1、专题部分浅析煤矿冲击矿压的防治摘要：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，并提出了自己的理解。1问题的提出随着煤矿开采深度的不断加大,包括冲击矿压、岩爆、矿震、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出、地表突然塌陷等在内的煤岩动力灾害呈显著增加的趋势,已严重
2、影响我国煤矿的安全生产,对人民生命财产和社会稳定构成了重大威胁。仅就冲击矿压而言,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。对于冲击矿压的防治,国内外学者已开展了不少的研究工作,尤其集中在采用地音、微震和电磁辐射等,间接观测评价煤岩体应力的方法观测煤岩体受力与破坏情况及采用煤层注水、煤岩层爆破等防治方法降低或消除煤岩体的冲击危险性。本文主要从直接观测煤岩体应力角度出发,通过使用采动应力监测与微震监测技术,监测分析与评价了监测区域的冲击危险性,并从应力
3、控制角度对煤层和顶板实施了技术措施,从而降低了煤岩层的冲击危险性,实现了煤矿的安全生产。2国内外现状2.1国外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、典地利、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。2.1.1前苏联 前苏联的冲击矿认最早于1947年发生在吉谢罗夫矿区。此后共有9个
4、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4001860 m煤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；充填或垮路等顶板管理方法；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单位和高等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
5、为减少。1955一l 977年冲击危险矿井数出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56次。在前苏联金属矿，冲击矿压的频度比煤矿要小得多，其主要形式为岩石弹射、震动和微冲击主要发生在北乌拉尔铝上办等20余个矿山。开始出现的深度为川300一700 m，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，平均单向抗压强度100“250MPa，最低2530 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。2.1.2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
6、度为1035MPa煤厚0.520 m(一般1.5“35m)，倾角0一45(一般515)平均采深600 m顶板大都为坚硬砂岩。长壁工作面产量占99，其中70为垮落法开采。其余为水砂充填。工作面平均长150 m，日产1300一1400t商品煤。机械化程度962，其中综采站83.7。 冲击矿压是波兰煤矿重大灾害之一，最早记载于1958午。目前开采的400号、500号、600号、700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105-109J，最大是1011J。19
7、49-1982年，共发生破坏性冲击矿压3097次，造成死亡401人，井巷破坏13万m。 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测方面，居世界领先地位。由于采取综合防治措施，保证了安全，促进了生产。2.1.3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。1910-1978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l0一20 MPa，煤种为长
8、焰煤、气煤和肥煤等。冲击矿压发生深度5901100 m，其中850一1000 m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1-6m，其中主要为152m，倾角4-44。 在德国，产生冲击矿压的煤层顶板绝大部分是540 m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享有较高声誉。2.2国内现状 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200 m左右。从1949牛以来已发生破坏性冲击矿压4000多次，
9、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
10、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
11、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冲击矿压现象、特征及其分类3.1现象及特征冲击矿压通常是在煤岩力学系统达到极限强度时,以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能,导
12、致煤岩层瞬时破坏并伴随煤粉的冲击,造成井巷的破坏及人身伤亡事故。综合分析我国各主要冲击矿压矿井所发生的冲击矿压现象可以看出,我国冲击矿压通常可分为煤层冲击和岩层冲击(按参与冲击矿压的岩体类别划分),重力型、构造型、震动型和综合型(按应力来源和加载形式划分),弹射、煤炮、微冲击和强冲击(按显现强度划分),轻微冲击、中等冲击和强烈冲击(按震级及抛出煤量划分),一般冲击矿压、破坏性冲击矿压、冲击矿压事故(按冲击矿压的破坏后果划分)等多种类型的冲击矿压,但进一步分析可知,无论是哪种类型的冲击矿压现象,均是应力作用导致煤岩体突然破坏的结果,只不过应力的来源、大小和表现形式等要素的不同而已。因此,研究和防
13、治冲击矿压,重要的是如何监测煤岩体应力的大小与变化,如何控制煤岩体的应力。当然,煤岩体中的应力可概括地分为原岩应力和采动应力,原岩应力不能控制,采动应力可以控制。本文不考虑原岩应力的监测,只研究采动应力的观测、监测与控制。 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，干扰通风系统等。 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
14、发生、难于争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声响和强烈的震动，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面有地震感觉，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常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。3.1.1矿压监测煤矿开采活动必然会使煤岩体原有的应力平衡状态被打破,导致煤岩体内部的应力重新分布,从而形成采动应力。在
15、采动应力作用下,将导致煤层顶底板垮断与破坏、支架折损、片帮冒顶、底鼓等一般的矿山压力现象,对于具有冲击危险性的煤岩层,也可能导致冲击矿压、顶板大面积来压等煤岩动力灾害的发生。研究一般的矿山压力现象时,只需观测工作面支架工作阻力、顶板离层、锚杆锚索载荷和煤岩体应力等,且通常分析其变化规律就可判断支架的工作状态、来压步距与强度等矿压参量,从而指导生产。3.1.2采动应力监测对于冲击矿压等煤岩动力灾害而言,仅仅获得上述基本矿压参量是无法实现灾害预测的。为了有效预测和控制冲击矿压等煤岩动力灾害,就必须监测煤岩体的真实应力,但是对煤岩体真实应力的监测存在一定困难,或者是不经济的。为此,通常采用监测煤岩体相对应力的方法来监测采动应力。然而,一个点的相对应力值变化无法判断冲击危险性和冲击危险区域,要对采动应力影响区域进行多点连续监测才能了解采动应力场的变化,进而预测冲击危险性。因此,通过比较不同时刻每个测点的相对应力的变化量(应力梯度),并通过对这个变化量进行处理,从而形成具有统一标准的应力梯度等值线,比较应力梯度等值线的变化,即可评价冲击危险性和冲击危险区域。这一基本思想可用数学表示为:式中,n, t为某一时刻n位置煤体的应力梯度值;n, t+1为t+1时刻n位置煤体的相对应力值;n, t为t时刻n位置煤体的相对应力值。基于上述思想,按
