强冲击弱冲击无冲击动态破坏时间DT/ms≤5050~500＞500冲击能量指数KE/kJ≥5.05.0~1.5＜1.5弹性能量指数WET≥5.05.0~2.0＜2.0WET=a+eb+cRc弱冲击倾向性RC≤16MPa强冲击倾向性RC＞16Mpa020406080100051015202530Rc,MpaC,MPa弱冲击倾向冲击倾向C1=Cn二、冲击地压发生原因(4).单向抗压强度3.顶板岩层结构的影响坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在其破断或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型或顶板型冲击地压。二、冲击地压发生原因Uw与岩层悬伸长度的五次方成正比，即L值越大，积聚的能量也越多。厚度越大的坚硬岩层越不易冒落，形成的L值也就越大。例如，厚度为7.64m的坚硬砂岩层，来压步距为53m，按上式计算出的值，占总能量的90％以上。EJLqUw57652EJLqUw8524.地质构造的影响地层动力运动形成各种各样的地质构造，如断层、褶曲等对煤矿冲击地压的发生有较大的影响抚顺龙凤矿，当巷道接近断层时，冲击地压发生的次数明显上升，且强度加大二、冲击地压发生原因1234567井巷距断层的距离,/m冲击次数,/N2520151050-5-10-15-20-25煤层分叉和断层附近冲击危险煤层分叉的影响断层的影响二、冲击地压发生原因p.418p.501p.510E/W,J/t010203040110-90-70-50-30-100+10+30534工作面L,m50010001500-140-2020-100-600p.416p.504p.510h=25mE/W,J/tL,m褶曲附近冲击危险RZσXσXσZσZσXσXσZσZI区最大矿山压力区最大冒顶危险区II区最大冲击矿压危险区III区最大矿山压力区σXσXσZ二、冲击地压发生原因I区，褶曲向斜，垂直为压力，水平为拉应力，最易出现冒顶和冲击地压；II区褶曲翼，垂直和水平均为压应力，最易出现冲击地压；III区褶曲背斜，垂直拉力，水平压应力，最大矿山压力区域。煤柱区应力的高度集中煤柱区垂直应力分布（集中系数10以上）（破碎的煤体在应力的作用下，重新胶结成坚硬的煤块）二、冲击地压发生原因5.开采技术因素的影响上层煤遗留煤柱和停采线上层煤柱的影响上层煤停采线的影响p.504p.510p.501050100150-60-104090推进,/mE/W,/Jt-10100200300400500-100-60-2020601001400E/W,p.416p.501推进,/mL=78m/Jt-1二、冲击地压发生原因采空区和老巷影响邻近采空区的影响老巷的影响二、冲击地压发生原因01020-120-100-80-60-40-200h=0.9-1.2m推进,mE/W,J/t0204060801001201401601802000102030405060708090100110120Ⅲw巷道L,mE/W,J/t动力灾害冲击地压防治一、冲击地压动力灾害现象二、冲击地压发生原因三、冲击地压机理研究四、冲击危险的预测预报五、冲击地压解危与治理冲击地压发生机理研究第二节冲击地压的发生机理所谓冲击地压发生机理就是指冲击地压发生的原因、条件、机制和物理过程对冲击地压发生的条件既有联系又相互独立。目前对于冲击地压问题的研究，主要集中在三个方向上。一是冲击地压的发生机理研究；二是冲击地压危险性评价、监测与预测预报技术的研究；三是冲击地压治理措施的研究。强度理论刚度理论能量理论冲击倾向性理论变形失稳理论三准则理论三因素理论强度弱化减冲机理理论研究•一、强度理论该理论认为，冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体——围岩力学系统的综合强度。其机理为：较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤体——围岩交界处的变形(见图1)。由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，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。在煤体夹持带内，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位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击地压。二、刚度理论库克（1965）在普通试验机上对大理石进行压缩时发现，若试验机刚度足够大，大于试件后期变形刚度时，大理石在达到峰值强度后不发生突然破坏；若试验机刚度小于试件后期变形的刚度时。则发生突然的失稳破坏。对于井下矿柱一围岩关系可以比拟为试件与试验机的关系，所以矿柱冲击地压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比较条件。三、能量理论该理论认为：当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。刚性理论也是一种能量理论，它认为发生冲击地压的条件是：矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度，即系统内所储存的能量大于消耗于破坏和运动的能量时，将发生冲击地压。但这种理论并未得到充分证实，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。•四、冲击倾向性理论该理论认为：发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。其条件是：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标主要有：弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。五、变形失稳理论近年来，我国一些学者认为：根据岩石全应力——应变曲线，在上凸硬化阶段，煤、岩抗变形(包括裂纹和裂缝)的能力是增大的，介质是稳定的；在下凹软化阶段，由于外载超过其峰值强度，裂纹迅速传播和扩展，发生微裂纹密集而连通的现象，使其抗变形能力降低，介质是非稳定的。在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲击地压。由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。这种