冲击地压及其监测-山东科技大学

1、9.1 概述9.2 冲击地压的特征及其分类9.3 冲击地压发生的机理9.4 冲击地压的监测方法9.5 冲击地压的预防第九章 冲击地压及其监测矿山压力与岩层控制精品课件 9.1 概 述冲击地压（岩爆） 瞬间释放煤岩体变形能，引起强烈围岩震动 支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员等 随采深冲击地压发生频次和烈度增大 冲击地压发生原因复杂，影响因素多 预防冲击地压对巷道围岩稳定性的破坏已成为矿产资源开采过程中一个急需解决的最关键、最棘手的问题。产生危害开采深度影响矿山压力与岩层控制精品课件9.2 冲击地压的特征及其分类9.2.1 冲击地压的特征 共有特征 突发性、 瞬时震动性、 破坏性 我国煤矿冲

2、击地压突出特点 多类型 、 条件复杂 、 随采深增加发展趋势严重等 诱发因素 如放炮、顶板来压期间、回柱（移架）等 冲击地压发生的地点及其主要特征 a 与地质构造有密切关系，往往发生在褶皱、断层及煤层变异性突出的部位，主要受构造应力的控制 矿山压力与岩层控制精品课件9.2.1 冲击地压的特征 冲击地压发生的地点及其主要特征b具有坚硬的岩层的煤层顶板，该岩层聚集高强度的变形能c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d发生在工作面的冲击地压，一般表现为大面积冲击现象e在留有底煤的采场发生时，以底臌和煤岩压入采场空间为主要显现特征9.2 冲击地压的特征及其分类矿山压力与岩层控制精品课

3、件9.2.2 冲击地压的分类（1）根据冲击地压的能量特征按冲击时释放的地震能大小冲击地压级别地震能J震中的地震中裂度（级）微冲击（射落、微震）弱冲击中等冲击强烈冲击灾害性冲击101010210210410410710711223.53.555表9.1 按冲击时释放的地震能大小分类9.2 冲击地压的特征及其分类矿山压力与岩层控制精品课件9.2.2 冲击地压的分类（2）按参与冲击的煤岩体类别 a 产生于煤体一围岩力学系统 b 煤矿冲击地压的主要显现形式 a 高强度脆性岩石瞬间释放弹性能 b 岩块从母体急剧、猛烈地抛出 对于煤体是顶底板岩层内弹性能的突然释放，又称围岩冲击。按冲击位置又分顶板冲击和底

4、板冲击。9.2 冲击地压的特征及其分类煤层冲击岩层冲击矿山压力与岩层控制精品课件9.2.2 冲击地压的分类（3）根据冲击力源分类 （4）按统计方法分类按冲击地压的破坏后果分类 a 一般冲击地压 b 破坏性冲击地压 c 冲击地压事故9.2 冲击地压的特征及其分类重力型构造型 中间型由受重力作用引发，没有或有少量构造力的影响主要由受构造力引起重力和构造力共同作用引发矿山压力与岩层控制精品课件表9.2 按显现强度分级等 级123456里氏地震级0.5-1.01.1-1.51.6-2.02.1-2.52.6-3.03.09.2.2 冲击地压的分类 （4）按统计方法分类 按显现强度分级 按里氏地震计分级

5、，见表9.29.2 冲击地压的特征及其分类矿山压力与岩层控制精品课件9.3.1 冲击地压发生的原因及实现的条件 9.3 冲击地压发生的机理根本原因发生条件强度比较高的煤（岩）层冲击地压发生没有采取释放应力和能量措施 高应力集中部位的采动影响 受构造运动和开采形成的高度应力集中矿山压力与岩层控制精品课件9.3.2 冲击地压发生的影响因素（1）地质因素 （2）开采技术因素 开采多煤层时 任何造成应力集中的因素 （诱导因素 ），9.3 冲击地压发生的机理开采深度地质构造煤岩结构及性能 如开采程序不合理、留设煤柱、相邻两层开采错距不合适等矿山压力与岩层控制精品课件9.3.3 冲击地压发生理论（1）刚度

6、理论 提出 在20世纪60年代由Cook等人理论认为 试件的刚度大于试验机构的刚度时 破坏是不稳定的，煤岩体呈现突然的脆性破坏 （2）能量理论 从能量转化方面 解释冲压成因 理论认为 冲击地压发生的条件为矿体-围岩系统在其力学平衡状态失稳所释放的能量大于所消耗的能量9.3 冲击地压发生的机理矿山压力与岩层控制精品课件9.3.3 冲击地压发生理论（3）强度理论冲击地压发生的应力条件： 即矿山压力大于煤体-围岩力学系统的综合强度理论认为 较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍深部煤体自身或煤体-围岩交界处的变形（图9.1），煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。 从极限平衡和弹性能释放的意义上

7、来看，夹持起了闭锁作用。高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击地压。矿山压力与岩层控制精品课件图9.1 强度理论示意图9.3.3 冲击地压发生理论矿山压力与岩层控制精品课件（4）冲击倾向性理论 提出 由波兰和前苏联学者 煤岩体冲击倾向性 发生冲击地压的必要条件 我国学者提出 用煤样的动态破坏时间（D t）、弹性能指数（WET）及冲击能量指数（KE）三项指标综合判别煤的冲击倾向的实验方法。 两个冲击倾向性指标 弹性能指数WET、冲击能量指数KE9.3.3 冲击地压发生理论矿山压力与岩层控制精品课件（5）三准则理

8、论 我国学者李玉生等提出判定冲击地压发生的必要条件 强度准则、能量准则和冲击倾向性准则 应同时满足（6）失稳理论 根据岩石全应力应变曲线 介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一 提出了冲击地压是材料失稳的思想 9.3.3 冲击地压发生理论矿山压力与岩层控制精品课件（7）其它 20世纪70年代末 林天键、唐春安 将突变论 引入岩石力学 潘岳等学者 建立岩体结构失稳的突变模型 齐庆新等学者 提出 “三因素”理论 谢和平院士 提出了冲击地压的分形特征 将分形几何引入冲击地压的研究9.3.3 冲击地压发生理论矿山压力与岩层控制精品课件9.4 冲击地压的监测方法9.4.1 对比法 基于相似条件下对冲

9、击前兆进行归类 一般应考虑下列因素 a 本矿和邻矿的冲击地压现状和发展趋势 b 本煤层或邻层、邻区已发生过的冲击地压 c 顶板为单轴抗压强度大于70MPa的坚硬岩层 d 岛形或半岛形煤柱 e 支承压力影响区 f 上部或下部遗留煤柱或回采边界 g 煤层厚度或倾角突然变化 h 褶曲或断裂构造带等矿山压力与岩层控制精品课件9.4.2 钻屑法9.4 冲击地压的监测方法依据在不同深度排出的煤粉量及其变化规律 动力现象判断冲击危险钻屑法原理 通过测量钻孔煤粉量的大小以确定相应的煤体应力状态钻至一定深度后，钻孔周围煤体将逐渐达到极限应力状态 图9.2矿山压力与岩层控制精品课件9.4 冲击地压的监测方法图9.

10、2 钻孔效应示意图矿山压力与岩层控制精品课件9.4.2 钻屑法（1）钻孔力学模型 煤体为各向同性均匀的 纯弹-塑性介质 小直径钻孔的出现仅改变钻孔周围边附近应力 如图9.3 9.4 冲击地压的监测方法假设采高h半径为R 的塑性破坏区均布压力p切向应力径向应力r任意半径r处矿山压力与岩层控制精品课件图9.3 钻孔力学模型由多裂隙介质层裂模型理论分析可知： 9.4 冲击地压的监测方法 层裂区 塑性区 弹性区劈裂破坏非稳定蠕变破坏剪切破坏矿山压力与岩层控制精品课件9.4.2 钻屑法（2）煤粉量的组成9.4 冲击地压的监测方法在极限煤体压力作用下所产生的煤粉量 煤体-围岩力学系统的极限平衡（3）极限煤

11、粉定义平衡条件破碎带形成后，在弹性区与破碎带交界处产生钻孔形成后，由于弹性卸载所形成的 钻孔形成后，孔壁周围破碎带内煤体扩容所形成 钻孔实体煤芯附加煤粉量矿山压力与岩层控制精品课件9.4.3 地球物理方法 微震法、AE法、电磁辐射法、顶板动态法（1）微震法 微震法监测冲击地压的机理 9.4 冲击地压的监测方法利用岩体自然或人为激发的物理场监测岩体的动态变化主要方法 记录矿山震动解释分析记录信息预测预报冲击地压揭示如：类型、次数、震级等微震信息应力显现规律预测预报作出矿山压力与岩层控制精品课件（1）微震法微震系统 （见图9.4 ）图9.4 微震监测装置9.4 冲击地压的监测方法矿山压力与岩层控制

12、精品课件（1）微震法冲击地压发生次数与震级的关系 (9.4)式中 D(V) 规模大于V的事件出现的频率 V 该事件的规模，一般表示为： （9.5）式中 N 冲击地压的频次，大于某一冲击地压震级的次数 M 冲击地压次数 a、b 常数 9.4 冲击地压的监测方法矿山压力与岩层控制精品课件（1）微震法冲击地压最大震级的预测 冲击地压频次与冲击地压震级 有 预测冲击地压的最大震级： 冲击地压发生趋势的预测 根据b值变化规律，可对冲击地压的发生趋势进行预测： 若b值 （ ），则未来冲击地压最大震级 （ ）9.4 冲击地压的监测方法线性关系矿山压力与岩层控制精品课件（2）AE法 煤体的声发射（Acoust

13、ic Emission ）， 简称 AE AE监测系统 系统硬件由 通用微机系统 和 信号采集传输系统 组成 AE监测系统的应用 AE监测能率变化 流动AE监测法，属于非连续的监测方法，一般与煤粉钻孔法结合使用，能提高冲击地压预测的准确性 9.4 冲击地压的监测方法矿山压力与岩层控制精品课件（3）电磁辐射法a 煤体变形及破裂过程中伴有声发射和电磁辐射信号b 煤试样扩容突变阶段，电磁辐射强度出现突变C 煤岩体电磁辐射的脉冲数随着扩容突变过程增大而增大 典型的非均质材料 在外力作用下，内部应力与应变的分布不均 发生不均匀应变时，在内部发生极化现象9.4 冲击地压的监测方法原理煤体煤体破坏时将产生电

14、磁辐射现象矿山压力与岩层控制精品课件（4） 顶板动态法坚硬顶板运动 往往是诱发冲击地压的主要因素之一 9.4 冲击地压的监测方法顶板的运动状态支承压力范围及峰值位置顶板动态前兆冲击危险预测预报 一般情况岩层沉降速度愈小，推进的面积愈大，断裂运动产生的冲击和压出煤的强度愈高；下位基本顶岩梁相对稳定的步距愈大，发生冲击地压的强度愈高。矿山压力与岩层控制精品课件9.5 冲击地压的预防9.5.1 区域性预防（1）采用合理的开拓布置和开采方式 合理的开拓布置、开采方式，可避免 + 预防冲击地压发生高应力集中能量的积聚预防冲击地压有效预防煤矿冲击地压发生的关键控制冲击地压发生的应力条件实测推断理论计算具体

15、的煤层条件+针对采用矿山压力与岩层控制精品课件9.5.1 区域性预防（1）采用合理的开拓布置和开采方式考虑开采方案设计时，应注意以下“防冲”的时空原则： 严格杜绝在构造压缩应力带和采动应力场支承压力的高峰部位布置采煤巷道和推进工作面。 最大限度的争取在采动释放应力后稳定的“内应力场”（已经历采动破坏的岩层覆盖的重力场）中掘进和维护巷道。9.5 冲击地压的预防矿山压力与岩层控制精品课件9.5 冲击地压的预防9.5.1 区域性预防（2）开采保护层 多煤层开采时，在设计阶段要规定煤层群的协调开采 开采保护层是“防冲”的一项区域性防范措施 保护范围 图9.10 保护层开采方案（常用的方案见图9.11)

16、 包括开采上保护层、开采下保护层及混合开采。 No煤层间距适宜，应优先考虑开采下保护层，原则是不破坏上层煤的开采条件矿山压力与岩层控制精品课件图中卸压边界线内的煤层属于被保护煤层l工作面长度 3充分移动角断裂角 变形滑移角1升高应力区边界线2卸压带边界线 3保护带4被保护带图9.10 开采保护层卸压带示意图9.5 冲击地压的预防矿山压力与岩层控制精品课件(a) 开采上保护层 (b)开采下保护层 (c)开采上、下保护层9.5.1 区域性预防图 9.11 保护层开采方案矿山压力与岩层控制精品课件（3）煤层预注水 预防冲击地压的原理水对煤岩强度、变形特性和冲击倾向性有重要影响 图9.12 注水方式

17、常用的注水方式包括走向布置、倾向下行布置、倾向上下行布置及综合布置等方式 图9.139.5.1 区域性预防目的降 低改变 水的物理化学作用煤层的冲击倾向性和应力状态 冲击煤层的物理力学性质矿山压力与岩层控制精品课件从图可知：曲线多呈 塑一弹性型、塑一弹一塑型 突然的 脆性性破坏 变形曲线呈 “S”型 塑性变形变大、 脆性减弱 1注水前煤样；2干样；3注水后煤样9.5.1 区域性预防图9.12 煤样应力-应变曲线对比 未注水 破坏前 注水后冲击危险性降低矿山压力与岩层控制精品课件a沿倾向布置的下行钻孔；b沿倾向布置的上下行钻孔；c沿走向布置的水行钻孔；d特厚煤层综合布孔方式图9.13 注水孔布置

18、方式矿山压力与岩层控制精品课件9.5.1 区域性预防（4）厚层坚硬顶板预处理 顶板注水软化对坚硬顶板条件下进行高压预注水，水通过岩石的弱结构面进入岩体内，经物理化学作用，破坏其整体性、连续性，降低岩体强度，从而使坚硬顶板易于垮落。 在开采过程中，采空区上方悬顶缩短，垮落高度增加，岩体的碎胀系数增大，周期来压步距缩短，减缓或消除了大面积来压和冲击地压的威胁。矿山压力与岩层控制精品课件（4）厚层坚硬顶板预处理 顶板爆破处理包括爆破断顶、强制放顶和超前深孔预裂爆破松动顶板等 用爆破方法对采空区悬露顶板进行处理 在待采煤层隔离煤柱一侧的老采空区内，采空区顶板内产生断沟，以削弱采空区与待采区间的顶板连续性，减小待采煤层开采时的应力集中，以预防冲击地压危害。9.5.1 区域性预防强制放顶爆破断顶 矿山压力与岩层控制精品课件（1）煤层内卸压爆破爆破的动力作用 卸压爆破属于内部爆破 主要作用 使煤层产生大量裂隙9.5.2 局部性预防爆破方法有冲击地压危险的局部区域减缓其应力集中程度 爆破后冲击波破坏煤体产生径向拉破裂裂隙的存在爆生气体形成切向拉应力 冲击地压发生条件被破坏弹性能减少矿山压力