煤矿动压及其灾害防治.doc

授课教案课程名称：矿井围岩控制与灾害防治 适用专业：安全工程（矿山安全）第20讲 煤矿动压及其灾害防治【本讲内容提纲】1. 冲击矿压形成特点及分类2. 冲击矿压的成因和机理【重点内容详解】一、冲击矿压形成特点及分类【笔注】煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。目前，根据动压现象的一般成因和机理，可把它归纳为三种形式，即冲击矿压、顶板大面积来压和煤与瓦斯突出。前两者完全属于矿山压力的研究范畴。1、冲击矿压现象（1）概念 冲击矿压是一种发生在井巷或回采工作面围岩（煤体）内，以突然、急剧、猛烈破坏为特征的矿山压力的动力现象。（2）研究意义 研究深部矿井开采矿山冲击矿压现象对减小矿井地质灾害，保证安全生产具有重要的意义。2、冲击矿压的特点（1）突发性（2）瞬间震动性（3）巨大破坏性（4）复杂性3、冲击矿压分类（1）根据原岩体应力状态不同，冲击矿压可分为三类：重力型冲击矿压、构造应力型冲击矿压、中间型或重力-构造型冲击矿压。（2）根据冲击的显现强度，可分为四类：弹射、矿震、弱冲击、强冲击。（3）根据冲击强度和抛出的煤量，可分为三类：轻微冲击（级）、 中等冲击（级）、强烈冲击（级）。（4）根据冲击矿压发生的地点和位置，可分为两大类：煤体冲击和围岩冲击。此外，还有波兰按冲击矿压使巷道破坏的长度进行分类，以破坏巷道长度达20m和50m为标准共分三类：弱冲击（20m），中等冲击（2050m）和严重冲击（50m）。4、冲击矿压对环境的影响（1）对井下巷道的影响（2）对矿工的影响（3）对地表建筑物的影响 二、冲击矿压的成因和机理【笔注】1、影响冲击矿压发生的因素1）自然地质因素（1）开采深度实际资料也证明，多数矿井的开采深度达到200m以上时，才会发生冲击矿压，并且发生的频次和强度都随着深度增大而增加。（2）煤岩的特性对煤的冲击倾向性评价，主要采用煤的冲击能量指数KE、弹性能量指数WET和动态破坏时间Dt。生产实践与试验研究均表明： 在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或采场均有可能发生冲击矿压； 煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小，反过来，若煤的强度越小，要引发冲击矿压就需要比硬煤高很多的应力； 煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。（3）顶板岩层的结构特点发生冲击矿压的必要条件是形成较大的集中压力和积聚较多的弹性能，这就要求顶底板岩层比较坚硬，煤层具有脆性。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积聚大量的弹性能，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，导致顶板煤层冲击矿压（冲击压力型）或顶板型冲击矿压（冲击型）。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。因为煤层含水后，可使煤层的弹性减小、强度降低、塑性增加，能够减缓发生冲击矿压的危险。（4）地质构造因素在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常（如底板凸起、顶板下陷、煤层分层、变薄和变厚等现象）等构造带，冲击矿压就常常发生在这些构造应力集中的区域。同时，实践还证明，巷道距离断层的距离不同，其产生冲击矿压的次数也不一样。2）开采技术因素冲击矿压大多数发生在巷道（占72.6%），采场则很少发生（占27.4%）。而在有些情况下，冲击矿压同时在巷道和采场发生。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。开采技术条件可以促使冲击矿压发生。它主要体现在两方面，一是人为地形成应力集中，增大发生冲击矿压的危险性；二是改变应力状态和产生震动，可以诱发冲击矿压。具体表现如下：（1）采煤方法一般来说，短壁体系（巷柱或刀柱）采煤方法由于开掘巷道多，巷道交岔多，遗留煤柱也多，形成多处支承压力叠加，容易发生冲击矿压。（2）煤柱煤柱是发生应力集中的地点；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，因而在其附近最容易发生冲击矿压；煤柱上的集中应力不仅对本煤层开采有影响，而且还向下层传递，对下部煤层形成冲击条件。（3）采掘顺序巷道和回采工作面相向推进，以及在回采工作面或煤柱中的支承压力带内掘进巷道，都会集中应力叠加，而发生冲击矿压；此外，若由于开采顺序不当，使相邻区段追逐回采，采场形状不规则或留下待采煤柱等，也都会增大集中应力，造成发生冲击矿压的条件。（4）放炮放炮产生震动，引起动载荷，一方面能使煤层中的应力迅速重新分布而增加煤体应力，另一方面能迅速解除边缘侧向约束阻力，改变煤体的应力状态，由三向压缩变为二向压缩，使其抗压强度下降，导致迅速破坏。因此，放炮具有诱发冲击矿压的作用。此外，钻机、掘进机或其它采煤机工作时，也能局部改变煤体的应力状态，具有诱发作用，但比放炮的影响较小。2、冲击矿压发生的机理及判据1）强度理论该理论认为，煤岩体破坏的原因和规律，实际上是它的强度问题，即材料受载后，超过其强度极限时，必然要发生破坏。但这仅是对材料破坏的一般规律的认识，它不能深入解释冲击矿压的真实机理。2）能量理论英国学者库克等人提出了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。它阐明了矿体围岩的能量关系，煤岩体急剧破坏形式的原因等问题。由于在刚性压力机上获得了岩石全应力应变曲线，揭示出非刚性压力机与试件系统的不稳定性导致了试件在峰值强度附近发生突然破坏现象。1972年布莱克把它推广为发生冲击矿压的条件，认为矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷系（围岩）的刚度是发生冲击矿压的条件，这也称为刚度理论。实际上它也是考虑系统内所储存的能量和消耗于破坏和运动等能量的一种能量理论，但这种理论并未得到充分证实，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击矿压。3）冲击倾向理论煤岩介质产生冲击破坏的固有能力或属性，是冲击矿压发生的必要条件。 实测指标主要有：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。在以上三个理论准则中，强度理论准则是煤、岩体的破坏准则；能量理论准则和冲击倾向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。4）失稳理论介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一；在失稳过