煤岩动力灾害冲击地压

煤岩动力灾害－冲击地压冲击地压：煤岩体突然动力破坏，释放大量能量的灾害动力现象，可摧毁巷道、引发其他矿井灾害，造成人员伤亡煤层冲击地压现象顶板或底板冲击地压现象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冲击地压研究冲击地压发生原因机理研究冲击地压危险性评价及预测预报研究冲击地压治理措施研究1）冲击地压机理研究地质与开采影响冲击地压的发生强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则和变形失稳理论2）冲击地压预测预报研究冲击地压可能发生地点位置，可达到准确预测冲击地压发生强度和震动释放能量，可较准确确定可确定冲击地压的危险程度、危险性大小3）冲击地压治理研究长期防御性措施—开采顺序、开采方法、采煤工艺、开采保护层等主动解危措施—卸压爆破、煤层注水、钻孔卸压、定向裂缝法等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动力灾害现象一、冲击地压动力灾害现象1、灾害现象与严重程度冲击地压作为人为诱发的地震，危害性很大。采矿诱发的地震达3~4级，最大5.6级冲击地压：大量煤岩体突然剧烈破坏并向采掘空间剧烈运动的灾害动力现象，可摧毁巷道、引发其他矿井灾害，造成人员伤亡。1738年英国史塔夫矿首次记录，我国1938年抚顺。煤矿，有冲击地压危险矿井占20%以上。中国是世界上煤岩动力灾害最严重的国家之一。开采引发地震震级，最大5.6级。我国4级。一次性破坏巷道500m。一次3.7级，造成588幢房屋倒塌。5.65.24.343.52.90123456里氏震级/级德国南非波兰三河尖抚顺华丰一、冲击地压动力灾害现象煤岩动力现象与冲击地压震动冲击矿压岩体卸压煤岩突出岩体振动地音现象岩体破裂支架损坏破坏巷道巨大压缩井巷塌方巷道飞尘压缩暴风巷道瓦斯增加其它灾害增加一、冲击地压动力灾害现象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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，地面有地震感觉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冲击地压的特点一、冲击地压动力灾害现象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2、对井下巷道工作面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，出现大裂缝一、冲击地压动力灾害现象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%。3、对矿工的影响器官名称共振频率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4~6一、冲击地压动力灾害现象能量为1×10^3J的震动，造成大部分人员脑部、脸部损伤，其次为心脏、胃、脊柱、肾等损伤。人体各器官共振频率分布及某次冲击地压频率与人体器官对应的关系频谱最大值下肢脊椎骨膀胱喉、气管眼头上下颚上肢肝腹腔胸腔骨21005020105频率，Hz一、冲击地压动力灾害现象人体在垂直方向承受的加速度比水平方向的大。震动加速度使人体撞击受伤。人体允许的加速度值t1000010001001000.0010.010.11加速度，m/s震动持续时间，s2撞击力与振动速度降时间关系151015225015000撞击力，N撞击时速度降时间，ms一、冲击地压动力灾害现象冲击地压对将造成类似于地震那样的灾害。4、对地表建筑物的影响日期地点震动能量震级建筑物破坏数量1970.09.30Bytom8×1094.264271981.07.12Bytom1×1093.84521982.06.04Bytom9×1083.775881984.02.18Ligota-kochlowice2×1093.952411992.05.05Bojszowy2×1093.953001994.12.09Kochlowice3×1094.04140一、冲击地压动力灾害现象能量为7×106J的震动，在地表记录到的最大加速度为300mm/s2，对地表的影响强度为6级。04080120160200020406080100120加速度振幅，m/s频率，Hz2001年1月23日1:30震动震动能量7×10x方向82-4.00-3.00-2.00-1.000.001.002.003.000.000.330.671.001.331.672.002.332.673.00-4.00-3.00-2.00-1.000.001.002.003.000.000.330.671.001.331.672.002.332.673.00-4.00-3.00-2.00-1.000.001.002.003.000.000.330.671.001.331.672.002.332.673.00^加速度仪测量的结果震动加速度频谱图一、冲击地压动力灾害现象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原因分析二、冲击地压发生原因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开采初期，坚硬顶板呈梁或板的形态，其下产生离层。随工作面的推进，离层量不断增加，最大离层量位于采空区中部。当工作面推进到一定程度后，坚硬顶板断裂垮落，中部的离层量消失二、冲击地压发生原因坚硬顶板初次破断前后离层规律-20020406080100离层量/cm-50010050200150250300切眼距切眼距离/m采68米采135米采165米采195米采225米坚硬岩层来压时，顶板下沉是非常剧烈，工作面及其周围巷道的矿压显现是非常明显的初次来压的顶板下沉量是正常回采期间的5~6倍二、冲击地压发生原因初次来压期间顶板下沉量曲线图05010015020025030035005101520253035404550556065工作面推进/m下沉量/mm中部上部下部在坚硬顶板条件下，顶板运动速度是非常快的，其动能是非常大的二、冲击地压发生原因初次来压期间24小时内的顶板下沉速度图工作面中部工作面下部00.050.10.150.202468101214161820222426时间/h下沉速度/mm/min坚硬顶板破断时，产生的能量部分被损失，部分到达巷道或工作面。到达工作面的能量二、冲击地压发生原因lwfeUU01234504080120160200L,/mML,/级ML=1.52ML=2.05ML=2.58ML=3.1ML=3.63ML=4.16ML=4.68Uf与震中能量、传播距离L的关系新汶华丰煤矿的实例埋深700－800m，煤层上覆岩层为500m左右的沙砾岩。二、冲击地压发生原因工作面推采距离、地表移动下沉速度和冲击地压之间的关系-2-101234501002003004005006007008009001000110012001300推采距离，m地表下沉速度，mm/dML≥2.0ML=1.8ML=1.7ML=1.64.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、皱曲等对煤矿冲击地压的发生有较大的影响龙风矿，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-