冲击地压

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冲击地压,又称岩爆,这是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的现象。常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性,是煤矿重大灾害之一。

世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。 1783年英国在世界上首先报导了煤矿中所发生的冲击地压现象。以后在前苏联、南非、德国、美国、加拿大、印度、英国等几十个国家和地区,冲击地压现象时有发生。

由于冲击地压问题极为复杂,国内外目前尚未建立比较符合实际的冲击地压发生及破坏过程的理论,因而冲击地压的预测、预报及防治并不完备。

浅部冲击 (发生在煤壁2m~6m范围内,破坏性大)和深部冲击(发生在煤体深处,声如闷雷,破坏程度不同)。最常见的是煤层冲击,也有顶板冲击和底板冲击,少数矿井发生了岩爆。在煤层冲击中,多数表现为煤块抛出,少数为数十平方米煤体整体移动,并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波。

往往造成煤壁片帮、顶板下沉、底鼓、支架折损、巷道堵塞、人员伤亡。

在自然地质条件上,除褐煤以外的各煤种,采深从200m~1000m,地质构造从简单到复杂,煤层厚度从薄层到特厚层,倾角从水平到急斜,顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等,都发生过冲击地压;在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面,不论水采、炮采、普采或是综采,采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法,是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采,都发生过冲击地压。只是无煤柱长壁开采法冲击次数较少。

冲击地压可根据应力状态、显现强度和发生的不同地点和位置进行分类。

(1)重力应力型冲击地压。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地压。如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击地压。

(2)构造应力型冲击地压。主要受构造应力(构造应力远远超过岩层自重应力)的作用引起的冲击地压,如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。

(3)中间型或重力~构造型冲击地压。主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。

轻微冲击:抛出煤量在10t以下,震级在1级以下的冲击地压。

中等冲击:抛出煤量在10t~50t以下,震级在1级~ 2级的冲击地压。

强烈冲击:抛出煤量在50t以上,震级在2级以上的冲击地压。

一般面波震级Ms=1时,矿区附近部分居民有震感;Ms=2时,对井上下有不同程度的破坏;Ms>2时,地面建筑物将出现明显裂缝破坏。

(1)煤体冲击。发生在煤体内,根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击。

(2)围岩冲击。发生在顶底板岩层内,根据位置有顶板冲击和底板冲击。

对冲击地压成因和机理的解释主要有强度理论、能量理论、冲击倾向理论和失稳理论。

其机理为:较坚硬的顶底板可将煤体夹紧,阻碍了深部煤体自身或煤体——围岩交界处的变形。由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动,使煤体更加压实,承受更高的压力,积蓄较多的弹性能。从极限平衡和弹性能释放的意义上来看,夹持起了闭锁作用。在煤体夹持带内,压力高、并储存有相当高的弹性能,高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时,煤体可产生突然破坏和运动,抛向已采空间,形成冲击地压。

该理论认为:发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测,这种指标的量度称为冲击倾向度。其条件是:介质实际的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。

上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则,即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。其中强度准则是煤体破坏准则,能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立,才是产生冲击地压的充分必要条件。

主要包括开采深度、地质构造、煤岩结构和力学特性等。

开采深度的加大使地应力值增加。一般在达到一定开采深度后才开始发生冲击地压,此深度称为冲击地压临界深度。临界深度值随条件不同而异,一般大于200 m,总的趋势是随采深增加,冲击危险性增加。这主要是由于随采深增加,原岩应力增大的缘故。

地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等也影响冲击地压的发生。宽缓向斜轴部易于形成冲击地压;断裂如是一个开采边界,若回采方向朝向断层面,则冲击危险增加;煤层倾角和厚度局部突然变化地带,实际是局部地质构造应力积聚地带,因而极易发生冲击地压。

煤岩结构及性能也是冲击地压影响的主要因素。坚硬、厚层、整体性强的顶板(老顶),易形成冲击地压;直接顶厚度适中、与老顶组合性好、不易冒落,冲击危险较大;煤的强度高、弹性模量大、含水量低、变质程度高、暗煤比例大,一般冲击倾向较强。

开采多煤层时,任何造成应力集中的因素,如开采程序不合理、本层回采不干净、相邻两层开采错距不合适等,均对防治冲击地压不利。从防治冲击地压的角度而言,璧式开采优于柱式开采,旱采优于水采,直线工作面优于曲线工作面,冒落法优于充填法。煤柱和开采边界是最主要的应力集中因素,应尽量避免和减少这些因素的有害影响。

国内外大量实践表明,冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序(如爆破、冒顶、采煤等)而发生,这些因素称为诱导因素。诱导因素本身的能量可能很小,但其诱发冲击地压而释放的能量及其破坏性却很大。因而,诱导因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。

该方法是波兰采矿研究总院提出的,用于测定煤层冲击倾向。WET为弹性能与永久变形消耗能之比。波兰采矿研究总院规定:WET>5为强冲击倾向;2<WET<5为弱冲击倾向; WET<2为无冲击倾向。该方法虽存在一些不足之处,但基本适于我国情况,可作为煤层冲击倾向鉴定指标之一。

它是前苏联矿山测量研究院提出的用于测定冲击地压的方法。即在载荷不小于强度极限80%的条件下,用反复加载和卸载循环得到的弹性变形量与总变形量之比(K),作为衡量冲击倾向度的指标。当K≥0.7时,有发生冲击地压的危险。

该方法是用煤岩的单向抗压强度或弹性模量的绝对值,作为衡量冲击倾向度的指标。这种方法较为简单,经常用作辅助指标。其指标的界限值必须根据各矿井的试样进行试验确定。

中国《煤矿安全规程》中规定:“开采冲击地压煤层时,冲击危险程度和采取措施后的实际效率,可采用钻粉率指标法、地音法、微震法等方法确定”。

钻粉率指标法又称为钻粉率指数法或钻孔检验法。它是用小直径(42mm~45mm)钻孔,根据打钻不同深度时排出的钻屑量及其变化规律来判断岩体内应力集中情况,鉴别发生冲击地压的倾向和位置。在钻进过程中,在规定的防范深度范围内,出现危险煤粉量测值或钻杆被卡死的现象,则认为具有冲击危险,应采取相应的解危措施。

岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中,必然以脉冲形式释放弹性能,产生应力波或声发射现象。这种声发射亦称为地音。显然,声发射信号的强弱反映了煤岩体破坏时的能量释放过程。由此可知,地音监测法的原理是,用微震仪或拾震器连续或间断地监测岩体的地音现象。根据测得的地音波或微震波的变化规律与正常波的对比,判断煤层或岩体发生冲击倾向度。

山东肥城矿务局陶庄煤矿用微震仪研究了发生冲击矿压的规律,结论为:微震由小而大,间有大小起伏,次数和声响频繁;在一组密集的微震之后变得平静,是产生冲击矿压的前兆现象;稀疏和分散的微震是正常应力释放现象,无冲击危险。

根据震相曲线和地震学的知识,则可以计算出发生冲击地压的震源位置。由于各种煤岩体的地音和微震特性不同,并且又具有不均质性和各向异性等特点,其传播速度有很大差异。此外,各处的地质和开采条件也不相同,矿井下又常有强烈的环境噪音干扰,地音或微震信号在煤岩体中产生和传播情况将是很复杂的,可能产生多次的反射、折射和绕射,还可能发生波型变换等现象。因而在使用中应注意与其他预测方法综合使用,特别是与钻屑法综合使用,以保证预测的准确性。

THE END
0.冲击地压根据原岩(煤)体应力状态不同,冲击地压可分为3类:重力型冲击地压、构造应力型冲击地压、中间型或重力一构造型冲击地压。 冲击地压的特点:(1)一般没有明显的预兆,难于事先确定发生的时间、地点和冲击强度;(2)发生过程短暂,伴随巨大声响和强烈震动;(3)破坏性很大,有时出现人员伤亡。 2.冲击地压的预测方法目前,冲击地压的预测方法主要有以下 jvzquC41yy}/5?5fqey/pny1fqi03n6499<59>3jvor