《冲击地压》PPT课件

1,热烈欢迎各位新同事来天安建功立业!,地压知识2007年8月17日第一节：18：4519：30第二节：19：4520：30第三节：20：4521：30星村煤矿矿压科郑玉友,目录,一、地压知识(一)、星村煤矿设计概况(二)、地压述语(三)、采场矿压(四)、采煤工作面矿山压力观测(五)、巷道矿压(六)、巷道矿压观测(七)、矿压观测任务,目录,二、冲击地压知识(一)、冲击地压现象描述(二)、冲击地压是如何形成的？(三)、冲击地压灾害现象有哪些？(四)、冲击地压的预兆？(五)、中国煤矿冲击地压灾害情况(六)、冲击地压灾害的发展趋势(七)、煤的冲击倾向鉴定指标值(八)、冲击地压的防治理论(九)、冲击地压的防治手段及治理措施三、复习题,一、地压知识(一)、星村煤矿设计概况,天安矿业有限公司星村煤矿，设计主采三层煤，井田面积32.6km2，采用一对立井、二水平开拓，中央并列抽出式通风。第一开采水平-870m（埋深929m）；第二开采水平-1200m（埋深1259m）；矿井设计生产能力45万吨/年，服务年限47.3年。星村煤矿从2003年2月5日正式开工，于2005年底完成生产系统和各辅助生产系统，经上级主管部门批准从联合试运转逐步转入到目前的正式生产。星村煤矿以F50断层为界，将采区划分为东西两个部分。其中断层以东的区域，将首先开采，划分为东翼一、二采区。目前两个采区设计，已经济宁市煤炭局批复实施。断层以西的西翼采区，由于埋深较大，设计的三条暗斜井，要穿过侏罗系红层软岩，因而委托南京设计院进行暗斜井开拓设计，并已进行完地震勘探和地面钻探。根据星村煤矿五年计划，采场主要布置在东翼一、二采区，并同步在西翼暗斜井开拓。目前星村煤矿已竣工掘进工作面3个，其中已安全回采完的工作面2个，即3103和3101工作面；3105工作面自2007年6月3日安装完并验收后正在进行回采。另布置两个综掘工作面和4个炮掘工作面，保证了采掘接续的正常进行。,一、地压知识(一)、星村煤矿设计概况,星村煤矿地处滋阳断层和峄山断层的下降盘，煤系埋藏较深，一般在900m以下，越向北越深。根据断层的切割情况和构造特征的差别，以F50为界，将本区划为东、西两区。东区的独立形态类似一个不完整背斜的转折端，总体为向东倾伏的单斜构造，受F50、峄山断层等的影响，局部发育次一级褶曲，倾角一般为25左右，区内断层发育。西区由褶曲幅度不大的两个背斜、一个向斜组成，在西南部还发育几个短轴褶曲，总的走向方向为北西南东向，倾向北北东，倾角小于15，一般在10左右，属于缓倾斜地区。星村井田精查地质报告，未对井田冲击地压情况作出评价，由于煤层赋存较深，根据矿井地质构造特点，设计认为可能存在冲击地压现象，安全专篇要求在施工及生产中应注意以下几点：1、矿井断层发育，生产中应注意断层的测量定位及断层附近的岩性变化，以防发生冲击地压。2、本矿井开采深度大，地应力相对较大，增加了发生冲击地压的几率。3、根据较近的兖州矿区生产实践，根据邻近兖州、济宁、新汶、肥城等矿区生产实践，一般在500m以深发现有冲击地压现象。,一、地压知识(一)、星村煤矿设计概况,4、对冲击地压的防治措施本矿井开采煤层地质条件与上述矿区相似，且深度较大，据推测有发生冲击地压的可能性。为此设计采取以下防治措施：（1）、要求矿井投产后，对首采面进行一次矿山压力观测，摸清顶板运动规律，以利于今后矿井的开采布局、巷道支护设计和顶板管理。（2）、配备一套冲击地压监测系统，随时监测井下地应力变化情况，确保矿井生产安全。（3）、矿井生产过程中，如有冲击地压发生，必须按原煤炭部颁发的冲击地压煤层安全暂行规定，在三个月内补充编制专门设计，进行冲击倾向鉴定，采取治理防范措施。,一、地压知识(一)、星村煤矿设计概况,一、地压知识(一)、星村煤矿设计概况,（4）、本区开采单一煤层，不具备开采解放层的条件。若发现冲击地压现象，应从巷道布置及支护、采煤方法和设备配置上采取相应措施，防止冲击地压发生。包括巷道布置在无冲击地压的岩石或煤层中；采用锚网喷等柔性支护方式；优化煤柱尺寸；禁止形成“孤岛”工作面或三角煤；禁止工作面相向开采；采取煤层注水、卸压爆破、大直径钻孔卸压等。（5）、矿井建设过程中必须对本矿井的煤（岩）冲击倾向作出鉴定，并据此调整矿井开拓开采布置，采取治理防范措施。本矿井开采深度较深，是否出现冲击地压现象有待于研究，生产中应随时监测井下地应力变化情况，以便采取相应措施，确保矿井生产安全。5、装备配备岩石电钻用于强制放顶，并配备微震监测定位系统，型号SYLOK1套，地音监测系统1套，型号SAK（有冲击地压时装备）。,一、地压知识(二)地压术语,1、顶板：处于煤层之上的岩层称为煤层的顶板。2、底板：处于煤层之下的岩层称为煤层的底板。3、围岩：采动空间周围的岩体统称为围岩。4、矿山压力：也叫矿压或地压。采动后，作用于岩层边界上并存在于岩层中促使围岩向已采空间运动的力（促使围岩运动的力）。,采动前后应力分布,一、地压知识(二)地压术语,5、伪顶：紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。厚度一般在0.5m，随采随冒。6、直接顶：位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性、移架或回柱后能自行垮落的岩层称为直接顶。直接顶一般相当于冒落带内的岩层的厚度。是指在老塘不规则冒落的、不能向煤壁前方和老塘矸石上永久传递力的、其作用力必须由支架全部承担的那部分岩层的总和。7、老顶：位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为老顶。是指自身能形成平衡结构、能永久地向煤壁前方和老塘矸石上传递力的、其运动对采场矿压有明显影响的、其作用力无需支架全部承担的那部分岩层。8、直接底：直接位于煤层下面的岩层。9、老底：位于直接底或煤层下面的岩层。,一、地压知识(二)地压术语,10、直接顶来压：回采工作面自切眼开始回采到直接顶开始垮落并来压，称为直接顶来压。11、老顶初次来压：回采工作面自开切眼开始回采，推采到一定距离老顶开始初次垮落并来压的过程叫老顶初次来压。12、老顶周期来压：自老顶初次来压后，又推采到一定距离，老顶出现周而复始的垮落并来压的过程叫老顶周期来压。13、矿山压力显现：采动后，在矿山压力的作用下通过围岩运动与支架受力所表现出的矿山压力现象。14、采动：在煤或岩层中开掘巷道和进行回采工作称为对煤岩的采动。15、采动空间：采动后，在煤（或岩层）中形成的空间。16、冒落带：指采用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接顶的破坏。这部分岩层由支架暂时支撑。17、裂隙带：指位于冒落带之上的岩层。18、弯曲下沉带：一般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可发展到地表。,一、地压知识(三)采场矿压,1、采煤工作面前方的支承压力支承压力：采掘空间附近应力增高区内的应力称为支承压力。支承压力通常及如下3个参数来说明：即应力集中系数K，峰值位置X0及支承压力范围L0表示。采煤工作面前方的支承压力，通常支承压力的分布范围L0从工作面前方1-3m处开始，直到30-40m，甚至有时在距煤壁约100m时即开始变形，最大应力的位置约距煤壁5-15m。应力集中系数K为支承压力与原岩应力的比值，其变化范围一般为1.25-5。2、采煤工作面后方的支承压力：根据原苏联对某矿的测定，通常在工作面后方冒落矸石上的压力仅能恢复到原岩压力(rz)或比原岩压力稍大一点的程度。,一、地压知识(三)采场矿压,3、采煤工作空间压力：由于裂隙带内形成了以煤壁及采空区垮落带为前后支承点的拱式平衡结构，所以，采煤工作空间是处于减压带范围内。4、采煤工作面的侧向支承压力：随采煤工作面推进，除在工作面前后方产生支承压力外，在采空区两侧煤柱或煤体中也将产生支承压力区。在采空区上方岩层冒落稳定后，这种支承压力逐渐趋于固定值，如工作面两端煤柱或煤体不足以抵抗支承压力时，煤帮或煤柱将产生变形或破坏。在此支承压力区内的巷道也将长期受到影响而难以维护。,一、地压知识(四)采煤工作面矿山压力观测,（一）、矿压观测目的和任务1、掌握采煤工作面上履岩层运动规律、来压特征，工作面支架受力特点，支架对顶板的适应性和控制性，并进行顶板来压的预测预报。2、动态监测评估采煤工作面支护质量，提高采面支护质量和支护系统的整体强度，促进安全生产。3、确定超前支承压力影响范围和分布。4、为冲击地压预报和解危提供准确资料。（二）、矿压观测内容1、支架阻力观测：选用KBY-60综采支架光显压力表和7条测线ZYDC-1综采支架压力计算机监测系统。2、支架活柱下缩量观测：用钢尺测量活柱下缩量。3、巷道顶底板移近量观测：选用KDW-150顶板动态仪监测。4、锚网巷道表面位移观测：用HBD-10多功能测枪和钢尺对巷道顶底板及两帮固定的木橛间位移量进行观测。5、两巷超前支护范围内单体支柱工作阻力观测：选用TCP-40增阻式单体支柱测压仪观测。,一、地压知识(四)采煤工作面矿山压力观测,（三）、矿压观测方案1、两巷顶板动态仪监测：在综采工作面的两巷超前支护范围内，均匀布置4个KDW-150型顶板动态监测仪（带采集器和适配器，能存储1周的监测数据，采集后进入计算机通过软件进行处理），在距回采侧煤壁5m位置开始布置第1个，随后按4-5m间距布置，实时监测顶板下沉量。共计安设8台。2、综采支架光显压力表观测：在综采工作面不算过渡支架，剩余的工作面中间支架，按每2-3架安装1台KBY-60光控矿用数字压力表。对前后柱工作阻力进行监测，安装时固定在两后柱间托缆架下。3、综采支架压力计算机监控系统：在综采工作面均匀布置7个ZYDC-I型在线实时监测分机，布置间距10架，安装时固定在两后柱间托缆架下。共安装7台。安装时通讯电缆按自动化办公室指定路线敷设，数据传输电缆在工作面上的压力分机到移动设备列车间敷设，每段线长25-30m，线端用专用接头联接。在线监测的主电源和主机，放在移动变电站列车上，电源连接及试运行，由综采工区跟班电工负责实施。,一、地压知识(四)采煤工作面矿山压力观测,4、两巷移近量观测：在距初采位置20m开始按间距10m布置观测点，每巷一次布置测点三组，随回采随向外增加测点。用测枪定点观测顶底板和两帮间相对位移量。5、超前支护内单体支柱工作阻力检测：测线定为中间排单体支柱，按每7架抽查1架单体柱，共检测5个柱点，每班检测2次。,一、地压知识(四)采煤工作面矿山压力观测,（四）、矿压观测实施办法1、观测时间安排：整个生产期间。2、劳动组织：按侧重采煤、兼顾掘进的原则安排矿压和防冲监测。具体安排2组人员分别跟早、中班监测（每组2人）。3、综采支架光显压力表观测。本仪表是为支移架工显示支架工作阻力用的。此仪表由矿压科盯面人员按移架前、移架后每小班读取并记录数据2次，以作为矿压观测日报的内容汇报。4、综采支架压力计算机监控系统。本系统能实时监控支架工作阻力向井上传输数据，也能为支移架工直接显示动态工作阻力。此系统由矿压科盯面人员和综采小班人员共同负责维护，并由矿压科盯面人员每班巡回检查2次系统数据传输情况和仪表工作状态。5、顶板动态仪数据采集，由矿压科跟早班人员负责采集。每天采集1次。当小班要挪移顶板动态仪时，要提前作好准备，先采集后挪移，谁挪移的谁负责归位，并当天登入计算机和台帐。,一、地压知识(四)采煤工作面矿山压力观测,6、两巷单体支柱初撑力检查，每小班在接班和交班时各检查1次。中间进行抽查。7、支架活柱下缩量观测，按压力分机所在的支架，对其前后柱四个活柱进行下缩量实测。测量时间为小班割煤前量一次，割煤后移架前再量1次，量下缩量时要记录好每次量的时间，以便能计算单位时间内活柱下缩速度。8、两巷顶帮表面位移观测，由每天中班人员布点并实测。与早班人员换班时，要同时交接顶板动态仪数据采集和顶帮表面位移量观测位置及台帐记录等情况。,一、地压知识(五)巷道矿压,1、采区巷道矿压控制的原则抵抗高压。巷道开掘在高压区，用加强支护的手段(包括对围岩进行支撑和加固)对付高压力。避开高压。选择巷道位置时，避开高压作用的地点，把巷道布置在低压区，或者掘巷时错过高压作用的时间，把巷道开掘在压力已稳定区。移走高压。巷道仍开掘在高压区，用人为的卸压措施使高压转移至离巷道较远的地点。释放高压。巷道仍开掘在高压区，但不用高支撑力的支架硬顶，而是允许围岩产生较大变形，使围岩中的高压得到释放(也称应力释放)。,一、地压知识(五)巷道矿压,2、压力来源：采动前原岩中已存应力是矿山压力产生的根源。原岩中各点主应力的大小、方向、垂直应力与水平应力之间的比值等决定了采动后围岩应力重新分布的规律。采动前原岩中各点的应力，其主要来源有：(1)上覆岩层的重力(自重应力)：由上部覆盖岩层的重量所引起的应力称为自重应力。自重应力又包括垂直应力和水平应力。垂直应力：垂直应力等于单位立方体上覆岩层的重力。水平应力：在垂直应力作用下单位立方体将横向变形，但由于受到相邻岩体的约束，不可能膨胀，故产生各向等压的静水应力，即为水平应力。(2)构造运动的作用力(构造应力)；(3)岩体膨胀的作用力(膨胀应力)，包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的力等。,木支架严重损坏,支架破坏实况,拱型可缩性支架破坏,一、地压知识(五)巷道矿压,3、矿压控制：锚杆支护机理,3.1悬吊理论,一、地压知识(四)巷道矿压,3.2组合梁理论,实质：通过锚杆将几个薄岩层锁在一起据材料力学计算，解释了层状岩体锚杆支护组合梁的承载能力很难确定，岩层破碎形不成梁,一、地压知识(五)巷道矿压,3.3压缩拱理论,理论认为：安装锚杆后可形成一个承压拱承压拱厚度和强度？,一、地压知识(五)巷道矿压,3.4最大水平应力理论,巷道受地应力影响,一、地压知识(五)巷道矿压,锚杆的作用是约束围岩的径向膨胀和横向剪切,一、地压知识(六)巷道矿压观测,一、采区巷道矿山压力观测：采区内的巷道多受动压(即采动)影响，在采煤工作面向前推进过程中，工作面四周的巷道将受到不同程度的采动影响。为了寻求各类巷道的矿压显现规律，提供支护结构设计和支护形式选择的依据，一般采区巷道矿山压力观测内容为：1、巷道表面位移量观测；随顺槽的施工或支护形式改变时，按十字布点法设置点对巷道顶底板和两帮进行变形量观测，监测顶板及两帮间锚杆相对变化量，固定点布置在成巷巷道内，从开门点向里随掘进按每50m布置一组测点。一组测点布置3个点，即顶板到底板水平1个点，两帮各布置1个点。用测枪或钢尺测量埋点间相互间距，并做好记录，上井做图绘出移近量曲线图。当位移量较大时，加强观测力度，观测结果及时汇报。2、锚网巷道锚杆和锚索承载情况观测：按初始设计实施后，为检验锚杆的轴向承载情况，是否达到或超过设计的锚固力，对此可采用MLS-20S锚杆测力传感器（液压枕）和KBJ-60III-2数据采集器监测。,一、地压知识(六)巷道矿压观测,安装位置：因锚杆顶板上受力比两帮较大，因而只对顶部锚杆进行监测。安装要就近迎头，并防止炮崩绳抽。由于锚杆测力计的孔径目前最大的只有20mm，而顶板高强度锚杆的直径为22mm，对此采取在两排锚杆间专门打锚杆的方法进行安装。测点布置：随安装顶板离层仪位置一并安装锚杆测力计。选点时在顶板离层仪前后各5m的顶板位置，各安装1台测力计。对沿留煤顶施工的全煤巷道，布置间距为50m.。随施工先监测200m巷道，安装测力计每条顺槽不少于4组（428台）。观测时间要求：在距迎头50m范围内，每天采集数据1次；在距迎头超过50m后，每2-3天采集数据1次。数据处理：由矿压科采集人员升井后，将采集器挂到适配器上，使数据传入计算机，并用专门软件处理，绘制监测曲线图，存档，日报监测结果。,一、地压知识(六)巷道矿压观测,一、地压知识(六)巷道矿压观测,3、顶板离层情况观测。锚杆支护巷道应进行日常观测，观测的主要内容是监测顶板变形。应采用简便、易读并具备直观视觉显示功能的顶板离层指示仪，以便井下所有人员都能随时了解顶板活动情况。顶板离层观测采用双高度顶板离层指示仪，它是一种易于安装、能连续不断提供肉眼能够观察到的顶板稳定状况的仪器，用来观测锚杆锚固区层位和锚固区以上层位岩层的移动（离层）情况。根据所提供的早期顶板岩层状况变化的信息，可对巷道稳定状况提供直观显示，一旦巷道状况出现异常便可以及时采取应急措施和补强加固措施。双高度顶板离层指示仪结构见下图。,一、地压知识(六)巷道矿压观测,一、地压知识(六)巷道矿压观测,日常观测使用的顶板离层指示仪，安装在巷道顶板的中间位置，安装要求符合专门措施和文件规定。安装间距按巷道围岩分类III级及留煤顶施工全煤巷道规定执行，即随掘进每50m安装一个，一直监测到顺槽服务结束。如果实际情况需要，则应减小顶板离层指示仪的安装间隔。安装顶板离层指示仪的目的是：对顶板离层情况提供连续的直观显示，及早发现顶板失稳的征兆，以避免冒顶事故发生；监测数据可作为修改、完善锚杆支护初始设计数据的依据之一。根据设计要求，锚固区内、外顶板离层值均以小于20mm为安全，当锚固区内（锚杆锚固范围）顶板离层值大于20mm时，应将锚杆排距减小100200mm，以增加基本支护的支护强度；如果锚固区外离层值超过20mm（如遇断层带、围岩破碎带或者其它地质条件恶化情况），应紧跟迎头安装锚索，以起到补强加固作用。,一、地压知识(六)巷道矿压观测,二、开拓巷道矿压观测开拓巷道一般不受或少受采动影响，多受静压影响。为了掌握其矿压规律，确定巷道断面形状和支护方式，一般需要观测巷道围岩周边应力和移动、锚喷巷道锚杆、锚索受力承载情况、围岩松动圈等。采区巷道观测方法都适用于开拓巷道矿压观测。1、巷道围岩周边应力观测常用的测定方法：应力解除法；应力恢复法。2、围岩松动圈测定在岩体中开掘巷道后，应力重新分布，巷道围岩表面不能承受压力时则产生裂隙并发生变形位移，而形成破裂松动圈。实测松动圈的范围大小、形状是设计地下工程、评定围岩稳定性，确定锚杆长度等的重要参数。松动圈的测定方法很多，有钻孔潜望镜法、钻孔摄影法、钻孔电视法等，常用的是声波测试法。,一、地压知识(七)矿压观测任务,矿压观测任务,二、冲击地压知识,(一)、冲击地压现象描述冲击地压是矿山压力的一种特显现形式，可描述为：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。是我国煤矿常见的重大事故灾害。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。冲击地压共有的显现特征为：突发性、瞬时震动性,二、冲击地压知识(一)、冲击地压现象描述,冲击地压现象描述为以下主要特征：（1）冲击地压的发生与地质构造有密切关系，往往发生在褶曲、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能量。（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。,二、冲击地压知识(一)、冲击地压现象描述,（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，以底鼓和煤岩压入采场空间为主要显现特征。什么是冲击地压？冲击地压指在煤矿开采过程中，由于压力超过煤岩体的强度极限，使煤岩体突然发生破坏、冒落或抛出，呈现声响、震动以及冲击波等明显的动力效应的现象。,二、冲击地压知识(二)、冲击地压是如何形成的？,发生冲击地压的条件可分为内在条件和外在条件。内在条件与煤层及围岩的自然物理力学性质有关。当煤层能把发生冲击地压所需的大量能量储存起来并能够发生脆性破坏，瞬时释放弹性能时，该煤层就具备了发生冲击地压的内在条件，其中煤（岩）的弹性、脆性、强度、冲击倾向等力学性质和煤层厚度、埋藏深度以及煤的含水量、孔隙度、煤层结构等物理性质的是关键因素。外在条件主要与采场布置、开采方法、开采顺序及采动影响等因素有关。概括讲发生冲击地压有如下四个方面的条件：1、对采场上覆岩层运动规律不清、开采应力大小分布规律不清。2、决策理论不完善、决策手段不具备。3、设计决策失误、实施管理决策失误；4、在错误时间和地点开掘巷道和推进采煤工作面。,二、冲击地压知识(三)、冲击地压灾害现象有哪些？,大量煤岩体突然剧烈破坏并向采掘空间剧烈运动的灾害动力现象，可摧毁巷道、引发其他矿井灾害，造成人员伤亡。具体有如下特点：1、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。2、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。3、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，地面有地震感觉。4、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。5、复杂性。各种条件和采煤方法均出现过。,二、冲击地压知识(三)、冲击地压灾害现象有哪些？,按显现强度分为四类：1弹射：单个碎块从煤岩体表面弹射出来，并伴有强烈的声响。2矿震：它是煤、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生破坏。但煤、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。较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮”。3弱冲击：煤或岩石向已采空间抛出，但对支架和设备无损害，围岩震动，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。4强冲击：部分煤或岩体急剧破坏，大量的煤或岩石向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩强烈震动，伴有巨大声响，形成大量煤尘。,顶板或底板冲击矿压现象,二、冲击地压知识(四)、冲击地压的预兆？,冲击地压发生前的预兆主要有五个方面：1、工作面、巷道顶板压力骤然增大，工作面超前支护段顶梁、单体变形、破坏；2、工作面、巷道片帮严重，顶板下沉加剧，巷道底板鼓起；3、钻孔钻进时，动力效应明显，有卡钻、顶钻、吸钻、钻杆跳动剧烈、钻孔内有异响等现象，钻孔内排出的煤粉大大超过正常量，有碎煤块；4、煤炮频繁，声响有小逐步增