煤岩开采冲击矿压灾害防治.ppt

中国矿业大学窦林名教授博导,,煤岩开采冲击矿压灾害防治,,Tel/fax0516-83995904E-maildlm_burst,,冲击矿压事故,煤岩动力灾害冲击矿压,冲击矿压是煤岩体中聚集的能量突然大量释放，快速破坏煤岩体，并产生强烈震动。我国最大的冲击矿压为里氏4.3级，地面震感明显，已成为公共安全问题。,冲击矿压研究,冲击矿压发生原因机理研究冲击矿压危险性评价及预测预报研究冲击矿压治理措施研究1）冲击矿压机理研究地质与开采影响冲击矿压的发生强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则和变形失稳理论,2）冲击矿压预测预报研究冲击矿压可能发生地点位置，可达到准确预测冲击矿压发生强度和震动释放能量，可较准确确定可确定冲击矿压的危险程度、危险性大小3）冲击矿压治理研究长期防御性措施开采顺序、开采方法、采煤工艺、开采保护层等主动解危措施卸压爆破、煤层注水、钻孔卸压、定向裂缝法等,煤矿冲击矿压灾害防治,一、冲击矿压动力灾害现象二、冲击矿压发生原因三、冲击矿压机理研究四、冲击危险的预测预报五、冲击矿压解危与治理,冲击矿压动力灾害现象,,一、冲击矿压动力灾害现象,1、灾害现象与严重程度冲击矿压作为人为诱发的地震，危害性很大。采矿诱发的地震达34级，最大5.6级冲击矿压大量煤岩体突然剧烈破坏并向采掘空间剧烈运动的灾害动力现象，可摧毁巷道、引发其他矿井灾害，造成人员伤亡。1738年英国史塔夫矿首次记录，我国1938年抚顺。煤矿，有冲击矿压危险矿井占20以上。中国是世界上煤岩动力灾害最严重的国家之一。,开采引发地震震级，最大5.6级。我国4级。一次性破坏巷道500m。一次3.7级，造成588幢房屋倒塌。,一、冲击矿压动力灾害现象,煤岩动力现象与冲击矿压,一、冲击矿压动力灾害现象,直接将煤岩动力抛向巷道，引起强烈震动，产生强烈声响，造成岩体的破断和裂缝扩展突发性。无预兆，过程短暂，持续时间几秒到几十秒，难于准确预报发生时间、地点和强度瞬时震动性。像爆炸强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有地震感觉巨大破坏性。大量煤体突然抛出，堵塞巷道，破坏支架；造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失复杂性。各种条件和采煤方法均出现过,冲击矿压的特点,一、冲击矿压动力灾害现象,冲击矿压的分类,一、冲击矿压动力灾害现象,压力（煤柱）型冲击（顶板或构造）型冲击压力（复合）型压力（煤柱）型煤柱在高应力作用下，聚集的能量突然释放，造成煤岩体的冲击破坏。冲击（顶板或构造）型由于煤层顶板厚岩层突然破断或滑移（或构造应力突然释放），造成巷道周围煤岩体的破坏冲击。,压力（煤柱）型冲击矿压现象,冲击（顶板或构造）型冲击矿压现象,冲击矿压对井下巷道的影响主要是动力将煤岩抛向巷道，破坏巷道周围煤岩的结构及支护系统，使其失去功能。,振动速度对井巷的影响,2、对井下巷道工作面的影响,一、冲击矿压动力灾害现象,冲击矿压、震动使人体各器官产生共振而损伤。医学分析表明脑部，91胸部，60内部器官，18上下肢，18,3、对矿工的影响,一、冲击矿压动力灾害现象,冲击矿压对将造成类似于地震那样的灾害。,4、对地表建筑物的影响,一、冲击矿压动力灾害现象,煤矿冲击矿压灾害防治,一、冲击矿压动力灾害现象二、冲击矿压发生原因三、冲击矿压机理研究四、冲击危险的预测预报五、冲击矿压解危与治理,冲击矿压发生原因分析,,二、冲击矿压发生原因,矿压显现强烈冲击矿压危险加大瓦斯涌出量增加突出危险性增加地温升高开采困难和经济效益下降,随着开采深度的增加，采矿工程面临的问题更加复杂，由此产生的工程灾害事故更为严重，尤其是冲击矿压危险加大。,二、冲击矿压发生原因,1、开采深度,我国煤矿深井冲击矿压发生情况,采深与冲击矿压的关系,二、冲击矿压发生原因,2.煤体力学特性的影响,在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或采场可能发生冲击矿压煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击矿压，就需要比硬煤高得多的应力煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一,冲击能量指数KE弹性能量指数WET动态破坏时间DT单向抗压强度Rc,二、冲击矿压发生原因,1.冲击能指数,冲击能指数KE在单轴压缩状态下，煤样的全“应力应变”曲线峰值C前所积聚的变形能Fs与峰值后所消耗的变形能Fx之比值,二、冲击矿压发生原因,KeFs/Fx,2.弹性能指数,弹性能指数WET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,二、冲击矿压发生原因,KeFs/Fx,3.动态破坏时间,动态破坏时间DT煤样在常规单轴压缩试验条件下，从极限载荷到完全破坏所经历的时间DT,二、冲击矿压发生原因,KeFs/Fx,中华人民共和国行业标准MT/T174-2000,二、冲击矿压发生原因,煤的冲击倾向鉴定指标值,3.顶板岩层结构的影响,坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在其破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型顶板型冲击矿压。,二、冲击矿压发生原因,Uw与岩层悬伸长度的五次方成正比，即L值越大，积聚的能量也越多。厚度越大的坚硬岩层越不易冒落，形成的L值也就越大。例如，厚度为7.64m的坚硬砂岩层，来压步距为53m，按上式计算出的值，占总能量的90％以上。,开采初期，坚硬顶板呈梁或板的形态，其下产生离层。随工作面的推进，离层量不断增加，最大离层量位于采空区中部。当工作面推进到一定程度后，坚硬顶板断裂垮落，中部的离层量消失,二、冲击矿压发生原因,坚硬顶板初次破断前后离层规律,在坚硬顶板条件下，顶板运动速度是非常快的，其动能是非常大的,二、冲击矿压发生原因,初次来压期间24小时内的顶板下沉速度图,顶板活动与冲击矿压,二、冲击矿压发生原因,煤体移动造成粉煤带和破碎带,冲击矿压发生前顶板动态曲线,典型冲击矿压矿井顶板岩石物理力学特性,二、冲击矿压发生原因,4.地质构造的影响,地层动力运动形成各种各样的地质构造，如断层、皱曲等对煤矿冲击矿压的发生有较大的影响龙风矿，当巷道接近断层时，冲击矿压发生的次数明显上升，且强度加大,二、冲击矿压发生原因,煤层分叉和断层附近冲击危险,煤层分叉的影响,断层的影响,二、冲击矿压发生原因,皱曲附近冲击危险,二、冲击矿压发生原因,I区，皱曲向斜，垂直为压力，水平为拉应力，最易出现冒顶和冲击矿压；II区皱曲翼，垂直和水平均为压应力，最易出现冲击矿压；III区皱曲背斜，垂直拉力，水平压应力，最大矿山压力区域。,5.冲击矿压多发区域,二、冲击矿压发生原因,巷道72.6工作面27.4残采区停采线89％,上层煤停采线和煤柱,上层煤柱的影响,0,三、冲击矿压机理研究,煤柱处于弹性阶段时，系统处于稳定状态,煤柱亚稳定kf′u2，t0,三、冲击矿压机理研究,煤柱处于残余强度阶段，煤柱是逐步破坏的，强度是逐渐下降的，煤柱的破坏是静态过程，及系统结构是亚稳态的,煤柱动态破坏kf′u2，t0,三、冲击矿压机理研究,煤柱处于残余强度阶段，煤柱是脆性破坏，强度发生突变，煤柱的破坏过程为动态破坏，并伴随有能量的突然释放，即冲击矿压,顶板加速运动,顶板刚度煤层更容易失稳,三、冲击矿压机理研究,顶板突然加速运动使煤层处于不稳定状态，造成系统突然动态破坏，形成冲击矿压（一般强度比上一种更猛烈）,2.弹塑脆性模型,弹塑脆性模型弹塑性P-t模型,三、冲击矿压机理研究,煤岩破坏特征稳定变形与冲击破坏、冲击的突发性与延时性、破坏的声电效应,冲击矿压过程是煤岩的流变突变过程,脆性破坏--载荷发生跳跃，应力总和超过σl，整个模型立刻破坏（突变）。延时破坏--常载荷作用σlσ5l03J,四、冲击矿压预测预报,指数上升型的微震活动频繁-平静型的微震活动,4.地音（声发射）法－局部监测预报方法,四、冲击矿压预测预报,根据的岩体地音的参数与局部应力场的变化来进行岩石破坏的不稳定阶段是岩石中裂缝扩展的结果，而地音现象则是微扩涨（岩体中出现的破裂和零量裂隙缝）超过界限的表征，而该现象的进一步发展则表明岩石的最终断裂。最终断裂可引发高能量的震动，也可引发冲击矿压,地音波形和频谱,煤层和煤样中试验记录的波形,四、冲击矿压预测预报,连续地音监测,地音探头布置,四、冲击矿压预测预报,,地音预测冲击危险,地音变化与煤体应力变化过程相似地音活动三阶段是时间过程，即相对平静、急剧增加、显著减弱地音活动集中在采区某一部位，且地音事件的强度逐渐增加时，预示着冲击矿压危险,四、冲击矿压预测预报,激发地音监测,岩体受压时，局部较小应力的变化（例如少量炸药的爆炸）将引起岩体微裂隙的产生应力越高，形成的裂缝就越大持续时间就越长，岩体中能量的聚积和释放程度就越高，冲击矿压发生的危险程度就越高,四、冲击矿压预测预报,流动地音监测结果,1，2煤层注水以前3，4煤层注水以后,四、冲击矿压预测预报,流动地音监测结果,1处冲击危险最大，3点较小，而2最小与实际的结果一致,四、冲击矿压预测预报,实验研究发现煤岩流变-突变过程产生电磁辐射，是能量耗散的一种形式。煤岩体的变形破裂是电磁辐射产生的根本原因。,5.电磁辐射－局部监测预报方法,四、冲击矿压预测预报,载荷越大，变形破裂过程越强烈，电磁辐射越强。,电磁辐射效应规律,电磁辐射能够反映煤岩体的变形破裂过程。通过电磁辐射可以监测煤岩动力灾害的孕育、发展过程。,四、冲击矿压预测预报,电磁辐射与载荷及煤岩流变破坏程度间呈正相关,a电磁辐射信号幅值与载荷间关系b电磁辐射脉冲数与载荷间关系,四、冲击矿压预测预报,非接触、定向区域性连续监测的宽频电磁辐射监测系统,四、冲击矿压预测预报,现场有灾害和无灾害危险时的电磁辐射对比,工作面没有冲击危险时的电磁辐射,工作面有冲击危险时的电磁辐射,四、冲击矿压预测预报,现场应用,预测有危险,采取措施不到位发生动力灾害,徐州三河尖矿10月26日发生冲击矿压实测结果,（在24日中班预报有危险，安排25日卸压，需8个钻孔，仅打4个，卸压未到位，在26日中班发生冲击矿压,四、冲击矿压预测预报,矿震、冲击矿压与电磁辐射规律在矿震、冲击矿压发生前，电磁辐射值有较大幅度的增长。,四、冲击矿压预测预报,3406震、冲击矿压与电磁辐射偏差变化,四、冲击矿压预测预报,3406电磁辐射预测分析,根据确定的电磁辐射监测偏差值指标，对3406工作面各观测点进行冲击矿压危险性判断。如果将监测到的Ⅲ级冲击矿压危险作为预测标准，则采用电磁辐射监测的偏差值法，对1.0级以上矿震及冲击矿压危险预测的准确率为100；如果将监测到的Ⅳ级冲击矿压危险作为预测标准，则冲击矿压危险预测的准确率为73。,四、冲击矿压预测预报,2408电磁辐射预测分析,根据确定的电磁辐射监测偏差值指标，对2408工作面各观测点进行冲击矿压危险性判断。如果将监测到的Ⅲ级冲击矿压危险作为预测标准，则采用电磁辐射监测的偏差值法，对1.0级以上矿震及冲击矿压危险预测的准确率为100；如果将监测到的Ⅳ级冲击矿压危险作为预测标准，则冲击矿压危险预测的准确率为69。,四、冲击矿压预测预报,冲击矿压的随机性和突发性，破坏形式的多样性，单凭一种方法预测是不可靠的必须结合冲击矿压危险的区域预报与局部预报，早期预报与及时预报,6.冲击矿压的系统综合预测,四、冲击矿压预测预报,冲击矿压的系统综合预测,四、冲击矿压预测预报,首先分析地质开采条件，根据综合指数法和计算机模拟分析方法，预先划分出冲击矿压危险及重点防止区域，提出冲击矿压的早期区域性预报采用微震监测系统，对矿井冲击危险提出区域和及时预报采用地音监测法、电磁辐射监测法等地球物理监测手段，对矿井回采和掘进工作面进行局部地点的预测预报然后采用钻屑法，对冲击矿压危险区域进行检测和预报同时对危险区域和地点进行处理,煤矿冲击矿压灾害防治,一、冲击矿压动力灾害现象二、冲击矿压发生原因三、冲击矿压机理研究四、冲击危险的预测预报五、冲击矿压解危与治理,冲击矿压解危与治理,,1.1合理的开拓布置和开采方式,合理的开拓布置和开采方式应避免应力集中和叠加，是防治冲击矿压的根本性措施多数冲击矿压是由于开采技术不合理而造成的不正确的开拓开采方式一经形成就难于改变，临到煤层开采时，只能采取局部措施，而且耗费很大，效果有限,五、冲击矿压解危与治理,1.冲击矿压防范措施,五、冲击矿压解危与治理,1.1合理的开拓布置和开采方式,1开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采.首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层作为解放层。且优先开采上解放层2划分采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区3采区或盘区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加,五、冲击矿压解危与治理,4在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序.在向斜和背斜构造区，应从轴部开始回采，在构造盆地应从盆底开始回采；在有断层和采空区的条件下应从采用断层或采空区开始回采的开采程序5有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上下山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险6开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法7顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架,五、冲击矿压解危与治理,1.2开采解放层,一个煤层或分层先采，能使临近煤层得到一定时间的卸载先采的解放层必须根据煤层赋存条件选择无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层实施时必须保证开采的时间和空间有效性（全垮3年，全充2年）不得在采空区内留煤柱，以使每一个先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤层得到最大限度的“解放”,五、冲击矿压解危与治理,1.2开采解放层,2.1卸压爆破,能最大限度地释放聚积在煤体中的弹性能，在煤帮附近形成卸压破坏区，使压力升高区向煤体深部转移振动爆破的合理布置及合理的装药量，不仅形成岩体震动，在一定程度上形成煤体的松动带，且落煤方便炸药爆炸形成的压力与开采形成的压力叠加，超过其极限状态，使岩体卸压或引发冲击矿压,五、冲击矿压解危与治理,2.冲击矿压解危措施,五、冲击矿压解危与治理,2.1卸压爆破,振动卸压爆破引发冲击矿压、转移应力集中区、松动煤体振动落煤爆破引发冲击矿压、减缓或移去深部煤体或采煤机截深范围内的支承压力区振动卸压落煤爆破组合了振动、卸压爆破和振动、落煤爆破两种顶板爆破将顶板破断，降低其强度，释放聚集的能量，减少对煤层和支架的冲击振动,卸压爆破炮眼布置,炸药的布置应从煤层内应力最高点开始向里，而外部全部用炮泥封孔。这样可扩大塑性区，将应力最高点向深部转移,五、冲击矿压解危与治理,●孔深达到支承压力峰值区●减少积聚的弹性能●在一定条带内5～10m破坏煤结构，但不落煤。,五、冲击矿压解危与治理,部分诱发冲击示意图,三河尖7204工作面从10月17日工作面开始回采，至3月14日，共推进120m，其中进行了卸压爆破54次。成功的诱发冲击矿压15次。,五、冲击矿压解危与治理,对坚硬岩层进行处理,五、冲击矿压解危与治理,五、冲击矿压解危与治理,2.2煤层注水,煤的强度与冲击倾向指数WET也随煤的湿度的增加而降低,,,单向抗压强度与其含水量冲击倾向指数与煤的湿度增量,五、冲击矿压解危与治理,短钻孔注水法,钻孔通常垂直煤壁，且在煤层中线附近。注水时，依次在每一个钻孔放入注水枪，水压通常为20-25Mpa。注水孔间距为6-10m，注水钻孔深不小于10m，封孔封在破裂带以外优点容易钻孔注水；可在煤层的任意部分进行；可在难打长钻孔的薄煤层进行注水；可在其他不方便的条件下注水缺点注水工作在机道进行，影响采煤；注水工作须在冲击最危险的区域进行；注水范围小,,五、冲击矿压解危与治理,长钻孔注水法,通过平行工作面的钻孔，对原煤体进行高压注水，钻孔长度应覆盖整个工作面范围。注水钻孔间距应为10-20m注水枪应布置在破碎带以外，注水区应在工作面前方60m外进行优点工作面前方区域内的注水是均匀的，注水工作在两巷进行，不影响采煤作业。注水的有效时间为三个月,,高压长时注水,五、冲击矿压解危与治理,五、冲击矿压解危与治理,联合注水法,长、短钻孔注水法的相互联合采面部分区域采用长钻孔注水，部分区域采用短钻孔注水，水压不小于10Mpa，当降至5Mpa时，认为该钻孔水已注好,,2.3钻孔卸压,采用煤体钻孔可以释放煤体中聚集的弹性能，消除应力升高区,五、冲击矿压解危与治理,在钻孔周围形成一定的破碎区卸压通过煤层卸压，释放能量，清除冲击危险大直径钻孔Φ95mm、145mm、200mm深度为煤层厚度3～４倍，孔间距10～15ｍ,五、冲击矿压解危与治理,钻孔卸压,2.4定向裂缝法,定向水力裂缝法定向水力裂缝法就是人为地在岩层中，预先制造一个裂缝。在较短的时间内，采用高压水，将岩体沿预先制造的裂缝破裂。在高压水的作用下，岩体的破裂半径范围可达1525m，有的甚至更大。,五、冲击矿压解危与治理,定向裂缝法,定向爆破裂缝法定向爆破裂缝法的原理与定向水力裂缝法的原理时一样的，不同之处只是将高压水换成了炸药。其预裂缝也有周向和轴向之分,五、冲击矿压解危与治理,3.1及时预测预报，撤离人员,冲击矿压对井下工作人员的危害，主要是使人员受外伤，以及被抛出和冒落的煤岩石击伤和埋住，另外还有瓦斯等有害气体的威胁将肉眼可见的冲击矿压危险性特征、冲击前兆，减缓或消除事故的方法及自救措施等有关事项，向井下人员进行培训和详细指导平时应积极组织冲击矿压的预测预报工作，出现危险时应积极组织人员撤离,五、冲击矿压解危与治理,3.冲击矿压的其他防范措施,五、冲击矿压解危与治理,3.2特别支护,在厚煤层中的巷道要用可缩性拱形支架或圈形金属支架在采煤工作面，用全部垮落法管理顶板时，必须用高强度切顶支柱，如金属支柱。移架后必须从采空区撤除全部支柱为了尽可能的用机械设备保护工人，应采用专用的支架、护架和保护板，以及其它结构设施，以便在发生岩石弹射和微冲击时起保护作用。这些设备通常安装在离工作面3～4m处，有足够的强度和可缩性，并便于快速安装,五、冲击矿压解危与治理,3.2特别支护,在冲击矿压和突出危险特别大的情况下，应远距离控制和操纵采掘机械，实现“无人工作面”的回采和掘进方式在急倾斜采煤工作面，冲击地点下方的工人易遭外伤，而上方工人易受瓦斯威胁。所以必须预先规定撤人路线，常用矸石带维护专用小巷经采空区撤出的安全出口为了防止瓦斯积聚，必须规定有快速恢复正常通风条件和向被冒落歼石隔离的地区供给新鲜空气的专门措施，以及用于个人自救的工具（自救器等）,五、冲击矿压解危与治理,3.3特殊的工作制度,在冲击矿压和突出危险地点，根据预测预报，在某一时间内采用无人的工作制度，甚至临时撤离人员有条件的尽量采用远距离操纵。必须按暂行规定执行特殊的放炮制度对于冲击矿压危险的巷道，应把人员通过和停留的时间减到最小限度,参考文献,钱鸣高，石平五矿山压力与岩层控制。中国矿业大学出版社窦林名，何学秋冲击矿压防治理论与技术。中国矿业大学出版社窦林名，何学秋采矿地球物理学。中国科学文化出版社窦林名，赵从国等煤矿开采冲击矿压灾害防治。中国矿业大学出版社,参考文献,地址江苏徐州中国矿业大学能源学院221116Tel/fax0516-83995904,13952261972E-maildlm_burst,感谢各位光临指导,