冲击地压参考教案

冲击地压培训教案一、冲击地压的概念冲击地压属矿井动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式。可以定义为：矿山井巷和采场周围煤岩体，由于变形能的释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单地讲，冲击地压就是煤（岩）体的突然破坏现象。它是影响煤矿安全生产的重大灾害之一。冲击地压在我国不同地区的煤矿和不同书刊中有不同的称谓，常见的有“冲击矿压”、“矿山冲击”、“煤爆”等。二、冲击地压的显现特征冲击地压发生如同装在煤岩里的大量炸药爆炸一样，煤和岩石突然被抛出，造成支架折损，片帮冒顶，巷道堵塞，伤及人员，并伴有巨大声响和岩体震动。概括起来，我国煤矿冲击地压的主要显现特征表现在以下几个方面：（1）突发性：冲击地压发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间几秒到几十秒，难已事先准确确定发生的时间、地点的强度。（2）多样性：一般表现为煤爆（煤壁爆裂、小块抛射）、浅部冲击（发生在煤壁2～6m范围内，破坏性大）和深部冲击（发生在煤体深处，声如闷雷，但破坏程度不同）。最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生岩爆。在煤层冲击中，多数表现为煤块抛出，少数为数十平方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波；（3）破坏性：往往造成煤壁片帮、顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击地压往往造成人员伤亡和巨大的生产损失。（4）复杂性：在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从200～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件上，不论水采、炮采、机采或是综采，全部垮落法或是水力充填法等各种采煤工艺，不论是长壁、短壁、房柱式或是煤柱支撑式，分层开采还是倒台阶开采等各种采煤方法都出现了冲击地压，只有无煤柱长壁开采法冲击次数较少。三、冲击地压的分类冲击地压是一种复杂的矿山动力现象，其生成环境、发生地点、宏观和微观上的显现形态多种多样，以及它的显现强度和所造成的破坏程度相差很大。此外，由于冲击地压发生机理存在不同的理论，提出各自不同的冲击地压发生条件和判别准则。客观上不同矿井的冲击地压成因和特征也不同。即使同一矿井，由于地质构造、开采条件和开采方法的差异，也使得冲击地压的成因、性质、特征、震源部位和破坏程度不同。综上所述，冲击地压存在不同种类，不能用同一机理去解释不同冲击地压的成因和现象，更不能用单一方法或措施去预测和防治冲击地压。因此要对冲击地压进行分类，并且出现了多种分类方法。目前主要的、最有价值的分类方法有以下几种：（一）根据冲击地压的物理特征，按发生原因分（分为三类）1．压力型冲击地压其发生时，煤柱和岩石将产生爆炸式破坏，如同坚硬的岩样在试验机上加载至强度极限后发生爆炸式破坏一样。2．突发型冲击地压其发生原因是突然加载。是矿层上伏的厚而坚硬的老顶悬伸在矿柱上，先是夹紧矿柱并对它加载。当达到一定跨度时发生折断和垮落，同时产生压力波，造成处于极限应力状态的矿柱发生瞬时破坏。3．爆裂型冲击地压其发生原因是在直接顶上部或直接底板下部存在塑性夹层。例如，在刚性岩层之间的粘土夹层，一旦条件适当被挤压出来，造成顶底板刚性岩层以冲击形式爆裂。（二）根据冲击地压的能量特征，按冲击时释放的地震能大小分（分五个等级，表3-1）。表3-1按能量特征分类表冲击地压级别地震能（J）震中的地震烈度（级）微冲击（射落、微震）＜10＜1弱冲击10～1021～2中等冲击102～1042～3.5强烈冲击104～1073.5～5灾害性冲击＞107＞5（三）根据参与冲击的岩体类别分（分为二类）1．煤层冲击（煤爆）产生于煤体—围岩力学系统中的冲击地压，是煤矿冲击地压的主要显现形式。2．岩层冲击（岩爆）高强度脆性岩石瞬间释放弹性能，岩块从母体急剧、猛烈地抛出。对煤矿，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板冲击。顶板冲击按显现形式又可分成典型的顶板冲击和致密顶板岩层突然折断形成的冲击地压，后者往往伴生强烈的煤层冲击与底板冲击。（四）根据煤岩体应力来源及加载方式分（分为四种类型）1．重力型：主要受重力作用，没有或只有少量构造应力的影响而引起的冲击地压。2．构造型：主要受构造应力作用引起的冲击地压。3．震动型：煤岩体受震动载荷而产生的冲击地压，它与重力型冲击地压的区别在于载荷的类型为脉冲式动载，载荷方向与震动波的传播形式和途径有关。4．综合型：受几种载荷共同作用而引起的冲击地压。（五）根据显现强度及其对煤和岩层、支架、设备的破坏程度分（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．煤炮（深部冲击）：深部的煤岩体发生破坏，但煤或岩石不向已采空间内抛出，只有片帮或散落现象，岩体震动，伴有声响，有时产生煤尘。3．微冲击：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。四、冲击倾向性鉴定（一）弹性变形能冲击地压的巨大破坏性在于煤岩体瞬间释放出大量的能量。从能量转化的角度来看，冲击地压的孕育和发生过程就是能量的积聚和突然释放过程。为了说明冲击地压这种现象，首先必须搞清弹性变形能的概念。（二）冲击倾向煤层冲击是冲击地压的最常见的显现形式。因此煤的冲击倾向是冲击地压机理研究的重要内容之一。冲击地压的煤体一般都具有一定的物理力学特性，决定其积聚能量并产生冲击破坏的能力，这种能力可称之为冲击倾向，是煤的固有属性。五、冲击地压发生的判别准则冲击地压发生理论主要包括冲击地压发生的机理和发生的判别准则。前者指冲击地压发生的物理过程，后者是发生的充分及必要条件。（一）强度理论：从力学观点看，冲击地压机理研究中，首先关注的是煤岩体的强度问题，并逐步形成强度理论。（二）能量理论：能量理论认为发生冲击地压需要大量能量，不仅矿体释放能量，围岩也释放能量。提出随着采掘范围的不断扩大，“矿体－围岩”系统在其力学平衡状态破坏时，可释放的能量大于消耗的能量时就产生冲击地压。（三）冲击倾向理论：冲击倾向理论是基于发生冲击地压的煤岩介质都有一定的力学特性，具有产生冲击式破坏的能力——冲击倾向。（四）组合理论：组合理论是把强度理论、能量理论的判据以及把煤岩冲击倾向指数是否达到极限值作为冲击倾向度判据。（五）失稳理论：失稳理论认为煤岩变形系统平衡状态的稳定性质是冲击地压发生与否的先决条件。如果系统状态是非稳定的，则可能失稳而发生冲击地压，否则不会发生。六、冲击地压的影响因素（一）自然地质条件 统观国内外冲击地压影响因素，主要的自然地质因素有：煤层性质：包括煤的冲击倾向、煤的强度、弹性和脆性等力学性质；煤的厚度、埋藏深度以及煤的含水率、孔隙度、煤层结构等物理性质。煤层顶底板性质：赋存的坚硬岩层的厚度、强度、冲击倾向与煤层的粘结程度等。地质构造：褶曲构造（向斜、背斜）和断裂构造（断层、节理）情况，局部地应力异常，煤层厚度和倾角的突然变化等。1．煤（岩）性质：煤（岩）的物理力学性质是发生冲击地压的内因。煤岩的弹性、脆性和冲击倾向是关键因素。一方面能把发生冲击地压所需的大量能量储存起来，另一方面又能发生脆性破坏，并瞬间释放弹性能。2．围岩性质：围岩性质主要是顶板岩性和厚度及其在煤层开采后的可冒性，是影响冲击地压的重要因素。特别对老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层，底板也是坚硬岩层结构的冲击危险煤层更具冲击危险性。3．开采深度：随着我国煤炭生产的发展，矿井开采深度正在以每年平均加深8～10m的速度增加着。世界各主要采矿国家的情况也基本如此。4．地质构造：地质条件中的顶底板岩性、煤层性质和开采深度对冲击地压发生的影响是公认的。诸如褶曲、断层等大构造以及一些小构造的影响也得到了公认。（二）开采技术条件冲击地压是在特定的自然地质条件和生产技术条件下按一定方式相配合的情况下发生的。很显然，这种配合是多变的，受多种因素制约的。这些因素不仅决定着冲击地压是否发生，而且决定着发生冲击地压大小和显现特性。重要的生产技术条件有：开采方法、采掘顺序、顶板管理方法、遗留矿柱、落煤放炮等。1．采煤方法各种采煤方法的巷道布置和顶板管理方法不同，所产生的矿山压力和分布规律也不同。一般，短壁体系（房柱式、刀柱式、短壁水采等）采煤方法由于采掘巷道多，巷道交岔多，遗留煤柱也多，形成多处支承压力叠加，易发生冲击地压。2．煤柱图6-1煤柱集中应力分布及对下层影响（a）三面采空（半岛）状态；（b）煤柱支承压力对下层的影响煤柱是产生应力集中的地点、孤岛形和半岛形煤柱可能受几个方向集中应力的叠加作用，如图3-7所示。因而在煤柱附近最易发生冲击地压。煤柱上的集中应力不仅对本煤层开采有影响，还向下传递，对下部煤层形成冲击条件。3．采掘顺序采掘顺序对形成矿山压力的大小和分布有很大的关系。4．放炮等震动触发一般可以简单地把冲击地压视为一种剪切破坏，发生时具有猛烈的爆炸性。煤岩破坏可能趋于两种极端情况。一种是煤岩局部负载达到它的极限强度附近时，立刻破坏。这种破坏发生的比较平静，带有局部性和渐近性，是一种平稳破坏和释放能量过程。另一种是煤岩负载达到极限强度后，顽固地维系一种高度不稳定的平衡状态而不破坏。5．顶板管理方法顶板管理方法是影响冲击地压的重要因素。冲击地压煤层的顶板大都是又硬又厚，不易冒落。总之，影响冲击地压的因素很多，它们间既相互联系，又相互制约。往往在一个冲击地压矿井中，几个影响因素同时作用。因此，在冲击地压防治中应首先明确主要影响因素，实行综合防治，才能取得良好效果。七、冲击地压的预测方法冲击地压的预测方法，除了以往的经验类比法外，大致可以分为两类。一类是以钻屑法为主的局部探测法，包括煤岩体变形观测法（顶板动态、围岩变形）、煤岩体应力测量法（相对应力测量，绝对应力测量）、流动地音检测法、岩饼法等，主要用于探测采掘局部区段的冲击危险程度。这类方法简便易行，直观可靠，已经得到广泛应用。其缺点是预测工作在时间和空间上不连续，费工费时；第二类是系统监测法，包括地音系统监测法和微震系统监测法，以及其它地球物理方法（电磁辐射、地温、地磁等）。根据连续记录煤岩体内出现的动力现象预测冲击地压危险状态。经验类比法根据地质条件和生产技术条件的分析，以下区域为冲击地压特别危险区：1）断层、褶曲、煤层突然变化区域。2）采空区周围。3）本层或邻层的开采边界或遗留煤柱影响区。4）工作面前方回采巷道或其它巷道。（二）钻屑法钻屑法是通过在煤层中打直径为42～50m1、实施方法钻屑法的实施必须严格执行煤炭部制定的《冲击地压煤层安全开采暂行规定》。一般先根据经验，结合采掘工作面的具体地质条件和生产技术条件，圈定冲击危险区作为钻屑法的探测区。2、基本原理为了及时客观地评价采掘地点的冲击危险程度，必须适时确定支承压力带峰值大小和位置。峰值愈大，距煤壁距离愈近，冲击危险程度就愈大。但是直接测定煤层应力相当困难，尚没有可靠方法。一般多采用相对评价的方法。我们首先研究在冲击危险煤层中，对处于极限应力状态的边缘区打钻过程中的动态效应。3、冲击危险指标冲击危险指标的确定，是应用钻屑法预测冲击地压的关键。钻屑法作为预测手段，首要任务是建立钻屑量和煤体应力之间的关系，通过钻屑量了解煤体应力状态，确定可能发生冲击地压时的最大钻屑量；其次是了解最大集中应力的位置，即出现最大钻屑量的位置到煤壁距离；第三是分析钻屑的粒度组成、钻进的难易程度、卡钻、震动和微冲击等动力现象与冲击地压发生的可能联系。按照上述三个条件建立冲击危险检测指标，判定冲击地压危险等级。1）．钻屑量指标指预示有冲击危险的钻屑量。通过现场试验、实验室试验和理论计算方法确定。2）．距离指标如前所述，为了客观地评价冲击危险程度，必须确定最大支承压力区中的峰值大小，以及峰值位置至煤壁的距离。煤岩的三轴强度试验表明，当围压达到一定程度后，煤样“塑化”，几乎失去冲击倾向。3）．动力效应指钻进过程中伴随出现的冲击响声、钻杆跳动、卡钻甚至钻杆卡死等现象。由于钻孔过程中孔壁周围煤体突然破裂，挤入孔内，伴有冲击响声，并造成钻杆跳动。严重时能造成钻杆卡住，甚至把钻杆卡死。钻杆卡持是钻孔周围煤体应力高度集中或突然变化的标志。因此把钻杆被卡死作为鉴别冲击危险的一个指标。但是必须注意，钻杆被卡死除与煤体压力有关外，还受施工钻具、施工方法和施工经验的影响，因此要由专职人员采取正确的施工方法和凭借经验确认和鉴别冲击危险。其它动力效应，如推进力变化、纯钻进时间变化、钻孔冲击等，也可作为鉴别冲击危险的参考指标。4）．钻屑粒度指标在高应力区段钻孔时，由于孔周围煤体已进入极限应力状态，几乎不需钻头参与就发生脆性破坏，所以对煤的研磨较小，排出的钻屑粒度就大。根据上述确定的冲击危险指标和检测深度范围内，在各段检测深度处给出对应各段冲击危险指标的分段值，以便鉴别冲击危险程度。由于各矿区煤层地质条件和物理力学性质的差异有时很大。因此，为了提高检测结果的可靠性，必须针对具体矿井煤层条件，取得几项符合实际的检测指标。（三）电磁辐射监测法1．功能特点1）电磁辐射技术及监测仪实现了非接触、定向、区域及连续预测。2）信号的采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动完成。3）监测仪具有人机对话、远程PC机（上位机）控制（或本地键盘控制）、定向接收、数据处理、数据存储、数据查询和报警等功能。2．使用范围1）矿山冲击地压的预测预报2）煤与瓦斯突出的预测预报3）其它煤岩动力灾害现象的预测预报4）矿井采掘工作面前方应力状态的监测（四）地音流动监测法（五）煤层围岩压力-变形观测法（六）地音和微震监测系统（七）其它冲击地压预测方法1、煤层含水量变化观测法2、岩芯“饼化”观测法3、冲击地压前兆现象观测法4、旋转管法5、热力法6、电阻率探测法7、锤击波速法8、地层层析成像法（八）冲击地压的综合预测由于冲击地压的随机性和突发性，以及破坏形式的多样性、使得冲击地压的预测工作变得极为困难复杂，单凭一种方法是不可靠的。应该根据具体情况，在分析地质开采条件的基础上，采用多种方法进行综合预测。一般首先分析地质开采条件，初步评判是否属于列冲击地压特别危险区：地质构造变动带，包括向斜、断层以及煤层厚度和倾角突然变化的区域。已发生或邻区发生过冲击地压的煤层。煤层顶板存在厚度5m以上，强度大于70MPa支承压力影响区，包括回采工作面前方及其平巷、采空区周围、本层或上方100m必须指出，在进行综合预测时，不可能也没有必要同时采用所有的预测方法，应该根据具体条件，采用几个简单可靠，行之有效的预测方法进行综合预测。当然，在针对某一矿井或某一煤层，开始进行冲击地压防治研究时，应集中尽可能多的手段进行预测试验，以积累经验、探索规律，对各种手段预测结果互相验证，以优选几项适合本矿实际的、行之有效的冲击地压预测方法。八、冲击地压的防治措施煤矿冲击地压防治措施的主要原则是及时查明冲击危险煤层，及时采取综合防治措施。它包括区域性防范措施和局部性解危措施。前者旨在消除产生冲击地压的条件，具有时空上的长期性和区域性。后者旨在对已形成冲击危险的区段进行解危处理和安全防护，属于暂时的局部性措施。优先考虑使用区域性防范措施，但局部性解危措施也必不可少。常用的冲击地压防治措施如图8-1所示。冲击地压防治措施冲击地压防治措施区域性防范措施局部性解危措施开采方式合理开拓布置开采保护层预处理厚层坚硬顶板卸压爆破钻孔卸压防护措施冲击地压显现诱发爆破控制冲击地压显现煤层顶注水图8-1常用的冲击地压防治措施冲击地压防范措施由于冲击地压问题的复杂性和我国煤矿生产地质条件的复杂性，增加了冲击地压防治工作的困难。为了有效地防范冲击地压危害，应当根据具体条件因地制宜地优先采取防范措施。在大范围内降低应力集中程度，控制弹性能积蓄和释放的外部条件，以及从改变煤岩体本身结构和力学性质入手，消除和减缓其积聚和突然释放弹性能的内部条件。1、采用合理的开拓布置和开采方式采用合理的开拓布置和开采方式，对防治冲击地压至关重要。它包括在勘探和矿井设计阶段，就力图尽早查明冲击危险煤层和区段，可以在设计中就考虑和规定冲击地压防治措施，并在开拓和准备阶段中实现合理的开拓开采方式和顺序，以便完全消除冲击地压危险，或把它减小到最小程度。2、开采保护层开采保护层是防治冲击地压的一项有效的，带有根本性的区域性防范措施。3、煤层预注水煤层预注水是在采掘工作前，对煤层进行长时压力注水。注水一般是在已掘好的回采巷道内或临近的巷道内进行。目的是通过压力水的物理化学作用，改变煤的物理力学性质，降低煤层冲击倾向和应力状态。煤层预注水是一种积极主动的区域性防范措施，不仅能消除或减缓冲击地压威胁，而且可起到消尘、降温，改善劳动条件的作用。煤层预注水的施工应按照《暂行规定》中有关规定进行。冲击地压的解危措施合理的开采顺序，超前开采解放层等防范措施，是防治冲击地压最有效的、长期性的措施。但是，在煤层开采中，生产地质条件极为复杂。往往由于人们对冲击地压发生条件不能完全掌握，造成开拓布置和开采方式不合理，没有预先采取防范措施或防范措施不完善，不可避免地形成局部煤层地段的高应力集中和冲击地压危险。因此，在煤层开采过程中必须对这些地段进行及时处理，以保证安全生产。这种对已形成冲击危险或具有潜在冲击危险地段的处理措施称解危措施。它属于暂时的局部性措施，包括煤层卸压爆破、卸压钻孔和诱发爆破等。1、卸压爆破卸压爆破是对已形成冲击危险的煤体，用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。实施卸压爆破应采取深孔爆破方法，孔深应达到支承压力峰值区。装药位置越靠近峰值区，炸药威力越大，爆破解除煤层应力的效果越好。2、钻孔卸压钻孔卸压是利用钻孔方法消除或减缓冲击地压危险的解危措施。此法基于施工钻屑法钻孔时产生的钻孔冲击现象。钻进愈接近高应力带，由于煤体积聚能量愈多，钻孔冲击频度越高，强度也越大。尽管钻孔直径不大，但钻孔冲击时煤粉量显著增多。因此每一个钻孔周围形成一定的破碎区，当这些破碎区互相接近后，便能使煤层破裂卸压。3、诱发爆破诱发爆破是在检测到有冲击危险的情况下，利用较多药量进爆破，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大损害的一种解危措施。4、冲击地压显现的防护措施冲击地压对井下工作人员的危害，主要是使人员受外伤，以及被抛出和冒落的煤岩石击伤和埋住，另外还有瓦斯等有害气体的威胁。因此，为了保证井下工作人员的安全，必须采取防护措施：1）．及时预测预报，撤离人员必须将肉眼可见的冲击地压或突出危险性特征、冲击前兆，减缓或消除事