沖擊地壓及其監(jiān)測

1、主講人：孫計(jì)祥,沖擊地壓及其監(jiān)測,§1 概述§2 沖擊地壓的特征及其分類§3 沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法§5 沖擊地壓的預(yù)防,目 錄,1 概 述,沖擊地壓（巖爆） 瞬間釋放煤巖體變形能，引起強(qiáng)烈圍巖 震動(dòng) 支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞、傷及人員等 隨采深

2、沖擊地壓發(fā)生頻次和烈度增大 沖擊地壓發(fā)生原因復(fù)雜，影響因素多 預(yù)防沖擊地壓對巷道圍巖穩(wěn)定性的破壞已成為礦產(chǎn)資源開采過程中一個(gè)急需解決的最關(guān)鍵、最棘手的問題。,產(chǎn)生,危害,開采深度影響,§2 沖擊地壓的特征及其分類,2.1 沖擊地壓的特征① 共有特征 突發(fā)性、 瞬時(shí)震動(dòng)性、 破壞性② 我國煤礦沖擊地壓突出特點(diǎn) 多類型

3、 、條件復(fù)雜 、 隨采深增加發(fā)展趨勢嚴(yán)重等③誘發(fā)因素 如放炮、頂板來壓期間、回柱（移架）等④ 沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)及其主要特征 a 與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系，往往發(fā)生在褶皺、斷層及煤層變異性突出的部位，主要受構(gòu)造應(yīng)力的控制,2.1 沖擊地壓的特征④ 沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)及其主要特征b具有堅(jiān)硬的巖層的煤層頂板，該巖層聚集高強(qiáng)度的變形能c發(fā)生在超前巷道的沖擊地壓，以巷道兩幫煤體拋出為主要特征d發(fā)生在工作面的沖擊地壓，一般表現(xiàn)為大面積沖

4、擊現(xiàn)象e在留有底煤的采場發(fā)生時(shí)，以底臌和煤巖壓入采場空間為主要顯現(xiàn)特征,§2 沖擊地壓的特征及其分類,2.2 沖擊地壓的分類（1）根據(jù)沖擊地壓的能量特征按沖擊時(shí)釋放的地震能大小,表1 按沖擊時(shí)釋放的地震能大小分類,§2 沖擊地壓的特征及其分類,2.2 沖擊地壓的分類（2）按參與沖擊的煤巖體類別 a 產(chǎn)生于煤體一圍巖力學(xué)系統(tǒng) b 煤礦沖擊地壓的主要顯現(xiàn)

5、形式 a 高強(qiáng)度脆性巖石瞬間釋放彈性能 b 巖塊從母體急劇、猛烈地拋出● 對于煤體是頂?shù)装鍘r層內(nèi)彈性能的突然釋放，又稱圍巖沖擊。按沖擊位置又分頂板沖擊和底板沖擊。,§2 沖擊地壓的特征及其分類,,,,煤層沖擊,巖層沖擊,2.2 沖擊地壓的分類（3）根據(jù)沖擊力源分類 （4）按統(tǒng)計(jì)方法分類①按沖擊地壓的破壞后果分類 a 一般沖擊地壓 b 破

6、壞性沖擊地壓 c 沖擊地壓事故,§2 沖擊地壓的特征及其分類,,重力型,構(gòu)造型,中間型,由受重力作用引發(fā)，沒有或有少量構(gòu)造力的影響,主要由受構(gòu)造力引起,重力和構(gòu)造力共同作用引發(fā),表2 按顯現(xiàn)強(qiáng)度分級(jí),2.2 沖擊地壓的分類 （4）按統(tǒng)計(jì)方法分類 ②按顯現(xiàn)強(qiáng)度分級(jí) 按里氏地震計(jì)分級(jí)，見表2,§2 沖擊地壓的特征及其分類,3.1 沖擊地壓發(fā)生的原因及實(shí)現(xiàn)的條件,§3 沖擊地壓

7、發(fā)生的機(jī)理,根本原因,發(fā)生條件,強(qiáng)度比較高的煤（巖）層,沖擊地壓發(fā)生,,沒有采取釋放應(yīng)力和能量措施,高應(yīng)力集中部位的采動(dòng)影響,受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和開采形成的高度應(yīng)力集中,,,3.2 沖擊地壓發(fā)生的影響因素（1）地質(zhì)因素 （2）開采技術(shù)因素 開采多煤層時(shí) 任何造成應(yīng)力集中的因素 （誘導(dǎo)因素 ）,§3 沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理,開采深度,地質(zhì)構(gòu)造,煤巖結(jié)構(gòu)及性能,如開采程序不合理、留設(shè)煤柱、相鄰兩層開采錯(cuò)距不合適

8、等,3.3 沖擊地壓發(fā)生理論（1）剛度理論 提出 在20世紀(jì)60年代由Cook等人理論認(rèn)為 試件的剛度大于試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的剛度時(shí) 破壞是不穩(wěn)定的，煤巖體呈現(xiàn)突然的脆性破壞 （2）能量理論 ① 從能量轉(zhuǎn)化方面 解釋沖壓成因 ② 理論認(rèn)為 沖擊地壓發(fā)生的條件為礦體-圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)失穩(wěn)所釋放的能量大于所消耗的能量,§3 沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理,3.3 沖擊地壓發(fā)生理論,（3）強(qiáng)度理論

9、①?zèng)_擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件： 即礦山壓力大于煤體-圍巖力學(xué)系統(tǒng)的綜合強(qiáng)度②理論認(rèn)為 較堅(jiān)硬的頂?shù)装蹇蓪⒚后w夾緊，阻礙深部煤體自身或煤體-圍巖交界處的變形（圖9.1），煤體更加壓實(shí)，承受更高的壓力，積蓄較多的彈性能。 從極限平衡和彈性能釋放的意義上來看，夾持起了閉鎖作用。高壓帶和彈性能積聚區(qū)可位于煤壁附近。一旦高應(yīng)力突然加大或系統(tǒng)阻力突然減小時(shí)，煤體可產(chǎn)生突然破壞和運(yùn)動(dòng)，拋向已采空間，形成沖擊地壓。,圖1 強(qiáng)度理

10、論示意圖,3.3 沖擊地壓發(fā)生理論,（4）沖擊傾向性理論 提出 由波蘭和前蘇聯(lián)學(xué)者 煤巖體沖擊傾向性 發(fā)生沖擊地壓的必要條件 我國學(xué)者提出 ① 用煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間（D t）、彈性能指數(shù)（WET）及沖擊能量指數(shù)（KE）三項(xiàng)指標(biāo)綜合判別煤的沖擊傾向的實(shí)驗(yàn)方法。 ② 兩個(gè)沖擊傾向性指標(biāo) 彈性能指數(shù)WET、沖擊能量指數(shù)KE,3.3 沖擊地壓發(fā)生理論,（5）三準(zhǔn)則理論 我國學(xué)者李玉生等提出判定沖擊

11、地壓發(fā)生的必要條件 強(qiáng)度準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則和沖擊傾向性準(zhǔn)則 應(yīng)同時(shí)滿足（6）失穩(wěn)理論 ① 根據(jù)巖石全應(yīng)力—應(yīng)變曲線 ② 介質(zhì)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是發(fā)生沖擊的重要條件之一 ③ 提出了沖擊地壓是材料失穩(wěn)的思想,3.3 沖擊地壓發(fā)生理論,（7）其它 ① 20世紀(jì)70年代末 林天鍵、唐春安 將突變論 引入巖石力學(xué) 潘岳等學(xué)者 建立巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的突變模型② 齊慶新等學(xué)者 提出 “三因素

12、”理論 ③ 謝和平院士 提出了沖擊地壓的分形特征 將分形幾何引入沖擊地壓的研究,3.3 沖擊地壓發(fā)生理論,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,4.1 對比法① 基于相似條件下對沖擊前兆進(jìn)行歸類② 一般應(yīng)考慮下列因素 a 本礦和鄰礦的沖擊地壓現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 b 本煤層或鄰層、鄰區(qū)已發(fā)生過的沖擊地壓 c 頂板為單軸抗壓強(qiáng)度大于70MPa的堅(jiān)硬巖層 d 島形或半島形煤柱

13、 e 支承壓力影響區(qū) f 上部或下部遺留煤柱或回采邊界 g 煤層厚度或傾角突然變化 h 褶曲或斷裂構(gòu)造帶等,4.2 鉆屑法,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,依據(jù),在不同深度排出的煤粉量及其變化規(guī)律,動(dòng)力現(xiàn)象判斷沖擊危險(xiǎn),鉆屑法原理,通過測量鉆孔煤粉量的大小以確定相應(yīng)的煤體應(yīng)力狀態(tài),,●鉆至一定深度后，鉆孔周圍煤體將逐漸達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài) 圖2,,,§4 沖擊地壓的監(jiān)測

14、方法,圖2 鉆孔效應(yīng)示意圖,4.2 鉆屑法（1）鉆孔力學(xué)模型 煤體為各向同性均勻的 純彈-塑性介質(zhì)小直徑鉆孔的出現(xiàn)僅改變鉆孔周圍邊附近應(yīng)力 如圖9.3,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,假設(shè),半徑為R 的塑性破壞區(qū),均布?jí)毫,切向應(yīng)力σθ,徑向應(yīng)力σr,任意半徑r處,圖3 鉆孔力學(xué)模型,由多裂隙介質(zhì)層裂模型理論分析可知：,,,,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,① 層裂區(qū),② 塑性區(qū),③ 彈

15、性區(qū),劈裂破壞,非穩(wěn)定蠕變破壞,剪切破壞,4.2 鉆屑法（2）煤粉量的組成,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,,在極限煤體壓力作用下所產(chǎn)生的煤粉量,煤體-圍巖力學(xué)系統(tǒng)的極限平衡,（3）極限煤粉,定義,平衡條件,破碎帶形成后，在彈性區(qū)與破碎帶交界處產(chǎn)生,鉆孔形成后，由于彈性卸載所形成的,鉆孔形成后，孔壁周圍破碎帶內(nèi)煤體擴(kuò)容所形成,,鉆孔實(shí)體煤芯,附加煤粉量,4.3 地球物理方法

16、 微震法、AE法、電磁輻射法、頂板動(dòng)態(tài)法（1）微震法 ① 微震法監(jiān)測沖擊地壓的機(jī)理,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,利用巖體自然或人為激發(fā)的物理場監(jiān)測巖體的動(dòng)態(tài)變化,主要方法,記錄礦山震動(dòng),解釋分析記錄信息,預(yù)測預(yù)報(bào)沖擊地壓,揭示,如：類型、次數(shù)、震級(jí)等,微震信息,應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律,預(yù)測預(yù)報(bào),作出,,（1）微震法②微震系統(tǒng) （見圖4 ）,圖4 微震監(jiān)測裝置,§4 沖擊地

17、壓的監(jiān)測方法,（1）微震法④沖擊地壓最大震級(jí)的預(yù)測 沖擊地壓頻次與沖擊地壓震級(jí) 有 預(yù)測沖擊地壓的最大震級(jí)： ⑤沖擊地壓發(fā)生趨勢的預(yù)測 根據(jù)b值變化規(guī)律，可對沖擊地壓的

18、發(fā)生趨勢進(jìn)行預(yù)測： 若b值 （ ），則未來沖擊地壓最大震級(jí) （ ）,,,,,,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,（2）AE法 煤體的聲發(fā)射（Acoustic Emission ）， 簡稱 AE① AE監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)硬件由 通用微機(jī)系統(tǒng) 和 信號(hào)采集傳輸系統(tǒng) 組成② AE監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用 ●AE監(jiān)測能率變化 ●流動(dòng)AE監(jiān)測法，屬于非連續(xù)的監(jiān)測方法，一般與煤粉鉆孔法結(jié)合使用，能提

19、高沖擊地壓預(yù)測的準(zhǔn)確性,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,（3）電磁輻射法a 煤體變形及破裂過程中伴有聲發(fā)射和電磁輻射信號(hào)b 煤試樣擴(kuò)容突變階段，電磁輻射強(qiáng)度出現(xiàn)突變C 煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著擴(kuò)容突變過程增大而增大 →典型的非均質(zhì)材料 →在外力作用下，內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變的分布不均 →發(fā)生不均勻應(yīng)變時(shí)，在內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象

20、,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,原理,煤體,煤體破壞時(shí)將產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象,（4） 頂板動(dòng)態(tài)法●堅(jiān)硬頂板運(yùn)動(dòng) 往往是誘發(fā)沖擊地壓的主要因素之一,§4 沖擊地壓的監(jiān)測方法,頂板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),支承壓力范圍及峰值位置,頂板動(dòng)態(tài)前兆,沖擊危險(xiǎn),,,預(yù)測預(yù)報(bào),,一般情況,巖層沉降速度愈小，推進(jìn)的面積愈大，斷裂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊和壓出煤的強(qiáng)度愈高；下位基本頂巖梁相對穩(wěn)定的步距愈大，發(fā)生沖擊地壓的

21、強(qiáng)度愈高。,§5 沖擊地壓的預(yù)防,5.1 區(qū)域性預(yù)防（1）采用合理的開拓布置和開采方式 合理的開拓布置、開采方式，可避免 +● ●預(yù)防沖擊地壓發(fā)生,高應(yīng)力集中,能量的積聚,預(yù)防沖擊地壓,,有效,預(yù)防煤礦沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵,控制沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件,實(shí)測推斷,理論計(jì)算

22、,具體的煤層條件,+,針對,采用,5.1 區(qū)域性預(yù)防（1）采用合理的開拓布置和開采方式考慮開采方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下“防沖”的時(shí)空原則：① 嚴(yán)格杜絕在構(gòu)造壓縮應(yīng)力帶和采動(dòng)應(yīng)力場支承壓力的高峰部位布置采煤巷道和推進(jìn)工作面。② 最大限度的爭取在采動(dòng)釋放應(yīng)力后穩(wěn)定的“內(nèi)應(yīng)力場”（已經(jīng)歷采動(dòng)破壞的巖層覆蓋的重力場）中掘進(jìn)和維護(hù)巷道。,§5 沖擊地壓的預(yù)防,§5 沖擊地壓的預(yù)防,5.1 區(qū)域性預(yù)防（2

23、）開采保護(hù)層 ●多煤層開采時(shí)，在設(shè)計(jì)階段要規(guī)定煤層群的協(xié)調(diào)開采 ●開采保護(hù)層是“防沖”的一項(xiàng)區(qū)域性防范措施① 保護(hù)范圍 圖9.10② 保護(hù)層開采方案（常用的方案見圖9.11) 包括開采上保護(hù)層、開采下保護(hù)層及混合開采。,,No,煤層間距適宜，應(yīng)優(yōu)先考慮開采下保護(hù)層，原則是不破壞上層煤的開采條件,圖中卸壓邊界線內(nèi)的煤層屬于被保護(hù)煤層,l—工作面長度φ 3—充分移動(dòng)角δ—斷裂角 β—變形滑移角

24、1—升高應(yīng)力區(qū)邊界線2—卸壓帶邊界線 3—保護(hù)帶4—被保護(hù)帶,圖10 開采保護(hù)層卸壓帶示意圖,§5 沖擊地壓的預(yù)防,(a) 開采上保護(hù)層 (b)開采下保護(hù)層 (c)開采上、下保護(hù)層,§5.1 區(qū)域性預(yù)防,圖 11 保護(hù)層開采方案,（3）煤層預(yù)注水

25、 ① 預(yù)防沖擊地壓的原理水對煤巖強(qiáng)度、變形特性和沖擊傾向性有重要影響 圖9.12② 注水方式 常用的注水方式包括走向布置、傾向下行布置、傾向上下行布置及綜合布置等方式 圖13,5.1 區(qū)域性預(yù)防,目的,降 低,改變,水的物理化學(xué)作用,煤層的沖擊傾向性和應(yīng)力狀態(tài),沖擊煤層的物理力學(xué)性質(zhì),從圖可知：曲線多呈 塑一彈性型、塑一彈一塑型 突然的 脆性性破壞 變形

26、曲線呈 “S”型 塑性變形變大、 脆性減弱,1—注水前煤樣；2—干樣；3—注水后煤樣,§5.1 區(qū)域性預(yù)防,圖12 煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比,① 未注水,② 破壞前,③ 注水后,,沖擊危險(xiǎn)性降低,a—沿傾向布置的下行鉆孔；b—沿傾向布置的上下行鉆孔；c—沿走向布置的水行鉆孔；d—特厚煤層綜合布孔方式,圖13 注水孔布置方式,§5.1 區(qū)域性預(yù)防,（4）厚層堅(jiān)硬頂板預(yù)處理① 頂板注水軟化

27、●對堅(jiān)硬頂板條件下進(jìn)行高壓預(yù)注水，水通過巖石的弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)入巖體內(nèi)，經(jīng)物理化學(xué)作用，破壞其整體性、連續(xù)性，降低巖體強(qiáng)度，從而使堅(jiān)硬頂板易于垮落。 ●在開采過程中，采空區(qū)上方懸頂縮短，垮落高度增加，巖體的碎脹系數(shù)增大，周期來壓步距縮短，減緩或消除了大面積來壓和沖擊地壓的威脅。,（4）厚層堅(jiān)硬頂板預(yù)處理② 頂板爆破處理●包括爆破斷頂、強(qiáng)制放頂和超前深孔預(yù)裂爆破松動(dòng)頂板等 用爆破方法對采空區(qū)懸露頂板進(jìn)行處

28、理 在待采煤層隔離煤柱一側(cè)的老采空區(qū)內(nèi)，采空區(qū)頂板內(nèi)產(chǎn)生斷溝，以削弱采空區(qū)與待采區(qū)間的頂板連續(xù)性，減小待采煤層開采時(shí)的應(yīng)力集中，以預(yù)防沖擊地壓危害。,§5.1 區(qū)域性預(yù)防,強(qiáng)制放頂,爆破斷頂,（1）煤層內(nèi)卸壓爆破爆破的動(dòng)力作用 ● 卸壓爆破屬于內(nèi)部爆破 ● 主要作用 使煤層產(chǎn)生大量裂隙,§5.2 局部性預(yù)防,爆破方法,有沖擊地壓危險(xiǎn)的局部區(qū)域,減緩其應(yīng)力集中程度,爆破后沖擊

29、波破壞煤體,產(chǎn)生徑向拉破裂,裂隙的存在,爆生氣體形成切向拉應(yīng)力,沖擊地壓發(fā)生條件被破壞,彈性能減少,（1）煤層內(nèi)卸壓爆破② 卸壓爆破的實(shí)施步驟 若 煤粉量指標(biāo) ＜ 沖擊危險(xiǎn)值否則，應(yīng)實(shí)施二次卸載的效果爆破。,§5.2 局部性預(yù)防,,檢測煤體的應(yīng)力情況,實(shí)施卸載爆破,檢測爆破卸載效果,（煤粉鉆孔法）,（沖擊危險(xiǎn)區(qū)域）,（卸載爆破后）

30、,達(dá)到卸載效果,（1）煤層內(nèi)卸壓爆破③ 工藝過程,圖14 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖,§5.2 局部性預(yù)防,鉆孔,裝藥,封孔,起爆,,§5.2 局部性預(yù)防,（2）鉆孔卸壓,鉆孔卸壓,定義,實(shí)質(zhì),利用鉆孔方法削除或減緩沖擊地壓危險(xiǎn),施工時(shí)的鉆孔沖擊現(xiàn)象,高應(yīng)力條件下的彈性能破壞鉆孔周圍煤體使煤層卸壓、釋放能量，減緩沖擊危險(xiǎn),依據(jù),,,,,,圖15 鉆孔的卸壓作用,a—巷道內(nèi)布置方式；b—采煤工作面布置