专题综述-浅析冲击矿压及其防治.doc

1、浅析冲击矿压及其防治摘要： 冲击地压是深井开采中常见的一种自然灾害,它是指在采矿活动中煤岩体突然破裂,伴随着各种声响从中飞出大小岩石碎片的现象。这种突发的猛烈的岩体破坏,有时会对正常生产、设备财产以及人身安全造成严重损害,是煤矿井工开采过程中,围岩失稳现象中最强烈的一种。关键字：冲击矿压 预防治理 冲击矿压机理 发生条件1 煤矿冲击地压发生的条件及影响因素1. 1 冲击地压发生的条件冲击地压是一种特殊的矿山压力现象,也是煤矿井下复杂动力现象之一,其形成和发生的条件是很复杂的。作为一种矿山岩体破坏现象,有其特殊的宏观和微观特征。冲击地压的发生是煤岩中应力超过其极限强度,造成煤岩破坏,煤层和围岩在

2、集中应力作用下,吸收能量积聚应变能,在开采过程中由于“诱发”因素导致煤岩突变破坏,瞬间释放应变能,形成冲击地压灾害。冲击地压的发生必须具备的条件如下:1) 煤层及围岩具有冲击倾向性。煤岩受力易发生破坏,其类型以镜煤和亮煤为主。若煤层脆性大、湿度小、抗压强度高,则易发生冲击地压。实践证明:抗压强度在200kg/ cm2 以上的中硬和硬煤具有冲击危险。2) 回采工作面附近存在较大的能量集中。冲击地压多发生在回采工作面前方15 - 50m 处,属于回采工作面超前支承压力区,煤层积聚巨大弹性应变能,当其超过煤层的极限强度时,便产生冲击地压。当走向支承压力与倾向支承压力叠加时产生的冲击地压更为猛烈和频繁

3、。掘进工作面引起冲击地压的能量来源有:掘进面处于构造应力集中区,原岩构造应力巨大;掘进面处于煤柱或采场前方支承压力高峰区,引起弹性变形能的突然释放,均易形成冲击地压。3) 采场存在释放能量的空间。采场前方煤体之中存在着巨大的弹性变形能,其附近又存在一定的空间(巷道或工作面) ,当煤体达到极限强度以上即可爆发冲击地压。若没有释放能量的空间,弹性能将随着采场的移动和受力条件的改变,可能逐渐缓解以至恢复到常压状态。掘巷多、切割量大的采煤方法(如短壁采煤) ,发生冲击地压的机会多。1. 2 冲击地压的影响因素开采深度:随着开采深度的增加,煤岩体蕴藏的弹性能也越大,当其超过煤层的极限抗压强度,应力达到临

4、界破坏条件时,就可能发生冲击地压。例如唐山矿冲击地压全部发生在- 530m 以下,就证明了这点,而且发生的频度和强度都随着深度增加而增大。煤层及顶板的物理力学性质:煤质中硬,脆性和弹性较强的煤层易发生冲击地压,反之,软煤和塑性变形大的煤层不易发生冲击地压。顶板坚硬致密,脆性大,不易冒落的岩层条件下易发生冲击地压。支承压力:煤层开采后,在工作面煤体和围岩中产生应力集中,形成支承压力。在两顺槽超前范围内承受较高的支承压力,在邻近采空区的煤体内,还要受到侧向固定支承压力的作用,尤其是两侧采空的煤岩体内,多种压力相互叠加使煤体内的应力集中程度更高,易于发生冲击地压。地质构造:在工作面接近断层和在向斜轴

5、部开采时,冲击地压发生频繁,破坏强度也大。采掘顺序及开采方法:开采过程中不可避免地要留设各种煤柱,在采掘中形成支承压力的叠加,易于冲击地压的发生。另外,过多地留设煤柱和在高应力集中区煤柱内开掘巷道,或两条巷道平行掘进、对头掘进,冲击地压发生特别严重。1. 3 冲击地压发生的规律随开采深度的增加,发生的次数增多,震级增高。大断层附近,冲击强度大,震级高。在构造带附近,虽有时震级不高,但影响范围较大,破坏能力增强。主要因为在断层附近由于人为的采动影响,使地质历史时期形成的断层被激活形成活断层,应力重新分配,使原来的应力平衡被打破,从而形成冲击地压。初次来压时很容易造成冲击地压的发生。来压前冲击地压

6、频繁发生,往往初次来压时导致冲击地压的发生,原因是应力要在新的应力场中达到新的平衡。1. 4 冲击地压的破坏形式煤的抛射:煤块抛出、煤尘飞扬等。煤的整体位移:在顶板能看出擦痕,巷道空间缩小。底鼓:底煤鼓起伤人,将溜子等设备鼓起或弹起,因此要想办法把底煤采出,不留底煤。震动:造成棚子倾倒,设备器材移动。伴随有飓风的发生:当冲击地压较强时产生的冲击波可以造成人员伤亡。1. 5 冲击矿压的分类根据国内外的分类方法,冲击矿压可分为由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和由构造活动引起的构造型冲击矿压。而采矿型冲击矿压可分为压力型、冲击型和冲击压力型。压力型冲击矿压是由于巷道周围煤体中的的压力由亚稳态增至极限值

7、,其聚集的能量突然释放。冲击型冲击矿压是由于煤层顶底板厚岩层突然破断或位移引发的,它与震动脉冲地点有关,而与事故地点无关。在某种程度上,构造型冲击矿压也是冲击型的。冲击压力型冲击矿压则介于上述两者之间,当煤层受较大压力时,在来自周围岩体内不大的冲击脉冲作用下发生的冲击矿压。表1 2 煤矿冲击地压发生的原因和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, 即自然的、技术的和组织管理方面的。其关系如表2所示。较大的原岩应力表2采矿作业不当防治措施采取不当缺乏培训违反规程煤层的超量开采防治措施限制采矿地质因素限制生产过度集中局部应力集中煤岩冲击倾向性底层中的厚岩层组织管理的技术的自然

8、的冲击矿压发生的原因冲击矿压发生的原因是多方面的,但总的来说可以分为三类,即自然地质因素、开采技术条件和组织管理措施。冲击矿压的发生需要满足能量条件、刚度条件和冲击倾向条件。这些条件可以用煤层和顶底板的刚度来说明。(1) 当煤层和顶底板的刚度均大于零,煤岩体稳定。(2) 当煤层刚度小于零,但煤层和顶底板的刚度之和大于或等于零,煤岩体亚稳定或静态破坏。(3) 当煤层和顶底板刚度之和小于零,煤岩体强烈破坏,发生冲击矿压。煤矿中,煤层,底板,顶板构成一个平衡系统。其中顶底板的强度均比煤层大,而且煤层是开采对象,故在压力作用下,煤体容易遭受破坏,如果是稳定破坏,则表现为煤柱的变形、巷道压缩等,如果是非

9、稳定、突然破坏,则表现为冲击矿压或突出。系统结构模型如图2 所示。为研究冲击矿压的发生机理，假设底板不变形，煤柱与顶板一起作用。顶板的质量为M1，底板的质量为M2，刚度为k，上覆岩层作用在顶部的力为P1，煤柱中的力是位移和时间的函数，即P2=f (u2t)。则由受力情况可知：P1=M1d2u1dt2 + k(u1- u2) (1)P2= f (u2,t) (2)式中：k 顶板岩层刚度；u1 顶板位移；u2 煤柱位移。当系统平衡时，即：Pl=P2，得：f (u2,t)=M1d2u1dt2 + k(u1- u2) (3)从能量的观点看，若要系统平衡，则必须使顶板中聚积的能A1 小于煤柱顶板P煤如图

10、一Z底板3煤矿冲击地压预测技术3.1电磁辐射监测仪探测法1.煤岩变形破坏的电磁辐射机理煤岩体产生电磁辐射, 源于煤岩体的非均质性, 是由应力作用下煤岩体中产生非均匀变速形变引起的。受载煤岩体中发生以下电荷(或带电粒子) 运动过程:(1) 煤岩材料变形及破裂时能够产生电磁场,有两种形式: 一种是由电荷, 特别是试样表面积累电荷引起的库仑场(或准静电场) , 另一种是由带电粒子作变速运动而产生的电磁辐射, 是一种脉冲波。(2) 在非均匀应力作用下非均质煤岩体各部分产生非均匀形变, 由此引起电荷迁移, 使原来自由的和逃逸出来的电子由高应力区向低应力区或拉应力区迁移, 同时在试样表面也积累了大量的电荷

11、。由此形成了库仑场(或准静电场) , 或低频电磁辐射。(3) 裂纹形成及扩展前, 裂纹尖端积累了大量的自由电荷(电子)。裂纹扩展时, 发射电子, 由于裂纹不是匀速扩展, 这必然向外辐射电磁波, 这种电磁辐射与声发射是同步的。(4) 裂纹扩展后, 裂纹局部煤体卸载收缩, 在卸载的瞬时, 裂纹尖端两侧附近区域煤体中电子浓度较高, 形成了库仑场。在该电场的作用下, 发射出的电子产生加速运动, 向外辐射电磁波。(5) 出于摩擦等原因产生电磁辐射, 也可能产生带正(负) 电粒子; 裂纹表面电荷也会发生张驰。(6) 运动的电荷碰撞周围介质分子或原子, 使运动电荷减速, 同时能使介质分子或原子发生电离, 发

12、射电磁波。3.1.1测量的有效距离根据研究结果, 一般情况下, 对于现场煤岩体来说, 当电磁场频率低于lMHz 时, RXEm 1, 则煤 岩体中电磁波传播的有效传播距离L 为: L =Q/PLff =Q/PLL 2式中L 电磁波传播的有效距离;Q煤体的电阻率;L导磁率。E绝对介电常数;X电磁波的频率;R介质的电导率。对于岩石和矿物, L一般不随频率而变化的定值, 即L= L0= 4P10- 7 Hm 。煤体的电阻率Q一般在102 103 8 m 之间变化。当选择接收频率上限为500 kHz 时, 则预测范围(或有效深度) 为7. 12 22. 5 m。柱中聚积的能量A2，即： A1A23.1

13、.2测点的布置因为采场周围的应力分布是不均匀的, 冲击矿压一般发生在工作面及前方100 m 范围。观测点的布置原则是既要监测工作面的区域, 又要监测两巷。而应力集中程度高的区域, 则是重点防治区域,对于重点区域, 要多布置一些测点。故测线间距可定为10 m , 这样可覆盖全部危险区域。3.1. 3冲击矿压危险状态确定危险性等级的划分根据冲击矿压发生的原因, 冲击矿压的预测预报、危险性评价及冲击矿压的治理, 通过统计、模糊数学等的分析研究, 可以对冲击矿压的危险程度按冲击矿压危险状态等级评定的电磁辐射法定量化的分为五级, 见表2。下面面作一具体说明并附有关对策:表3冲击地压危险等级巷道中冲击地压

14、危险状态冲击地压危险指数A无冲击地压危险小于弱冲击地压危险中等冲击地压危险强冲击危险不安全大于A. 无冲击危险。冲击矿压危险状态等级评定综合指数W t 0. 95。冲击矿压的防治措施应根据专家的意见进行,应采取特殊条件下的综合措施及方法。采取措施后, 通过专家鉴定, 方可进行下一步的作业。如果冲击矿压的危险程度在没有降低的情况下, 停止进行进一步的采矿作业, 该区域禁止人员通行。煤岩变形破裂时，将会产生电磁辐射现象,它是由煤体各部分的非均匀变速变形引起的电荷迁移和裂纹扩展过程中形成的带电粒子产生变速运动而形成的。煤矿采掘空间形成后，采掘工作面煤体失去原有的应力平衡，处于不稳定状态。煤壁中的煤体必然要发生变形或破裂，向新的应力平衡状态过渡，这种过程会引起电磁辐射。这一情况在采煤工作面顶板断裂之后