矿上压力及测控第20讲

第十一章煤矿动压现象及其控制 冲击矿压现象形成特点及分类冲击矿压发生机理冲击矿压的预测预报及危险性评定冲击矿压的防治顶板大面积来压 本章主要内容 1 国内外冲击地压灾害及其研究现状 冲击地压现象1738年首次发生于英国 至今已有包括德国 南非 波兰 俄罗斯 美国 加拿大 中国 日本和澳大利亚等20多个国家和地区发生过冲击地压 我国 1933年在抚顺胜利矿最早发生冲击地压 到1985年我国冲击地压煤矿为32个 主要分布在北京 枣庄 抚顺 大同等局矿 开采深度平均为600 750米 截止到2002年 我国发生冲击地压的矿井已达70个 开采深度也达到750 1150米 我国煤矿矿井大多建于五六十年代 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和危害程度也呈明显的上升趋势 世界范围内最早开始研究冲击地压问题的是南非 而对冲击地压问题的系统认识和专门研究是20世纪50年代开始的 我国自20世纪70年代末开始直面冲击地压问题 并作为国家 六五 七五 科技攻关项目进行了有针对性的重点研究 尽管世界各国已同冲击地压进行了近70年的斗争 但世界范围内的冲击地压问题还远没有解决 最近几年我国煤矿冲击地压灾害的频繁发生更证明了这一点 由此可见 煤矿冲击地压问题是相当严重的 如何深入开展冲击地压发生机理的研究 提高矿井煤岩体冲击危险性评价的准确性和冲击地压防治的有效性 对保证矿井安全 高效生产 具有十分重要的理论与现实意义 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 这种动压现象并不是每个矿井都会发生 它也是可以防治的 煤矿动压现象的成因和机理各地不完全相同 它的显现形式也有差异 因此 正确地区分各种动压现象的实质 对深入研究和制定相应的防治对策 都有重大的实际意义 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 即冲击地压 顶板大面积来压和煤与瓦斯突出 2 煤矿动压现象 11 1冲击矿压现象形成特点及分类 一 冲击矿压现象1 冲击矿压现象冲击矿压是煤矿开采过程中承受高应力的煤岩体突然破坏而释放弹性能的矿山压力动力现象 2 特征1 伴有很大的声响 岩体震动和产生冲击波 2 有时向采空空间抛出大量的碎煤或岩块 形成很多煤尘 3 有时还释放出大量的瓦斯 11 1冲击矿压现象形成特点及分类 一 冲击矿压现象3 危害 造成煤岩体震动和煤岩体破坏 支架与设备损坏 人员伤亡 部分巷道跨落破坏等 导致巷道支架遭到破坏 设备移动和空间被堵塞 还会引发或可能引发其他矿井灾害 尤其是瓦斯 煤尘爆炸 火灾以及水灾 干扰通分系统 严重时造成地面震动和建筑物破坏等 二 冲击矿压的特点 1 突发性 2 瞬时震动性 3 巨大破坏性 4 复杂性 褐煤 无煤柱长壁开采法 三 冲击矿压类型 根据原岩体应力状态不同 冲击矿压可分为三类 1 重力型冲击矿压 如枣庄 抚顺 开滦等矿区发生的冲击地压 11 1冲击矿压现象形成特点及分类 弹射 单个碎块射落 微冲击现象 矿震 内部冲击 不外抛 外观为震动 煤炮 弱冲击 煤岩抛出 规模及破坏性不大 强冲击 煤岩大量抛出 破坏严重 级 轻微冲击 10t以下 级 中等冲击 10 50t 级 强烈冲击 50t以上 2 构造应力型冲击矿压 如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压 3 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 11 1冲击矿压现象形成特点及分类 四 冲击矿压的危害 1 对井下巷道 强冲击将大量破坏煤岩抛入巷道 破坏巷道支护系统及围岩结构 小型冲击影响不大 2 对井下人员 遭受突然伤害 现场人员大多遭受脑部受伤 其次是胸部机械受伤 内部器官损伤等 3 对地表建筑 冲击伴发矿震 对地表可造成震害 11 1冲击矿压现象形成特点及分类 一 冲击矿压发生的机理及判据1 强度理论 煤 岩体发生冲击矿压 是由于所受应力超过其强度所致 较有代表性的是夹持理论 力学效应是 压力高并存储相当高的弹性能 高压带和弹性能积聚区可能位于煤壁附近 一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时 煤体有可能突然破坏和运动 抛向已采空间形成冲击地压 2 能量理论煤 岩体受力积蓄弹性能 当系统破坏时 消耗能量少于积蓄能量时 多余能量促使发生冲击 似炸弹爆炸杀伤原理 11 2冲击矿压发生机理 夹持煤机理示意图 3 冲击倾向理论 介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值 煤 岩体发生冲击是几个方面性能的反映 当某性能达到冲击引发标准时 可发生冲击 冲击倾向度 煤 岩产生冲击破坏的能力 弹性变形指数 有效冲击能指数 极限刚度比 破坏速度指数 11 2冲击矿压发生机理 依三种理论有三个准则 强度准则 能量准则 冲击准则 全部应力大于强度 煤岩释放能量大于消耗能量 冲击倾向度大于实验临界值 第一个为破坏准则 后两个为突然破坏准则 同时满足三个准则 才可能发生冲击 11 2冲击矿压发生机理 二 冲击矿压影响因素 影响因素1 地质条件影响 采深 煤岩力学性质 顶板岩层结构 地质构造 自然地质因素 原岩应力 煤岩力学性质 开采技术条件 局部应力集中 组织管理措施 作业质量 技术设备 11 2冲击矿压发生机理 1 采深 体积变形能形状变形能 可见 H越大 体变弹性能越大 越容易冲击 破坏煤并使其运动 消耗于塑性变形 冲击发生采深 式中 应力状态系数c 体积能变形常数 11 2冲击矿压发生机理 一般 H 350m不发生冲击矿压 350m H 500m危险增大 H 500m冲击危险急剧增加 采深与冲击矿压发生频次关系 11 2冲击矿压发生机理 2 煤岩力学性质 煤的冲击倾向性指标 任何煤层均可发生冲击 煤越脆硬 所需冲击能越小 越容易发生冲击 冲击能量指数弹性能量指数动态破坏时间 冲击能指数 全应力应变曲线 峰前能量与峰后能量之比 比值越大 则冲击能力越大 11 2冲击矿压发生机理 弹性能指数 单压破坏前 弹性能与塑性消耗能之比 WET SP ST 峰值前80 90 时再卸载 弹性能所占比重越大 则冲击可能性越大 动态破坏时间 单压时 从极限载荷到完全破坏所经历的时间 破坏时间越短 则越容易发生冲击 11 2冲击矿压发生机理 煤冲击倾向鉴定指标值 煤层含水 可增加塑性 减小弹性能积存 减缓冲击危险 厚煤层比薄煤层更容易发生冲击 11 2冲击矿压发生机理 3 顶板岩层结构 具有厚层坚硬砂岩顶板是发生冲击矿压的主要原因 煤层内弹性能 体积弹性能变形弹性能顶板弯曲弹性能 顶板弯曲能计算图 11 2冲击矿压发生机理 4 地质构造影响 冲击多发地点 向斜轴处 断层附近 煤层倾角变化处 构造应力带 11 2冲击矿压发生机理 2 开采技术影响 影响分两类 产生高应力区 煤柱 采空边缘 孤岛 采序 减小阻力 放炮 截煤 1 采序 影响煤岩体内应力分布 采向 采面向采空区方向推采 易发生冲击 2 上层煤柱 停采线 推进 穿过时冲击危险大 3 采空区 距采空区20 30米 冲击危险大 4 开采面积 开采面积大 冲击危险增大 冲击矿压发生在巷道多 72 6 发生在采场少 27 4 在残采区 停采线 断层及超采处发生冲击多 89 11 2冲击矿压发生机理 11 2冲击矿压发生机理 本节重点 煤矿动压现象及其分类 冲击矿压概念及其特点 冲击矿压的影响因素 冲击矿压的几个理论 一 综合指数法实质 对已发生冲击矿压进行统计 分析其各方面影响因素并确定各因素的影响权重 综合建立预测预报指标 1 地质因素指数 第i个因素实际影响指数 第i个因素最大影响指数 地质因素冲击危险指数 11 3冲击矿压的预测预报 2 开采因素指数 第i个开采因素实际危险指数 第i个开采因素最大危险指数 开采因素冲击危险指数 3 危险等级评定综合指数 无冲击弱冲击中等冲击强冲击不安全 11 3冲击矿压的