专题-煤矿冲击矿压理论及防治技术.doc

1、专题部分 第 17页煤矿冲击矿压理论及防治技术摘要：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，如钻屑法、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，及目前在实际生产过程中采取的主要应对措施如煤层注水、爆破卸压、钻孔卸压、定向裂缝、掘卸压巷等。关键词：冲击矿压；防治1、绪论冲击矿压是压力超过煤岩体的强度极

2、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，造成煤岩体震动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等的一种煤矿自然灾害。冲击矿压还可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯煤尘爆炸、火灾及水灾、干扰通风系统等。长期以来，冲击矿压作为岩石力学的重大难题之一，一直是国内外学术界和工程界关注的重要研究课题。冲击矿压发生的机理十分复杂，是一个正在深入研究的问题，更是关注的焦点。冲击矿压始于1738年的英国煤矿。从那时起到现在的200多年历史中，包括我国在内的世界各采矿国家.如德国、南非、前苏联、波兰、捷克、加拿大、日本、美国等2。多个国家

3、和地区的煤矿均受到冲击矿压的威胁，许多国家和地区对冲击矿压问题给予了极大的关注和投入。冲示矿压发生机理十分复余.、各国学者在对冲击矿生现场调查及实验室研究的基础上。从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、屯准则和变形系统失稳理论等。l世纪50年代提出的强度理论认为。产生冲击矿压时支架一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一支架刚度是产生冲击矿压的必要条件;能量理论则认为矿山开采中如果支架一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，

4、是产生冲击矿压的内在因素;稳定性理论则认为，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。形成冲击矿压等。研究冲击矿压的目的是防治或控制冲击矿压的发生，消除冲击矿压可能对井下人员和设备的危害。冲击矿压防控措施包括区域性防治措施和局部解危措施，前者旨在消除产生冲击矿压的条件，具有时空上的长期性和区域性；后者旨在对已形成冲击矿压的区段进行解危处理和安全防护，属于暂时的局部性措施。目前，我国大部分国有大中型矿井进入深部开采，这些矿井中有的受制于某些因素的制约，不可避免形成了具有冲击矿压危险的开采布局(如无法开采保护层、形成孤岛煤柱、开采深度大或煤

5、层具有冲击倾向性等)，对这样已经布置好的开采系统来说，必须采取冲击矿压的局部解危措施。目前应用于我国煤矿冲击矿压的解危措施较多，如煤层注水、钻孔卸压、卸压爆破和顶板岩层定向水力致裂等。冲击矿压解危措施的根本目的就是把高应力区向煤岩体深部转移，减小应力增高区的应力峰值，降低煤岩体的冲击倾向性，减小应力增高区的能量聚积程度。这些措施的应用在一定程度上消除或降低了冲击矿压危险性，在煤矿安全生产中起到了重要的作用。2、国内外冲击矿压的概述2.1国内冲击矿压现状我国煤矿开采深度每年以10 15m的速度增加, 深部开采条件下的冲击矿压问题日益严重。据不完全统计, 截止目前, 我国冲击矿压矿井总数达80个以

6、上, 其中以新汶矿业集团的华丰煤矿、京煤集团的木城涧煤矿、华亭煤业公司的华亭煤矿、开滦集团的唐山煤矿、抚顺煤业公司的老虎台煤矿等煤矿的冲击矿压危害最为严重。目前国内具有冲击矿压危害的矿井, 大部分没有安装有效的冲击矿压监测设备, 导致对冲击矿压的预测不够准确, 防治效果也不够理想。我国最早记录的冲击矿压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿，当时的开采深度为200m左右。从1949年以来，已发生破坏性冲击矿压4000多次。震级Ml=0.53.8级，造成大量巷道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

7、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200一1000m ,煤层厚度从薄到厚，煤层倾角从缓到急，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200600m，煤的单向抗压强度1030 MPa顶板一般为厚1040m的坚硬砂岩，强度100600M Pa。然而，具体分析起来，我国冲击矿压发生的条件极为复杂。

8、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20 0 8 0 0m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、油母页岩等都发生过;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了冲击现象。2.2国外冲击矿压现状冲击矿压是世界采矿业面临的共同问题。1738年英国在世界上首先报道了冲击矿压现象。之后，前苏联、南非、德国、波兰、美国、加拿大、日本、法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、新西兰和安哥拉等都记录了冲击矿压。目前，有包括我国在内的20多

9、个国家和地区都有冲击矿压.这一事实表明，世界上几乎所有采矿国家都不同程度地受到冲击矿压的威胁。煤矿冲击矿压灾害最严重而且防治工作最有成效的国家是前苏联、波兰和德国。(1前苏联前苏联的冲击矿压最早于1947年发生在吉谢罗夫矿区。此后共有9个矿区出现了冲击矿压问题。发生冲击矿压的一般条件是:初始深度为4001860rn .煤厚0.520m。在各种倾角、各个煤种(包括褐煤)中都记录到冲击矿压现象，多数情况下顶板为坚硬砂岩。也有一些煤田是破碎顶板。开采技术条件涉及到刀柱式或长壁式等开采方法;充填或垮落等顶板管理方法;整层或分层开采情况。自1951年起，全苏地质力学及矿山测量研究院以及其他研究羊位和高等

10、院校等几十个单位配合国家技术监察部门与生产单位一起着手解决煤矿的冲击矿压问题。经过25年的努力，基本上形成了一整套防治冲击矿压的组织管理系统，并制定了有关技术规程，发展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和预报方法，取得了良好效果，冲击次数大为减少。19551977年冲击危险矿井数由8个增至36个，而年冲击次数则由83次降至7次，1980年以后又降至5一6次。在前苏联金属矿，冲击矿压的频度比煤矿要小得多，其上要形式为岩石弹射、震动和微冲击.主要发生在北乌拉尔铝上矿等20余个矿山。开始出现的深度为300700m，主要岩石种类为辉绿岩、正长岩、花岗岩、凝灰岩以及铁矿石、铝土矿石、铜矿石、钾盐矿石等

11、，平均单向杭压强度100250MPa，最低25一30 MPa。前苏联金属矿防治冲击矿压的基本措施原则上同煤矿的没有差别。(2)波兰波兰有三个井工开采煤田:上西里西亚、下西里西亚和鲁布林。产量的98%来自上西里西亚煤田。该煤田中煤的强度为1035M Pa，煤厚0.520m（一般为1.53.5m），倾角045（一般为515），平均采深600m，项板大都为坚硬砂岩。长壁工作面产量占9 9%。其中70%为垮落法开采。其余为水砂充填。工作面平均长度150m，日产13001400 t商品煤。机械化程度96.2%，其中综采占83.7%。冲击矿压是波兰煤矿重大灾害之一。最早记载于1958年。目前开采的400号

12、、500号，600号、7 00号和800号煤层组中45%以上的煤层有冲击矿压倾向，其中500号煤层组最为严重。开始发生冲击矿压灾害的平均采深约为400m，随着采深的增加，冲击矿压危险越来越严重。冲击矿压强度一般为105109j ，最大是1011j，19491982年，共发生破坏性冲击矿压3097次，造成死亡401人，井巷破坏130km。波兰很重视冲击矿压问题.早在20世纪60年代初期就着手大力开展科学研究和防治工作。煤层的冲击倾向实验室测定和井下测定是波兰学者首先倡导并大力发展的。此外，在将岩体声学以及地震法用于矿山冲击危险探测和监侧方面，居世界领先地位。由于采取综合防治措施，保证了安全，促进

13、厂生产。(3)德国鲁尔矿区是德国的主要产煤区，也是发生冲击矿压的主要矿区。19101978年间共记载了危害性冲击矿压283次，有冲击倾向或危险的煤层20余个，其中底克班克、阳光和依达煤层具有最强的冲击倾向，其抗压强度1020MPa，煤种为长焰煤、气煤和肥煤等。冲击矿压发生深度5901100m，其中8501000m冲击矿压数占75%左右，最大抛出量2000m3。发生冲击矿压的煤厚为16m，其中主要为1.52m，倾角444。在德国。产生冲击矿压的煤层顶板绝人部分是540m较厚的砂岩或其他坚硬岩层，因而，认为砂岩顶板是冲击矿压危险煤层的主要标志。德国是防治冲击矿压较有成效的国家，其主要的工作点在于实

14、用。由德国所发展的钻孔卸载法、钻屑法以及其他方法在国际上亨有较高声誉。(4非谋开采中的冲击矿压在世界的采矿实践中，冲击矿压现象不仅发生在煤矿，也发生在其他矿物的开采过程中、除前述前苏联的实例外，开采金属矿发生冲击矿压的还有：捷克的普希勃拉姆多种金属共生矿床，奥地利的铅锌矿，美国的铜矿，加拿大的铜镍矿和金矿，印度科拉尔矿区的金矿和采深超过3000m的南非维特瓦切尔斯兰德金属矿。到日前为止，最强烈的冲击矿压发生在盐矿中，破坏面积达13 Mm3，震动传播距离达几百公里。例如，,1958年原民卞德国维尔,钾盐公司台尔曼矿一所发生的冲击矿压，曾被莫斯科、土耳其和西班牙的地震站记录到。此外。冲击矿压还发生

15、在露天矿中。综上所述，世界采矿业发生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口益严重，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一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、冲击矿压的现象及特征3.1冲击矿压现象冲击矿压是压力超过煤岩体的强度极限.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、火灾以及水灾，干扰通风系

16、统等。通常情况下。冲击矿压将直接产生：、将煤岩动力抛向巷道;、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。因此，冲击矿压具有如下明显的显现特征:突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，难于事先准确确定发生的时间、地点和强度。瞬时震动性。冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的卢响和强烈的震动。电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达儿公里甚至几十公里，地而有地震感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。巨大破坏性。冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落;有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击矿压常