深部冲击矿压预测及治理研究

深部冲击矿压预测预报及治理研究1深部冲击矿压预测及治理研究深部冲击矿压预测预报及治理研究21 前言1.1 立项背景*公司十一矿位于河南省平顶山市西郊香山脚下，于 1979 年 1 月建成投产，矿井井田面积约 23.5 km2，可采储量 1.427 亿吨，原设计井型60 万吨。1997 年，矿井经改扩建后年产量达 120 万吨，目前年产量 180万吨左右，成为*公司公司骨干矿井之一。矿井开拓方式为中央立井、主石门、底板岩石大巷，采区石门贯穿各煤层，两个水平开拓全井田，各水平以上、下山方式布置。一水平标高-180m，二水平标高-593m。矿井采煤方法为走向长壁式，采煤工艺有炮采和综采放顶煤，采空区处理方式为全部垮落法。目前矿井生产采区为一水平丁戊六采区、己七采区和二水平丁二采区、己二采区。一水平上山采区已全部采完，下山采区仅剩丁戊六采区、己七采区，二水平丁二采区、己二采区为矿井主要在建生产采区。随着浅部资源的日益减少，矿井逐渐进入深部开采，深部开采中矿压显现非常明显，局部地段还非常强烈，表现出明显的冲击矿压现象。近年来在己二采区 22040、22080、22120 等工作面掘进及回采过程中，均发生了大的煤炮及震动现象，个别地段甚至煤壁突然大面积片帮、挤出，支架歪斜移动等；2004 年上半年在施工己二采区集中运输巷时，这些矿压现象更加明显和强烈，在施工迎头的正前方和巷道后方煤体中经常有大煤炮声，在施工钻眼过程中也出现了夹钻、卡钻等动力现象。这些动力现象的发生是典型的冲击矿压显现，引起了集团公司和矿领导的高度重视，决定与中国矿业大学进行联合攻关，对矿井深部开采中最迫深部冲击矿压预测预报及治理研究3切需要解决的难题之一冲击矿压灾害防治进行综合研究，以掌握深井开采冲击矿压发生的规律和特点，达到有效防治的目的，确保开采安全。 1.2 研究意义自 1738 年英国南史塔福矿井发生世界上第一次冲击矿压现象以来，世界各主要采煤国家均发生了冲击矿压现象，造成了程度大小不同的伤亡事故。我国自 1933 年在抚顺胜利矿发生第一次冲击矿压现象以后，先后在北京、华丰、新汶、徐州、义马等 50 多个矿区发生了冲击矿压，不仅造成了巷道的坍塌、设备的掩埋，而且使大量人员伤亡，造成了极大的社会不良影响。特别是近几年来，随着开采量的逐年增加浅部煤炭资源日益减少，许多矿井逐渐进入深部开采。有关资料统计表明，我国东部矿井每年以 812m 的速度向深部延伸，大多矿井开采深度均在500700m，更有一些矿井的采深已超过 800900m，目前全国有 25 个矿井的采深已超过 1000m。估计再过 20 年，千米深井在我国将司空见惯，深井开采将成为我国煤炭资源的主战场，而深井开采将遇到大量的技术问题和安全问题，其中冲击矿压无疑是这些技术和难题中最为关键和棘手的难题之一。*公司十一矿属于典型的深井，特别是己二采区采深已超过 900m，冲击矿压显现日趋强烈，而本采区是矿井二水平改扩建工程的设计首采区，工业储量为 2087.69 吨，可采储量为 1459.83 万吨，设计生产能力 60 万吨/年，服务年限为 18.2 年。本课题的研究不仅可以解决十一矿深部开采中遇到的冲击矿压难题，确保己二采区开采的顺利、安全进行，同时对我国相似煤层赋存条件的深部开采矿井同样有极大的参考价值，特别是在*公司可以广泛推广应用。深部冲击矿压预测预报及治理研究41.3 研究内容及方法1.3.1 研究内容1）确定己二采区煤岩的冲击倾向性和电磁辐射特征。实验室测定煤岩变形破坏的弹性能指数、冲击能指数及动态破坏时间（DT） ，确定煤体的冲击倾向性；同时测定煤岩变形破坏的电磁辐射特征，为冲击矿压预测预报打下基础。2）己二采区冲击矿压危险性评价及防冲重点区域圈定。分析己二采区冲击矿压发生的影响因素，试验确定煤体冲击倾向性，采用冲击矿压危险性评定的综合指数方法，分块段划定己二采区冲击矿压危险指数，为冲击矿压治理提供参考。3）己二采区冲击矿压监测预报临界指标确定。采用非接触式电磁辐射定向区域监测方法结合钻屑法，对具有冲击矿压危险的重点区域进行监测预报，并采用电磁辐射法或钻屑法检验冲击矿压治理措施的有效程度。4）己二采区冲击矿压治理方案。在危险性评价及预测预报的基础上，确定己二采区冲击矿压治理方案，并给出相应治理措施的有关参数。5）建立己二采区冲击矿压监测治理体系。在试验研究、预测预报和治理的基础上，建立己二采区冲击矿压防治体系。1.3.2 研究方法采用理论研究、实验室试验、现场实测数据分析相结合的方法，分析研究己二采区冲击矿压发生的规律，分析冲击矿压与掘进、采煤等的时空关系；实验室煤样测定冲击性能指数；数值模拟分析工作面周围的深部冲击矿压预测预报及治理研究5应力状态，模拟确定防冲且满足支护要求的最佳区段煤柱宽度；现场电磁辐射监测预报试验，揭示煤岩体变形破坏的基本过程和规律，建立反映煤岩体变形破坏过程的电磁辐射规律，形成己二采区冲击矿压防治的电磁辐射预测预报技术，最终形成了十一矿己二采区冲击矿压防治体系。深部冲击矿压预测预报及治理研究62 冲击矿压发生机理及防治21 冲击矿压概述冲击矿压是井下围岩（煤或岩石）突然破坏，引起剧烈震动并伴有大量煤（岩）块抛出的一种矿压显现，是一种严重威胁煤矿安全生产的动力灾害。冲击产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体震动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道跨落破坏等。冲击矿压还会引起或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等。因此，冲击矿压是煤矿重大灾害之一。1949 年以前我国发生冲击矿压的矿井只有 2 个，50 年代增加为 7个，60 年代为 12 个，70 年代为 22 个，目前达 50 多个。而随着采深的增加，开采范围的扩大，近年来虽然采取了不少措施，但全国矿井数和总的冲击次数并未减少。我国矿井累计发生过 4000 多次冲击矿压，造成数以百计的人员伤亡，巷道破坏达 30 多公里。随着矿井开采深度的增加，冲击矿压发生的危险性也在逐步增加。原来没有发生过冲击矿压的矿井，现在也开始发生，原来发生过冲击矿压的矿井，现在发生的强度越来越大，发生的次数越来越多。冲击矿压作为采矿诱发的地震， 虽然震级不如大地地震，但由于其震中距地表近，属浅表层地震，其局部危害性非常严重。可见，我国冲击矿压的防治工作任务甚为艰巨，具有现实的迫切性和长远的重大意义。冲击矿压具有突发性、瞬时震动性和巨大破坏性等显现特征。突发深部冲击矿压预测预报及治理研究7性是指冲击矿压一般没明显的宏观前兆而突然发生，难于事先准确确定发生的时间、地点和强度；瞬时性是指冲击矿压发生的过程急剧而短暂，像爆炸一样瞬间产生巨大的声响和强烈的震动，一般震动时间不超过几十秒；巨大的破坏性是指冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般不冒落，有时底板突然开裂鼓起甚至接顶，通常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架，常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。由于冲击矿压对采矿业的严重威胁，以及冲击矿压的发生原因复杂，影响因素多，发生突然，破坏性极大，因而引起国际岩石力学和采矿工程界的广泛关注和投入，并进行了大力研究。对于冲击矿压问题的研究，主要集中在三个研究方向上：一是冲击矿压发生机理的研究；二是冲击矿压危险性评价、监测与预测预报技术的研究；三是冲击矿压治理措施的研究2.2 冲击矿压发生机理冲击矿压发生机理十分复杂，各国学者在对冲击矿压现场调查及实验室研究的基础上，从不同角度相继提出了一系列的重要理论，概括起来主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则和变形系统失稳理论等。1) 强度理论强度理论认为:井巷和采场周围产生应力集中，当应力达到煤岩体的强度极限时，煤岩体就会突然发生破裂，形成冲击矿压。近代冲击矿压的强度理论主要着眼于矿体-围岩这一力学系统的极限平衡条件，具有代深部冲击矿压预测预报及治理研究8表性的是 Brauner 提出的煤体夹持理论，但该理论与实际结果还存在一定的差距。在研究岩爆问题时，通过对大量的工程实例的分析研究，还提出了岩爆的拉伸断裂机理和剪切破裂判据。强度理论具有简单、直观和便于应用的特点。井巷和采场周围煤岩体经常出现局部应力超过其强度极限的现象，但即使是具有强烈冲击倾向性的煤层在多数情况下都能平稳进入强度后变形阶段，只在少数情况下才发生突然破裂形成冲击矿压，说明强度理论只能判断煤岩体是否破裂，不能回答破裂的形式-是静态破裂还是动态破裂。它是冲击矿压发生的必要条件，而不是充分条件。2) 刚度理论刚度理论是 Cook 等人根据刚性压力机理论而提出来的。二十世纪七十年代，布莱克将此理论完善化并用于美国的加利纳矿的冲击矿压问题。该理论认为，矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷系统（围岩）的刚度是产生冲击矿压的必要条件。刚度理论用于判别煤柱稳定性具有简单、直观的特点。但这一理论没有正确反映煤体本身在煤岩体-围岩系统中不但能积聚能量，而且还可以释放能量这一基本事实。此外，矿山结构的刚度在概念上并不十分明确，而且矿山结构达到峰后强度后的刚度难于确定。3）能量理论能量理论认为，当矿体-围岩系统在其力学平衡状态破裂时所释放的能量大于所消耗的能量时便发生冲击矿压。能量理论从能量耗散的角度解释冲击矿压的成因，是冲击矿压机理深部冲击矿压预测预报及治理研究9研究中的一大进步。但能量理论没有说明矿体-围岩系统平衡状态的性质及其破裂条件，特别是围岩释放能量的条件，因此冲击矿压的能量理论判据尚缺乏必要条件。能量失稳理论认为：围岩系统释放的能量大于煤岩体消耗的能量时，即产生冲击，周围煤岩体是产生冲击的主要能量。实验却证明：当煤岩体中的最大主应力超过其单轴抗压强度时，其存储的弹性应变能就能使其本身破碎，甚至形成冲击。因此，不需要在冲击煤岩体以外去寻找其他的能量源进行分析，只需要分析发生冲击的煤岩体本身所耗散的弹性应变能。4）冲击倾向性理论冲击倾向性是指煤岩介质产生冲击破裂的固有能力或属性，是冲击矿压发生的必要条件。冲击倾向性理论是波兰和前苏联学者提出的，我国学者在这方面作出了大量的工作，提出用煤样动态破裂时间（D t） 、弹性能指数（W ET）和冲击能量指数（ KE）三项指标综合判别煤的冲击倾向性的试验方法和指标。冲击倾向性理论的另一重要方面是顶板冲击倾向性的研究，而且也越来越引起人们的重视。这方面的研究主要包括顶板弯曲能指数和长壁开采条件下顶板断裂引起的煤层冲击等。用一组冲击倾向性指标来评价煤岩体本身的冲击危险具有实际意义。然而冲击矿压的发生与采掘和地质环境等有关，而且实际的煤岩物理力学性质随地质开采条件的不同而有很大的差异，实验室的测定结果往往不能代表各种环境下的煤岩性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局深部冲击矿压预测预报及治理研究10限性。冲击倾向性理论主要指标为弹性能指数，即把卸载过程释放的弹性应变能 Usp 与塑性变形的损耗能 Ust 之比称为弹性能指数，即Wet=Usp/Ust。并认为 Wet 能够反映煤岩体的冲击倾向。W et 是在单轴压缩实验中接近峰值强度时卸载后得到的。U sp+Ust 为实验加载时试块吸收的能量，U st 只能反映塑性变形损耗的能量，并不能反映岩石冲击破裂时损耗的能量。在实验过程中，很难确定接近峰值强度的卸载点。因此，该指标很难准确反映煤岩体的冲击倾向性。5） “三准则”机理模型国内一些学者在总结以上冲击矿压机理模型的基础上，考虑到冲击矿压发生的充分必要条件，将不同的判据有机的组合到一起，提