冲击矿压第171讲

1、第17讲冲击矿压【本讲大纲】1.冲击矿压补充内容国内外冲击地压灾害及其研究现状【笔注】【内容详解】国内外冲击地压灾害及其研究现状冲击地压现象1738年首次发生于英国，至今已有包括德国、南非、波兰、俄 罗斯、美国、加拿大、中国、日本和澳大利亚等20多个国家和地区发生过冲击地 压。我国，1933年在抚顺胜利矿最早发生冲击地压，到1985年我国冲击地压煤矿 为32个，主要分布在北京、枣庄、抚顺、大同等局矿，开采深度平均为600 - 750 米。截止到2002年，我国发生冲击地压的矿井已达70个，开采深度也达到750 -1150米。我国煤矿矿井大多建于五六十年代，随着时间的推移和矿产资源开发 向深部转

2、移，这些矿井将逐步进入深部开采，冲击地压灾害问题将更加严重、更 加突出、更为普遍。世界范围内最早开始研究冲击地压问题的是南非，而对冲击地压问题的系统 认识和专门研究是20世纪50年代开始的。我国是20世纪70年代对冲击 地压进行研究的。尽管世界各国已同冲击地压进行了近70年的斗争，但世界范围内的冲击地压 问题还远没有解决，最近几年我国煤矿冲击地压灾害的频繁发生更证明了这一点。 由此可见，煤矿冲击地压问题是相当严重的，如何深入开展冲击地压发生机理的 研究，提高矿井煤岩体冲击危险性评价的准确性和冲击地压防治的有效性，对保 证矿井安全、高效生产，具有十分重要的理论与现实意义。煤矿动压现象概念、冲击矿

3、压特点及其分类煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤岩体，在一定的条 件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等 明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。这种动压现象并不是每个矿井都会发生，它也是可以防治的。煤矿动压现象 的成因和机理各地不完全相同，它的显现形式也有差异。因此，正确地区分各种 :兰永伟 动压现象的实质，对深入研究和制定相应的防治对策。都有重大的实际意义。目前，根据动压现象的一般成因和机理，可把它归纳为三种形式，即冲击地压、顶 板大面积来压和煤与瓦斯突出。冲击矿压冲击矿压是煤矿开采过程中承受高应力的煤岩体突然破坏而释放弹性能的矿 山压力

4、动力现象。特征：.伴有很大的声响，岩体震动和产生冲击波；.有时向采空空间抛出大量的碎煤或岩块，形成很多煤尘；.有时还释放出大量的瓦斯。危害：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。导致巷道支架遭到破坏，设备移动和空间被堵塞。还会引发或可能引发 其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通分系统，严重时 造成地面震动和建筑物破坏等。2 .冲击矿压特点突发性；冲击矿压一般没有明显的宏观千兆而突然发生，冲击过程短暂，持续时间几 秒到几十秒，难以事先准确确定发生的时间、地点和强度。(2)瞬时震动性；冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强

5、烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几千米甚至几十 千米，地面有地震感觉，但一般震动持续的时间不超过几十秒。巨大破坏性；冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突 然开裂鼓起甚至接顶；常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；从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨 大的生产损失。(4)复杂性。在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从2001000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，都发 生过冲击矿压。在生产技术条件上，不论炮采、机采或是综采，全部跨落

6、法等各 种采煤工艺，不论是长壁、短壁、房柱式或煤柱支撑式等各种采煤方法都出现过 冲击矿压。3、冲击矿压类型：.根据原岩体应力状态不同，冲击矿压可分为三类： :兰永伟(1)重力型冲击矿压；主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击矿压。(2 )构造应力型冲击矿压；若构造应力远远超过岩层自重应力时，主要受构造应力的作用引起的冲击矿 压。中间型或重力-构造型冲击矿压。它是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击矿压。.根据冲击的显现强度，可分为四类：弹射：一些单个碎块从处于应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于 微冲击现象。矿震：它是煤、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生

7、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动，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、机器和设备基本上没 有损坏，围岩产生震动，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。冲击：部分煤或岩体急剧破坏，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和 围岩震动，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。.根据震级强度和抛出的煤量，可将冲击矿压分为三种：轻微冲击(I级)。抛出煤量在10吨以下，震级在1级以下的冲击矿压。中等冲击

8、(II级)。抛出煤量在1050吨，震级在12级的冲击矿压。(3 )强烈冲击(III级)。抛出煤量在50吨以上，震级在2级以上的冲击矿压。4、冲击矿压对环境的影响.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，破坏巷道周围煤岩 的结构及支护系统，使其失去功能。.对矿工的影响在发生冲击矿压区域如有工人工作，则可能对其产生伤害，甚至造成死亡事 故。波兰的分析结果表明，发生冲击矿压后，人员受伤的主要部位是脑部，占 91.65%，其次是胸部的机械损坏，包括肋骨折断等，占60.41%。而内部器官的 损坏主要是肺、心、胃等，占18.75%，再次为上下肢的折断。咄产发夸记教学笔记3）.对地

9、表建筑物的影响矿山震动和冲击矿压不仅对井下巷道造成破坏，伤害工作人员，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。3.冲击矿压发生机理一、冲击地压发生的原因及实现条件:冲击地压发生的根本原因：强度比较高的煤（岩层），受构造运动和采场推进影响而形成的高度应力集中 和高能级的弹性变形能的储存。实现的条件：没有采取释放应力和能量的措施，在可能有高度应力集中和高能级弹性能释 放的部位推进采掘工作面。二、冲击矿压发生的影响因素冲击矿压影响因素分析：冲击矿压发生的原因是多方面的，但从总的来说可以分为三类，即自然地质 因素、开采技术条件和组织管理措施。自然地质因素：主要是原岩应力，主要由岩

10、体的重力和构造残余应力组成。实践表明，在一 定的采深条件下，比较强烈的冲击矿压一般会出现在煤系地层中具有强度高的岩 层，特别是在煤层顶板中有坚硬厚层砂岩的情况。冲击矿压危险的倾向是由煤岩的特性决定的。一般是煤的强度大，弹性好， 冲击矿压的倾向性就高。开采的技术条件：开采引起的局部应力集中。如坚硬的顶板条件下较大的悬顶，造成较大的应 力集中，煤柱造成的应力集中等等。地质条件对冲击矿压的影响：1）开采深度煤层在无采动影响的三向应力状态下所积聚的弹性变形能包括体积变化的弹 性能和形状改变的弹性能。需要指出的是，煤层被采动后，各种巷道和工作面周 围岩体内将发生应力重新分布，其应力集中系数一般其应力集中

11、系数一般可达2 3或45。若有煤柱或其它采掘工作影响时，应力集中系数还要更大，此时的最 大切向应力b =。因此，在开采过程中，煤层内所积聚的弹性能将很高。假设煤层中的形变弹性能被塑性变形所吸收，则体变弹性能全耗于破坏煤体 和使其产生运动。若不计应力集中的影响作用时：“ G - 2）（ + *“U =y 2 H 2v 6E （1 一 u）2，则U = C y 2 H 2V 6 E设煤在单向载荷时的抗压强度为Rc ,则用于破碎煤块的单位体积所需的能量U1为：按能量准则有由此化简得若考虑巷道周边的煤块是处于双向受力状态，则所需要能量比U1要大。现用 一系数K（K0 1）来表示，则破碎单位体积的能量气

12、为U U(y H )2 K 写6 E0 2 EH 1.73 土K y C这里H就是发生冲击矿压的临界深度。释放出来的动能为：Cu _u u _ C(yH* -3K R2=V 2 =6 E但上两式不能做定量计算使用，因为对具体矿井来说，一些实际条件是复杂 的。两式只说明，达到一定开采深度是形成冲击矿压的一个基本条件。实际资料 也证明，多数矿井的开采深度达到200m以上时，才会发生冲击矿压，并且发生的 频次和强度都随着深度增大而增加。2）煤岩力学特征发生冲击矿压的必要条件是形成较大的集中压力和积聚较多的弹性能。这就 要求顶底板岩层比较坚硬，煤层具有脆性。一般有冲击矿压发生的煤岩体，在破 坏前的全部

13、变形中，弹性变形所占比重大，而塑性变形所占比重小。据研究，如 弹性变形部分占50%80%时，则具有发生冲击的危险；如弹性变形只占20%50%， 则无冲击危险。所以，煤和岩石的弹性模量及其强度指标可以作为发生冲击矿压 倾向度的一个特征。国内外实验证明，煤层的弹性模量（46 ）x 102kN/cm2时， 开始有表面冲击；达到2.44.0kN/cm2时时，则发生冲击。弹性能与所受载荷的平方成正比，与其弹性模E成反比。这可以说明在相同 的应力下煤层可能发生冲击，而强度大的岩层则可能不发生冲击。3）顶板岩层的结构特点研究表明，顶板岩层结构特别是煤层上方坚硬厚层砂岩顶板是影响冲击矿压 发生的主要因素之一，

14、其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。 在坚硬顶板破断过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层 型（冲击压力型）冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压。煤层厚度对发生冲击矿压也有影响。据波兰19521957年的统计资料，厚度 48m的煤层比在12m厚的煤层中发生冲击矿压的次数大6倍。不过其中也有采 煤方法等因素的影响。煤的湿度也有影响作用。因为煤层含水后，可使煤层的弹性减小，强度降低， 塑性增加，能够减缓发生冲击矿压的危险。4）地质构造因素通常，在地质构造带中尚存有一部分地壳运动的残余应力，形成构造应力场。 在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常（如底板凸起、顶板下陷、煤层分

15、贫、变薄 和变厚等现象）等构造带。冲击矿压就常常发生在这些构造应力集中的区域。开采技术对冲击矿压的影响开采技术条件可以促使冲击矿压发生。它主要体现在两方面，一是人为地形 成应力集中，增大发生冲击矿压的危险性；二是改变应力状态和产生震动，可以 诱发冲击矿压。具体表现如下。1）采煤方法各种采煤方法的巷道布置和管理顶板方法不同，所产生的矿山压力和分布规 律也不同。一般来说，短壁体系（巷柱或刀柱）采煤方法由于开掘巷道多，巷道 交岔多，遗留煤柱也多，形成多处支承压力叠加，容易发生冲击矿压。2）上覆煤层工作面停采线和煤柱的影响上覆煤层工作面的停采线和煤柱形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威 胁，使冲击矿

16、压的危险性有很大的增加。3）采掘顺序采掘顺序对形成矿山压力的大小和分布有很大关系。巷道和回采工作面相向 推进，以及在回采工作面或煤柱中的支承压力带内掘进巷道，都会集中应力叠加， 而发生冲击矿压（如图）。此外，若由于开采顺序不当，使相邻区段追逐回采，采 场形状不规则或留下待采煤柱等，也都会增大集中应力，造成发生冲击矿压的条 件。4）.放炮放炮产生震动，引起动载荷。一方面能使煤层中的应力迅速重新分布而增加 煤体应力；另一方面能迅速解除边缘侧向约束阻力，改变煤体的应力状态，由三 向压缩变为二向压缩，使其抗压强度下降，导致迅速破坏。因此，放炮具有诱发 冲击矿压的作用。三、冲击地压发生的机理及判据冲击矿

17、压发生的物理过程，主要是说明煤、岩介质变形破坏的力学过程，称 为冲击矿压的机理。只有在搞清楚其形成机理的基础上，才能正确认识它的成因， 建立判别发生的准则，了解防治原理和指定有效的防治措施。目前对冲击矿压机理的认识可主要概括为：强度理论，能量理论、冲击倾向 理论。1 ）强度理论该理论认为，煤岩体破坏的原因和规律，实际上是它的强度问题，即材料受 载后，超过其强度极限时，必然要发生破坏。具有代表性的夹持煤体理论认为，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

18、体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。强度理论解释了冲击地压的一些现象，具有简单、直观和便于应用的特点， 但对冲击地压的力学特征的描述不够，特别是对于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，但并没有都发生冲击矿压，只有少数情况发生突然 破坏形成冲击矿压、强度理论无法解释这些事实，这说明强度理论提出的判据不 过充分。2）能量理论Cook等人在上世纪60年代对南非15年来冲击矿压的防治情况总结后指出： 当煤-围岩体系在其力学平衡状态受到破坏时所释放的能量大于所消耗的能量 时，就发生冲击矿压。能量理论没有说明煤-围岩体系平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩 释放能量的条件。3）冲击倾向理论煤岩介质产生冲击破坏的能力称为冲击倾向。由此，可利用一些实验或实 测指标对发生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。四、冲击地压的防治措施根据发生冲击矿压的成因和机理，防治措施的基本原理有两方面：一是降低 应力（能量）的集中程度；二是改变煤岩体的物理力学性能，以减弱积聚弹性能 的能力和释放速率。1）降低应力的集中程度超前开采保护层无煤柱开采合理安排开采顺序，避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在回采工作面 前方掘进巷道，必要时应在岩石或安全层内掘