专题-冲击矿压及其预防控制.doc

1、 专题部分 第35页冲击矿压及其预防控制1 冲击矿压成因冲击矿压的成因好机理的研究内容包括三方面：分析冲击矿压发生的基本条件和影响因素；探讨冲击矿压发生的原因和规律；研究冲击矿压的孕育、发生、发展和停止的物理过程。研究的目的在于深入了解这种现象的本质，掌握它的活动规律，为预测和治理提供理论基础，搞好冲击矿压防治。1.1弹性变形能冲击矿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，冲击矿压的孕育和发生过程就是能量的积聚和突然释放的过程。为了说明冲击矿压这种现象，首先必须搞清弹性变形能的概念。地下岩体（包括煤体）是处于复杂的和强大的自然应力、构造应力和开采附加应力场中。这样，

2、地下赋存的岩层和煤层在强大的应力总用力，必然导致其体积与形状发生变化，即产生变形。这种变形是外力做功的结果。当岩快尚处于弹性状态，且变形不能解除时，外力做的功将以能量的形式储存在岩体中。这种由变形获得的能量称为弹性变性能，也称为弹性位能，或简称为弹性能。因此，处于三向高应力状态下的地下岩体，可能储存有大量的弹性能。由于在外力作用下岩体发生体积和形状变化。一旦积聚的弹性能与应力大小及煤岩体的力学性质有关。1.2冲击倾向煤层冲击是冲击矿压的最常见的显示形式。因此煤的冲击倾向是冲击矿压机理研究的重要内容之一。大量的冲击矿压实例表明，同一矿井，在几乎相同的自然地质和开采技术条件下，有些煤层发生冲击矿压

3、，有些则不发生。这就说明发生冲击矿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破坏的能力。这种能力可称之为冲击倾向，是煤的固有属性。煤层冲击倾向鉴定是进行预测和治理的前提，也是管理工作的基础。在地质勘探阶段，从勘探钻孔取得煤心，在实验室进行煤的冲击倾向鉴定，其结果可作为矿井设计的基础技术依据，以便从开采程序及方法、开拓布置上采取措施，从根本上消除冲击矿压的发生条件；在煤层开采以后，通过进一步的冲击倾向鉴定工作，确定待采区的冲击倾向性级别，为生产、管理工作提供客观的基础技术依据。1.2.1煤样动态破坏时间在常规单轴压缩试验条件下，煤试件从极限强度到完全破坏所经历的瞬态延续时间称为煤

4、样动态破坏时间，冲击矿压之所以成为一种灾害，不仅在于媒体破坏释放出的能量非常大，而且在于煤体冲击破坏的过程短暂。显然，破坏过程的长短是能量积聚与耗散动态特征的综合反映。因此，煤样的动态破坏时间可以衡量冲击倾向性的程度。在一定条件下，煤样的破坏时间取决于断裂发展的速度。对岩块断裂机理的研究表明，岩石（包括煤）在压缩下的脆性破裂分为三个阶段：1、从断裂开始出现到临界能量释放点，属断裂稳定扩展阶段，断裂速度从零开始增大；2、从临界能量释放点到极限强度，属断裂不稳定扩展阶段，断裂速度继续增大并渐近于极限值，对于给定的介质，极限值为常值；3、从极限强度到试件完全崩裂，属断裂的分叉与汇合阶段，在普通试验机

5、加载条件下，这一过程是在极高的速度下完成的。上述分析证明，在普通试验机加载条件下，脆性煤块的破坏时间取决于断裂分叉与汇合的速度，它反映了煤介质的固有属性。试验方法与常规单轴抗压强度试验相同。在普通压力试验机上，以加载速率控制方式对煤试件加载。加载速率取恒定值，约0.51.0MPa/s。利用载荷传感器把试件所受的力变为电压信号，再经动态应变仪放大后，输入模拟磁带机，进行连续记录至试件破坏。然后，用记忆示波器捕捉磁带机回放过程中载荷信号的跌落过程。最后，测量载荷从峰值跌落到零的延续时间，并用X-Y函数记录仪绘制破坏过程中的载荷-时间曲线，便得到测量结果。强烈冲击倾向的煤，断裂扩展异常迅速，试件急速

6、丧失承载能力，中等冲击倾向的煤，结构失效和材料失效的阶段分界比较明显，试件首先经历较慢的承载能力降低的过程，以后才很快失去抵抗的能力；无冲击倾向的煤，断裂扩展比较缓慢，承载能力的降低呈现多次台阶式的发展过程，残余强度表现明显。试验表明，所测11种煤样的动态破坏时间Dt服从以下鉴定判据：Dt=50ms 冲击倾向强烈50Dt500ms 无冲击倾向Dt作为煤的冲击倾向鉴别指标具有以下优点：1、综合反映了煤在加载系统作用下能量变换的全过程，突出表现了煤的破坏动态特征；2、在一定范围内，在不受加载速度、试验机刚度和式样强度的影响，反映了煤的固有冲击倾向属性；3、对冲击倾向敏感，冲击倾向不同的煤，其Dt有

7、量级差别，便于分级；4、试验方法简单，便于采用先进的量测系统。1.2.2弹性能指数WET弹性能指数WET是单位体积的煤破坏前在受力过程中所储存的弹性变形能与消耗的能量的比值。显然，煤受力后所消耗的能量越少，而储存的能量越多，它发生冲击矿压的可能性 越大。因此，弹性能指数的大小反映了煤层的冲击倾向性。根据大量的实验结果，按WET对煤层冲击倾向进行鉴别的指标如下：WET=5 煤层具有强烈冲击倾向2WET=5 煤层具有较弱冲击倾向WET1)来表示，则破碎煤块单位体积所需的能量U2为UV= KRC2/2E按冲击矿压能量准则有UV= U2由此得K0C2H2/6E= K0RC2/2E化简得H=1.73RC

8、/释放出来的能量为=UV- U2=式中还不能做定量计算使用，因为对具体矿井来说，实际条件是复杂的。两式只说明达到一定开采深度是形成冲击矿压的一个基本条件。国内外实际资料也证明，多数矿井的开采深度达到200m以上，才会发生冲击矿压，见表7-3和表7-4所列；此外还说明冲击矿压发生的频度和强度都随着深度的增加而增加，见表7-5、表7-6所列。表7-3我国部分矿井发生冲击矿压的初始深度局、矿名称门头沟天池抚顺、大同城子矿大台矿陶庄矿房山矿唐山矿初始深度/m200240250300330460480520540表7-4国外矿井发生冲击矿压的初始深度国别南非美国加拿大俄罗斯波兰德国英国初始深度/m120

9、300150180180400240300600表7-5发生冲击矿压的强度和频度与开采深度的关系地区与矿名强度或频度单位开采深度201300301400401500501600601700重庆地区发生强度t/次681189471250天池矿发生次数次13996%3.511.5323222统计分析表明,开采深度越大,冲击矿压发生的可能性也越大。当深度H350 m时,冲击矿压一般不会发生; 350 m H500 m时,一定程度上冲击危险逐步增加;从500 m开始,随着开采深度的增加,冲击矿压的危险性急剧增加(图1) ; 当采深为800 m时,冲击指数Wt = 0157, 相对于深度500 m(Wt

10、 = 0104)增加了13 倍。2.2煤层及顶底板岩石的性质和特征从煤的物理力学性质的角度来说，对冲击矿压影响较大的因素除了冲击倾向以外还有煤的弹性、强度、脆性和含水率等。我国主要冲击矿压矿井的煤层力学性质见表7-7所列。冲击矿压发生的必要条件是积聚较多的弹性能，所以弹性大、脆性大是冲击危险煤层的基本特征。沉积岩具有空隙多、裂隙发育的特点，因而能够吸收水分。煤岩一经湿润，减弱了内部颗粒间的粘结力，增加了塑性，改变了原来的弹性性质。因此煤岩含水量增加，冲击危险就减少。表7-7典型冲击矿压煤层力学性质煤矿煤层抗压强度/Mpa坚固性系数f弹性模量/Mpa泊松比脆性北京门头沟二槽29.73.090000.21五槽25.32.566000.32七槽19.32.082000.29抚顺矿务局三分层12.913.831.3230025000.310.42极脆四分层11.1817.751.5260051000.260.48脆五分层13.021.431.8300035000.260.31较脆枣庄陶庄矿二层15.620.31.52.056