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1、向各位總工程師致敬！,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,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(yù)測與防治,沖擊地壓的定義,沖擊地壓是世界范圍內(nèi)礦井中最嚴重的自然災(zāi)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(nèi)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
2、，震動頻率在1104Hz，有時可能誘發(fā)其它礦井災(zāi)害，如煤與瓦斯突出等。,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(wù)局城子礦在回收煤柱時發(fā)生震級
3、為3.4級沖擊地壓， 造成29人死亡。 隨著礦井進入深部開采，沖擊地壓的災(zāi)害將日趨嚴重。,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?jīng)_擊”、“沖擊地壓”等。,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(yīng)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
4、；構(gòu)造型；綜合型,沖擊地壓基本理論,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(guān)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(chǎn)生應(yīng)力集中，當應(yīng)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(yīng)力條件為： /*1 式中，為煤巖體承受的應(yīng)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(chǎn)的實踐中，采取降低集中應(yīng)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(yīng)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
5、體的破壞是一個連續(xù)的不斷損傷的過程，說明強度理論提出的判據(jù)不充分。,The Mining Engineering,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(guān)，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(yīng)力狀態(tài)變化速度；vc為煤巖層應(yīng)力松弛的極限速度。,The Mining Engineering,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(jié)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
6、值，當| Kp||Ko |（普通試驗機）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 Engineering,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(chǎn)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(guān)，而礦山系統(tǒng)的剛度與煤巖層變形有關(guān)，煤巖層的可壓縮性是其內(nèi)在屬性，因而導(dǎo)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
7、能量，就是產(chǎn)生沖擊地壓的能量。該理論還考慮時間因素，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(nèi)完成釋放的也不會產(chǎn)生沖擊地壓。其判據(jù)為：,The Mining Engineering,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(zhuǎn)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
8、有說明平衡狀態(tài)的性質(zhì)及其破壞條件，特別是圍巖能量釋放條件,,The Mining Engineering,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(guān)，而且與煤巖本身的物理力學性質(zhì)有關(guān)，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(zhì)，決定其產(chǎn)生沖擊破壞的能力，這種能力是煤巖介質(zhì)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/SP KE=FS/FX,The Mining Engineering,The Mining Engineering,沖擊傾向判別指標,The Mining Engineering,沖
9、擊地壓發(fā)生條件,沖擊地壓發(fā)生的階段,,,煤與瓦斯突出,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(nèi)，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(yīng)，如摧毀支架、推倒礦車、破壞通風設(shè)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(zāi)害之一，是井工開采煤礦井下發(fā)生的一種復(fù)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。,,,煤與瓦斯突出發(fā)
10、生條件,沖擊地壓發(fā)生條件,煤巖體變形破壞統(tǒng)一機理,離散元數(shù)值計算結(jié)果表明： 巷道煤巖受壓應(yīng)力作用，使一定范圍內(nèi)的煤巖體承載能力降低，在巷道周邊23以外產(chǎn)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?yīng)力拱的約束，該區(qū)域內(nèi)任何約束力的變化都可能導(dǎo)致平衡狀態(tài)的破壞，使極限平衡區(qū)域向深部轉(zhuǎn)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(dǎo)致的區(qū)域煤體的瞬間破壞，即為煤巷沖擊地壓或突出。,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(zhì)因素的背景下，受采掘影響的煤巖介質(zhì)在發(fā)生變形的過程中產(chǎn)生的動力現(xiàn)象。 沖擊地壓、突出發(fā)生前煤巖
11、體的變形可視為準靜態(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。,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(yīng)力區(qū)或采掘過程中發(fā)生破壞。,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(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)力為主導(dǎo)，突出往往以高瓦斯壓力主導(dǎo)
12、突出有瓦斯作用，沖擊地壓只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。,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(dǎo)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(chǎn)生動力破壞過程的判據(jù)，對沖擊地壓和突出的預(yù)測預(yù)報和防治具有更實際的指導(dǎo)意義。,沖擊地壓和煤與瓦斯的統(tǒng)一預(yù)測技術(shù),都可以采用鉆屑法（測應(yīng)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(yù)測法。 原蘇聯(lián)..
13、雷任科等學者研究：回采工作面是在深達6的鉆孔中測溫，,掘進工作面是在2.2深的鉆孔中測溫，測溫結(jié)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。,Example1,試件單軸壓縮聲發(fā)射分布,Example 2,單軸壓縮裂紋擴展,Crack propagation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinement,Crack propag
14、ation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle roc
15、k Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinem
16、ent,Crack propagation and coalescence in brittle rock Axial compression without confinement,Example 3,顆 粒 破 壞,Step 60,Step 78-2,Step 78-4,Step 78-7,Step 78-9,Step 78-13,Step 78-16,Step 78-23,Step 78-37,Step 112,Step 169,Step 178,Step 188,Step 212,Step 225,Step 294,,預(yù)測方面的異同點,相同點： 采用預(yù)測應(yīng)力方法時兩者是相同； 利用構(gòu)造
17、變化判斷。（但構(gòu)造變化引起的敏感程度不同） 不同點： 瓦斯指標不能預(yù)測沖擊地壓及沖擊型突出（q瓦斯涌出初速度 ）； 煤層結(jié)構(gòu)（是否有軟分層）；煤巖層性質(zhì)； 采用鉆屑法時，有沖擊地壓時，常會發(fā)生孔內(nèi)沖擊，鉆屑呈顆粒狀或片狀。,判斷一次動力現(xiàn)象是沖擊地壓為主導(dǎo)還是煤與瓦斯突出為主導(dǎo)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(yīng)力條件、巖性條件（煤巖的沖擊傾向性）、巖層結(jié)構(gòu) 施工過程中是否采取了有效的瓦斯預(yù)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。,沖擊地壓和突出的統(tǒng)一工程治理技術(shù),在有沖擊
18、地壓和突出危險時都可采用： 避免采用容易產(chǎn)生高應(yīng)力集中的采掘方法； 選用合適的降低煤巖體邊緣應(yīng)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(yīng)力集中向深部轉(zhuǎn)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。,治理技術(shù)方面的異同,相同點： 降低圍巖應(yīng)力措施； 不同點： 僅抽放瓦斯不能防止沖擊地壓； 防治沖擊地壓還需要改變煤巖體的性質(zhì)（軟化煤巖）； 防治沖擊地壓還需要轉(zhuǎn)移煤巖體應(yīng)力。,沖擊地壓和煤與瓦斯突出的巷道穩(wěn)定性方法,煤巷錨網(wǎng)（索）支護在沖擊地壓和突出發(fā)生前后的作用 能顯著提高圍巖破壞后
19、的殘余強度, 提高抵抗沖擊地壓或突出時的強度，吸收沖擊地壓和突出能量，減慢震源的能量釋放過程，從而降低沖擊能量及沖擊強度，減輕對巷道的破壞作用和破壞程度，阻止煤塊沿弱面的錯動，增大錨固體對深部極限平衡區(qū)的約束作用。 但沖擊危險區(qū)（極限平衡區(qū)）一般位于25左右,因此，錨桿對處于極限平衡區(qū)煤體的力學性質(zhì)影響較小，不能防止沖擊地壓和突出的發(fā)生。,結(jié)語,沖擊地壓、煤與瓦斯突出就其主要特征而言，都是煤巖介質(zhì)突然破壞引起的動力現(xiàn)象，都是煤巖所組成的力學系統(tǒng)，在外界擾動下發(fā)生的動力破壞過程。 采用系統(tǒng)穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能量準則及動態(tài)過程能量準則，建立統(tǒng)一的認識和判斷，以便于建立統(tǒng)一的預(yù)測預(yù)報機制和工程防治技術(shù)路
20、線。 “統(tǒng)一”是建立在煤巖變形破裂機理和工程技術(shù)實踐某些方面的，是對沖擊地壓和煤與瓦斯突出共性面的認識。,沖擊地壓和煤與瓦斯突出都是極其復(fù)雜的礦井動力現(xiàn)象，因此并非簡單的“統(tǒng)一”能夠揭示的，而提出的統(tǒng)一認識，只是為了使我們對沖擊地壓有一個基于煤與瓦斯認識基礎(chǔ)上的概念。拋磚引玉而已。 事實上，沖擊地壓和煤與瓦斯突出兩者的綜合用機理及其復(fù)雜，在其孕育、發(fā)生、發(fā)展過程中互為誘因，災(zāi)害發(fā)生時產(chǎn)生“共振”效應(yīng)等，使災(zāi)害的預(yù)測及防治變更為復(fù)雜和困難。 今后隨著開采深度的增加，我省有沖擊地壓和煤與瓦斯突出兩種災(zāi)害并存的礦井會逐漸增加，在作用機理，預(yù)測檢驗內(nèi)容、指標、方法、技術(shù)措施及其有效性等方面還必須進行深入研究，以便我們要有足夠的思想和技術(shù)準備，以確保我省煤礦在復(fù)雜條件開采情況下做到長治久安。,謝謝各位領(lǐng)導(dǎo)和專家！,
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