矿山压力与岩层控制11zi冲击矿压.ppt

矿山压力与岩层控制,第十一章煤矿动压现象及其控制第一节冲击矿压现象形成特点及分类第二节冲击矿压发生机理第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定第四节冲击矿压的防治第五节顶板大面积来压,煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。它具有突然爆发的特点，有的能形成强烈暴风，危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重。根据动压现象的一般成因和机理，可把它归纳为三种形式，即冲击矿压、顶板大面积来压和煤与瓦斯突出。前两者完全属于矿山压力的研究范畴。,第一节冲击矿压现象形成特点及分类,（一）冲击矿压现象,冲击矿压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，还会引发或可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等，是煤矿重大灾害之一。,（二）冲击矿压的特点,（1）突发性（2）瞬时震动性（3巨大破坏性4复杂性三）冲击矿压分类冲击矿压按其显现强度、释放的能量等进行分类,根据冲击的显现强度，可分为四类1）弹射（2）矿震（3）弱冲击（4）强冲击,根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压分为三级,（1）轻微冲击I级。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压。（2）中等冲击II级。抛出煤量在1050t，震级在l2级的冲击矿压。（3）强烈冲击III级。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。,根据国内外的分类方法，冲击矿压可分为由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和由构造活动引起的构造型冲击矿压。而采矿型冲击矿压可分为压力型、冲击型和冲击压力型。在某种程度上，构造型冲击矿压也可看作为冲击型。（四）冲击矿压和矿山震动对环境的影响1）对井下巷道的影响（2）对矿工的影响（3）对地表建筑物的影响,第二节冲击矿压发生机理一、冲击矿压影响因素（一）冲击矿压影响因素分析冲击矿压发生的原因是多方面的，但从总的来说可以分为三类，即自然地质因素（应力）开采技术（采动应力集中）组织管理措施（防治措施）。,（二）地质条件对冲击矿压的影响（1）开采深度,统计分析表明，开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大。开采深度与冲击矿压发生次数的关系如图11-1、11-2所示,图11-1波兰采深与冲击矿压的关系W-冲击指数开采百万吨煤炭冲击矿压次数,,图11-2天池煤矿采深与冲击矿压的关系N为冲击矿压次数,表11-1中国煤矿条件下发生冲击矿压的最小采深,,（2）煤岩的力学特征,1.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。2.煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小。.煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。对煤的冲击倾向性评价，主要采用煤的冲击能量指数KE、弹性能量指数WET和动态破坏时间DT。,,,图11-3冲击能量指数KE计算图,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ES与峰值后所消耗的变形能EX之比值,,,图11-4弹性能指数WET计算图,,,,图11-5动态破坏时间Dt曲线,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,表11-2煤的冲击倾向鉴定指标值,对煤的试样研究表明,煤试块的冲击性在其单向抗压强度为Rc1620MPa时变化较大，当煤的单向抗压强被小于Rc＜16MPa时,煤试块要发生冲击,就需要较大的压应力。弱冲击倾向性Rc≤16MPa强冲击倾向性Rc＞16Mpa,（3）顶板岩层的结构特点,顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬，厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板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（冲击压力型）冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压。,苏联阿维尔申教授认为，煤层内的弹性能可由体变弹性能Uv、形变弹性能Ut和顶板弯曲弹性能Uw三部分组成，即,由以上两式可以看出，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。一般，厚度越大的坚硬岩层越不易冒落，形成的L值也就越大。,图11-7顶板弯曲弹性能的计算图a初次垮落时；b周期垮落时煤层厚度对发生冲击矿压也有影响，煤层越厚，发生冲击矿压越多，越强烈。煤的湿度也有影响作用。因为煤层含水后，可使煤层的弹性减小，强度降低，塑性增加，能减缓发生冲击矿压的危险。,（4）地质动力因素,实践证明，冲击矿压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区，断层附近，煤层倾角变化带，煤层皱曲，构造应力带。图11-8为冲击矿压次数与巷道距断层距离间的关系。,图11-8冲击矿压与距断层距离的关系,图11-9皱曲部分的受力状态及危险性,褶皱是岩层在水平应力挤压下形成的，这种褶皱大部分在沉积岩层中形成。对于巷道及采面来说，在皱曲的各个部位，出现的危险性是不一样的，,（三）开采技术对冲击矿压的影响,冲击矿压大多数发生在巷道72.6，采场则较少27.4。残采区和停采线对冲击矿压发生影响较大。从统计结果看，89的冲击矿压发生在残采区，停采线，断层区域或煤层超采的地方。发生冲击矿压的区域见表11-3和图11-10所示。,表11-3冲击矿压发生的区域分布,图11-10发生冲击矿压的区域分布示意图,（1）开采设计和开采顺序,当在几个煤层中同时布置几个采面时，采面的布置方式和开采顺序将强烈影响煤岩体内的应力分布。冲击矿压经常出现在采面向采空区推进时；在距采空区1540m的应力集中区内掘进巷道；两个采面相向推进时及两个近距离煤层中的两个采面同时开采时。,（2）上覆煤层工作面停采线和煤柱的影响,图11-11巷道过上层停采线时E/W分布图E/W为观测范围内单位生产煤量所产生的震动能量J/t，,图11-12采面过上层残采区时E/W分布图,（3）采空区的影响,当工作面接近已有的采空区，其距离为2030m时，冲击矿压危险性随之增加。,（4）开采区域的影响在煤层开采面积增加的情况下，岩体的震动能量也随之增加。研究表明，当开采面积为3万平方m时，释放的单位面积的震动能量为最大。,图11-13总能量与开采面积之间的关系图,二、冲击矿压发生的机理及判据,冲击矿压发生的物理过程，主要是说明煤、岩介质变形破坏的力学过程，称为冲击矿压的机理。目前对冲击矿压机理的认识可主要概括为强度理论能量理论冲击倾向理论,第三节冲击矿压的预测预报及危险性评定一、冲击矿压预测预报目标,冲击地压的预测主要包括时间、地点和规模大小。目前主要采用的方法，包括根据采矿地质条件确定冲击矿压危险的综合指数法，数值模拟分析法，钻屑法等。采矿地球物理方法，包括微震法，声发射法，电磁辐射法，振动法，重力法等，,二、冲击矿压危险性等级的划分原则,根据冲击矿压发生的原因，冲击矿压的预测预报、危险性评价及冲击矿压的治理，可以对冲击矿压的危险程度按冲击矿压危险状态等级评定可分为五级。,A.无冲击危险B.弱冲击危险C.中等冲击危险D.强冲击危险E.不安全,三、综合指数法综合指数法就是在分析已发生的各种冲击矿压灾害的基础上，分析各种采矿地质因素对冲击矿压发生的影响，确定各种因素的影响权重，然后将其综合起来，建立的冲击矿压危险性预测预报的一种方法。,（一）影响冲击矿压危险状态的地质因素及指数表11-4影响冲击矿压危险状态的因素及指数,（二）影响冲击矿压危险状态的开采技术因素及指数,表11-5开采技术条件影响冲击矿压危险状态的因素及指数,（三）冲击矿压危险程度的预测预报,根据这两个指数，用下式就可确定出采掘工作面周围冲击矿压危险状态等级评定的综合指数Wt。Wt1–采矿地质因素确定的冲击矿压危险指数。Wt2–开采技术因素确定的冲击矿压危险指数。,四计算机模拟,分析冲击矿压区域内的应力分布状态和应力值的大小是防治冲击矿压的基础。目前世界上比较通用的分析模拟程度有FLAC、UDEC、ANSYS等，其采用的方法主要是有限元法，边界无法、离散元法等。数值模拟方法只能作为一种近似方法使用，多年实践证明，数值模拟结果对于确定冲击矿压危险区域是有效的。,五钻屑法根据钻屑量预测冲击矿压危险时，常采用钻出煤粉量与正常排粉量之比，做为衡量冲击危险的指标。煤粉量比值用体积或重量比表示，它又称为钻屑量指数,表11-6判别工作地点冲击矿压危险性的钻屑量指数,六微震法,图11-17近距离波场记录图a振动速度；b振动加速度；速度频谱；d加速度频谱；,图11-18冲击矿压和震动的次数n与震动能量级E之间的关系Nt每个能量级冲击矿压次数；NW每个能量级震动次数,采矿活动引发的动力现象分为两种强烈的，属于采矿微震的范畴；较弱的，如声响、振动、卸压等则为采矿地音，岩石的声发射。微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行微震监测，是一种区域性监测方法。自动记录微震活动，实时进行震源定位和微震能量计算。为评价全矿范围内的冲击地压危险提供依据。冲击地压前兆的微震活动规律①微震活动的额度急剧增加；②微震总能量急剧增加；③爆破后，微震活动恢复到爆破前微震活动水平所需时间增加。,七地音法,图11-22声发射信号的加速度和频谱图,图11-23声发射探头布置示意图设置有固定的监测站，可以连续监测煤岩体内声发射连续变化,预测冲击矿压危险性及危险程度的变化。,图11-25激发地音法探头等布置示意图,图11-27不同位置采用激发地音法测试的结果（1）为下方507、510煤层停采线处的测试结果（3）则为507、510煤层的已采区测试的结果（2）为部分卸压区域的测试结果。图中可看出，1点处的冲击矿压危险最大，3较小，2最小。图①、③互换,八电磁辐射法电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度的大小，因此可用电磁辐射法进行冲击矿压预测预报,图11-28冲击矿压前后电磁辐射值的变化规律,图11-2934061面130棚处电磁辐射偏差变化图,九综合预测方法,由于冲击地压的随机性和突发性，以及破坏形式的多样性，使得冲击地压的预测工作变得极为困难复杂，单凭一种方法是不可靠的,应该根据具体情况，在分析地质开采条件的基础上，采用多种方法进行综合预测。,第四节冲击矿压的防治,一、冲击矿压防范措施,（一）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。（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。,（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。（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。,（二）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。这种卸载开采称之为开采解放层。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。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”。,二、冲击危险的解危措施,（一）卸压爆破,振动爆破是一种特殊的爆破，它与爆破落煤不同。振动炮的主要任务是爆破炸药，形成强烈的冲击波，使得岩体振动。振动炮要使振动范围最大，甚至是整个工作面长；在装药量一定的情况下，振动效果最好。,振动爆破有振动卸压爆破，振动落煤爆破，振动卸压落煤爆破，顶板爆破。,（二）煤层注水,煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低，其关系可用下式表示W0为强度最大时的含水量,表11-7系数表,图11-30单向抗压强度与其含水量的关系,（三）钻孔卸压,图11-32煤体钻孔对应力分布的影响示意图,（四）定向裂缝,（1）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。压力＞30MPa流量＞60L/min。,图11-33周向预裂缝钻头示意图,（2）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上法相同，不同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。,第五节顶板大面积来压,一、顶板大面积来压现象及特征,顶板大面积来压时，一次冒落的面积少则几千平方米，多则可达几万甚至十几万平方米。这样大面积的顶板在极短时间内冒落下来，不仅由于重量的作用会产生严重的冲击破坏力，而且更加严重的是把已采空间的空气瞬时排出，形成巨大的暴风，破坏力极强。,二、顶板大面积来压的成因和机理,在开采中难冒坚硬顶板虽然悬露面积很大，但在自重应力作用下，当弯曲应力值超过其强度极限时，也必将出现断裂缝或使原生的细微裂隙扩展。一旦这些裂缝贯穿坚硬岩层时，则发生断裂。此外，由于顶板大面积悬空，使采空空间形成扁平狭条孔，在煤柱上的顶板岩层内产生巨大的切应力，也将促使顶板被切断。,大同局采用了钻孔电视观测方法，观测了顶板的破坏和冒落情况。图11-36坚硬顶板前后活动机理图,三、顶板大面积来压的防治措施,（一）顶板大面积来压的预兆及测定,大面积来压的预兆主要表现为，顶板断裂声响的频率和音响增大；煤帮有明显受压和片帮现象；底板出现底鼓或沿煤柱附近的底板发生裂缝；巷道超前压力较明显；工作面中支柱载荷和顶板下沉速度明显增大；有时采空区顶板发生裂缝或淋水加大，向顶板中打的钻孔原先流清水，后变为流白糊状的液体。,图11-37顶板释放能量的变化曲线,（二）顶板大面积来压的防治措施,顶板大面积来压主要的危险是由顶板冒落而形成的冲击荷载和暴风。防止和减弱其危害的基本原理是，改变岩体的物理力学性能，以减小顶板悬露和冒落面积，以及减小顶板下落高度，以降低空气排放速度。具体的办法可有以下几种。,（1）顶板高压注水,图11-38顶板注水钻孔布置方式及其参数,（2）强制放顶,强制放顶方法有以下几种1.“循环式”浅孔放顶2.“步距式”深孔放顶3.台阶式放顶4.超前深孔松动爆破5.地面深孔放顶,图11-39“步距式”深孔爆破,图11-40超前深孔松动爆破L1、L2顶板自然冒落步距,图11-41刀柱法的深孔放顶,（3）预防暴风措施,在有大面积来压危险的矿井或区域，可采取预防措施，以免对生产和安全造成危害。进行预防，一般是采用堵和泄的办法。,堵，即用留置隔离煤柱和设置防暴风密闭，把已采区与生产区隔离起来。泄，即通过专门泄风道，使被隔离区域与地面相通，以便将形成的暴风引出地表。,