矿山压力与岩层控制第十章 煤矿动压现象及其控制.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑矿山压力与岩层控制第十章 煤矿动压现象及其控制 第十章 煤矿动压现象及其操纵 煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤或岩体，在确定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震撼以及气浪等明显的动力效应这些现象统称为煤矿动压现象它具有突然爆发的特点，其效果有的宛如大量炸药爆破，有的能形成猛烈暴风，危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重，在地下开采中易造成严重的自然苦难 第一节 冲击矿压现象形成特点及分类 一、 冲击矿压现象 冲击矿压是聚积在矿井巷道和采场周边煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出猛烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，片面巷道垮落破坏等冲击矿压还会引发或可能引发其它矿井苦难，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震撼和建筑物破坏等因此，冲击矿压是煤矿重大苦难之一 二、 冲击矿压的特点 ① 突发性 ② 瞬时震撼性 ③ 巨大破坏性 ④ 繁杂性 三、 冲击矿压分类 冲击矿压按其显现强度、释放的能量等举行分类。

根据冲击的显现强度，可分为四类： （1）弹射一些单个碎块从处于高压应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有猛烈声响，属于微冲击现象 （2）矿震它是煤、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生破坏但煤、岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震撼，伴有巨大声响，有时产生煤尘较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮” （3）弱冲击煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备根本上没有损坏，围岩产生震撼，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出 （4）强冲击片面煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，展现支架折损、设备移动和围岩震撼，震级在2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波 根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压分为三级： （1）微弱冲击(I级)抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压 （21）中等冲击(II级)抛出煤量在10~50t，震级在l~2级的冲击矿压 （3）猛烈冲击(III级)抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压 四、 冲击矿压和矿山震撼对环境的影响 在采矿巷道工作面中发生震撼和冲击矿压，将会对井下巷道、井下工作人员和地面建筑物造成影响。

（一） 对井下巷道的影响 冲击矿压对井下巷道的影响主要是动力将煤岩抛向巷道，破坏巷道周边煤岩的布局及支护系统，使其失去功能而一些小的冲击矿压或者说岩体卸压，那么对巷道的破坏不大巷道壁局部破坏、剥落或巷道支架片面损坏应当确定，当矿山震撼较小，或震中距巷道较远时，将不会对巷道产生任何损坏 （二） 对矿工的影响 在发生冲击矿压的区域假设有工人在工作，那么可能对其产生伤害，甚至造成死亡事故 （三） 对地表建筑物的影响 矿山震撼和冲击矿压不仅对井下巷道造成破坏，对井下工作的人员造成伤害，而且对地表及地表建筑物造成损坏，甚至造成地震那样的灾难性后果 其次节 冲击矿压发活力理 目前对冲击矿压机理的熟悉可主要概括为：强度理论，能量理论和冲击倾向理论 强度理论 这种理论认为，较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，煤体夹持阻碍了深部煤体自身或煤体—围岩交界处的卸载变形这种阻抗作用意味着，由于平行于层面的侧向力(摩擦阻力和侧向阻力)阻碍了煤体沿层面的卸载移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能从极限平衡和弹性能释放的意义上来看，夹持起了闭锁作用据此，在煤体夹持带所产生的力学效应是：压力高、并储存有相当高的弹性能；高压带和弹性能积聚区可位于煤壁邻近。

一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击矿压 能量理论 50年头末期苏联学者c．T．阿维尔申，以及60年头中期英国学者库克等人提出了矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于消耗能量时，就会发生冲击矿压它表明了矿体与围岩的能量转换关系，煤、岩体急剧破坏形式的理由等问题由于在刚性压力机上获得了岩石的全应力应变曲线，透露出非刚性压力机与试件系统的不稳定性导致了试件在峰值强度邻近发生突然破坏的现象 1972年布莱克把它推广为发生冲击矿压的条件，认为矿山布局(矿体)的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度是发生冲击矿压的条件，这也称为刚度理论实际上它也是考虑系统内所储存的能量和消耗于破坏和运动等能量的一种能量理论，但这种理论并未能得到充分表明，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击矿压 冲击倾向理论 煤岩介质产生冲击破坏的才能称为冲击倾向由此，可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度举行估计或预料这种指标的量度称为冲击倾向度条件是：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值这些指标主要有：弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。

一些学者认为，这种方法也可称为冲击倾向理论 上述三种理论的成因和机理可用以下准那么的表达式来表示 ?1R?dU??dU???E????s?dt??dt??1能量准那么 ?dUPdtK冲击准那么 *?1K 强度准那么 ??i?1ni式中 σi —包括自重应力、构造应力、由于开采引起的附加应力、煤体与围岩交界处的应力和其它条件(如瓦斯、水和温度等)引起的应力； R —煤体与围岩系统强度； UE—围岩系统贮存的弹性能； US—煤体贮存的弹性能； UP—消耗于抑制煤体与围岩边界处和煤体破坏等阻力的能量； dUEdUsdt、dt—分别为围岩系煤体内的能量释放速度； dUPdt—抑制围岩边界阻力和煤体破坏时吸收能量的速度； α、β—分别为围岩系统和煤体内能量释放的有效系数； K—煤体(围岩)的冲击倾向度指标； K*—试验(实测)确定的冲击倾向度界限值 鲜明，式中前一个准那么是煤、岩体的破坏准那么；后两个是突然破坏准那么，因而有些学者认为，可把这两者视为必要条件和充分条件，即三个准那么同时得志时，才能发生冲击矿压。

第三节 冲击矿压的防治 一、 冲击矿压防范措施 （一） 合理的开拓布置和开采方式 实合理的开拓布置和开采方式是防治冲击地压的根本性措施主要原那么是： 1、开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采 2、划分采区时，应保证合理的开采依次，最大限度地制止形成煤柱等应力集中区 3、采区或盘区的采煤工作面应朝一个方向推进，制止相向开采，以免应力叠加 4、在地质构造等特殊部位，应采取能制止或减缓应力集中和叠加的开采程序 5、有冲击危害的煤层的开拓或打定巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危害煤层中，以利于维护和减小冲击危害 6、开采有冲击危害的煤层，应采用不留煤拄垮落法管理顶板的长壁开采法 7、顶板管理采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护才能的可缩性支架 （二） 开采解放层 开采解放层是防治冲击地压的有效和带有根本性的区域性防范措施 一个煤层(或分层)先采，能使邻近煤层得到确定时间的卸载这种卸载开采称之为开采解放层先采的解放层务必根据煤层赋存条件选择无冲击倾向或弱冲击倾向的煤层实施时务必保证开采的时间和空间有效性。

不得在采空区内留煤柱，以使每一个先采煤层的卸载作用能依次地使后采煤层得到最大限度的“解放”解放层开采后，采空区垮落的矸石或充填料，随着时间的延长逐步被压实，同时采空区和围岩中的应力相应地逐步增加，趋于原岩应力水平，所以解放层的作用是有时间性的，卸压作用和效果随时间的延长而减小因此，开采解放层的间隔时间不能太久 一般卸压有效期限为：用全部垮落法开采解放层时为3a，用全部充填会时为2a对于下部煤层，由于受到解放层开采时的前、后支承压力产生的加载和卸载交替作用，在很大程度上变更了下部煤层的布局和层间岩石的性质，更加是变更了它们的裂隙度和透气性，变更了煤岩布局和属性，释放了潜在的弹性能，消释或减缓了冲击地压危害 二、 冲击危害的解危措施 （一） 卸压爆破 振动爆破有振动卸压爆破，振动落煤爆破，振动卸压落煤爆破，顶板爆破 (1) 振动卸压爆破原理 在回采工作面及上下两巷，振动爆破能最大限度地释放聚积在煤体中的弹性能，在工作面邻近及巷道两帮形成卸压破坏区，使压力升高区向煤体深部转移 (2) 振动卸压爆破 在人员撤离的处境下，这种爆破除引发冲击矿压外，可将高的应力集中区转移到煤体深部，形成松动带。

其效果是引发冲击矿压，减缓深部煤体中的压力升高区，爆破引发一些地震能的释放 (3) 振动落煤爆破 振动、落煤爆破的目的是在人员撤离的处境下，引发冲击矿压，减缓或移去深部煤体或采煤机截深范围内的支承压力区这种爆破要求炮眼全长爆破，使得下一个截深范围内应力释放这种处境下，采煤机几乎仅起装煤作用 (4) 振动卸压落煤爆破 这种爆破组合了振动、卸压爆破和振动、落煤爆破两种振动、卸压、落煤爆破既用于采面前方，也可用于巷道掘进，其参数根据概括条件而定，但卸压长钻孔爆破后，应制止在同一眼位布置落煤爆破孔 (5) 顶板爆破 顶板爆破就是将顶板破断，降低其强度，释放因压力而聚集的能量，裁减对煤层和支架的冲击振动 炸药爆炸破坏顶板的方法有两种，一是短钻孔爆破，一是长钻孔爆破 （二） 煤层注水 (1) 煤体注水原理 大量的研究说明，煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低，其关系可用下式表示，见图10-1所示： bRc?aw0?c （10-1） 式中 w0为强度最大时的含水量，a,b,c为系数。

其中的系数a,b,c及w0的值见表10-1所示 表10-1 系数表 岩石种类 粗粒砂岩 细中粒砂岩 泥岩 页岩 a 290 537 985 6100 b -1.39 -1.20 -1.21 -2.27 c 25.9 46.0 34.0 23.9 w0 ≥4 ≥7 ≥15 ≥28 同样，煤的强度与冲击倾向指数WET也随煤的湿度的增加而降低，见图10-2在全体的处境下煤的冲击倾向指数与煤的湿度增量（含水率）的关系可用下式表示： WET?WET0eb?W （10-2） 式中 WET—注水后，煤层冲击倾向性指数 WET0—自然状态下煤层冲击倾向性指数 ΔW—含水率 煤层的不同，上式的系数也不一致同时含水率与注水时间并不成正比另外，煤的湿度的增加可变更其切割指数，降低煤尘 109冲击倾向性指数,Wet87654321000.511.52湿度增量,dW(%)Ce510M703/JM703/MNW502NW504NW506NW507Ry620Sz504Mie510图10-31 单向抗压强度与其含水量的关系 图10-2 冲击倾向指数与煤的湿度增量的关系 煤层注水的实用方法有三种布置方式，即与采面煤壁垂直的短钻孔注水法，与采面煤壁平行的长钻孔注水法和联合注水法。

(2) 短钻孔注水法 短钻孔注水法主要看注水钻孔的数量钻孔通常。