沖擊礦壓第171講

1、第17講沖擊礦壓【本講大綱】1.沖擊礦壓補充內(nèi)容國內(nèi)外沖擊地壓災(zāi)害及其研究現(xiàn)狀【筆注】【內(nèi)容詳解】國內(nèi)外沖擊地壓災(zāi)害及其研究現(xiàn)狀沖擊地壓現(xiàn)象1738年首次發(fā)生于英國，至今已有包括德國、南非、波蘭、俄 羅斯、美國、加拿大、中國、日本和澳大利亞等20多個國家和地區(qū)發(fā)生過沖擊地 壓。我國，1933年在撫順勝利礦最早發(fā)生沖擊地壓，到1985年我國沖擊地壓煤礦 為32個，主要分布在北京、棗莊、撫順、大同等局礦，開采深度平均為600 - 750 米。截止到2002年，我國發(fā)生沖擊地壓的礦井已達70個，開采深度也達到750 -1150米。我國煤礦礦井大多建于五六十年代，隨著時間的推移和礦產(chǎn)資源開發(fā) 向深部轉(zhuǎn)

2、移，這些礦井將逐步進入深部開采，沖擊地壓災(zāi)害問題將更加嚴(yán)重、更 加突出、更為普遍。世界范圍內(nèi)最早開始研究沖擊地壓問題的是南非，而對沖擊地壓問題的系統(tǒng) 認(rèn)識和專門研究是20世紀(jì)50年代開始的。我國是20世紀(jì)70年代對沖擊 地壓進行研究的。盡管世界各國已同沖擊地壓進行了近70年的斗爭，但世界范圍內(nèi)的沖擊地壓 問題還遠沒有解決，最近幾年我國煤礦沖擊地壓災(zāi)害的頻繁發(fā)生更證明了這一點。 由此可見，煤礦沖擊地壓問題是相當(dāng)嚴(yán)重的，如何深入開展沖擊地壓發(fā)生機理的 研究，提高礦井煤巖體沖擊危險性評價的準(zhǔn)確性和沖擊地壓防治的有效性，對保 證礦井安全、高效生產(chǎn)，具有十分重要的理論與現(xiàn)實意義。煤礦動壓現(xiàn)象概念、沖擊礦

3、壓特點及其分類煤礦開采過程中，在高應(yīng)力狀態(tài)下積聚有大量彈性能的煤巖體，在一定的條 件下突然發(fā)生破壞、冒落或拋出，使能量突然釋放，呈現(xiàn)聲響、震動以及氣浪等 明顯的動力效應(yīng)。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為煤礦動壓現(xiàn)象。這種動壓現(xiàn)象并不是每個礦井都會發(fā)生，它也是可以防治的。煤礦動壓現(xiàn)象 的成因和機理各地不完全相同，它的顯現(xiàn)形式也有差異。因此，正確地區(qū)分各種 :蘭永偉 動壓現(xiàn)象的實質(zhì)，對深入研究和制定相應(yīng)的防治對策。都有重大的實際意義。目前，根據(jù)動壓現(xiàn)象的一般成因和機理，可把它歸納為三種形式，即沖擊地壓、頂 板大面積來壓和煤與瓦斯突出。沖擊礦壓沖擊礦壓是煤礦開采過程中承受高應(yīng)力的煤巖體突然破壞而釋放彈性能的礦 山壓力

4、動力現(xiàn)象。特征：.伴有很大的聲響，巖體震動和產(chǎn)生沖擊波；.有時向采空空間拋出大量的碎煤或巖塊，形成很多煤塵；.有時還釋放出大量的瓦斯。危害：造成煤巖體震動和煤巖體破壞，支架與設(shè)備損壞，人員傷亡，部分巷道跨落 破壞等。導(dǎo)致巷道支架遭到破壞，設(shè)備移動和空間被堵塞。還會引發(fā)或可能引發(fā) 其他礦井災(zāi)害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通分系統(tǒng)，嚴(yán)重時 造成地面震動和建筑物破壞等。2 .沖擊礦壓特點突發(fā)性；沖擊礦壓一般沒有明顯的宏觀千兆而突然發(fā)生，沖擊過程短暫，持續(xù)時間幾 秒到幾十秒，難以事先準(zhǔn)確確定發(fā)生的時間、地點和強度。(2)瞬時震動性；沖擊礦壓發(fā)生過程急劇而短暫，像爆炸一樣伴有巨大的聲響和強

5、烈的震動，電機車等重型設(shè)備被移動，人員被彈起摔倒，震動波及范圍可達幾千米甚至幾十 千米，地面有地震感覺，但一般震動持續(xù)的時間不超過幾十秒。巨大破壞性；沖擊礦壓發(fā)生時，頂板可能有瞬間明顯下沉，但一般并不冒落；有時底板突 然開裂鼓起甚至接頂；常常有大量煤塊甚至上百立方米的煤體突然破碎并從煤壁 拋出，堵塞巷道，破壞支架；從后果來看沖擊礦壓常常造成慘重的人員傷亡和巨 大的生產(chǎn)損失。(4)復(fù)雜性。在自然地質(zhì)條件上，除褐煤以外的各種煤種都記錄到?jīng)_擊現(xiàn)象，采深從2001000m，地質(zhì)構(gòu)造從簡單到復(fù)雜，煤層從薄層到特厚層，傾角從水平到急斜，都發(fā) 生過沖擊礦壓。在生產(chǎn)技術(shù)條件上，不論炮采、機采或是綜采，全部跨落

6、法等各 種采煤工藝，不論是長壁、短壁、房柱式或煤柱支撐式等各種采煤方法都出現(xiàn)過 沖擊礦壓。3、沖擊礦壓類型：.根據(jù)原巖體應(yīng)力狀態(tài)不同，沖擊礦壓可分為三類： :蘭永偉(1)重力型沖擊礦壓；主要受重力作用，沒有或只有極小構(gòu)造應(yīng)力影響的條件下引起的沖擊礦壓。(2 )構(gòu)造應(yīng)力型沖擊礦壓；若構(gòu)造應(yīng)力遠遠超過巖層自重應(yīng)力時，主要受構(gòu)造應(yīng)力的作用引起的沖擊礦 壓。中間型或重力-構(gòu)造型沖擊礦壓。它是受重力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用引起的沖擊礦壓。.根據(jù)沖擊的顯現(xiàn)強度，可分為四類：彈射：一些單個碎塊從處于應(yīng)力狀態(tài)下的煤或巖體上射落，并伴有強烈聲響，屬于 微沖擊現(xiàn)象。礦震：它是煤、巖內(nèi)部的沖擊礦壓，即深部的煤或巖體發(fā)生

7、破壞。但煤、巖并不向 已采空間拋出，只有片幫或塌落現(xiàn)象，但煤或巖體產(chǎn)生明顯震動，伴有巨大聲響， 有時產(chǎn)生煤塵。較弱的礦震稱為微震也稱為“煤炮”。(3 )弱沖擊：煤或巖石向已采空間拋出，但破壞性不很大，對支架、機器和設(shè)備基本上沒 有損壞，圍巖產(chǎn)生震動，一般震級在2.2級以下，伴有很大聲響，產(chǎn)生煤塵，在 瓦斯煤層中可能有大量瓦斯涌出。沖擊：部分煤或巖體急劇破壞，大量向已采空間拋出，出現(xiàn)支架折損、設(shè)備移動和 圍巖震動，震級在2.3級以上，伴有巨大聲響，形成大量煤塵和產(chǎn)生沖擊波。.根據(jù)震級強度和拋出的煤量，可將沖擊礦壓分為三種：輕微沖擊(I級)。拋出煤量在10噸以下，震級在1級以下的沖擊礦壓。中等沖擊

8、(II級)。拋出煤量在1050噸，震級在12級的沖擊礦壓。(3 )強烈沖擊(III級)。拋出煤量在50噸以上，震級在2級以上的沖擊礦壓。4、沖擊礦壓對環(huán)境的影響.對井下巷道的影響沖擊礦壓對井下巷道的影響主要是動力將煤巖拋向巷道，破壞巷道周圍煤巖 的結(jié)構(gòu)及支護系統(tǒng)，使其失去功能。.對礦工的影響在發(fā)生沖擊礦壓區(qū)域如有工人工作，則可能對其產(chǎn)生傷害，甚至造成死亡事 故。波蘭的分析結(jié)果表明，發(fā)生沖擊礦壓后，人員受傷的主要部位是腦部，占 91.65%，其次是胸部的機械損壞，包括肋骨折斷等，占60.41%。而內(nèi)部器官的 損壞主要是肺、心、胃等，占18.75%，再次為上下肢的折斷。咄產(chǎn)發(fā)夸記教學(xué)筆記3）.對地

9、表建筑物的影響礦山震動和沖擊礦壓不僅對井下巷道造成破壞，傷害工作人員，且對地表及 地表建筑物造成損壞，甚至造成地震那樣的災(zāi)難性后果。3.沖擊礦壓發(fā)生機理一、沖擊地壓發(fā)生的原因及實現(xiàn)條件:沖擊地壓發(fā)生的根本原因：強度比較高的煤（巖層），受構(gòu)造運動和采場推進影響而形成的高度應(yīng)力集中 和高能級的彈性變形能的儲存。實現(xiàn)的條件：沒有采取釋放應(yīng)力和能量的措施，在可能有高度應(yīng)力集中和高能級彈性能釋 放的部位推進采掘工作面。二、沖擊礦壓發(fā)生的影響因素沖擊礦壓影響因素分析：沖擊礦壓發(fā)生的原因是多方面的，但從總的來說可以分為三類，即自然地質(zhì) 因素、開采技術(shù)條件和組織管理措施。自然地質(zhì)因素：主要是原巖應(yīng)力，主要由巖

10、體的重力和構(gòu)造殘余應(yīng)力組成。實踐表明，在一 定的采深條件下，比較強烈的沖擊礦壓一般會出現(xiàn)在煤系地層中具有強度高的巖 層，特別是在煤層頂板中有堅硬厚層砂巖的情況。沖擊礦壓危險的傾向是由煤巖的特性決定的。一般是煤的強度大，彈性好， 沖擊礦壓的傾向性就高。開采的技術(shù)條件：開采引起的局部應(yīng)力集中。如堅硬的頂板條件下較大的懸頂，造成較大的應(yīng) 力集中，煤柱造成的應(yīng)力集中等等。地質(zhì)條件對沖擊礦壓的影響：1）開采深度煤層在無采動影響的三向應(yīng)力狀態(tài)下所積聚的彈性變形能包括體積變化的彈 性能和形狀改變的彈性能。需要指出的是，煤層被采動后，各種巷道和工作面周 圍巖體內(nèi)將發(fā)生應(yīng)力重新分布，其應(yīng)力集中系數(shù)一般其應(yīng)力集中

11、系數(shù)一般可達2 3或45。若有煤柱或其它采掘工作影響時，應(yīng)力集中系數(shù)還要更大，此時的最 大切向應(yīng)力b =。因此，在開采過程中，煤層內(nèi)所積聚的彈性能將很高。假設(shè)煤層中的形變彈性能被塑性變形所吸收，則體變彈性能全耗于破壞煤體 和使其產(chǎn)生運動。若不計應(yīng)力集中的影響作用時：“ G - 2）（ + *“U =y 2 H 2v 6E （1 一 u）2，則U = C y 2 H 2V 6 E設(shè)煤在單向載荷時的抗壓強度為Rc ,則用于破碎煤塊的單位體積所需的能量U1為：按能量準(zhǔn)則有由此化簡得若考慮巷道周邊的煤塊是處于雙向受力狀態(tài)，則所需要能量比U1要大?，F(xiàn)用 一系數(shù)K（K0 1）來表示，則破碎單位體積的能量氣

12、為U U(y H )2 K 寫6 E0 2 EH 1.73 土K y C這里H就是發(fā)生沖擊礦壓的臨界深度。釋放出來的動能為：Cu _u u _ C(yH* -3K R2=V 2 =6 E但上兩式不能做定量計算使用，因為對具體礦井來說，一些實際條件是復(fù)雜 的。兩式只說明，達到一定開采深度是形成沖擊礦壓的一個基本條件。實際資料 也證明，多數(shù)礦井的開采深度達到200m以上時，才會發(fā)生沖擊礦壓，并且發(fā)生的 頻次和強度都隨著深度增大而增加。2）煤巖力學(xué)特征發(fā)生沖擊礦壓的必要條件是形成較大的集中壓力和積聚較多的彈性能。這就 要求頂?shù)装鍘r層比較堅硬，煤層具有脆性。一般有沖擊礦壓發(fā)生的煤巖體，在破 壞前的全部

13、變形中，彈性變形所占比重大，而塑性變形所占比重小。據(jù)研究，如 彈性變形部分占50%80%時，則具有發(fā)生沖擊的危險；如彈性變形只占20%50%， 則無沖擊危險。所以，煤和巖石的彈性模量及其強度指標(biāo)可以作為發(fā)生沖擊礦壓 傾向度的一個特征。國內(nèi)外實驗證明，煤層的彈性模量（46 ）x 102kN/cm2時， 開始有表面沖擊；達到2.44.0kN/cm2時時，則發(fā)生沖擊。彈性能與所受載荷的平方成正比，與其彈性模E成反比。這可以說明在相同 的應(yīng)力下煤層可能發(fā)生沖擊，而強度大的巖層則可能不發(fā)生沖擊。3）頂板巖層的結(jié)構(gòu)特點研究表明，頂板巖層結(jié)構(gòu)特別是煤層上方堅硬厚層砂巖頂板是影響沖擊礦壓 發(fā)生的主要因素之一，

14、其主要原因是堅硬厚層砂巖頂板容易聚積大量的彈性能。 在堅硬頂板破斷過程中，大量的彈性能突然釋放，形成強烈震動，導(dǎo)致頂板煤層 型（沖擊壓力型）沖擊礦壓或頂板型（沖擊型）沖擊礦壓。煤層厚度對發(fā)生沖擊礦壓也有影響。據(jù)波蘭19521957年的統(tǒng)計資料，厚度 48m的煤層比在12m厚的煤層中發(fā)生沖擊礦壓的次數(shù)大6倍。不過其中也有采 煤方法等因素的影響。煤的濕度也有影響作用。因為煤層含水后，可使煤層的彈性減小，強度降低， 塑性增加，能夠減緩發(fā)生沖擊礦壓的危險。4）地質(zhì)構(gòu)造因素通常，在地質(zhì)構(gòu)造帶中尚存有一部分地殼運動的殘余應(yīng)力，形成構(gòu)造應(yīng)力場。 在煤礦中常有斷層、褶曲和局部異常（如底板凸起、頂板下陷、煤層分

15、貧、變薄 和變厚等現(xiàn)象）等構(gòu)造帶。沖擊礦壓就常常發(fā)生在這些構(gòu)造應(yīng)力集中的區(qū)域。開采技術(shù)對沖擊礦壓的影響開采技術(shù)條件可以促使沖擊礦壓發(fā)生。它主要體現(xiàn)在兩方面，一是人為地形 成應(yīng)力集中，增大發(fā)生沖擊礦壓的危險性；二是改變應(yīng)力狀態(tài)和產(chǎn)生震動，可以 誘發(fā)沖擊礦壓。具體表現(xiàn)如下。1）采煤方法各種采煤方法的巷道布置和管理頂板方法不同，所產(chǎn)生的礦山壓力和分布規(guī) 律也不同。一般來說，短壁體系（巷柱或刀柱）采煤方法由于開掘巷道多，巷道 交岔多，遺留煤柱也多，形成多處支承壓力疊加，容易發(fā)生沖擊礦壓。2）上覆煤層工作面停采線和煤柱的影響上覆煤層工作面的停采線和煤柱形成的應(yīng)力集中對下部煤層造成了很大的威 脅，使沖擊礦

16、壓的危險性有很大的增加。3）采掘順序采掘順序?qū)π纬傻V山壓力的大小和分布有很大關(guān)系。巷道和回采工作面相向 推進，以及在回采工作面或煤柱中的支承壓力帶內(nèi)掘進巷道，都會集中應(yīng)力疊加， 而發(fā)生沖擊礦壓（如圖）。此外，若由于開采順序不當(dāng)，使相鄰區(qū)段追逐回采，采 場形狀不規(guī)則或留下待采煤柱等，也都會增大集中應(yīng)力，造成發(fā)生沖擊礦壓的條 件。4）.放炮放炮產(chǎn)生震動，引起動載荷。一方面能使煤層中的應(yīng)力迅速重新分布而增加 煤體應(yīng)力；另一方面能迅速解除邊緣側(cè)向約束阻力，改變煤體的應(yīng)力狀態(tài)，由三 向壓縮變?yōu)槎驂嚎s，使其抗壓強度下降，導(dǎo)致迅速破壞。因此，放炮具有誘發(fā) 沖擊礦壓的作用。三、沖擊地壓發(fā)生的機理及判據(jù)沖擊礦

17、壓發(fā)生的物理過程，主要是說明煤、巖介質(zhì)變形破壞的力學(xué)過程，稱 為沖擊礦壓的機理。只有在搞清楚其形成機理的基礎(chǔ)上，才能正確認(rèn)識它的成因， 建立判別發(fā)生的準(zhǔn)則，了解防治原理和指定有效的防治措施。目前對沖擊礦壓機理的認(rèn)識可主要概括為：強度理論，能量理論、沖擊傾向 理論。1 ）強度理論該理論認(rèn)為，煤巖體破壞的原因和規(guī)律，實際上是它的強度問題，即材料受 載后，超過其強度極限時，必然要發(fā)生破壞。具有代表性的夾持煤體理論認(rèn)為，較堅硬的頂?shù)装蹇蓪⒚后w夾緊，煤體夾持 阻礙了深部煤體自身或煤體-圍巖交界處的卸載變形。這種阻抗作用意味著由于平 行于層面的側(cè)向力（摩擦阻力和側(cè)向阻力）阻礙了煤體沿層面的卸載移動，使煤

18、體更加壓實，承受更高的壓力，積蓄較多的彈性能。強度理論解釋了沖擊地壓的一些現(xiàn)象，具有簡單、直觀和便于應(yīng)用的特點， 但對沖擊地壓的力學(xué)特征的描述不夠，特別是對于采場周圍煤巖體經(jīng)常出現(xiàn)局部 應(yīng)力超過其強度極限的現(xiàn)象，但并沒有都發(fā)生沖擊礦壓，只有少數(shù)情況發(fā)生突然 破壞形成沖擊礦壓、強度理論無法解釋這些事實，這說明強度理論提出的判據(jù)不 過充分。2）能量理論Cook等人在上世紀(jì)60年代對南非15年來沖擊礦壓的防治情況總結(jié)后指出： 當(dāng)煤-圍巖體系在其力學(xué)平衡狀態(tài)受到破壞時所釋放的能量大于所消耗的能量 時，就發(fā)生沖擊礦壓。能量理論沒有說明煤-圍巖體系平衡狀態(tài)的性質(zhì)及其破壞條件，特別是圍巖 釋放能量的條件。3）沖擊傾向理論煤巖介質(zhì)產(chǎn)生沖擊破壞的能力稱為沖擊傾向。由此，可利用一些實驗或?qū)?測指標(biāo)對發(fā)生沖擊傾向度大于規(guī)定的極限值。這些指標(biāo)主要有：彈性變形指數(shù)、有效沖擊能指數(shù)、極限剛度比、破壞速度指數(shù)等。一些學(xué)者認(rèn)為，這種方法也可 稱為沖擊傾向理論。四、沖擊地壓的防治措施根據(jù)發(fā)生沖擊礦壓的成因和機理，防治措施的基本原理有兩方面：一是降低 應(yīng)力（能量）的集中程度；二是改變煤巖體的物理力學(xué)性能，以減弱積聚彈性能 的能力和釋放速率。1）降低應(yīng)力的集中程度超前開采保護層無煤柱開采合理安排開采順序，避免形成三面采空狀態(tài)的回采區(qū)段或條帶和在回采工作面 前方掘進巷道，必要時應(yīng)在巖石或安全層內(nèi)掘