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  • 冲击地压

    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。

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    简介/冲击地压 编辑

    冲击地压冲击地压

    冲击地压是煤矿开采过程中,井巷和采场周围煤、岩体在一定高应力条件下释放变形能,而产生的煤岩体突然破坏、垮落或抛出现象,并伴有巨大声响和岩体震动,经常造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤亡,对安全生产威胁巨大。[1]

    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。

    在中国,冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。随着我国煤矿开采深度不断增加,开采强度不断加大,冲击地压矿井分布越来越广,北京、抚顺、枣庄开滦、大同、北票南桐等矿区多次发生冲击地压事故并导致人员伤亡。据不完全统计,国有矿井有冲击地压纪录的矿井有150多处,随着开采向深部转移,冲击地压问题将更加严重、更加突出、更为普遍。

    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。[2]

    特征/冲击地压 编辑

    突发性

    发生前一般无明显前兆,冲击过程短暂,持续时间为几秒到几十秒。

    一般表现为煤爆(煤壁爆裂、小块抛射)

    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。

    具有破坏性

    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。

    具有复杂性

    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。

    分类/冲击地压 编辑

    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。

    根据原岩(煤)体的应力状态分类

    (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。

    根据冲击的显现强度分类

    (1)弹射。一些单个碎块从处于高应力状态下的煤或岩体上射落,并伴有强烈声响,属于微冲击现象。

    (2)矿震。它是煤、岩内部的冲击地压,即深部的煤或岩体发生破坏,煤、岩并不向已采空间抛出,只有片带或塌落现象,但煤或岩体产生明显震动,伴有巨大声响,有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震,也称为煤炮。

    (3)弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出,但破坏性不很大,对支架、机器和设备基本上没有损坏;围岩产生震动,一般震级在2.2级以下,伴有很大声响;产生煤尘,在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。

    (4)强冲击。部分煤或岩石急剧破碎,大量向已采空间抛出,出现支架折损、设备移动和围岩震动,震级在2.3级以上,伴有巨大声响,形成大量煤尘和产生冲击波。

    根据震级强度和抛出的煤量分类

    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。

    根据发生的地点和位置分类

    (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。

    成因机理/冲击地压 编辑

    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。

    强度理论

    该理论认为,冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体——围岩力学系统的综合强度。

    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。

    能量理论

    该理论认为:当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时,就会发生冲击地压。刚性理论也是一种能量理论,它认为发生冲击地压的条件是:矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度,即系统内所储存的能量大于消耗于破坏和运动的能量时,将发生冲击地压。但这种理论并未得到充分证实,即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。

    冲击倾向理论

    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。

    失稳理论

    中国一些学者认为:根据岩石全应力——应变曲线,在上凸硬化阶段,煤、岩抗变形(包括裂纹和裂缝)的能力是增大的,介质是稳定的;在下凹软化阶段,由于外载超过其峰值强度,裂纹迅速传播和扩展,发生微裂纹密集而连通的现象,使其抗变形能力降低,介质是非稳定的。在非稳定的平衡状态中,一旦遇有外界微小扰动,则有可能失稳,从而在瞬间释放大量能量,发生急剧、猛烈的破坏,即冲击地压。由此,介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强度,但由于煤岩的蠕变性质,在长期作用下其变形会随时间而增大,进入软化阶段。这种静疲劳现象,可以使介质处于不稳定状态。在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩从静态变为动态过程,即发生急剧、猛烈的破坏。

    影响因素/冲击地压 编辑

    地质因素

    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。

    开采技术因素

    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。

    预报/冲击地压 编辑

    WET法

    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。

    弹性变形法

    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。

    煤岩强度和弹性系数法

    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

    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。

    地音、微震监测法

    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。

    工程地震探测法

    用人工方法造成地震,探测这种地震波的传插速度,编制出波速与时间的关系图,波速增大段表示有较大的应力作用,结合地质和开采技术条件分析、判断发生冲击地压的倾向度。

    综合测定法

    为了能够更准确地判断出发生冲击地压的地点和时间,可同时采用上述两种以上的方法,根据多因素的变化,综合加以确定。国内外常使用的是钻屑法、地音监测法、地质及开采技术条件分析的综合方法。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2011-11-04
    [2]^引用日期:2011-11-04

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