冲击地压及其监测课件.ppt

2020 3 13 1 矿山压力与岩层控制电子教案 E mail tsgst Tel 86057752 主讲人 顾士坦 2009年2月 2020 3 13 2 冲击地压及其监测 冲击地压是世界范围内煤矿开采中最严重的自然灾害之一 它以突然 急剧 猛烈的形式释放煤岩体变形能 抛出煤岩体 造成支架损坏 片帮冒顶 巷道堵塞 伤及人员 并产生巨大的响声和岩体震动 岩体震动时间从几秒到几十秒 抛出的煤岩体从几吨到几百吨 9 1概述 我国煤矿矿井大多建于五 六十年代 随着时间的推移和矿产资源开发向深部转移 这些矿井将逐步进入深部开采 冲击地压灾害问题将更加严重 更加突出 尽管国内外学者在冲击地压发生机理 监测手段及控制等方面研究取得了重要进展 但由于冲击地压发生的原因极为复杂 影响因素颇多 到目前为止 远没有从根本上解决对其有效预测和防治问题 2020 3 13 3 冲击地压及其监测 9 2冲击地压的特征及其分类 冲击地压 矿山采动 采掘工作面 诱发高强度的煤 岩 变形能瞬时释放 在相应采动空间引起强烈围岩震动和挤出的现象 冲击地压共有的显现特征为 突发性 瞬时震动性及破坏性 我国煤矿冲击地压的突出特点为 多类型 条件复杂 随采深增加发展趋势严重等 冲击地压发生的地点及其主要特征为 1 冲击地压的发生与地质构造有密切关系 往往发生在褶皱 断层及煤层变异性突出的部位 主要受构造应力的控制 2 发生冲击地压的煤层顶板往往具有坚硬的岩层 该岩层聚集高强度的变形能 是冲击地压发生的主要驱动能量 2020 3 13 4 冲击地压及其监测 3 发生在超前巷道的冲击地压 以巷道两帮煤体抛出为主要特征 将巷道堵塞 甚至完全充实巷道空间 4 发生在工作面的冲击地压 一般表现为大面积冲击现象 冲击形成的煤体运动和冲击波将支护体推倒 5 在留有底煤的采场 冲击地压发生时 以底臌和煤岩压入采场空间为主要显现特征 2020 3 13 5 冲击地压及其监测 9 2 2冲击地压的分类 1 根据冲击地压的能量特征按冲击时释放的地震能大小分类 表9 1按冲击时释放的地震能大小分类 2 按参与冲击的煤岩体类别分类 煤层冲击 煤层冲击产生于煤体一围岩力学系统中的冲击地压 是煤矿冲击地压的主要显现形式 岩层冲击 岩层冲击是高强度脆性岩石瞬间释放弹性能 岩块从母体急剧 猛烈地抛出 2020 3 13 6 冲击地压及其监测 3 根据冲击力源分类 重力型 重力型主要是受重力作用引发的冲击地压 没有或只有少量构造力的影响 构造型 构造型主要是受构造力引起的冲击地压 中间型 中间型是重力和构造力共同作用引发的冲击地压 4 按统计方法分类 按冲击地压的破坏后果分类 a 一般冲击地压 b 破坏性冲击地压 c 冲击地压事故 按显现强度分级 表9 2按显现强度分级 2020 3 13 7 冲击地压及其监测 9 3冲击地压发生的机理 原因及实现的条件 强度比较高的煤 岩 层 受构造运动和开采形成的高度应力集中是冲击地压发生的根本原因 若没有采取释放应力和能量措施 在高应力集中部位进行采掘工程 将使得冲击地压得以发生 影响因素 1 地质因素 主要包括开采深度 地质构造 煤岩结构和力学特性等 2 开采技术因素 开采多煤层时 任何造成应力集中的因素 如开采程序不合理 留设煤柱 相邻两层开采错距不合适等 均对防治冲击地压不利 从防治冲击地压的角度而言 壁式开采优于柱式开采 旱采优于水采 直线工作面优于曲线工作面 垮落法优于充填法 煤柱和开采边界是应力集中的主要地点之一 应尽量避免和减少这些因素的有害影响 2020 3 13 8 冲击地压及其监测 9 3 3冲击地压发生理论 1 刚度理论 试件的刚度大于试验机构的刚度时 破坏是不稳定的 煤岩体呈现突然的脆性破坏 矿山结构的刚度大于矿山负荷系统的刚度是产生冲击地压的必要条件 该理论没有考虑到矿山结构与矿山负荷系统本身可以储存和释放能量 2 强度理论 冲击地压发生的应力条件是 即矿山压力大于煤体 围岩力学系统的综合强度 2020 3 13 9 冲击地压及其监测 图9 1强度理论示意图 较坚硬的顶底板可将煤体夹紧 阻碍深部煤体自身或煤体 围岩交界处的变形 使煤体更加压实 承受更高的压力 积蓄较多的弹性能 在煤体夹持带内压力高并储存有相当高的弹性能 高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近 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 形成冲击地压 强度理论较好的揭示了煤体 围岩力学系统的极限平衡条件 解释了冲击地压的一些现象 具有简单 直观和便于应用的特点 但对冲击地压动力学特征的描述不够 特别是对采场周围煤岩体经常出现局部应力超过其强度极限的现象 但并没有发生冲击地压 这说明强度理论提出的判据不够充分 2020 3 13 10 冲击地压及其监测 3 能量理论 矿体 围岩系统在其力学平衡状态失稳所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击地压 能量理论把煤岩体看成纯弹性的 不符合冲击地压是煤岩体破坏的事实 该理论没有说明平衡状态的性状及其破坏条件 特别是围岩能量释放的条件 缺乏必要的判据和条件 4 冲击倾向性理论 煤岩体发生冲击破坏的固有能力或属性 煤岩体冲击倾向性是发生冲击地压的必要条件 2020 3 13 11 冲击地压及其监测 当这两个冲击倾向性指标大于某个值时 就会发生冲击地压 这一理论称为冲击倾向性理论 2020 3 13 12 冲击地压及其监测 至今煤炭部门上还在沿用这一指标 并制定了标准 如表9 3所示 5 三准则理论 我国学者李玉生等把强度准则视为煤岩体的破坏准则 作为冲击地压发生的必要条件 把能量准则和冲击倾向性准则视为煤岩突然破坏的准则 作为冲击地压发生的充要条件 认为当三个准则同时满足时 才是判定冲击地压发生的必要条件 2020 3 13 13 冲击地压及其监测 根据岩石全应力 应变曲线 在上凸硬化阶段 煤 岩抗变形 包括裂纹和裂缝 的能力是增大的 介质是稳定的 在下凹软化阶段 裂纹迅速传播和扩展 发生微裂纹密集而连通的现象 使其抗变形能力降低 介质是非稳定的 在非稳定的平衡状态中 一旦遇有外界微小扰动 则有可能失稳 从而在瞬间释放大量能量 发生急剧 猛烈的破坏 即冲击地压 6 失稳理论 7 其它 突变论引入岩石力学 建立了岩体结构失稳的突变模型 对围岩压力 刚度和煤岩体损伤扩展耗散能量进行分析 定性地解释了发生冲击地压的机理 分叉理论 BifurcationTheory 和混沌动力学 ChaoticDynamics 应用于冲击地压的研究 谢和平提出了冲击地压的分形特征 将分形几何引入冲击地压的形究 2020 3 13 14 冲击地压及其监测 9 4冲击地压的监测方法 9 4 1对比法 基于相似条件下对冲击前兆进行归类 考虑本矿和邻矿的冲击地压现状和发展趋势 本煤层或邻层 邻区已发生过的冲击地压 顶板为单轴抗压强度大于70MPa的坚硬岩层 岛形或半岛形煤柱 支承压力影响区 上部或下部遗留煤柱或回采边界 煤层厚度或倾角突然变化 褶曲或断裂构造带等 根据已发生的冲击地压的开采条件 地质构造特点 可对煤层冲击地压前兆信息进行识别 又称为相似性识别 用对比法进行冲击前兆信息的识别 应了解 1 煤岩层赋存特点 2 开采参数 2020 3 13 15 冲击地压及其监测 9 4 2钻屑法 通过在煤层中钻小直径钻孔 直径42mm 50mm 根据钻孔时在不同深度排出的煤粉量及其变化规律以及有关动力现象判断冲击危险的一种方法 在煤体中打钻至一定深度后 钻孔周围煤体将逐渐达到极限应力状态 孔壁部分煤体可能突然挤入孔内 并伴有不同程度的响声和微冲击 打钻过程中钻具的推进情况也会发生变化 煤层中的应力愈大 煤的脆性破碎愈占优势 在钻孔的B段 孔周煤体处于极限应力状态 打钻过程中钻屑量异常增多 钻屑粒度增大 响声和微冲击强度升高 孔径扩大 这就是钻孔效应 2020 3 13 16 冲击地压及其监测 将煤粉钻孔视为在冲击危险区开掘了一个微型巷道 则制造煤粉钻孔 就犹如规模缩小了的冲击地压模拟试验 打钻时钻孔冲击 粒度 推进时间和推进力的变化以及钻杆被夹持等有关动力效应 亦有可能成为鉴别冲击危险的依据 2 煤粉量的组成 钻孔实体煤芯 钻孔形成后 弹性卸载所形成的附加煤粉量 孔壁周围破碎带内煤体扩容所形成的附加煤粉量 在弹性区与破碎带交界处由于弹性卸载而产生的附加煤粉量 2020 3 13 17 冲击地压及其监测 3 极限煤粉量 极限煤粉量指的是在极限煤体压力作用下所产生的煤粉量 是煤体 围岩力学系统达到极限的平衡条件 即有可能发生冲击地压的煤粉量 因而 所计算的极限煤粉量是鉴别和预测冲击危险的理论依据 9 4 3地球物理法 目前采用的主要方法有 微震法 AE法 电磁辐射法等 1 微震法 微震法监测冲击地压的机理 冲击地压是应力高度集中的结果 由于巷道和工作面煤体的受力由表面到煤体深部应力不断增大 利用微震信息 包括微震的类型 次数 震级等 揭示这些信息的显现规律 就可以对未来冲击地压的强度 发生地点进行预测 2020 3 13 18 冲击地压及其监测 2020 3 13 19 冲击地压及其监测 2020 3 13 20 冲击地压及其监测 2020 3 13 21 冲击地压及其监测 2020 3 13 22 冲击地压及其监测 2020 3 13 23 冲击地压及其监测 2020 3 13 24 冲击地压及其监测 2020 3 13 25 冲击地压及其监测 2020 3 13 26 冲击地压及其监测 2020 3 13 27 冲击地压及其监测 2020 3 13 28 冲击地压及其监测 2020 3 13 29 冲击地压及其监测 2020 3 13 30 冲击地压及其监测 2020 3 13 31 冲击地压及其监测 2020 3 13 32 冲击地压及其监测 2020 3 13 33 冲击地压及其监测 2020 3 13 34