对冲击及其机理的思考与再认识潘俊锋

1、2013 2013 全国冲击地压预测及综合防治技术研讨会全国冲击地压预测及综合防治技术研讨会对冲击地压及其机理的思考与再认识对冲击地压及其机理的思考与再认识国家重点基础研究发展计划（国家重点基础研究发展计划（973）项目）项目(2010CB226806)资助资助国家自然科学基金青年基金项目（国家自然科学基金青年基金项目（51204097）资助）资助2013年年09月月冲击地压研究室：潘俊锋冲击地压研究室：潘俊锋 天地科技股份有限公司开采设计事业部天地科技股份有限公司开采设计事业部 （煤炭科学研究总院开采设计研究分院）（煤炭科学研究总院开采设计研究分院） 2022-3-7 提提 纲纲u 冲击地压

2、灾害如何有效防治冲击地压灾害如何有效防治u 对冲击地压及其机理的思考对冲击地压及其机理的思考u 冲击地压机理再认识：冲击地压机理再认识： 冲击启动理论的提出冲击启动理论的提出u 冲击启动理论的实践应用冲击启动理论的实践应用 u 结结 语语冲击地压灾害现象冲击地压灾害现象一、一、 煤矿冲击地压现状煤矿冲击地压现状 诱发次生灾害，造成更加严重的灾难性后果诱发次生灾害，造成更加严重的灾难性后果!2003年年5月月13日，芦日，芦岭煤矿，冲击地压诱岭煤矿，冲击地压诱发瓦斯爆炸，造成发瓦斯爆炸，造成84人死亡；人死亡；2005年年2月月14日，辽日，辽宁孙家湾煤矿，冲击宁孙家湾煤矿，冲击地压诱发特大瓦斯

3、爆地压诱发特大瓦斯爆炸事故，造成炸事故，造成 214人人死亡。死亡。一、煤矿冲击地压灾害现状一、煤矿冲击地压灾害现状 近年来我国煤矿冲击地压矿井数量快速增加，至2011年已有142座煤矿发生过冲击地压。预防方法名称预防方法名称主要应用国家主要应用国家、区域防范方法、区域防范方法1. 优化开拓布置优化开拓布置2. 解放层开采解放层开采3. 无煤柱开采无煤柱开采4. 预掘卸压巷预掘卸压巷5. 宽巷掘进宽巷掘进6. 宽巷留柱法宽巷留柱法7. 煤层注水煤层注水8. 高压水射流切槽高压水射流切槽苏、波、联邦德国、苏、波、联邦德国、中、联邦德国、波、中、联邦德国、波、苏、联邦德国、法、苏、联邦德国、法、中

4、中苏、波苏、波苏、法、中苏、法、中俄、乌、中俄、乌、中中中二、局部解危方法二、局部解危方法1. 顶板深孔爆破顶板深孔爆破2. 煤层卸载爆破煤层卸载爆破3. 煤层高压注水煤层高压注水4. 大孔卸压法大孔卸压法5. 定向水力压裂法定向水力压裂法6. 断底爆破法断底爆破法7. 预掘卸压硐室预掘卸压硐室8. 煤层高压水力压裂煤层高压水力压裂9. 底板切槽法底板切槽法10.围岩支护法围岩支护法波、苏、联邦德国、中、波、苏、联邦德国、中、波、中、美波、中、美波、苏波、苏苏、波苏、波苏苏苏苏中、苏、波中、苏、波波、中波、中中、波中、波中中如何来防治冲击地压灾害？如何来防治冲击地压灾害？冲击地压在哪里发生？冲

5、击地压在哪里发生？监测方法名称监测方法名称主要应用国家主要应用国家、岩石力学方法、岩石力学方法1. 钻屑法钻屑法2. 煤岩体变形测量煤岩体变形测量3. 煤岩体应力测量煤岩体应力测量4. 地质构造形迹分析地质构造形迹分析5. 孔径（底）冲头挤压孔径（底）冲头挤压法法6. 岩饼法岩饼法7. 地质动力区划法地质动力区划法苏、波、联邦德国、中、日、法、苏、波、联邦德国、中、日、法、中、联邦德国、波、法、匈、美、中、联邦德国、波、法、匈、美、日、中、美、匈日、中、美、匈中中苏、波苏、波苏、法、中苏、法、中俄、乌、中俄、乌、中二、地球物理方法二、地球物理方法1. 微震监测微震监测2. 流动地音法流动地音法

6、3. 锤击波速法锤击波速法4. 地电法地电法5. 地磁法地磁法6. 重力法重力法7. 超声法超声法8. 地音法地音法9. 声发射法声发射法10.电磁辐射法电磁辐射法波、苏、联邦德国、中、日、波、苏、联邦德国、中、日、波、中、美波、中、美波、苏波、苏苏、波苏、波苏苏苏苏中、苏、波中、苏、波波、美、中波、美、中中、波中、波中中三、经验类比分析法三、经验类比分析法大部分国家大部分国家 如何来预测冲击地压？如何来预测冲击地压？冲冲击击地地压压怎怎么么发发生生的？的？监监测测什什么？么？目前的机理与实践脱节！目前的机理与实践脱节！Cook，1965Petukhov ，1979Wetokhe，1981Bi

7、eniawski， 1985能量理论能量理论刚度理论刚度理论强度理论强度理论冲击倾向冲击倾向三准则三准则失稳理论失稳理论三因素三因素强度弱化减冲强度弱化减冲机理机理预测预测防治防治 问题：冲击地压防治问题：冲击地压防治“三步走三步走”：冲击地压冲击地压传统的传统的认识：一种矿山井巷或采场周围煤岩体，认识：一种矿山井巷或采场周围煤岩体，由于弹性变形能的瞬间释放而产生的以突然、急剧、由于弹性变形能的瞬间释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。摘自猛烈的破坏为特征的动力现象。摘自煤矿安全规煤矿安全规程程-输输 入入输输 出出冲击地压冲击地压开采、地质条件开采、地质条件 灾灾 害！害！黑

8、箱认识！黑箱认识！开采、地质条件开采、地质条件 灾灾 害！害！开采、地质条件开采、地质条件输输 入入 灾灾 害！害！开采、地质条件开采、地质条件输输 入入 灾灾 害！害！开采、地质条件开采、地质条件输输 入入 灾灾 害！害！新的机理以新的机理以冲击过程冲击过程为突破口！为突破口！开采、地质条件开采、地质条件 冲击地压发生过程一般就几十秒的时间。我们冲击地压发生过程一般就几十秒的时间。我们看到的往往是冲击地压发生后，显现的状态，是一看到的往往是冲击地压发生后，显现的状态，是一个结果，表现为人员伤亡、设备损坏、巷道破坏等，个结果，表现为人员伤亡、设备损坏、巷道破坏等，为此，我们这种冲击地压发生后的

9、结果性状态定义为此，我们这种冲击地压发生后的结果性状态定义为冲击地压显现。为冲击地压显现。 冲击过程之三：冲击地压显现冲击过程之三：冲击地压显现冲击过程之一：冲击启动冲击过程之一：冲击启动无论倾向还无论倾向还是走向定位，是走向定位，震源和冲击震源和冲击地压显现不地压显现不是同一位置，是同一位置，一定存在一一定存在一个冲击启动个冲击启动区。区。冲击过程之二冲击过程之二冲击能量传递冲击能量传递 微震监微震监测证实冲击测证实冲击启动后剩余启动后剩余能量开始传能量开始传递，即冲击递，即冲击能量传递阶能量传递阶段存在。段存在。冲击地压是一个冲击地压是一个“动力学过程动力学过程”！冲击地压冲击地压输输 入

10、入输输 出出冲击启动冲击启动 载荷源载荷源载荷释放载荷释放冲击能量专递冲击能量专递冲击地压显现冲击地压显现任重道远！任重道远！输输 入入输输 出出地质、开采条件地质、开采条件 灾害灾害 分别以分别以“冲击地压冲击地压”、“冲击矿压冲击矿压”为关键词，对近为关键词，对近10年间的科技文献进行年间的科技文献进行检索，共检索了检索，共检索了367篇，分析了篇，分析了 67个矿井冲击地压发生地域，主要影响因素。个矿井冲击地压发生地域，主要影响因素。冲击启动载荷源的统计分类冲击启动载荷源的统计分类 以上都是外围因素，虽然复杂多变，但最终都得归结于为冲击启动提供载荷源： 集中静载荷集中静载荷或集中动载荷！

11、集中动载荷！17冲击地压启动理论冲击地压启动理论认为：冲击地压发生依次经历冲击启动认为：冲击地压发生依次经历冲击启动- -冲击能量传递冲击能量传递- -冲冲击地压显现三个阶段；采动围岩近场集中静载荷的积聚是冲击启动的内因，远场击地压显现三个阶段；采动围岩近场集中静载荷的积聚是冲击启动的内因，远场集中动载荷对静载荷的扰动、叠加是冲击启动的外因；冲击启动区为应力极限平集中动载荷对静载荷的扰动、叠加是冲击启动的外因；冲击启动区为应力极限平衡区，冲击启动的能量判据为衡区，冲击启动的能量判据为 。0CEEE静动对冲击地压及其机理的再认识对冲击地压及其机理的再认识冲击地压启动理论的成套应用冲击地压启动理论

12、的成套应用2022-3-719应用一：应用一： 在冲击地压发生机理中的应用在冲击地压发生机理中的应用2022-3-720巷道侧帮支承压力分布图巷道侧帮支承压力分布图Pa Pa -峰值支承压力峰值支承压力Po Po -原岩应力原岩应力 B B -支承压力带宽度支承压力带宽度 ro ro -巷道的平均半径巷道的平均半径巷道底板巷道底板(地基地基) 极限平衡力学模型极限平衡力学模型B B-基础宽度基础宽度( (侧帮支承压力宽度侧帮支承压力宽度) ) Pu Pu -地基地基( (底板岩体底板岩体) ) 极限承载力极限承载力q q -回填层或道床压力或底板回填层或道床压力或底板支护反力支护反力= 45=

13、 45- -/ 2/ 2由太沙基地基极限承载力理论公式由太沙基地基极限承载力理论公式：12urqCPrB Nq NC N在宽度在宽度B B范围内侧帮集中应力的平均值近似为范围内侧帮集中应力的平均值近似为: : 00122nLPnPPB千秋千秋2114121141巷道冲击地压分析巷道冲击地压分析 02LPBnPn00122nLPnPPB0P0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaP0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaBBqpupuOCADFOCDFAaaaaNN巷道中轴线VVconstant深部集中静载荷型冲击地压分析（780m）成果体现：成果体现：半孤岛面全煤巷道底

14、板冲击启动原理分析半孤岛面全煤巷道底板冲击启动原理分析J. 煤炭学报煤炭学报 2011,2011,（2 2）；冲击地压危险性预评价与）；冲击地压危险性预评价与实践实践J.J.煤炭工程，煤炭工程，20112011（1010） 21141煤层中平均应力集中系数为煤层中平均应力集中系数为1.7，工作面，工作面按埋深折算重应力约为按埋深折算重应力约为18 MPa，算上应力集中系，算上应力集中系数，峰值为数，峰值为30.6 MPa，而实验室测得煤层单轴抗，而实验室测得煤层单轴抗压强度平均为压强度平均为18.20 MPa。 冲击地压启动区域相对巷道全长来讲，看作冲击地压启动区域相对巷道全长来讲，看作一个单

15、位区域，巷帮集中静载荷由式一个单位区域，巷帮集中静载荷由式(5)估算为估算为 E静静=370 KJ/m3，由式，由式(6)计算得计算得EC=49 KJ/m3， 由冲击启动理论，由冲击启动理论， E静静-EC0，就集中静载荷，就集中静载荷足以使得巷道发生动力冲击。足以使得巷道发生动力冲击。千秋千秋2114121141巷道冲击地压分析巷道冲击地压分析 深部集中静载荷型冲击地压分析2022-3-722浅部浅部集中动载荷型集中动载荷型冲击地压分析冲击地压分析 （埋深埋深317m）2022-3-723P0PaPaPa=nP0NBPa工作面煤壁采空区P0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaB

16、qpuOOCDFAaaNNV采空区浅部集中动载荷型冲击地压分析浅部集中动载荷型冲击地压分析 宽沟工作面超前支承压力峰值处于工作面前方宽沟工作面超前支承压力峰值处于工作面前方13.916.75 m处。集中系数平均为处。集中系数平均为2.87。W1143工作面按埋工作面按埋深折算自重应力为深折算自重应力为7.92 MPa，加上应力集中系数，峰值，加上应力集中系数，峰值为为22.73 MPa，而实验室测得，而实验室测得B41煤层单轴抗压强度平煤层单轴抗压强度平均为均为28.80 MPa。 由式由式(6)计算得计算得EC= 59.24 KJ/m3。可见，三次断裂释。可见，三次断裂释放的能量均小于煤层动

17、力破坏所需要的最小能量，工作放的能量均小于煤层动力破坏所需要的最小能量，工作面下部面下部14#20#支架的区域由式支架的区域由式(5)估算为估算为E静静=44.84 KJ/m3，与，与19：34微震事件能量叠加。由冲击启动理论微震事件能量叠加。由冲击启动理论 E静静+ E动动- EC = 44.84 +40-59.24=25.60。浅部集中动载荷型冲击地压分析浅部集中动载荷型冲击地压分析 浅部浅部集中静载荷型集中静载荷型冲击地压冲击地压 （埋深（埋深371m）冲击灾害发生巷道冲击灾害发生巷道远场集中动载荷源监测结果远场集中动载荷源监测结果4-184-295-15-235-245-255-300

18、20000004000000600000080000001000000012000000140000001600000018000000能量/J日期4244464850525456020000004000000600000080000001000000012000000140000001600000018000000能量/J069-2工作面与069-1切眼距离/m高集中应力中掘进的巷道高集中应力中掘进的巷道 巷道围岩集中静载荷研发监测结果巷道围岩集中静载荷研发监测结果应用二：指导开采前冲击危险预评价应用二：指导开采前冲击危险预评价基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价基于集中静载荷探测的冲击

19、地压危险性预评价 0pppc0cpppCCVVGaAbGabVVG 为冲击地压危险性指数，为冲击地压危险性指数，a、b分别为两因子的权重系数，分别为两因子的权重系数， 建立冲击地压危险性预评价模型为式建立冲击地压危险性预评价模型为式 ：r中r弱r弱皮 带 巷中 等 冲 击 危 险 区 域弱 冲 击 危 险 区 域强 冲 击 危 险 区 域r强=0切眼轨 道 巷应用二：指导开采前冲击危险预评价应用二：指导开采前冲击危险预评价基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价 应用二：指导开采前冲击危险预评价应用二：指导开采前冲击危险预评价基于集中静载荷探测的冲击地压

20、危险性预评价基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价 应用二：指导开采前冲击危险预评价应用二：指导开采前冲击危险预评价地震地震CT技术探测的冲击地压危险性预评价技术探测的冲击地压危险性预评价 069-2运 输 巷+218石门+246石门069-2回 风 巷4m6m10m72m煤 岩 层 冲 击 危 险 区 等 级 ： 弱煤 岩 层 冲 击 危 险 区 等 级 ： 中34m43m101m应用二：指导开采前冲击危险预评价应用二：指导开采前冲击危险预评价地震地震CT技术探测的冲击地压危险性预评价技术探测的冲击地压危险性预评价 应用二：指导开采前冲击危险预评价应用二：指导开采前冲击危险预评价地震地震C

21、T技术探测的冲击地压危险性预评价技术探测的冲击地压危险性预评价 地震地震CTCT技术探测的冲击地压危险性预评价技术探测的冲击地压危险性预评价 069-2工作面探测区域煤岩层冲击危险区范围0 6 9 - 1 工作面+ 2 1 8 石 门+ 2 4 6 石 门0 6 9 - 2 运输巷0 6 9 - 2 回风巷8 1 m2 8 m7 9 m7 3 m2 2 m4 7 m2 4 m5 4 m煤岩层冲击危险区 等级：弱煤岩层冲击危险区 等级：中3m8m13mV IV I IV I I II XXX I工作面爆破卸压后冲击危险区范围工作面爆破卸压后冲击危险区范围 集中静载荷集中静载荷岩石力学方法（应力、

22、钻屑量等）岩石力学方法（应力、钻屑量等）集中动载荷集中动载荷地球物理方法（微震、地音等）地球物理方法（微震、地音等）应用三：指导冲击地压实时监测预警应用三：指导冲击地压实时监测预警动载荷源微震、地音联合监测动载荷源微震、地音联合监测古山矿冲击地压静、动载分源监测平台古山矿冲击地压静、动载分源监测平台KJ21冲击地压应力在线系统冲击地压应力在线系统ARAMIS M/E I微震系统微震系统ARES 5 地音系统地音系统开采强度与动载事件发生的规律开采强度与动载事件发生的规律 微震评价指标的确定微震评价指标的确定井田范围系统外动载危险源微震尺度辨识井田范围系统外动载危险源微震尺度辨识 根据微震监测历

23、史数据的分析，采用能量或频次这两个孤立参量不能很好的反应冲根据微震监测历史数据的分析，采用能量或频次这两个孤立参量不能很好的反应冲击危险性大小。课题尝试引进地震学中的击危险性大小。课题尝试引进地震学中的b值、值、值、值、Mm值、值、A(b)值数进行冲击地值数进行冲击地压预测与危险性评价。压预测与危险性评价。采用采用b值预测冲击地压效果图值预测冲击地压效果图表明表明冲击事件大都发生在低冲击事件大都发生在低b值期间值期间，因此低因此低b值异常将冲击危险。值异常将冲击危险。 线性最小二乘法计算线性最小二乘法计算mimiiimimimiiiiiMMmNMmNMb1212111)(lglg宇津德治提出了

24、宇津德治提出了GR修正式，并定义了修正式，并定义了值值：22)(xx采用采用值预测高能事件效果图值预测高能事件效果图图中表明图中表明高能事件大都发生在低高能事件大都发生在低值期间值期间，因此低因此低值异常将预示冲击危险。值异常将预示冲击危险。井田范围系统外动载危险源微震尺度辨识井田范围系统外动载危险源微震尺度辨识 井田范围系统外井田范围系统外动载动载危险源微震尺度辨识危险源微震尺度辨识 b值 ：煤岩体应力水平；值：应力/能量分布的不均匀性； 应用四：指导冲击地压灾害防治 开采前井田区域性防范冲击地压开采前井田区域性防范冲击地压 开采中采掘空间冲击地压危险解除开采中采掘空间冲击地压危险解除冲击地

25、压启动理论的成套应用冲击地压启动理论的成套应用050100150200250300350400450500550600650700750800050100150200250300350400450500550600650SYY-5.0E+06-7.1E+06-9.3E+06-1.1E+07-1.4E+07-1.6E+07-1.8E+07-2.0E+07-2.2E+07-2.4E+07-2.6E+07-2.9E+07-3.1E+07-3.3E+07-3.5E+07-3.7E+07-3.9E+07-4.1E+07-4.4E+07-4.6E+07-4.8E+07-5.0E+0721181Frame

26、001 10 Feb 2011 UDEC2D3.1 Mesh to Tecplot Version 10050100150200250300350400450500550600650700750800050100150200250300350400450500550600650SYY-5.0E+06-7.1E+06-9.3E+06-1.1E+07-1.4E+07-1.6E+07-1.8E+07-2.0E+07-2.2E+07-2.4E+07-2.6E+07-2.9E+07-3.1E+07-3.3E+07-3.5E+07-3.7E+07-3.9E+07-4.1E+07-4.4E+07-4.6E+

27、07-4.8E+07-5.0E+072112121181Frame 001 10 Feb 2011 UDEC2D3.1 Mesh to Tecplot Version 10050100150200250300350400450500550600650700750800050100150200250300350400450500550600650SYY-5.0E+06-7.1E+06-9.3E+06-1.1E+07-1.4E+07-1.6E+07-1.8E+07-2.0E+07-2.2E+07-2.4E+07-2.6E+07-2.9E+07-3.1E+07-3.3E+07-3.5E+07-3.7

28、E+07-3.9E+07-4.1E+07-4.4E+07-4.6E+07-4.8E+07-5.0E+07211212120121181Frame 001 10 Feb 2011 UDEC2D3.1 Mesh to Tecplot Version 10050100150200250300350400450500550600650700750800050100150200250300350400450500550600650SYY-5.0E+06-7.1E+06-9.3E+06-1.1E+07-1.4E+07-1.6E+07-1.8E+07-2.0E+07-2.2E+07-2.4E+07-2.6E

29、+07-2.9E+07-3.1E+07-3.3E+07-3.5E+07-3.7E+07-3.9E+07-4.1E+07-4.4E+07-4.6E+07-4.8E+07-5.0E+0721121212012118121141Frame 001 10 Feb 2011 UDEC2D3.1 Mesh to Tecplot Version 10（b）21181、21121工作面回采后工作面回采后 （d）21181、21121、21201、21141工作面回采后工作面回采后（a）21181工作面回采后工作面回采后 （c）21201、21181、21121工作面回采后工作面回采后 跳采方式区域区域静载荷静

30、载荷的局部集中化的局部集中化 针对井田范围针对井田范围集中静载荷集中静载荷的迁移，集中，不能通过的迁移，集中，不能通过爆破卸压等手段来干扰，也不能采取手段来堵，最为有效爆破卸压等手段来干扰，也不能采取手段来堵，最为有效的方法就是的方法就是“疏导疏导”，即通过优化开采布置，疏通集中的，即通过优化开采布置，疏通集中的高高应力或避免高应力集中区形成。应力或避免高应力集中区形成。 将局部的采掘空间冲击地压发生的条件联系到井田范围将局部的采掘空间冲击地压发生的条件联系到井田范围来讲，来讲，井田区域范围的开采与后期局部冲击地压启动所需要井田区域范围的开采与后期局部冲击地压启动所需要的集中静载荷形成密切相关

31、。的集中静载荷形成密切相关。冲击地压区域防范的集中静载荷冲击地压区域防范的集中静载荷“疏导疏导”理念理念成果体现：成果体现：“区域大范围防范冲击地压的理论与体系区域大范围防范冲击地压的理论与体系”J.J.煤炭学报煤炭学报，20122012，3737（1111）。）。 冲击地压煤层鉴定基于地应力的开拓布置冲击地压煤层合理采法冲击煤层无煤柱护巷煤层群保护层开采同层煤顺序开采 基于冲击启动理论的基于冲击启动理论的区域防范区域防范冲击地压成套技术冲击地压成套技术成果体现：成果体现：“区域大范围防范冲击地压的理论与体系区域大范围防范冲击地压的理论与体系”J.J.煤炭学报煤炭学报，20122012，373

32、7（1111）。）。防治技术模式一：防治技术模式一：全煤巷道冲击地压防治全煤巷道冲击地压防治两帮对错避免形成“桥墩”冲击启动区冲击启动区义马矿区、济宁矿区推广。义马矿区、济宁矿区推广。2max2maxmaxmax巷道两帮应力曲线E2EEE2煤层巷道ESESuuuuXXXXCBA巷道巷道“冲击地压显现冲击地压显现”的能量判据的能量判据 ：2122221122C212121S121-E (+)U+U+UdEdEdEddd2022-3-744防治技术应用模式二：临空巷道冲击地压防治防治技术应用模式二：临空巷道冲击地压防治应用于双鸭山集贤矿、七台河桃山矿应用于双鸭山集贤矿、七台河桃山矿2022-3-7

33、45防治技术应用模式三：集中动载荷型冲击地压的防治防治技术应用模式三：集中动载荷型冲击地压的防治应用于神化宽沟矿，平庄古山矿应用于神化宽沟矿，平庄古山矿冲击地压巷道支护与卸压的关系冲击地压巷道支护与卸压的关系-50002000-50000-50000-50000-20000-30000-10000-5000-10000-5000-10000-100000-5000-5000-5000-500002000200002000200000000000YXZXYZSZZ(Pa)500020000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10预紧力预紧力20kN20kN -500010000-10000-200000-280000-70000-120000-60000-40000-1200000-10000-80000-40000-80000-120000-80000-60000-60000-70000-40000-60000-60000-40