江合煤矿煤岩层冲击地压危险性与防治技术研究.pdf

重庆大学 硕士学位论文 江合煤矿煤岩层冲击地压危险性与防治技术研究 姓名徐厚学 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师王宏图 2010-05 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 近年，随着我国煤矿开采深度的不断增加，显现出冲击地压危险的矿井明显增多。 冲击地压是矿山开采中常见的煤岩动力现象， 其发生时的猛烈性和破坏性等特点给矿井 安全生产带来巨大威胁。由于冲击地压灾害诱因复杂，影响因素众多，其发生机理、预 测方法及防治技术等一直是矿山安全方面需解决的重点和难点问题。 本文总结分析了冲击地压有关发生机理、预测方法及防治技术；重点对煤岩在爆破 载荷作用下的破坏过程以及卸压爆破防治冲击地压的机理进行了分析。 结合矿井生产情 况，通过理论分析和实验室测试相结合，研究了江合煤矿三采区采煤工作面煤岩特性及 煤岩冲击倾向性； 从自然地质因素和开采技术条件两个方面分析了江合煤矿工作面冲击 地压危险的主要影响因素； 采用综合指数法对矿井冲击危险程度和冲击地压特别危险区 域进行了评判研究。论文取得的研究成果有 （1）自然地质因素和开采技术条件是影响冲击地压的两方面主要因素，指出煤岩 的物理力学性质及冲击倾向性是形成冲击地压危险的内在因素， 它们不仅关系着冲击地 压危险的形成发展，还对解危措施的解危效果有重要影响。 （2）通过对江合煤矿煤岩物理力学性质及冲击倾向性的实验室测试研究得出，江 合煤矿煤岩具有强度大、硬度高等特点，有利于冲击地压危险的形成和发展。 （3）煤岩的弹性能指数、冲击能指数、弹性变形指标及动态破坏时间的实验结果 表明，该煤岩具有中等冲击倾向性。 （4）采用综合指数法对矿井采煤工作面冲击危险程度做出了评判，确定出了该矿 冲击危险特别危险区域。 （5）根据实验结果及现场考察情况，建议采用卸压爆破方式进行解危；指出卸压 爆破孔深、孔距及装药量等有关参数的选择应根据其解危目的而定；可以利用观测法、 钻屑法或者多种方法相结合来考察卸压爆破解危效果。 最后提出除了自然地质因素和开采技术条件外， 还应注重结合冲击地压管理技术来 加强冲击地压危险防治。 关键词关键词冲击地压，冲击危险评定，综合指数法，卸压爆破 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT In resent years, with the excavation depth of coal mining increasing in china, more and more coal mine appears rock burst. The rock burst is one of the complex dynamic phenomena in coal mining, it’s violent and destructiveness brings the huge threat for the mine safety production. Because the cause lead to rock burst is complex, the influencing factor to be numerous, the mechanism, the forecast and the control technique about rock burst has become the key point and the difficult question which the mining worker needs to solve. In this thesis, the domestic and foreign research results about rock burst, such as mechanism, the forecast and the control technique, has been summed. The thorough analysis to the coal crags under blast load function destruction process as well as the release of pressure demolition prevention rock bursts mechanism has made. The theoretical analysis and the laboratory test are used to research the bursting liability of Jiang He coal mime, according to the produce condition the key factor, such as geology condition and technology, that impact rock burst has been analyzed, of aggregative index was used to uate the burst dangerousness and determined the rock burst special hazard region. The main results obtained are as follows Firstly, both the nature of geological factors and mining technological conditions are the main factors that lead to rock burst, points out the physical and bursting liability of coal are internal factors lead to rock burst, they are not only in relation to the rock ation and development but also have a major impact to measurements getting rid of danger. Secondly, through the research to physical and bursting liability of coal in Jiang He coal mime get that the coal has high strength and hardness characteristics，it’s easy to conduct the rock burst. Thirdly, the test results about elastic strain energy index, bursting energy index, elastic deation energy index and duration of dynamic fracture show that the coal has a moderate dangerous to rock burst. Fourthly, of aggregative index was used to uate the burst dangerousness of work face and determined the rock burst special hazard region. Fifth, Based on laboratory results and site visits, it is recommended way of getting rid of danger by relieving shot, and points out the purpose main decide the blasting parameters such 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III as bore depth, bore distance and charge weight, and we may combination of several s to study the effects of relieving-shot Finally, point out that apart from natural geological factors and mining technological conditions, we must also combined management techniques to strengthen the rock burst control. Keywords Rock burst，uation of burst dangerousness， of aggregative index， Relieving-shot 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题提出 冲击地压是压力超过煤岩体的强度极限， 积聚在巷道周围煤岩体中的弹性应变能在 一定条件下突然释放，将煤岩抛向巷道，并发出强烈声响，造成煤岩体震动和破坏、支 架与设备损坏、巷道垮落破坏以及人员伤亡的一种动力现象[1]。破坏性是冲击地压灾害 的一个重要特点，灾害发生时常伴有猛烈的响声、剧烈的岩体震动，震动时间较短，往 往在几秒到几十秒，灾害影响范围内可以感觉到周围介质的震动。冲击地压发生时往往 向采空空间抛出大量的煤块或岩块碎片，砸死砸伤井下工作人员，堵塞开采空间，破坏 支架等井下设备[2]；灾害发生时有时还形成大量煤尘，突然释放出高浓度瓦斯，为煤尘 爆炸、瓦斯爆炸等次生灾害的发生埋下祸种。因此，冲击地压灾害的危害程度比一般矿 山压力显现更加严重，发生原因更为复杂，长期以来一直是采矿安全方面研究的重点问 题之一。 世界上几乎所有采煤国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。 第一次有记载的冲击 地压事故发生于英国的南史塔福煤田，距今已有 260 多年的历史了。其间，包括我国在 内世界上发生冲击地压的国家，还有德国、俄罗斯、南非、波兰、美国、日本等 20 多 个国家和地区[1]。 我国最早记录的冲击地压是 1933 年在抚顺胜利矿发生的。 我国冲击地 压主要分布在华北、东北地区，发生地点呈条带性分布[2]。近年，随着我国煤矿开采深 度的增加，开采范围的扩大，冲击地压灾害的显现频率及显现强度都有增加的趋势，许 多矿井也因此遭受惨重的损失[3]。在国内外学者的共同努力下，在冲击地压灾害的发生 机理、预测预报以及防治技术方面取得了重大成就。然而，由于冲击地压灾害本身的复 杂性和影响因素的多样性，使得目前的研究并没取得实质的进展，尤其是在发生机理方 面并没有建立起与实际冲击地压灾害发生原因及破坏过程非常符合的理论。专家预测， 21 世纪岩石力学研究的一个重大难题就是关于冲击地压灾害的预测与防治。由此可见， 对矿井冲击地压事故的原因进行深入分析，寻求合理的、与实际相符的事故防治对策， 提出防止事故再次发生的管理技术措施仍是目前值得深入探讨的问题[4-6]。 1.2 国内外研究现状 近一个世纪以来，中外学者在冲击地压机理、冲击地压预测及防治等方面进行了大 量的研究，但由于冲击地压的复杂性，有关冲击地压的研究进展缓慢。在我国，冲击地 压研究工作起步较晚，且多停留在观察、描述阶段，和国外相比更为滞后[1-5]。国际上， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 南非在冲击地压的理论研究、预测、预防等方面积累了丰富的经验和资料，建立了较为 完整的理论体系，是目前世界上冲击地压研究最先进的国家之一。自 20 世纪 70 年代后 期，中外冲击地压研究进入一个新的发展阶段，多次专门召开冲击地压问题的国际学术 会议，交流和积累了许多有价值的研究资料及有关冲击地压预测、控制和防治的实践成 果。 1.2.1 冲击地压发生机理研究现状 冲击地压“机理”是关于冲击地压发生的原因和内在规律的理论，它是预测和防治冲 击地压灾害的主要理论基础。南非于 1915 年开始对煤矿和金属矿的冲击地压灾害进行 研究，标志着冲击地压发生机理研究的开始[7]。我国对冲击地压的研究开始于 20 世纪 60 年代， 以具有严重冲击地压危险的矿务局进行生产实践探索为主要形式。 通过国内外 广大科技工作者和研究人员近 100 年的共同努力， 对冲击地压机理的研究取得了较大突 破，形成了一系列比较有代表性的理论，主要包括强度理论、刚度理论、能量理论、三 准则理论、失稳理论和冲击倾向理论等。 ①强度理论[1-6] 煤岩体的破坏实际上是和其强度有关的问题。在冲击地压机理的研究中，人们自然 地注意到强度问题，并逐步发展形成了冲击地压强度理论。强度理论认为只要材料所受 的载荷达到其强度极限则材料就会破坏， 早期的冲击地压强度理论主要是围绕煤岩体的 破坏原因展开研究的， 比如 20 世纪 30 年代的压力拱理论以及悬壁梁理论等就是解释煤 岩体应力集中原因的各种假说。近代强度理论，以 “矿体围岩”系统为研究对象，考 虑该系统的极限平衡，认为冲击地压发生的应力条件是 0 σσ≥ （1.1） 式中，σ“矿体一围岩”系统所承受的应力， 0 σ“矿体一围岩”系统的极限应力。 到了 70 年代，Brauner[3]在强度理论基础上，进一步提出了煤岩的夹持理论，夹持 理论认为，煤体处于顶底板夹持之中，“夹持”特性决定了煤体～围岩系统的力学性质， 较好的揭示了煤体～围岩力学系统的极限平衡条件，在李玉生等的研究下，该理论得到 进一步完善。 强度理论解释了冲击地压的一些现象，具有简单、直观和便于应用的特点，但对冲 击地压动力学特征的描述不够，它只能判断岩体是否破坏，但并不能回答是怎样破坏， 是静态破坏还是动态破坏，特别是对采场周围的煤岩体局部应力超过其强度极限，但并 没有一定发生或只有部分发生冲击地压的现象，强度理论无法合理解释，由此可知强度 理论提出的判据不够充分，它只是冲击地压灾害发生的一个必要条件。 ②刚度理论 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 刚性压力机理论认为当试件的刚度大于试验机构的刚度时，破坏是不稳定的，此时 煤岩呈现突发式的脆性破坏。 刚度理论正是 Cook 和 Hodgei[3-6]在对刚性压力机理论认识 上而提出的，该理论认为矿山结构矿体的刚度大于矿山负荷系统围岩的刚度，是产 生冲击地压的必要条件。国内一些学者把刚度理论用于解决煤柱围岩系统的冲击地压 问题，并把煤柱和围岩分别用不同刚度的弹簧进行模拟。刚度理论用于判断煤柱稳定性 具有简单、直观的特点，但是这一理论没有反映煤体本身在煤体－围岩系统中不但可以 积蓄而且可以释放能量这一基本事实。 近年， Petukhow[6]虽然把矿山结构的刚度作了进 一步明确，但由于强度理论对矿山负荷系统、矿山结构及刚度等没有给出明确概念，广 泛应用仍有不足。 ③能量理论[2,28] 从能量转化角度解释冲击地压的成因是能量理论的基本思路。目前，有关煤岩体冲 击破坏的能量理论有很多，但是这些理论几乎都基于同一出发点即煤岩体形成冲击地 压灾害的前提是其破坏时所释放的能量应该大于其破坏过程中所消耗的各种能量总和。 70 年代，由布格尔特、布霍依诺和里波曼所提出的能量率理论，比较全面和完善地揭示 了发生冲击地压时的能量过程。他们用下式作为发生冲击地压的能量判据 1 dt dw dt dw dt dw D SE βα （1.2） 式中，WE围岩系统所储存的变形能； α围岩系统能量释放有效系数； WS煤体所储存的变形能； β煤体能量释放有效系数； WD 消耗于煤体与围岩交界处和煤体破坏阻力的能量； 能量理论从能量转化的角度解释了冲击地压形成的原因， 跳出了传统古典理论的旧 思维圈，提出通过采取消除或降低“矿体围岩”系统蓄能的能力，减少煤岩体破坏时所 释放的能量同时增加破坏过程所消耗的能量的措施来达到消除或最大可能的减缓冲击 地压灾害所带来的危害的新途径，可以解释冲击地压中的煤岩震动、抛射等动力现象， 是在冲击地压机理认识过程中的一个重大进步。然而，能量理论只阐明了冲击地压灾害 是由于“矿体－围岩”系统的力学平衡状态遭到破坏，并且释放的能量大于消耗的能量时 发生的，没有对“矿体－围岩”系统平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩释放能量 的条件做进一步说明，故冲击地压能量理论判据还缺乏必要条件。 ④三准则理论 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 三准则理论是结合强度理论、能量理论和冲击倾向理论为一体的机理模型。在冲击 地压的判据基础上，以李玉生为代表的国内学者把强度准则视为煤岩的破坏准则，作为 冲击地压发生的必要条件，把能量准则和冲击倾向性准则视为煤岩突然破坏的准则，作 为冲击地压发生的充分条件。他们认为，只有当三个准则同时满足，才是判定冲击地压 灾害发生的充要条件。然而，由于该理论没有给出三个准则的具体形式，且实际运用时 需要确定的参数太多，运用较少。 ⑤失稳理论 以章梦涛[23]教授为代表的学者提出冲击地压灾害是煤岩的一种材料失稳破坏现象。 失稳理论认为煤岩在采动作用下，在采场周围一定范围形成应力集中，应力集中区的煤 岩变成了软化材料，且这些软化煤岩处于极不稳定的平衡状态，当这种不稳平衡态在采 掘活动等外界因素扰动下， 就会失稳， 发生雪崩式的突然破坏， 从而引起冲击地压灾害。 失稳理论提出材料失稳是冲击地压灾害发生的基本原因， 揭示了冲击地压是由于采掘空 间中煤岩体结构的失稳破坏引起的， 但该理论没有对冲击地压发生的条件作更为详细的 分析，目前还难以建立实用的发生冲击危险的判据，因此用于指导防治冲击地压的作用 有限。 ⑥冲击倾向理论 冲击倾向理论认为煤岩的冲击倾向性是其发生冲击破坏所具有的能力或本质属性， 煤岩具有冲击倾向性是发生冲击地压灾害的必要条件。 分析实际生产中所遇到的大量的冲击地压灾害实例发现， 在地质条件以及开采技术 条件完全相同时，有些煤岩发生了冲击地压并造成惨重损失，而有些煤岩却不会发生冲 击地压，这说明，煤岩体产生冲击地压与否和它本身的物理力学特性有关，煤岩本身的 物理力学特性决定其产生冲击地压的能力，这种能力是煤岩介质的固有属性，称之为冲 击倾向性。冲击倾向性理论[5-9]认为当煤岩体的冲击倾向度 KE≥KEC时，煤岩层具有冲击 破坏的危险，反映煤岩体冲击倾向程度 KE的是煤岩层冲击倾向性指标，国内学者从煤 岩体积蓄的能量、破坏时间、变形和刚度四个方面提出了大量冲击倾向性指标，如弹性 能指标、冲击能指标和动态破坏时间等。在实际中，可以通过实验室实验测试煤岩的具 有代表性的指标，根据指标的大小来判断煤岩层有无冲击倾向性或冲击倾向性的强弱。 煤炭部一直还在沿用有关的冲击倾向性指标， 并制定了统一标准来判断煤岩的冲击倾向 性。 显然， 用一组可以量化的指标来评价煤岩体本身是否具有发生冲击地压危险的力能 具有实际意义， 由于其简单、 可操作性强， 冲击倾向性理论得到国内外学者的普遍认同， 并广泛用于指导受冲击地压灾害威胁的矿井生产。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 除了上述研究外，国内外学者针对不同的地质特点，对冲击地压机理理论做了其他 研究，将分叉理论、混沌理论以及分形理论等现代数学理论引入冲击地压机理研究中， 从而产生了对冲击地压发生机理的一些新认识。 1.2.2 冲击地压预测方法研究现状 冲击地压的预测是基于对冲击地压发生机理的认识， 是冲击地压防治工作的重要组 成部分。准确的预测对及时采取区域性防范措施和局部解围措施十分重要。目前对冲击 地压的预测主要是围绕冲击地压发生的强度条件和能量条件进行的。主要方法包括综 合指数法、钻屑法、电磁辐射法、地音与微震监测法等。 ①综合指数法 综合指数法是将开挖深度、煤岩物理力学性质、围岩的结构特征、地质构造等地质 方面的因素和开挖技术方面的因素进行综合分析， 确定每个因素对冲击危险性的影响程 度，以及各因素对冲击危险状态影响的指数，然后采用模糊计算法等数学方法确定冲击 危险性综合指数 Wt，以此构成冲击危险状态等级评定的综合指数方法。 设冲击危险状态等级评定的综合指数为 Wt， Wt1 和 Wt2分别为地质因素和开挖技术 因素确定的冲击危险指数，有[11] {} 21, max ttt WWW （1.3） 其危险程度等级评定为 Wt0.3， 无冲击危险； Wt0.3～0.5， 弱冲击危险； Wt0.5～ 0.75，中等冲击危险；Wt0.75～0.95，强冲击危险；Wt≥0.95，冲击发生的极限状态。 ②钻屑法 目前对冲击地压的预测主要是从两个方面展开的一是确定煤岩本身的冲击倾向 性，二是分析煤岩支承压力带特征，及支承压力峰值区离煤壁的远近。煤岩的冲击倾向 性可以根据经验以及实验室测得来确定，而支承压力的有关参数的测得，多采用钻屑法 来探测。钻屑法是在保证安全的前提下在最可能发生冲击危险的地点沿矿层方向钻孔， 记录不同深度时每米孔深的钻屑量和动力现象（声响、吸钻杆、钻屑粒度增大、卡钻） ， 根据不同深度排除的煤粉量及其粒度变化规律，鉴别冲击危险的一种方法。 钻屑法预测冲击地压危险的基本原理是在受压煤体中打钻，当钻孔进入煤体高应 力区时，钻孔周围煤体逐渐过渡到极限应力状态，钻进过程呈现动态特征，钻孔孔壁附 近煤体可能突然挤入孔内，并伴有不同程度的振动、声响和微冲击现象；另外，钻具的 推进也会出现异常，可能钻进变得非常容易，也可能出现顶钻、卡钻甚至将钻卡死等钻 孔效应，单位长度上的煤粉排出量大于正常排粉量，钻屑的粒度也有所增大。这些钻进 异常现象均是由煤体所处的高应力状态引起的，因为在煤体本身处于极限应力状态，毋 需额外动力，煤体就会自动破碎，由于研磨少，钻屑的粒度自然也就大了。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 基于以上认识，当单位长度的排粉率增大或超过标定值、钻屑粒度增大时，就可以 确定煤体应力集中程度增加，处于高应力状态，煤体的冲击危险性提高，进一步分析钻 孔效应及动力效应，可以较为准确的预测冲击危险的位置及危险程度。 钻屑法用于预测冲击地压灾害，已经得到了十分广泛的运用，但是该方法还存在一 些需要完善的地方。首先，该方法用于预测冲击地压危险时对测点的布置要求较高，在 实际运用中发现若测点的布置有一定的缺陷， 就很难保证测得煤体内最确切的支承压力 的分布情况，大大影响其预测准确度。另外，有用钻屑法检测出煤体处于高应力状态， 煤体应力超过其极限强度，但并没有发生冲击地压灾害的情况；也有在钻屑法检测时， 并未发现异常，即没达到或超过强度现象，却发生了冲击地压的情况。 总之，钻屑法只考虑了引起冲击地压的应力条件，单独用于冲击地压灾害的预测具 有一定的局限性。在实际运用中应当结合其他方法，才能对是否出现冲击危险做出更为 准确的判断。 ③电磁辐射法 现有研究表明煤岩体是典型的非均质材料，由于其内部颗粒强度和变形的差异，在 外力作用下会有电磁辐射产生，电磁辐射强度和脉冲数和煤体的应力状态有关，应力高 时，此时煤体变形破坏量大，电磁辐射信号也就越强，冲击危险性就越大。根据实验和 实测可知煤岩体在受载变形时，在其扩容阶段电磁辐射频率和强度最高。电磁辐射在一 定程度上反映了煤岩体应力集中程度，其电磁辐射强度与应力集中程度，即峰值应力大 小有数量上的正对应关系，因此可以将电磁辐射法运用煤矿冲击地压灾害的预测。 ④地音与微震监测 地音与微震监测方法也称声发射是随着电子计算机的不断发展而随之发展起来的 一种较新的冲击地压预测预报方法。岩石在矿山压力条件下产生变形时，内部积聚的能 量就释放出来，会发射出音频和超音频范围内的弹性波。以较高频率（f＞100Hz）应力 波形式释放变形能所产生的声学效应称为地音也叫声发射，以较低频率（f＜100Hz）应 力波形式释放变形能所产生的震动效应称为微震。地音和微震在本质上并无明显差别， 实质上都是一种震动能，只是震动频率的不同。冲击地压是煤岩体达到极限应力平衡状 态后的一种突然破坏现象，声发射地音与微震监测法就是记录采矿活动中煤岩体在受 力变形破坏时的声发射地音或微震能量，通过确定和分析地音震动的方向，根据地音 活动强度特点来评价煤岩体的应力状态和能量变化动态趋势， 从而对煤岩体冲击危险性 进行预测。地音与微震监测技术实现从数据采集到监测预报全过程的智能化、自动化、 可视化和网络化，但是其信号中的干扰信号较多且不易分离，影响处理效果。 其它预测方法， 除上述方法外， 还有冲击地压预测预报的其它方法如 开采判定法， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 7 煤层围岩压力－变形观测法、支架工作阻力法锤击波速法、岩心饼化观察法、煤层含水 量变化观测法等等。 引起冲击地压灾害的原因极其复杂，影响因数众多，爆发的形式也没有定式，加之 现有的冲击地压预测预报方法都只是从导致灾害的某一个因素着手， 或者单方面考虑其 应力条件或者只考察其能量条件，或者仅仅测试煤岩的冲击倾向能力等单个因素。因此 要对冲击地压灾害做出准确的预测十分的困难，根据已有的预测经验，仅参考一种方法 的预测结果是不可靠的，相反，如果坚持几种方法相结合、坚持区域预报与局部预测相 结合可以大大的提高冲击地压危险性预测预报的可靠性和准确性。故在运用时，应该根 据具体情况，详细分析矿井地质开采条件，事先确定影响冲击地压的主要因素，结合两 种或两种以上的方法从不同角度进行综合预测[2-3]。 一般来说，在试验的基础上，首先根据地质开采条件及地质动力情况等用综合指数 法或其他区域性预测方法，预先划分出冲击地压危险及重点防护区域，提出冲击地压的 早期区域性预报，然后采用钻屑法、地音与微震等区域性的监测手段，对受冲击危险威 胁的矿井回采和掘进工作面进行局部的、小范围的预测预报，这样就可以对冲击危险性 进行简单易行、行之有效的早期预测。 1.2.3 冲击地压防治措施研究现状 煤矿冲击地压防治措施的主要原则是及时查明冲击危险煤层， 及时采取综合防治措 施。现有的冲击地压的治理措施，主要从防御和解危两个方面进行，包括区域性防范措 施、局部性解危措施和被动性防范措施。区域性防御措施主要是用全局的眼光，在矿井 的开采设计以前采用合理的矿井开拓方式、最优化的开采顺序、适当的开采方法和落煤 工艺，尽量的消除人为引起的应力集中等形成冲击地压危险的必要条件[7]。局部解危措 施主要有卸压爆破、钻孔卸压等方法，这些方法的应用主要目的是减弱或消除已形成的 冲击地压的危险。被动性防范措施主要是指在冲击危险地段采取加强支护、宽巷掘进等 防止人员伤亡及设备损坏的保护措施。现有的主要有关冲击地压防治措施见图 1.1，目 前在我国得到广泛应用的有开采保护层、煤层预注水、卸压爆破及钻孔卸压等。 ①合理的开拓开采方式 合理的开拓布置和开采方式可以消除人为因素引起的力集中， 对防治冲击地压具有 重要的作用，国内外大量实例表明，多数矿井的冲击地压灾害是由不合理的开采技术引 起的，而且一旦形成了不合理的开拓开采方式，进入了煤矿生产阶段，要想改变就不可 能了，临到煤层开采时，只能采取局部措施来治理冲击地压危险，耗费很大，且效果有 限。因此，控制采掘空间围岩应力集中是有冲击低压危险的矿井在进行开拓布置和开采 方式选择时的重要目标之一。主要原则有[32] 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 8 1）对于煤层群开采，首先应考虑采用对开采保护层有利的开拓方式。 2）科学选择开采顺序，首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层，且综合考虑层 间距、顶底板岩性、顶板管理方式以及采空区处理等影响卸压程度的因素。 3）在同一开采区域工作面面应朝一个方向推进，避免相向开采，引起应力叠加。 4）采面长度、采高以及推进速度等工作面参数的选择也应最优化。 5）遇断层、褶皱等地质构造特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开 采程序，尽量不留煤柱。 6）避免巷道近距离平行和交叉布置。 7）冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。 8）工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。 ②开采保护层 开采保护层是防治冲击地压的一项有效和带有根本性的区域性防范措施。 一个煤层 或分层先采，能使临近煤层得到一定时间的卸载，这种卸载开采称之为开采保护层。 观测研究表明，开采保护层以后，其临近煤岩层向采空空间移动变形，在采空区上方形 成 “压力拱”，临近煤岩层压力转移到采空空间以外，从而在岩层移动影响区的压力降 低，煤岩体相应的得到一定程度卸压，发生膨胀变形，煤岩体形成大量新生裂隙或者使 原有裂隙扩展增大，从而引起煤岩体裂隙度增大，原有结构遭到破坏，物理力学性能降 低，形成 “卸压带”，释放了潜在的弹性能，最终大大的减弱甚至完全消除煤岩冲击危 险性。在开采保护层时要注意以下几点[5-6] 1）首先开采的保护层必须是赋存条件较好，且没有冲击危险或冲击危险较小的煤 层。 2）保护层卸压不是永久的，它具有一定的时效性，采空区垮落的矸石或充填料随 时间推移会被压实，应力会随着恢复原岩应力。因此，实施时必须保证开采的时间和空 间的有效性。 3）采空区内不得遗留煤柱，尽量增大被保护范围。 ③煤层预注水 煤层预注水是在采掘工作前，对煤层进行全方位，长时间压力注水。注水一般是在 已经掘好的回采巷道内或临近巷道内进行， 目的是通过压力水的物理化学作用改变煤的 物理力学性质，减弱或消除冲击危险。水能够使岩体包括煤体的性质产生重大变化， 水对煤的强度特性、变形特性和冲击倾向性都有重要影响。大量的实验室研究及实测表 明，煤岩的孔隙率和泊松比随着煤的含水率增加而增大，煤岩的其它物理力学性能如抗 压强度和弹性模量则随其含水率的增加而减小，因此，其他条件相同时，含水率较高的 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 9 煤岩其冲击倾向能力相对较低。煤层注水后，含水率增大，其物理学性能和内部结构都 大大的弱化，强度下降，煤体积蓄弹性能的能力下降，塑性变形能力大幅度增加，从而 使集聚在煤体中的大部分弹性能得到耗散或释放， 因此煤层中储存的可恢复弹性能减少 了，从而减弱甚至完全消除煤岩体的冲击危险性。煤层预注水是一种积极主动的区域性 防范措施，不仅能消除或减弱冲击地压威胁，而且可以起到消粉尘、降温的作用。 ④钻孔卸压 采用在煤体打钻孔，弱化其物理力学结构，释放煤体中集聚的部分弹性能或者降低 其集聚弹性能的能力，以此减缓甚至消除冲击危险的方法称为钻孔卸压法。由于重力及 地应力作用， 加之开挖影响下， 使工作面前方一定范围内煤体的应力升高， 随时间推移， 积聚了大量的弹性能，冲击地压危险性也随之增加，一旦这种高危险极限平衡状态受到 外界因素的扰动，就可能导致冲击地压危险的发生。此种情况下，提前向高应力带，采 用大直径钻头钻孔，在地应力等多种因素作用下，在个钻孔周围的一定范围内行成破碎 区，当相邻钻孔的破碎区相互接近贯通后，便使该区域煤体破裂卸压，减小其应力集中 程度，提前释放部分弹性能，从而最终达到防治冲击危险的目的。 ⑤卸压爆破 煤层卸压爆破是在已确认具有冲击危险的区域， 通过对煤体实施爆破， 破坏其结构， 缓解其应力集中程度，以达到解除冲击危险的一种区域解危措施。卸压爆破的作用原理 是首先，爆破产生的高能量冲击波，破坏了煤岩结构，在径向方向形成大量裂隙，然 后炸药爆炸生成的高温、高压气体，在切向方向产生拉应力，在切向拉应力与气楔作用 的综合作用下，已形成的裂隙进一步发展、扩大，大量裂隙的存在最终使煤岩的物理力 学性能和内部结构都严重弱化，煤岩的强度、弹性模量降低，集聚的部分弹性能得到释 放，从而达到防治冲击地压灾害的目的。卸压爆破能同时局部的解除冲击地压发生的强 度条件和能量条件，在实施卸压爆破时，孔深应达到支撑压力峰值区，装药位置越接近 峰值区，爆破解除冲击危险的效果越好。 根据过去的考察和应用，卸压爆破法松动煤体要按照煤层的变化，改变钻孔数量和 装药量，既能达到松动的预期效果，又不至于破坏安全屏障区煤体的强度。实施卸压爆 破是减缓或消除冲击地压的有效措施。是一种简单易行的解危措施，在国内具有冲击危 险的矿井得到广泛应用。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 10 图1.1 冲击地压防治措施 Fig.1.1 Control measures of rock burst 1.3 论文的研究内容及技术路线 1.3.1 论文主要研究内容 ①总结分析了冲击地压的发生机理、预测方法及防治技术；分析了爆破破岩机理、 卸压爆破弱化减冲机理及冲击地压的影响因素； ②实验研究了江合煤矿危险煤层煤岩样物理力学特性及冲击倾向性指标， 并结合有 关理论确定其冲击倾向性大小； ③结合江合煤矿冲击危险发生特点及显现特征以及矿井实际生产状况， 综合分析其 冲击危险程度； ④确定了在江合煤矿冲击危险区域采取卸压爆破的方式进行解危的技术措施， 并对 解危效果进行检验，在此基础上，提出了江合煤矿冲击危险预防技术管理措施。 1.3.2 论文研究方法及技术路线 根据本文的研究内容，采用理论分析、实验室研究与现场测试相结合的方法，按如 图 1.2 所示的技术路线进行研究。 冲击地压防治措施 区域性防 范措施 局部性解 危措施 被动性防 范措施 合理的开拓开采方式 煤层预注水 开采保护层 厚层坚硬顶板预处理 煤层注水法 卸压爆破法 钻孔卸压法 定向裂缝法 松动爆破 振动爆破 定向水力裂缝 定向爆破裂缝 危险地段采取加强支护、 宽巷掘进等防止人员伤亡 及设备损坏的措施 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 11 图1.2 技术路线流程图 Fig.1.2 Program of the research 冲击地压研究现状分析 提出研究问题 冲击危险性评定 解危措施及效果检验 冲击地压影响因素分析 爆破破岩机理研究 卸压爆破减冲机理分析 煤岩冲击倾向性实验研究 结论及展望 重庆大学硕士学位论文 2 卸压爆破防治煤岩冲击地压危险的机理 12 2 卸压爆破防治煤岩冲击地压危险的机理 2.1 煤岩性质 根据冲击倾向性理论， 煤岩发生冲击危险的倾向程度是由煤岩本身的物理力学特性 决定的。煤是由地质历史时期的古植物经过漫长的地质年代，在复杂的生物化学和物理 化学作用下转变而成的，是一种特殊的可燃有机岩石。由于深藏在地下，煤在形成过程 中，在多种因素的影响下，煤层中有发育的节理、层理及裂隙等地质构造，所以煤的各 种物理的、 力学的及地质方面的性质与其他岩石类材料相比既有共同点也具有很多独特 的特点，特别是暴露在采煤工作面的煤壁，具有特定的物理力学性能。 煤岩的物理性质主要是指容重、湿度、松散性、孔隙性、导电性和热胀性以及稳定 性等，其中与采掘密切相关的有以下几种 ①容重 煤岩的容重是指单位体积煤岩的重量，煤岩容重与其矿物成分、空隙发育及含水量 有关。容重它在很大程度上反映了煤岩的力学性质的优劣，一般容重越大其力学性质越 好，反之，越差。 ②湿度 煤岩的湿度用其含水率表示。 含水率是指在煤岩的缝隙中存留的水的重量与煤岩固 体重量之比。含水高的煤岩体，结构被弱化，其强度明显降低。采掘这样的煤岩时、功 率消耗