煤岩动力灾害－冲击地压

煤岩动力灾害－冲击地压

冲击地压：煤岩体突然动力破坏，释放大量能量的灾害动力现象，可摧毁巷道、引发其他矿井灾害，造成人员伤亡

冲击地压研究

冲击地压发生原因机理研究

冲击地压危险性评价及预测预报研究

冲击地压治理措施研究

1）冲击地压机理研究

地质与开采影响冲击地压的发生

强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则和变形失稳理论

2）冲击地压预测预报研究

冲击地压可能发生地点位置，可达到准确预测

冲击地压发生强度和震动释放能量，可较准确确定

可确定冲击地压的危险程度、危险性大小

3）冲击地压治理研究

长期防御性措施—开采顺序、开采方法、采煤工艺、开采保护层等

主动解危措施—卸压爆破、煤层注水、钻孔卸压、定向裂缝法等

动力灾害冲击地压防治

一、冲击地压动力灾害现象

二、冲击地压发生原因

三、冲击地压机理研究

四、冲击危险的预测预报

五、冲击地压解危与治理

冲击地压动力灾害现象

一、冲击地压动力灾害现象

1、灾害现象与严重程度

冲击地压作为人为诱发的地震，危害性很大。采矿诱发的地震达3~4级，最大5.6级

冲击地压：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。

1738年英国史塔夫矿首次记录，我国1938年抚顺。煤矿，有冲击地压危险矿井占20%以上。

中国是世界上煤岩动力灾害最严重的国家之一。

一、冲击地压动力灾害现象

开采引发地震震级，最大5.6级。我国4级。

一次性破坏巷道500m。

一次3.7级，造成588幢房屋倒塌。

煤岩动力现象与冲击地压

一、冲击地压动力灾害现象

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

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

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

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

复杂性。 各种条件和采煤方法均出现过  

一、冲击地压动力灾害现象

冲击地压对井下巷道的影响主要是动力将煤岩抛向巷道，破坏巷道周围煤岩的结构及支护系统，使其失去功能。

一、冲击地压动力灾害现象

冲击地压、震动使人体各器官产生共振而损伤。

医学分析表明：

 脑部，91%；

 胸部，60%；

 内部器官，18%；

 上下肢，18%。

一、冲击地压动力灾害现象

能量为1×10^3 J的震动，造成大部分人员脑部、脸部损伤，其次为心脏、胃、脊柱、肾等损伤。

一、冲击地压动力灾害现象

人体在垂直方向承受的加速度比水平方向的大。

震动加速度使人体撞击受伤。

一、冲击地压动力灾害现象

冲击地压对将造成类似于地震那样的灾害。

一、冲击地压动力灾害现象

能量为7×106J的震动，在地表记录到的最大加速度为300mm/s2，对地表的影响强度为6级。

动力灾害冲击地压防治

一、冲击地压动力灾害现象

二、冲击地压发生原因

三、冲击地压机理研究

四、冲击危险的预测预报

五、冲击地压解危与治理

冲击地压发生原因分析

二、冲击地压发生原因

2.煤体力学特性的影响

在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或采场可能发生冲击地压

煤的强度越高，引发冲击地压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击地压，就需要比硬煤高得多的应力

煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一

(1).冲击能指数

冲击能指数KE—在单轴压缩状态下，煤样的全“应力—应变”曲线峰值C 前所积聚的变形能 Fs 与峰值后所消耗的变形能 Fx 之比值

(2).弹性能指数

弹性能指数WET  —煤样在单轴压缩条件下破坏前所积蓄的变形能与产生塑性变形消耗的能量的比值

(3).动态破坏时间

动态破坏时间 DT  —煤样在常规单轴压缩试验条件下，从极限载荷到完全破坏所经历的时间DT

《中华人民共和国行业标准》MT/T174-2000

(4).单向抗压强度

 WET = a+eb+cRc

3.顶板岩层结构的影响

     坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在其破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型顶板型冲击地压。

开采初期，坚硬顶板呈梁或板的形态，其下产生离层。随工作面的推进，离层量不断增加，最大离层量位于采空区中部。当工作面推进到一定程度后，坚硬顶板断裂垮落，中部的离层量消失

坚硬岩层来压时，顶板下沉是非常剧烈，工作面及其周围巷道的矿压显现是非常明显的

初次来压的顶板下沉量是正常回采期间的5~6倍

在坚硬顶板条件下，顶板运动速度是非常快的，其动能是非常大的

    坚硬顶板破断时，产生的能量部分被损失，部分到达巷道或工作面。到达工作面的能量

新汶华丰煤矿的实例

  埋深700－800m，煤层上覆岩层为500m左右的沙砾岩。

4.地质构造的影响

地层动力运动形成各种各样的地质构造，如断层、皱曲等对煤矿冲击地压的发生有较大的影响

龙风矿，当巷道接近断层时，冲击地压发生的次数明显上升，且强度加大 

煤层分叉和断层附近冲击危险

皱曲附近冲击危险

5.冲击地压多发区域

上层煤停采线和煤柱

煤柱区应力的高度集中

煤柱区应力的高度集中

煤柱区应力的高度集中

煤柱区应力的高度集中

上层煤遗留煤柱和停采线

停采线或边角形成的非稳定区。当工作面推进到该区域后，停采线上方的岩体将移动，形成二次应力重新分布，就有可能，形成冲击地压。

采空区和老巷影响

当两层煤间布置的巷道相互平行时，在其投影间距很小，只有十几米的情况下，就形成了煤柱，会造成应力集中现象，不仅在一个煤层，而且在另一个煤层中，均可能会发生冲击地压。此外，在两个煤层的巷道交叉时，也会发生这种情况

开采面积的影响

工作面推进速度的影响

工作面的推进速度越快，产生的矿山震动就越多

推进速度小于1m/d或3m/d左右时，冲击地压发生的次数最少；

推进速度为1.3<υ<2.5m/d时，防冲最不利

工作面推进速度的影响

回采工作面匀速推进对防治冲击地压的发生是有利的

动力灾害冲击地压防治

一、冲击地压动力灾害现象

二、冲击地压发生原因

三、冲击地压机理研究

四、冲击危险的预测预报

五、冲击地压解危与治理

冲击地压发生机理研究

三、冲击地压机理研究

强度理论：井巷和采场周围产生应力集中，当应力达到煤岩体的强度极限时，煤岩体就会突然发生破坏，形成冲击地压

刚度理论：矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷系统(围岩)的刚度是产生冲击地压的必要条件

能量理论：矿体—围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时就发生冲击地压

冲击倾向性理论：煤岩介质产生冲击破坏的固有能力或属性，是冲击地压发生的必要条件 

“三准则”机理模型

强度准则是煤体的破坏准则，而能量准则和冲击倾向性是突然破坏准则。三个准则同时满足，才是发生冲击地压的充分必要条件

1、压力型冲击地压模型

力：   P1=P2

能量：A1≤A2

煤柱稳定    k+f′(u2，t)>0

煤柱亚稳定  k+f′(u2，t)>0

煤柱动态破坏   k+f′(u2，t)<0

顶板加速运动

2.弹塑脆性模型

弹塑脆性模型       弹塑性 P-t 模型

冲击地压过程是煤岩的流变—突变过程

脆性破坏--载荷发生跳跃，应力总和超过σl ，整个模型立刻破坏（—突变）。

延时破坏--常载荷作用σl<σ<σl (1+EM/EH)，经过时间△t2 后破坏（—流变     突变）。

弹脆性场的Kaiser效应

损伤因子— 微裂隙密度及应力集中效应的反映

                   D(t)=Sz(t)/S0

有效应力— σf  = σ(1-D(t))

有效应变—ε= σ[E(1-D(t))]

有效弹模— EH(t)=E0H[1-D(t)]

因为破坏是不可逆的，D值是非减的，故弹脆性场表现为 Kaiser 效应。

破坏损伤与声电耦合

煤岩体的损伤速度与岩体活动性（声发射事件数或电磁辐射脉冲数）成正比。

当△t→0 时

煤岩体的损伤速度与瞬间释放的能量、变形速度成正比。

 

 

冲击破坏危险性预测

满足破坏的条件:

脆性单元破坏条件：σ=σl

动力灾害冲击地压防治

一、冲击地压动力灾害现象

二、冲击地压发生原因

三、冲击地压机理研究

四、冲击危险的预测预报

五、冲击地压解危与治理

冲击地压危险预测预报

冲击地压危险的防治

1. 综合指数法－危险程度分析与早期预报

冲击地压危险状态决定因素：

地质因素影响及指数

开采因素影响及指数

冲击危险状态等级的综合指数

2.钻屑法－局部监测方法

支承压力达到临界值，且煤层又具有中等以上冲击倾向性，冲击地压就可能发生

支承压力峰值大小及其距煤壁的远近，可采用钻屑法探测

钻屑法是通过在煤层中打直径42~50mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法

钻屑规律

当钻孔进入煤壁一定距离处，钻孔周围煤体过渡到极限应力状态，并伴随出现钻孔动力效应。

应力越大，过渡到极限应力状态的煤体越多，钻孔周围的破碎带不断扩大，排粉量不断增多。

钻屑量的变化曲线和支承压力分布曲线十分相似

钻屑量指标

钻屑量指数：钻出煤粉量与正常排粉量之比

动力效应：如钻杆卡死、跳动、出现震动或声响等现象

记录钻孔时所发生的动力效应，可更加准确地判断危险位置

3.微震法－区域性监测方法

自动记录微震活动，实时进行震源定位和微震能量计算

利用拾震仪站接收的直达P波起始点的时间差，在特定条件的波速场条件下进行二维或三维定位，以判定破坏点，同时利用震相持续时间计算所释放的能量和震级

标入采掘工程图和上报显示给生产指挥体系，以便及时采取措施

微震波形图

微震与冲击地压关系

冲击地压是矿山震动的事件集合之一

冲击地压是岩体震动集合中的子集

每一次冲击地压的发生都与岩体震动有关， 但并不是每一次岩体震动都会引发冲击地压

震动与冲击地压

震动频次与能量级之间的关系；

冲击地压和震动的频次之比

  与能量级之间的关系。

冲击危险预测

微震活动的频度和能级出现急剧增加，持续2~3d后，会出现大的震动

微震活动保持一定水平(＜l0^4J)，突然出现平衡期，持续2~3d后，会出现大的震动和冲击

冲击地压的最小能量   >5×l0^3J

4.地音（声发射）法－局部监测预报方法

根据的岩体地音的参数与局部应力场的变化来进行

岩石破坏的不稳定阶段是岩石中裂缝扩展的结果，而地音现象则是微扩涨（岩体中出现的破裂和零量裂隙缝）超过界限的表征，而该现象的进一步发展则表明岩石的最终断裂。

最终断裂可引发高能量的震动，也可引发冲击地压

地音波形和频谱

煤层和煤样中试验记录的波形

连续地音监测

地音探头布置

地音预测冲击危险

地音变化与煤体应力变化过程相似

地音活动三阶段是时间过程，即相对平静、急剧增加、显著减弱

地音活动集中在采区某一部位，且地音事件的强度逐渐增加时，预示着冲击地压危险

激发地音监测

岩体受压时，局部较小应力的变化（例如少量炸药的爆炸）将引起岩体微裂隙的产生

应力越高，形成的裂缝就越大持续时间就越长，岩体中能量的聚积和释放程度就越高，冲击地压发生的危险程度就越高

流动地音监测结果

1，2—煤层注水以前

 3，4—煤层注水以后

流动地音监测结果

(1)处冲击危险最大，(3)点较小，而(2)最小

与实际的结果一致

5.电磁辐射－局部监测预报方法

实验发现各种煤岩混凝土流变破裂时均有宽频电磁辐射产生,电磁辐射较声发射信号敏感。具有Kaiser记忆效应。

电磁辐射与载荷及煤岩流变破坏程度间呈正相关

  流变破坏电磁辐射主频段是变化的(用点频监测 不可行), 随破坏程度增加而向高频段迁移

徐州孔庄原煤电磁辐射频谱随载荷变化

电磁辐射与声发射间具有很好的相关性

非接触、定向区域性连续监测的宽频电磁辐射监测系统

现场有灾害和无灾害危险时的电磁辐射对比

工作面有冲击危险时的电磁辐射

现场应用

预测有危险, 采取措施不到位发生动力灾害

矿震、冲击地压与电磁辐射规律：在矿震、冲击地压发生前，电磁辐射值有较大幅度的增长。

电磁辐射偏差法监测理论基础

煤岩破坏速度与电磁辐射能量率成正比。

煤岩破坏的危险状态为：

煤岩破坏速度与工作面推进速度呈平衡状态。

电磁辐射的较大和较长变化证明平衡状态变化和冲击危险性的变化。

电磁辐射偏差监测指标

某观测点的平均幅值最大值;

某观测点的平均幅值平均值;

某观测点的平均脉冲数值。

依偏差值的变化，确定冲击地压的危险程度。

电磁辐射偏差预测指数的确定

各指标预测冲击地压危险指数：

电磁辐射偏差法确定冲击地压危险：

3406震、冲击地压与电磁辐射偏差变化

3406电磁辐射预测分析

根据确定的电磁辐射监测偏差值指标，对3406工作面各观测点进行冲击地压危险性判断。

如果将监测到的Ⅲ级冲击地压危险作为预测标准，则采用电磁辐射监测的偏差值法，对1.0级以上矿震及冲击地压危险预测的准确率为100%；

如果将监测到的Ⅳ级冲击地压危险作为预测标准，则冲击地压危险预测的准确率为73%。

2408电磁辐射预测分析

根据确定的电磁辐射监测偏差值指标，对2408工作面各观测点进行冲击地压危险性判断。

如果将监测到的Ⅲ级冲击地压危险作为预测标准，则采用电磁辐射监测的偏差值法，对1.0级以上矿震及冲击地压危险预测的准确率为100%；

如果将监测到的Ⅳ级冲击地压危险作为预测标准，则冲击地压危险预测的准确率为69%。

6.冲击地压的系统综合预测

冲击地压的随机性和突发性，破坏形式的多样性，单凭一种方法预测是不可靠的

必须结合冲击地压危险的区域预报与局部预报，早期预报与及时预报

冲击地压的系统综合预测

动力灾害冲击地压防治

一、冲击地压动力灾害现象

二、冲击地压发生原因

三、冲击地压机理研究

四、冲击危险的预测预报

五、冲击地压解危与治理

冲击地压解危与治理

1. 冲击地压防范措施

1.1  合理的开拓布置和开采方式

1.1  合理的开拓布置和开采方式

(1) 开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采.首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层作为解放层。且优先开采上解放层 

(2) 划分采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区

(3) 采区或盘区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加

(4) 在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序.在向斜和背斜构造区，应从轴部开始回采，在构造盆地应从盆底开始回采；在有断层和采空区的条件下应从采用断层或采空区开始回采的开采程序 

(5) 有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险

(6) 开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法

(7) 顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架

1.2  开采解放层

一个煤层(或分层)先采，能使临近煤层得到一定时间的卸载

先采的解放层必须根据煤层赋存条件选择无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层

实施时必须保证开采的时间和空间有效性（全垮3年，全充2年）

不得在采空区内留煤柱，以使每一个先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤层得到最大限度的“解放” 

1.2  开采解放层

2. 冲击地压解危措施

2.1  卸压爆破

2.1  卸压爆破

振动卸压爆破：引发冲击地压、转移应力集中区、松动煤体

振动落煤爆破：引发冲击地压、减缓或移去深部煤体或采煤机截深范围内的支承压力区

振动卸压落煤爆破：组合了振动、卸压爆破和振动、落煤爆破两种

顶板爆破：将顶板破断，降低其强度，释放聚集的能量，减少对煤层和支架的冲击振动

卸压爆破炮眼布置

炸药的布置应从煤层内应力最高点开始向里，而外部全部用炮泥封孔。这样可扩大塑性区，将应力最高点向深部转移

钻孔深度与应力分布

钻孔深度L与应力峰值距煤壁距离s关系

   L=a ln(s)+b

钻孔越深，爆破力度越大，效果越好

卸压爆破诱发冲击地压

部分诱发冲击示意图

通过卸压爆破前后电磁辐射的连续观测表明，卸压爆破后的30分钟内，电磁辐射的脉冲数变化剧烈。说明，在这期间煤壁内变形破坏变化剧烈，有可能发生冲击地压。

对特厚坚硬岩层进行处理

对坚硬岩层进行处理

2.2  煤层注水

煤的强度与冲击倾向指数WET也随煤的湿度的增加而降低

短钻孔注水法

钻孔通常垂直煤壁，且在煤层中线附近。注水时，依次在每一个钻孔放入注水枪，水压通常为20-25Mpa。注水孔间距为6-10m，注水钻孔深不小于10m，封孔封在破裂带以外

优点：容易钻孔注水；可在煤层的任意部分进行；可在难打长钻孔的薄煤层进行注水；可在其他不方便的条件下注水

缺点：注水工作在机道进行，影响采煤；注水工作须在冲击最危险的区域进行；注水范围小 

长钻孔注水法

通过平行工作面的钻孔，对原煤体进行高压注水，钻孔长度应覆盖整个工作面范围。注水钻孔间距应为10-20m

注水枪应布置在破碎带以外，注水区应在工作面前方60m外进行

优点：工作面前方区域内的注水是均匀的，注水工作在两巷进行，不影响采煤作业。注水的有效时间为三个月 

联合注水法

长、短钻孔注水法的相互联合

采面部分区域采用长钻孔注水，部分区域采用短钻孔注水，水压不小于10Mpa，当降至5Mpa时，认为该钻孔水已注好

2.3  钻孔卸压

钻孔卸压

2.4  定向裂缝法

定向水力裂缝法

定向水力裂缝法就是人为地在岩层中，预先制造一个裂缝。在较短的时间内，采用高压水，将岩体沿预先制造的裂缝破裂。在高压水的作用下，岩体的破裂半径范围可达15~25m，有的甚至更大。

定向裂缝法

感谢各位光临指导！