冲击地压理论与技术-653培训(第二讲：基本概念)

冲击地压理论与技术齐庆新博士研究员煤炭科学研究总院2010年5月·曲阜提纲第一讲我国冲击地压现状与研究进展第二讲基本概念第三讲冲击地压防治实例第二讲基本概念冲击地压冲击地压的特点冲击地压的分类冲击地压的影响因素冲击倾向性冲击地压发生机理：“三因素”机理煤岩动力现象(冲击地压、岩爆、矿震等)冲击危险性冲击地压预测冲击地压防治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。矿山压力现象，特殊的矿山压力现象。1、冲击地压巷道冲击地压描述冲击地压现象描述底板岩层煤层顶板岩层冲击发生前巷道位置巷道破坏后素描发生在老虎台煤矿的冲击地压巷道严重变形人员无法通过2、冲击地压的特点突发性没有明显的宏观前兆而突然发生，过程短暂（持续几秒到十几秒），难以事先准确确定发生时间、地点和强度。瞬时震动性过程急剧而短暂，伴有巨大声响和强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动范围可达几千米甚至几十千米，地面有震感，但震动持续时间一般不超过几秒。2、冲击地压的特点巨大破坏性顶板可能瞬间明显下沉，但一般不冒落；底板可能突然开裂鼓起甚至接顶；常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架。造成惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。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现象，采深从200~1000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄特厚，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。我国冲击地压的显现特点冲击类型多种多样不同发生机理：重力型、构造型和混合型；断层错动型、顶板断裂与煤体压缩型；岩爆、矿震等发生条件极为复杂不同发生条件：顶板、底板、煤层；浅埋、深部硬煤、硬顶，硬煤、非坚硬顶底板发展趋势渐趋严重数量不断增加：32到100！范围不断扩大:19个省区3、冲击地压的分类1987年《冲击地压煤层安全开采暂行规定》中规定了我国煤矿冲击地压的分类方法：根据破坏后果一般冲击地压破坏性冲击地压冲击地压事故根据显现强度等级123456里氏地震级0.5~1.01.1~1.51.6~2.02.1~2.52.6~3.0≥3.03、冲击地压的分类存在困难指标的单调性资料的局限性确定原则尊重《规定》适度增加指标3、冲击地压的分类新方法项目1234冲击地压性质破坏半径/m震级/ML震动持续时间/s1微弱煤体重力型0~61.6≤2.52弱煤体重力型0~201.7~2.02.0~4.03中等煤体重力型10~402.0~2.44.0~6.04较强顶板弹性型煤体构造型30~602.4~2.85.0~10.05强烈顶板断裂型50~802.6~3.210.0~30.06极强烈顶板断裂型断层位错型80或以上3.0以上≥304、冲击地压的影响因素矿山地质因素开采深度、煤岩层性质、地质构造等。开采技术因素采煤方法、顶板管理、巷道布置、开采顺序、煤柱、爆破干扰等。管理因素冲击地压的发生与否，或是否构成灾害，与管理直接相关。反映煤岩材料产生冲击破坏能力的固有属性称之为冲击倾向性。煤层动态破坏时间DT弹性能量指数WET冲击能量指数KE顶板弯曲能量指数UWQ5、冲击倾向性在冲击地压发生机理中进一步讲述5、冲击倾向性冲击倾向性测定行业标准的制订（煤炭科学研究总院开采设计分院主持）《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》（MT/T174-2000）《岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法》（MT/T866-2000）6、冲击地压发生机理冲击地压发生机理的涵义冲击地压发生的原因、条件、机制和物理过程；形成冲击地压的内在规律；一定地质开采条件下煤岩体发生突然破坏的力学过程。冲击地压发生机理是冲击危险性预测和冲击地压防治的理论基础！6、冲击地压发生机理基于煤岩体破坏是强度问题，形成了强度理论。寻找煤岩突然破坏的原因和规律时提出了能量理论、刚度理论和冲击倾向性理论。国内学者又先后提出了“三准则”理论、变形系统失稳理论、“三因素”机理、强度弱化减冲机理论等。把突变理论、分叉理论、混沌学、动力学及分形理论引入。还针对不同的地质开采条件，对冲击地压进行了理论研究。强度弱化减冲机理“三因素”理论6、冲击地压发生机理强度理论RR0能量理论EE0刚度理论KK0冲击倾向性理论II1,I2II1,II2“三准则”理论RR0,EE0,I∈I0失稳理论冲击倾向性理论“三因素”理论∏为最大!稳定非稳定σ0σ加载过程煤样动态破坏时间煤样动态破坏时间测定示意图6.1冲击倾向性理论加载曲线卸载曲线σ0ε弹性变形能指数测定示意图6.1冲击倾向性理论21σ0ε冲击能量指数测定示意图6.1冲击倾向性理论煤层冲击倾向性分类分类指标无冲击倾向弱冲击倾向强冲击倾向煤的动态破坏时间DT/msDT＞50050＜DT≤500DT≤50弹性能量指数WETWET＜22≤WET＜5WET≥5冲击能量指数KEKE＜1.51.5≤KE＜5KE≥56.1冲击倾向性理论顶板冲击倾向性分类分类指标1类2类3类无冲击倾向弱冲击倾向强冲击倾向弯曲能量指数UWQUWQ≤1010＜UWQ≤100UWQ≥1006.1冲击倾向性理论组合煤岩的冲击倾向性冲击地压的发生不仅仅与煤、岩层的冲击倾向性有关，而且与煤岩层的结构特点和煤岩层的组合形式具有密切的关系.为使煤岩冲击倾向性测定更能充分反映煤岩层实际特点，开展了煤岩组合模型的冲击倾向性实验测定研究.6.1冲击倾向性理论各类煤岩组合模型的组合方式组合形式高度比例组合形式高度比例煤：直接顶：基本顶1：1：1底板：煤：基本顶1：1：1煤：直接顶1：1煤：直接顶1：2煤：底板1：1煤：基本顶1：1煤：基本顶1：2煤：基本顶1：3底板：煤：基本顶1：1：16.1冲击倾向性理论（a）组合模型；（b）、（c）组合模型承压破坏的状况组合模型破坏前后的状况6.1冲击倾向性理论015000300004500060000-100102030405060708047图2D矿7号煤层组合与纯煤试件动态破坏时间曲线对比图37P(kN)t(ms)组合纯煤0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5-10010203040506070801.5?3D?7???????????????????12.73P(kN)?L(mm)组合纯煤1.52.00510152025306.52?4D?7???????????????????8.06P(kN)?L(mm)组合纯煤某矿煤的动态破坏时间曲线某矿煤的冲击能量曲线某矿煤的弹性能量曲线对比6.1冲击倾向性理论组合模型冲击倾向性试验结果组合模型的冲击倾向性强于单一煤试件组合模型的抗压强度高于单一煤试件，变形量大于单一煤试件组合模型的冲击倾向性与所用煤、岩石自身的性质具有密切关系：煤、岩石的抗压强度高的煤岩组合模型，其冲击倾向性强，组合后冲击倾向性更加剧烈；而煤与岩石的抗压强度相差无几时，组合模型的冲击倾向性变化不大；岩石比煤的抗压强度越高，组合模型的冲击倾向性比单一煤试件的越强烈。6.1冲击倾向性理论“三因素”机理从煤岩体结构特性出发研究冲击地压发生机理时提出的。从发生冲击地压煤岩体结构的特征和冲击地压显现特点看，冲击地压过程实质就是煤岩体受力过程的瞬间滑动失稳过程，即为粘滑过程。特别是相对于发生在断层、煤层变薄带附近的冲击地压，更表现为粘滑过程。通过煤岩摩擦滑动试验可以验证冲击地压的粘滑失稳理论----“三因素”机理6.2“三因素”理论组合煤岩的摩擦滑动失稳实验岩石材料的摩擦滑动性状：两种滑动特性，即稳定滑动和粘滑实际发生冲击地压的煤岩体：“三硬”结构，且在顶板与煤层之间存在着一层较薄的粉状软煤实际冲击地压多发生在断层、背向斜构造及煤层变薄带附近冲击后主要表现为煤体的冲出6.2“三因素”理论三种试样砂岩－砂岩砂岩－煤煤－煤试样三种试样示意图6.2“三因素”理论分析结果：砂岩—煤试样：粘滑失稳过程砂岩—砂岩煤—煤试样：稳定滑动过程该理论认为：冲击地压的发生，除与内在因素（冲击倾向性）、力源因素（高度应力集中或较高的能量贮存与动态扰动）有关外，煤岩体结构因素（具有弱面和容易引起突变滑动的层状介面）也是冲击地压发生的主要因素之一。内在因素、力源因素和结构因素是导致冲击地压发生的最主要因素，特别是结构因素是导致冲击地压发生不可忽视的主要因素。6.2“三因素”理论事实上：1）煤岩体不具有冲击倾向性不会发生冲击地压；2）煤岩体不具有高度的应力集中或足够的弹性能不会发生冲击地压；3）煤岩体不存在弱面或软层等结构，则不会引起局部的破裂、损伤、失稳与滑动，也不会发生冲击地压。6.2“三因素”理论内在因素应力因素结构因素7、煤岩动力现象(冲击地压、岩爆、矿震、煤与瓦斯突出)冲击地压、顶板大面积来压、岩爆、矿震、煤与瓦斯突出、地表突然塌陷等现象，由于其发生过程突然，且具有典型的动力特征，通常情况下，统称为矿山动力现象。7、煤岩动力现象(冲击地压、岩爆、矿震、煤与瓦斯突出)冲击地压：煤岩体在高应力作用下产生的动力破坏现象。岩爆：高地应力下硬脆性围岩因弹性应变能突然释放而产生的爆裂、剥落、弹射甚至抛掷。矿震：采矿活动而引起的诱发地震。煤与瓦斯突出：由瓦斯参与且导致大量煤与瓦斯倾出的动力现象。既有联系，又有显著差异震级、烈度、震源分级分类：应以破坏为主失稳、破坏、过程、局部性岩爆现象描述岩爆现象描述围岩岩爆破坏位置巷道(隧道)●在我国，众多研究者对岩爆、冲击地压和矿震不加以区分，认为岩爆又称冲击地压、矿震，是采矿、隧道及水电部门的开挖活动诱发的地震。●加拿大等国则将岩爆定义为“伴随有地震发生并以突然或猛烈发生方式对地下开挖的破坏”。岩爆、冲击地压和矿震的关系●冲击地压是矿山的一种震动(即矿震)，矿震和冲击地压的基本关系为：1)冲击地压是矿山震动的事件集合之一；2)冲击地压是岩体震动集合中的子集；3)每一次冲击地压的发生都与岩体震动有关，但并非每一次岩体震动都会引发冲击地压。●地震(矿震)与岩爆是两个不同概念，二者发生的机理各异，同时又有着密切的联系，它们可互为诱发因素，都具有动力特征。岩爆、冲击地压和矿震的关系目的：对比冲击地压与岩爆的异同方法：数值模拟软件：FLAC3D模型条件：三种不同的巷道结构冲击地压与岩爆的数值模拟对比(a)巷道为煤巷(b)巷道为硬岩巷(c)巷道布置在完整岩层内（a）位移矢量（b）应力矢量煤巷硬岩巷（a）位移矢量（b）应力矢量完整岩层(水平)（a）位移矢量（b）应力矢量完整岩层(30°)（a）位移矢量（b）应力矢量●发生在煤巷中的冲击地压，煤层与岩层发生明显滑移；而在硬岩巷中，巷道变形明显要小得多，冲击地压发生的几率也就小得多；而岩爆的发生主要是在完整岩层内的巷道中。●冲击地压和岩爆的显著差别：冲击地压主要发生在软硬相间的软层中，其表现主要以滑移错动为主；岩爆主要发生在硬岩体中，而表现主要以拉破坏并弹射为主。冲击地压与岩爆的数值模拟对比1）冲击地压、岩爆与矿震是具有不同表征意义的矿山岩石动力学现象，建议这3个术语区别使用，切不可以一个“冲击地压”或“岩爆”代之。2）冲击地压和岩爆，往往会导致矿震的发生。而矿震则不一定会导致冲击地压或岩爆的发生。3）冲击地压和岩爆，其显著差异在于构成结构体的岩性具有明显的不同，从而导致在现象和破坏形式上明显不同。4）矿震的发生与采矿或地下开采活动密不可分。为减少矿震灾害，应最大限度控制采矿活动。岩爆、冲击地压和矿震的关系冲击地压和煤与瓦斯突出的区别冲击地压煤与瓦斯突出主要动力源是弹性能释放主要动力源是气体能量释放破坏过程强烈且伴有震动破坏过程较慢，震动较弱次级显现是煤与瓦斯突出诱发含瓦斯的煤或岩石破坏煤块仍保持相互连接大部分煤变为细粒主要发生在固定的巷道煤壁主要发生在掘进中的煤壁冲击危险性：具体条件下发生冲击地压的危害程度。我国还没有一个比较科学的冲击危险性评价方法冲击危险性评价方法主要有经验类比分析法、数值模拟法