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1、向各位总工程师致敬！,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,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,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
2、1104Hz，有时可能诱发其它矿井灾害，如煤与瓦斯突出等。,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，
3、造成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。,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。,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,冲击地压基本理论,冲
4、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，说明强度理论提出
5、的判据不充分。,The Mining Engineering,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 Engineering,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|（普通试验机）时，试件发生突然破坏
6、，相反，当|Kp|Ko|（刚性试验机）时，试件破坏过程平稳。,The Mining Engineering,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。该理论还考虑时间因素，以单位时间的能量
7、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 Engineering,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，特别是围岩能量释放条件,The Mining Engine
8、ering,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/FX,The Mining Engineering,The Mining Engineering,冲击倾向判别指标,The Mining Engineering,冲击地压发生条件,冲击地压发生的阶段,煤与瓦斯突出,煤与瓦斯突出基本概念,煤与瓦斯突出基本概念,具体表
9、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。,煤与瓦斯突出发生条件,冲击地压发生条件,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，使一定范围内的煤岩体
10、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。,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
11、状态的过程。,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。,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。,冲击地压和突出研究思路,研
12、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。,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
13、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。,Example1,试件单轴压缩声发射分布,Example 2,单轴压缩裂纹扩展,Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,Crack prop
14、agation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock
15、Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement,E
16、xample 3,颗 粒 破 坏,Step 60,Step 78-2,Step 78-4,Step 78-7,Step 78-9,Step 78-13,Step 78-16,Step 78-23,Step 78-37,Step 112,Step 169,Step 178,Step 188,Step 212,Step 225,Step 294,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，
17、钻屑呈颗粒状或片状。,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。,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
18、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。,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压；防治冲击地压还需要改变煤岩体的性质（软化煤岩）；防治冲击地压还需要转移煤岩体应力。,冲击地压和煤与瓦斯突出的巷道稳定性方法,煤巷锚网（索）支护在冲击地压和突出发生前后的作用能显著提高围岩破坏后的残余强度,提高抵抗冲击地压或突出时的强度，吸收冲击地压和突出能量，减慢震源的能量释放过程，从而降低冲击能量及冲击强度，减轻对巷道的破坏作用和破坏程度，阻止煤块沿弱面的错动，增大锚固体对深部极限平衡区的约束作用。但冲击危险区（极限平
19、衡区）一般位于25左右,因此，锚杆对处于极限平衡区煤体的力学性质影响较小，不能防止冲击地压和突出的发生。,结语,冲击地压、煤与瓦斯突出就其主要特征而言，都是煤岩介质突然破坏引起的动力现象，都是煤岩所组成的力学系统，在外界扰动下发生的动力破坏过程。采用系统稳定平衡状态的能量准则及动态过程能量准则，建立统一的认识和判断，以便于建立统一的预测预报机制和工程防治技术路线。“统一”是建立在煤岩变形破裂机理和工程技术实践某些方面的，是对冲击地压和煤与瓦斯突出共性面的认识。,冲击地压和煤与瓦斯突出都是极其复杂的矿井动力现象，因此并非简单的“统一”能够揭示的，而提出的统一认识，只是为了使我们对冲击地压有一个基于煤与瓦斯认识基础上的概念。抛砖引玉而已。事实上，冲击地压和煤与瓦斯突出两者的综合用机理及其复杂，在其孕育、发生、发展过程中互为诱因，灾害发生时产生“共振”效应等，使灾害的预测及防治变更为复杂和困难。今后随着开采深度的增加，我省有冲击地压和煤与瓦斯突出两种灾害并存的矿井会逐渐增加，在作用机理，预测检验内容、指标、方法、技术措施及其有效性等方面还必须进行深入研究，以便我们要有足够的思想和技术准备，以确保我省煤矿在复杂条件开采情况下做到长治久安。,谢谢各位领导和专家！,
