衝擊地壓

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更新時間: 2018-10-22

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衝擊地壓

衝擊地壓,又稱岩爆,這是一種岩體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放,導致岩石爆裂並彈射出來的現象。常伴有煤岩體拋出、巨響及氣浪等現象。它具有很大的破壞性,是煤礦重大災害之一。

簡介/衝擊地壓編輯

衝擊地壓衝擊地壓

衝擊地壓是煤礦開採過程中,井巷和采場周圍煤、岩體在一定高應力條件下釋放變形能,而產生的煤岩體突然破壞、垮落或拋出現象,並伴有巨大聲響和岩體震動,經常造成支架折損、片幫冒頂、巷道堵塞、人員傷亡,對安全生產威脅巨大。[1]

世界上幾乎所有國家都不同程度地受到衝擊地壓的威脅。 1783年英國在世界上首先報導了煤礦中所發生的衝擊地壓現象。以後在前蘇聯、南非、德國、美國、加拿大、印度、英國等幾十個國家和地區,衝擊地壓現象時有發生。

在中國,衝擊地壓最早於1933年發生在撫順勝利煤礦。隨著我國煤礦開採深度不斷增加,開採強度不斷加大,衝擊地壓礦井分佈越來越廣,北京、撫順、棗莊、開灤、大同、北票、南桐等礦區多次發生衝擊地壓事故並導致人員傷亡。據不完全統計,國有礦井有衝擊地壓紀錄的礦井有150多處,隨著開採向深部轉移,衝擊地壓問題將更加嚴重、更加突出、更為普遍。

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由於衝擊地壓問題極為複雜,國內外目前尚未建立比較符合實際的衝擊地壓發生及破壞過程的理論,因而衝擊地壓的預測、預報及防治並不完備。[2]

特徵/衝擊地壓編輯

突發性

發生前一般無明顯前兆,衝擊過程短暫,持續時間為幾秒到幾十秒。

一般表現為煤爆(煤壁爆裂、小塊拋射)

淺部衝擊 (發生在煤壁2m~6m範圍內,破壞性大)和深部衝擊(發生在煤體深處,聲如悶雷,破壞程度不同)。最常見的是煤層衝擊,也有頂板衝擊和底板衝擊,少數礦井發生了岩爆。在煤層衝擊中,多數表現為煤塊拋出,少數為數十平方米煤體整體移動,並伴有巨大聲響、岩體震動和衝擊波。

具有破壞性

往往造成煤壁片幫、頂板下沉、底鼓、支架折損、巷道堵塞、人員傷亡。

具有複雜性

在自然地質條件上,除褐煤以外的各煤種,采深從200m~1000m,地質構造從簡單到複雜,煤層厚度從薄層到特厚層,傾角從水平到急斜,頂板包括砂岩、灰岩、油母頁岩等,都發生過衝擊地壓;在採煤方法和採煤工藝等技術條件方面,不論水采、炮采、普采或是綜采,採空區處理採用全部垮落法或是水力充填法,是長壁、短壁、房柱式開採或是柱式開採,都發生過衝擊地壓。只是無煤柱長壁開採法衝擊次數較少。

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分類/衝擊地壓編輯

衝擊地壓可根據應力狀態、顯現強度和發生的不同地點和位置進行分類。

根據原岩(煤)體的應力狀態分類

(1)重力應力型衝擊地壓。主要受重力作用,沒有或只有極小構造應力影響的條件下引起的衝擊地壓。如棗莊、撫順、開灤等礦區發生的衝擊地壓。

(2)構造應力型衝擊地壓。主要受構造應力(構造應力遠遠超過岩層自重應力)的作用引起的衝擊地壓,如北票礦務局和天池煤礦發生的衝擊地壓。

(3)中間型或重力~構造型衝擊地壓。主要受重力和構造應力的共同作用引起的衝擊地壓。

根據衝擊的顯現強度分類

(1)彈射。一些單個碎塊從處於高應力狀態下的煤或岩體上射落,並伴有強烈聲響,屬於微衝擊現象。

(2)礦震。它是煤、岩內部的衝擊地壓,即深部的煤或岩體發生破壞,煤、岩並不向已采空間拋出,只有片帶或塌落現象,但煤或岩體產生明顯震動,伴有巨大聲響,有時產生煤塵。較弱的礦震稱為微震,也稱為煤炮。

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(3)弱衝擊。煤或岩石向已采空間拋出,但破壞性不很大,對支架、機器和設備基本上沒有損壞;圍岩產生震動,一般震級在2.2級以下,伴有很大聲響;產生煤塵,在瓦斯煤層中可能有大量瓦斯湧出。

(4)強衝擊。部分煤或岩石急劇破碎,大量向已采空間拋出,出現支架折損、設備移動和圍岩震動,震級在2.3級以上,伴有巨大聲響,形成大量煤塵和產生衝擊波。

根據震級強度和拋出的煤量分類

輕微衝擊:拋出煤量在10t以下,震級在1級以下的衝擊地壓。

中等衝擊:拋出煤量在10t~50t以下,震級在1級~ 2級的衝擊地壓。

強烈衝擊:拋出煤量在50t以上,震級在2級以上的衝擊地壓。

一般面波震級Ms=1時,礦區附近部分居民有震感;Ms=2時,對井上下有不同程度的破壞;Ms>2時,地面建築物將出現明顯裂縫破壞。

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根據發生的地點和位置分類

(1)煤體衝擊。發生在煤體內,根據衝擊深度和強度又分為表面、淺部和深部衝擊。

(2)圍岩衝擊。發生在頂底板岩層內,根據位置有頂板衝擊和底板衝擊。

成因機理/衝擊地壓編輯

對衝擊地壓成因和機理的解釋主要有強度理論、能量理論、衝擊傾向理論和失穩理論。

強度理論

該理論認為,衝擊地壓發生的條件是礦山壓力大於煤體——圍岩力學系統的綜合強度。

其機理為:較堅硬的頂底板可將煤體夾緊,阻礙了深部煤體自身或煤體——圍岩交界處的變形。由於平行於層面的摩擦阻力和側向阻力阻礙了煤體沿層面的移動,使煤體更加壓實,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。在煤體夾持帶內,壓力高、並儲存有相當高的彈性能,高壓帶和彈性能積聚區可位於煤壁附近。一旦高應力突然加大或系統阻力突然減小時,煤體可產生突然破壞和運動,拋向已采空間,形成衝擊地壓。

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能量理論

該理論認為:當礦體與圍岩系統的力學平衡狀態破壞后所釋放的能量大於其破壞所消耗能量時,就會發生衝擊地壓。剛性理論也是一種能量理論,它認為發生衝擊地壓的條件是:礦山結構(礦體)的剛度大於礦山負荷系(圍岩)的剛度,即系統內所儲存的能量大於消耗於破壞和運動的能量時,將發生衝擊地壓。但這種理論並未得到充分證實,即在圍岩剛度大於煤體剛度的條件下也發生了衝擊地壓。

衝擊傾向理論

該理論認為:發生衝擊地壓的條件是煤體的衝擊傾向度大於實驗所確定的極限值。可利用一些試驗或實測指標對發生衝擊礦壓可能程度進行估計或預測,這種指標的量度稱為衝擊傾向度。其條件是:介質實際的衝擊傾向度大於規定的極限值。

這些指標主要有:彈性變形指數、有效衝擊能指數、極限剛度比、破壞速度指數等。

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上述三種理論提出了發生衝擊地壓的三個準則,即強度準則、能量準則和衝擊傾向度準則。其中強度準則是煤體破壞準則,能量準則和衝擊傾向度準則是突然破壞準則。三個準則同時成立,才是產生衝擊地壓的充分必要條件。

失穩理論

中國一些學者認為:根據岩石全應力——應變曲線,在上凸硬化階段,煤、岩抗變形(包括裂紋和裂縫)的能力是增大的,介質是穩定的;在下凹軟化階段,由於外載超過其峰值強度,裂紋迅速傳播和擴展,發生微裂紋密集而連通的現象,使其抗變形能力降低,介質是非穩定的。在非穩定的平衡狀態中,一旦遇有外界微小擾動,則有可能失穩,從而在瞬間釋放大量能量,發生急劇、猛烈的破壞,即衝擊地壓。由此,介質的強度和穩定性是發生衝擊的重要條件之一。雖然有時外載未達到峰值強度,但由於煤岩的蠕變性質,在長期作用下其變形會隨時間而增大,進入軟化階段。這種靜疲勞現象,可以使介質處於不穩定狀態。在失穩過程中系統所釋放的能量可使煤岩從靜態變為動態過程,即發生急劇、猛烈的破壞。

影響因素/衝擊地壓編輯

地質因素

主要包括開採深度、地質構造、煤岩結構和力學特性等。

開採深度的加大使地應力值增加。一般在達到一定開採深度后才開始發生衝擊地壓,此深度稱為衝擊地壓臨界深度。臨界深度值隨條件不同而異,一般大於200 m,總的趨勢是隨采深增加,衝擊危險性增加。這主要是由於隨采深增加,原岩應力增大的緣故。

地質構造如褶曲、斷裂、煤層傾角及厚度突然變化等也影響衝擊地壓的發生。寬緩向斜軸部易於形成衝擊地壓;斷裂如是一個開採邊界,若回採方向朝向斷層面,則衝擊危險增加;煤層傾角和厚度局部突然變化地帶,實際是局部地質構造應力積聚地帶,因而極易發生衝擊地壓。

煤岩結構及性能也是衝擊地壓影響的主要因素。堅硬、厚層、整體性強的頂板(老頂),易形成衝擊地壓;直接頂厚度適中、與老頂組合性好、不易冒落,衝擊危險較大;煤的強度高、彈性模量大、含水量低、變質程度高、暗煤比例大,一般衝擊傾向較強。

開採技術因素

開採多煤層時,任何造成應力集中的因素,如開採程序不合理、本層回採不幹凈、相鄰兩層開採錯距不合適等,均對防治衝擊地壓不利。從防治衝擊地壓的角度而言,璧式開採優於柱式開採,旱采優於水采,直線工作面優於曲線工作面,冒落法優於充填法。煤柱和開採邊界是最主要的應力集中因素,應盡量避免和減少這些因素的有害影響。

國內外大量實踐表明,衝擊地壓往往伴隨著井下生產過程的某些工序(如爆破、冒頂、採煤等)而發生,這些因素稱為誘導因素。誘導因素本身的能量可能很小,但其誘發衝擊地壓而釋放的能量及其破壞性卻很大。因而,誘導因素也是發生衝擊地壓的一個不可忽視的因素。

預報/衝擊地壓編輯

WET法

該方法是波蘭採礦研究總院提出的,用於測定煤層衝擊傾向。WET為彈性能與永久變形消耗能之比。波蘭採礦研究總院規定:WET>5為強衝擊傾向;2<WET<5為弱衝擊傾向; WET<2為無衝擊傾向。該方法雖存在一些不足之處,但基本適於我國情況,可作為煤層衝擊傾向鑒定指標之一。

彈性變形法

它是前蘇聯礦山測量研究院提出的用於測定衝擊地壓的方法。即在載荷不小於強度極限80%的條件下,用反覆載入和卸載循環得到的彈性變形量與總變形量之比(K),作為衡量衝擊傾向度的指標。當K≥0.7時,有發生衝擊地壓的危險。

煤岩強度和彈性係數法

該方法是用煤岩的單向抗壓強度或彈性模量的絕對值,作為衡量衝擊傾向度的指標。這種方法較為簡單,經常用作輔助指標。其指標的界限值必須根據各礦井的試樣進行試驗確定。

中國《煤礦安全規程》中規定:「開採衝擊地壓煤層時,衝擊危險程度和採取措施后的實際效率,可採用鑽粉率指標法、地音法、微震法等方法確定」。

鑽粉率指標法

鑽粉率指標法又稱為鑽粉率指數法或鑽孔檢驗法。它是用小直徑(42mm~45mm)鑽孔,根據打鑽不同深度時排出的鑽屑量及其變化規律來判斷岩體內應力集中情況,鑒別發生衝擊地壓的傾向和位置。在鑽進過程中,在規定的防範深度範圍內,出現危險煤粉量測值或鑽桿被卡死的現象,則認為具有衝擊危險,應採取相應的解危措施。

地音、微震監測法

岩石在壓力作用下發生變形和開裂破壞過程中,必然以脈衝形式釋放彈性能,產生應力波或聲發射現象。這種聲發射亦稱為地音。顯然,聲發射信號的強弱反映了煤岩體破壞時的能量釋放過程。由此可知,地音監測法的原理是,用微震儀或拾震器連續或間斷地監測岩體的地音現象。根據測得的地音波或微震波的變化規律與正常波的對比,判斷煤層或岩體發生衝擊傾向度。

山東肥城礦務局陶庄煤礦用微震儀研究了發生衝擊礦壓的規律,結論為:微震由小而大,間有大小起伏,次數和聲響頻繁;在一組密集的微震之後變得平靜,是產生衝擊礦壓的前兆現象;稀疏和分散的微震是正常應力釋放現象,無衝擊危險。

根據震相曲線和地震學的知識,則可以計算出發生衝擊地壓的震源位置。由於各種煤岩體的地音和微震特性不同,並且又具有不均質性和各向異性等特點,其傳播速度有很大差異。此外,各處的地質和開採條件也不相同,礦井下又常有強烈的環境噪音干擾,地音或微震信號在煤岩體中產生和傳播情況將是很複雜的,可能產生多次的反射、折射和繞射,還可能發生波型變換等現象。因而在使用中應注意與其他預測方法綜合使用,特別是與鑽屑法綜合使用,以保證預測的準確性。

工程地震探測法

用人工方法造成地震,探測這種地震波的傳插速度,編製出波速與時間的關係圖,波速增大段表示有較大的應力作用,結合地質和開採技術條件分析、判斷發生衝擊地壓的傾向度。

綜合測定法

為了能夠更準確地判斷出發生衝擊地壓的地點和時間,可同時採用上述兩種以上的方法,根據多因素的變化,綜合加以確定。國內外常使用的是鑽屑法、地音監測法、地質及開採技術條件分析的綜合方法。

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