沖擊地壓和煤與瓦斯的統(tǒng)一認識

1、向各位總工程師致敬！1沖擊地壓與煤與瓦斯突出的統(tǒng)一認識河南理工大學能源學院 采礦系主任 李化敏 教授2發(fā)言提綱沖擊的一般概念沖擊地壓簡單機理沖擊地壓和煤與瓦斯的異同預測與防治3沖擊地壓的定義沖擊地壓是世界范圍內礦井中最嚴重的自然災害之一。 沖擊地壓是聚積在巷道周圍煤巖體中的彈性能突然釋放引發(fā)的動力現(xiàn)象，是一種特殊的礦山壓力顯現(xiàn)形式。常以煤（巖）體劇烈的突出破壞為特征。沖擊地壓發(fā)生時，如同在煤巖體內裝有大量炸藥一樣，煤和巖石突然被拋出，被拋出的煤和巖石從幾噸到幾百噸不等，可造成支架折損，巷道堵塞，并伴有巨大聲響和巖體震動，震動持續(xù)時間從幾秒到幾十秒。記錄到的最大震級已超過里氏5級，震動頻率在11

2、04Hz，有時可能誘發(fā)其它礦井災害，如煤與瓦斯突出等。4沖擊地壓案例1738年英國南斯塔福煤田發(fā)生世界上有記錄的首例沖擊地壓以來,目前世界幾乎所有采礦國家都有沖擊地壓發(fā)生。我國1933年在撫順勝利礦發(fā)生有記錄的首例沖擊地壓。目前，我國發(fā)生沖擊地壓的礦井超過80個。 1960年1月20日南非的CoalbrockNorth煤礦發(fā)生了一次沖擊地壓，井下破壞面積達300萬2,死亡432人。撫順龍風礦1978年5月13日發(fā)生在602東翼采區(qū)1煤門5/4東震級為0.6級的沖擊地壓，造成煤炭突出138.6，4人死亡，6人被埋。1974年10月25日北京礦務局城子礦在回收煤柱時發(fā)生震級為3.4級沖擊地壓， 造

3、成29人死亡。隨著礦井進入深部開采，沖擊地壓的災害將日趨嚴重。 5 沖擊礦壓現(xiàn)象各國以及不同的行業(yè)，其名稱不完全一樣。 常見名詞的有：“巖爆”、”煤爆”、“沖擊礦壓”、“礦山沖擊”、“沖擊地壓”等。 6沖擊地壓的分類 按發(fā)生原因分： 壓力沖擊型如同堅硬的煤樣在實驗機上破壞一樣； 突發(fā)型沖擊其原因是突然加載。巖層上覆厚而堅固的老頂伸出加在煤柱上，先是加緊后是加載，當達到一定跨度時發(fā)生折斷和跨落。造成處在極限應力狀態(tài)的礦柱瞬時破壞。（采煤工作面） 爆裂型沖擊原因是直接頂上部或直接底板下部存在塑性夾層，在剛性巖層之間的軟夾層被擠出，造成剛性巖層的突然爆裂。按沖擊源分：重力型；構造型；綜合型7沖擊地壓

4、基本理論8沖擊地壓的強度理論 沖擊地壓機理的研究始于南非金屬礦巖爆問題的研究，早期人們關注的是煤巖體的強度問題，因此提出了“強度理論”，它主要著眼于煤巖體的破壞原因，認為井巷和采場周圍產生應力集中，當應力達到煤巖極限強度時煤巖層發(fā)生突然破壞，形成沖擊。 沖擊地壓的應力條件為： /*1 式中，為煤巖體承受的應力；*為煤巖系統(tǒng)的強度。（根據(jù)沖擊地壓的強度理論，在礦井生產的實踐中，采取降低集中應力的措施對沖擊地壓防治工作起到了積極的促進作用） 實際上井巷和采場周圍的巖體常出現(xiàn)應力超過極限強度的現(xiàn)象，但大多數(shù)煤巖并非發(fā)生沖擊現(xiàn)象而是進入強度后平穩(wěn)的變形階段，而且，煤巖體的破壞是一個連續(xù)的不斷損傷的過程

5、，說明強度理論提出的判據(jù)不充分。 The Mining Engineering9沖擊地壓的破壞速度理論 后來一些學者在對煤巖進行試驗時發(fā)現(xiàn)，加載速度與是否發(fā)生沖擊有關，即，加載速度慢則破壞平穩(wěn)，加載速度快時破壞過程猛烈。據(jù)此，引入了脆性指標N的判據(jù)，認為，只有當N1時沖擊地壓才可能發(fā)生。N=vh/vc 式中，vh為加載引起的應力狀態(tài)變化速度；vc為煤巖層應力松弛的極限速度。 The Mining Engineering10 剛度理論 剛性試驗機出現(xiàn)以后，把普通試驗機與剛度試驗機試驗結果進行比較，發(fā)現(xiàn)試件的平穩(wěn)變形與突然破壞取決于試件的剛度Kp和試驗機剛度Ko的比值，當| Kp|Ko |（普通試

6、驗機）時，試件發(fā)生突然破壞，相反，當| Kp|Ko |（剛性試驗機）時，試件破壞過程平穩(wěn)。The Mining Engineering11能量理論 60年代中期，南非學者Cook在對大量的沖擊現(xiàn)象研究后，提出了隨著采掘范圍的擴大，礦體圍巖系統(tǒng)在力學平衡狀態(tài)破壞時，釋放的能量大于消耗的能量時，即產生沖擊地壓；后來，許多學者對此進行了補充和完善。形成目前大家公認的能量理論。 該理論認為，能量釋放的多少與局部礦山系統(tǒng)的剛度有關，而礦山系統(tǒng)的剛度與煤巖層變形有關，煤巖層的可壓縮性是其內在屬性，因而導致礦山系統(tǒng)剛度的降低，從而引起能量的非穩(wěn)定釋放，開采過程中釋放的剩余能量，就是產生沖擊地壓的能量。該理論

7、還考慮時間因素，以單位時間的能量消耗為判據(jù)，否則即使釋放的能量遠大于消耗的能量，但是它是在一段很長的時間內完成釋放的也不會產生沖擊地壓。其判據(jù)為：The Mining Engineering12 式中: WE圍巖儲存的能量； 圍巖能量釋放有效系數(shù)； WS煤體儲存的能量； 煤體的能量釋放有效系數(shù)； Wd消耗于煤體與圍巖交界出處和煤體破壞阻力的能量。 能量理論從能量轉化的角度解釋了沖擊地壓形成的原因，是沖擊地壓機理研究向前邁進了一大進步，為沖擊地壓防治提出了降低煤巖體圍巖系統(tǒng)蓄能的能力，減少其破壞時釋放的能量，從而避免或減換沖擊地壓的新途徑。 但該理論沒有說明平衡狀態(tài)的性質及其破壞條件，特別是圍巖

8、能量釋放條件The Mining Engineering13 煤巖的沖擊傾向理論 沖擊地壓的發(fā)生不僅與外部條件有關，而且與煤巖本身的物理力學性質有關，也就是說發(fā)生沖擊地壓的煤巖層都具有一定的物理力學性質，決定其產生沖擊破壞的能力，這種能力是煤巖介質的的固有屬性，稱為沖擊傾向性。 常用的沖擊傾向指標有彈性能指數(shù)WEt、沖擊能指數(shù)KE以及動態(tài)破壞時間DT，即：WET=ST/SPKE=FS/FXThe Mining Engineering14彈性能指數(shù)計算圖沖擊能指數(shù)計算圖LOFXPDCFSLOSPP0CST動態(tài)破壞時間曲線T（ms）DTPThe Mining Engineering15指標界 限

9、值WET KEDT（ms）鑒定結果5550強 烈5WET25KE1.550DT500中 等21.5500無 沖擊傾向判別指標The Mining Engineering16沖擊地壓發(fā)生條件沖擊地壓發(fā)生的必要條件地應力條件高地應力使煤巖體中聚集大量彈性能；地應力狀態(tài)的突然變化圍巖或煤層的彈性潛能釋放作功，使煤體產生突然破壞和位移。 煤巖物理力學性質條件沖擊傾向性條件強度條件：煤愈硬，發(fā)生沖擊的可能性越高。煤巖越干燥，沖擊傾向性越強。誘發(fā)因素17沖擊地壓發(fā)生的階段即沖擊的發(fā)動階段。由于外力作用使工作面附近煤巖體應力狀態(tài)突然改變，巖石和煤中積聚的彈性潛能迅速釋放，使煤巖體發(fā)生突然的位移、破壞。激發(fā)沖

10、擊地壓。能量積聚過程，即：采掘工作面前方應力集中，形成高的應力梯度。準備階段使工作面處于突出危險狀態(tài)，工作面顯現(xiàn)各種的有聲或無聲的沖擊預兆。當出現(xiàn)下列任一情況時，沖擊即告停止： 激發(fā)沖擊的能量業(yè)已耗盡；沖擊過程中，繼續(xù)放出的能量不足以克服煤巖體之間的阻力； 沖擊地壓發(fā)生與發(fā)展過程停止階段激發(fā)階段準備階段發(fā)展階段發(fā)展階段的特點是煤巖體依靠釋放的彈性能使發(fā)生連續(xù)破碎，已破碎的煤巖體在沖擊壓力作用下克服層間壓剪作用，煤巖體高速拋出。181920煤與瓦斯突出21煤與瓦斯突出基本概念煤與瓦斯突出基本概念具體表現(xiàn)為在幾秒至幾十秒極短的時間內，大量的煤和瓦斯由煤體向采場、巷道等采掘空間噴出。噴出的煤從幾噸到

11、上萬噸，瓦斯量從數(shù)米3到百萬米3。突出時常伴有較大的動力效應，如摧毀支架、推倒礦車、破壞通風設施，使風流反向等。突出后，常在煤體中形成楔形、梨形、舌形突出孔洞，堆積的煤常有明顯的分選現(xiàn)象，表面含有大量的粒度極細的煤粉。物理概念具體表現(xiàn)煤與瓦斯突出是煤開采過程中嚴重的自然災害之一，是井工開采煤礦井下發(fā)生的一種復雜的有煤、巖和瓦斯（個別有二氧化碳）參與的瓦斯動力現(xiàn)象。22煤與瓦斯突出發(fā)生條件煤與瓦斯突出發(fā)生必要條件煤結構和力學性質條件瓦斯條件 地應力條件地應力狀態(tài)的突然變化 圍巖或煤層的彈性潛能釋放作功，使煤體產生突然破壞和位移。 地應力場對瓦斯壓力場起控制作用。地應力狀態(tài)對煤層的透氣性起到一定的

12、控制作用。高壓游離瓦斯產生的瓦斯膨脹能；高壓瓦斯分子全面縮煤的骨架，促使煤體中產生彈性潛能吸附在微孔表面的瓦斯分子對微孔起楔子作用，降低煤的強度。工作面前方形成的瓦斯壓力梯度，造成作用于壓力降低方向的力。強度條件：煤愈硬，所需的破碎功愈大瓦斯解析和放散能力。煤層透氣性能。不均質性條件。23沖擊地壓發(fā)生條件沖擊地壓發(fā)生的必要條件地應力條件高地應力使煤巖體中聚集大量彈性能；地應力狀態(tài)的突然變化圍巖或煤層的彈性潛能釋放作功，使煤體產生突然破壞和位移。 煤巖物理力學性質條件沖擊傾向性條件強度條件：煤愈硬，發(fā)生沖擊的可能性越高。煤巖越干燥，沖擊傾向性越強。誘發(fā)因素24煤與瓦斯突出發(fā)生充要條件形成瓦斯流誘

13、發(fā)因素能量積聚放炮落煤、石門揭開煤層、工作面進入地質造帶、打鉆、架棚、冒頂?shù)仁构ぷ髅娓浇鼞顟B(tài)突然改變，導致煤體的突然破壞，這是突出得以發(fā)生的激發(fā)條件。工作面前方煤巖體中的積聚發(fā)生突出的彈性潛能和瓦斯膨脹能，是突出發(fā)生的基礎條件。煤體連續(xù)破碎 突出的煤體和以破碎的煤能快速涌出瓦斯，足以形成能拋出已破碎煤的瓦斯流，這也是突出得以發(fā)展的必要條件。突出激發(fā)后，煤的暴露面處于高地應力和高瓦斯壓力區(qū)，使煤體能產生自發(fā)連續(xù)的破碎，這是突出的發(fā)展條件。25即突出的發(fā)動階段。由于外力作用使工作面附近煤巖體應力狀態(tài)突然改變，巖石和煤中積聚的彈性潛能、瓦斯膨脹能迅速釋放，使煤巖體發(fā)生突然的位移、破壞。激發(fā)突出。

14、能量積聚過程，即工作面前方應力集中，形成高的應力梯度；應力增大使煤體透氣性降低，煤體內瓦斯壓力梯度提高。準備階段使工作面處于突出危險狀態(tài)，這樣的工作面會顯現(xiàn)各種的有聲或無聲的突出預兆。當出現(xiàn)下列任一情況時，突出即告停止：激發(fā)突出的能量業(yè)已耗盡；突出過程中，繼續(xù)放出的能量不足以粉碎煤； 突出孔道受阻礙，不能繼續(xù)在突出空洞周圍建立較大的應力梯度和瓦斯壓力等。煤與瓦斯突出發(fā)展過程停止階段激發(fā)階段準備階段發(fā)展階段煤體依靠釋放的彈性能和游離瓦斯的膨脹能使發(fā)生連續(xù)破碎，形成破碎波，已破碎的煤巖體在高速瓦斯流的攜帶下向巷道拋出。26煤巖體變形破壞統(tǒng)一機理 離散元數(shù)值計算結果表明：巷道煤巖受壓應力作用，使一定

15、范圍內的煤巖體承載能力降低，在巷道周邊23以外產生一個極限平衡區(qū)域，該區(qū)域主要受煤層與頂?shù)装褰唤缣幍哪Σ磷枇跋锏乐車鷳暗募s束，該區(qū)域內任何約束力的變化都可能導致平衡狀態(tài)的破壞，使極限平衡區(qū)域向深部轉移，并削弱了對深部煤體的約束,使得深部煤體不斷失穩(wěn)破壞，這種由表及里連續(xù)失穩(wěn)導致的區(qū)域煤體的瞬間破壞，即為煤巷沖擊地壓或突出。 27282930313233343536373839404142434445464748495051沖擊地壓和突出發(fā)生過程沖擊地壓和突出都是發(fā)生是在一定的采礦條件和地質因素的背景下，受采掘影響的煤巖介質在發(fā)生變形的過程中產生的動力現(xiàn)象。沖擊地壓、突出發(fā)生前煤巖體的變形

16、可視為準靜態(tài)，沖擊地壓和突出停止后，煤巖體又處于新的平衡狀態(tài)。沖擊地壓和突出都是使煤巖體從一種平衡狀態(tài)變到另一種狀態(tài)的過程。 52沖擊地壓和煤與瓦斯的統(tǒng)一沖擊地壓和突出在形成機理方面具有共同的特點：都是煤巖體的局部破壞過程；其破壞過程一樣迅猛（如雪崩）；呈脆性破壞；均在高應力區(qū)或采掘過程中發(fā)生破壞。53沖擊地壓和突出發(fā)生的統(tǒng)一機理沖擊地壓和突出的異同（簡化） 共同點：都是由于煤巖體破壞而導致的煤巖組織變形；都是其力學系統(tǒng)平衡被破壞時，釋放的能量大于所消耗的能量，剩余的能量轉化為使煤巖拋出、圍巖震動的動能。 不同點：沖擊地壓一般是高地應力為主導，突出往往以高瓦斯壓力主導突出有瓦斯作用，沖擊地壓只

17、是忽略或沒有瓦斯作用的突出。 所以也將沖擊地壓稱為煤巖突出,而突出只是有瓦斯作用的沖擊地壓。54沖擊地壓和突出研究思路研究沖擊地壓和突出發(fā)生前煤巖變形系統(tǒng)平衡狀態(tài)的特征；如果平衡保持穩(wěn)定狀態(tài)，則不會發(fā)生動力破壞；若是處于非穩(wěn)定狀態(tài)，則平衡失穩(wěn)將導致動力破壞，沖擊地壓和突出就有可能發(fā)生。 用這樣的方法研究煤巖變形系統(tǒng)產生動力破壞過程的判據(jù)，對沖擊地壓和突出的預測預報和防治具有更實際的指導意義。 55沖擊地壓和煤與瓦斯的統(tǒng)一預測技術都可以采用鉆屑法（測應力）微震法（測試煤巖破壞所發(fā)出的聲脈沖）電磁輻射法（煤巖破裂過程中電磁輻射量變化）溫度預測法。 原蘇聯(lián).雷任科等學者研究：回采工作面是在深達6的鉆

18、孔中測溫，,掘進工作面是在2.2深的鉆孔中測溫，測溫結果認為：在回采工作面近工作面地段煤體溫度梯度2-03-1(3-1）為煤層鉆3處與1處之間的溫度梯度，2-0為煤體鉆孔2處與鉆孔口之間的溫度梯度)，當3-13時沒有地壓和突出危險性。在掘進面2-12.5有突出或地壓危險征兆。 56Example1試件單軸壓縮聲發(fā)射分布5758596061626364656667686970Example 2單軸壓縮裂紋擴展71Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement72Crack

19、 propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement73Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement74Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement75Crack propagation and coalescence in brit

20、tle rockAxial compression without confinement76Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement77Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement78Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without co

21、nfinement79Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement80Example 3顆 粒 破 壞8182Step 6083Step 78-284Step 78-485Step 78-786Step 78-987Step 78-1388Step 78-1689Step 78-2390Step 78-3791Step 11292Step 16993Step 17894Step 18895Step 21296Step 22597Step 294989910010110

22、2103104105106107108109110111112113114115預測方面的異同點相同點：采用預測應力方法時兩者是相同；利用構造變化判斷。（但構造變化引起的敏感程度不同）不同點：瓦斯指標不能預測沖擊地壓及沖擊型突出（q瓦斯涌出初速度 ）；煤層結構（是否有軟分層）；煤巖層性質；采用鉆屑法時，有沖擊地壓時，常會發(fā)生孔內沖擊，鉆屑呈顆粒狀或片狀。 116判斷一次動力現(xiàn)象是沖擊地壓為主導還是煤與瓦斯突出為主導主要依據(jù)施工點是否具備發(fā)生沖擊地壓的基本條件。 應力條件、巖性條件（煤巖的沖擊傾向性）、巖層結構施工過程中是否采取了有效的瓦斯預測措施并校驗，若瓦斯不超指標。是否表現(xiàn)出瓦斯突出的明顯特征（如瓦斯涌出量、分選性、風流痕跡等），動力現(xiàn)象發(fā)生后事故現(xiàn)場是否有明顯的圍巖沖擊變形。117沖擊地壓和突出的統(tǒng)一工程治理技術 在有沖擊地壓和突出危險時都可采用：避免采用容易產生高應力集中的采掘方法；選用合適的降低煤巖體邊緣應力集中的方法；都可將開采解放層作為區(qū)域性防治措施；在局部防治上都可采用注水軟化、鉆孔卸壓、開槽卸壓、爆破卸壓等措施，使應力集中向深部轉移。都可利用震動爆破誘發(fā)輕度沖擊地壓或突出以防止出現(xiàn)高強度的沖擊地壓和突出。118治理技術方面的異同 相同點：降低圍巖應力措施； 不同點：僅抽放瓦斯不能防止沖擊地