328煤矿冲击地压防治技术-郑州.ppt

煤矿冲击地压 防治技术 煤科总院安全分院 总工程师 煤矿建设工程项目安全评价 评审专家 国土资源部土地复垦方案 评审专家,1.冲击地压 冲击地压(也称为冲击矿压)作为一种特殊矿压显现形式，已成为煤矿开采特别是深部开采矿井的主要灾害，严重威胁煤矿的安全生产。 冲击地压通常是在煤、岩力学系统达到极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能，导致煤岩层瞬时破坏并伴随有煤粉和岩石的冲击，造成井巷的破坏及人身伤亡事故。,在煤矿开采中，由于采掘导致的煤层顶底板垮断与破坏，支架折损、冒顶、煤壁片帮、底鼓等现象，可以归结为一般的矿山压力现象，是煤岩体在采动条件下围岩应力重新分布而发生的常见的矿山压力显现形式。,但对于冲击地压、顶板大面积来压、岩爆、矿震、煤与互斯突出、地表突然塌陷等现象，由于其发生过程突然，且又具有典型的动力特征，因此通常情况下，可统称为矿山动力现象，但又具有不同的显现形式和发生机理，因此，它们之间既有区别又有联系。,1.我国冲击地压概况,我国1933年抚顺胜利矿最早发生冲击地压；1985年我国冲击地压煤矿为32个，主要分布在北京、枣庄、抚顺、大同、阜新、天池等局矿，开采深度平均为600750m。近年来，由于煤矿开采深度的不断增加，冲击地压发生矿井数量及程度又呈明显上升的趋势。截至2006年底，仅新发生冲击地压的矿井就多达60余个，分布范围扩大到开滦、新汶、义马、鹤岗、淮南、大屯、平顶山、华亭、韩城、兖州、七台河等局矿，开采深度也达到7501150m。仅1997年至2006年底，先后在大同、抚顺、北京、徐州、新汶、开滦、华亭、义马、阜新、平顶山等局因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达10余起，死亡人数达百余人。,2.我国冲击地压的主要特点,由于发生冲击地压的条件不同，造成我国冲击地压显现的复杂多样性。其主要特点： （1）具有突发性，过程短暂，伴随有强烈的震动和声响 冲击地压发生前一般没有明显的宏观前兆，相当多的冲击地压是由爆破、顶板来压等引起的，但也有很多是在没有人员活动的期间内发生的，很难确定诱发因素。 冲击地压一般伴随有强烈的震动和声响，最大震级可达m4.3级，地面几千米范围内有震感。,（2）类型多样 我国冲击地压一般表现为煤体的破坏与冲击，但台吉、大台、八一、柴里、潘西及南桐一井等5个矿已发生多次岩爆。 我国冲击地压以煤层冲击最常见，也有顶板冲击和底板冲击。房山矿发生的一次冲击地压，底板突然鼓起并开裂成5cm宽的裂缝。在煤层冲击中，绝大多数表现为破碎煤从煤壁抛出，也有极个别情况表现为数十平方米的煤体整体滑移。,（3）造成的破坏和损失巨大 人员伤亡。冲击地压造成震动使人员碰伤，所造成的冒顶、片帮、支架折断也伤及人员；由于巷道堵塞、人员被埋而窒息。 破坏生产。冲击地压造成片帮、底鼓、冒顶可造成几十米巷道被堵塞，几百米巷道支架被损坏，机械设备被移位，风门被暴风摧垮，有的被迫停采，损失煤炭可多达数万t。 地面房屋被震坏开裂。,（4）灾害严重程度不同 我国煤矿冲击地压的强度、频度、灾害程度、伴生灾害情况等因开采地质条件的不同而差别较大。 根据微震检测系统记录，门头沟煤矿（现已关闭）平均每月记录到160次各类冲击和震动；华丰煤矿每月可监测到1000余次各类震动；老虎台煤矿也是冲击地压严重的矿井，每月震动次数达300余次；台吉矿存在岩爆、矿震、岩石冲击、冲击地压、地温热害等，是我国深井开采多种灾害并存的典型。另外，在发生冲击地压的高瓦斯矿井中，大多同时存在冲击地压及冲击地压等两种以上灾害。,(5) 发展趋势是逐渐增多，日趋严重 1949年以前我国发生冲击地压的矿井只有2个，20世纪50年代增加到7个，60年代为12个，70年代为22个，80年代为32个，90年代为50余个，目前达100多个。随着开采深度的增加、开采范围的矿大和开采强度的加大，近年来虽然采取了不少措施，但全国冲击地压矿井和总的冲击地压次数并未减少。因此，我国煤矿的开采实践看，冲击地压灾害将更加严重。,3.国外冲击地压历史与现状,（1）苏联 苏联的冲击地压最早于1947年发生在吉谢罗夫矿区，此后共有9个矿区出现了冲击地压问题。 发生冲击地压的一般条件是：初始深度为4001860m，煤厚为0.520m，在各种倾角、各种煤种（包括褐煤）中都记录到冲击地压现象。多数情况下顶板为坚硬砂岩，也有一些煤田是破碎顶板。开采技术条件涉及到刀柱式或长壁式等开采方法，充填或垮落等顶板管理方法，整层或分层开采情况。,从1951年开始，着手解决煤矿冲击地压问题，取得了良好效果，冲击地压次数大为减少。19551977年冲击危险矿井数由8个增至36个，而冲击次数由83次降至7次，1980后又降至56次。,（2）波兰 冲击地压是波兰煤矿重大灾害之一，最早记载于1958年。目前开采的煤层中45%以上的煤层有冲击地压倾向。开始发生冲击地压的平均深度为400m，随着采深的增加，冲击地压危险越来越严重。19491982年，共发生破坏性冲击地压3097次，造成死亡401人、破坏井巷31万m。,波兰很重视冲击地压问题，从在20世纪60年代初期就着手大力科学研究和防治工作，在将岩体声学以及地震法用于矿山冲击危险探测和监测方面，居世界领先地位。 由于采取了综合防治措施，保证了安全生产。,（3）德国 鲁尔矿区是德国的主要产煤区，也是发生冲击地压的主要矿区。19101978年间共记载了危险性冲击地压283次，有冲击倾向性或危险的煤层20余个。 冲击地压发生深度5901100m，其中8501000m冲击地压数占75%左右，最大抛出量2000m3。发生冲击地压的煤层厚为16m，主要集中在1.52m厚的煤层中，倾角444。,德国是防治冲击地压较有成效的国家，其防治工作的出发点主要在于实用。由德国所发展的钻孔卸压法、钻屑法等冲击地压预测与防治方法在国际上已被广泛使用。,3.冲击地压分类 3.1冲击地压的分类方法 目前，国际上还没有形成统一的冲击地压分类方法和方案。就我国而言，冲击地压的分类方法有以下几种：按参与冲击地压的岩体类别分类；按应力来源和加载形式分类；按显现强度分类；按震级及抛出煤量分类；按冲击地压的破坏后果分类。 上述分类方法在具体矿井冲击地压分类中具有可操作性，能够被技术和管理人员所接受。,3.2 冲击地压的分类： 原煤炭部1983年9月颁布采用两种分类指标： （1）根据破坏后果划分 一般冲击地压：对生产的破坏后果轻微，不需要进行修复。 破坏性冲击地压：对生产造成一定的破坏，需要进行修复工作。 冲击地压事故：由于冲击地压及其伴随现象（冒顶、瓦斯冲击等）造成的人员伤亡事故，或由于井巷或采场被破坏造成工作中断8h以上的冲击地压。,（2）根据引起的地震震级划分 按里氏震级划分为6个等级。 冲击地压按显现强度分级,4.冲击地压的影响因素 冲击地压的发生与采动影响密切相关，但并不是只有采动影响就会发生冲击地压。引起冲击地压发生的影响因素分为三类： 煤矿地质因素； 开采技术条件因素； 组织管理措施因素。,4.1 煤矿地质因素对冲击地压的影响 （1）开采深度 开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大，见图2-1，横坐标为采深，纵坐标为冲击指数wt，即开采百万吨煤炭的冲击地压次数）。从图中可知，当采深h350m时，发生冲击地压的可能性较小；350mh500m时，在一定程度上危险逐步增加；采深从500m开始，随着开采深度的增加，发生冲击地压的次数急剧增加，冲击危险性急剧加大。当采深为800m时，冲击指数，wt=0.57，比采深为500m时（wt=0.04）增加了近14倍。,我国四川天池煤矿的情况与此类似，如图2-2所示，图中纵坐标为冲击地压次数，横坐标为开采深度。从图中可以看出，采深700m时发生冲击地压的次数大大高于采深400m时的次数。,我国煤矿开采实践表明，矿井不是在开始投产时就发生冲击地压，而是在开采到一定深度后才发生冲击地压。通过综合分析我国部分冲击地压矿井的开采技术条件，表2-1 列出了我国部分煤矿发生冲击地压的临界开采深度。由表2-1和图2-2可知，在中国煤矿的条件下，发生冲击地压的最小采深为200540m，平均为380m。,表2-1 我国部分煤矿发生冲击地压的临界采深,（2）煤层的物理力学性质 我国冲击地层矿井煤层的单轴抗压强度大于15mpa，坚硬、脆，自然含水率低，最大不超过4%（见表2-2）。,（3）顶板岩层的物理力学性质 我国冲击地压矿井的煤层顶板一般都坚硬、难冒 （见右表） 。,（4）煤岩层的结构特点 “三硬”结构，即硬顶硬煤硬底结构。从冲击地压机理上分析，这是煤岩体内存储大量弹性变形能的前提条件。我国一部分冲击地压矿井的条件就是这种结构类型，如大同忻州窑矿、北京门头沟矿、枣庄陶庄矿、开滦唐山矿、新汶华丰矿、徐州三河尖矿等。,硬顶薄软层煤层结构，即在煤层与顶板岩层之间存在薄软层结构，并且冲击地压多在煤层结构变化、煤岩层具有一定倾角的条件下发生。在这种条件下发生的冲击地压占有一定的比率，在我国主要冲击地压矿井都存在这种煤岩结构特征。,软煤,硬煤,（5）地质构造因素 地层的多次运动形成了各种各样的地质构造，如断层、褶曲、背向斜、煤层厚度变化带及岩性变化带等。在这些地质构造区附近，由于存在着地质构造应力场，通常使煤岩体的构造应力，尤其是水平构造应力增加，而直接导致冲击地压的发生。大量冲击地压实践表明，冲击地压常常发生在这些地质构造区域中，如向斜轴部、断层附近、煤层倾角变化带、煤层变薄带和构造应力带。,4.2 开采技术条件对冲击地压的影响 开采技术条件对冲击地压的影响表现在两个方面： 一方面是因为开采导致煤岩体的应力迅速增加，在一定区域、一定范围内形成高应力集中，满足了冲击地压发生的应力条件； 另一方面，原本具有高应力的煤岩体或接近极限状态的煤岩体，在采动条件作用下，诱发冲击地压。,(1) 采煤方法、巷道布置与顶板管理方 法对冲击地压发生的影响 采煤方法、巷道布置形式、顶板管理方法的不同，煤岩体在掘进和采煤过程中矿山压力及其分布规律也显著不同，发生冲击地压的危险性也各异。 开采近距离煤层群时，不同煤岩层之间存在着相互影响的情况。这种相互影响在一定条件下就会导致煤岩体处于极限应力状态或出现高度的应力集中，最终发生破坏性的冲击地压。,为了实现对冲击地压煤岩层的合理开拓布置，在开采设计阶段，就应该正确地、最大限度地选择合理的开采布置和最大限度地限制在采场或巷道附近形成高度应力集中。 通常情况下，短壁开采体系(如房柱式、刀柱式)的采煤方法由于采掘巷道多，巷道交岔多，各种煤柱多，因此所形成的支承压力多重叠加，极易导致冲击地压的发生。,厚煤层在开采首分层的条件下，由于支承压力峰值距煤壁较近，且应力集中系数较大，往往容易发生冲击地压。而采用一次采全厚综放开采后，由于支承压力相对远离煤壁，且应力集中程度下降，冲击地压发生的强度和次数显著降低。 根据对冲击地压事故的资料分析，在采煤工作接近采空区或老巷40-50m范围内容易发生冲击地压，大多数事故出现在20-30m范围内。,1）规则地进行采煤 不留或少留煤柱，尽可能保证工作面成直线，不使煤层有向采空区冲击的地段，在煤层中掘巷量最少，限制采场和巷道附近的应力集中，等等。 用房柱式开采法因顶板长时间不能冒落，矿山压力随工作面继续推进而增加，顶板下沉和底板鼓起也随之增大，这就可能造成潜在危险。,煤层或矿柱上的不均匀载荷及其应力松驰可能使一些矿柱上应力水平提高很大，成为导致冲击地压的附加因素。 这里必须考虑到自由面在应力波的多次反射中的影响，以及由此造成应力强度的放大作用。大量实践表明，长壁工作面冲击地压煤层最有利的采煤方法。,2）顶板及时垮落 顶板管理方式对冲击地压的影响甚为显著。这是因为，顶板岩层的悬、断、垮、冒，直接关系到顶板岩层中弹性能的释放形式和向煤体传递应力和弹性能的能力，甚至直接关系到煤体是否会受到动载的影响。因为，动载的作用将会加剧冲击地压的发生，破坏更加剧烈。 采用垮落法或采用人工爆破方法处理顶板后，由于顶板中的弹性能能够及时释放，冲击地压发生次数和强度均显著下降。,(2)采掘顺序对冲击地压发生的影响,采掘顺序直接影响煤岩层矿山压力的分布与大小，也直接影响冲击地压的发生。 1）多煤层开采顺序 多煤层即煤层群开采的条件下，通常采用下行开采。上层煤开采结束后，待煤岩体应力重新分布且稳定后再开采下层煤，能够保证下层煤应力的平稳与降低，从而起到降低冲击危险的目的；,采用上行开采时，下层煤的开采将有利于对上层煤的解放，使之应力降低，从而降低冲击危险性； 相反，如果上、下煤层同时开采且相互影响，煤岩体的应力将发生叠加，应力集中强度增大，冲击危险性增大。,2）单一煤层开采 单一煤层开采时，如巷道和采煤工作面的相向推进、在采煤工作面或煤柱中的支承压力带内掘进巷道、在工作面向采空区或断层带推进等，都会使应力发生叠加，从而引起冲击地压的发生。 如图2-7所示，当两个工作面相向推进时，前方煤体的应力会不断因叠加而增大，此时，发生冲击地压的危险性也不断增大；当掘进工作面在煤柱中掘进时，由于煤柱区附近为应力集中区，因此，在该区域内进行掘进，必然会增大冲击地压发生的频率和强度。,(3) 煤柱对冲击地压发生的影响,煤柱是产生应力集中的地点。孤岛形和半岛形煤柱可能受几个方向集中应力的叠加作用。 从图2-8中可以清楚地看到，煤柱附近煤体应力集中程度大，因而在煤柱附近最易发生冲击地压。煤柱上的集中应力不仅对本煤层开采具有影响，还会向相邻煤层传递，对相邻煤层的应力条件构成影响，甚至导致冲击地压的发生。 开采煤柱容易引起冲击地压，特别是回收煤柱的 工作面接近采空区时也容易引起冲击地压。,(4)其他开采条件对冲击地压发生的影响 影响冲击地压的其他开采技术条件还包括残采区、停采线、采煤工艺过程，如爆破、采煤机割煤等。 1）残采区和停采线 残采区和停采线冲击地压发生影响较大。从统计结果看，89%的冲击地压发生在残采区、停采线、断层区域和煤层超采的地方。发生冲击地压的区域如表2-4。,2）采空区和开采面积 当工作面接近已有的采空区，其距离为2030m时，冲击地压危险性随之增加。如果工作面旁边有上区段的采空区，该采空区也使冲击地压的危险性增加，危险的最大位置在距煤柱10m左右；当采面接近老巷约15m左右时，冲击地压的危险性最大。 在煤层开采面积增加的情况下，岩体的震动能量也随之增加，研究表明，当开采面积为3万m2时，释放的单位面积的震动能量最大。,四、冲击地压发生机理,冲击地压发生机理，是指冲击地压发生的原因、条件、机制和物理过程。 就是在一定的地质因素和开采条件下，煤（岩）受外力引起变形，发生突然破坏的力学过程，学者研究得出的冲击地压的理论：强度理论、 刚 度理论、冲击倾向性理论、能量理论和变形系统失稳理论。,我国李玉生学者在总结了强度理论、能量理论和冲击倾向性理论之后，提出了“三准则”理论。该理论认为：强度准则是煤岩体的破坏准则，而能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏准则，因而只有当这三个准则同时满足时，才会发生。,齐庆新研究员从煤岩体结构特牲出发提出了”三因素”机理。该理论认为： 冲击多发生在断层、煤层变化等构造区域，冲击与煤岩体结构有密切的关系。冲击发生除与内在因素(冲击倾向性)、力源因素(高度的应力集中或高度的能量储存与动态抗动)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)也是冲击发生的主要因素之一。,5.冲击地压、岩爆与矿震的关系,冲击地压、岩爆及矿震尽管具有一定的相似性，或者在一定程度上可以相互替换使用，但是它们无论是在现象上，又或是在构成介质的岩性上，又或是在发生机理与控制方法上，还是具有实质性的差别的。 过去，在煤炭行业中，将以上3种统一称之为冲击地压，而如岩爆、煤爆、矿震等术语是禁止使用的；在水电及金属矿山，将这类现象统一称为岩爆。,5.1 冲击地压 指在一定条件的高地应力作用下，煤矿井巷或采煤工作面周围的煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生破坏的矿井动力现象，常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象。 它往往造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。,1974年10月25日北京城子矿在回收煤柱时发生冲击地压，造成29人死亡； 1996年4月27日新汶华丰煤矿1407工作面在采煤过程中，因工作面爆破诱发冲击地压，使工作面煤壁50m、超前巷道100m范围内的煤壁发生破坏，巷道断面减小50%以上，并造成10人重伤，等等。,冲击地压典型特征： （1）冲击地压多发生在采煤期间的超前巷道内，或超前工作面080m的范围内。冲击地压发生后，煤壁大范围片帮，煤从煤体中抛出。 （2）发生冲击地压的煤岩体，煤层顶、底板在冲击地压发生后，并不发生或明显发生破坏和变形，而煤体却发生破坏并整体移出，还在煤层与顶、底板之间产生明显的滑动擦痕和离层（离层高度约0.10.15m，甚至更大），如图2-12所示。,（3）冲击地压往往发生在顶板来压期间，支架移架或回柱放顶、爆破等工艺过程中。冲击地压多发生在煤层变薄带、断层、褶曲等地质构造区附近。发生冲击地压的矿井构造应力相对较大。 （4）发生冲击地压的煤岩层一般具有典型的“三硬”结构特征，即硬煤、硬顶和硬底。并且往往在顶板与煤层之间存在一层较薄的粉状软煤（厚约0.10.2m）。 （5）冲击地压发生后，巷道断面收缩明显，通常可达50%70%，甚至达到90%。,2、岩爆 高地应力条件下地下工程开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力重新分布，储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。在我国，很多岩石工程发生了岩爆现象并造成灾害。 岩爆现象典型特征： （1）岩爆发生时，通常伴有明显的声响特征，且由于岩爆的规模大小的不同，声响不同。 （2）岩爆引起的岩石以片状弹射是岩爆的最显著特征。通常情况下，岩爆引起的岩石弹射，其弹射距离通常多在5m以下，较大岩爆的弹射距离可达10m以上。,3、矿震 矿震是采矿活动引起的一种诱发地震。矿震是矿区内在区域应力场和采矿活动作用影响下，使采区及周围应力处于失调不稳的异常状态，在局部地区积累了一定能量后以冲击或重力等作用方式释放出来而产生的岩层震动。矿震主要发生在地质构造比较复杂、地应力（构造应力）较大、断裂活动比较显著的矿区。在我国，发生矿震并构成灾害的矿区有北京、新汶、抚顺、北票、大同等矿区。 矿震无论是成因上，还是波形特征上，都是比较复杂的，特别是在震相上，有的与天然地震相似，有的与之相差较大。,矿震现象典型特征： （1）地面和井下的开采活动都可能引起矿震现象的发生，较小矿震地面无震感，而较大矿震地面震感明显，在现象上与天然地震基本相同。 （2）矿井顶板冒落、煤层片帮、地表塌陷、冲击地压、岩爆、冲击地压等均可引起矿震的发生，矿区范围内的断裂等构造活动也可能导致矿震的发生。矿震发生破坏位置与采矿位置不完全具有对应关系。,（3）矿震震级的大小与井下煤岩破坏程度无对应关系。 这主要是由于矿震的震中不一定就是破坏位置。比如发生在采空区的破震，工作面或巷道煤岩的破坏可能就较小。矿震的破坏情况与震级并不呈正比关系，在地面震感明显的较大矿震并不一定造成矿井损坏，较小矿震有时也造成较大破坏甚至造成灾害。,六、冲击危险性评价,冲击危险性是煤岩体可能发生冲击地压的危险程度。煤岩体具有冲击倾向性，并不表明一定会发生冲击地压，即使发生冲击地压，每个矿井发生冲击地压的危险程度也不一样。 目前，我国还没有一个比较科学的冲击危险性评价方法。近年来，在借鉴煤矿安全规程等文件中，通过理论与实践研究，总结出经验类比分析法、钻屑法、计算机模拟法和含水率测定法。,实践证明，如采用上述单一的冲击危险性指标会造成评价误差，必须综合考虑影响因素，并选择合适的评价方法最终衡量冲击危险性。,1、冲击地压强度分级,冲击地压强度分级表,5.2 对冲击地压的对策 （1）微弱或无冲击危险：所有的采矿工作可按作业规程规定进行。 （2）弱冲击危险：所有的采矿工作可按作业规程规定进行，但采矿作业中要加强冲击地压危险状态的观察。 （3）中等冲击危险：下一步的采矿工作应与该危险状态下的冲击地压防治措施一起进行，而且至少通过预测预报以确定冲击地压危险程度不再上升。,（4）较强烈冲击危险：此时较强烈冲击危险区域应停止作业，加以处理后危险得到缓解并保证不再上升方可允许下一步作业。 （5）强冲击危险：此时应当停止采矿作业，不必要的人员撤离危险地点；矿主管领导确定限制冲击地压危险的方法及措施，以及冲击地压防治措施的控制检查方法，确定冲击地压防治措施的人员。,（6）极强烈冲击危险：此时冲击地压的防治措施应根据专家的意见进行，应采取特殊条件下的综合措施及方法；采取措施后，通过专家鉴定，方可进行下一步的作业。如果冲击地压的危险程度在没有降低的情况下，停止进行进一步的采矿作业，该区域禁止人员通行。,6.冲击地压防治技术,冲击地压研究的最终目的就是有效地防止冲击地压的发生。 从冲击地压的形成机理看，控制冲击地压灾害的发生，就是改变煤岩体的应力状态或控制高应力产生，以保证煤岩不足以产生失稳破坏或非稳定破坏。 冲击地压防治包括两个方面，即已具有冲击危险煤岩层的冲击地压防治和目前尚未冲击危险但开采过程中可能发生冲击地压的防治问题。,6.1防治冲击地压的原则 （1）避免高应力的形成。调整开采顺序、采区和工作面布置，实现无煤柱开采，避免形成应力高度集中。 （2）保证与最大地应力方向平行采煤与掘进。当采掘工作面的方向与最大地应力方向垂直或较大倾角时，危险性则增大。 （3）扩大应力释放范围，以降低应力集中程度与应力释放速度。改进开采方法，使开采过程中的应力释放区域增大，从而避免局部应力的高度集中与冲击危险区域的形成。,（4）控制煤层存贮能量的条件。对煤层实施卸压钻孔、切槽、卸载爆破，使煤体应力峰值向煤岩体深部转移。 （5）控制顶板能量的突然释放与加载。如坚硬难冒顶板，实施爆破技术，可改变工作面周围煤岩层的应力分布。 （6）改善底板中的支承能力并加大煤层和顶板的变形。对底板切槽卸压，使底板及时破坏，避免煤岩层中能量的高度积聚与突然释放。,（7）优先开采无冲击倾向性和无冲击危险煤层。 （8）最大限度地降低构造对冲击地压的影响。加固软弱层使煤岩体形成稳定结构。,63.冲击地压解危技术 （1）煤层卸载爆破技术 是在煤层中实施钻孔爆破，以消除或减缓冲击危险。 煤层卸载爆破可分为煤层松动爆破，卸载爆破和诱发爆破三种形式。 松动爆破是在煤层中尚未形成高应力集中或不具有冲击危险但预测采煤过程中有危险区；卸载爆破是对已形成冲击危险区，使煤体中应力下降，煤体中支承压力峰值向煤体深部转移，从而降低冲击危险；煤层诱发爆破是对具有较高冲击危险的煤体实施爆破。,爆破的动力作用 一是使爆破孔附近一定范围的煤体产生裂隙，其结构发生改变；二是对远离爆破孔的煤岩体产生扰动或者引起诱发冲击。 爆破的静态作用 爆破的动态过程是极其短暂的，动态过程结束后，爆破孔周围煤岩体将形成三个区域：破坏区、裂隙区、非破坏扰动区。它们依次远离爆腔。 煤层卸载爆破后，煤岩体的承载能力降低，应力重新分布，形成卸载区域，减弱或消除煤体的冲击危险性。,（1）开采前大直径深孔钻卸压的钻具,（2）开采前群孔深孔卸压的钻具,目标：开采前让顶板和底板在深部预裂，同时为深部煤体的冲击创造释放空间,遥控卸压钻车改装成遥控钻车,（2）煤层注水技术 煤层注水包括顶板注水、压注各种化学溶液。 水能够使煤岩体的性质产生重大变化。实验证明：注水后煤的结构发生变化，导致强度下降，冲击倾向性减弱甚至完全失去冲击能力。煤体积蓄弹性能的能力下降，而以塑性变形方式消耗弹性能的能力增强，因此，煤层中储存的可恢复弹性能减少了。 典型注水实验室测定结果如表4-1。,煤的冲击倾向性测试结果,注水方法的使用条件： 煤层具有一定的孔隙率和亲水性； 煤层赋存较稳定，能够保证钻孔施工和成孔后的孔壁稳定； 煤层和顶底板较完整，无断层等较大的泄水通道； 顶底板不是遇水膨胀软化的岩石。 另外，实行预注水需有钻孔作业场地，而煤层卸载注水钻孔和注水施工都有一定难度，不易成功，常以生产工序有矛盾。,（3）深孔断顶爆破技术 顶板坚固难冒，煤层也很坚硬，形成顶板煤体底板三者组合的、刚度很高的承载体系，具有聚集大量弹性能的条件。当岩体载荷超过其强度就发生冲击地压。 通过顶板巷道对顶板进行深孔爆破，人为地切断顶板，进而促使采空区顶板冒落、消弱采空区与待采区之间的顶板连续性，减小顶板来压时的强度和冲击性。,（4）定向水力致裂技术 定向水力致裂技术就是人为地在岩层中,预先制造一个裂缝,在较短的时间内,采用高压水,将岩体沿预先制造的裂缝破裂.。在高压水的作用下,岩体的破裂半径范围可达15-25m,有的更大。 采用定向水力致裂法可简单、有效、低成本地改变岩体的物理力学性质,将坚硬厚层顶板分成几个分层或破坏其完整性,在煤体中制造裂缝,有利于互斯抽放,并减少开采时产生煤尘。,定向水力致裂法有两种：即周向预裂缝及轴向预裂缝。 为了达到较好的效果,周向预裂缝的直径至少应为钻孔直径的两 倍以上,且周向预裂缝钻头要尖。高压泵的压力应在30mpa以上,流量应在60l/min以上。而轴向裂缝法则是沿钻孔轴向制造预裂缝,从而沿裂缝将岩体破断。,(5) 钻孔卸压技术 在煤岩体未形成高应力集中或不具有煤与互斯冲击以前,实施卸压钻孔,使煤岩体不再具有形成高应力集中的条件,从而避免煤与互斯冲击的发生。 假如己经形成高应力集中或煤与互斯危险区域,实施卸压钻孔,使煤体的应力集中程度降低,煤与互斯冲击的危险性下降.。 钻孔卸压技术在使用过程中,由于钻孔相对较大(孔径95mm以上),在煤岩体应力较高的条件下,容易发生煤与互斯冲击,因此,一定要迭择好实施钻孔卸压的时机和位置。对煤与互斯危险性较高的区域,可以使用远程遥控钻机实施钻孔卸压。,6. 4 冲击地压防范技术 （1）合理布置与分区开采技术 冲击地压煤层开采的基本原则 开采煤层群时，开拓布置应有利于保持层开采。 首先开采无冲击危险或冲击危险了性小的煤层作为保护层，且优先开采上保护层。 如抚顺、辽源等煤矿，厚煤层上行水砂充填法开采，作为保护层的第一分层开采都尽量布置在冲击危险性小的煤层中进行。,合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区 煤柱承受的压力很高，特别是岛形或半岛形煤柱，要承受几个方面的叠加应力，最易产生冲击地压。 上层遗留的煤柱还会向下传递集中应力，达到相当大的深度，导致下部煤层开采发生冲击地压。 山东陶庄在回收煤柱时发生冲击地压占全矿的29.8%，唐山矿、城子矿约占一半。 龙凤矿两侧为采空区的工作面在采煤中，发生冲击地压次数多。,采区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采 造成应力叠加 相向采煤时上山煤柱逐渐减小，支承压力逐渐增大，易发生冲击地压。 陶庄矿在上山附近发生了17次冲击地压，而且相向采煤又要被迫在高应力冲击掘进枪眼（水采），造成冲击地压频繁发生（占总次数的60%）。 采取了单翼采区跨上山采煤的方法，并把单区段开采程序该为多区段联合开采程序，使采掘在不同区段中交替进行，实现了沿采空掘枪眼，避免了在高应力区掘进和维护枪眼。,地质构造特征部位的开采程序 采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序： 在向斜和背斜构造区，应从轴部开始采煤； 在构造盘地应力从盘底开始采煤； 在有断层和采空区的条件下采用从断层或采空区开始采煤的开采程序。,主要巷道布置在底板岩层 在有冲击危险的开拓巷道、准备巷道、永久硐室，主要上、下山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。 采煤巷道应尽可能避开支承压力峰值范围，采用宽巷掘进，少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。,长壁、垮落法管理顶板开采冲击危险煤层 房柱式等柱式采煤法由于掘进的巷道多，在采空区遗留的煤柱多，顶板不能及时充分地垮落，造成支承压力较高，增加了冲击的危险性。 采用长壁式开采方法，由于采空区中不留煤柱，则有利于减缓冲击地压的危害。 工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。,冲击地压煤层开采的技术原则 在冲击地压煤层开采过程中，除严格遵守基本原则外，还应遵守以下技术原则： 在冲击危险区的煤层中掘进和采煤时，必须始终在煤层的保护带范围内进行，确保保护层的宽度不小于3.5倍采高。 煤层应力过度集中时，必须进行解危处理，否则不得进行采煤和掘进工作。 应避免在支承压力峰值区掘进巷道。 在煤层中双巷掘进时，两条平行巷道之间的煤柱不得小于10m，联络巷须与巷道成直角；两条巷道掘进工作面的前后位置错距不小于50m。,相向掘进的巷道相距30m时，必须停止一个头掘进。停掘的巷道要加固，继续掘进的巷道除加强支护外，冲击地压危险严重时，还必须采取卸压措施。 煤层巷道应采用宽巷掘进。巷道支护应采用可缩性拱形或环形金属支架，严禁采用混凝土支架和刚性金属支架，在破碎顶板条件下，支架间顶帮必须插严背实。 新采区投产要保持合理的开采顺序，避免形成“孤岛区”或“孤岛工作面”。同一煤层相邻阶段的工作面向同一方向推进时，错距不得小于150m。,采煤时，在采空区中不得留有煤柱。必须留设煤柱时，煤柱的尺寸和位置以及影响范围必须标明在采掘工程图上。 采煤工作面一般应保持直线式。台阶式工作面的台阶错距不应大于3m。,分层开采厚煤层时，分层平巷应内错布置，上、下分层平巷轴线距离至少不小于3倍巷道宽度。上、下分层切眼间距至少应内错5m。每个分层工作面应先于上分层工作面停采线至少5m停采。 厚煤层采用一次采全厚大采高开采和综放开采时，尽可能将巷道沿底布置。冲击危险区域因支承压力影响范围的扩大而应扩大到采煤工作面前方80120m。,厚煤层采用分层综放开采时，第一分层巷道应注意加强支护，尤其底板煤层较软时，应对底板适当加固。 采用垮落法管理顶板时，应选用强力液压支架。采用单支护时，必须加强切顶线支护强度，并回收采空区所有支柱。 在一般情况下，掘进与采煤工作面的躲炮直线距离不小于150m，躲炮时间大于30min；在作业规程中应明确规定躲炮地点。,掘进与采煤作业规程应包括工作地区的冲击危险级别、地质构造说明与简明图表、上层采动边界位置图、掘进与采煤方式、循环进度、支护形式、加强支护的措施、防治冲击地压的措施以及发生冲击地压时的应急措施，包括撤人路线。 根据检测结果，在冲击地压危险煤层内划定严重危险区，标在采掘平面图上，并在严重危险区周围建立警告牌，限制无关人员停留。 如果采取的措施不能阻止冲击地压危险的发生，或出现中等以上的危险时，必须停止作业，直到采取有效措施使之卸压为止。,2.保护层开采技术 在开采煤层群的条件下，首先开采没有冲击倾向性，或冲击危险性小的煤层。采动后，使有冲击危险的煤层在采掘过程中不再发生冲击地压，这样先采的煤层称为保护层。保护层位于危险层上方，称为上保护层，位于下方称为下保护层，而处于有效卸载范围内的后采煤层成为被保护层。 煤层开采后，围岩将产生变形、断裂、离层，并向采空区移动。 按对岩体影响程度和特征，可分为5个区带：冒落带、安全移动带、解放带、减压带、增压带。 理想情况下，这5带的分布如图4-39。,受采动影响，岩体应力小于原岩应力的地区称为减压带。解放带是减压带的一部分。开采保护层后，形成了解放带，从而起到减缓冲击地压作用。 开采保护层对煤岩体力学性质的影响之一是煤“变硬”了。这是由于卸载后矿压对煤层破坏作用减小了，故采煤较困难。,3.放顶煤开采技术 综放开采厚煤层时，由于顶煤及顶板垮落与破坏范围的增大，发生冲击地压的频率下降，强度降低。其主要原因： （1）放顶煤开采改变了“顶板煤层底板”系统的力学承载体系，而转变成了“顶板顶煤（存在范围较大的破裂区）开采煤层底板”的力学体系。 综放开采后，范围较大的破裂区的存在，使开采煤层上方形成了一个塑性变形区域，在坚硬的基本顶岩梁断裂时发生冲击地压和应力高峰转移过程中，该区域内的煤体是在逐渐被压碎的条件下破坏的。虽然，有破裂区作为缓冲，冲击地压发生的可能性及强度都会小的很多。,（2）由于放顶煤工作面直接顶厚度增加，较分层开采时上覆岩层的纵向运动范围增加，当上部冲击岩层发生冲击时，已发生破坏的顶煤层及发生运动的上覆岩层的存在，将对冲击波产生衰减作用，从而降低冲击地压的强度。 （3）放顶煤开采冲击危险性厚煤层，采放比对冲击地压的形成有重要影响左右，割煤高度既不能过大又不能过小。对于本节研究的煤层条件割煤高度取2.5m左右比较合适，这与现场实践结论是基本一致的。,（4）以规避采动高应力为核心的冲击地压防治，若做到冲击危险性的准确预测、评价之后，采取矿井合理开拓布置、先采保护层、煤层注水等宏观措施，并进行合理采煤方法的选择，对于适于综放开采的有冲击危险性厚煤层，优先采用综放开采，在煤层开采过程中加强采动围岩应力分布特征研究与观测，适时采用钻孔卸压、诱发爆破、强制放顶等局部解危措施是可以避免破坏性冲击地压发生的。,4.高压水射流切槽割缝技术 对于找不到可以解放的煤层，或对于非解放范围的煤层，可以采用高压水射流切槽割缝技术实现本层煤解放。 用旋转射流钻孔，钢管连续推进，在工作面两平巷中，沿煤层中下部间隔施工与煤层平行的钻孔，孔深100150m，然后沿钻孔后退用高压水射流割缝，缝高3055mm。深度1.52.0m，钻孔间距4m左右。 其机理：大面积的钻孔割缝使煤层破坏、损伤、卸压、应力松弛，在煤层中形成高度大于15cm的缝隙，相当于在本煤层中开采了薄的保护层。,8.冲击地压 典型案例分析,1.不同开采条件下冲击地压典型案例,（1）浅部开采条件下的冲击地压； （2）深部开采条件下的冲击地压； （3）“三硬”开采条件下的冲击地压； （4）急倾斜开采条件下的冲击地压； （5）分层开采条件下的冲击地压； （6）厚煤层开采条件下的冲击地压。,一、浅部开采条件下的冲击地压 1大同忻州窑矿 忻州窑矿煤层埋藏深度200350 m，采用多煤层联合开拓， 层间距030m，顶板普遍存在1025 m的厚层状整体砂岩，普氏 系数81 6；煤层厚度18131 m，普氏系数314.15，节 理裂隙不发育，属典型的坚硬煤层、坚硬顶板条件。 根据忻州窑矿30多起典型的冲击地压事故统计分析，占 总数7617的冲击地压事故发生在巷道煤柱中，表现为巷 道煤帮突然猛烈抛出，造成巷道严重破坏和人员伤亡事故，成为 忻州窑矿的重大灾害之一。由于该矿煤层埋深仅为200350 m， 属我国典型的浅部开采条件下的冲击地压案例。,分析冲击地压发生的原因可知，忻州窑矿9、10、1l号煤层本身具有较强的冲击倾向性，表现为典型的脆性破坏。煤层的弹性能量指数为2.1-10.17,属于中等以上冲击倾向性煤层。 同时,由于冲击地压主要发生在邻空巷道煤柱，而煤柱主要承受邻空巷道煤柱的同定支承压力、工作面开采过程中的超前支承压力和上层煤柱的集中压力，这三种压力的叠加，形成强大的应力。在这种高压力作下，使得具有较强弹性的煤体产生压缩变形，积聚大量弹性能量，在一定条件下发生弹性能的瞬问释放而形成冲击地压。,2大同煤峪口矿 煤峪口矿主采煤层厚度6510 m，该煤层埋深仅为200 350m。采煤方法有上、下分层开采，网下低位放顶煤开采。冲击地压主要发生在下分层开采时，上分层开采时并不明显，巷道发生严重变形破坏的区域主要集中在408盘区、307盘区和412盘区，其中两翼开采的307、408两个盘区尤为冲击。 2003年5月25日307盘区巷道发生了冲击地压现象，炸帮煤大量涌入巷道，底鼓达18 m左右。 2005年1月24日在高冒区锚网索联合支护段发生了一次煤 与瓦斯冲击,靠采空区侧炸帮煤大量落人巷道，长47 m，深 15 m左右。,2005年2月21日412盘区81 202工作面21202下巷道 掘进至520 m处，发生大面积冲击地压，距迎头80 余米范围内断面基本由原来45 m缩至222m 。 巷道围岩发生急剧破坏，表现为底板底鼓(底板大 部分为块状鼓起、翻转)，五节拱支架变形、折损严重( 肩部连接件破坏，拱形支架高抗压、高可缩结构特性 失效)，煤体大量向巷道抛出并充满巷道，卡缆部分崩 断，皮带扭转，轨道翘起，最窄处变为16 m，高2 0 m。,二、深部开采条件下的冲击地压 1开滦唐山矿 唐山矿冲击地压严重，白l 964年6月7日发生第一次冲击地压以来，随着开采面积的扩大及采深的增加，冲击地压日趋严重 ，到目前共发生了90余次，其中有伤亡和破坏的11次，造成多人伤亡，数千米巷道遭到破坏，机电设备损坏，给生产和安全造成极大威胁。 如在十三水平北翼区5煤层首采工作面3652开采时，曾发生严重的冲 击地压事故，风道超前50150 m范围，巷道断面急剧缩小，断面高度由 216 m缩小到112 m，最低仅013 m，数十架支架变形压弯、扭曲严 重，轨道瞬间鼓起，梁腿劈裂，水管、钢轨折断，泵站、电站、开关被 推倒，风道的底板挤成褶皱状，鼓起达018110 m，风门被吹开， 隔爆水袋被吹落，造成2人死亡、3人受伤，工作面停产53 d。,唐山矿冲击地压发生的一般规律主要为： 随着开采深度的增加，冲击危险性增加，表现为冲击 频度的增加和强度的增大，井田内发生冲击地压的 临界深度为530 m； 煤质中硬、脆性和弹性较强的煤层易发生冲击地压，软质煤和塑性变形大的煤层不发生冲击地压； 顶板坚硬致密、脆性大，顶板断裂失稳活动剧烈的 岩层条件下易发生冲击地压； 采煤工作面冲击地压多发生在超前支承压力影响范围内的平巷中，临近采空区的巷道发生最多，在煤体内布置的巷道发生次之，采煤工作面空间内发生最少；,一般从工作面开切眼开始，随着采空面积的增加，冲击发生的次数发生变化，采空面积达到1113时开始发生，以后冲击地压次数上升，到3050时最多，随之又逐渐下降，到70以后较少发生； 在四面采空或三面采空的高应力煤柱中进行采掘活动 或巷道套修时，最易发生冲击地压； 特厚煤层开采时，冲击地压多发生在第一分层，而第二、三、四分层则很少发生； 唐山矿冲击地压主要发生在5煤层、8、9合区煤层中，而12煤层则很少发生。按冲击地压发生的强度分析，5煤层的突怂危险和破坏程度大于8、9合区煤层。,2新汶华丰煤矿 华丰煤矿采用斜井多水平开拓、岩石集中巷布置方式。矿井共分5个水平，其中4、5水平分别为一750 m和一1 000 m，即采深850m和1 100 m左右。现开采5水平，局部采深已达1 200 m。 华丰煤矿主要开采4层煤和6层煤，4层煤厚65 m，6层煤厚 1315 m。煤系岩层基底为奥陶系，上覆岩层为第三系砾岩层和第四系黄土层。井田为倾伏向斜构造，煤岩层倾角为2545。井田中部地层走向相对稳定，两翼地层变化明显，且存在大量中小型断裂和次级褶皱。整个井田以中小型断层为主，且多为正断层，只在东翼存在逆断层。井田内可采煤层均为稳定和相对稳定煤层。 华丰煤矿首次发生破坏性冲击地压是在1991年1月14日，i992年3月8日发生在2406(上)上平巷的破坏性冲击地压造成2人重伤，停产3 d。,华丰煤矿冲击地压主要发生在4层煤中。4层煤硬度1520，密度149 gcm。，自然含水率2，抗压强度2175 mpa。4层煤直接顶为49 m粉细砂岩，抗压强度695 mpa，抗拉强度381mpa基本顶总厚度为78 m，其中第一分层22 m，为中细和中粗砂岩；第二分层56 m，为中细砂岩。基本顶之上为70 m泥岩和红土层，红土层之上为厚500 m以上的坚硬砂砾岩。 从冲击地压发生区域看，华丰煤矿的冲击地压集中发生于一采区和二采区的1405、1406、1407、1408、2405、2406等工作面，发生在一12平巷的比重相当大。,3兖州济宁三号煤矿 济宁三号煤矿主要开采3号一上煤层，煤层厚度268 m，埋深 近l 000 m。在沿空掘进6303工作面辅助平巷期间，先后三次发生较严重的 压力异常显现，造成巷道变形严重，部分地段巷道失稳。另外，当时正在 采煤的6300工作面的辅助平巷在来压前一个月左右，也曾发生过一次压力 异常显现。 2004年1 1月30日，6303下作面辅助平巷1 3761 406 m共30 m段发生 煤体冲击地压，煤帮瞬问冲击152 m，将巷道中的7个车盘掀翻， 同时伴有巨大的声响，地面能感觉到轻微震动，给矿井的安全生产带来了 很大威胁。,三、“三硬”开采条件下的冲击地压 1徐州三河尖矿 三河尖矿四翼主采煤层及顶底板是典型的“三硬”条件。三河尖矿西翼主 采煤层为7煤层和9煤层，开采深度已达840 m。随着开采深度的增加，煤岩 体中的应力越来越大，煤岩动力现象越来越频繁，冲击地压危险越来越 大。自i 991年5月首次在7110工作面材料道发生冲击地压以来，累计发 生破坏性冲击地压达25次，仅在西翼坚硬顶板区域发生的冲击地压 就达19次，破坏巷道1 700 m，具有冲击危险的工作面开采中平均每面发生破 坏性冲击地压次数达4次以上。 发生后的明显特征是煤壁片帮严重，煤层与顶板岩层间出现明显的离层 ，且顶板完好无损。冲击区域处于断层附近，且由工作面和材料道及联构成 了三角形煤柱，使该区域的应力集中程要高于正常区域。 与瓦斯冲击危害已成为威胁该矿安全生产的主要自然灾害之一。,2北京门头沟矿 门头沟矿主采煤层有二槽和五槽，煤厚0735 m， 倾角10。85。，采深达700 m；层间距80100 m，各层间 均有坚硬砂岩，厚1080 m；地质构造由较简单至较复杂。 该矿采用刀柱工作面布置，一个刀柱走向长度为40 m，开 采过程中冲击地压频繁发生。该矿井现已停产关闭。,3大同忻州窑矿 忻州窑矿属“三硬条件下的冲击地压矿井。2004年10月9日， 冲击地压冲毁巷道25 m，巷道底鼓1 m左右，靠煤壁一侧炸帮深2 m多，支架破坏严重。2004年10月27日，冲击地破坏巷道50m，底鼓最 高处约15 m，煤柱破坏深度1 m左右，附近的密闭被震裂，风桥墙体 严重损坏，出现漏风现象，co急剧上升。 2004年12月6日，发生的冲击地压致使32架支架严重变形，推 倒17架，有20 m巷道内的支架被压歪，底板稍微鼓起，风桥受损，出 现漏风，约30 m范围内巷道炸帮严重。 2005年1月21日，发生冲击地压时11架棚子倾倒，局部出现底鼓 ，底鼓20m。,4开滦唐山矿 开滦唐山矿五煤层为冲击地压危险煤层，煤厚12 m，倾角平均 1 0。，顶板为砂岩，采用走向长壁垮落法开采。唐山矿五煤层的5257工作 面，在临近收尾时已是四面采空，为回收14组自移式液压支架进行巷道准 备，在套棚过程中触发冲击地压，如图a一2所示。 40 m范围内巷道金属摩擦支柱全部折断，巷道底鼓l m多。唐山矿煤与 瓦斯冲击发生位置有以下几种情况：在采面两侧的采煤巷道或前方边中、 在采工作面中、在煤柱下方的岩石大巷中。冲击地压多为突然发生， 发生时伴有强烈声响、动和冲击波，可使煤岩瞬间破坏并抛向工作空间， 造成粉尘飞扬，支架严重压缩变形以