冲击地压-潘立友heb.ppt

潘立友,工程缺陷防治冲击地压创新研究,山东科技大学,汇报提纲,1、冲击地压概述与知识储备2、冲击地压发生原因及实现条件3、冲击地压预测关键技术4、工程缺陷理论与创新技术5、冲击地压防治实践,（1）冲击地压现象描述冲击地压是矿山采动诱发煤（岩）变形能瞬时释放，在相应采动空间引起强烈煤岩震动和挤出现象。冲击地压引起人员伤亡和设备损坏，不仅发生在推进的工作面现场，而且可能波及变形能释放范围的巷道、峒室，特别是存在高应力集中的空间部位。（2）冲击地压显现特征突发性、多样性、破坏性及复杂性。破坏长度大（超过500m）、空间堵塞率高、冲击波伤人严重。,1、冲击地压概述,（3）冲击地压分类,掘进工作面推进诱发的冲击地压。回采工作面推进诱发的冲击地压。,掘进工作面冲击地压分类,回采工作面冲击地压分类,（4）中国煤矿冲击地压灾害情况,抚顺,胜利,龙凤,老虎台,北京,门兴沟,房山,城子,大台,木城涧,开滦,唐山,赵各庄,辽源,西安矿,砚石台,南桐矿,吕家坨,枣庄,陶庄,八一,柴里,徐州,三和尖,张集矿,旗山矿,权台矿,兖矿,东滩,鲍店,济二,济三,南屯,新汶,华丰,孙村,潘西,协庄,良庄,至2012年有140多对矿井发生破坏冲击地压，死亡500人；破坏巷道长度30公里；停产累计12000天。,肥城,梁宝寺,地方煤矿：天池、五一、擂鼓、花鼓山、冰沟、欢城、裕隆、朝阳等。,工作面顺槽冲击,巷道冲击,破坏范围超过100m。,严重破坏范围68m。,切眼冲击,冲击地压灾害的发展趋势,冲击地压类型,重力型冲击地压,构造型冲击地压,复合型冲击地压,采动应力场冲击,原始应力场冲击,更为严重、更为突出、更为普遍,深部开采更需要理论创新与技术突破,应力场：地应力场（stressfieldintheearthscrust）：古构造、现代地壳或地球体内，应力状态随空间点的变化，称为地应力场。采动应力场：开采活动形成受采掘影响在岩体内重新分布后形成的应力。背景应力场：历史演化支护应力场：人为支护应力场，简单的可以认为是提供一个用以弥补由于巷道开挖卸载造成的应力损失而人为构造的一种应力场。相对应力场：次生扰动应力场：深井与软岩,（5）基础理论知识储备,孤岛煤柱支承压力分布图（一般应力分布）,孤岛煤柱支承压力分布图（高应力分布）,孤岛煤柱支承压力分布图（极限应力分布）,结构失稳与应力释放：结构失稳：地质结构、采场结构静结构、动结构主动结构、被动结构应力释放：构造型重力型复合型,矿震在空间内的失稳为主要类型,冲击地压是应力的扰动下破坏与能量释放为主,研究冲击地压等动力问题所需的基础知识（1）地质、采矿等描述性工程类专业知识地质工程专业知识：岩土工程设计、岩土工程勘察、岩土工程施工、工程地质、建筑基础工程施工、地质灾害评价与防治、地下矿产的钻孔开采与利用、非开挖施工技术、岩土工程施工管理等。采矿工程专业知识：采矿学、矿井通风与安全、井巷工程、矿山压力、电工与电子技术、采矿机械、矿山企业管理技术经济分析等。挂图研判-识别-参入，（2）力学知识工程力学|（理论力学、材料力学）、弹性力学、塑性力学、断裂力学、岩石力学、结构力学、突变理论、分形力学、混沌学、小波理论、数理统计、数值模拟计算科学、实验力学等系列基础知识。,2、冲击地压发生原因及实现条件,（1）冲击地压原因及实现条件冲击地压发生原因在储存高强度压缩弹性能的煤岩中，特别是能量聚集的部位开掘巷道和推进回采工作面，引发弹性能的释放。冲击地压的动力源及其影响因素,a煤层压缩弹性能,开采深度愈大，覆岩强度愈高（即允许的悬露面积愈大），受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将愈大。,b顶底板岩层弯曲（压缩）弹性能,重力弯曲弹性能随支托岩层的强度和随动层的厚度成正比；构造弯曲弹性能受采深和顶底板岩层强度所决定的应力保持和释放条件控制。岩层强度愈高，埋深愈大，可能聚集和保持的弹性能的量级将愈高。,冲击地压实现的条件a已采空间周围煤岩中聚集的压缩弹性能达到了足以产生煤岩冲击破坏的量级；-能量条件b采动，包括采掘工作面推进、爆破、顶板断裂等震动性破坏，改变了相关部位煤岩的受力条件和极限平衡状态。-触动条件c采动空间周围没有足够的缓冲体（包括已破坏的煤岩和柔性支护等构筑物等），把煤岩弹性能释放可能动力显现控制到安全的范围内。-防护,（2）掘进工作面推进冲击地压原因及实现条件,在有冲击地压危险的煤层条件下掘进巷道，冲击地压发生和实现的条件如下图所示。,a留小煤柱（“内应力场”范围内）掘进在“内应力场”形成和稳定之前开掘巷道（图中1位置），存在冲击地压危险（采深大于300m）；在“内应力场”形成稳定后（图中2位置），开掘巷道可以避免冲击地压发生；在未经采动释放的构造应力场中掘进巷道，将有冲击地压的危险。b大煤柱护巷方案高应力区开掘巷道（采深大于300400m）时，存在冲击地压危险；在低应力区开掘巷道，在采深小于600800m时，将避免冲击地压的发生。,（3）回采工作面推进冲击地压原因及实现条件a回采工作面内冲击地压发生和实现的条件,单一重力场冲击地压将发生在坚硬岩层顶板第一次裂断开始到采场第一次来压阶段完成，推进距离接近工作面长度的时的范围内。“内应力场”形成之后的采场推进全过程中，出现冲击地压的可能性将很小。临近构造应力场应力高峰区掘进开切眼至坚硬岩层裂断来压完成期间时，始终存在冲击地压的威胁，进入出现“内应力场”的正常推进阶段后，冲击地压事故灾害出现的可能性同样将很小。,b回采巷道冲击地压实现的条件在采场推进全过程中，伴随坚硬顶板裂断，始终存在诱发冲击地压的威胁；随采场推进和坚硬顶板跨落，以及支承压力的增加，伴随坚硬顶板裂断，回采巷道破坏的范围将进一步加大，进入正常阶段将达到最大化；受两侧坚硬顶板悬露，支承压力叠加的影响，回风巷道冲击地压破坏的范围远比运输巷道大得多。,冲击地压事故发生的基本原因,钻屑法、地球物理（电磁、地音）、微震、应力、变形、外载等-不能预报，只能危险性预测（DKX）。巷道掘进期间冲击危险性预测技术；初采期间冲击危险性预测技术；初压期间冲击危险性预测技术；正常推进期间冲击危险性预测技术；收尾期间冲击危险性预测技术。,3、冲击地压预测关键技术,（1）预测方法,立体部署方案参数,（2）工程监测（动态法+信息技术）,利用开采判定预测方法进行冲击地压危险性判定，必须了解以下内容和参数：（1）煤层和围岩的地质力学特点（2）煤层自然参数（3）开采参数,（3）开采判定法最基础方法,随深度、构造的显现规律分析；显现的差异性锚杆挂不住。,冲击危险监测设计；力学机制分析与预警物理量确定；预警指标动态设计；现场实施动态协同管理。,（4）远程监测协同方法,1号,3、4、5号,4、工程缺陷理论与创新技术,4、工程缺陷理论与创新技术,技术路线,依据冲击地压发生的条件和显现规律，防治冲击地压的基本原理和措施分为以下4个方面：（1）战略性或区域性防范措施，按照围岩应力分布规律，进行合理的开采设计（系统改造），控制围岩应力的集中程度，从而避免产生大量的弹性能积聚，消除产生冲击地压的根源，杜绝或减轻冲击危险，其特点是在完备程度上具有彻底性，在时间上具有长期性，在空间上具有区域性；-全局性的工程理论体系思考（2）战术性或局部性的解危措施，即采用卸压钻孔、诱发爆破、煤体高压注水等措施对已形成冲击危险或具有潜在冲击危险的地段进行解危处理，改变煤岩体自身的结构及物理力学性质，以减弱其积聚和释放弹性能的能力，减轻或消除重点部位的冲击危险性，这是局部地段安全开采的前提；-重点区域技术突破（3）监测措施，即采用钻屑法、地音或微震法监测，监测冲击地压的危险程度和解危效果，为采取针对性的防治措施、指导采掘工作提供依据，这是一侦察性、探明性的措施；-工程查体（培训、更新）（4）被动性的防护措施，即在危险地段，采用加强支护、宽巷掘进等方法，尽量避免冲击地压所造成的人员伤害和设备损坏。-安全管理（危险源识别）,冲击地压防治技术体系,掘进期间冲击地压防治,开采设计原则：降低应力、消除冲击根源（如无煤柱充填开采等）,回采期间冲击地压防治,原始应力场,采动应力场,卸压处理,新型支护（让压等）,自动化无人掘进,顶板处理（缺陷法）,工作面,顺槽,新型支护（让压等）,效果检验,大空间释能（缺陷法）,顶板处理（缺陷）,支架选型,煤壁前方松动技术,创新解危技术、支护吸能等,4.1工程缺陷防冲理论（1）缺陷介质特征采矿工程面对的介质是由各种岩石组成的地质体，是在各种宏观地质界面（断层、节理、破碎带、接触带、片理等）分割下形成的有一定结构的地质介质。其工程性质变得复杂，其复杂性表现为：不连续性-非均匀性-各向异性-存在天然应力场、温度场等。地下采矿工程中面对的工程岩体存在断层、空洞、断裂面等缺陷。（2）缺陷分类原始缺陷与工程缺陷原始缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。通过有目的人为开挖与施工，制造出的空间称为工程缺陷，工程缺陷与其周围的破坏裂隙岩体共同组成工程缺陷体。工程缺陷包括人为施工形成自身工程缺陷和工程与原始缺陷的复合体工程缺陷。,（3）缺陷防冲力学机制,（4）缺陷防冲原理,（4）缺陷防冲原理,弹性波在岩体中传播时，其穿透情况决定于裂隙密度与其填充物，弹性波不能穿过被空气充填的裂隙介质，也较难穿越充水裂隙，但能穿越固体充填物。所以工程缺陷体的充填介质是空气与水，对弹性波有阻止作用。缺陷体的高密度缺陷结构对破坏与能量的传递作用具有很好的阻抗性，不同密度的缺陷体，在相同接触爆破条件下，不同缺陷密度花岗岩的破裂模式。图中明确表示，缺陷密度越大，破坏范围越小。说明缺陷体具有吸能抗冲击作用。-（体积7.2:1）,截流前后工作面应力分布状态,4.2工程缺陷防冲技术创新（1）缺陷原理下的开采设计冲击矿井煤层坚持“以控制采掘空间围岩应力集中程度、在缺陷体内布置巷道与硐室为目标”,1-未掘巷道；2-巷道处于低应力区；3-巷道处于高压力区,保护层开采主应力图,工作面离开断层推进；采用适宜的采煤方法（冲击体成缺陷体）；采空区处理方法（形成无灾缺陷）。,（2）工程立体型缺陷技术开采保护层会引起部分岩体变形、移动和破坏，这部分岩体范围称作工程立体缺陷。冲击矿井煤层坚持“以控制采掘空间围岩应力集中程度、在缺陷体内布置巷道与硐室为目标”,保护层开采主应力图,（3）工程线体型缺陷技术缺陷体防治冲击地压的原理主要体现在三个方面：a由于线体型缺陷的作用及爆破震动等能够使应力场进一步向工作面深部转移，应力峰值和煤壁的距离进一步加大；b应力场的转移过程中带动了能量向远距离位置释放，而且应力场转移过程中使能量逐渐、缓慢的释放；c在缺陷体附近的能量释放，能够使缺陷保护区域形成应力缓冲区（卸压保护带），从而降低保护区域的冲击地压危险性。,线体型缺陷卸压示意图,声发射图,（4）内缺陷防冲技术从形状（表面）上看没有缺陷、但煤岩内部制造出缺陷的施工技术称为内缺陷防冲技术。,（5）缺陷转化技术有灾到无灾,顶板缺陷处理,悬顶缺陷处理,（6）缺陷转移技术-空间移动,顶板缺陷转移,底板缺陷转移,3237工作面,要点1：关键是确定高应力危险区域利用缺陷法在适当的空间与合适时间进行能量有序释放,（7）三大要点：,3137工作面,要点2：进行预先缺陷控制：开采前，进行全程检测，确定解危范围，确保安全后开采。,7305工作面危险区域,要点3：对开采环境进行分析：结合掘进与推进工程，进行边施工缺陷边防治。,沿空掘巷“U”型通风方案a实现了在稳定内应力场掘进，从而避免了掘进中冲击地压事故的可能性。b排出了护巷煤柱聚集高强度压缩弹性能的条件，使回风巷道始终处于已破坏的煤壁缓冲保护之下。,（1）无煤柱充填护巷-重点推广技术,理论创新-技术突破,沿空留巷“Y”型通风方案a避免了在应力高峰区，高强度压缩弹性能的部位开掘回风巷道引发冲击地压的可能性。b避免了回采工作面推进回风巷道发生冲击地压灾害的可能性。,负煤柱掘巷方案,在采空区边缘布置巷道,（2）掘进工作面冲击地压防治措施优先推进,达到临界深度采取爆破切顶、卸压钻孔、诱发爆破、煤体高压注水、缺陷控制技术（创新技术）进行解危。进行自动化无人遥控掘进。采用新型支护技术（恒阻力大变形锚索、吸能支架等）,推进方向平面图（解危等综合措施，设置限人装置）,推进方向剖面图（危险段顶板处理）,（3）回采工作面冲击地压防治措施动态实施,（4）存在冲击危险的区域,能量转移（让压释能技术）与截流,案例-开采下解放层,案例-注水,案例-开采上解放层,案例-放顶煤,案例-跨上山,5、冲击地压防治实践,案例-理论创新-缺陷控制,案例技术集成，协同防治,矿区上保护层