冲击地压和煤与瓦斯的统一认识

1、向各位总工程师致敬！1冲击地压与煤与瓦斯突出的统一认识河南理工大学能源学院 采矿系主任 李化敏 教授2发言提纲冲击的一般概念冲击地压简单机理冲击地压和煤与瓦斯的异同预测与防治3冲击地压的定义冲击地压是世界范围内矿井中最严重的自然灾害之一。 冲击地压是聚积在巷道周围煤岩体中的弹性能突然释放引发的动力现象，是一种特殊的矿山压力显现形式。常以煤（岩）体剧烈的突出破坏为特征。冲击地压发生时，如同在煤岩体内装有大量炸药一样，煤和岩石突然被抛出，被抛出的煤和岩石从几吨到几百吨不等，可造成支架折损，巷道堵塞，并伴有巨大声响和岩体震动，震动持续时间从几秒到几十秒。记录到的最大震级已超过里氏5级，震动频率在11

2、04Hz，有时可能诱发其它矿井灾害，如煤与瓦斯突出等。4冲击地压案例1738年英国南斯塔福煤田发生世界上有记录的首例冲击地压以来,目前世界几乎所有采矿国家都有冲击地压发生。我国1933年在抚顺胜利矿发生有记录的首例冲击地压。目前，我国发生冲击地压的矿井超过80个。 1960年1月20日南非的CoalbrockNorth煤矿发生了一次冲击地压，井下破坏面积达300万2,死亡432人。抚顺龙风矿1978年5月13日发生在602东翼采区1煤门5/4东震级为0.6级的冲击地压，造成煤炭突出138.6，4人死亡，6人被埋。1974年10月25日北京矿务局城子矿在回收煤柱时发生震级为3.4级冲击地压， 造

3、成29人死亡。随着矿井进入深部开采，冲击地压的灾害将日趋严重。 5 冲击矿压现象各国以及不同的行业，其名称不完全一样。 常见名词的有：“岩爆”、”煤爆”、“冲击矿压”、“矿山冲击”、“冲击地压”等。 6冲击地压的分类 按发生原因分： 压力冲击型如同坚硬的煤样在实验机上破坏一样； 突发型冲击其原因是突然加载。岩层上覆厚而坚固的老顶伸出加在煤柱上，先是加紧后是加载，当达到一定跨度时发生折断和跨落。造成处在极限应力状态的矿柱瞬时破坏。（采煤工作面） 爆裂型冲击原因是直接顶上部或直接底板下部存在塑性夹层，在刚性岩层之间的软夹层被挤出，造成刚性岩层的突然爆裂。按冲击源分：重力型；构造型；综合型7冲击地压

4、基本理论8冲击地压的强度理论 冲击地压机理的研究始于南非金属矿岩爆问题的研究，早期人们关注的是煤岩体的强度问题，因此提出了“强度理论”，它主要着眼于煤岩体的破坏原因，认为井巷和采场周围产生应力集中，当应力达到煤岩极限强度时煤岩层发生突然破坏，形成冲击。 冲击地压的应力条件为： /*1 式中，为煤岩体承受的应力；*为煤岩系统的强度。（根据冲击地压的强度理论，在矿井生产的实践中，采取降低集中应力的措施对冲击地压防治工作起到了积极的促进作用） 实际上井巷和采场周围的岩体常出现应力超过极限强度的现象，但大多数煤岩并非发生冲击现象而是进入强度后平稳的变形阶段，而且，煤岩体的破坏是一个连续的不断损伤的过程

5、，说明强度理论提出的判据不充分。 The Mining Engineering9冲击地压的破坏速度理论 后来一些学者在对煤岩进行试验时发现，加载速度与是否发生冲击有关，即，加载速度慢则破坏平稳，加载速度快时破坏过程猛烈。据此，引入了脆性指标N的判据，认为，只有当N1时冲击地压才可能发生。N=vh/vc 式中，vh为加载引起的应力状态变化速度；vc为煤岩层应力松弛的极限速度。 The Mining Engineering10 刚度理论 刚性试验机出现以后，把普通试验机与刚度试验机试验结果进行比较，发现试件的平稳变形与突然破坏取决于试件的刚度Kp和试验机刚度Ko的比值，当| Kp|Ko |（普通试

6、验机）时，试件发生突然破坏，相反，当| Kp|Ko |（刚性试验机）时，试件破坏过程平稳。The Mining Engineering11能量理论 60年代中期，南非学者Cook在对大量的冲击现象研究后，提出了随着采掘范围的扩大，矿体围岩系统在力学平衡状态破坏时，释放的能量大于消耗的能量时，即产生冲击地压；后来，许多学者对此进行了补充和完善。形成目前大家公认的能量理论。 该理论认为，能量释放的多少与局部矿山系统的刚度有关，而矿山系统的刚度与煤岩层变形有关，煤岩层的可压缩性是其内在属性，因而导致矿山系统刚度的降低，从而引起能量的非稳定释放，开采过程中释放的剩余能量，就是产生冲击地压的能量。该理论

7、还考虑时间因素，以单位时间的能量消耗为判据，否则即使释放的能量远大于消耗的能量，但是它是在一段很长的时间内完成释放的也不会产生冲击地压。其判据为：The Mining Engineering12 式中: WE围岩储存的能量； 围岩能量释放有效系数； WS煤体储存的能量； 煤体的能量释放有效系数； Wd消耗于煤体与围岩交界出处和煤体破坏阻力的能量。 能量理论从能量转化的角度解释了冲击地压形成的原因，是冲击地压机理研究向前迈进了一大进步，为冲击地压防治提出了降低煤岩体围岩系统蓄能的能力，减少其破坏时释放的能量，从而避免或减换冲击地压的新途径。 但该理论没有说明平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩

8、能量释放条件The Mining Engineering13 煤岩的冲击倾向理论 冲击地压的发生不仅与外部条件有关，而且与煤岩本身的物理力学性质有关，也就是说发生冲击地压的煤岩层都具有一定的物理力学性质，决定其产生冲击破坏的能力，这种能力是煤岩介质的的固有属性，称为冲击倾向性。 常用的冲击倾向指标有弹性能指数WEt、冲击能指数KE以及动态破坏时间DT，即：WET=ST/SPKE=FS/FXThe Mining Engineering14弹性能指数计算图冲击能指数计算图LOFXPDCFSLOSPP0CST动态破坏时间曲线T（ms）DTPThe Mining Engineering15指标界 限

9、值WET KEDT（ms）鉴定结果5550强 烈5WET25KE1.550DT500中 等21.5500无 冲击倾向判别指标The Mining Engineering16冲击地压发生条件冲击地压发生的必要条件地应力条件高地应力使煤岩体中聚集大量弹性能；地应力状态的突然变化围岩或煤层的弹性潜能释放作功，使煤体产生突然破坏和位移。 煤岩物理力学性质条件冲击倾向性条件强度条件：煤愈硬，发生冲击的可能性越高。煤岩越干燥，冲击倾向性越强。诱发因素17冲击地压发生的阶段即冲击的发动阶段。由于外力作用使工作面附近煤岩体应力状态突然改变，岩石和煤中积聚的弹性潜能迅速释放，使煤岩体发生突然的位移、破坏。激发冲

10、击地压。能量积聚过程，即：采掘工作面前方应力集中，形成高的应力梯度。准备阶段使工作面处于突出危险状态，工作面显现各种的有声或无声的冲击预兆。当出现下列任一情况时，冲击即告停止： 激发冲击的能量业已耗尽；冲击过程中，继续放出的能量不足以克服煤岩体之间的阻力； 冲击地压发生与发展过程停止阶段激发阶段准备阶段发展阶段发展阶段的特点是煤岩体依靠释放的弹性能使发生连续破碎，已破碎的煤岩体在冲击压力作用下克服层间压剪作用，煤岩体高速抛出。181920煤与瓦斯突出21煤与瓦斯突出基本概念煤与瓦斯突出基本概念具体表现为在几秒至几十秒极短的时间内，大量的煤和瓦斯由煤体向采场、巷道等采掘空间喷出。喷出的煤从几吨到

11、上万吨，瓦斯量从数米3到百万米3。突出时常伴有较大的动力效应，如摧毁支架、推倒矿车、破坏通风设施，使风流反向等。突出后，常在煤体中形成楔形、梨形、舌形突出孔洞，堆积的煤常有明显的分选现象，表面含有大量的粒度极细的煤粉。物理概念具体表现煤与瓦斯突出是煤开采过程中严重的自然灾害之一，是井工开采煤矿井下发生的一种复杂的有煤、岩和瓦斯（个别有二氧化碳）参与的瓦斯动力现象。22煤与瓦斯突出发生条件煤与瓦斯突出发生必要条件煤结构和力学性质条件瓦斯条件 地应力条件地应力状态的突然变化 围岩或煤层的弹性潜能释放作功，使煤体产生突然破坏和位移。 地应力场对瓦斯压力场起控制作用。地应力状态对煤层的透气性起到一定的

12、控制作用。高压游离瓦斯产生的瓦斯膨胀能；高压瓦斯分子全面缩煤的骨架，促使煤体中产生弹性潜能吸附在微孔表面的瓦斯分子对微孔起楔子作用，降低煤的强度。工作面前方形成的瓦斯压力梯度，造成作用于压力降低方向的力。强度条件：煤愈硬，所需的破碎功愈大瓦斯解析和放散能力。煤层透气性能。不均质性条件。23冲击地压发生条件冲击地压发生的必要条件地应力条件高地应力使煤岩体中聚集大量弹性能；地应力状态的突然变化围岩或煤层的弹性潜能释放作功，使煤体产生突然破坏和位移。 煤岩物理力学性质条件冲击倾向性条件强度条件：煤愈硬，发生冲击的可能性越高。煤岩越干燥，冲击倾向性越强。诱发因素24煤与瓦斯突出发生充要条件形成瓦斯流诱

13、发因素能量积聚放炮落煤、石门揭开煤层、工作面进入地质造带、打钻、架棚、冒顶等使工作面附近应力状态突然改变，导致煤体的突然破坏，这是突出得以发生的激发条件。工作面前方煤岩体中的积聚发生突出的弹性潜能和瓦斯膨胀能，是突出发生的基础条件。煤体连续破碎 突出的煤体和以破碎的煤能快速涌出瓦斯，足以形成能抛出已破碎煤的瓦斯流，这也是突出得以发展的必要条件。突出激发后，煤的暴露面处于高地应力和高瓦斯压力区，使煤体能产生自发连续的破碎，这是突出的发展条件。25即突出的发动阶段。由于外力作用使工作面附近煤岩体应力状态突然改变，岩石和煤中积聚的弹性潜能、瓦斯膨胀能迅速释放，使煤岩体发生突然的位移、破坏。激发突出。

14、能量积聚过程，即工作面前方应力集中，形成高的应力梯度；应力增大使煤体透气性降低，煤体内瓦斯压力梯度提高。准备阶段使工作面处于突出危险状态，这样的工作面会显现各种的有声或无声的突出预兆。当出现下列任一情况时，突出即告停止：激发突出的能量业已耗尽；突出过程中，继续放出的能量不足以粉碎煤； 突出孔道受阻碍，不能继续在突出空洞周围建立较大的应力梯度和瓦斯压力等。煤与瓦斯突出发展过程停止阶段激发阶段准备阶段发展阶段煤体依靠释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能使发生连续破碎，形成破碎波，已破碎的煤岩体在高速瓦斯流的携带下向巷道抛出。26煤岩体变形破坏统一机理 离散元数值计算结果表明：巷道煤岩受压应力作用，使一定

15、范围内的煤岩体承载能力降低，在巷道周边23以外产生一个极限平衡区域，该区域主要受煤层与顶底板交界处的摩擦阻力及巷道周围应力拱的约束，该区域内任何约束力的变化都可能导致平衡状态的破坏，使极限平衡区域向深部转移，并削弱了对深部煤体的约束,使得深部煤体不断失稳破坏，这种由表及里连续失稳导致的区域煤体的瞬间破坏，即为煤巷冲击地压或突出。 27282930313233343536373839404142434445464748495051冲击地压和突出发生过程冲击地压和突出都是发生是在一定的采矿条件和地质因素的背景下，受采掘影响的煤岩介质在发生变形的过程中产生的动力现象。冲击地压、突出发生前煤岩体的变形

16、可视为准静态，冲击地压和突出停止后，煤岩体又处于新的平衡状态。冲击地压和突出都是使煤岩体从一种平衡状态变到另一种状态的过程。 52冲击地压和煤与瓦斯的统一冲击地压和突出在形成机理方面具有共同的特点：都是煤岩体的局部破坏过程；其破坏过程一样迅猛（如雪崩）；呈脆性破坏；均在高应力区或采掘过程中发生破坏。53冲击地压和突出发生的统一机理冲击地压和突出的异同（简化） 共同点：都是由于煤岩体破坏而导致的煤岩组织变形；都是其力学系统平衡被破坏时，释放的能量大于所消耗的能量，剩余的能量转化为使煤岩抛出、围岩震动的动能。 不同点：冲击地压一般是高地应力为主导，突出往往以高瓦斯压力主导突出有瓦斯作用，冲击地压只

17、是忽略或没有瓦斯作用的突出。 所以也将冲击地压称为煤岩突出,而突出只是有瓦斯作用的冲击地压。54冲击地压和突出研究思路研究冲击地压和突出发生前煤岩变形系统平衡状态的特征；如果平衡保持稳定状态，则不会发生动力破坏；若是处于非稳定状态，则平衡失稳将导致动力破坏，冲击地压和突出就有可能发生。 用这样的方法研究煤岩变形系统产生动力破坏过程的判据，对冲击地压和突出的预测预报和防治具有更实际的指导意义。 55冲击地压和煤与瓦斯的统一预测技术都可以采用钻屑法（测应力）微震法（测试煤岩破坏所发出的声脉冲）电磁辐射法（煤岩破裂过程中电磁辐射量变化）温度预测法。 原苏联.雷任科等学者研究：回采工作面是在深达6的钻

18、孔中测温，,掘进工作面是在2.2深的钻孔中测温，测温结果认为：在回采工作面近工作面地段煤体温度梯度2-03-1(3-1）为煤层钻3处与1处之间的温度梯度，2-0为煤体钻孔2处与钻孔口之间的温度梯度)，当3-13时没有地压和突出危险性。在掘进面2-12.5有突出或地压危险征兆。 56Example1试件单轴压缩声发射分布5758596061626364656667686970Example 2单轴压缩裂纹扩展71Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement72Crack

19、 propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement73Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement74Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement75Crack propagation and coalescence in brit

20、tle rockAxial compression without confinement76Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement77Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement78Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without co

21、nfinement79Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement80Example 3颗 粒 破 坏8182Step 6083Step 78-284Step 78-485Step 78-786Step 78-987Step 78-1388Step 78-1689Step 78-2390Step 78-3791Step 11292Step 16993Step 17894Step 18895Step 21296Step 22597Step 294989910010110

22、2103104105106107108109110111112113114115预测方面的异同点相同点：采用预测应力方法时两者是相同；利用构造变化判断。（但构造变化引起的敏感程度不同）不同点：瓦斯指标不能预测冲击地压及冲击型突出（q瓦斯涌出初速度 ）；煤层结构（是否有软分层）；煤岩层性质；采用钻屑法时，有冲击地压时，常会发生孔内冲击，钻屑呈颗粒状或片状。 116判断一次动力现象是冲击地压为主导还是煤与瓦斯突出为主导主要依据施工点是否具备发生冲击地压的基本条件。 应力条件、岩性条件（煤岩的冲击倾向性）、岩层结构施工过程中是否采取了有效的瓦斯预测措施并校验，若瓦斯不超指标。是否表现出瓦斯突出的明显特征（如瓦斯涌出量、分选性、风流痕迹等），动力现象发生后事故现场是否有明显的围岩冲击变形。117冲击地压和突出的统一工程治理技术 在有冲击地压和突出危险时都可采用：避免采用容易产生高应力集中的采掘方法；选用合适的降低煤岩体边缘应力集中的方法；都可将开采解放层作为区域性防治措施；在局部防治上都可采用注水软化、钻孔卸压、开槽卸压、爆破卸压等措施，使应力集中向深部转移。都可利用震动爆破诱发轻度冲击地压或突出以防止出现高强度的冲击地压和突出。118治理技术方面的异同 相同点：降低围岩应力措施； 不同点：仅抽放瓦斯不能防止冲击地