躍進(jìn)煤礦2.4 Mta新井設(shè)計含5張CAD圖.zip
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沖擊礦壓規(guī)律及預(yù)防預(yù)測
孫廣慧，中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇，徐州，221116
摘要：沖擊礦壓作為煤巖動力災(zāi)害之一，越來越受到煤礦行業(yè)的關(guān)注，尤其是隨著各個礦井開采深度的增加，沖擊礦壓現(xiàn)象更是屢見不鮮。對于沖擊礦壓的監(jiān)測我們有很多方法，如鉆卸法、微震監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、電磁輻射技術(shù)等等。由于沖擊礦壓具有突然性、瞬時性、破壞性的特征，對于沖擊礦壓的發(fā)生機(jī)理仍沒有一個統(tǒng)一的認(rèn)識，本文從沖擊礦壓的特征，發(fā)生條件以及影響沖擊礦壓的因素出發(fā)，研究了沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理以及各種監(jiān)測技術(shù)，并提出了自己的理解。
關(guān)鍵字：沖擊礦壓，動力災(zāi)害，深度，威震檢測技術(shù)，特征，因素，機(jī)理
1 問題的提出
沖擊礦壓作為煤巖動力災(zāi)害，有記載的第一次發(fā)生于1738年英國南史塔福煤田。200多年來。其危害幾乎追布世界各采礦國家。英國、德國、南非、波半、的蘇聯(lián)、捷克、加拿大、日本、法國以及中國等20多個國家和地區(qū)都記錄有沖擊礦壓現(xiàn)象。我國煤礦沖擊礦壓災(zāi)害極為嚴(yán)重。我國最早自1933年撫順勝利礦發(fā)生沖擊礦壓以來，先后在北京、遼源、通化、阜新、北票、棗莊、大同、開灤、天府、南桐、徐州、大屯、新狡等礦務(wù)局部相繼發(fā)生過沖擊礦壓現(xiàn)象。目前，我國有近50對礦井累計發(fā)生過4000多次沖擊礦壓，造成數(shù)以百計的人負(fù)傷，巷道破壞達(dá)30多公里。由于沖擊礦壓有如此巨大的破壞力，造成這么大的經(jīng)濟(jì)損失，因此如何預(yù)測和防治沖擊礦壓以及認(rèn)清沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理對減輕沖擊礦壓的破壞具有非常重要的作用。
1.1 國內(nèi)外沖擊礦壓現(xiàn)狀
1.1.1國外現(xiàn)狀
沖擊礦壓是世界采礦業(yè)面臨的共同問題。1738年英國在世界上首先報道了沖擊礦壓現(xiàn)象。之后，前蘇聯(lián)、南非、德國、波蘭、美國、加拿大、日本、法國、印度、捷克、匈牙利、保加利亞、典地利、新西蘭和安哥拉等都記錄了沖擊礦壓。目前，有包括我國在內(nèi)的20多個國家和地區(qū)都有沖擊礦壓．這一事實表明，世界上幾乎所有采礦國家都不同程度地受到?jīng)_擊礦壓的威脅。
煤礦沖擊礦壓災(zāi)害最嚴(yán)重而且防治工作最有成效的國家是前蘇聯(lián)、波蘭和德國。
(1)前蘇聯(lián)
前蘇聯(lián)的沖擊礦認(rèn)最早于1947年發(fā)生在吉謝羅夫礦區(qū)。此后共有9個礦區(qū)出現(xiàn)了沖擊礦壓問題：
發(fā)生沖擊礦壓的一般條件是：初始深度為400—1860 m．煤0.5—20m．在各種傾角、各個煤種(包括褐煤)中都記錄到?jīng)_擊礦壓現(xiàn)象、多數(shù)情況下頂板為堅硬砂巖，也有一些煤田是破碎頂板。開采技術(shù)條件涉及到刀柱式或長壁式等開采方法；充填或垮路等頂板管理方法；整層或分層開采情況。
自1951年起，全蘇地質(zhì)力學(xué)及礦山測量研究院以及其他研究單位和高等院校等幾十個單位配合國家技術(shù)監(jiān)察部門與生產(chǎn)單位一起著手解決煤礦的沖擊礦壓問題。經(jīng)過25年的努力，基本上形成了一整套防治沖擊礦壓的組織管理系統(tǒng)，并制定了有關(guān)技術(shù)規(guī)程，發(fā)展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和預(yù)報方法，取得了良好效果，沖擊次數(shù)大為減少。1955一l 977年沖擊危險礦井?dāng)?shù)出8個增至36個、而年沖擊次數(shù)則由83次降至7次。1980年以后又降至5—6次。
在前蘇聯(lián)金屬礦，沖擊礦壓的頻度比煤礦要小得多，其主要形式為巖石彈射、震動和微沖擊．主要發(fā)生在北烏拉爾鋁上辦等20余個礦山。開始出現(xiàn)的深度為川300一700 m，主要巖石種類為輝綠巖、正長巖、花崗巖、凝灰?guī)r以及鐵礦石、鋁土礦石、銅礦石、鉀鹽礦石等，平均單向抗壓強度100—“250MPa，最低25—30 MPa。前蘇聯(lián)金屬礦防治沖擊礦壓的基本措施原則上同煤礦的沒有差別。
(2)波蘭
波蘭有三個井工開采煤田：上西里西亞、下西里西亞和魯布林。產(chǎn)量的98％來自上西里西亞煤田。該煤田中煤的強度為10—35MPa．煤厚0.5—20 m(一般1.5—“3．5m)，傾角0一45(一般5—15)．平均采深600 m．頂板大都為堅硬砂巖。長壁工作面產(chǎn)量占99％，其中70％為垮落法開采。其余為水砂充填。工作面平均長150 m，日產(chǎn)1300一1400t商品煤。機(jī)械化程度96．2％，其中綜采站83.7％。
沖擊礦壓是波蘭煤礦重大災(zāi)害之一，最早記載于1958午。目前開采的400號、500號、600號、700號和800號煤層組中45％以上的煤層有沖擊礦壓傾向，其中500號煤層組最為嚴(yán)重。開始發(fā)生沖擊礦壓災(zāi)害的平均采深約為400m，隨著采深的增加，沖擊礦壓危險越來越嚴(yán)重。沖擊礦壓強度一般為10^5-10^9J，最大是10^11J。1949-1982年，共發(fā)生破壞性沖擊礦壓3097次，造成死亡401人，井巷破壞13萬m。
波蘭很重視沖擊礦壓問題．早在20世紀(jì)60年代初期就著手大力開展科學(xué)研究和防治工作。煤層的沖擊傾向?qū)嶒炇覝y定和井下測定是波蘭學(xué)者首先倡導(dǎo)并大力發(fā)展的。此外，在將巖體聲學(xué)以及地震法用于礦山?jīng)_擊危險探測和監(jiān)測方面，居世界領(lǐng)先地位。由于采取綜合防治措施，保證了安全，促進(jìn)了生產(chǎn)。
(3)德國
魯爾礦區(qū)是德國的主要產(chǎn)煤區(qū)，也是發(fā)生沖擊礦壓的主要礦區(qū)。1910-1978年間共記載了危害性沖擊礦壓283次，有沖擊傾向或危險的煤層20余個，其中底克班克、陽光和依達(dá)煤層具有最強的沖擊傾向，其抗壓強度l0一20 MPa，煤種為長焰煤、氣煤和肥煤等。沖擊礦壓發(fā)生深度590—1100 m，其中850一1000 m沖擊礦壓數(shù)占75%左右，最大拋出量2000m3。發(fā)生沖擊礦壓的煤厚為1-6m，其中主要為1．5—2m，傾角4-44。
在德國，產(chǎn)生沖擊礦壓的煤層頂板絕大部分是5—40 m較厚的砂巖或其他堅硬巖層，因而，認(rèn)為砂巖頂板是沖擊礦壓危險煤層的主要標(biāo)志。
德國是防治沖擊礦壓較有成效的國家，其主要的工作點在于實用。由德國所發(fā)展的鉆孔卸載法、鉆屑法以及其他方法在國際上享有較高聲譽。
1.1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀
我國最早記錄的沖擊礦壓現(xiàn)象于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦，當(dāng)時的開采深度為200 m左右。從1949牛以來．已發(fā)生破壞性沖擊礦壓4000多次，震級Ml＝0.5-3.8級，造成大量巷迫破壞和慘重的人員傷亡，近年來．我國一些金屬礦山、水電與鐵路隧道工程也出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。
我國煤礦發(fā)生沖擊礦壓有如下特征：
(1)突然性。沖擊礦壓發(fā)生前沒有明顯的征兆．突然、猛烈。
(2)多樣性。煤層沖擊、頂板沖擊、底板沖擊等兩三種沖擊的組合。
(3)破壞性。片幫和煤炭拋出，頂板突然下沉、底鼓、破壞巷道支護(hù)，造成人員傷亡等。
(4)在各種采礦和地質(zhì)條件下均發(fā)生過沖擊礦壓。
除了褐煤煤層外．我國煤礦的其他各種煤層均發(fā)生過沖擊礦壓．而且采深從200—1000 m，煤層厚度從薄到厚。煤層傾角從緩到急，各種頂板條件如砂巖、頁巖、石灰?guī)r等均發(fā)生過沖擊礦壓。我國煤礦發(fā)生沖擊礦壓的典型條件為：初始深度200一600 m，煤的單向抗樂強度10-30 MPa，頂板一般為厚10-40m的堅硬砂巖、強度100-600 MPa。
然而，具體分析起來，我國沖擊礦壓發(fā)生的條件極為復(fù)雜。從自然地質(zhì)條件來看，除褐煤以外的各煤種都記錄到了沖擊現(xiàn)象，采深從200一800 m，地質(zhì)構(gòu)造從極簡單至極復(fù)雜．煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油碌頁巖等部發(fā)生過；從生產(chǎn)技術(shù)條件來看，水采、水砂充填、綜采、炮采、機(jī)采、手采等各種工藝，長壁、短壁、巷柱、傾斜分層、水平分層、倒臺階、房柱式等各種方法都出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象。
1949年以前我國發(fā)生沖擊礦壓的礦井只有1—2個，50年代增加為7個，60年代為12個，70年代為22個，目前達(dá)50個。而隨著開采深度的增加、開采范圍的擴(kuò)大，近年來雖然采取了不少措施，但全國礦井?dāng)?shù)和總的沖擊次數(shù)并未減少。可見，我國沖擊礦壓的防治工作任務(wù)其為艱巨，具有現(xiàn)實的迫切性和長遠(yuǎn)的重大意義。
綜上所述，世界采礦業(yè)發(fā)少沖擊礦壓的歷史已近250年之久*近30年來，沖擊礦壓所造成的破壞后果日益嚴(yán)重，引起了各國的注意。目前世界采礦大會國際巖石力學(xué)局成立了沖擊礦壓研究小組。沖擊礦壓的研究已成為礦山壓力學(xué)科中與現(xiàn)代科學(xué)聯(lián)系最密切的一個獨立的學(xué)科分支。躍進(jìn)煤礦25110工作面是沖擊礦壓很明顯的一個工作面，現(xiàn)就其統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
1.1.3躍進(jìn)煤礦25110工作面概況
25110工作面地表為喬店村東部的低山丘陵地帶，煤系地層中下侏羅統(tǒng)義馬組。該面為25區(qū)東翼第一個綜放工作面，采高達(dá)到11m左右，開采2-1煤層。地面標(biāo)高+551～+596m，工作面煤層標(biāo)高-390.0～-451.6m，可采走向上巷856m，下巷870m，平均863m。傾斜長191m，面積164833m2。井下四鄰關(guān)系：東為23采區(qū)下山保護(hù)煤柱，南為25區(qū)下部未采煤層，東南
面積164833m2。井下四鄰關(guān)系：東為23采區(qū)下山保護(hù)煤柱，南為25區(qū)下部未采煤層，東南部接近F16斷層，西為25區(qū)下山煤柱，北為25090工作面（一分層已采），工作面平面圖如圖1-1所示。
工作面煤層走向112°～127°，傾向202°～217°，傾角12.3°～14.4°；平均13°。煤層厚度7.4～13.8m，平均厚度11.6m，純煤厚9.5m，屬緩斜特厚煤層。煤層含夾矸2～5層（其中煤層中下部位的夾矸多呈煤矸互迭層），單層厚0～0.9m，夾矸巖性一般為炭質(zhì)或砂質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？刹芍笖?shù)為1，煤厚變異系數(shù)23%。煤層賦存穩(wěn)定，整體上沿走向上巷變化不明顯，下巷東部厚西部薄，沿傾向上往東發(fā)育有增厚現(xiàn)象。煤層層理呈緩斜層理～斜層理，局部出現(xiàn)層間多變構(gòu)造且層理紊亂。受構(gòu)造影響，工作面中部200m范圍內(nèi)煤層沿走向有小起伏，產(chǎn)狀變化較大。煤層整體呈從西向東緩上爬趨勢。
偽頂為砂質(zhì)泥巖，厚0.2m左右，局部夾石英砂巖，堅硬；直接頂為泥巖，厚18m左右，灰色塊狀易破碎，局部裂隙和節(jié)理發(fā)育；老頂以砂、礫巖為主，塊狀、灰白色，具含水性；直接底為泥巖，深灰色，鉆孔資料見圖1-2。
該面自西向東依次揭露有F2504、F2509、F2510等斷層。F2504為正斷層，走向34°～47°，傾向304°～317°，傾角50°～57°，落差0～1.7m；F2509為正斷層，走向83°，傾向263°，傾角62°，落差0.6m。F2504、F2509兩斷層在25090工作面完全揭露，斜交貫穿工作面；在25110上巷沿底掘進(jìn)中先后出現(xiàn)，斷距和牽引現(xiàn)象明顯；在25110下巷生產(chǎn)中未揭露，只是在預(yù)推測位置出現(xiàn)構(gòu)造翼部牽拉破碎帶。由此斷定，兩斷層在25110工作面內(nèi)逐漸尖滅，自揭露發(fā)育延展長度分別為900m和200m（F2509為派生斷層），對生產(chǎn)造成一定的影響。F2510為正斷層，走向204°，傾向294°，傾角45°，落差0.6m。該斷層為F2504羽狀派生斷層，斷距和牽引現(xiàn)象明顯，對工作面回采稍有影響。工作面中部構(gòu)造帶150m范圍內(nèi)，受之影響，壓力大，節(jié)理發(fā)育，頂板圍巖易破碎，對生產(chǎn)造成影響。本面整體構(gòu)造，兩端簡單，中間復(fù)雜，西部煤層頂板走勢平緩，東部煤層有起伏并整體上爬。工作面南部接近F16逆斷層，此區(qū)域可能存在較高構(gòu)造應(yīng)力，25110工作面開采可能受此斷層影響較大。
該面北側(cè)25090、25070和25072工作面回采時曾出現(xiàn)頂板大量滴、淋水現(xiàn)象,三個工作面的最大涌水量分別為110m3/h、70m3/h和140m3/h，總涌水量分別為18.1、4.7和9.6萬方?；夭善陂g應(yīng)布置了大量的防排水設(shè)備，使三個工作面能夠順利回采。
該面地面瞬變電磁勘探時，圈定富水異常區(qū)A4、A5、A6、A7四處。25110工作面下巷在送巷中進(jìn)行了物探，亦發(fā)現(xiàn)富水異常區(qū)多處，在下巷采用頂板水疏放鉆孔，探到頂板有水，但由于頂板裂隙發(fā)育不均勻，疏放水效果欠佳，不能有效地疏放出頂板水。在工作面回采中，各富水異常區(qū)及其附近受采動影響，裂隙將貫穿導(dǎo)通，屆時工作面頂板均可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。由于該面為綜放工作面，采后波及范圍將更大。用類比法，預(yù)計最大涌水量將會超過300m3/h，甚至短期內(nèi)達(dá)到500m3/h以上。
根據(jù)井上、下物探及井下鉆孔結(jié)果，本面在回采時會有頂板涌水現(xiàn)象。當(dāng)工作面回采后，老空頂板周期來壓，巖層裂隙發(fā)育，可能波及更高層位的富水區(qū)，有可能出現(xiàn)頂板大量涌水現(xiàn)象，對工作面生產(chǎn)造成影響。為防止工作面回采中水害發(fā)生，防治水采取的主要手段仍以被動排水為主，為防止出現(xiàn)意外發(fā)生，里段按最大涌水量800m3/h，外段按最大涌水量500m3/h考慮防排水方案和措施。
圖1-1 25110工作面平面圖
圖1-2 25110面鉆孔資料綜合柱狀圖
1.1.4 沖擊礦壓顯現(xiàn)
25110工作面自掘進(jìn)以來，沖擊礦壓顯現(xiàn)較明顯，2009年至2011年沖擊礦壓記錄如表1-1所示。
表 1-1 25110工作面沖擊地壓記錄表
序號
地點
時間
位置
破壞情況
1
25110下巷
09.7.21 2：50
從探巷開口至掘進(jìn)頭60m
沖擊地壓造成巷道內(nèi)第42棚處一輛礦車和一輛花車側(cè)翻至下幫，底鼓不明顯，巷道上幫“O”型棚中間卡具均發(fā)生滑移，最大滑移長度達(dá)1.5米，下幫最大滑移長度1米，最大底鼓0.6米，未有人員傷亡
2
25110下巷
09.8.31 16：36
距離探巷口40~160m之間120m長巷道
從距離探巷口40米處到掘進(jìn)頭的巷道受到了不同程度的影響，受影響巷道全長約120m。此次沖擊位置以底板和上幫為主，“O” 型棚上幫棚梁從60米至90米之間的巷道變形最為嚴(yán)重，溜子頭及斜石門皮帶尾以及部分底梁發(fā)生了明顯的變形，巷道凈寬發(fā)生了0.1米~1.2米不等的縮小變形，底鼓0.1~0.5米不等，位于第220棚（116米）處靠上幫存放的一堆“O” 型棚鋼梁被崩翻至巷中間。
3
25110下巷
（大煤炮）
09.12.25 8：53
下巷495m處
750~756棚受到了不同程度的變形， “O” 型棚的上幫棚梁發(fā)生滑動0.1~0.5米不等，部分棚梁搭接緊固卡具滑落失效，巷道凈寬發(fā)生了0.1米~0.4米不等的縮小變形，其中以755棚變形相對明顯，該棚凈寬為5.78米、凈高為3.95米，上幫棚梁搭接為0.8米，上幫頂上搭接約1米，有三個卡具失效。
4
25110下巷
10.1.8 11：13
下巷580m~591m之間
橢圓棚無明顯變形，造成580m-591m處平均底鼓500mm。
5
25110下巷
10.1.19 12：12
距離石門560米~572米處
該次沖擊位置以上幫為主，上幫有三處不同程度片幫，560米——565米處片約2米×1.5米窟窿，該窟窿距頂板1米；566米——568米處片約1米×1米窟窿，該窟窿距頂板和頂板相接；569米——572米處片約2米×1.5米窟窿，該窟窿距頂板1米；三處片幫段下方都有1米——1.5米不同程度拘幫，部分錨桿和錨索失效，該次沖擊距正頭20.5米。
能量為1.12E+04焦耳。
6
25110下巷
10.2.10 9:37
距石門623米~661米處
沖擊地壓發(fā)生時有較強的沖擊波，造成距石門623米處電纜車上工具箱崩落，1066棚——1076棚發(fā)生拘幫300mm，部分巷道底鼓。
距石門646米——661米段15米范圍（下臺階未架棚段）上幫底鼓300 mm——700mm，綜掘機(jī)和隨機(jī)皮帶架崩至下幫，位移700 mm，該次沖擊上臺階段未發(fā)生變化。本次沖擊發(fā)生地點距迎頭25m左右。
能量為：1.21E+05焦耳
7
25110下巷
2010-8-11 18:11
500m至工作面切眼
25110工作面下巷480-842.8m段合計362.8m（工作面外）受到?jīng)_擊，巷道嚴(yán)重?fù)p壞，430-480m段皮帶架向下幫側(cè)翻，底板臌起，上拐頭外120m上巷受輕微損壞，造成兩名作業(yè)人員輕傷。震級為2.7級，能量為9×107J
8
25110下巷
10.7.23 19:17
25110下巷820米~830米
沖擊地壓發(fā)生時有較強的沖擊波，造成1080皮帶尾處10架皮帶架子被崩翻。在825米—832米處棚略微變形，最大變形量為90mm。
9
25110下巷
2011年2月7日下午19點44分
25110工作面下巷發(fā)生一次小型沖擊地壓，能量為：2.23E+06，震級為：-0.056級，片出三礦車煤，地點為轉(zhuǎn)載機(jī)頭以里7米處。位于下巷上邦，兩部邁步支架之間。片煤地點高0.5米，寬3米。無錨網(wǎng)索支護(hù)，為裸露部分，煤壁破碎。
10
25110下巷
2011年3月1日上午10時09分59秒
從工作面現(xiàn)場看破壞嚴(yán)重區(qū)域位于下巷330米至352米之間，距工作面326米。
震級為2.071級（礦震監(jiān)測為3.2級），能量為1.45×108J。造成三名作業(yè)人員輕傷。此次事件影響范圍較廣，23130工作面及地面均有震感。當(dāng)日上巷剩余637.3m；下巷剩余678.1m，震源距工作面268米，從工作面現(xiàn)場看破壞嚴(yán)重區(qū)域位于下巷330米至352米之間，距工作面326米。位于F2504斷層附近，從沖擊情況看屬于構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓。
2 沖擊礦壓現(xiàn)象、特征及其分類
2.1現(xiàn)象及特征
沖擊礦壓是壓力超過煤巖體的強度極限．聚積在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故．動力將煤巖拋向巷道，同時發(fā)出強烈聲響。造成煤巖體振動和煤巖體破壞、支架與設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等。沖擊礦壓還會引發(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)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)等。
沖擊礦壓具有如下明顯的顯現(xiàn)特征：
①突發(fā)性。沖擊礦壓一般沒有明顯的宏觀前兆而突然發(fā)生、難于爭先準(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烈的震動，電機(jī)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(dá)兒公里甚至幾十公里．地面有地震感覺，但一般震動持續(xù)時間不超過幾十秒。
②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。
2.2分類
根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)、顯現(xiàn)強度、發(fā)生的地點和位置的不同，沖擊礦壓有如下幾種分類方法。
2.2.1根據(jù)原巖(煤)體應(yīng)力狀態(tài)不同，沖擊礦壓可分為三類
(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，如棗莊、撫順、開灤等礦區(qū)發(fā)生的沖擊礦壓屬重力型。
(2)構(gòu)造應(yīng)力型沖擊礦壓。若構(gòu)造應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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，如北票和天池礦區(qū)發(fā)生的沖擊礦壓屬于構(gòu)造應(yīng)力型。
(3)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。
2.2.2 根據(jù)沖擊的顯現(xiàn)強度，可分為四類：
(1)彈射。一些單個碎塊從處于高壓應(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。
(2)礦震。它是煤、巖內(nèi)部的沖擊礦壓，即深部的煤或巖體發(fā)生破壞。但煤、巖并不向已宋空間拋山、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。煤或巖石向巳采空間拋出，但破壞性不很大，對支架、機(jī)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。
(4)強沖擊。部分煤或巖石急劇破碎，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。
2.2.3根據(jù)震級溫度和考慮拋出的煤量，可將沖擊礦壓，分為三級：
(1)輕微沖擊(1級)。拋出煤量在10t以下，震級在1級以下的沖擊礦壓。
(2)中等沖擊(級)拋出煤量在10一50 t，震級在1—2級的沖擊礦壓。
(3)強烈沖擊(級)。拋出煤量在50t以上，震級在2級以上的沖擊礦壓。
一膠面波震級M＝1時，礦區(qū)附近居民可能有震感；M＝2時．對井上下有不同程度的破壞；M＝2．5時，地面建筑物將出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。
2.2.4根據(jù)發(fā)生的地點和位置沖擊礦壓可分為兩大類．
(1)煤體沖擊，發(fā)生在煤體內(nèi)，根據(jù)沖擊深度和強度又分為表面、淺部和深部沖擊。
(2)圍巖沖擊，發(fā)生在頂?shù)装鍘r層內(nèi)，根據(jù)位置有頂板沖擊和底板沖擊。
3 沖擊礦壓機(jī)理
長期以來，沖擊礦壓作為巖石力學(xué)的重大難題之一，一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重要研究課題。沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理十分復(fù)雜，是一個正在深入研究的問題、更是關(guān)注的焦點。各國學(xué)者在對沖擊礦壓現(xiàn)場調(diào)查從實驗室研究的基礎(chǔ)上，從不同角度相繼提出了一系列的重要理論，如強度理論、剛度理論、能量理論、．沖擊傾向理論、三準(zhǔn)則理論和變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論等。20世紀(jì)60年代以后，在對沖擊礦壓的研究中，人們逐漸認(rèn)識到?jīng)_擊礦壓是裂紋擴(kuò)展及變形局部化導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象與具有裂隙的各向異性巖石介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和圍巖在外加載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變場的演化與失穩(wěn)密切相關(guān)。
沖擊礦壓是壓力超過煤巖體的強度極限，聚積在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放．在井巷發(fā)生爆炸性事故，動力將煤巖拋向巷道。同時發(fā)出強烈聲響，造成煤巖體振動和煤巖體破壞、支架與設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等。沖擊礦壓還會引發(fā)或可能引發(fā)其它礦井災(zāi)害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)等。
沖擊礦壓的發(fā)生需要滿足能量條件、剛度條件和沖擊傾向性條件。這些條件可用煤層和頂?shù)装宓膭偠葋碚f明。當(dāng)煤層和頂?shù)装宓膭偠染笥诹?，則煤巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)煤層的剛度小丁零，但煤層和頂?shù)装宓膭偠戎痛笥诨虻仁悖畡t煤巖體處于亞穩(wěn)定或靜態(tài)破壞狀態(tài)；當(dāng)煤層和頂?shù)装宓膭偠戎托∮诹銜r，煤巖體將產(chǎn)生劇烈破壞，發(fā)生沖擊礦壓。
3.1強度理論
早期的強度理論主要涉及煤(巖)體的破壞原因。認(rèn)為井巷和采場周圍產(chǎn)個應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到煤〔巖)強度的極限時．煤(巖)體突然發(fā)生破壞，形成沖擊外壓：并對煤（巖)體形成應(yīng)力集中的原因提出各種假說．如20世紀(jì)30年代末的拱頂理論和懸臂梁理論等等。近代強度理論以“礦體 圍巖”系統(tǒng)為研究對象．其主要特點是考慮“礦體一圍巖”系統(tǒng)的極限平衡；認(rèn)為煤(巖)體的承載能力應(yīng)是“煤體-圍巖”系統(tǒng)的強度．導(dǎo)致煤(巖)體破壞的決定因素不僅僅是應(yīng)力值大小、而是它與巖體強度的比值。
3.2剛度理論
剛度理論是由Cook等人根據(jù)剛性壓力機(jī)理論而得到的。該理論認(rèn)為：礦山結(jié)構(gòu)的剛度大于礦山負(fù)載系統(tǒng)的剛度是發(fā)生沖擊礦壓的必要條件。近年來Pdukhov在他所提出的沖擊礦壓機(jī)理模型中也引入了剛度條件。但他進(jìn)一步將礦山結(jié)構(gòu)的剛度明確為達(dá)到峰值強度后其裁荷-變形曲線下降的剛度。在剛度理論中，如何確定礦山結(jié)構(gòu)剛度是否達(dá)到峰值強度后的剛度是一難題，它不能由試驗測定。數(shù)值方法可能是有效途徑之一，但目前的結(jié)果仍稱在一定的偏羌．需要開展進(jìn)一步的研災(zāi)工作。
3.3能量理論
能量理論從能量轉(zhuǎn)化角度解釋沖力礦壓的戊因，是沖擊礦壓機(jī)理研究的一大進(jìn)步。該理論認(rèn)為礦體圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)遭破壞所釋放的能量大于所消耗的能量時發(fā)生沖擊礦壓。20世紀(jì)70年代Brauner提出沖卡礦壓的能量判據(jù)，該判據(jù)考慮樂能量釋放與時間因素的相關(guān)性。其后，吳耀混等對此加以補充修正．引入空間坐際系統(tǒng)以說明沖擊礦壓發(fā)生的條件應(yīng)同時滿足能量釋放的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)。
沖擊發(fā)生的能量源分析全義重要。Pet Mkh c認(rèn)為沖擊能量由被破壞的煤(巖)積蓄的能量和鄰接于煤柱或煤(巖)層邊緣部分的彈性變形能所組成、即從外部流人的能量賦予沖擊礦壓以動力。
剩余能量理論認(rèn)為剩余能量的存在是圍巖動力失穩(wěn)的力學(xué)原因，該理論20世紀(jì)70年代由美國人提出，其后得到了進(jìn)一步的發(fā)展相應(yīng)用。
能量理論說明礦體一圍巖系統(tǒng)在力學(xué)平衡狀態(tài)時，釋放的能量大于消耗的能量，沖擊礦壓就可能發(fā)生，僅沒有說明平衡狀態(tài)的性質(zhì)及其破壞條件，特別是圍巖釋放能量的條件，因此，沖擊礦壓的能量理論判據(jù)尚缺乏必要條件
3.4沖擊傾向性理論
沖擊傾向性是指煤(巖)介質(zhì)產(chǎn)生沖擊破壞的固有能力或?qū)傩?。?巖)體沖擊傾向性是產(chǎn)生沖擊礦壓的必要條件。沖擊傾向理論是波蘭和前蘇聯(lián)學(xué)者提出的，我國學(xué)者在這方面作了大量的工作，提出用煤樣動態(tài)破壞時間、彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)三項指標(biāo)綜合判別煤的沖擊傾向的試驗方法。此外，在試驗方法、數(shù)據(jù)處理及綜合評判等研究中取得了一定的進(jìn)展。
沖擊傾向理論的另一重要方面是項板沖擊傾向性的研究，而且也越來越引起人們的重視。這方面的研究包括頂板彎曲能指標(biāo)和長壁開采方式下頂板斷裂引起的煤層沖擊等。
顯然，用一組沖擊傾向指標(biāo)來評價煤(巖)體本身的沖擊危險具有實際意義，并已得到了廣泛的應(yīng)用。然而，沖擊礦壓的發(fā)生與采掘和地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，而且實際的煤(巖)物理力學(xué)性質(zhì)隨地質(zhì)開采條件不同而有很大差異，實驗室測定的結(jié)果往往不能完全代表各種環(huán)境下的煤(巖)性質(zhì)，這也給沖擊傾向理論的應(yīng)用帶來了局限性。
3.5穩(wěn)定性理論
穩(wěn)定性理論應(yīng)用于沖擊礦壓問題最早可追溯到20世紀(jì)60年代牛期Ncvillecook的研究。剛性試驗機(jī)的出現(xiàn)使人們可以獲得受壓巖石的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線．得到巖石峰后變形的描述，從而可以研災(zāi)采動巖體的平衡以及這種平衡的穩(wěn)定性。Lippnlnnn將沖擊礦壓處理為彈塑性極限靜力平衡的失穩(wěn)現(xiàn)象．進(jìn)一步又提出煤層沖擊的“初等理論”，同—時而在采場周圍形成應(yīng)力集中．煤(巖)體內(nèi)高應(yīng)力區(qū)局部形成應(yīng)變軟化介質(zhì)與尚未形成應(yīng)變軟化(包括彈性和應(yīng)變硬化)的介質(zhì)處丁非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，在外界擾動下的動力失穩(wěn)，形成沖擊礦壓，提出沖擊礦壓的失穩(wěn)理論，并得到了初步的應(yīng)用。
3.6目前研究現(xiàn)狀
在目前的研究中，以斷裂力學(xué)和穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)的圍巖近表面裂紋的擴(kuò)展規(guī)律、能量耗散和局部圍巖穩(wěn)定性研究備受關(guān)注大量研究表明裂紋的擴(kuò)展方向受最大壓應(yīng)力方向控制，圍壓對裂紋的擴(kuò)展起限制作用。vardolakis研究指出近自由表而的裂紋—旦開始擴(kuò)展，將失去穩(wěn)定，導(dǎo)致表面局部屈曲，臨界屈曲應(yīng)力隨自由表面與裂紋間距離的減小而急劇減小Dyskm對壁面附近裂紋擴(kuò)展方式及裂紋貫穿后的壁而穩(wěn)定進(jìn)行了分析，認(rèn)為壓應(yīng)力集中造成初始裂紋以穩(wěn)定的方式平行于最大壓應(yīng)力方向擴(kuò)展．這種擴(kuò)展與自由表面相互作用加速了裂紋的增長并最終導(dǎo)致失穩(wěn)擴(kuò)展，裂紋面出現(xiàn)分離，分離層屈曲破壞形成沖擊礦壓。并建立了一個二維裂紋擴(kuò)展模型以計算非穩(wěn)定裂紋起裂點的應(yīng)力大小。BAzant等分析了近壁裂紋擴(kuò)展引起的能量耗散及尺度效應(yīng)，使對沖擊礦壓的能量估算成為可能。張曉春等在這方面結(jié)合實際情況對近表向裂紋擴(kuò)展、壁面局部穩(wěn)定性作了初步的研究．探討了煤礦巷道附近圍巖層裂區(qū)的形成和破壞機(jī)理，通過理論分析和試驗?zāi)M，建立了煤礦片幫型沖擊礦壓發(fā)生的層裂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模型，認(rèn)為巷道或采場壁面的局部穩(wěn)定是出高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)形成的層裂板結(jié)構(gòu)區(qū)的穩(wěn)定控制的，沖擊刃’壓是煤逐形成的層裂板結(jié)構(gòu)區(qū)的局部壓屈。齊慶新等在煤與巖石以及煤層之間摩擦滑動實驗研究基礎(chǔ)上，考察了煤礦沖擊礦壓煤巖層間結(jié)構(gòu)粘滑失穩(wěn)機(jī)制。
材料破壞的分叉理論是沖擊礦壓研究的一個重要方而，vardmllakM和Deborst等作了以系列的工作，并在數(shù)值計算上采用粘塑性、塑性應(yīng)變梯度和Cosscrat介質(zhì)理論的本構(gòu)關(guān)系等，以求實現(xiàn)對破壞失穩(wěn)部位的預(yù)測。
近年來，突變理論在沖擊礦壓研究中也取得了一系列的進(jìn)展。這包括：針對煤柱的非穩(wěn)定問題，利用尖角突變模型，得到了判斷煤(巖)柱沖擊礦壓發(fā)生的必要條件和充分條件；分析水平力和垂直力控制的空間煤(省)體系統(tǒng)失穩(wěn)的分叉集以及出于它們變化而導(dǎo)致煤巖體狀態(tài)突變的過程。這些研究在煤巖體的本構(gòu)關(guān)系方面采用線性(彈性)和非線性(應(yīng)變軟化、損傷)模型。
4 沖擊礦壓影響因素
4.1開采深度
我們知道，隨著開采深度的增加，煤層中的自重應(yīng)力隨之增加，煤巖體中聚積的彈性能也隨之增加。
理論上講，煤層在采深為H且無采動影響的三向應(yīng)力狀態(tài)下其應(yīng)力為：
則煤體中的體積變形聚積的彈性能為
形狀變形而聚集的彈性能為：
若煤層中的形變能全部用于煤體的塑性變形，體變能全部用于破壞煤和使其運動，則：
式中
設(shè)煤的單向抗壓強度為Rc，則破碎單位體積煤塊所需能量U1為：
假設(shè)巷道周邊煤體處于雙向受力狀態(tài)，則所需能量比U1要大，現(xiàn)用一系數(shù)K0(K0＞1)來表達(dá)，則破碎單位體積煤塊的能量U2為：
若Uv≧U2就可能發(fā)生沖擊礦壓，這樣就可求得發(fā)生沖擊礦壓的初始采深H為：
統(tǒng)計分析表明，開采深度越大，沖擊礦壓發(fā)生的可能性也越大：開采深度與沖擊礦壓發(fā)生的多少，有如圖4.1的關(guān)系(波蘭煤礦情況，橫坐標(biāo)為采深，縱坐標(biāo)為沖擊指數(shù)W，即開采百萬噸煤炭的沖擊礦壓次數(shù))?？紤]到安全界限．可以確定．當(dāng)深度H＜350 m時，沖擊礦壓不會發(fā)生；當(dāng)深度350m＜H＜500 m時，在一定程度上危險逐步增加。從500m開始，隨著計采深度的增加，沖巒礦壓的危險性急劇增長。從圖中可以看出，當(dāng)開采深度為800m時，沖擊指數(shù)Wt＝0.57，比在深度Eoo nt(Wt＝0.04)增加了14倍。而從Wt＝f(H)的曲線趨勢看，當(dāng)開采深度非常大時(1200一1500m)沖擊指數(shù)的梯度將會減?。渲禃浅８摺?
圖4.1 采深與沖擊礦壓的關(guān)系
4.2煤巖的力學(xué)特征
生產(chǎn)實踐與試驗研究均表明：
（1）在一定的圍巖與壓力條件下．任何煤層中的巷道或工作面均有可能發(fā)生沖擊礦壓。
（2）煤的強度越高。引發(fā)沖擊礦壓所要求的應(yīng)力越小，反過來說，若煤的強度越小，要引發(fā)沖擊礦壓．就需要比硬煤高得多的應(yīng)力。
（3）煤的沖擊傾向性是評價煤層沖擊性的特征參數(shù)之—。
對煤的沖擊傾向性評價，主要采用煤的沖擊能量指數(shù)和彈性
能量指數(shù)，即：
沖擊能量指數(shù)：
Ke≧5 強沖擊傾向
1.5≦Ke﹤5 中等沖擊傾向
Ke﹤1.5 弱沖擊傾向
彈性能量指標(biāo)
Wet≧5 強沖擊傾向
2≦Wet﹤5 中等沖擊傾向
Wet﹤2 弱沖擊傾向
4.3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．其主要原因是堅硬厚層砂巖頂板容易聚積大量的彈性能。在堅硬頂板破斷或滑移過程中，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。
4.4煤層厚度及其變化
根據(jù)統(tǒng)計分析，沖擊危險程度與煤層厚度及其變化緊密相關(guān)。煤層越厚，沖擊礦壓發(fā)生得越多，越強烈。圖4.2和圖4.3為硯石臺礦統(tǒng)計的煤層厚度及其變化與沖擊礦壓之間的關(guān)系。
圖4.2煤層厚度與沖擊礦壓的關(guān)系 圖4.3煤層厚度與拋煤量的關(guān)系
4.5煤層分叉的影響
某礦630水平的工作區(qū)域內(nèi)．510煤層分為504和510煤層，其間的間距在開采工作區(qū)域內(nèi)從無增加到15m。該結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，造成了煤層和頂板條件的變化，從而引起了沖擊礦壓危險狀態(tài)的變化。圖4.4介紹了構(gòu)造變化區(qū)域內(nèi)E/W(生產(chǎn)單位體積的煤所釋放的能量）的分布規(guī)律。
圖4.4構(gòu)造變化區(qū)域內(nèi)E/W的分布
4.6斷層的影響
實踐證明，沖擊礦壓經(jīng)常發(fā)生在向斜軸部，特別是構(gòu)造變化區(qū)、斷層附近、煤層傾角變化帶、煤層摺曲、構(gòu)造應(yīng)力帶。例如．龍鳳礦在向斜軸部準(zhǔn)備工作面時．經(jīng)常發(fā)生沖擊礦壓。
當(dāng)巷道接近斷層或向斜軸部時，沖擊礦壓發(fā)生的次數(shù)明顯上升，而且強度加大。例如在龍風(fēng)50次沖力礦壓中，36次(72％)與斷層有關(guān)。 62％是巷道接近斷層時發(fā)生的，14％是巷道處于斷層線附近，而只有10％是在巷道離開斷層時發(fā)生的。其中34%發(fā)生在巷道距斷層5—20mm范圍內(nèi)的：圖4.5為沖擊礦壓次數(shù)與巷道距斷層距離之間的關(guān)系。
圖4.5沖擊礦壓次數(shù)與巷道距斷層距離之間的關(guān)系
實踐農(nóng)明．相當(dāng)一部分震動集中在斷層附近。其中在斷層的上盤開采時的震動能量大于斷層下盤開采時的震動能量。在向斜部分開采時，震動也很強烈。
在斷層和向斜附近震動集中的原因是地殼的運動形成的殘余構(gòu)造應(yīng)力。該應(yīng)力與開采引起的應(yīng)力集中疊加的位置即為巖體震動的位置。
4.7褶曲的影響
我們知道褶曲是巖層在水平應(yīng)力擠壓下形成的，這種褶曲大部分在沉積巖層中形成。研究表明，當(dāng)溫度相對較低時沉積巖擠壓形成流動呈褶皺而不產(chǎn)生破裂(斷層)，這可以認(rèn)為是壓力溶解蠕變起了重要作用，即當(dāng)差異應(yīng)力作用于巖石時，礦物在高應(yīng)力區(qū)溶解，而在低應(yīng)力區(qū)沉積，結(jié)果是巖石變形。
—般情況下，對于巷道及回采工作面來說，在褶曲的各個部位，出現(xiàn)的危險性是不一樣的，如圖4.6所示，I區(qū)，褶曲向斜部分，這部分其應(yīng)力，垂直為壓力，水平為拉力、最容易出現(xiàn)冒頂和沖擊礦壓；Ⅱ區(qū)沼曲翼。這部分的應(yīng)力．垂直和水平均為壓力，最易出現(xiàn)沖擊礦壓；Ⅲ區(qū)榴曲背斜．其應(yīng)力狀態(tài)為垂直拉力，水平壓力，這部分也是最大礦山壓力區(qū)域。
圖4.6褶曲部分的受力狀態(tài)及危險性
4.8開采設(shè)計和開采順序
當(dāng)在幾個煤層中同時布置幾個工作面時工作面的布置方式和開采順序?qū)娏矣绊懨簬r體內(nèi)的應(yīng)力分布。
礦井中，沖擊礦壓經(jīng)常出現(xiàn)在：
（1）工作面向老塘推進(jìn)時；
（2）在距采空區(qū)15-40 m的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道
（3）兩個工作面相向推進(jìn)時；
（4）兩個近距離煤層中的兩個工作面同時開采時。
4.9上覆煤層工作面停采線的影響
上覆煤層工作面的停采線形成的應(yīng)力集中對下部煤層造成了很大的威協(xié)，使沖擊礦壓的危險性有很大的增加。如果我們定義E/W為觀測范圍內(nèi)單位生產(chǎn)煤量所產(chǎn)生的震動能量(J/t)，則上覆煤層的停采線對回采工作面的推進(jìn)過程中影響的E/W指標(biāo)值如圖4.7所示。其中504、501煤層距510煤層分別為40 m和64m。當(dāng)510煤層的下山經(jīng)過上覆煤層的停采線時，E/W指標(biāo)的變化清楚、詳細(xì)地表明了沖擊礦壓危險性增加的區(qū)域。
圖4.7巷道過上層停采線時E/W分布圖
4.10上覆煤層殘采區(qū)的影響
圖4.8介紹了工作面通過上覆煤層殘采區(qū)時的E/W指標(biāo)值的變化曲線。圖中416煤層的殘采區(qū)距501煤層70m。圖中表明了殘采區(qū)范圍內(nèi)震動的活動性和沖擊礦壓的危險性，該區(qū)域內(nèi)最大的沖擊能量力2．2×10^6J。以上表明，殘采區(qū)對下部煤層的開采影響很大，沖擊礦壓的危險性大幅度增加。
圖4.8采面過上層殘采區(qū)時E/W分布圖
4.11采空區(qū)的影響
圖4.9介紹了采煤工作面接近來空區(qū)的E/W指標(biāo)值的分布規(guī)律。圖4.10介紹了鄰近工作面的采空區(qū)對該工作面的影響。從圖上可以看出，當(dāng)工作面接近已有的采空區(qū)，其距離為20-30m時，沖擊礦壓的危險件隨之增加，如果工作面的旁邊有上一區(qū)段的采空區(qū)，該采空區(qū)也使得沖擊礦壓的危險性增加，危險發(fā)生的最大位置在距煤柱10m左右。
圖4.9 采面接近舊采空區(qū)時E/W分布 圖4.10 鄰近采空區(qū)對開采工作面得影響
4.12老巷的影響
圖4.11介紹了工作面過同煤層老巷時E/W指標(biāo)值的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)工作曲接近老巷約15m左右時，沖擊礦壓的危險性最大。
圖4.11 采面過老巷時E/W分布
4.13開采區(qū)域的影響
在煤層開采面積增加的情況下．巖體的震動能量也隨之增加。研究表明，當(dāng)開采面積為3ha時，釋放的單位面積的震動能量為最大。圖4.12表示了釋放的總地震能與工作面開采面積之間的關(guān)系。該采面采高為2．5m。
圖4.12 總能量與開采面積之間的關(guān)系圖
5 沖擊礦壓的監(jiān)測
5.1煤巖沖擊破壞的監(jiān)測原理
大量的實驗室試驗、現(xiàn)場測試、模擬研究均表明,煤巖等固體脆性材料在載荷作用下,其變形破壞特征為脆性沖擊破壞;沖擊破壞具有突發(fā)性和延時性;沖擊破壞過程中內(nèi)部將產(chǎn)生塑性變形或裂紋,當(dāng)裂紋形成和擴(kuò)展時,將瞬態(tài)釋放應(yīng)變能而產(chǎn)生彈性波. 伴隨著這種現(xiàn)象,將會有聲發(fā)射產(chǎn)生;同樣當(dāng)煤巖體等材料受載變形破裂時,將會產(chǎn)生向外以電磁能的形式釋放彈性能的現(xiàn)象. 伴隨著這種現(xiàn)象,將會有電磁輻射產(chǎn)生。因此可建立煤巖等固體脆性材料變形破壞的彈塑脆性體模型來描述上述煤巖等固體脆性材料變形破壞特征以及在其變形破壞過程中聲發(fā)射和電磁輻射耦合規(guī)律. 而煤巖體的變形破壞程度可采用巖石的損傷因子來描述.
巖石的損傷因子D( t) 的增長過程與聲發(fā)射和電磁輻射的能量釋放緊密相關(guān).
一般情況下,煤巖體在受載條件下,變形破壞時能量的變化ΔU 可由下式來確定
ΔU =σ·Δε =σ(ε2 - ε1 ) , (1)
而且設(shè)破壞程度的損壞因子與變形呈線性關(guān)系
ε = C1 D - C0 , (2)
則ΔU =σ[ ( C1 D2 - C0 ) - ( C1 D1 - C0 ) ]. (3)
由此,得ΔU 與損傷因子的增量?D ( t) = D( t2 )- D( t1 ) 成正比,也即
?D ( t) ∝ U′∝ u( t) ∝ε′, (4)
即如果σ為常數(shù),而且D ∝ε,則在彈脆性場中出現(xiàn)破壞時,破壞速率表現(xiàn)在瞬間能量u( t) 的釋放中. 煤巖體的破壞情況可通過瞬間能量的釋放表現(xiàn)出來, 即產(chǎn)生聲發(fā)射和電磁輻射.對于煤礦井下的煤巖體,其沖擊破壞是能量的聚積和快速釋放的結(jié)果. 但在生產(chǎn)實踐中,確定沖擊破壞的發(fā)生是非常困難的,必須首先建立煤巖沖擊破壞預(yù)測準(zhǔn)則。
根據(jù)彈塑脆性模型,當(dāng)煤巖體上所受的應(yīng)力超過了其強度極限,或者當(dāng)煤巖體的變形超過了最大變形時,煤巖體就破壞. 如果ε( t) 是觀測到的實際變形值,則危險程度Wε ( t) 將由下式確定
Wε ( t) = 0 , ε( t) <ε0 ,
0 ≤Wε ( t) =
ε( t) - ε0
ερ - ε0 ≤1 , ε( t) ≥ε0 .(5)
式(5) 即為煤巖體沖擊破壞的判別準(zhǔn)則.由煤巖損傷、變形破壞即能量釋放的分析可
知,煤巖變形破壞的變化率與聲發(fā)射、電磁輻射的能量釋放率成正比. 因此聲發(fā)射或電磁輻射確定煤巖破壞的危險程度可采用同樣的方式. 即
0 ≤W n ( t) =
N ( t) - N0
Nρ - N0 ≤1 , N ( t) ≥ N0 , (6)
式中 N0 , Nl , N ( t) 分別表示初始、極限和t 時刻的礦震或電磁輻射事件數(shù)(脈沖數(shù)) 。
5.2沖擊礦壓分級預(yù)測技術(shù)
5.2.1時空預(yù)測
在時間上,沖擊礦壓的預(yù)測分早期綜合分析預(yù)測和即時預(yù)測. 早期綜合分析預(yù)測主要采用綜合指數(shù)的方法,而即時預(yù)測則采用電磁輻射、微震和鉆屑等方法進(jìn)行。在空間上,沖擊礦壓的預(yù)測分區(qū)域預(yù)測、局部預(yù)測和點預(yù)測. 區(qū)域預(yù)測主要采用綜合指數(shù)法和微震監(jiān)測方法,而局部預(yù)測采用綜合指數(shù)方法、微震法和電磁輻射法,點預(yù)測則采用鉆屑方法.也就是采用綜合指數(shù)法、微震法、電磁輻射法和鉆屑法相結(jié)合,在時間上從早期預(yù)測到即時預(yù)測,在空間上從區(qū)域預(yù)測到局部、點預(yù)測,逐級排除和確認(rèn)沖擊礦壓危險,實現(xiàn)分級預(yù)測,見圖5.1.
圖5.1 沖擊礦壓危險的時空預(yù)測
1) 早期與區(qū)域局部預(yù)測的綜合指數(shù)法
綜合指數(shù)法就是通過對影響沖擊礦壓發(fā)生的地質(zhì)及開采因素的分析,以及100 多次已發(fā)生沖擊礦壓事故的分析,確定出采掘工作面周圍地質(zhì)條件和開采條件的每個因素對沖擊礦壓的影響程度,以及各個因素對沖擊礦壓危險影響的指數(shù)。 通過綜合分析,形成了沖擊礦壓危險狀態(tài)等級評定的綜合指數(shù)法。 綜合指數(shù)法既是一種早期綜合評價的方法,又是一種區(qū)域和局部預(yù)測的方法。這種綜合指數(shù)法分地質(zhì)因素確定的沖擊礦壓危險程度和開采因素確定的沖擊礦壓危險程度. 地質(zhì)因素確定沖擊危險主要考慮了沖擊礦壓發(fā)生的情況、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造、堅硬頂板、頂板厚度特征參數(shù)、煤的沖擊傾向性、煤的強度等7 個因素。 開采因素確定沖擊危險主要考慮了開采技術(shù)條件、開采歷史、煤柱、停采線、采空區(qū)、工作面接近煤層的變化帶、工作面接近斷層皺曲等12 個開采因素對沖擊礦壓發(fā)生的影響。
對于一個礦井的采區(qū)和工作面,首先分析礦井的地質(zhì)與開采因素對沖擊礦壓的影響,然后采用綜合指數(shù)法,分析確定礦井的水平、采區(qū)、工作面各部分的沖擊礦壓危險指數(shù),劃分出沖擊礦壓的危險區(qū)域和重點防治區(qū)域。
2) 即時與區(qū)域預(yù)測的微震法
微震法就是記錄采礦震動的能量,確定和分析震動的方向,對震中進(jìn)行定位。 在此基礎(chǔ)上,提出了沖擊礦壓危險性的微震分級預(yù)測技術(shù)。微震預(yù)測沖擊礦壓危險時,主要采用礦震時釋放能量的大小來確定沖擊礦壓發(fā)生的危險程度. 當(dāng)?shù)V井的某個區(qū)域監(jiān)測到礦震釋放的能量大于發(fā)生沖擊礦壓的所需的最小能量時,則該區(qū)域的當(dāng)前時間內(nèi)有發(fā)生沖擊礦壓的危險性. 如果在礦井的某個區(qū)域內(nèi),在一定的時間內(nèi),已進(jìn)行了微震監(jiān)測,根據(jù)觀測到的微震能量水平,就可以捕捉到?jīng)_擊礦壓危險信息,并進(jìn)行預(yù)測.
3) 即時與局部預(yù)測的電磁輻射法
根據(jù)大量的實驗室試驗研究、現(xiàn)場實測分析研究、理論分析表明,煤巖沖擊變形破壞的損傷速度、能量與電磁輻射的幅值、脈沖數(shù)成正比。在工作面采掘過程中,圍巖發(fā)生破裂時,均有電磁輻射信號產(chǎn)生。電磁輻射信號的強度隨著圍巖受載程度的增大而增強,隨變形速率的增加而增強。 與此同時,煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著載荷的增大及變形破裂過程的增強而增大. 載荷越大,加載速率越大,煤體的變形破裂越強烈,電磁輻射信號也越強。
根據(jù)上述理論及電磁輻射觀測規(guī)律,可采用電磁輻射的幅值和脈沖數(shù)變化率確定沖擊礦壓的危險前兆信息和進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。
4) 即時與點預(yù)測的鉆屑法
鉆屑法是通過在煤層中打直徑42～50 mm 的鉆孔,根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關(guān)動力效應(yīng),鑒別沖擊危險的一種方法。該方法的基本理論和最初試驗始于20 世紀(jì)60 年代,其理論基礎(chǔ)是鉆出煤粉量與煤體應(yīng)力狀態(tài)具有定量的關(guān)系,即其他條件相同的煤體,當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)不同時,其鉆孔的煤粉量也不同。 當(dāng)單位長度的排粉率增大或超過標(biāo)定值時,表示應(yīng)力集中程度增加和沖擊危險性提高。對于一定條件的煤體,在正常應(yīng)力作用下,不同鉆孔深度的煤體的應(yīng)力狀態(tài)是不同的,此時鉆孔的煤粉量也不相同。 當(dāng)煤層的應(yīng)力集中程度增加或應(yīng)力狀態(tài)異常時,鉆孔的煤粉量將發(fā)生改變。 根據(jù)煤粉量的變化,即可預(yù)測煤體的受力狀態(tài),并進(jìn)一步預(yù)測沖擊危險性。
5.2.2沖擊礦壓危險性的分級預(yù)測
上述時空預(yù)測的綜合指數(shù)法、微震法、電磁輻射法和鉆屑法分別確定了沖擊礦壓的危險性程度。綜合指數(shù)法分析的是早期的、區(qū)域和局部的沖擊礦壓危險性程度;微震法確定的是頂板等震動引發(fā)沖擊等的即時與區(qū)域性的沖擊礦壓危險性程度,電磁輻射法確定的是監(jiān)測點20 m 范圍內(nèi)即時與局部的沖擊礦壓危險性程度,而鉆屑法確定的則是打鉆孔點的即時沖擊礦壓危險性。沖擊礦壓危險性預(yù)測的方法不同,確定的沖擊礦壓危險性的時間和區(qū)域不同。 由于沖擊礦壓的發(fā)生有煤層型和頂板型,為了提高沖擊礦壓預(yù)測的可靠性和準(zhǔn)確性,需要綜合考慮沖擊礦壓危險性的預(yù)測技術(shù)。
根據(jù)理論分析、實驗室試驗和大量的現(xiàn)場試驗,按照沖擊礦壓的危險性程度,我們將沖擊礦壓的危險程度定量化分為4 級進(jìn)行預(yù)測,分別為無沖擊危險、弱沖擊危險、中等沖擊危險和強沖擊危險.根據(jù)沖擊礦壓危險性的不同,采取相應(yīng)的防治對策,如表5.1 所示：
表5.1 沖擊礦壓危險狀態(tài)的分級
危險等級
危險狀態(tài)
危險指數(shù)
防治對策
A
無
< 0.25
所有的采掘工作可正常進(jìn)行
B
弱
0.25～0.5
采掘工作過程中,加強沖擊礦壓危險的監(jiān)測預(yù)報
C
中等
0.5～0.75
進(jìn)行采掘工作的同時,采取強度弱化減沖治理措施,消除沖擊危險
D
強
> 0.75
停止采掘作業(yè),人員撤離危險地點. 采取強度弱化減沖治理措施. 采取措施后,通過
監(jiān)測檢驗,沖擊危險消除后,方可進(jìn)行下一步作業(yè)
5.2.3危險分級預(yù)測實施方案
對于一個有沖擊礦壓危險的礦井和采區(qū),首先根據(jù)綜合指數(shù)法分析地質(zhì)和開采條件,劃分出沖擊礦壓危險區(qū)域及重點監(jiān)測區(qū)域,實現(xiàn)沖擊礦壓的早期預(yù)測。 在早期預(yù)測的基礎(chǔ)上,采用微震法,對礦井沖擊礦壓的危險性進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測和預(yù)測;對于有危險的區(qū)域,采用微震法和電磁輻射法,進(jìn)行局部監(jiān)測和預(yù)測;對于局部預(yù)測有危險的區(qū)域,采用鉆屑法進(jìn)行預(yù)測驗證. 綜合確定沖擊礦壓危險等級,并對危險區(qū)域和地點采用強度弱化減沖技術(shù)進(jìn)行治理。
具有沖擊礦壓危險的區(qū)域,分級預(yù)測及治理的
工作流程為
→早期綜合預(yù)測(綜合指數(shù)法確定重點監(jiān)測區(qū)域)
→即時預(yù)測
→區(qū)域預(yù)測(微震法連續(xù)監(jiān)測、即時預(yù)測工作面區(qū)域沖擊危險性)
→局部預(yù)測(微震法、電磁輻射法連續(xù)監(jiān)測、即時預(yù)測工作面局部沖擊危險性)
→點預(yù)測(鉆屑法驗證區(qū)域局部監(jiān)測的準(zhǔn)確性,并進(jìn)行點預(yù)測)
→逐級排除、確認(rèn)危險等級
→解危處理(煤巖體的強度弱化減沖治理,消除沖擊危險)
→治理效果檢驗(微震、電磁、鉆屑檢驗解危效果)
因此,對于沖擊礦壓危險的礦井,在分析沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理的的基礎(chǔ)上,采用時間上早期綜合分析預(yù)測與即時預(yù)測相結(jié)合,空間上區(qū)域預(yù)測與局部監(jiān)測、點預(yù)測相結(jié)合,構(gòu)成可靠性高、簡單易行、行之有效的沖擊礦壓危險性預(yù)測技術(shù)體系,見圖5.2。
圖5.2 沖擊礦壓的分級預(yù)測技術(shù)體系
5.3躍進(jìn)煤礦礦壓監(jiān)測設(shè)備
躍進(jìn)煤礦現(xiàn)有ESG、ARAMIS、微地震三套微震監(jiān)測設(shè)備，另外還有KBD5電磁輻射儀、鉆孔應(yīng)力計、KJ216等監(jiān)測設(shè)備，為了更好的對25110工作面沖擊危險性進(jìn)行預(yù)警分析，可對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，達(dá)到綜合評判及預(yù)警沖擊危險的目的，并形成一套沖擊礦壓危險預(yù)警體系。各監(jiān)測設(shè)備基本情礦如下：
1．ARAMIS微震監(jiān)測設(shè)備
躍進(jìn)煤礦ARAMIS微震監(jiān)測設(shè)備于2011年4月20日正常運行，并開始記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)。下圖是從2011年4月20日到2011年11月20號的能量記錄數(shù)據(jù)。
由上圖可以看出，能量最大集中在11月份左右，由25110工作面布置平面圖可以知道，該時間段工作面正好處于斷層附近，所以斷層對沖擊礦壓顯現(xiàn)影響很大。
圖 25110工作面
6 沖擊礦壓危險性的解除措施
6.1煤層注水
煤層注水是通過高壓向煤體注水，以改變煤體的物理性質(zhì)及在煤巖體周圍產(chǎn)生裂縫，起到降低煤體抗壓強度和破壞原有結(jié)構(gòu)以釋放積聚的能量降低所受應(yīng)力的目的。大量的研究表明，煤系地層巖層的單向抗壓強度隨著其含水量的增加而降低。
6.2爆破卸壓
爆破卸壓是通過在煤巖體中實施鉆孔及爆破來改變應(yīng)力分布從而起到卸壓的目的一種卸壓措施。在回采工作面及上下兩巷，振動爆破能最大限度地釋放積聚在煤體中的彈性能，在工作面附近及巷道兩幫形成卸壓破壞區(qū)，使壓力升高區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。振動爆破的合理布置及合理的裝藥量，不僅形成巖體震動，在一定程度上形成煤體的松動帶，而且落煤方便。卸壓爆破是沖擊礦壓解危措施中最常用的一種方法。
6.3鉆孔卸壓
采用煤體鉆孔可以釋放煤體中積聚的彈性能，消除應(yīng)力升高區(qū)。頂板巖層作用在煤體上，工作面前方煤體所受的壓力將有比較大的升高，而鉆孔卸壓通過鉆孔使原來作用于周邊圍巖的高應(yīng)力向卸壓區(qū)以外的巖體深部轉(zhuǎn)移。這種方式的卸壓過程是以巷道周邊巖體的完整結(jié)構(gòu)被破壞為代價的。
6.4定向爆破裂縫法
定向爆破裂縫法的原理與定向水力裂縫法的原理是一樣的，不同之處只是將高壓水換成了炸藥。其預(yù)裂縫也有周向和軸向之分。圖6.1為制造軸向裂縫鉆頭。而制造的周向裂縫可以是在鉆孔的底部，也可以在鉆孔中形成幾個預(yù)裂縫，如圖6.2所示。
圖6.1 軸向預(yù)裂縫鉆頭示意圖
圖6.2 爆破鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
定向爆破裂縫法的鉆孔長度、布置方式、制造預(yù)裂縫的數(shù)量、形式等均取決于井巷文護(hù)形式．要破壞巖體的力學(xué)性質(zhì)以及破
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