沖擊地壓及其監(jiān)測-山東科技大學(xué)

1、9.1 概述9.2 沖擊地壓的特征及其分類9.3 沖擊地壓發(fā)生的機理9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法9.5 沖擊地壓的預(yù)防第九章 沖擊地壓及其監(jiān)測礦山壓力與巖層控制精品課件 9.1 概 述沖擊地壓（巖爆） 瞬間釋放煤巖體變形能，引起強烈圍巖震動 支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞、傷及人員等 隨采深沖擊地壓發(fā)生頻次和烈度增大 沖擊地壓發(fā)生原因復(fù)雜，影響因素多 預(yù)防沖擊地壓對巷道圍巖穩(wěn)定性的破壞已成為礦產(chǎn)資源開采過程中一個急需解決的最關(guān)鍵、最棘手的問題。產(chǎn)生危害開采深度影響礦山壓力與巖層控制精品課件9.2 沖擊地壓的特征及其分類9.2.1 沖擊地壓的特征 共有特征 突發(fā)性、 瞬時震動性、 破壞性 我國煤礦沖

2、擊地壓突出特點 多類型 、 條件復(fù)雜 、 隨采深增加發(fā)展趨勢嚴重等 誘發(fā)因素 如放炮、頂板來壓期間、回柱（移架）等 沖擊地壓發(fā)生的地點及其主要特征 a 與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系，往往發(fā)生在褶皺、斷層及煤層變異性突出的部位，主要受構(gòu)造應(yīng)力的控制 礦山壓力與巖層控制精品課件9.2.1 沖擊地壓的特征 沖擊地壓發(fā)生的地點及其主要特征b具有堅硬的巖層的煤層頂板，該巖層聚集高強度的變形能c發(fā)生在超前巷道的沖擊地壓，以巷道兩幫煤體拋出為主要特征d發(fā)生在工作面的沖擊地壓，一般表現(xiàn)為大面積沖擊現(xiàn)象e在留有底煤的采場發(fā)生時，以底臌和煤巖壓入采場空間為主要顯現(xiàn)特征9.2 沖擊地壓的特征及其分類礦山壓力與巖層控制精品課

3、件9.2.2 沖擊地壓的分類（1）根據(jù)沖擊地壓的能量特征按沖擊時釋放的地震能大小沖擊地壓級別地震能J震中的地震中裂度（級）微沖擊（射落、微震）弱沖擊中等沖擊強烈沖擊災(zāi)害性沖擊101010210210410410710711223.53.555表9.1 按沖擊時釋放的地震能大小分類9.2 沖擊地壓的特征及其分類礦山壓力與巖層控制精品課件9.2.2 沖擊地壓的分類（2）按參與沖擊的煤巖體類別 a 產(chǎn)生于煤體一圍巖力學(xué)系統(tǒng) b 煤礦沖擊地壓的主要顯現(xiàn)形式 a 高強度脆性巖石瞬間釋放彈性能 b 巖塊從母體急劇、猛烈地拋出 對于煤體是頂?shù)装鍘r層內(nèi)彈性能的突然釋放，又稱圍巖沖擊。按沖擊位置又分頂板沖擊和底

4、板沖擊。9.2 沖擊地壓的特征及其分類煤層沖擊巖層沖擊礦山壓力與巖層控制精品課件9.2.2 沖擊地壓的分類（3）根據(jù)沖擊力源分類 （4）按統(tǒng)計方法分類按沖擊地壓的破壞后果分類 a 一般沖擊地壓 b 破壞性沖擊地壓 c 沖擊地壓事故9.2 沖擊地壓的特征及其分類重力型構(gòu)造型 中間型由受重力作用引發(fā)，沒有或有少量構(gòu)造力的影響主要由受構(gòu)造力引起重力和構(gòu)造力共同作用引發(fā)礦山壓力與巖層控制精品課件表9.2 按顯現(xiàn)強度分級等 級123456里氏地震級0.5-1.01.1-1.51.6-2.02.1-2.52.6-3.03.09.2.2 沖擊地壓的分類 （4）按統(tǒng)計方法分類 按顯現(xiàn)強度分級 按里氏地震計分級

5、，見表9.29.2 沖擊地壓的特征及其分類礦山壓力與巖層控制精品課件9.3.1 沖擊地壓發(fā)生的原因及實現(xiàn)的條件 9.3 沖擊地壓發(fā)生的機理根本原因發(fā)生條件強度比較高的煤（巖）層沖擊地壓發(fā)生沒有采取釋放應(yīng)力和能量措施 高應(yīng)力集中部位的采動影響 受構(gòu)造運動和開采形成的高度應(yīng)力集中礦山壓力與巖層控制精品課件9.3.2 沖擊地壓發(fā)生的影響因素（1）地質(zhì)因素 （2）開采技術(shù)因素 開采多煤層時 任何造成應(yīng)力集中的因素 （誘導(dǎo)因素 ），9.3 沖擊地壓發(fā)生的機理開采深度地質(zhì)構(gòu)造煤巖結(jié)構(gòu)及性能 如開采程序不合理、留設(shè)煤柱、相鄰兩層開采錯距不合適等礦山壓力與巖層控制精品課件9.3.3 沖擊地壓發(fā)生理論（1）剛度

6、理論 提出 在20世紀60年代由Cook等人理論認為 試件的剛度大于試驗機構(gòu)的剛度時 破壞是不穩(wěn)定的，煤巖體呈現(xiàn)突然的脆性破壞 （2）能量理論 從能量轉(zhuǎn)化方面 解釋沖壓成因 理論認為 沖擊地壓發(fā)生的條件為礦體-圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)失穩(wěn)所釋放的能量大于所消耗的能量9.3 沖擊地壓發(fā)生的機理礦山壓力與巖層控制精品課件9.3.3 沖擊地壓發(fā)生理論（3）強度理論沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件： 即礦山壓力大于煤體-圍巖力學(xué)系統(tǒng)的綜合強度理論認為 較堅硬的頂?shù)装蹇蓪⒚后w夾緊，阻礙深部煤體自身或煤體-圍巖交界處的變形（圖9.1），煤體更加壓實，承受更高的壓力，積蓄較多的彈性能。 從極限平衡和彈性能釋放的意義上

7、來看，夾持起了閉鎖作用。高壓帶和彈性能積聚區(qū)可位于煤壁附近。一旦高應(yīng)力突然加大或系統(tǒng)阻力突然減小時，煤體可產(chǎn)生突然破壞和運動，拋向已采空間，形成沖擊地壓。礦山壓力與巖層控制精品課件圖9.1 強度理論示意圖9.3.3 沖擊地壓發(fā)生理論礦山壓力與巖層控制精品課件（4）沖擊傾向性理論 提出 由波蘭和前蘇聯(lián)學(xué)者 煤巖體沖擊傾向性 發(fā)生沖擊地壓的必要條件 我國學(xué)者提出 用煤樣的動態(tài)破壞時間（D t）、彈性能指數(shù)（WET）及沖擊能量指數(shù)（KE）三項指標綜合判別煤的沖擊傾向的實驗方法。 兩個沖擊傾向性指標 彈性能指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE9.3.3 沖擊地壓發(fā)生理論礦山壓力與巖層控制精品課件（5）三準則理

8、論 我國學(xué)者李玉生等提出判定沖擊地壓發(fā)生的必要條件 強度準則、能量準則和沖擊傾向性準則 應(yīng)同時滿足（6）失穩(wěn)理論 根據(jù)巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線 介質(zhì)的強度和穩(wěn)定性是發(fā)生沖擊的重要條件之一 提出了沖擊地壓是材料失穩(wěn)的思想 9.3.3 沖擊地壓發(fā)生理論礦山壓力與巖層控制精品課件（7）其它 20世紀70年代末 林天鍵、唐春安 將突變論 引入巖石力學(xué) 潘岳等學(xué)者 建立巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的突變模型 齊慶新等學(xué)者 提出 “三因素”理論 謝和平院士 提出了沖擊地壓的分形特征 將分形幾何引入沖擊地壓的研究9.3.3 沖擊地壓發(fā)生理論礦山壓力與巖層控制精品課件9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法9.4.1 對比法 基于相似條件下對沖

9、擊前兆進行歸類 一般應(yīng)考慮下列因素 a 本礦和鄰礦的沖擊地壓現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 b 本煤層或鄰層、鄰區(qū)已發(fā)生過的沖擊地壓 c 頂板為單軸抗壓強度大于70MPa的堅硬巖層 d 島形或半島形煤柱 e 支承壓力影響區(qū) f 上部或下部遺留煤柱或回采邊界 g 煤層厚度或傾角突然變化 h 褶曲或斷裂構(gòu)造帶等礦山壓力與巖層控制精品課件9.4.2 鉆屑法9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法依據(jù)在不同深度排出的煤粉量及其變化規(guī)律 動力現(xiàn)象判斷沖擊危險鉆屑法原理 通過測量鉆孔煤粉量的大小以確定相應(yīng)的煤體應(yīng)力狀態(tài)鉆至一定深度后，鉆孔周圍煤體將逐漸達到極限應(yīng)力狀態(tài) 圖9.2礦山壓力與巖層控制精品課件9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法圖9.

10、2 鉆孔效應(yīng)示意圖礦山壓力與巖層控制精品課件9.4.2 鉆屑法（1）鉆孔力學(xué)模型 煤體為各向同性均勻的 純彈-塑性介質(zhì) 小直徑鉆孔的出現(xiàn)僅改變鉆孔周圍邊附近應(yīng)力 如圖9.3 9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法假設(shè)采高h半徑為R 的塑性破壞區(qū)均布壓力p切向應(yīng)力徑向應(yīng)力r任意半徑r處礦山壓力與巖層控制精品課件圖9.3 鉆孔力學(xué)模型由多裂隙介質(zhì)層裂模型理論分析可知： 9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法 層裂區(qū) 塑性區(qū) 彈性區(qū)劈裂破壞非穩(wěn)定蠕變破壞剪切破壞礦山壓力與巖層控制精品課件9.4.2 鉆屑法（2）煤粉量的組成9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法在極限煤體壓力作用下所產(chǎn)生的煤粉量 煤體-圍巖力學(xué)系統(tǒng)的極限平衡（3）極限煤

11、粉定義平衡條件破碎帶形成后，在彈性區(qū)與破碎帶交界處產(chǎn)生鉆孔形成后，由于彈性卸載所形成的 鉆孔形成后，孔壁周圍破碎帶內(nèi)煤體擴容所形成 鉆孔實體煤芯附加煤粉量礦山壓力與巖層控制精品課件9.4.3 地球物理方法 微震法、AE法、電磁輻射法、頂板動態(tài)法（1）微震法 微震法監(jiān)測沖擊地壓的機理 9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法利用巖體自然或人為激發(fā)的物理場監(jiān)測巖體的動態(tài)變化主要方法 記錄礦山震動解釋分析記錄信息預(yù)測預(yù)報沖擊地壓揭示如：類型、次數(shù)、震級等微震信息應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律預(yù)測預(yù)報作出礦山壓力與巖層控制精品課件（1）微震法微震系統(tǒng) （見圖9.4 ）圖9.4 微震監(jiān)測裝置9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法礦山壓力與巖層控制

12、精品課件（1）微震法沖擊地壓發(fā)生次數(shù)與震級的關(guān)系 (9.4)式中 D(V) 規(guī)模大于V的事件出現(xiàn)的頻率 V 該事件的規(guī)模，一般表示為： （9.5）式中 N 沖擊地壓的頻次，大于某一沖擊地壓震級的次數(shù) M 沖擊地壓次數(shù) a、b 常數(shù) 9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法礦山壓力與巖層控制精品課件（1）微震法沖擊地壓最大震級的預(yù)測 沖擊地壓頻次與沖擊地壓震級 有 預(yù)測沖擊地壓的最大震級： 沖擊地壓發(fā)生趨勢的預(yù)測 根據(jù)b值變化規(guī)律，可對沖擊地壓的發(fā)生趨勢進行預(yù)測： 若b值 （ ），則未來沖擊地壓最大震級 （ ）9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法線性關(guān)系礦山壓力與巖層控制精品課件（2）AE法 煤體的聲發(fā)射（Acoust

13、ic Emission ）， 簡稱 AE AE監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)硬件由 通用微機系統(tǒng) 和 信號采集傳輸系統(tǒng) 組成 AE監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用 AE監(jiān)測能率變化 流動AE監(jiān)測法，屬于非連續(xù)的監(jiān)測方法，一般與煤粉鉆孔法結(jié)合使用，能提高沖擊地壓預(yù)測的準確性 9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法礦山壓力與巖層控制精品課件（3）電磁輻射法a 煤體變形及破裂過程中伴有聲發(fā)射和電磁輻射信號b 煤試樣擴容突變階段，電磁輻射強度出現(xiàn)突變C 煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著擴容突變過程增大而增大 典型的非均質(zhì)材料 在外力作用下，內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變的分布不均 發(fā)生不均勻應(yīng)變時，在內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法原理煤體煤體破壞時將產(chǎn)生電

14、磁輻射現(xiàn)象礦山壓力與巖層控制精品課件（4） 頂板動態(tài)法堅硬頂板運動 往往是誘發(fā)沖擊地壓的主要因素之一 9.4 沖擊地壓的監(jiān)測方法頂板的運動狀態(tài)支承壓力范圍及峰值位置頂板動態(tài)前兆沖擊危險預(yù)測預(yù)報 一般情況巖層沉降速度愈小，推進的面積愈大，斷裂運動產(chǎn)生的沖擊和壓出煤的強度愈高；下位基本頂巖梁相對穩(wěn)定的步距愈大，發(fā)生沖擊地壓的強度愈高。礦山壓力與巖層控制精品課件9.5 沖擊地壓的預(yù)防9.5.1 區(qū)域性預(yù)防（1）采用合理的開拓布置和開采方式 合理的開拓布置、開采方式，可避免 + 預(yù)防沖擊地壓發(fā)生高應(yīng)力集中能量的積聚預(yù)防沖擊地壓有效預(yù)防煤礦沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵控制沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件實測推斷理論計算具體

15、的煤層條件+針對采用礦山壓力與巖層控制精品課件9.5.1 區(qū)域性預(yù)防（1）采用合理的開拓布置和開采方式考慮開采方案設(shè)計時，應(yīng)注意以下“防沖”的時空原則： 嚴格杜絕在構(gòu)造壓縮應(yīng)力帶和采動應(yīng)力場支承壓力的高峰部位布置采煤巷道和推進工作面。 最大限度的爭取在采動釋放應(yīng)力后穩(wěn)定的“內(nèi)應(yīng)力場”（已經(jīng)歷采動破壞的巖層覆蓋的重力場）中掘進和維護巷道。9.5 沖擊地壓的預(yù)防礦山壓力與巖層控制精品課件9.5 沖擊地壓的預(yù)防9.5.1 區(qū)域性預(yù)防（2）開采保護層 多煤層開采時，在設(shè)計階段要規(guī)定煤層群的協(xié)調(diào)開采 開采保護層是“防沖”的一項區(qū)域性防范措施 保護范圍 圖9.10 保護層開采方案（常用的方案見圖9.11)

16、 包括開采上保護層、開采下保護層及混合開采。 No煤層間距適宜，應(yīng)優(yōu)先考慮開采下保護層，原則是不破壞上層煤的開采條件礦山壓力與巖層控制精品課件圖中卸壓邊界線內(nèi)的煤層屬于被保護煤層l工作面長度 3充分移動角斷裂角 變形滑移角1升高應(yīng)力區(qū)邊界線2卸壓帶邊界線 3保護帶4被保護帶圖9.10 開采保護層卸壓帶示意圖9.5 沖擊地壓的預(yù)防礦山壓力與巖層控制精品課件(a) 開采上保護層 (b)開采下保護層 (c)開采上、下保護層9.5.1 區(qū)域性預(yù)防圖 9.11 保護層開采方案礦山壓力與巖層控制精品課件（3）煤層預(yù)注水 預(yù)防沖擊地壓的原理水對煤巖強度、變形特性和沖擊傾向性有重要影響 圖9.12 注水方式

17、常用的注水方式包括走向布置、傾向下行布置、傾向上下行布置及綜合布置等方式 圖9.139.5.1 區(qū)域性預(yù)防目的降 低改變 水的物理化學(xué)作用煤層的沖擊傾向性和應(yīng)力狀態(tài) 沖擊煤層的物理力學(xué)性質(zhì)礦山壓力與巖層控制精品課件從圖可知：曲線多呈 塑一彈性型、塑一彈一塑型 突然的 脆性性破壞 變形曲線呈 “S”型 塑性變形變大、 脆性減弱 1注水前煤樣；2干樣；3注水后煤樣9.5.1 區(qū)域性預(yù)防圖9.12 煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比 未注水 破壞前 注水后沖擊危險性降低礦山壓力與巖層控制精品課件a沿傾向布置的下行鉆孔；b沿傾向布置的上下行鉆孔；c沿走向布置的水行鉆孔；d特厚煤層綜合布孔方式圖9.13 注水孔布置

18、方式礦山壓力與巖層控制精品課件9.5.1 區(qū)域性預(yù)防（4）厚層堅硬頂板預(yù)處理 頂板注水軟化對堅硬頂板條件下進行高壓預(yù)注水，水通過巖石的弱結(jié)構(gòu)面進入巖體內(nèi)，經(jīng)物理化學(xué)作用，破壞其整體性、連續(xù)性，降低巖體強度，從而使堅硬頂板易于垮落。 在開采過程中，采空區(qū)上方懸頂縮短，垮落高度增加，巖體的碎脹系數(shù)增大，周期來壓步距縮短，減緩或消除了大面積來壓和沖擊地壓的威脅。礦山壓力與巖層控制精品課件（4）厚層堅硬頂板預(yù)處理 頂板爆破處理包括爆破斷頂、強制放頂和超前深孔預(yù)裂爆破松動頂板等 用爆破方法對采空區(qū)懸露頂板進行處理 在待采煤層隔離煤柱一側(cè)的老采空區(qū)內(nèi)，采空區(qū)頂板內(nèi)產(chǎn)生斷溝，以削弱采空區(qū)與待采區(qū)間的頂板連續(xù)性，減小待采煤層開采時的應(yīng)力集中，以預(yù)防沖擊地壓危害。9.5.1 區(qū)域性預(yù)防強制放頂爆破斷頂 礦山壓力與巖層控制精品課件（1）煤層內(nèi)卸壓爆破爆破的動力作用 卸壓爆破屬于內(nèi)部爆破 主要作用 使煤層產(chǎn)生大量裂隙9.5.2 局部性預(yù)防爆破方法有沖擊地壓危險的局部區(qū)域減緩其應(yīng)力集中程度 爆破后沖擊波破壞煤體產(chǎn)生徑向拉破裂裂隙的存在爆生氣體形成切向拉應(yīng)力 沖擊地壓發(fā)生條件被破壞彈性能減少礦山壓力