煤岩動力災害－衝擊地壓

煤岩動力災害－衝擊地壓

衝擊地壓：煤岩體突然動力破壞，釋放大量能量的災害動力現象，可摧毀巷道、引發其他礦井災害，造成人員傷亡

衝擊地壓研究

衝擊地壓發生原因機理研究

衝擊地壓危險性評價及預測預報研究

衝擊地壓治理措施研究

1）衝擊地壓機理研究

地質與開采影響衝擊地壓的發生

強度理論、剛度理論、能量理論、衝擊傾向理論、三準則和變形失穩理論

2）衝擊地壓預測預報研究

衝擊地壓可能發生地點位置，可達到準確預測

衝擊地壓發生強度和震動釋放能量，可較準確確定

可確定衝擊地壓的危險程度、危險性大小

3）衝擊地壓治理研究

長期防禦性措施—開采順序、開采方法、采煤工藝、開采保護層等

主動解危措施—卸壓爆破、煤層注水、鑽孔卸壓、定向裂縫法等

動力災害衝擊地壓防治

一、衝擊地壓動力災害現象

二、衝擊地壓發生原因

三、衝擊地壓機理研究

四、衝擊危險的預測預報

五、衝擊地壓解危與治理

衝擊地壓動力災害現象

一、衝擊地壓動力災害現象

1、災害現象與嚴重程度

衝擊地壓作為人為誘發的地震，危害性很大。采礦誘發的地震達3~4級，最大5.6級

衝擊地壓：大量煤岩體突然劇烈破壞並向采掘空間劇烈運動的災害動力現象，可摧毀巷道、引發其他礦井災害，造成人員傷亡。

1738年英國史塔夫礦首次記錄，我國1938年撫順。煤礦，有衝擊地壓危險礦井占20%以上。

中國是世界上煤岩動力災害最嚴重的國家之一。

一、衝擊地壓動力災害現象

開采引發地震震級，最大5.6級。我國4級。

一次性破壞巷道500m。

一次3.7級，造成588幢房屋倒塌。

煤岩動力現象與衝擊地壓

一、衝擊地壓動力災害現象

直接將煤岩動力拋向巷道，引起強烈震動，產生強烈聲響，造成岩體的破斷和裂縫擴展

突發性。無預兆，過程短暫，持續時間幾秒到幾十秒，難於準確預報發生時間、地點和強度

瞬時震動性。像爆炸強烈震動，重型設備被移動，人員被彈起摔倒，震動波及範圍可達幾公裏甚至幾十公裏，地麵有地震感覺

巨大破壞性。大量煤體突然拋出，堵塞巷道，破壞支架；造成慘重的人員傷亡和巨大的生產損失

複雜性。 各種條件和采煤方法均出現過

一、衝擊地壓動力災害現象

衝擊地壓對井下巷道的影響主要是動力將煤岩拋向巷道，破壞巷道周圍煤岩的結構及支護係統，使其失去功能。

一、衝擊地壓動力災害現象

衝擊地壓、震動使人體各器官產生共振而損傷。

醫學分析表明：

腦部，91%；

胸部，60%；

內部器官，18%；

上下肢，18%。

一、衝擊地壓動力災害現象

能量為1×10^3 J的震動，造成大部分人員腦部、臉部損傷，其次為心髒、胃、脊柱、腎等損傷。

一、衝擊地壓動力災害現象

人體在垂直方向承受的加速度比水平方向的大。

震動加速度使人體撞擊受傷。

一、衝擊地壓動力災害現象

衝擊地壓對將造成類似於地震那樣的災害。

一、衝擊地壓動力災害現象

能量為7×106J的震動，在地表記錄到的最大加速度為300mm/s2，對地表的影響強度為6級。

動力災害衝擊地壓防治

一、衝擊地壓動力災害現象

二、衝擊地壓發生原因

三、衝擊地壓機理研究

四、衝擊危險的預測預報

五、衝擊地壓解危與治理

衝擊地壓發生原因分析

二、衝擊地壓發生原因

2.煤體力學特性的影響

在一定的圍岩與壓力條件下，任何煤層中的巷道或采場可能發生衝擊地壓

煤的強度越高，引發衝擊地壓所要求的應力越小，反過來說，若煤的強度越小，要引發衝擊地壓，就需要比硬煤高得多的應力

煤的衝擊傾向性是評價煤層衝擊性的特征參數之一

(1).衝擊能指數

衝擊能指數KE—在單軸壓縮狀態下，煤樣的全“應力—應變”曲線峰值C 前所積聚的變形能 Fs 與峰值後所消耗的變形能 Fx 之比值

(2).彈性能指數

彈性能指數WET —煤樣在單軸壓縮條件下破壞前所積蓄的變形能與產生塑性變形消耗的能量的比值

(3).動態破壞時間

動態破壞時間 DT —煤樣在常規單軸壓縮試驗條件下，從極限載荷到完全破壞所經曆的時間DT

《中華人民共和國行業標準》MT/T174-2000

(4).單向抗壓強度

WET = a+eb+cRc

3.頂板岩層結構的影響

堅硬厚層砂岩頂板容易聚積大量的彈性能。在其破斷過程中或滑移過程中，大量的彈性能突然釋放，形成強烈震動，導致頂板煤層型頂板型衝擊地壓。

開采初期，堅硬頂板呈梁或板的形態，其下產生離層。隨工作麵的推進，離層量不斷增加，最大離層量位於采空區中部。當工作麵推進到一定程度後，堅硬頂板斷裂垮落，中部的離層量消失

堅硬岩層來壓時，頂板下沉是非常劇烈，工作麵及其周圍巷道的礦壓顯現是非常明顯的

初次來壓的頂板下沉量是正常回采期間的5~6倍

在堅硬頂板條件下，頂板運動速度是非常快的，其動能是非常大的

堅硬頂板破斷時，產生的能量部分被損失，部分到達巷道或工作麵。到達工作麵的能量

新汶華豐煤礦的實例

埋深700－800m，煤層上覆岩層為500m左右的沙礫岩。

4.地質構造的影響

地層動力運動形成各種各樣的地質構造，如斷層、皺曲等對煤礦衝擊地壓的發生有較大的影響

龍風礦，當巷道接近斷層時，衝擊地壓發生的次數明顯上升，且強度加大

煤層分叉和斷層附近衝擊危險

皺曲附近衝擊危險

5.衝擊地壓多發區域

上層煤停采線和煤柱

煤柱區應力的高度集中

煤柱區應力的高度集中

煤柱區應力的高度集中

煤柱區應力的高度集中

上層煤遺留煤柱和停采線

停采線或邊角形成的非穩定區。當工作麵推進到該區域後，停采線上方的岩體將移動，形成二次應力重新分布，就有可能，形成衝擊地壓。

采空區和老巷影響

當兩層煤間布置的巷道相互平行時，在其投影間距很小，隻有十幾米的情況下，就形成了煤柱，會造成應力集中現象，不僅在一個煤層，而且在另一個煤層中，均可能會發生衝擊地壓。此外，在兩個煤層的巷道交叉時，也會發生這種情況

開采麵積的影響

工作麵推進速度的影響

工作麵的推進速度越快，產生的礦山震動就越多

推進速度小於1m/d或3m/d左右時，衝擊地壓發生的次數最少；

推進速度為1.3<υ<2.5m/d時，防衝最不利

工作麵推進速度的影響

回采工作麵勻速推進對防治衝擊地壓的發生是有利的

動力災害衝擊地壓防治

一、衝擊地壓動力災害現象

二、衝擊地壓發生原因

三、衝擊地壓機理研究

四、衝擊危險的預測預報

五、衝擊地壓解危與治理

衝擊地壓發生機理研究

三、衝擊地壓機理研究

強度理論：井巷和采場周圍產生應力集中，當應力達到煤岩體的強度極限時，煤岩體就會突然發生破壞，形成衝擊地壓

剛度理論：礦山結構(礦體)的剛度大於礦山負荷係統(圍岩)的剛度是產生衝擊地壓的必要條件

能量理論：礦體—圍岩係統在其力學平衡狀態破壞時所釋放的能量大於所消耗的能量時就發生衝擊地壓

衝擊傾向性理論：煤岩介質產生衝擊破壞的固有能力或屬性，是衝擊地壓發生的必要條件

“三準則”機理模型

強度準則是煤體的破壞準則，而能量準則和衝擊傾向性是突然破壞準則。三個準則同時滿足，才是發生衝擊地壓的充分必要條件

1、壓力型衝擊地壓模型

力： P1=P2

能量：A1≤A2

煤柱穩定 k+f′(u2，t)>0

煤柱亞穩定 k+f′(u2，t)>0

煤柱動態破壞 k+f′(u2，t)<0

頂板加速運動

2.彈塑脆性模型

彈塑脆性模型 彈塑性 P-t 模型

衝擊地壓過程是煤岩的流變—突變過程

脆性破壞--載荷發生跳躍，應力總和超過σl ，整個模型立刻破壞（—突變）。

延時破壞--常載荷作用σl<σ<σl (1+EM/EH)，經過時間△t2 後破壞（—流變 突變）。

彈脆性場的Kaiser效應

損傷因子— 微裂隙密度及應力集中效應的反映

D(t)=Sz(t)/S0

有效應力— σf = σ(1-D(t))

有效應變—ε= σ[E(1-D(t))]

有效彈模— EH(t)=E0H[1-D(t)]

因為破壞是不可逆的，D值是非減的，故彈脆性場表現為 Kaiser 效應。

破壞損傷與聲電耦合

煤岩體的損傷速度與岩體活動性（聲發射事件數或電磁輻射脈衝數）成正比。

當△t→0 時

煤岩體的損傷速度與瞬間釋放的能量、變形速度成正比。





衝擊破壞危險性預測

滿足破壞的條件:

脆性單元破壞條件：σ=σl

動力災害衝擊地壓防治

一、衝擊地壓動力災害現象

二、衝擊地壓發生原因

三、衝擊地壓機理研究

四、衝擊危險的預測預報

五、衝擊地壓解危與治理

衝擊地壓危險預測預報

衝擊地壓危險的防治

1. 綜合指數法－危險程度分析與早期預報

衝擊地壓危險狀態決定因素：

地質因素影響及指數

開采因素影響及指數

衝擊危險狀態等級的綜合指數

2.鑽屑法－局部監測方法

支承壓力達到臨界值，且煤層又具有中等以上衝擊傾向性，衝擊地壓就可能發生

支承壓力峰值大小及其距煤壁的遠近，可采用鑽屑法探測

鑽屑法是通過在煤層中打直徑42~50mm的鑽孔，根據排出的煤粉量及其變化規律和有關動力效應，鑒別衝擊危險的一種方法

鑽屑規律

當鑽孔進入煤壁一定距離處，鑽孔周圍煤體過渡到極限應力狀態，並伴隨出現鑽孔動力效應。

應力越大，過渡到極限應力狀態的煤體越多，鑽孔周圍的破碎帶不斷擴大，排粉量不斷增多。

鑽屑量的變化曲線和支承壓力分布曲線十分相似

鑽屑量指標

鑽屑量指數：鑽出煤粉量與正常排粉量之比

動力效應：如鑽杆卡死、跳動、出現震動或聲響等現象

記錄鑽孔時所發生的動力效應，可更加準確地判斷危險位置

3.微震法－區域性監測方法

自動記錄微震活動，實時進行震源定位和微震能量計算

利用拾震儀站接收的直達P波起始點的時間差，在特定條件的波速場條件下進行二維或三維定位，以判定破壞點，同時利用震相持續時間計算所釋放的能量和震級

標入采掘工程圖和上報顯示給生產指揮體係，以便及時采取措施

微震波形圖

微震與衝擊地壓關係

衝擊地壓是礦山震動的事件集合之一

衝擊地壓是岩體震動集合中的子集

每一次衝擊地壓的發生都與岩體震動有關， 但並不是每一次岩體震動都會引發衝擊地壓

震動與衝擊地壓

震動頻次與能量級之間的關係；

衝擊地壓和震動的頻次之比

與能量級之間的關係。

衝擊危險預測

微震活動的頻度和能級出現急劇增加，持續2~3d後，會出現大的震動

微震活動保持一定水平(＜l0^4J)，突然出現平衡期，持續2~3d後，會出現大的震動和衝擊

衝擊地壓的最小能量 >5×l0^3J

4.地音（聲發射）法－局部監測預報方法

根據的岩體地音的參數與局部應力場的變化來進行

岩石破壞的不穩定階段是岩石中裂縫擴展的結果，而地音現象則是微擴漲（岩體中出現的破裂和零量裂隙縫）超過界限的表征，而該現象的進一步發展則表明岩石的最終斷裂。

最終斷裂可引發高能量的震動，也可引發衝擊地壓

地音波形和頻譜

煤層和煤樣中試驗記錄的波形

連續地音監測

地音探頭布置

地音預測衝擊危險

地音變化與煤體應力變化過程相似

地音活動三階段是時間過程，即相對平靜、急劇增加、顯著減弱

地音活動集中在采區某一部位，且地音事件的強度逐漸增加時，預示著衝擊地壓危險

激發地音監測

岩體受壓時，局部較小應力的變化（例如少量炸藥的爆炸）將引起岩體微裂隙的產生

應力越高，形成的裂縫就越大持續時間就越長，岩體中能量的聚積和釋放程度就越高，衝擊地壓發生的危險程度就越高

流動地音監測結果

1，2—煤層注水以前

3，4—煤層注水以後

流動地音監測結果

(1)處衝擊危險最大，(3)點較小，而(2)最小

與實際的結果一致

5.電磁輻射－局部監測預報方法

實驗發現各種煤岩混凝土流變破裂時均有寬頻電磁輻射產生,電磁輻射較聲發射信號敏感。具有Kaiser記憶效應。

電磁輻射與載荷及煤岩流變破壞程度間呈正相關

流變破壞電磁輻射主頻段是變化的(用點頻監測 不可行), 隨破壞程度增加而向高頻段遷移

徐州孔莊原煤電磁輻射頻譜隨載荷變化

電磁輻射與聲發射間具有很好的相關性

非接觸、定向區域性連續監測的寬頻電磁輻射監測係統

現場有災害和無災害危險時的電磁輻射對比

工作麵有衝擊危險時的電磁輻射

現場應用

預測有危險, 采取措施不到位發生動力災害

礦震、衝擊地壓與電磁輻射規律：在礦震、衝擊地壓發生前，電磁輻射值有較大幅度的增長。

電磁輻射偏差法監測理論基礎

煤岩破壞速度與電磁輻射能量率成正比。

煤岩破壞的危險狀態為：

煤岩破壞速度與工作麵推進速度呈平衡狀態。

電磁輻射的較大和較長變化證明平衡狀態變化和衝擊危險性的變化。

電磁輻射偏差監測指標

某觀測點的平均幅值最大值;

某觀測點的平均幅值平均值;

某觀測點的平均脈衝數值。

依偏差值的變化，確定衝擊地壓的危險程度。

電磁輻射偏差預測指數的確定

各指標預測衝擊地壓危險指數：

電磁輻射偏差法確定衝擊地壓危險：

3406震、衝擊地壓與電磁輻射偏差變化

3406電磁輻射預測分析

根據確定的電磁輻射監測偏差值指標，對3406工作麵各觀測點進行衝擊地壓危險性判斷。

如果將監測到的Ⅲ級衝擊地壓危險作為預測標準，則采用電磁輻射監測的偏差值法，對1.0級以上礦震及衝擊地壓危險預測的準確率為100%；

如果將監測到的Ⅳ級衝擊地壓危險作為預測標準，則衝擊地壓危險預測的準確率為73%。

2408電磁輻射預測分析

根據確定的電磁輻射監測偏差值指標，對2408工作麵各觀測點進行衝擊地壓危險性判斷。

如果將監測到的Ⅲ級衝擊地壓危險作為預測標準，則采用電磁輻射監測的偏差值法，對1.0級以上礦震及衝擊地壓危險預測的準確率為100%；

如果將監測到的Ⅳ級衝擊地壓危險作為預測標準，則衝擊地壓危險預測的準確率為69%。

6.衝擊地壓的係統綜合預測

衝擊地壓的隨機性和突發性，破壞形式的多樣性，單憑一種方法預測是不可靠的

必須結合衝擊地壓危險的區域預報與局部預報，早期預報與及時預報

衝擊地壓的係統綜合預測

動力災害衝擊地壓防治

一、衝擊地壓動力災害現象

二、衝擊地壓發生原因

三、衝擊地壓機理研究

四、衝擊危險的預測預報

五、衝擊地壓解危與治理

衝擊地壓解危與治理

1. 衝擊地壓防範措施

1.1 合理的開拓布置和開采方式

1.1 合理的開拓布置和開采方式

(1) 開采煤層群時，開拓布置應有利於解放層開采.首先開采無衝擊危險或衝擊危險小的煤層作為解放層。且優先開采上解放層

(2) 劃分采區時，應保證合理的開采順序，最大限度地避免形成煤柱等應力集中區

(3) 采區或盤區的采麵應朝一個方向推進，避免相向開采，以免應力疊加

(4) 在地質構造等特殊部位，應采取能避免或減緩應力集中和疊加的開采程序.在向斜和背斜構造區，應從軸部開始回采，在構造盆地應從盆底開始回采；在有斷層和采空區的條件下應從采用斷層或采空區開始回采的開采程序

(5) 有衝擊危險的煤層的開拓或準備巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回風巷應布置在底板岩層或無衝擊危險煤層中，以利於維護和減小衝擊危險

(6) 開采有衝擊危險的煤層，應采用不留煤柱垮落法管理頂板的長壁開采法

(7) 頂板管理采用全部垮落法，工作麵支架采用具有整體性和防護能力的可縮性支架

1.2 開采解放層

一個煤層(或分層)先采，能使臨近煤層得到一定時間的卸載

先采的解放層必須根據煤層賦存條件選擇無衝擊傾向或弱衝擊傾向的煤層

實施時必須保證開采的時間和空間有效性（全垮3年，全充2年）

不得在采空區內留煤柱，以使每一個先采煤層的卸載作用能依次地使後采煤層得到最大限度的“解放”

1.2 開采解放層

2. 衝擊地壓解危措施

2.1 卸壓爆破

2.1 卸壓爆破

振動卸壓爆破：引發衝擊地壓、轉移應力集中區、鬆動煤體

振動落煤爆破：引發衝擊地壓、減緩或移去深部煤體或采煤機截深範圍內的支承壓力區

振動卸壓落煤爆破：組合了振動、卸壓爆破和振動、落煤爆破兩種

頂板爆破：將頂板破斷，降低其強度，釋放聚集的能量，減少對煤層和支架的衝擊振動

卸壓爆破炮眼布置

炸藥的布置應從煤層內應力最高點開始向裏，而外部全部用炮泥封孔。這樣可擴大塑性區，將應力最高點向深部轉移

鑽孔深度與應力分布

鑽孔深度L與應力峰值距煤壁距離s關係

L=a ln(s)+b

鑽孔越深，爆破力度越大，效果越好

卸壓爆破誘發衝擊地壓

部分誘發衝擊示意圖

通過卸壓爆破前後電磁輻射的連續觀測表明，卸壓爆破後的30分鍾內，電磁輻射的脈衝數變化劇烈。說明，在這期間煤壁內變形破壞變化劇烈，有可能發生衝擊地壓。

對特厚堅硬岩層進行處理

對堅硬岩層進行處理

2.2 煤層注水

煤的強度與衝擊傾向指數WET也隨煤的濕度的增加而降低

短鑽孔注水法

鑽孔通常垂直煤壁，且在煤層中線附近。注水時，依次在每一個鑽孔放入注水槍，水壓通常為20-25Mpa。注水孔間距為6-10m，注水鑽孔深不小於10m，封孔封在破裂帶以外

優點：容易鑽孔注水；可在煤層的任意部分進行；可在難打長鑽孔的薄煤層進行注水；可在其他不方便的條件下注水

缺點：注水工作在機道進行，影響采煤；注水工作須在衝擊最危險的區域進行；注水範圍小

長鑽孔注水法

通過平行工作麵的鑽孔，對原煤體進行高壓注水，鑽孔長度應覆蓋整個工作麵範圍。注水鑽孔間距應為10-20m

注水槍應布置在破碎帶以外，注水區應在工作麵前方60m外進行

優點：工作麵前方區域內的注水是均勻的，注水工作在兩巷進行，不影響采煤作業。注水的有效時間為三個月

聯合注水法

長、短鑽孔注水法的相互聯合

采麵部分區域采用長鑽孔注水，部分區域采用短鑽孔注水，水壓不小於10Mpa，當降至5Mpa時，認為該鑽孔水已注好

2.3 鑽孔卸壓

鑽孔卸壓

2.4 定向裂縫法

定向水力裂縫法

定向水力裂縫法就是人為地在岩層中，預先製造一個裂縫。在較短的時間內，采用高壓水，將岩體沿預先製造的裂縫破裂。在高壓水的作用下，岩體的破裂半徑範圍可達15~25m，有的甚至更大。

定向裂縫法

感謝各位光臨指導！