冲击地压理论与技术

1、冲击地压理论与技术齐 庆 新2008年7月1提 纲 第一讲 基本概念第二讲 我国冲击地压现状与研究进展第三讲 冲击地压技术规范第四讲 冲击地压预测与防治21、我国冲击地压现状世界范围有记载的第一次冲击地压于1733年英国南斯塔煤田发生，我国最早冲击地压发生在1933年的抚顺胜利矿。31、我国冲击地压现状我国冲击地压发生范围 北京、枣庄、抚顺、阜新、辽源、大同、天池、开滦、新汶、徐州、义马、鹤壁、双鸭山、鸡西、七台河、淮南、大屯、韩城、兖州、华亭、古城、贵州等近100个矿区（井）4我国冲击地压灾害日趋严重 截止2006年年底，新发生冲击地压的矿井近70个，分布范围扩大到新汶、徐州、兖州、华亭等局

2、矿，发生冲击地压矿井已达100余个。开采深度已达到7501250 m仅2001年至2006年6月底，在大同、抚顺、北京、华亭、大同、阜新等局矿因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达10余起，死伤人数达数百人。薄煤层也相继发生冲击地压：七台河桃山矿1、我国冲击地压现状502004006008001000198519901995200020052010年份采深/M020406080100120140数量冲击地压矿井平均开采深度冲击地压矿井数量冲击地压矿井数量与采深随时间变化6我国比较严重的冲击地压矿井1)新汶矿业集团公司华丰煤矿2)黑龙江省龙煤集团公司七台河矿业公司3)徐州矿务集团公司三河尖煤

3、矿4)义马煤业集团公司跃进煤矿5)义马煤业集团公司千秋煤矿6)抚顺矿业集团公司老虎台煤矿7)兖州煤业股份公司东滩煤矿8)兖州煤业股份公司济三煤矿9)甘肃省华亭煤业集团公司华亭煤矿10)甘肃省华亭煤业集团公司砚北煤矿11)开滦集团公司赵各庄矿业公司12)开滦集团公司唐山分公司13)淄博矿业集团公司唐口煤矿14)北京昊华能源股份有限公司木城涧煤矿15)平顶山天安煤业股份公司十矿16)阜新矿业集团公司五龙煤矿72.1 我国冲击地压研究情况研究单位：煤炭科学研究总院北京开采所（天地开采事业部）、辽宁工程技术大学、中国矿业大学等。山东科技大学、北京科技大学、东北大学、中国地震局地壳所、长沙矿山研究院等研

4、究成果：机理、冲击倾向试验研究、钻屑法研究、地音微震监测系统研制、保护层开采、防治措施、坚硬顶板处理、深孔爆破技术、采动应力监测技术2、我国冲击地压研究进展8煤科总院北京开采所相关科研成果及在冲击地压方面所做的工作1981：开始“门头沟煤矿二槽煤冲击矿压防治研究” 19861990：国家“七五”攻关项目“冲击地压预测与防治”，成果获国家科技攻关奖1991:进行地音和微震监测系统的国产化研究并成功开发出MA0104E地音监测系统与BD4-I型便携式矿用地音仪1994：深部开采冲击地压新机理的研究、煤岩声发射震源定位方法研究（煤炭基金项目）91997：华丰矿冲击地压综合防治技术项目上，能源部重点项

5、目，获山东省科技进步二等奖。2000:主持制订煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法、岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法煤炭行业标准，是目前国内进行煤岩冲击倾向性鉴定的权威部门。2004：新汶矿区冲击地压成因与综合治理技术研究，引进国际上先进的微震监测系统ARAMIS/M并用于华丰煤矿冲击地压监测2005：“973”项目 ：高强度开采冲击地压发生机理研究，国家自然基金项目：高强度开采冲击地压与瓦斯灾害相关性研究2006：广泛开展与北京、新汶、华亭、淄博、兖州、大同、抚顺等矿区的合作，科研经费达500万元/年以上。煤科总院北京开采所相关科研成果及在冲击地压方面所做的工作10试验仪器与设备（北京开采所

6、）德国WPM25kN型材料试验机德国WPM1000kN型万能试验机采集速度为0.1 ms的高速计算机数据采集处理系统(HCD)MDG动态电阻应变仪KC型静态电阻应变仪配套的载荷和位移传感器北京开采研究所岩石力学实验室目前已完成50余个矿井煤岩层的冲击倾向性鉴定（北京、开滦、新汶、徐州、兖州、淄博、义马、华亭、鹤岗、双鸭山、临沂、七五等局矿）煤科总院北京开采所相关科研成果及在冲击地压方面所做的工作11部分实验室设备122.2 冲击地压机理研究的进展“三因素”机理强度弱化减冲机现132.3 冲击地压预测研究的进展冲击危险性评价综合指数法地质动力区划数量化理论计算机模拟冲击危险性预测钻屑法微震法地音

7、法电磁辐射法采动应力监测14综合指数法影响冲击地压的主要因素有地质方面的因素,也有开采技术方面的因素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。2.3 冲击地压预测研究的进展15Wri为地质因素、开采因素确定的冲击地压危险指数；Wimax 为表中第i个地质或开采因素的中的最大指数值;wi为分析地点周围第i个地质或开采因素的实际指数；n1、 n2分别为地质因素、开采因素的数目 2.3 冲击地压预测研究的进展16

8、Wr=maxWr1 ,Wr2 Wr 为某采掘工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数。这样就可以圈定评价区域冲击地压危险程度及危险等级。缺点：量化标准人为制定，量化易受打分者感情的控制，量化常凭经验进行。因此，量化的结果很难做到客观、精确、可靠。 2.3 冲击地压预测研究的进展17地质动力区划法地质动力区划是地质动力学的一个新分支，它基于板块构造学说，根据地形地貌的基本形态和主要特征决定于地质构造形式的原理，通过对地形地貌的分析，查明区域断裂的形成与发展，综合应用地应力测量、数值分析和模糊推理等技术手段，查明影响冲击地压发生的各种因素。 地质动力区划方法把矿区活动构造体系、采矿工艺过程和冲击地

9、压的发生看作是一个动态体系，建立地质动力区划决策支持系统。 2.3 冲击地压预测研究的进展18结果输出可视化系统地质动力区划地应力测量活动构造划分活动性评价岩体应力分析地质钻孔实验研究确定构造形式建立地质模型应力量值和方向最大主应力应力梯度顶板岩性煤质岩性样本煤质样本形成多因素数据库概率预测方法多因素模式识别地质动力区划工作流程图19地质动力区划断块划分比例范围序号查明断块构造所用的地形图比例尺断块构造部分断块级别地形图比例尺1巨大断块1：4000万2巨大断块1：2500万3巨大断块1：1200万4巨大断块1：600万5断块1：250万6断块1：100万7断块1：20万1：10万8断块1：5万

10、1：2.5万9断块1：1万10断块1：50001：200020某矿级断块图21某矿4煤层顶板最大主应力图22某矿2煤层顶板构造应力区划分23数量化理论方法数量化理论是多元分析的一个重要分支，是专门处理定性数据的有力工具，它以0和1标记反应值，运用多元分析的原理和方法揭示事物的内在规律。数量化理论根据变量在研究问题中所处的地位的不同，可以把变量分成说明变量（自变量）和基准变量（因变量）两种。变量又可分为定量变量和定性变量。对于定性变量及其数据，设法按某一合理的原则，实现向定量方面的转化，并以得到的定量数据为基础进行评价或分类等研究，就是数量化理论的内容和目的。评价项目和类目的设置变量称为项目，项

11、目的不同取值 称为类目冲击危险性中，19个评价项目，共47个类目2.3 冲击地压预测研究的进展24冲击危险性评价项目类目设置表X4煤层脆性25通过建模及计算，将样本值与评价值比较：26甲煤矿冲击危险性等级确定表分级各危险等级中心坐标距中心坐标距离（采取防治措施前）距中心坐标距离（采取防治措施后）1级V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.300.242级V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24)0.350.223级V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.200.224级V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.230.095级V5(0.14，-0

12、.23，-0.85，0.32)0.100.176级V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.190.27从表可以看出，防治措施未采取时，评价区域的得分坐标与5级冲击危险性的中心坐标距离最近，因此属于强冲击危险。而采取防治措施后，评价区域的得分坐标与4级冲击危险性的中心坐标距离最近，因此属于中等冲击危险。评价结果表明解危效果不好，应进一步采取防治措施 27乙煤矿冲击危险等级确定表分级各危险等级中心坐标距中心坐标距离（采取防治措施前）距中心坐标距离（采取防治措施后）1级V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.550.472级V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24

13、)0.340.243级V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.470.324级V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.320.305级V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32)0.400.306级V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.480.41从表可以看出，防治措施未采取时，评价区域的得分坐标与4级冲击危险性的中心坐标距离最近，因此属于强冲击危险。防治措施实施后，评价区域的得分坐标与2级冲击危险性的中心坐标距离最近，因此属于弱冲击危险。评价结果表明防治效果较好，措施得当28微震监测法微震是在矿山条件下，煤岩体在受力变形过程中以较低频率（f1

14、00Hz）震动波形式释放变形能所产生的震动效应。微震法就是记录采矿震动的能量，确定和分析震动的方向，对震中定位来评价和预测矿山动力现象。微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行监测。其原理是利用井下拾震仪站接收的直达P波起始点的时间差，在特定的波速场条件下进行二维或三维定位，以判断破坏地点，同时利用震相持续时间计算所释放能量和震级，并标注采掘工程图和速报显示给生产指挥系统，以及时采取措施。微震监测已成为矿山地震预报的重要手段，目前南非、波兰、捷克和加拿大等国已形成了国家型矿山地震监测网，并在冲击地压预测预报中得到了广泛应用。2.3 冲击地压预测研究的进展29微震监测法波兰的AREMIS/M系统具

15、有较强监测和定位的功能，对微小震动事件的监测和定位精度高等优点是常规地震仪所无法达到的。由于波兰在煤矿微震监测技术、设备研发及数据处理上具有20余年的实践经验，软硬件系统具有较好的实用性，是目前世界上最为先进煤矿用大范围微震监测系统。AREMIS微地震监测系统主要是全矿井大范围冲击地压灾害监测系统，可以实现对微地震信号的定位与处理，并在此基础上预测冲击地压灾害的发生。其优点在于：是用于冲击地压监测的专用设备定位精度高，误差较小专业处理软件可实现对微震动与微地音的各种参量的准确分析与处理2.3 冲击地压预测研究的进展30微震监测法ARAMIS M/E微震监测系统有三部分组成：由ARAMIS WI

16、N软件（震动定位和震动能量计算）和HESTIA软件（冲击地压危险性评价）组成的数据后处理部分。地面微震监测系统：该部分包括：地面SP/DTSS信息收集站，信息传输系统（DTSS），OCGA数字信号接受装置、配备GPS时钟的ST/DTSS传输系统控制模块、主通道切换模块以及SR 15-150-4/11 I型配电装置，数据传输采用无线信息传输，地面共布置4个微震监测分站。井下微震监测系统包括SN/DTSS信息发射站， SPI-70地震检波器以及NSGA震动信号发射装置，数据传输采用有线信息传输。可以对矿井冲击地压危险程度进行评估。2.3 冲击地压预测研究的进展31ARAMIS M微震监测系统示意图

17、 32：井下监测站 ：地面监测站华丰煤矿微震监测拾震器布置图33震动事件波形图34使用ARAMIS /M微震监测系统在华丰煤矿的监测结果35采动应力监测系统 （KMJ-30采动应力监测系统）主要监测在工作面推进过程中，煤岩层受采动影响的应力变化规律。通过合理布设测点（压力传感器、振动传感器），实时监测采动面纵向、横向等的应力变化规律，并进一步对冲击地压的危险性进行预测和评价。 地面中心站的PC机通过拨号的方式对采动监测分站的数据进行接收并实时存储、显示、打印。如果需要可以对矿区地面计算机以C/S或B/S方式进行组网，通过网络察看应力变化曲线和分析的结果。 2.3 冲击地压预测研究的进展36KM

18、J-30采动应力监测系统结构图37矿用本安型KMJ-30采动应力监测系统主 机38矿用本安型KMJ-30采动应力监测系统电话交换机与供电电源39地面处理软件主控界面矿用本安型KMJ-30采动应力监测系统40钻孔应力计安装示意图41应力等值线图 422.4 冲击地压防治研究的进展防范措施合理的开拓布置和开采方式开采保护层解危措施深孔断顶爆破煤层卸载爆43深孔断顶爆破基本原理实践表明，造成大面积来压和冲击地压的主要原因是由于顶板坚固难冒，煤层也很坚硬，形成顶板-底板-煤体三者组合的刚度很高的承载体系。具有聚集大量弹性能的条件，一旦承载系统中岩体载荷超过其强度，就发生剧烈破坏和冒落，瞬时释放出大量的弹性能，造成冲击、震动和暴风。岩石越坚硬，刚度越大，塑性越小，相对脆性就高，破坏时间短促，大面积顶板来压的危险性就大，而浸水后，岩石塑性增加，积聚弹性能的能力减弱。针对这一现象，可以通过在顶板顺槽对顶板进行爆破，人为地切断顶板，进而促