冲击地压防治研究

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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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、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/t010203040110-90-70-50-30-100+10+30534工作面L,m50010001500-140-2020-100-600p.416p.504p.510h=25mE/W,J/tL,m皱曲附近冲击危险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，皱曲向斜，垂直为压力，水平为拉应力，最易出现冒顶和冲击地压；II区皱曲翼，垂直和水平均为压应力，最易出现冲击地压；III区皱曲背斜，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二、冲击地压发生原因煤柱区应力的高度集中煤柱区垂直应力分布二、冲击地压发生原因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、冲击地压发生原因煤柱区剪切应力分布二、冲击地压发生原因煤柱区应力的高度集中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三、冲击地压机理研究强度理论：井巷和采场周围产生应力集中，当应力达到煤岩体的强度极限时，煤岩体就会突然发生破坏，形成冲击地压刚度理论：矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷系统(围岩)的刚度是产生冲击地压的必要条件能量理论：矿体—围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时就发生冲击地压冲击倾向性理论：煤岩介质产生冲击破坏的固有能力或属性，是冲击地压发生的必要条件强度准则是煤体的破坏准则，而能量准则和冲击倾向性是突然破坏准则。三个准则同时满足，才是发生冲击地压的充分必要条件三、冲击地压机理研究“三准则”机理模型③②＞①）、、、、1KK11][(*EE*dtdWdtdWdtdWfffffDSE543211、压力型冲击地压模型力：P1=P2能量：A1≤A2系统平衡),()(222121211tufPuukdtudMp三、冲击地压机理研究P底板煤柱顶板zP1P2uu系统结构模型煤柱压力位移关系顶板压力位移关系oABCDabcdbcεεσ顶板煤柱煤柱稳定k+f′(u2，t)000),(),(222ktufdutudf三、冲击地压机理研究oABCDabcdbcεεσ顶板煤柱kf'煤柱处于弹性阶段时，系统处于稳定状态煤柱亚稳定k+f′(u2，t)000),(22kdutudf三、冲击地压机理研究oABCDabcdbcεεσ顶板煤柱kf'煤柱处于残余强度阶段，煤柱是逐步破坏的，强度是逐渐下降的，煤柱的破坏是静态过程，及系统结构是亚稳态的煤柱动态破坏k+f′(u2，t)000),(22kdutudf三、冲击地压机理研究oABCDabcdbcεεσ顶板煤柱kf'煤柱处于残余强度阶段，煤柱是脆性破坏，强度发生突变，煤柱的破坏过程为动态破坏，并伴随有能量的突然释放，即冲击地压顶板加速运动212dtud顶板刚度煤层更容易失稳221211udtudMkk0),(2ktuf三、冲击地压机理研究oABCDabcdbcεεσ顶板煤柱kf'k'顶板突然加速运动使煤层处于不稳定状态，造成系统突然动态破坏，形成冲击地压（一般强度比上一种更猛烈）2.弹塑脆性模型弹塑脆性模型弹塑性P-t模型σEHησEMσEHησEMHOOKEMAXWELL脆性单元三、冲击地压机理研究煤岩破坏特征：稳定变形与冲击破坏、冲击的突发性与延时性、破坏的声电效应冲击地压过程是煤岩的流变—突变过程脆性破坏--载荷发生跳跃，应力总和超过σl