第十一章煤矿动压现象及其控制

第十一章煤矿动压现象及其控制主讲人：E_mail:TEL：2012-6-01第十一章煤矿动压现象及其控制第一节冲击矿压现象形成特点及分类第二节冲击矿压发生机理第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定第四节冲击矿压的防治第五节顶板大面积来压冲击矿压：聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发生强烈声响，造成煤岩体振动和破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等，是煤矿重大灾害之一。一、冲击矿压现象第一节冲击矿压现象形成特点及分类50年代中期印度某金矿巷道中岩爆造成的戏剧性效果中度破坏区严重破坏区完全闭合区美国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)(巷道尺寸3m*3m,埋深1540m,震级4)南非某矿岩爆对巷道的破坏直接将煤岩动力抛向巷道，引起强烈震动，产生强烈声响，造成岩体的破断和裂缝扩展，有如下特征：突发性。无预兆，过程短暂，持续时间几秒到几十秒，难于准确预报发生时间、地点和强度瞬时震动性。像爆炸强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有地震感巨大破坏性。大量煤体突然抛出，堵塞巷道，破坏支架；造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失复杂性。各种条件和采煤方法均出现过二、冲击矿压的特点第一节冲击矿压现象形成特点及分类根据冲击的显现强度，可分为四类：弹射。一些单个碎块从高压应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。矿震。煤、岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响，产生煤尘，可能有大量瓦斯涌出。强冲击。煤或岩石大量向已采空间抛出，破坏性很大，出现震级在2.3级以上，伴有巨大声响，产生大量煤尘和冲击波。三、冲击矿压的分类第一节冲击矿压现象形成特点及分类根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压分为三级：轻微冲击(I级)。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压。中等冲击(II级)。抛出煤量在10～50t，震级在l～2级的冲击矿压。强烈冲击(III级)。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。三、冲击矿压的分类第一节冲击矿压现象形成特点及分类根据国内外的分类方法，冲击矿压可分为由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和由构造活动引起的构造型冲击矿压。而采矿型冲击矿压可分为压力型、冲击型和冲击压力型。在某种程度上，构造型冲击矿压也可看作为冲击型。第一节冲击矿压现象形成特点及分类三、冲击矿压的分类第一节冲击矿压现象形成特点及分类冲击地压对井下巷道的影响主要是动力将煤岩抛向巷道，破坏巷道周围煤岩的结构及支护系统，使其失去功能振动速度对井巷的影响影响程度振动速度,mm/s影响特征I200对井巷无影响II200~400对井巷影响较小，产生小破坏，出现裂缝、剥落等现象III400对井巷影响较大，出现大裂缝四、冲击矿压和矿山震动对环境的影响第一节冲击矿压现象形成特点及分类冲击地压、震动使人体各器官产生共振而损伤。医学分析表明：脑部，91%胸部，60%内部器官，18%上下肢，18%器官名称共振频率Hz头4眼7~25上下颚60~90喉、气管、支气管6~8胸12~16上肢5~9骨3~8腹腔4.5~10肝3~4膀胱10~18骨盆5~9下肢5人在坐的位置5~12人在站的位置4~6四、冲击矿压和矿山震动对环境的影响第一节冲击矿压现象形成特点及分类冲击地压将造成类似于地震那样的灾害日期地点震动能量震级建筑物破坏数量1970.09.30Bytom8×1094.264271981.07.12Bytom1×1093.84521982.06.04Bytom9×1083.77588四、冲击矿压和矿山震动对环境的影响第一节冲击矿压现象形成特点及分类一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理1.冲击矿压影响因素分析较大的原岩应力冲击矿压发生的原因自然的技术的组织管理的地层中的厚岩层煤岩冲击倾向性局部应力集中生产过度集中采矿地质因素限制防治措施的限制煤层的超量开采无投资及投资没到位防治措施采取不当采矿作业不当缺乏培训违反规程开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大。矿井门头沟天池抚顺城子大台矿陶庄房山唐山最小采深,/m200240250370460480520540一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理2.地质条件对冲击矿压的影响（1）开采深度①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矿压。②煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小。③煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。煤的冲击能量指数KE、弹性能量指数WET和动态破坏时间DT。一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理2.地质条件对冲击矿压的影响（2）煤岩的力学特征一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理2.地质条件对冲击矿压的影响（2）煤岩的力学特征根据《中华人民共和国行业标准》MT/T174-2000，用上述三项指标鉴定煤层的冲击倾向，把煤层的冲击倾向分为强烈冲击倾向、弱冲击倾向和无冲击倾向。一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理2.地质条件对冲击矿压的影响（2）煤岩的力学特征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＜2.0强冲击弱冲击一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理2.地质条件对冲击矿压的影响（2）煤岩的力学特征020406080100051015202530Rc,MpaC,MPa弱冲击倾向冲击倾向C1=Cn煤试块的冲击性在其单向抗压强度为Rc=16～20MPa时变化较大，当煤的单向抗压强度Rc＜16MPa时,煤试块要发生冲击,就需要较大的压应力。弱冲击倾向性Rc≤16MPa强冲击倾向性Rc＞16MPa顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型（冲击压力型）冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压。煤层厚度对发生冲击矿压也有影响，煤层越厚，发生冲击矿压越多，越强烈。煤的湿度也有影响作用。一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理2.地质条件对冲击矿压的影响（3）顶板岩层的结构特点一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理2.地质条件对冲击矿压的影响（4）地质动力因素冲击矿压大多数发生在巷道(72.6%)，采场则较少(27.4%)。残采区和停采线对冲击矿压发生影响较大。从统计结果看，89%的冲击矿压发生在残采区，停采线，断层区域或煤层超采的地方。一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理3.开采技术对冲击矿压的影响一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理3.开采技术对冲击矿压的影响煤柱区应力的高度集中煤柱区垂直应力分布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）一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理3.开采技术对冲击矿压的影响煤柱区剪切应力分布一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理3.开采技术对冲击矿压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-1一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理3.开采技术对冲击矿压的影响停采线或边角形成的非稳定区。当工作面推进到该区域后，停采线上方的岩体将移动，形成二次应力重新分布，就有可能，形成冲击地压。P2σ岩体非稳定区一、冲击矿压影响因素第二节冲击矿压发生机理3.开采技术对冲击矿压的影响强度理论：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，较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，煤体夹持阻碍了深部煤体自身或煤体—围岩交界处的卸载变形。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，形成冲击矿压。能量理论：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消耗能量时，就会发生冲击矿压。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。二、冲击矿压发生的机理及判据第二节冲击矿压发生机理冲击倾向理论：煤岩介质产生冲击破坏的能力称为冲击倾向。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。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。强度准则是煤、岩体的破坏准则；能量准则和冲击准则是突然破坏准则，因而有些学者认为可把这两者视为必要条件和充分条件，即三个准则同时满足时，才能发生冲击矿压。二、冲击矿压发生的机理及判据第二节冲击矿压发生机理冲击矿压的防治方法冲击矿压危险状态评价方法冲击矿压的治理方法分析法采矿法地球物理测量法长期的临时的应力集中位置预测震动活动预测煤层冲击危险分类矿山压力岩层认识地层结构开采历史动力现象观察小直径钻孔微震地音振动地电电磁其它岩体移动巷道压缩开采顺序开采方向组织法律规程松散煤岩体技术工艺控制煤层布置开采工艺支护方式组织措施引发冲击矿压第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定一、冲击矿压危险的防治根据冲击地压发生的原因，冲击地压的预测预报、危险性评价及冲击地压的治理，通过统计、模糊数学等的分析研究，可以对冲击地压的危险程度按冲击地压危险状态等级评定的综合指数法定量化的分为如下表五级冲击地压危险等级井巷中冲击地压危险状态冲击地压危险指数WtA无冲击危险0.25B弱冲击危险0.25~0.5C中等冲击危险0.5~0.75D强冲击危险0.75~0.95E不安全0.95第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定二、冲击矿压危险等级划分原则第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定三、综合指数法－危险程度分析与早期预报序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击地压危险指数1W1发生过冲击地压该煤层未发生过冲击地压-2该层发生过冲击地压0采用同种作业方式在该层和煤柱中多次发生过冲击地压32W2开采深度小于500m0500~700m1大于700m23W3顶板中坚硬（Rc≥60Mpa）厚岩层距煤层的距离100m0100~50m150m34W4开采区域内的构造应力集中10%正常120%正常230%正常35W5顶板岩层厚度特征参数Lst500≥5026W6煤的抗压强度Rc≤16Mpa0Rc16Mpa27W7煤的冲击能量指数WETWET202≤WET52WET≥54序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击危险指数1W1工作面距残留区或停采线的垂直距离60m060—30m230m32W2未卸压的厚煤层留顶煤或底煤厚度大于1.0m33W3未卸压一次采全高的煤厚3.0m03.0—4.0m14.0m34W4两侧采空，工作面斜长为300m0300—150m2150m45W5沿采空区掘进巷道无煤柱或小于3m小煤柱03—10m的煤柱210—15m的煤柱46W6接近采空区的距离小于50m掘进面2回采面3接近煤柱的距离小于50m掘进面1回采面37W7掘进巷道接近老巷的距离小于50m老巷已充填1老巷未充填2回采工作面接近老巷的距离小于30m老巷已充填1老巷未充填2面接近分叉的距离小于50m掘进面或回采面38W8面接近落差大于3m断层的距离小于50m接近上盘1接近下盘29W9面接近煤层