矿山压力与岩层控制 (2).ppt

第十一章煤矿动压现象及其控制,主讲人：王成博士E_mail:wangchengcumtTEL2012-6-01,第十一章煤矿动压现象及其控制,第一节冲击矿压现象形成特点及分类第二节冲击矿压发生机理第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定第四节冲击矿压的防治第五节顶板大面积来压,冲击矿压：聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发生强烈声响，造成煤岩体振动和破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等，是煤矿重大灾害之一。,一、冲击矿压现象,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,50年代中期印度某金矿巷道中岩爆造成的戏剧性效果,中度破坏区,严重破坏区,完全闭合区,美国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),(巷道尺寸3m*3m,埋深1540m,震级4),南非某矿岩爆对巷道的破坏,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，有如下特征：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,二、冲击矿压的特点,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,根据冲击的显现强度，可分为四类：弹射。一些单个碎块从高压应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。矿震。煤、岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响，产生煤尘，可能有大量瓦斯涌出。强冲击。煤或岩石大量向已采空间抛出，破坏性很大，出现震级在2.3级以上，伴有巨大声响，产生大量煤尘和冲击波。,三、冲击矿压的分类,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压分为三级：轻微冲击(I级)。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压。中等冲击(II级)。抛出煤量在1050t，震级在l2级的冲击矿压。强烈冲击(III级)。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。,三、冲击矿压的分类,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,根据国内外的分类方法，冲击矿压可分为由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和由构造活动引起的构造型冲击矿压。而采矿型冲击矿压可分为压力型、冲击型和冲击压力型。在某种程度上，构造型冲击矿压也可看作为冲击型。,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,三、冲击矿压的分类,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,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,四、冲击矿压和矿山震动对环境的影响,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,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%,四、冲击矿压和矿山震动对环境的影响,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,冲击地压将造成类似于地震那样的灾害,四、冲击矿压和矿山震动对环境的影响,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,1.冲击矿压影响因素分析,开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大。,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,2.地质条件对冲击矿压的影响,（1）开采深度,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矿压。煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小。煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。煤的冲击能量指数KE、弹性能量指数WET和动态破坏时间DT。,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,2.地质条件对冲击矿压的影响,（2）煤岩的力学特征,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,2.地质条件对冲击矿压的影响,（2）煤岩的力学特征,根据中华人民共和国行业标准MT/T174-2000，用上述三项指标鉴定煤层的冲击倾向，把煤层的冲击倾向分为强烈冲击倾向、弱冲击倾向和无冲击倾向。,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,2.地质条件对冲击矿压的影响,（2）煤岩的力学特征,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,2.地质条件对冲击矿压的影响,（2）煤岩的力学特征,煤试块的冲击性在其单向抗压强度为Rc=1620MPa时变化较大，当煤的单向抗压强度Rc16MPa时,煤试块要发生冲击,就需要较大的压应力。弱冲击倾向性Rc16MPa强冲击倾向性Rc16MPa,顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板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（冲击压力型）冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压。煤层厚度对发生冲击矿压也有影响，煤层越厚，发生冲击矿压越多，越强烈。煤的湿度也有影响作用。,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,2.地质条件对冲击矿压的影响,（3）顶板岩层的结构特点,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,2.地质条件对冲击矿压的影响,（4）地质动力因素,冲击矿压大多数发生在巷道(72.6%)，采场则较少(27.4%)。残采区和停采线对冲击矿压发生影响较大。从统计结果看，89%的冲击矿压发生在残采区，停采线，断层区域或煤层超采的地方。,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,3.开采技术对冲击矿压的影响,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,3.开采技术对冲击矿压的影响,煤柱区应力的高度集中,煤柱区垂直应力分布,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）,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,3.开采技术对冲击矿压的影响,煤柱区剪切应力分布,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,3.开采技术对冲击矿压的影响,上层煤遗留煤柱和停采线,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,3.开采技术对冲击矿压的影响,停采线或边角形成的非稳定区。当工作面推进到该区域后，停采线上方的岩体将移动，形成二次应力重新分布，就有可能，形成冲击地压。,一、冲击矿压影响因素,第二节冲击矿压发生机理,3.开采技术对冲击矿压的影响,强度理论：矿体-围岩力学系统的极限平衡条件的分析和推断。具有代表性的是夹持煤体理论,这种理论认为，较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，煤体夹持阻碍了深部煤体自身或煤体围岩交界处的卸载变形。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击矿压。能量理论：矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于消耗能量时，就会发生冲击矿压。它阐明了矿体与围岩的能量转换关系，煤、岩体急剧破坏形式的原因等问题。,二、冲击矿压发生的机理及判据,第二节冲击矿压发生机理,冲击倾向理论：煤岩介质产生冲击破坏的能力称为冲击倾向。可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测。这种指标的量度称为冲击倾向度。条件是：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标主要有：弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。强度准则是煤、岩体的破坏准则；能量准则和冲击准则是突然破坏准则，因而有些学者认为可把这两者视为必要条件和充分条件，即三个准则同时满足时，才能发生冲击矿压。,二、冲击矿压发生的机理及判据,第二节冲击矿压发生机理,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,一、冲击矿压危险的防治,根据冲击地压发生的原因，冲击地压的预测预报、危险性评价及冲击地压的治理，通过统计、模糊数学等的分析研究，可以对冲击地压的危险程度按冲击地压危险状态等级评定的综合指数法定量化的分为如下表五级,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,二、冲击矿压危险等级划分原则,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,三、综合指数法危险程度分析与早期预报,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,三、综合指数法危险程度分析与早期预报,冲击危险状态等级的综合指数,Wt某采掘工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数，以此可以圈定冲击地压危险程度Wt1地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数Wt2采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,三、综合指数法危险程度分析与早期预报,支承压力达到临界值，且煤层又具有中等以上冲击倾向性，冲击地压就可能发生支承压力峰值大小及其距煤壁的远近，可采用钻屑法探测钻屑法是通过在煤层中打直径4250mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,四、钻屑法局部监测方法,当钻孔进入煤壁一定距离处，钻孔周围煤体过渡到极限应力状态，并伴随出现钻孔动力效应。应力越大，过渡到极限应力状态的煤体越多，钻孔周围的破碎带不断扩大，排粉量不断增多。钻屑量的变化曲线和支承压力分布曲线十分相似,1冲击前施工孔；2冲击后施工孔；3一极限煤粉量；4推测煤粉量；5一实测煤粉量,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,四、钻屑法局部监测方法,钻屑量指数：钻出煤粉量与正常排粉量之比动力效应：如钻杆卡死、跳动、出现震动或声响等现象，记录钻孔时所发生的动力效应，可更加准确地判断危险位置,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,四、钻屑法局部监测方法,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,五、微震法区域性监测方法,微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行微震监测，是一种区域性监测方法。自动记录微震活动，实时进行震源定位和微震能量计算。为评价全矿范围内的冲击地压危险提供依据。冲击地压前兆的微震活动规律：微震活动的额度急剧增加；微震总能量急剧增加；爆破后，微震活动恢复到爆破前微震活动水平所需时间增加。,微震活动保持一定水平(l04J)，处于能量释放状态微震活动的频度和能级出现急剧增加，持续23d后，会出现大的震动突然出现平衡期，持续23d后，会出现大的震动和冲击,指数上升型的微震活动频繁-平静型的微震活动,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,五、微震法区域性监测方法,根据的岩体地音的参数与局部应力场的变化来进行岩石破坏的不稳定阶段是岩石中裂缝扩展的结果，而地音现象则是微扩涨（岩体中出现的破裂和零量裂隙缝）超过界限的表征，而该现象的进一步发展则表明岩石的最终断裂。最终断裂可引发高能量的震动，也可引发冲击地压,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,六、地音（声发射）法局部监测预报方法,连续地音监测,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,六、地音（声发射）法局部监测预报方法,地音变化与煤体应力变化过程相似地音活动三阶段是时间过程，即相对平静、急剧增加、显著减弱地音活动集中在采区某一部位，且地音事件的强度逐渐增加时，预示着冲击地压危险,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,六、地音（声发射）法局部监测预报方法,激发地音监测,岩体受压时，局部较小应力的变化（例如少量炸药的爆炸）将引起岩体微裂隙的产生应力越高，形成的裂缝就越大持续时间就越长，岩体中能量的聚积和释放程度就越高，冲击地压发生的危险程度就越高,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,六、地音（声发射）法局部监测预报方法,流动地音监测结果,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,六、地音（声发射）法局部监测预报方法,实验发现各种煤岩混凝土流变破裂时均有宽频电磁辐射产生,电磁辐射较声发射信号敏感，具有Kaiser记忆效应。,含瓦斯煤岩流变破坏声发射、电磁辐射信号原始记录,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,电磁辐射与载荷及煤岩流变破坏程度间呈正相关,(a)电磁辐射信号(幅值)与载荷间关系(b)电磁辐射脉冲数与载荷间关系,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,流变破坏电磁辐射主频段是变化的随破坏程度增加而向高频段迁移,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,电磁辐射与声发射间具有很好的相关性,电磁辐射能够可靠反映动力灾害危险程度，实现对煤岩动力灾害的监测和预报,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,非接触、定向区域性连续监测的宽频电磁辐射监测系统,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,工作面无冲击危险时的电磁辐射,工作面有冲击危险时的电磁辐射,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,预测有危险,采取卸压爆破措施消除危险.,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,预测有危险,采取措施不到位发生动力灾害,徐州三河尖矿10月26日发生冲击地压实测结果,（在24日中班预报有危险，安排25日卸压，需8个钻孔，仅打4个，卸压未到位，在26日中班发生冲击地压),第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,七、电磁辐射局部监测预报方法,冲击地压的随机性和突发性，破坏形式的多样性，单一方法预测不可靠，必须结合冲击地压危险的区域预报与局部预报，早期预报与及时预报。首先分析地质开采条件，根据综合指数法和计算机模拟，预先划分出冲击地压危险及重点防止区域，提出冲击地压的早期区域性预报采用微震监测系统，对矿井冲击危险提出区域和及时预报采用地音监测法、电磁辐射监测法等地球物理监测手段，对矿井回采和掘进工作面进行局部地点的预测预报然后采用钻屑法，对冲击地压危险区域进行检测和预报对危险区域和地点进行处理,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定,八、综合预测方法,第四节冲击矿压的防治,1.合理的开拓布置和开采方式,一、冲击矿压防范措施,开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采。划分采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区采区或盘区的采面避免相向开采，以免应力叠加在地质构造等特殊部位，应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，应从轴部开始回采，在构造盆地应从盆底开始回采；在有断层和采空区的条件下应从采用断层或采空区开始回采的开采程序,有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、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开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架,第四节冲击矿压的防治,1.合理的开拓布置和开采方式,一、冲击矿压防范措施,一个煤层(或分层)先采，能使临近煤层得到一定时间的卸载解放层必须选择无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层实施时必须保证开采的时间和空间有效性（全垮3年，全充2年）不得在采空区内留煤柱，以使后采煤层得到最大限度的卸压,第四节冲击矿压的防治,2.开采解放层,一、冲击矿压防范措施,第四节冲击矿压的防治,2.开采解放层,一、冲击矿压防范措施,最大限度地释放聚积在煤体中的弹性能，在煤帮附近形成卸压破坏区，使压力升高区向煤体深部转移。合理布置及装药量能形成岩体震动，并在一定程度上形成煤体的松动带，落煤方便，爆炸形成的压力与开采形成的压力叠加，超过其极限状态，使岩体卸压或引发冲击地压振动卸压爆破：引发冲击地压、转移应力集中区、松动煤体振动落煤爆破：引发冲击地压、减缓或移去深部煤体或采煤机截深范围内的支承压力区振动卸压落煤爆破：组合了振动、卸压爆破和振动、落煤爆破两种顶板爆破：将顶板破断，降低其强度，释放聚集的能量，减少对煤层和支架的冲击振动,第四节冲击矿压的防治,二、冲击矿压解危措施,1.振动爆破,炸药的布置应从煤层内应力最高点开始向里，而外部全部用炮泥封孔。可扩大塑性区，将应力最高点向深部转移,第四节冲击矿压的防治,二、冲击矿压解危措施,1.振动爆破,钻孔深度L与应力峰值距煤壁距离s关系L=aln(s)+b钻孔越深，爆破力度越大，效果越好,第四节冲击矿压的防治,二、冲击矿压解危措施,1.振动爆破,卸压爆破诱发冲击地压,三河尖7204工作面从10月17日工作面开始回采，至3月14日，共推进120m，其中进行了卸压爆破54次。成功的诱发冲击地压15次。,第四节冲击矿压的防治,二、冲击矿压解危措施,通过卸压爆破前后电磁辐射的连续观测表明，卸压爆破后的30分钟内，电磁辐射的脉冲数变化剧烈。说明，在这期间煤壁内变形破坏剧烈，有可能发生冲击地压,第四节冲击矿压的防治,二、冲击矿压解危措施,对特厚坚硬岩层进行处理,第四节冲击矿压的防治,二、冲击矿压解危措施,对特厚坚硬岩层进行处理,第四节冲击矿压的防治,二、冲击矿压解危措施,2.煤层注水,二、冲击矿压解危措施,煤的强度与冲击倾向指数WET也随煤的湿度的增加而降低,单向抗压强度与其含水量冲击倾向指数与煤的湿度增量,第四节冲击