第四章--冲击地压预测方法

1、第四章 冲击地压预测方法第一节 概述 冲击地压预测是防治工作的重要部分。准确的预测对及时采取区域性防范措施和局部性解危措施十分重要。冲击地压的预测包括时间、地点和规模。它包括在实验室对煤层的力学性质和冲击倾向鉴别及在采掘过程中对冲击危险程度的鉴别。所谓冲击危险是指发生冲击地压的可能性。冲击危险程度是指发生冲击地压的规模。 预先查明矿区各矿井有冲击危险的煤层就可以制定合理的矿区规划和矿井设计，采用正确的开拓开采方式，从根本上消除或减缓冲击地压危害。在有冲击地压危险的矿井进行采掘过程中的预测，可以指导人们在危险区及时采取治理措施，避免冲击地压危害。因此，冲击地压预测工作可以分阶段进行，在煤田地质勘

2、探阶段，利用钻孔岩芯进行力学试验，测定煤岩的冲击倾向性。利用详查和精查勘探中的资料评价影响冲击地压的主要地质因素，包括埋藏深度、地质构造、顶底板，尤其是老顶的岩性及厚度、煤岩强度及变形特性等；在矿井建设阶段，利用井巷揭露出的煤层和岩层进行进一步的力学试验，评价煤岩层的冲击倾向和分析新获得地质资料，选择合理的开采方法和相应的防范措施；对于生产矿井，开采到一定深度（始发深度）后，应按照冲击地压煤层安全开采暂行规定进行管理。由于冲击地压一般发生在采掘工作面及其附近地段，因此要在生产过程中进行经常性的冲击危险预测工作，以便及时地采取解危措施，保证安全生产。 冲击地压的预测是基于对冲击地压发生机理的认识

3、。目前冲击地压的预测都是围绕冲击地压发生的强度条件和能量条件进行的。通过对煤岩体的应力水平和分布状态以及能量积蓄和释放等变化进行监测，在时空上判断煤岩体破坏形式、规模和释放能量的大小，并以此来进行冲击地压的预测。一般情况下，冲击地压发生在采掘工作面的应力集中区。应力集中产生于开采深度大（自重应力），岩体中存在地质构造应力，采掘空间周围应力集中，残留煤柱边缘区，断层和相邻采掘空间的附加应力等。它的峰值越大，峰值位置距离煤壁越近，发生冲击地压的危险性越大。支承压力使煤层受到压缩，顶底板发生闭合变形。冲击地压发生前煤岩变形停滞，顶底板移动速度变缓，煤由工作面压出（煤层侧向变形）也变缓。受到压缩的煤层

4、和发生变形的顶底板以弹性变形的方式承受高压，并积存大量变形能。通过监测变形能变化引起的声发射和微震活动，就可推断冲击危险程度。积存能量多，冲击危险性就大。如果是经多次释放，则释放的规模小。如果是一次集中释放，则冲击强烈。这种煤层（矿层）及其围岩的应力、应变和变形能的变化与冲击地压的关系，就是预测冲击危险的基础。 煤岩力学性质的测定工作及冲击倾向性鉴别应遵照煤炭部颁发的煤和岩石物理力学性质测定方法和煤炭行业标准煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法及岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法进行。 如同冲击倾向鉴别一样，判别冲击危险程度也需一些具体的判别条件。各种预测方法的冲击危险判据的建立，必须针对具体、

5、生产地质条件，采取理论联系实际，实验室试验与现场试验相结合的方法具体确定。冲击地压的预测方法，除了以往的经验类比法外，大致可以分为两类。一类是以钻屑法为主的局部探测法，包括煤岩体变形观测法（顶板动态、围岩变形）、煤岩体应力测量法（相对应力测量，绝对应力测量）、流动地音检测法、岩饼法等，主要用于探测采掘局部区段的冲击危险程度。这类方法简便易行，直观可靠，已经得到广泛应用。其缺点是预测工作在时间和空间上不连续，费工费时；第二类是系统监测法，包括地音系统监测法和微震系统监测法，以及其它地球物理方法（电磁辐射、地温、地磁等）。根据连续记录煤岩体内出现的动力现象预测冲击地压危险状态。所依据的基本条件是岩

6、体结构的危险破坏过程，是以超前出现的一系列物理现象为信息的。这些物理现象的出现被视为动力破坏的前兆。通常是在井上下设置测点，建立冲击危险区的监测网，把连续收集记录的地音和微震信号传输到监测站，利用计算机自动进行数据整理和加工分析，预测监测区的冲击危险。这类方法可以实现在空间上和时间上的连续监测。但维护管理较困难，分析数据和判定煤岩体的力学状态难度较大，需要经过长期试验，积累大量经验数据，方可准确预测。第二节 经验类比法发生过冲击地压的矿井都积累了一些经验教训，对以往经验教训做出规律性的总结，并用于指导本矿或相似条件的其它矿井冲击地压煤层安全开采的方法称为经验类比法。在总结和使用经验类比法时，应

7、着重考虑下列因素：本矿和邻矿的冲击地压现状和发展趋势；本煤层或邻层、邻区已发生过冲击地压；煤层老顶为厚5m以上、单轴抗压强度大于70MPa的坚硬岩层；岛形或半岛形煤柱；支承压力影响区；上部或下部遗留煤柱或回采边界，煤层厚度或倾角突然变化区；褶曲或断裂构造带等。 就整个矿井而言，通过地质条件和开采技术条件的分析，可以圈定冲击地压可能发生的区域。随着开采深度的延深，当煤岩体应力满足强度条件时就可能发生冲击地压。始发冲击的深度通常称临界深度。从始发深度起，冲击地压就可能在煤柱、煤层凸出部位和邻近煤柱的上下煤层区段发生，并随着开采水平的延深，冲击地压发生地点和范围也随之扩大。所有靠近采掘工作面的区域，

8、煤层厚度和倾角突然变化的区域，以及地质构造带都可能成为发生冲击地压的危险区域。 根据地质条件和生产技术条件的分析，按照第三章论述的冲击地压发生条件和影响因素，首先应该圈定以下区域为冲击地压特别危险区： 1）断层、褶曲、煤层突然变化区域。 2）采空区周围。 3）本层或邻层的开采边界或遗留煤柱影响区。 4）工作面前方回采巷道或其它巷道。 在掘进巷道和进行回采时，冲击危险的客观标志是生产过程（打眼放炮、风镐落煤、采煤机割煤等）中伴随有弹射、微冲击现象。这些现象通常不是个别出现的，而是伴随一定采掘过程而出现的性质相同的一系列现象。例如掘进工作面中的弹射，通常是在每次掏槽爆破之后立即发生。在采煤工作面，

9、每次放炮以后半小时内出现相当强烈的弹射。如果是在有冲击危险的煤层中打眼和割煤就会频繁地发生弹射和微冲击现象。影响冲击地压的主要因素有地质方面的因素（如开采深度、煤层的物理力学特性、顶板岩层的结构特征、地质构造等），也有开采技术方面的因素（如上覆煤层的停采线、残采区、采空区、煤柱、老巷、开采区域的大小等）。根据这些冲击地压影响因素的分析，确定采掘工作面周围采矿地质条件的每个因素对冲击地压的影响程度，以及确定各个因素对冲击地压危险状态影响的指数，将其综合起来，就可以形成冲击地压危险状态等级评定的综合指数法，从而为冲击地压的治理打下基础。一、影响冲击地压危险状态的地质因素及指数影响冲击地压的主要因素

10、有开采深度、顶板坚硬岩层、构造应力集中、煤层冲击倾向性等。表4-1为采掘工作面周围地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数。这样，就可以根据表4-1，用公式（4-1）来确定采掘工作面周围采矿地质条件对冲击地压危险状态的影响程度以及确定冲击地压危险状态等级评定的指数Wt1。表4-1 地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击地压危险指数1W1发生过冲击地压该煤层未发生过冲击地压-2该层发生过冲击地压0采用同种作业方式在该层和煤柱中多次发生过冲击地压32W2开采深度小于500m0500700m1大于700m23W3顶板中坚硬（C60Mpa）厚岩层距煤层的距

11、离>100m010050m1<50m34W4开采区域内的构造应力集中>10%正常1>20%正常2>30%正常35W5顶板岩层厚度特征参数Lst<5005026W6煤的抗压强度C16Mpa0C>16Mpa27W7煤的冲击能量指数WETWET <202WET<52WET54 （4-1）式中：Wt1 采矿地质因素确定的冲击地压危险指数。Wimax 表4-1中第i个地质因素的中的最大指数值。Wi 采掘工作面周围第i个地质因素的实际指数。 n1 地质因素的数目。二、影响冲击地压危险状态的开采技术因素及指数同样，根据开采技术条件、开采历史，煤柱、停采线

12、等这些开采历史和开采技术因素，确定响应的影响冲击地压危险状态的指数，从而为冲击地压的预测预报和危险性评价，冲击地压的治理提供依据。表4-2为我们研究的采掘工作面周围的开采技术因素对冲击地压的影响程度及指数。表4-2 开采技术条件影响冲击地压危险状态的因素及指数序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击地压危险指数1W1工作面距残留区或停采线的垂直距离>60m06030m2<30m32W2未卸压的厚煤层留顶煤或底煤厚度大于1.0m33W3未卸压一次采全高的煤厚<3.0m03.04.0m1>4.0m34W4两侧采空，工作面斜长为>300m0300150m2<1

13、50m45W5沿采空区掘进巷道无煤柱或小于3m小煤柱0310m的煤柱21015m的煤柱46W6接近采空区的距离小于50m掘进面2回采面3接近煤柱的距离小于50m掘进面1回采面37W7掘进巷道接近老巷的距离小于50m老巷已充填1老巷未充填2回采工作面接近老巷的距离小于30m老巷已充填1老巷未充填2面接近分叉的距离小于50m掘进面或回采面38W8面接近落差大于3m断层的距离小于50m接近上盘1接近下盘29W9面接近煤层倾角剧烈变化的皱曲距离小于50m>15°210W10面接近煤层侵蚀或合层部分掘进面或回采面211W11开采过上或下解放层，卸压程度弱-2中等-4好-812W12采空区

14、处理方式充填法2垮落法0这样，可以根据表4-2，用下式来确定采掘工作面周围开采技术条件对冲击地压危险状态的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数Wt2。 （4-2）式中：Wt2 开采技术因素确定的冲击地压危险指数；Wimax 表4-2中第i个开采技术因素的危险指数最大值；Wi 采掘工作面周围第i个开采技术因素的实际危险指数；n2 开采技术因素数目。三、冲击地压危险程度的预测预报以上给出了采掘工作面周围地质因素和采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数Wt1 和Wt2的具体表表达式，根据这两个指数，用下式就可以确定出采掘工作面周围冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt。

15、 （4-3）式中，Wt为某采掘工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数，以此可以圈定冲击地压危险程度。a) Wt<0.3，为无冲击危险。b) Wt=0.30.5，为弱冲击危险。c) Wt=0.50.75，为中等冲击危险。d) Wt=0.750.95，为强冲击危险。e) Wt>0.95，为不安全。应该指出，利用上述调查分析的数据，对大范围的冲击地压危险进行预测十分必要。可以通过数值分析的方法，包括有限元法，边界元法等，在开采计划制定阶段，或在开采过程中，对相应的区域进行岩体应力分布计算。这对预测大范围的冲击危险是有一定作用的。便于在开采设计中提前采取必要的防范措施。第三节 钻屑法预测

16、冲击地压的常规方法主要根据两个条件，一是煤的冲击倾向，二是支承应力带特征，即支承压力峰值大小及其距煤壁的远近。如果支承压力参数达到临界值，并且煤层又具有冲击倾向，那么冲击地压就可能发生。对于煤的冲击倾向可以先通过经验类比法估测，进而进行实验室试验确定。而支承压力带参数的测定，一般多采用钻屑法探测。 钻屑法是通过在煤层中打直径为4250mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法。由于这种方法能同时检测多项与冲击地压有关的因素，而且简便易行，所以成为普遍采用的一种方法。煤矿安全规程中规定“开采有冲击地压的煤层时，冲击危险程度和采取措施后的实际效果，可采用钻粉率指

17、标、地音法、微震法等方法确定”，在冲击地压煤层安全开采暂行规定中不仅规定了采用钻屑法预测冲击危险程度，而且制定了钻屑法试行技术规范。因此钻屑法的实施应该按照技术规范进行。 钻屑法的基本理论和最初试验是20世纪60年代由德国和苏联的学者实现的。该方法基于受压煤层中钻小直径钻孔，当钻孔进入煤体高应力区域时，钻进过程呈现动态特征，孔壁煤体部分可能突然挤入孔内，并伴有振动、声响或微冲击等钻孔效应，单位长度上排出的煤粉量大于正常排粉量，钻屑粒度增大，以及随之出现的卡钻现象。当单位长度的排粉率增大到标定值时，表示高应力和冲击危险状态。 我国从20世纪70年代开始了钻屑法的试验研究。不仅在发生冲击地压的采掘

18、工作面试验应用，而且在试验室条件下进行了模拟研究。目前已在冲击地压矿井全面推广使用。一、实施方法 钻屑法的实施必须严格执行煤炭部制定的冲击地压煤层安全开采暂行规定。一般先根据经验，结合采掘工作面的具体地质条件和生产技术条件，圈定冲击危险区作为钻屑法的探测区。对于壁式采煤工作面，应沿工作面煤壁和距工作面60m的顺槽范围内布置检测带；对于掘进工作面，应在掘进头及其后部60m范围内的巷道两帮布置检测带。检测带内钻孔布置（孔数、孔深、孔距）、检测制度按规定执行。一般测试钻孔用1.2kw手持电钻或2.0kw岩石电钻打眼。插接式麻花钻杆，每节长1.01.8m，42mm钻头，钻孔深度68m。用塑料桶或布袋收

19、集钻屑，用弹簧秤和容器称量钻屑重量和体积，用3mm铁筛子测量钻屑的粒度组成。每钻进1m测量1次钻屑量和粒度组成。用专用记录簿记录打眼地点、时间、钻屑排出量和粒度，以及打眼过程中出现的钻杆跳动、卡钻、劈裂声和微冲击等动力现象。井当场填表作图，及时判断冲击危险程度。二、基本原理 为了及时客观地评价采掘地点的冲击危险程度，必须适时确定支承压力带峰值大小和位置。峰值愈大，距煤壁距离愈近，冲击危险程度就愈大。但是直接测定煤层应力相当困难，尚没有可靠方法。一般多采用相对评价的方法。我们首先研究在冲击危险煤层中，对处于极限应力状态的边缘区打钻过程中的动态效应。对煤体打钻至一定深度后，钻孔周围将逐渐过渡到极限

20、应力状态，如图4-1所示。孔壁部分煤体可能突然挤入孔内，并伴有不同程度的响声和微冲击。打钻过程中钻具的推进情况也变化着，或钻进容易，或出现卡钻甚至卡死。出现这些变化的原因，是钻孔周围煤体变形和脆性破碎所致。煤层中的应力愈大，煤的脆性破碎愈占优势。在钻孔的B段，孔周围煤体处于极限应力状态。打钻过程中钻屑量异常增多，钻屑粒度增大，响声和微冲击强度升高，孔径扩大，这就是所谓的钻孔效应。粒度增大和钻进容易，是因为在高应力作用下，打钻几乎不需要钻头参与就自动破碎，勿需推力，研磨也小，造成钻屑块度变大。这种钻孔效应现象与巷道发生的冲击地压相似，只是尺寸、规模不同（缩小）而已。只要出现这种钻孔效应，就意味着

21、应力集中带的出现。在应力集中带钻孔，钻屑量异常多，钻孔冲击更强烈，钻孔周围破碎带不断扩大。这也是钻孔卸压的根据所在。图4-1 钻孔效应示意图1 钻屑排出题量；2钻屑粒度变化；3打钻过程中的声响强度变化图4-2 煤试块钻孔模拟试验三、钻孔冲击模拟实验真正的冲击地压在试验室里是模拟不出来的，但钻孔效应可在试验室条件下加以模拟，只不过其规模要比实际的小些而已。根据已发表了有关的试验结果，此间这种试验又得到了进一步改进，可精确地模拟现场实际发生的钻孔效应。图4-2为试验原理图。试验装置由围压盒、加压装置及传力柱组成。围压盒是一个四周封闭的钢盒，在一个侧壁上有一个孔，通过它向试件钻孔，加压装置为压力机。

22、采用两种加载方式，一种是在钻孔过程中通过油泵后续加压的方式，保持压力不变，即保压加载法；另一种是压力变化非控制式，即非保压加载法。每个试件加载两次，第一次加载并钻孔后，再重复加载到原始初压，再钻孔一次。钻头采用三种直径：5mm、10mm、15mm。共对20个试件进行40次试验，其中保压式8件16次，非保压式12件24次。图4-3 钻孔冲击实验时压力冲击式下跌德国、波兰的学者进行过类似的试验。只是试样尺寸一般较小，为5cm（高）×8cm×8cm的长方体和10×10×10cm或者15×15×15cm的正方体。钻孔直径311mm，在进行特大

23、块试验时，钻孔直径为4250mm。试验时垂直压力比煤块单轴抗压强度大的多，以便模拟出井下的钻孔效应。取自波鸿肥煤试样（尺寸8×8×5cm），在156MPa下钻孔（直径11mm）试验过程中的压力变化情况，见图4-3。钻8cm深孔共用40s。钻孔过程中出现4个幅度不等的压力下跌台阶，并伴有响声。当压力下降至60MPa时，钻孔趋于稳定。总共钻出煤粉量44g，约为正常煤粉量的4倍。为了寻求钻屑量和冲击声以及压力间的关系，对波鸿和埃森系地层的煤样进行了大量的试验。煤样的单轴抗压强度介于412MPa之间。试验结果表明，只有压力相当高时，才出现卸载声和钻屑量突然增多。在非保压方式下，压力

24、达到100MPa时才出现上述现象。若保持压力不变，则压力达60MPa时就会产生卸载声和钻屑量突然增多。而井下的实际情况介于保压和不保压两种特殊加载方式之间。所以认为，在井下只有压力达到80MPa时，才有可能产生钻孔效应。另外，所有试验的各种煤样都出现了钻孔冲击现象。仅有两块例外，在80MPa下尽管钻屑量增多，但未出现过冲击现象。至此，可以把钻孔效应视为煤层冲击的一种缩小了的表现形式，高压力是其前提条件。钻孔效应在井下煤体中不可能经常出现，只有在很高的三向压力作用下才可能产生。试验（肥煤）表明，产生钻孔冲击的下限压力为80MPa。波兰试验用10×10×10cm的煤块，在三向受

25、压状态下，逐步增加各应力分量，从试块一角向煤内钻一个9mm直径的孔。用4种煤样进行了试验。从试验结果看出，临界应力值与煤的单轴抗压强度密切相关。高的抗压强度对应高的临界应力。在临界应力状态下钻孔，钻屑量迅速增多。四、钻屑量与应力之间的关系研究钻屑法的模拟试验和理论研究的目的，在于建立钻屑量与煤体应力之间的定量关系。不少学者在这方面进行了研究。一般都假设钻孔前煤体为均质、各向同性的弹性体，视为具有圆孔的无限大平面应变问题进行处理。并采用库仑摩尔准则为钻孔后出现非弹性变形的屈服准则，把载荷视为静水压力状态下的轴对称问题。但都没有考虑煤在非弹性变形区所出现的应变软化性质（即强度随应变增加而降低的性质

26、）。为了更符合实际，我们则考虑煤的应变软化性质和非弹性变形区的扩容，来建立煤体应力和钻屑量之间的函数关系。考虑煤应变软化的本构方程为 （4-4）式中：C、C 煤的单轴抗压强度和相应的应变； 、非弹性变形区的应力和应变； m塑性介质系数。塑性性质系数m值反映煤岩层屈服后的硬化和软化程度。m值应通过实验室试验，利用反求参数的办法选取，一般在10.4之间。m值小，表明煤体的不稳定程度。煤岩体不同于金属材料，就在于应力达到极限强度后呈应变软化性质。具有冲击倾向煤层的应变软化特性更明显。当处于理想塑性时m0，呈应变硬化时m0；呈应变软化时m0。图4-4 钻孔周围弹塑性分析仍用库仑摩尔准则为屈服条件进行弹

27、塑性分析（图4-4），其平衡方程为： （4-5）屈服条件为： (4-6)式中：r、径向应力和切向应力； q系数， 磨擦角。当r=a时，r=0；在r=R时，即在弹性区和非弹性区交界处应力应该连续，并以此为边界条件，得出考虑应变软化的非弹性区半径R的解析式为： （4-7）当m=0时，上式即为卡斯特那公式。钻孔的非弹性区和弹性区交界处的径向位移UR为 （4-8）式中：E煤的弹性系数； 泊松比；p钻孔前煤体应力；R钻孔半径。目前还未能根据扩容现象建立松散系数的解析式。采用平均扩容系数n进行扩容效应的计算比较简便，按煤体质量不变条件，可求得扩容在内的孔内壁径位移Ua为： (4-9)式中第二项为考虑扩容而

28、产生的影响，建议取n为1.11.2。从而考虑应变软化的扩容影响的钻屑量G与煤体应力p之间的关系式为： （4-10）式中：煤的容重； a成孔后半径。由于弹性变形相对于非弹性变形小得多，可忽略不计。仅考虑非弹性变形产生的附加钻屑量，以建立煤体应力与钻屑量之间的函数关系。煤壁在采动影响下，将依次出现残余强度区、非弹性变形区和弹性变形区。因而在用式（4-10）时，应按钻孔的不同深度，根据煤在刚性试验机上的试验结果，取相应的弹性系数和泊松比。应当注意，式中a为成孔后的半径，不是钻头的半径。理论和实践表明，采用相同钻头钻孔，成孔后的孔径随煤体应力的增加而增大。在特殊情况下，还能出现孔壁破损失稳现象，钻屑量

29、将数十倍地增加。关于这种情况，库克曾在作过阐述，并提出其发生条件为 （4-11） 式中：B煤体非弹性区的应力应变曲线的斜率，近似为常数。采用44mm钻头钻孔，孔径一般为4860mm。但如前述，煤体应力大，孔径增大，钻屑量增多。如果能在实验室测得煤的力学参数，在现场测得钻屑量和平均孔径，那么就可按式（4-10），采用逐步逼近法求出相应的应力。把它和实验室测得的煤的强度值进行比较，就可用以判定冲击地压危险程度，或与钻屑法实验室试验结果相验证，确定钻屑指标。一般情况下，煤体处于非对称载荷下，而式（4-10）是在对称载荷下求得的煤体应力和钻屑量间的关系式。采用有限元法对非对称载荷下圆孔非弹性变形位移求

30、解，按所求值计算由于非弹性变形引起的相应钻屑量，再把它与对称载荷下（=1）由非弹性变形引起的钻屑量进行比较，当=0.25时，其误差不到5，所以式（4-10）在不同侧压比情况下均可适用，并且精度能够满足工程上的要求。试验研究结果表明，钻屑量和粒度组成随压力增加而增大，在趋势上实验室和现场测试情况一致，在数量上试验结果相近。钻屑量的变化反映了煤壁前方应力的变化。应力大，钻屑量就多。煤体过渡到极限应力状态时，钻屑量急速增多，此时钻屑量称极限钻屑量或危险钻屑量。五、冲击危险指标冲击危险指标的确定，是应用钻屑法预测冲击地压的关键。钻屑法作为预测手段，首要任务是建立钻屑量和煤体应力之间的关系，通过钻屑量了

31、解煤体应力状态，确定可能发生冲击地压时的最大钻屑量；其次是了解最大集中应力的位置，即出现最大钻屑量的位置到煤壁距离；第三是分析钻屑的粒度组成、钻进的难易程度、卡钻、震动和微冲击等动力现象与冲击地压发生的可能联系。按照上述三个条件建立冲击危险检测指标，判定冲击地压危险等级。1钻屑量指标指预示有冲击危险的钻屑量。通过现场试验、实验室试验和理论计算方法确定。2距离指标如前所述，为了客观地评价冲击危险程度，必须确定最大支承压力区中的峰值大小，以及峰值位置至煤壁的距离。煤岩的三轴强度试验表明，当围压达到一定程度后，煤样“塑化”，几乎失去冲击倾向。现场实测和理论计算也表明，随着距离的增加，煤层压力剧增，使

32、煤体产生的冲击能量也相应增大。当达到一定深度后，即使在该处形成冲击，由于该区至煤壁之间煤体构成的阻力大，冲击部分的煤体也不能抛向采掘空间。这种深部冲击的动力效应只是产生震动和响声，危害有限。3动力效应指钻进过程中伴随出现的冲击响声、钻杆跳动、卡钻甚至钻杆卡死等现象。由于钻孔过程中孔壁周围煤体突然破裂，挤入孔内，伴有冲击响声，并造成钻杆跳动。严重时能造成钻杆卡住，甚至把钻杆卡死。钻杆卡持是钻孔周围煤体应力高度集中或突然变化的标志。因此把钻杆被卡死作为鉴别冲击危险的一个指标。但是必须注意，钻杆被卡死除与煤体压力有关外，还受施工钻具、施工方法和施工经验的影响，因此要由专职人员采取正确的施工方法和凭借

33、经验确认和鉴别冲击危险。其它动力效应，如推进力变化、纯钻进时间变化、钻孔冲击等，也可作为鉴别冲击危险的参考指标。4钻屑粒度指标在高应力区段钻孔时，由于孔周围煤体已进入极限应力状态，几乎不需钻头参与就发生脆性破坏，所以对煤的研磨较小，排出的钻屑粒度就大。据龙凤矿实测，被保护层的钻屑粒度大于3mm的百分含量平均为26.7，危险层平均为34。实验室试验表明，钻屑粒度随压力机压力增大而增加，在200t（21MPa）以下压力下试验时，粒度大于3mm的百分含量变化在2030之间。在250t（26MPa）以上压力下试验时，变化在2243之间。因此拟定钻屑粒度大于3mm的百分含量小于30时为无直接冲击危险状态

34、，大于30时为危险状态。根据上述确定的冲击危险指标和检测深度范围内，在各段检测深度处给出对应各段冲击危险指标的分段值，以便鉴别冲击危险程度。由于各矿区煤层地质条件和物理力学性质的差异有时很大。因此，为了提高检测结果的可靠性，必须针对具体矿井煤层条件，取得几项符合实际的检测指标。六、钻屑法的实际应用1估测支承压力由于钻屑法能够估测煤岩体应力大小和分布，因而能够用于估测采掘工作面的支承压力大小和分布规律。支承压力的峰值大小，峰值位置至煤壁的距离，以及支承压力显著作用范围，是支承压力的主要特征参数。如前所述，钻屑量的多少与煤体压力有关。实测钻屑量的分布曲线反映了支承压力带的特征。利用上述钻屑量和煤体

35、应力之间的关系式，可以得到钻屑量G与煤层压力P的关系曲线。实际应用时可直接根据实测钻屑量计算或在GP曲线上估计煤层应力，得到支承压力带的特征参数。2鉴别冲击危险防治冲击地压危害的基本原则是及时检测冲击危险及其危险程度。只有鉴别出有冲击危险，才能采取相应的解危措施，并尽早实施解危措施，以防在实施过程中发生冲击地压。显然，采取措施的前提是要判定冲击危险确实存在。因此要求检测方法在时间上和空间上连续，并能便于就地采取措施。钻屑法是目前满足这一要求的理想方法。它能相当可靠地检测出煤层内存在的高应力区。按照各矿确定的冲击危险检测指标，遵照规定的技术规范进行钻屑法施工，根据实测结果就可以鉴别冲击危险。只要

36、在相当的检测深度上出现冲击危险指标规定的数值，则被认为具有冲击危险，应采取解危措施。但是，用钻屑法鉴别冲击危险是带有经验性的，而且不能依据个别钻孔提供的数据，应通过多个钻孔的测试结果，鉴别冲击危险的变化。所以需要施工较多的钻孔。根据这些钻孔提供的数据综合判定冲击危险程度。3检查解危措施的效果经检测确认的有发生冲击地压危险的区段，必须采取解危措施。实施解危措施后，还必须检查解危效果。目前评价卸载效果主要依据卸载后的直接效应，如钻屑量的变化、声响效应等。从理论上讲，检测煤岩体内储存能量的多少，是评价卸载效果的最佳指标。但目前还没有可靠的检测煤岩体内储存能量方法，钻屑法仍是较可靠的方法。通常在实施解

37、危措施时，伴随的卸载现象相当明显，再进行效果检查似乎多余，因此往往造成不被重视，这是不正确的。即使实施卸压钻孔时排粉量相当多，实施卸压爆破效果相当好，但效果检查仍是必不可少的。原因是卸载过程中，煤体应力又要重新分布，应力集中带既向煤壁深部转移，也要向两侧邻区转移，仍可能集中在巷道或工作面附近。实施卸载措施后，应特别注意这种应力转移现象。卸压钻孔、卸压爆破和高压注水等卸裁措施实施后，都存在应力转移问题。因此井下安全措施不仅包括冲击危险的预测和采取解危措施，而且还应进行卸载效果的检查。研究和实践表明，实施解危措施后，支承压力峰值降低，峰值位置向煤体深部转移，打钻过程中一般比较平静，无动力现象。这些

38、都表明煤体已经卸载。龙凤矿和门头沟矿采煤工作面煤层解危前后的典型钻屑量曲线如图4-5、4-6所示。表明钻屑量（支承压力）峰值向煤体深部转移23m，峰值下降约20。图4-5 龙凤矿卸载前后GP曲线图4-6 门头沟矿卸载前后GP曲线第四节 电磁辐射监测法一、电磁辐射监测的原理 煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关。电磁辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害现象的主要影响因素，电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次。研究表明，不同类型的煤、岩石和混凝土在载荷作用下变形及

39、破裂过程中都有电磁辐射信号产生。电磁辐射与含瓦斯煤岩流变破坏之间具有很好的相关性：电磁辐射强度和脉冲数随着载荷的增大而增强，随着加载及变形速率的增加而增强；用同步的声发射实验验证表明，电磁辐射与声发射具有很好的一致性，电磁辐射比声发射对破坏过程更为敏感，见图4-7、图4-8。图4-7 煤岩破坏过程中原始信号 图4-8 声发射与电磁辐射相互关系电磁辐射的强度和脉冲数可作为预测预报含气煤岩材料变形及破裂过程的动态监测指标，二者缺一不可。根据煤岩流变破坏电磁辐射特性及规律，提出了利用煤岩流变破坏电磁辐射特性监测煤岩流变破坏过程及非接触式预测煤与瓦斯突出、冲击地压（岩爆）等煤岩动力灾害危险性的技术方法

40、。掘进或回采空间形成后，工作面煤体失去应力平衡，处于不稳定状态，煤壁中的煤体必然要发生变形或破裂，以向新的应力平衡状态过渡；煤体中的瓦斯也失去动态平衡，在瓦斯压力梯度的作用下，沿煤体中的裂隙向工作面空间涌出，这两种过程均会引起电磁辐射。由松弛区域到应力集中区，应力及瓦斯压力越来越高，因此电磁辐射信号也越来越强。在应力集中区，应力和瓦斯压力达最大值，因此煤体的变形破裂过程也较强烈，电磁辐射信号最强。进入原始应力区，电磁辐射强度将有所下降，且趋于平衡。采用非接触方式接收的信号主要是松弛区和应力集中区中产生的电磁辐射信号的总体反映（叠加场）。电磁辐射和煤的应力状态及瓦斯状态有关，应力高、瓦斯压力大时

41、电磁辐射信号就强，电磁辐射频率就高，应力和瓦斯压力越高，则突出危险越大。电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度和瓦斯压力的大小，因此可用电磁辐射法进行突出预测。二、电磁辐射技术的应用有动力灾害危险时, 工作面煤体电磁辐射信号强度（E）较强, 超过设定的临界值，脉冲数（N）较高, 超过设定的临界值且有向上增长的趋势。没有突出危险工作面煤体电磁辐射信号较弱, 脉冲数较低，均低于临界值。对于没有动力灾害危险的煤层, 工作面煤体的电磁辐射信号非常弱, 脉冲数几乎为零。图4-9为某工作面发生冲击地压前后电磁辐射变化情况。因此可用电磁辐射法对煤与瓦斯突出、冲击地压进行预测。有发生动力

42、灾害危险时，电磁辐射强度和脉冲数超过临界值，采取卸压爆破措施后，电磁辐射强度和脉冲数大幅度降低，低于临界值。图4-10为某工作面测试结果，17日夜班测试超过临界值，工作面停采，早班测试也超过临界值且有增大趋势，此时已达到相当危险的状态。早班工作面采取了卸压爆破措施。采取措施后， 中班进行测试，结果表明电磁辐射幅值大幅度下降，低于临界值，说明防治效果明显。因此，可以用电磁辐射方法检验防治措施的效果。有危险发生冲击有危险发生冲击图4-9 华丰矿冲击地压前后电磁辐射变化规律有危险有危险无危险无危险图4-10 有灾害危险采取防治措施前后电磁辐射幅值变化情况三、功能特点及使用范围1功能特点1）电磁辐射技

43、术及监测仪实现了非接触、定向、区域及连续预测。2）信号的采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动完成。3）监测仪具有人机对话、远程PC机（上位机）控制（或本地键盘控制）、定向接收、数据处理、数据存储、数据查询和报警等功能。2使用范围1）矿山冲击地压的预测预报2）煤与瓦斯突出的预测预报3）其它煤岩动力灾害现象的预测预报4）矿井采掘工作面前方应力状态的监测四、监测方法采用监测仪对煤岩体可进行定点长时实时监测和多点动态跟踪监测。定点长时监测就是在巷道中选定某一测点，监测选定区域内煤岩体在采掘过程中电磁辐射的变化。多点动态跟踪监测就是随着工作面的进尺，在工作面不同位置布置测点，监测进尺后工作面前方煤岩

44、体的电磁辐射及其变化规律，以预测工作面前方煤岩体的动力灾害危险程度。对于回采工作面，也需对上、下顺槽进行监测。对于现场工作面预测，以多点动态跟踪监测为主，每点监测时间为230分钟即可，如条件允许，最好进行长时定点监测。KBD5矿用本安型煤与瓦斯突出(冲击地压)电磁辐射监测仪是通过电磁辐射强度值和脉冲数两个参数指标三个值（电磁辐射强度极大值Emax、电磁辐射强度平均值Eavg和电磁辐射脉冲数N）来监测工作面突出或冲击危险程度的。属于下列情况之一的区域就具有发生动力灾害的危险性：1）当电磁辐射强度极大值或脉冲数值超过某一临界值时，仪器自动报警；2）电磁辐射脉冲数或强度（极大值和平均值）指标具有明显

45、的增强趋势，则表明有动力灾害危险，应采取措施；3）电磁辐射强度或脉冲数值明显由大变小，但一段时间后又突然增大。此种方式最为危险，特别是对于冲击地压，应立刻采取措施。对一般矿区，电磁辐射强度平均值报警临界值为150，电磁辐射极大值的报警临界值为200，电磁辐射脉冲数临界值为1000。但对于某一特定矿区，可根据其电磁辐射水平比较确定，初期可简单按无突出危险煤层工作面的电磁辐射值的1.5倍作为临界值。第四节 地音流动监测法20世纪60年代前苏联、波兰等国把地音监测用于煤矿井下预测冲击地压，并相继研制出可进行流动监测的便携式地音仪。我国20世纪70年代开始这方面的研究，北京、大同、抚顺等矿务局曾采用B

46、D41型岩体声发射仪，井下进行流动检测试验和应用，作为辅助手段配合钻屑法进行冲击地压的预测工作。某些材料在外力作用下，会发射出音频和超音频范围内的弹性波，即声发射现象。煤岩体也有声发射现象常称地音。声发射的原因与煤岩体在变形和破坏过程弹性能的突然释放有关。对多晶材料或含有裂隙的材料其内部的应力场和强度是不同的。在外力作用下，整体变得不稳定之前，局部就会呈现不稳定状态。随着载荷增加，裂隙贯通、扩展并释放能量。声发射正是这种扩展过程中的声学效应。声发射的强弱反映了煤岩体破坏的能量释放过程，是评价煤岩体破坏的信息。研究结果表明，煤岩体声发射等前兆现象，出现于煤岩体破断初期。我们感兴趣的是前兆现象超前

47、破断时间的长短，它取决于破裂尺度。实验室中试件的试验时间是很短的，而在大断裂情况下则是很长的。图4-11为试验证明的出现前兆现象与后来发生断裂带长度的关系。可以看出，在矿井中发生的冒顶和冲击地压，前兆超前时间由 7 min至1d变化不等。这就足以预测预报，以便撤人和采取解危措施。图4-11 预兆现象的时间超前煤岩的声发射现象及伴随的声信号（地音）是随机瞬态过程，包含有很宽的频率成分。相邻两次声发射现象不具有重复性，其时间间隔等参量带有很大的随机性。而且每次声信号又都有自己的特殊的频率谱。此外，地音在井下是大量存在的，所以一般用数理统计和模糊数学的方法，藉助某些地音参量来描述。常用的基本参量有事

48、件数、能率和振时等。接收到的一次独立的波动过程，例如一次脉冲，称为一个事件。一个事件是由一组强弱不等的脉冲组成，如果人为规定一些条件，例如按实测噪音背景设定阈值和信噪比，满足这些条件的事件称有效事件，否则为无效事件。按照最大振幅的高低可将事件分级，例如大事件、小事件等。一定时间内事件之和称事件累计值。单位时间内的事件数称事件频度，相应的单位时间内所有事件的累计振动延续时间称振时。根据地音仪接收到的地音信号振幅和振时延续时间可求得地音能率（能率为一个无量纲值）。国产便携式地音仪由探头和主机两部分组成。探头安设于待测地点的煤岩体的检测孔中，用于接收地音，并把它转换成电讯号。主机用于处理并放大电讯号

49、，然后以数字显示检测结果。检测参量包括每分钟的大事件数、小事件数、振时和能率。检测孔要求距监测目标为15 m左右。检测制度根据需要而定，每次单孔监测可按10min计算。采用地音仪预测冲击危险的关键是制定评价冲击危险的确切准则或前兆信息。北京矿务局等单位通过试验，根据地音基本参量及其派生参量的变化，来评价煤岩体应力集中情况和冲击危险程度。其冲击前兆主要表现为能率 E、大事件数 N和事件能率 E/N的多次突变和跃升，而后出现声发射平静期。第五节 煤层围岩压力-变形观测法图4-12 工作面前方支承压力的动态变化采掘活动在煤层和顶底板中将引起各种形式的矿山压力显现，其中支承压力有着特殊的意义。支承压力

50、的大小、分布是多因素影响的结果。在发生冲击地压过程中，支承压力特别是动压显现起着重要作用。因此利用它的显现规律可以预测冲击地压。一般情况下，支承压力的动压显现与工作面煤壁边缘区的稳定性有关。当边缘区未被压坏时，随着采煤工作面的推进，支承压力的大小和峰值也随之变化，其峰值愈靠近煤壁（如图4-12中的曲线1）冲击危险性也愈大。由于顶板岩层各分层的不同变形和破坏，造成支承压力的动压显现具有复杂的特征。特别是由于采煤，随着空顶跨距增大，或顶板垮落造成边缘区煤体迅速加载或突然卸载，以及爆破落煤时发生冲击性加载情况等。当边缘区被压坏时，边缘区煤体和顶底板的变形将随时间增加而增大，峰值向煤壁深部转移（图4-

51、12中的曲线2）。当边缘区只被压实而尚未被压坏前，支承压力分布曲线如曲线3所示。特别是存在厚层高强度顶板的情况下，顶板的破断状态往往对冲击地压起决定性影响。这是由于悬顶断裂引起震动，诱发煤层冲击。另外在顶板在下沉过程中，由于重力和水平应力（例如地质构造应力）导致顶板岩块的动力破碎，突然大量释放变形能而造成顶板冲击。显然，煤层内的压力分布和破裂特性，以及顶板（特别是老顶）的周期性断裂与冲击地压的产生有重要关系。 当出现下列情况之一，即：l）煤层的支承压力强度升高，峰值位置靠近煤壁；2）顶板下沉速度增大，而煤层的侧向变形（压出）减小，甚至停滞；3）顶板下沉速度急增，或者相反，几个班、甚至更长时间的

52、顶板下沉滞后；4）老顶周期性断裂时（包括断裂位置和时间），都预示着存在冲击地压危险。通过观测，掌握上述规律和检测指标，能达到预测的目的。对于存在厚层高强度砂岩顶板的情况，观测变形和周期性断裂规律，对预测冲击危险有重要意义。顶板的急速下沉，引起煤层突然加载或顶板突然断裂，引起震动，都可能诱发冲击地压。枣庄矿务局陶庄矿在 2#煤层 272水采区开采过程中进行了围岩动态观测。该区开采深度 496644 m，煤层厚度 25.5 m，顶板为厚 2040 m的中粒石英砂岩，采用倾斜短壁式水力采煤。观测结果认为，采场推进过程中，由于煤体支承能力的改变和上覆岩层运动状态的不断变化，造成支承压力的动态变化，使水

53、采区煤体支承能力瞬间超载，范围一般为 1020m，采场老顶存在两个岩梁，其来压前后都有可能导致冲击地压，但大部分是在老顶明显运动之后发生。观测中多次冲击地压就发生在采场来压前后，仅在该区4、5号水道发生的38次冲击地压中，有一半发生在采场来压前后。通过顶板显著运动和煤体承载能力的显著超载可用于预报冲击地压可能发生的地点和时间。图4-13为掘进枪眼时发生冲击地压的观测实例，从11月29日起，3#和4#号测点移近速度明显增大，至12月2日达峰值。表明老顶岩梁达极限垮度。在断裂前夕，压力向断裂线两侧集中，断裂线位于两测点之间，12月2日岩梁断裂，两测点间支承压力高度集中，于是在该部位掘进的13号枪眼

54、中发生冲击地压。冲击地压发生后，应力释放，移近速度下降。4日两测点的移近速度又回升，表明压力转移，其中3#测点移近速度回升是由于第一岩梁断裂后显著沉降，压力向工作面方向转移的结果，而扩测点的回升是由于第一岩梁上部岩层重力作用引起的支承压力向煤体深部转移所致。显然，高应力区转移到4#测点以远。图4-13 掘进枪眼时形成冲击地压时矿压观测a观测结果；b观测地点 利用钻孔油压枕观测煤岩压力变化认为，冲击地压发生前后，煤壁附近处于压力降低过程中，压力降低可提前十多个小时出现，下降幅度0.0 30.1kN。反映了煤层长时间压缩之后，一旦减压，则侧向变形增强，煤层挤出速度超过顶板下沉速度。第六节 地音和微

55、震监测系统在煤岩介质中，出于采掘活动引起的高应力集中，造成采掘空间周围岩的震动、破裂和突然卸压出现一系列具有动力特征的声发射现象，可以认为上述动力现象是煤岩结构破坏和裂隙扩展或灾害性事故的前兆信号。观测和记录这些现象（例如地音和微震强度的增加）就可以预测冲击危险。地音和微震监测系统与其它矿区监测法则比，在时间可以不间断地进行实时监测，在空间上不再局限于“点”或“线”的测量，其监测范围是采矿活动的一定空间并可借助计算机运用数理统计等方法进行预测。两种系统都采用了自动遥测方法记录和传输信号。当前我国和世界各主要采矿国家都在试验和应用这类方法。地音监测系统是一种连续动态的监测系统，其监测方法通常是在

56、监测区内布置地音探头，根据生产地质条件配置事件有效性检测条件和统计控制等工作参数，由监测装置自动采集地音信号，经微机实时处理和加工，完成统计报表和图表，由工作人员结合采掘工程进度判断监测区域内的地音活动程度和危害程度。地音监测系统通常有1632A道，最多可同时监测48个采煤工作面。例如MA0104E地音监测系统的监测方法如图4-14所示。 地音监测系统的特点是：图4-14 地音监测系统 1）能自动、连续和远距离监测工作地的地音信号。由于采用计算机作为系统主机，所以其信号采集、数据整理和贮存、监测结果的分析、图表打印等能自动完成，而且系统在时间上是连续工作的，在空间上可以在10 km 范围内布置监测区，每个探头的有效测监范围对煤矿为半径100m。 2）能连续遥测，进行实时自动数据修理。监测结果与工作参数一起以班为单位存入数据库。根据监测结果目录随时调出已存入的监测结果，显示、打印各种统计参任意组合的统计图表。可以实时显示及打印通道噪音、地音波形图、监测结果