沖擊地壓理論與技術(shù)教學內(nèi)容

沖擊地壓理論與技術(shù)齊慶新博士后/研究員/首席專家/所長煤炭科學研究總院開采分院采礦研究所天地科技股份有限公司開采所事業(yè)部2008年7月提綱

第一講基本概念第二講我國沖擊地壓現(xiàn)狀與研究進展第三講沖擊地壓技術(shù)規(guī)范第四講沖擊地壓預測與防治1、我國沖擊地壓現(xiàn)狀世界范圍有記載的第一次沖擊地壓于1733年英國南斯塔煤田發(fā)生，我國最早沖擊地壓發(fā)生在1933年的撫順勝利礦。1、我國沖擊地壓現(xiàn)狀我國沖擊地壓發(fā)生范圍北京、棗莊、撫順、阜新、遼源、大同、天池、開灤、新汶、徐州、義馬、鶴壁、雙鴨山、雞西、七臺河、淮南、大屯、韓城、兗州、華亭、古城、貴州等近100個礦區(qū)（井）我國沖擊地壓災害日趨嚴重

截止2006年年底，新發(fā)生沖擊地壓的礦井近70個，分布范圍擴大到新汶、徐州、兗州、華亭等局礦，發(fā)生沖擊地壓礦井已達100余個。開采深度已達到750～1250m僅2001年至2006年6月底，在大同、撫順、北京、華亭、大同、阜新等局礦因沖擊地壓的發(fā)生而導致的重大傷亡事故就多達10余起，死傷人數(shù)達數(shù)百人。薄煤層也相繼發(fā)生沖擊地壓：七臺河桃山礦1、我國沖擊地壓現(xiàn)狀我國比較嚴重的沖擊地壓礦井1)新汶礦業(yè)集團公司華豐煤礦2)黑龍江省龍煤集團公司七臺河礦業(yè)公司3)徐州礦務集團公司三河尖煤礦4)義馬煤業(yè)集團公司躍進煤礦5)義馬煤業(yè)集團公司千秋煤礦6)撫順礦業(yè)集團公司老虎臺煤礦7)兗州煤業(yè)股份公司東灘煤礦8)兗州煤業(yè)股份公司濟三煤礦9)甘肅省華亭煤業(yè)集團公司華亭煤礦10)甘肅省華亭煤業(yè)集團公司硯北煤礦11)開灤集團公司趙各莊礦業(yè)公司12)開灤集團公司唐山分公司13)淄博礦業(yè)集團公司唐口煤礦14)北京昊華能源股份有限公司木城澗煤礦15)平頂山天安煤業(yè)股份公司十礦16)阜新礦業(yè)集團公司五龍煤礦2.1我國沖擊地壓研究情況研究單位：煤炭科學研究總院北京開采所（天地開采事業(yè)部）、遼寧工程技術(shù)大學、中國礦業(yè)大學等。山東科技大學、北京科技大學、東北大學、中國地震局地殼所、長沙礦山研究院等研究成果：機理、沖擊傾向試驗研究、鉆屑法研究、地音微震監(jiān)測系統(tǒng)研制、保護層開采、防治措施、堅硬頂板處理、深孔爆破技術(shù)、采動應力監(jiān)測技術(shù)2、我國沖擊地壓研究進展煤科總院北京開采所相關(guān)科研成果及在

沖擊地壓方面所做的工作1981：開始“門頭溝煤礦二槽煤沖擊礦壓防治研究”1986~1990：國家“七五”攻關(guān)項目“沖擊地壓預測與防治”，成果獲國家科技攻關(guān)獎1991:進行地音和微震監(jiān)測系統(tǒng)的國產(chǎn)化研究并成功開發(fā)出MA0104E地音監(jiān)測系統(tǒng)與BD4-I型便攜式礦用地音儀1994：深部開采沖擊地壓新機理的研究、煤巖聲發(fā)射震源定位方法研究（煤炭基金項目）1997：華豐礦沖擊地壓綜合防治技術(shù)項目上，能源部重點項目，獲山東省科技進步二等獎。2000:主持制訂《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》、《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》煤炭行業(yè)標準，是目前國內(nèi)進行煤巖沖擊傾向性鑒定的權(quán)威部門。2004：新汶礦區(qū)沖擊地壓成因與綜合治理技術(shù)研究，引進國際上先進的微震監(jiān)測系統(tǒng)ARAMIS/M并用于華豐煤礦沖擊地壓監(jiān)測2005：“973”項目：高強度開采沖擊地壓發(fā)生機理研究，國家自然基金項目：高強度開采沖擊地壓與瓦斯災害相關(guān)性研究2006：廣泛開展與北京、新汶、華亭、淄博、兗州、大同、撫順等礦區(qū)的合作，科研經(jīng)費達500萬元/年以上。煤科總院北京開采所相關(guān)科研成果及在沖擊地壓方面所做的工作試驗儀器與設備（北京開采所）德國WPM25kN型材料試驗機德國WPM1000kN型萬能試驗機采集速度為0.1ms的高速計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(HCD)MDG動態(tài)電阻應變儀KC型靜態(tài)電阻應變儀配套的載荷和位移傳感器北京開采研究所巖石力學實驗室目前已完成50余個礦井煤巖層的沖擊傾向性鑒定（北京、開灤、新汶、徐州、兗州、淄博、義馬、華亭、鶴崗、雙鴨山、臨沂、七五等局礦）煤科總院北京開采所相關(guān)科研成果及在

沖擊地壓方面所做的工作部分實驗室設備2.2沖擊地壓機理研究的進展“三因素”機理強度弱化減沖機現(xiàn)2.3沖擊地壓預測研究的進展沖擊危險性評價綜合指數(shù)法地質(zhì)動力區(qū)劃數(shù)量化理論計算機模擬沖擊危險性預測鉆屑法微震法地音法電磁輻射法采動應力監(jiān)測綜合指數(shù)法影響沖擊地壓的主要因素有地質(zhì)方面的因素,也有開采技術(shù)方面的因素根據(jù)這些沖擊地壓影響因素的分析，確定采掘工作面周圍采礦地質(zhì)條件的每個因素對沖擊地壓的影響程度，以及確定各個因素對沖擊地壓危險狀態(tài)影響的指數(shù)，將其綜合起來，就可以形成沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定的綜合指數(shù)法，從而為沖擊地壓的治理打下基礎(chǔ)。2.3沖擊地壓預測研究的進展Wri為地質(zhì)因素、開采因素確定的沖擊地壓危險指數(shù)；Wimax為表中第i個地質(zhì)或開采因素的中的最大指數(shù)值;wi為分析地點周圍第i個地質(zhì)或開采因素的實際指數(shù)；n1、n2分別為地質(zhì)因素、開采因素的數(shù)目

2.3沖擊地壓預測研究的進展Wr=max{Wr1,Wr2}Wr為某采掘工作面的沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)。這樣就可以圈定評價區(qū)域沖擊地壓危險程度及危險等級。缺點：量化標準人為制定，量化易受打分者感情的控制，量化常憑經(jīng)驗進行。因此，量化的結(jié)果很難做到客觀、精確、可靠。

2.3沖擊地壓預測研究的進展地質(zhì)動力區(qū)劃法地質(zhì)動力區(qū)劃是地質(zhì)動力學的一個新分支，它基于板塊構(gòu)造學說，根據(jù)地形地貌的基本形態(tài)和主要特征決定于地質(zhì)構(gòu)造形式的原理，通過對地形地貌的分析，查明區(qū)域斷裂的形成與發(fā)展，綜合應用地應力測量、數(shù)值分析和模糊推理等技術(shù)手段，查明影響沖擊地壓發(fā)生的各種因素。地質(zhì)動力區(qū)劃方法把礦區(qū)活動構(gòu)造體系、采礦工藝過程和沖擊地壓的發(fā)生看作是一個動態(tài)體系，建立地質(zhì)動力區(qū)劃決策支持系統(tǒng)。2.3沖擊地壓預測研究的進展結(jié)果輸出可視化系統(tǒng)地質(zhì)動力區(qū)劃地應力測量活動構(gòu)造劃分活動性評價巖體應力分析地質(zhì)鉆孔實驗研究確定構(gòu)造形式建立地質(zhì)模型應力量值和方向最大主應力應力梯度頂板巖性煤質(zhì)巖性樣本煤質(zhì)樣本形成多因素數(shù)據(jù)庫概率預測方法多因素模式識別地質(zhì)動力區(qū)劃工作流程圖地質(zhì)動力區(qū)劃斷塊劃分比例范圍序號查明斷塊構(gòu)造所用的地形圖比例尺斷塊構(gòu)造部分斷塊級別地形圖比例尺1巨大斷塊Ⅰ1：4000萬2巨大斷塊Ⅱ1：2500萬3巨大斷塊Ⅲ1：1200萬4巨大斷塊Ⅳ1：600萬5斷塊Ⅰ1：250萬6斷塊Ⅱ1：100萬7斷塊Ⅲ1：20萬～1：10萬8斷塊Ⅳ1：5萬～1：2.5萬9斷塊Ⅴ1：1萬10斷塊Ⅵ1：5000～1：2000某礦Ⅴ級斷塊圖

某礦4煤層頂板最大主應力圖

某礦2煤層頂板構(gòu)造應力區(qū)劃分

數(shù)量化理論方法數(shù)量化理論是多元分析的一個重要分支，是專門處理定性數(shù)據(jù)的有力工具，它以0和1標記反應值，運用多元分析的原理和方法揭示事物的內(nèi)在規(guī)律。數(shù)量化理論根據(jù)變量在研究問題中所處的地位的不同，可以把變量分成說明變量（自變量）和基準變量（因變量）兩種。變量又可分為定量變量和定性變量。對于定性變量及其數(shù)據(jù)，設法按某一合理的原則，實現(xiàn)向定量方面的轉(zhuǎn)化，并以得到的定量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行評價或分類等研究，就是數(shù)量化理論的內(nèi)容和目的。評價項目和類目的設置變量稱為項目，項目的不同取值稱為類目沖擊危險性中，19個評價項目，共47個類目2.3沖擊地壓預測研究的進展沖擊危險性評價項目類目設置表X4煤層脆性項目類目項目類目X1煤的沖擊傾向性C11弱沖擊傾向性C12中等沖擊傾向性C13強烈沖擊傾向性X11斷層情況C11.1斷層落差較大C11.2斷層落差不大或沒有X2煤層賦存狀況C21較穩(wěn)定C22不穩(wěn)定X12褶曲情況C12.1褶曲起伏較大C12.2褶曲起伏不大或沒有X3煤層傾角C31近水平煤層C32緩傾斜煤層C33傾斜煤層C34急傾斜煤層X13水平構(gòu)造應力C13.1水平構(gòu)造應力較高C13.2水平構(gòu)造應力中等C13.3水平構(gòu)造應力較低C41≥20C42＜20X14開采方法C14.1綜放開采或大采高開采C14.2分層開采C14.3其他X5煤層厚度C51薄煤層C52厚及中厚煤層C53特厚煤層X15支承壓力影響范圍C15.1≥30mC15.2＜30mX6煤層埋深C61＜500mC62500m~700mC63＞700mX16煤柱影響C16.1影響較大C16.2無或影響較小X7老頂脆性C71≥20C72＜20X17開采布置、推采方向、開采程序等造成的應力集中C17.1應力集中程度較高C17.2應力集中程度中等C17.3應力集中程度較低X8老頂厚度C81≥20mC82＜20mX18發(fā)生位置C18.1工作面C18.2巷道C18.3工作面和巷道X9頂板沖擊傾向性C91弱沖擊傾向性C92中等沖擊傾向性C93強烈沖擊傾向性X19打眼、放炮、割煤、等誘發(fā)作用C19.1受誘發(fā)作用影響程度較高C19.2受誘發(fā)作用影響程度較低X10底板巖石性質(zhì)C10.1底板堅硬C10.2底板松軟通過建模及計算，將樣本值與評價值比較：甲煤礦沖擊危險性等級確定表分級各危險等級中心坐標距中心坐標距離（采取防治措施前）距中心坐標距離（采取防治措施后）1級V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.300.242級V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24)0.350.223級V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.200.224級V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.230.095級V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32)0.100.176級V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.190.27從表可以看出，防治措施未采取時，評價區(qū)域的得分坐標與5級沖擊危險性的中心坐標距離最近，因此屬于強沖擊危險。而采取防治措施后，評價區(qū)域的得分坐標與4級沖擊危險性的中心坐標距離最近，因此屬于中等沖擊危險。評價結(jié)果表明解危效果不好，應進一步采取防治措施．

乙煤礦沖擊危險等級確定表分級各危險等級中心坐標距中心坐標距離（采取防治措施前）距中心坐標距離（采取防治措施后）1級V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.550.472級V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24)0.340.243級V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.470.324級V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.320.305級V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32)0.400.306級V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.480.41從表可以看出，防治措施未采取時，評價區(qū)域的得分坐標與4級沖擊危險性的中心坐標距離最近，因此屬于強沖擊危險。防治措施實施后，評價區(qū)域的得分坐標與2級沖擊危險性的中心坐標距離最近，因此屬于弱沖擊危險。評價結(jié)果表明防治效果較好，措施得當．微震監(jiān)測法微震是在礦山條件下，煤巖體在受力變形過程中以較低頻率（f﹤100Hz）震動波形式釋放變形能所產(chǎn)生的震動效應。微震法就是記錄采礦震動的能量，確定和分析震動的方向，對震中定位來評價和預測礦山動力現(xiàn)象。微震監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對全礦范圍進行監(jiān)測。其原理是利用井下拾震儀站接收的直達P波起始點的時間差，在特定的波速場條件下進行二維或三維定位，以判斷破壞地點，同時利用震相持續(xù)時間計算所釋放能量和震級，并標注采掘工程圖和速報顯示給生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，以及時采取措施。微震監(jiān)測已成為礦山地震預報的重要手段，目前南非、波蘭、捷克和加拿大等國已形成了國家型礦山地震監(jiān)測網(wǎng)，并在沖擊地壓預測預報中得到了廣泛應用。2.3沖擊地壓預測研究的進展微震監(jiān)測法波蘭的AREMIS/M系統(tǒng)具有較強監(jiān)測和定位的功能，對微小震動事件的監(jiān)測和定位精度高等優(yōu)點是常規(guī)地震儀所無法達到的。由于波蘭在煤礦微震監(jiān)測技術(shù)、設備研發(fā)及數(shù)據(jù)處理上具有20余年的實踐經(jīng)驗，軟硬件系統(tǒng)具有較好的實用性，是目前世界上最為先進煤礦用大范圍微震監(jiān)測系統(tǒng)。AREMIS微地震監(jiān)測系統(tǒng)主要是全礦井大范圍沖擊地壓災害監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對微地震信號的定位與處理，并在此基礎(chǔ)上預測沖擊地壓災害的發(fā)生。其優(yōu)點在于：是用于沖擊地壓監(jiān)測的專用設備定位精度高，誤差較小專業(yè)處理軟件可實現(xiàn)對微震動與微地音的各種參量的準確分析與處理2.3沖擊地壓預測研究的進展微震監(jiān)測法ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)有三部分組成：由ARAMISWIN軟件（震動定位和震動能量計算）和HESTIA軟件（沖擊地壓危險性評價）組成的數(shù)據(jù)后處理部分。地面微震監(jiān)測系統(tǒng)：該部分包括：地面SP/DTSS信息收集站，信息傳輸系統(tǒng)（DTSS），OCGA數(shù)字信號接受裝置、配備GPS時鐘的ST/DTSS傳輸系統(tǒng)控制模塊、主通道切換模塊以及SR15-150-4/11I型配電裝置，數(shù)據(jù)傳輸采用無線信息傳輸，地面共布置4個微震監(jiān)測分站。井下微震監(jiān)測系統(tǒng)包括SN/DTSS信息發(fā)射站，SPI-70地震檢波器以及NSGA震動信號發(fā)射裝置，數(shù)據(jù)傳輸采用有線信息傳輸?？梢詫ΦV井沖擊地壓危險程度進行評估。2.3沖擊地壓預測研究的進展ARAMISM微震監(jiān)測系統(tǒng)示意圖□：井下監(jiān)測站○：地面監(jiān)測站華豐煤礦微震監(jiān)測拾震器布置圖震動事件波形圖使用ARAMIS/M微震監(jiān)測系統(tǒng)在華豐煤礦的監(jiān)測結(jié)果采動應力監(jiān)測系統(tǒng)（KMJ-30采動應力監(jiān)測系統(tǒng)）主要監(jiān)測在工作面推進過程中，煤巖層受采動影響的應力變化規(guī)律。通過合理布設測點（壓力傳感器、振動傳感器），實時監(jiān)測采動面縱向、橫向等的應力變化規(guī)律，并進一步對沖擊地壓的危險性進行預測和評價。地面中心站的PC機通過撥號的方式對采動監(jiān)測分站的數(shù)據(jù)進行接收并實時存儲、顯示、打印。如果需要可以對礦區(qū)地面計算機以C/S或B/S方式進行組網(wǎng)，通過網(wǎng)絡察看應力變化曲線和分析的結(jié)果。2.3沖擊地壓預測研究的進展KMJ-30采動應力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖礦用本安型KMJ-30采動