专题-浅谈冲击矿压灾害机理及其防治技术.doc

1、专题部分浅谈冲击矿压灾害机理及其防治技术摘要：本文通过分析冲击矿压灾害的机理，阐述其研究现状，最后提出冲击矿压综合防治体系。该体系建立在以地球物理探测方法为主的实测基础上,以地质构造异常探测、冲击危险源识别和剩余能量消耗为特征, 对冲击矿压危险进行分阶段和分区域评价及防治。工程实践表明,该体系能对冲击矿压进行有效预警并能预防和减弱冲击矿压的危害,达到保证人员和设备安全的目的。关键词：冲击矿压，机理，研究现状，综合防治措施 Analysis of Outlooks,The mechanism and prevention of Rock-BurstAbstract: By means of an

2、alysising the mechanism of rock-burst , expounding the status,this article puts forward a comprehensive rock-burst prevention and con-trol system.The system charac-terized by geological tectonic detection, rock-burst danger source identification and residual ene-rgy dissipation on the basis of geoph

3、ysical exloration and other actual observation methods.It could realize staging and zoning rock- burst evaluation,prevention and control Practice show-ed that the system could effectively predict rock - burst and reducehazard degr-ee to ensure safety of personnel and equipments.Key words：rock-burst；

4、mechanism；current situation；prevention； 0 前言冲击矿压是以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变形势能，煤岩体被抛出，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并产生巨大的响声和岩体震动，震动时间从几秒到几十秒，冲出的煤岩从几吨到几百吨。随着我国煤矿开采深度的不断增加，冲击地压灾害越来越严重，已经成为制约我国矿山生产和安全的主要重大灾害之一。1 典型冲击矿压事故案例根据不完全统计, 1985年至今, 全国范围内发生冲击矿压的省份由11个发展到19个,冲击矿压矿井数量由32个增加到100余个, 每年发生的破坏性冲击矿压次数由过去的十余次发展到现在的几百次。

5、以义马千秋煤矿冲击地压事故为例，义马煤田冲击矿压从20世纪80年代就有显现。主要表现为响煤 炮和局部支架损坏。首次有人员伤亡的冲击矿压是千秋煤矿。1998年9月3日，18152下巷开口掘进100m处发生冲击矿压事故， 造成巷道破坏约55m，损坏工字钢支架105棚，冲击出煤量约532m3，停产约60d。该段巷道埋深455m。2011年11月3日19时45分许，河南义煤集团公司千秋煤矿21221下巷掘进工作面发生一起冲击地压事故，发生事故的巷道距离井口大概有800米的垂直距离，地面震感强烈。事发区域共有75人作业，10人遇难。该事故引起社会的广大关注，同时也是人们的注意力聚集到冲击矿压这一煤矿灾害

6、上，更显出研究冲击矿压灾害的机理，并对其进行防治的重要性。2 冲击矿压的特征及类型冲击矿压又称岩爆，是指矿井巷道或工作面周围岩体，在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形势能的瞬时释放而突然产生的一种急剧、猛烈破坏的动力现象，是一种特殊矿压显现1。 2.1 我国冲击地压事故特征2.1.1 具有突发性，过程短暂，伴随有强烈的震动和声响 冲击矿压发生前一般没有明显的宏观前兆，相当多的冲击地压是由爆破、顶板来压等引起的，但也有很多是在没有人员活动的期间内发生的，很难确定诱发因素，具有突发性。 冲击地压一般伴随有强烈的震动和声响，最大震级可达M4.3级，地面几千米范围内有震感。2.1.2 类型多样我国冲击

7、地压一般表现为煤体的破坏与冲击，但台吉、大台、八一、柴里、潘西及南桐一井等5个矿已发生多次岩爆。 我国冲击矿压以煤层冲击最常见，也有顶板冲击和底板冲击。房山矿发生的一次冲击地压，底板突然鼓起并开裂成5cm宽的裂缝。在煤层冲击中，绝大多数表现为破碎煤从煤壁抛出，也有极个别情况表现为数十平方米的煤体整体滑移。 2.1.3 造成的破坏和损失巨大 冲击矿压为煤岩体中所积聚的弹性应变能突然、剧烈的释放过程，其发生的突然性、剧烈性破坏特征对矿山安全构成很大的威胁。(1)冲击地压造成震动使人员碰伤，所造成的冒顶、片帮、支架折断也伤及人员；并且由于巷道堵塞、人员被埋而窒息,严重威胁井下作业人员的生命安全。(2

8、)造成片帮、底鼓、冒顶可造成几十米巷道被堵塞，几百米巷道支架被损坏，机械设备被移位，风门被暴风摧垮，有的被迫停采，损失煤炭可多达数十万t。(3)其震动传至地表，会造成地面房屋被震坏开裂，严重威胁地面人员的安全，且造成巨大的财产损失。2.1.4 灾害严重程度不同 我国煤矿冲击矿压的强度、频度、灾害程度、伴生灾害情况等因开采地质条件的不同而差别较大。根据微震检测系统记录，门头沟煤矿（现已关闭）平均每月记录到160次各类冲击和震动；华丰煤矿每月可监测到1000余次各类震动；老虎台煤矿也是冲击矿压严重的矿井，每月震动次数达300余次；台吉矿存在岩爆、矿震、岩石突出、煤与瓦斯突出、地温热害等，是我国深井

9、开采多种灾害并存的典型。另外，在发生冲击矿压的高瓦斯矿井中，大多同时存在冲击矿压及煤与瓦斯突出等两种以上灾害。2.1.5 发生机理的复杂性在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深从200m1000m，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等，都发生过冲击矿压；在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面，不论水采、炮采、普采或是综采，采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法，是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采，都发生过冲击矿压，只是无煤柱长壁开采法冲击次数较少。2.1.6 发展趋势是逐渐增多，日趋严重 1949年以前我国发生冲击地矿的矿井只有2个，

10、20世纪50年代增加到7个，60年代为12个，70年代为22个，80年代为32个，90年代为50余个，目前达100多个。随着开采深度的增加、开采范围的矿大和开采强度的加大，近年来虽然采取了不少措施，但全国冲击矿压矿井和总的冲击地压次数并未减少。因此，我国煤矿的开采实践看，冲击矿压灾害将更加严重。如图1所示，我国冲击矿区分布。图1 我国冲击矿区分布2.2 冲击地压的类型（1）按参与冲击矿压的岩体类别划分，冲击矿压通常可分为煤层冲击和岩层冲击。我国冲击矿压以煤层冲击最常见。以房山矿为例，该矿发生的一次冲击地压，底板突然鼓起并开裂成5cm宽的裂缝。在煤层冲击中，绝大多数表现为破碎煤从煤壁抛出，也有极

11、个别情况表现为数十平方米的煤体整体滑移。（2）按煤岩体应力状态不同分类，冲击矿压可分为重力型，构造应力型，重力构造应力型。其特征如图2所示。（3）按根据冲击的显现强度分类，可分为弹射、矿震、弱冲击、强冲击。其特征如图3所示。（4）按震级强度和考虑抛出的煤量分类，可分为轻微冲击、中等冲击、强烈冲击。当抛出煤量在10t以下，震级在1级以下时，为轻微冲击；抛出煤量在1050t，震级在12级时，为中等冲击；抛出煤量在50t以上，震级在2级以上时，为强烈冲击。（5）按根据发生的地点和位置分类，可分为煤体冲击和围岩冲击。当冲击矿压发生在煤体内，称为煤体冲击；发生在顶底板岩层内，称为围岩冲击。 图2 按煤岩

12、体应力状态不同，冲击矿压分类 图3 按冲击的显现强度不同，冲击矿压分类3 冲击矿压的机理冲击矿压发生的原因是多方面的，但从总的来说可以分为三类，即自然地质因素（应力）、开采技术（采动应力集中）及组织管理（人为因素）。3.1 地质条件对冲击矿压的影响3.1.1 开采深度随着开采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加， 为了便于分析开采深度的影响，只考虑围岩系统中煤层内所积聚的弹性能。理论上讲， 煤层在采深为H 的且无采动影响的三向应力状态下，其应力为： 设煤的单向抗压强度为Rc， 则破碎单位体积煤块所需能量为： 假设巷道周边煤体处于双向受力状态，则需要能量比要大，现

13、用系数（1）来表达，则破碎单位体积煤块的能量为： 若就有可能发生冲击矿压，这样就可求得发生冲击矿压的初始采深H为： 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。开采深度与冲击矿压发生的关系如图4,图5所示：图4 波兰采深与冲击矿压的关系W冲击指数 (即开采百万吨煤炭冲击矿压次数)图5 天池煤矿采深与冲击矿压的关系N为冲击矿压次数表1 中国煤矿条件下发生冲击矿压的最小采深矿井门头沟天池抚顺城子大台陶庄房山唐山最小采深/m200240250370460480520540图4 ，图5表明冲击矿压的发生与开采深度有很大的关系，结合表1 可以看出在我国煤矿的条件下发生冲击矿压的最小采深为20

14、0m-540m，平均380m。700m 时发生冲击矿压的次数大大高于400m发生的次数。3.1.2 煤岩的力学性能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矿压。煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小。煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一，其可用以下四个变量表征。冲击能量指数为单轴压缩状态下，煤样的全“应力应变”曲线峰值C前所积聚变形能与峰值后所消耗的变形能之比值。其计算图如图3所示。 图6 冲击能量指数计算图动态破坏时间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。其变形曲线如图4所示。 图7 动态破坏时间Dt曲线弹性能指数的计算公式为：

15、，其计算图5所示。 图8 弹性能指数计算图单项抗压强度Rc与以上三个变量有关，对煤的试样研究表明,煤试块的冲击性在其单向抗压强度为Rc=1620 MPa时变化较大，当煤的单向抗压强被小于Rc16MPa时,煤试块要发生冲击,就需要较大的压应力。故可得：弱冲击倾向性 Rc16MPa 强冲击倾向性 Rc16MPa3.1.3 顶板岩层的结构特点顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬，厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板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（冲击压力型）冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压。苏联阿维尔申教授认为，煤层内的弹性能可由体变弹性能