专题-浅谈煤矿冲击矿压的预测预防措施.doc

1、专题部分浅谈煤矿冲击矿压的预测预防措施摘要：我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m的速度向深部增加，一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，巷道围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重。在这些种种复杂而剧增的地应力条件下，以及开采条件越来复杂，冲击矿压事故发生的强度和频度也日益增加。分析和研究冲击矿压发生机理和作用机制，并且合理的利用这些研究成果，制定一些具有针对性的措施来预防或者尽量减小煤矿冲击矿压对煤矿安全生产带来的人员伤亡和经济损失，对冲击矿压的防治和煤矿的安全生产具有理论指导意义。关键词：冲击矿压；围岩应力；声发射；动态防治

2、；综合防治1 绪论我国是世界产煤大国，同样也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。而随着开采深度的加大，巷道周边围岩应力呈近似线性关系的增长，巷道围岩变形少则几百毫米，多达1.02.0 m。煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量的弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。它具有氨爆发的特点、其效果有的如同大量炸药爆炸，有的能形成强烈暴风，危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重。在地下开采中易造成严重的自然灾害，

3、冲击矿压是目前研究的热门和难题，很多情况下都没找到很好的解决办法，但它可以通过采取科学的方法和技术方式进行防治。1.1冲击矿压的分类 通常情况下，冲击矿压会直接将煤岩抛向巷道，引起岩体的强烈震动、产生强烈声响，造成岩体的破断和裂缝扩展，破坏井巷工程。冲击矿压具有突发行、瞬时震动性、巨大破坏性、复杂性等明显特征。冲击矿压按其显现强度及释放的能量等进行分类。第一，矿震。深部的煤岩体发生破坏。煤岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但有明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮”。第二，强冲击。部分煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设基本无损坏，围

4、岩产生震动，一般震级在2.2，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。第三，强冲击。部分煤岩急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在2.3级以上伴有巨大声响，产生大量煤和冲击波。根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压分为三级：一是轻微冲击（1级）。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压。二是中等冲击（2级）。抛出煤量在0-50t，震级在1-2级的冲击矿压。三是强烈冲击（3级）。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。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有构造引起的构造型，采矿型冲击矿压可分为压力型、冲击型和冲击

5、压力型。压力冲击型是由于巷道周围煤体中的压力由亚稳定增加至极限值，其积聚的能量突然释放引起的。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起的，它与震动脉冲地点有关。在某种程度上，构造型冲击矿压也可看作冲击矿压。冲击压力型冲击矿压介于上述两者之间，当煤层受较力，来自围岩内不大的冲击脉冲作用下发生的冲击矿压。1.2冲击矿压的影响因素 （一）开采深度 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 mH500 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1-1);当采深为8

6、00 m时,冲击指数Wt=057,相对于深度500 m(Wt=004)增加了13倍。 图1-1采深与冲击矿压的关系（二）煤岩的力学性质生产实践与试验研究均表明:在一定的围岩与压力条件下,任何煤层中的巷道或工作面均有可能发生冲击矿压。煤的强度越高,引发冲击矿压所需要的应力越小;反之,若要引发冲击矿压,就需要比硬煤高得多的应力。煤层的冲击倾向性是煤的固有属性,是评价煤层冲击性的特征参数之一。（三）顶底板岩层结构顶板岩层结构,特别是煤层上方坚硬厚层砂岩顶板,是导致冲击矿压发生的主要影响因素之一。其主要原因是厚层坚硬砂岩顶板容易积聚大量的弹性能。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,

7、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。这样,在采动影响下,厚层坚硬砂岩顶板岩层的活动就会使得煤层的大量弹性能不断积聚与释放,增大了发生冲击矿压的危险性。（四）地质构造地层的动力运动形成各种各样的地质构造。在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常(如底鼓、顶板下陷、煤厚变化、煤层分叉、空洞、倾角局部变化等现象)等构造带。实践证明:冲击矿压经常发生在向斜轴部,特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层褶曲处,这些构造应力集中的区域积聚了大量的弹性变形能,发生冲击矿压的危险性最大。2 冲击矿压发生的机理冲击矿压是裂纹扩展及变形局部化导致的失稳现象，与具有裂隙的各

8、向异性岩石介质的力学性质和围岩在外加荷载作用下应力应变场的演化与失稳密切相关。关于冲击矿压的发生机理，各国学者在对冲击矿压现场调查及实验室研究的基础上，从不同角度提出了一系列重要理论，如：强度理论，刚度理论，能量理论，冲击倾向理论，三准则理论和变形系统失稳理论等。强度理论认为：产生冲击矿压时支护围岩力学系统将达到力学极限状态；刚度理论认为：矿山结构的刚度大于围岩支护刚度是产生冲击矿压的必要条件；能量理论则认为：当支护围岩力学系统在其力学平衡状态被破坏时的能量大于所消耗的能量时，即发生冲击矿压；冲击倾向性理论认为：煤岩层冲击倾向性是煤岩介质的固有属性，是产生冲击矿压的内在因素；稳定性理论则认为：

9、煤岩体内部高应力区局部形成应变软化,与尚未形成应变软化的介质处于非稳定平衡状态，在外界扰动下动力失稳，形成冲击矿压。冲击矿压的危害。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，其危害几乎遍布世界各采矿国家。英国、德国、加拿大、日本已及中国等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。自1933年抚顺胜利矿发生冲击矿压现象，先后在北京、辽源、枣庄、徐州等矿务局都相继发生过冲击矿压现象。冲击矿压是威胁矿山开采安全的一大隐患,并随开采深度的增加,其危害性也不断加大。多年来,研究者针对冲击矿压机理、预测和防治开展了大量的卓有成就的

10、研究。在这里主要从强度理论、能量理论和倾向性理论三方面讨论分析冲击矿压发生的机理。2.1强度理论 强度理论以“矿体围岩”系统为研究对象,考虑了系统的极限平衡,认为冲击矿压发生的应力条件是:式中i包括自重应力、构造应力、由于开采引起的附加应力、煤体与围岩交界处的应力和其它条件(如瓦斯、水和温度等)引起的应力; R煤体与围岩系统强度。建立冲击矿压力学模型如图2-1所示:图2-1系统结构模型设顶板质量为m1,刚度为K,煤的质量为m2,煤柱中的力是位移和时间的函数,即P2=f(u2,t),则上覆岩层作用在顶部上的力和煤柱中所受力分别为:式中u1顶板的位移; u2煤柱的位移。系统平衡时,P1=P2,即:

11、m1=d2u1dt2+K(u1-u2)=f(u2,t)假设顶板位移为零,煤柱中的位移增加了u2,则: 其能量变化为: 根据式(1)式(4)得顶板煤层底板系统平衡方程式为: 当煤层和顶底板的刚度均大于零时,则煤岩体处于稳定状态;当煤层的刚度小于零,但煤层和顶底板的刚度之和大于或等于零,则煤岩体处于亚稳定状态或静态破坏状态;当煤层和顶底板的刚度之和小于零时,煤岩体将产生剧烈破坏，发生冲击矿压。若顶板来压,顶板加速度为d2u1/dt2,煤层更容易处于不稳定状态,更易发生冲击矿压,且强度更猛烈。如果煤岩体本身强度大于其所受的应力,即应力处于煤岩体强度曲线ABC这一侧,则煤岩体是稳定的(见图2-2),因

12、此一般浅部开采时不易发生冲击矿压现象。图2-2煤柱处于稳定状态20世纪70年代末,强度理论得到进一步发展,具有代表性的是夹持煤理论，认为煤体处于顶底板“夹持”之中，夹持特性决定了煤岩体系统的力学特性。在煤体夹持带所产生的力学效应是:应力高、并储存有相当高的弹性能。只要高应力突然加大或系统阻力突然减小，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，则形成冲击矿压(见图2-3)。 图2-3夹持煤体产生高侧压示意图2.2能量理论20世纪50年代末期前苏联学者C.T.阿维尔申以及20世纪60年代末期中期英国学者库克等人提出:“矿体围岩”系统在其力学平衡状态遭到破坏所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击矿压。

13、发生冲击矿压的条件是: 式中duE/dt，dus/dt分别是围岩系统、煤体内的能量释放速度;Dup/dt克服围岩边界阻力和煤体破坏时吸收能量的速度;,分别为围岩系统、煤体内能量释放的有效系数。当煤柱遭到破坏时,强度突然下降,虽然顶板具有刚度,但煤柱的刚度变化率df(u2,t)/du2vmin时,才会发生冲击矿压。破碎煤岩体的动能为: 式中破碎煤岩体的平均密度。研究表明:当破碎煤岩体的初始速度为du2/dt10 m/s时,肯定发生冲击矿压。若取=2.5103kg/m3,则发生冲击矿压最小动能为Ukmin=1.25105J/m3。 2.3冲击倾向性理论波兰和前苏联学者提出了冲击倾向性理论。我国学者

14、在这方面做了大量的工作,提出用煤样的动态破坏时间(Dt)、弹性能指数(WET)以及冲击能量指数(KE)三项指标综合判别煤的冲击倾向的实验方法。(1)冲击能指数KE在单轴压缩状态下,煤样全“应力应变”曲线峰值C前所积聚的变形能Es与峰值后所消耗的变形能Ex之比值。如2-4所示 由图可知:煤越软,煤岩变形越大,CD段越长,CDFQ围成的面积越大,Es/Ex越小,冲击能指数KE越小,如曲线1;反之煤硬脆性越好,煤岩变形越小,CD段越短,CDFQ围成的面积越小,Es/Ex越大,冲击能指数KE越大,如曲线2,从而说明煤的脆性越好,发生冲击矿压的可能性越大。 图2-4软硬煤的应力应变曲线(2)弹性能指数KET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,如图2-5所示:图2-5弹性指数WET计算图 1.卸载曲线2.加载曲线sp.弹性应变能st.塑性应变能 显然,积蓄的能量愈多而消耗的能量越少,则发生冲击矿压的可能性越大。(3)动态破坏时间Dt煤样在常规单轴压缩实验条件下,从极限载荷到，全破坏所经历的时间,如图2-6所示 图2-6动态破坏时间曲线实践表明:当KE和WET两个冲击倾向指标大于某个值时,就会发生冲击矿压,这一理论称为冲击倾向性理论。至今煤炭部门还在沿用这一指标(见表1),并制定了标准。3 冲击矿