冲击地压理论和技术

冲击地压理论与技术齐庆新博士后/研究员/首席专家/所长煤炭科学研究总院开采分院采矿研究所天地科技股份有限公司开采所事业部2008年7月提纲第一讲基本概念第二讲我国冲击地压现状与研究进展第三讲冲击地压技术规范第四讲冲击地压预测与防治1、我国冲击地压现状世界范围有记载的第一次冲击地压于1733年英国南斯塔煤田发生，我国最早冲击地压发生在1933年的抚顺胜利矿。1、我国冲击地压现状我国冲击地压发生范围北京、枣庄、抚顺、阜新、辽源、大同、天池、开滦、新汶、徐州、义马、鹤壁、双鸭山、鸡西、七台河、淮南、大屯、韩城、兖州、华亭、古城、贵州等近100个矿区（井）我国冲击地压灾害日趋严重截止2006年年底，新发生冲击地压的矿井近70个，分布范围扩大到新汶、徐州、兖州、华亭等局矿，发生冲击地压矿井已达100余个。开采深度已达到750～1250m仅2001年至2006年6月底，在大同、抚顺、北京、华亭、大同、阜新等局矿因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达10余起，死伤人数达数百人。薄煤层也相继发生冲击地压：七台河桃山矿1、我国冲击地压现状02004006008001000198519901995200020052010年份采深/M020406080100120140数量冲击地压矿井平均开采深度冲击地压矿井数量冲击地压矿井数量与采深随时间变化我国比较严重的冲击地压矿井1)新汶矿业集团公司华丰煤矿2)黑龙江省龙煤集团公司七台河矿业公司3)徐州矿务集团公司三河尖煤矿4)义马煤业集团公司跃进煤矿5)义马煤业集团公司千秋煤矿6)抚顺矿业集团公司老虎台煤矿7)兖州煤业股份公司东滩煤矿8)兖州煤业股份公司济三煤矿9)甘肃省华亭煤业集团公司华亭煤矿10)甘肃省华亭煤业集团公司砚北煤矿11)开滦集团公司赵各庄矿业公司12)开滦集团公司唐山分公司13)淄博矿业集团公司唐口煤矿14)北京昊华能源股份有限公司木城涧煤矿15)平顶山天安煤业股份公司十矿16)阜新矿业集团公司五龙煤矿2.1我国冲击地压研究情况研究单位：煤炭科学研究总院北京开采所（天地开采事业部）、辽宁工程技术大学、中国矿业大学等。山东科技大学、北京科技大学、东北大学、中国地震局地壳所、长沙矿山研究院等研究成果：机理、冲击倾向试验研究、钻屑法研究、地音微震监测系统研制、保护层开采、防治措施、坚硬顶板处理、深孔爆破技术、采动应力监测技术2、我国冲击地压研究进展煤科总院北京开采所相关科研成果及在冲击地压方面所做的工作1981：开始“门头沟煤矿二槽煤冲击矿压防治研究”1986~1990：国家“七五”攻关项目“冲击地压预测与防治”，成果获国家科技攻关奖1991:进行地音和微震监测系统的国产化研究并成功开发出MA0104E地音监测系统与BD4-I型便携式矿用地音仪1994：深部开采冲击地压新机理的研究、煤岩声发射震源定位方法研究（煤炭基金项目）1997：华丰矿冲击地压综合防治技术项目上，能源部重点项目，获山东省科技进步二等奖。2000:主持制订《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》、《岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法》煤炭行业标准，是目前国内进行煤岩冲击倾向性鉴定的权威部门。2004：新汶矿区冲击地压成因与综合治理技术研究，引进国际上先进的微震监测系统ARAMIS/M并用于华丰煤矿冲击地压监测2005：“973”项目：高强度开采冲击地压发生机理研究，国家自然基金项目：高强度开采冲击地压与瓦斯灾害相关性研究2006：广泛开展与北京、新汶、华亭、淄博、兖州、大同、抚顺等矿区的合作，科研经费达500万元/年以上。煤科总院北京开采所相关科研成果及在冲击地压方面所做的工作试验仪器与设备（北京开采所）德国WPM25kN型材料试验机德国WPM1000kN型万能试验机采集速度为0.1ms的高速计算机数据采集处理系统(HCD)MDG动态电阻应变仪KC型静态电阻应变仪配套的载荷和位移传感器北京开采研究所岩石力学实验室目前已完成50余个矿井煤岩层的冲击倾向性鉴定（北京、开滦、新汶、徐州、兖州、淄博、义马、华亭、鹤岗、双鸭山、临沂、七五等局矿）煤科总院北京开采所相关科研成果及在冲击地压方面所做的工作部分实验室设备2.2冲击地压机理研究的进展“三因素”机理强度弱化减冲机现2.3冲击地压预测研究的进展冲击危险性评价综合指数法地质动力区划数量化理论计算机模拟冲击危险性预测钻屑法微震法地音法电磁辐射法采动应力监测综合指数法影响冲击地压的主要因素有地质方面的因素,也有开采技术方面的因素根据这些冲击地压影响因素的分析，确定采掘工作面周围采矿地质条件的每个因素对冲击地压的影响程度，以及确定各个因素对冲击地压危险状态影响的指数，将其综合起来，就可以形成冲击地压危险状态等级评定的综合指数法，从而为冲击地压的治理打下基础。2.3冲击地压预测研究的进展Wri为地质因素、开采因素确定的冲击地压危险指数；Wimax为表中第i个地质或开采因素的中的最大指数值;wi为分析地点周围第i个地质或开采因素的实际指数；n1、n2分别为地质因素、开采因素的数目111max11niiniir221max12niiniir=max{Wr1,Wr2}Wr为某采掘工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数。这样就可以圈定评价区域冲击地压危险程度及危险等级。缺点：量化标准人为制定，量化易受打分者感情的控制，量化常凭经验进行。因此，量化的结果很难做到客观、精确、可靠。2.3冲击地压预测研究的进展地质动力区划法地质动力区划是地质动力学的一个新分支，它基于板块构造学说，根据地形地貌的基本形态和主要特征决定于地质构造形式的原理，通过对地形地貌的分析，查明区域断裂的形成与发展，综合应用地应力测量、数值分析和模糊推理等技术手段，查明影响冲击地压发生的各种因素。地质动力区划方法把矿区活动构造体系、采矿工艺过程和冲击地压的发生看作是一个动态体系，建立地质动力区划决策支持系统。2.3冲击地压预测研究的进展结果输出可视化系统地质动力区划地应力测量活动构造划分活动性评价岩体应力分析地质钻孔实验研究确定构造形式建立地质模型应力量值和方向最大主应力应力梯度顶板岩性煤质岩性样本煤质样本形成多因素数据库概率预测方法多因素模式识别地质动力区划工作流程图地质动力区划断块划分比例范围序号查明断块构造所用的地形图比例尺断块构造部分断块级别地形图比例尺1巨大断块Ⅰ1：4000万2巨大断块Ⅱ1：2500万3巨大断块Ⅲ1：1200万4巨大断块Ⅳ1：600万5断块Ⅰ1：250万6断块Ⅱ1：100万7断块Ⅲ1：20万～1：10万8断块Ⅳ1：5万～1：2.5万9断块Ⅴ1：1万10断块Ⅵ1：5000～1：2000Ⅳ－13Ⅳ－14Ⅴ－22Ⅴ－21Ⅲ-8Ⅲ-9Ⅴ－13Ⅴ－9Ⅴ－10Ⅴ－8Ⅴ－7Ⅴ－6Ⅴ－5Ⅳ－24Ⅴ－4Ⅴ－3Ⅴ－2Ⅴ－1Ⅴ－26Ⅴ－23Ⅴ－27Ⅴ－14Ⅴ－15Ⅳ－17Ⅳ级断裂Ⅲ级断裂井田边界Ⅴ级断裂2005.4图号地质动力区划研究所辽宁工程技术大学资环学院绘图审核编制日期比例尺孙村Ⅴ级断裂图1:10000新汶矿区地质动力区划研究张宏伟刘志伟646563666768697071726261605920520520520559606162706968676663656476767574737271703920577787877397071727374756939某矿Ⅴ级断块图断裂带井田边界等值线图例IV－15V－14V－16V－12V－13V－11V－18V－2某矿4煤层顶板最大主应力图高应力区低应力区应力梯度区断裂带井田边界等值线图例IV－15V－14V－16V－12V－13V－11V－18V－2某矿2煤层顶板构造应力区划分数量化理论方法数量化理论是多元分析的一个重要分支，是专门处理定性数据的有力工具，它以0和1标记反应值，运用多元分析的原理和方法揭示事物的内在规律。数量化理论根据变量在研究问题中所处的地位的不同，可以把变量分成说明变量（自变量）和基准变量（因变量）两种。变量又可分为定量变量和定性变量。对于定性变量及其数据，设法按某一合理的原则，实现向定量方面的转化，并以得到的定量数据为基础进行评价或分类等研究，就是数量化理论的内容和目的。评价项目和类目的设置变量称为项目，项目的不同取值称为类目–冲击危险性中，19个评价项目，共47个类目2.3冲击地压预测研究的进展tc/tc/冲击危险性评价项目类目设置表X4煤层脆性项目类目项目类目X1煤的冲击倾向性C11弱冲击倾向性C12中等冲击倾向性C13强烈冲击倾向性X11断层情况C11.1断层落差较大C11.2断层落差不大或没有X2煤层赋存状况C21较稳定C22不稳定X12褶曲情况C12.1褶曲起伏较大C12.2褶曲起伏不大或没有X3煤层倾角C31近水平煤层C32缓倾斜煤层C33倾斜煤层C34急倾斜煤层X13水平构造应力C13.1水平构造应力较高C13.2水平构造应力中等C13.3水平构造应力较低C41≥20C42＜20X14开采方法C14.1综放开采或大采高开采C14.2分层开采C14.3其他X5煤层厚度C51薄煤层C52厚及中厚煤层C53特厚煤层X15支承压力影响范围C15.1≥30mC15.2＜30mX6煤层埋深C61＜500mC62500m~700mC63＞700mX16煤柱影响C16.1影响较大C16.2无或影响较小X7老顶脆性C71≥20C72＜20X17开采布置、推采方向、开采程序等造成的应力集中C17.1应力集中程度较高C17.2应力集中程度中等C17.3应力集中程度较低X8老顶厚度C81≥20mC82＜20mX18发生位置C18.1工作面C18.2巷道C18.3工作面和巷道X9顶板冲击倾向性C91弱冲击倾向性C92中等冲击倾向性C93强烈冲击倾向性X19打眼、放炮、割煤、等诱发作用C19.1受诱发作用影响程度较高C19.2受诱发作用影响程度较低X10底板岩石性质C10.1底板坚硬C10.2底板松软通过建模及计算，将样本值与评价值比较：01234560102030405060708090100样本序号等级真实级别判定级别甲煤矿冲击危险性等级确定表分级各危险等级中心坐标距中心坐标距离（采取防治措施前）距中心坐标距离（采取防治措施后）1级V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.300.242级V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24)0.350.223级V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.200.224级V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.230.095级V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32)0.100.176级V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.190.27从表可以看出，防治措施未采取时，评价区域的得分坐标与5级冲击危险性的中心坐标距离最近，因此属于强冲击危险。而采取防治措施后，评价区域的得分坐标与4级冲击危险性的中心坐标距离最近，因此属于中等冲击危险。评价结果表明解危效果不好，应进一步采取防治措施．乙煤矿冲击危险等级确定表分级各危险等级中心坐标距中心坐标距离（采取防治措施前）距中心坐标距离（采取防治措施后）1级V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.550.472级V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24)0.340.243级V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.470.324级V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.320.305级V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32)0.400.306级V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.480.41从表可以看出，防治措施未采取时，评价区域的得分坐标与4级冲击危险性的中心坐标距离最近，因此属于强冲击危险。防治措施实施后，评价区域