专题-煤矿冲击地压及其防治.doc

1、专题部分煤矿冲击地压及其防治摘要：冲击矿压作为煤岩动力灾害之一，越来越受到煤矿行业的关注，尤其是随着各个矿井开采深度的增加，冲击矿压现象更是屡见不鲜。对于冲击矿压的监测我们有很多方法，如钻卸法、微震监测技术、声发射技术、电磁辐射技术等等。由于冲击矿压具有突然性、瞬时性、破坏性的特征，对于冲击矿压的发生机理仍没有一个统一的认识，本文从冲击矿压的特征，发生条件以及影响冲击矿压的因素出发，研究了冲击矿压发生机理以及各种监测技术。关键字：冲击矿压，机理，防治，措施1 问题的提出冲击矿压作为煤岩动力灾害，有记载的第一次发生于1738年英国南史塔福煤田。200多年来其危害几乎追布世界各采矿国家。英国、德国

2、、南非、波半、的苏联、捷克、加拿大、日本、法国以及中国等20多个国家和地区都记录有冲击矿压现象。我国煤矿冲击矿压灾害极为严重。我国最早自1933年抚顺胜利矿发生冲击矿压以来，先后在北京、辽源、通化、阜新、北票、枣庄、大同、开滦、天府、南桐、徐州、大屯、新狡等矿务局部相继发生过冲击矿压现象。目前，我国有近50对矿井累计发生过4000多次冲击矿压，造成数以百计的人负伤，巷道破坏达30多公里。由于冲击矿压有如此巨大的破坏力，造成这么大的经济损失，因此如何预测和防治冲击矿压以及认清冲击矿压发生机理对减轻冲击矿压的破坏具有非常重要的作用。2 中国煤矿冲击矿压的现状我国最早记录的冲击矿压现象于1933年发

3、生在抚顺胜利煤矿，当时的开采深度为200 m左右。从1949牛以来已发生破坏性冲击矿压4000多次，震级Ml0.5-3.8级，造成大量巷迫破坏和惨重的人员伤亡，近年来我国一些金属矿山、水电与铁路隧道工程也出现了岩爆现象。我国煤矿发生冲击矿压有如下特征：(1)突然性。冲击矿压发生前没有明显的征兆突然、猛烈。(2)多样性。煤层冲击、顶板冲击、底板冲击等两三种冲击的组合。(3)破坏性。片帮和煤炭抛出，顶板突然下沉、底鼓、破坏巷道支护，造成人员伤亡等。(4)在各种采矿和地质条件下均发生过冲击矿压。除了褐煤煤层外我国煤矿的其他各种煤层均发生过冲击矿压而且采深从2001000 m，煤层厚度从薄到厚。煤层倾

4、角从缓到急，各种顶板条件如砂岩、页岩、石灰岩等均发生过冲击矿压。我国煤矿发生冲击矿压的典型条件为：初始深度200一600 m，煤的单向抗乐强度10-30 MPa，顶板一般为厚10-40m的坚硬砂岩、强度100-600 MPa。然而，具体分析起来，我国冲击矿压发生的条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击现象，采深从200一800 m，地质构造从极简单至极复杂煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油碌页岩等部发生过；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种方法都出现

5、了冲击现象。1949年以前我国发生冲击矿压的矿井只有12个，50年代增加为7个，60年代为12个，70年代为22个，目前达50个。而随着开采深度的增加、开采范围的扩大，近年来虽然采取了不少措施，但全国矿井数和总的冲击次数并未减少。可见，我国冲击矿压的防治工作任务其为艰巨，具有现实的迫切性和长远的重大意义。综上所述，世界采矿业发少冲击矿压的历史已近250年之久。近30年来，冲击矿压所造成的破坏后果日益严重，引起了各国的注意。目前世界采矿大会国际岩石力学局成立了冲击矿压研究小组。冲击矿压的研究已成为矿山压力学科中与现代科学联系最密切的一个独立的学科分支。3 冲击矿压形成机理对冲击地压成因和机理的解

6、释主要有强度理论、能量理论、冲击倾向理论和失稳理论。1、强度理论该理论认为，冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体围岩力学系统的综合强度。其机理为：较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤体围岩交界处的变形(见图1)。由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，使煤体更加压实，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来看，夹持起了闭锁作用。在煤体夹持带内，压力高、并储存有相当高的弹性能，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。2、能量理论该理论认为：当矿体与围

7、岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。刚性理论也是一种能量理论，它认为发生冲击地压的条件是：矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度，即系统内所储存的能量大于消耗于破坏和运动的能量时，将发生冲击地压。但这种理论并未得到充分证实，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。3、冲击倾向理论该理论认为：发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。其条件是：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标主要有：弹性变形指数、有效冲击能指

8、数、极限刚度比、破坏速度指数等。上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。其中强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分必要条件。4、失稳理论近年来，我国一些学者认为：根据岩石全应力应变曲线，在上凸硬化阶段，煤、岩抗变形(包括裂纹和裂缝)的能力是增大的，介质是稳定的；在下凹软化阶段，由于外载超过其峰值强度，裂纹迅速传播和扩展，发生微裂纹密集而连通的现象，使其抗变形能力降低，介质是非稳定的。在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲

9、击地压。由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。这种静疲劳现象，可以使介质处于不稳定状态。在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩从静态变为动态过程，即发生急剧、猛烈的破坏。4 冲击矿压现象、特征及分类4.1冲击矿压现象冲击矿压是压力超过煤者体的强度极限，聚积在巷道周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故、动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击矿压还会引发或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以

10、及水灾，干扰通风系统等。4.2冲击地压的特征(1)突然爆发。冲击地压发生前，预兆不明显。(2)巨大声响。冲击地压爆发的瞬间，伴有雷鸣般的响声。(3)冲击波强。煤体内积聚的弹性能突然释放，产生强大的冲击波。它能冲掉工人头上的矿帽，冲倒几十米至几百米内的风门、风墙等设施。(4)弹性振动。冲击地压发生时在围岩内引起弹性振动，工作人员被弹起摔倒，甚至输送机、轨道等重型设备都可能被振动和推移，连地面人员有时都能感到这种振动。该振动所产生的弹性波可以被几百公里外的地震仪检测到，并留有清晰的震相记录。(5)煤体移动。据现场观测，浅部冲击时煤体发生移动，煤体移动时在顶板接触面上留有明显的棕褐色擦痕，擦痕的方向

11、即为煤体移动的方向。(6)顶板下沉或底板臌裂。冲击地压发生时，常导致顶板下沉或底臌。(7)煤帮抛射性塌落。冲击地压造成煤帮抛射性塌落，多发生在煤帮上部到顶板的一段，越靠近顶板塌落越深，强烈冲击时，塌落深度可达1.52.0m。4.3冲击地压的分类根据原岩(煤)体应力状态不同，冲击地压可分为重力型、构造型和重力、构造应力并有的中间型。重力型冲击地压主要是受重力作用，没有或构造应力影响极小，在一定的顶底板和开采深度条件下，由采掘影响引起的冲击地压。如枣庄、抚顺、开滦矿区的冲击地压就属于重力型冲击地压。构造型冲击地压主要是受构造应力作用而引起的冲击地压。如四川天池煤矿，南桐矿区砚石台煤矿的冲击地压就是

12、属于构造型冲击地压，中间型冲击地压是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压，是两者综合作用的结果。按冲击地压发生的地点的不同，冲击地压可分为煤体冲击、围岩冲击。煤体冲击发生在煤体内，根据冲击深度和强度的不同又分为表面冲击、浅部冲击和深部冲击三种类型。围岩冲击发生在顶底板岩层中，根据位置又分为顶板冲击和底板冲击。还有分为巷道冲击地压和工作面冲击地压。根据冲击的显现强度，可分为弹射、矿震、弱冲击和强冲击。弹射是指一些单个破碎岩(煤)块从处于应力状态下的煤或岩体上抛射出去，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。矿震是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，产生片帮和塌落现象，煤或岩体产生强烈震动

13、，伴有巨大声响，有时产生煤尘。弱冲击，是指煤和岩石向开采空间抛出，破坏性很小，对支架、机器、设备基本上无损坏，围岩产生震动，一般在里氏2.2级以下，且伴有很大声响，产生煤尘，在含瓦斯煤层中可能有大量的瓦斯涌出。强冲击是指部分煤和岩石急剧破碎，大量向开采空间抛出，砸坏支架，推移设备，围岩震动，震级在里氏2.3级以上，并伴有巨大声响，产生大量煤尘和冲击波。根据震级强度和抛出的煤量，冲击地压可分为三级：轻微冲击(级)，即抛出煤量在10t以下，震级在里氏l级以下的冲击地压。中等冲击(级)，即抛出煤量在1015t，震级在里氏12级的冲击地压。强烈冲击(级)，即抛出煤量在50t以上，震级在里氏2级以上的冲

14、击地压。波兰按冲击地压破坏程度分为三级：弱冲击(级)，即顶底板或侧帮岩(煤)体向开采空间急速运动，沿采煤工作面或巷道20m以内部分或全部支架遭到破坏。中等冲击(级)，即顶底板或侧帮岩(煤)体向开采空间急速运动，沿采煤工作面或巷道2050m，部分或全部支架遭到破坏。严重冲击(级)，即顶底板或侧帮岩(煤)体向开采空间急速运动，沿采煤工作面或巷道50m以内部分或全部支架遭到破坏。5 冲击矿压的影响因素5.1冲击地压发生的条件5.1.1煤岩层物理力学性质(l)煤层本身具有冲击危险。一般来说，具有冲击危险的煤层具备以下特点：煤质较硬，容易产生脆性破坏；煤体在达到强度极限以前表现为弹性变形；煤层的自然含水

15、率低，一般小于30%；煤层厚度较大或厚度变化较大。(2)煤层顶板坚硬。工作面前方支承压力的大小与采空区悬露面积有关，如果煤层顶板松软，易于冒落，则煤体内的支承压力不会太大，不易发生冲击地压，当煤层的顶板坚硬并有大面积悬顶时，会使煤体承受较高的支承压力，易于发生冲击地压。(3)煤层底板强度较高。煤层顶底板都坚硬，使煤体易于积聚能量。5.1.2开采深度开采深度越大，煤体的应力则越高，煤体变形和积聚的弹性潜能也越大。有的煤层虽然具有冲击危险，但在开采浅部时，因煤体应力不大，未能达到临界破坏条件，因而不会发生冲击地压。当开采深度加大，达到临界破坏条件时，就有可能发生冲击地压。由此可见，任何具有冲击危险的煤层，若开采的技术因素不变，则必然存在一个发生冲击地压的临界深度。对于重力型冲击地压来说，其临界深度一般超过400m，而对构造型冲击地压来说，其临界深度可能不超过300m，(表51、表52)。表5-1我国部分矿井发生冲击地压的临界深度局、矿名称门头沟天池抚顺城子矿大台矿陶庄矿房山矿唐山矿临界深度，m200240250370460480520540表5-2发生冲击地压的强度和频次与开采深度的关系地区与矿名强度或频次单位开采深度，m201300301400401500501600601700重庆地区发生强度（平均煤量）t/次681189471250