冲击地压和煤与瓦斯的统一认识PPT课件

第1页/共122页 ，常以煤（岩）体剧烈以煤（岩）体剧烈的突出破坏为特征。的突出破坏为特征。l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。从几秒到几十秒。l记录到的最大震级已超过里氏记录到的最大震级已超过里氏5 5级，震动频率在级，震动频率在1 110104 4HzHz，有时，有时可能诱发其它矿井灾害，如煤与瓦斯突出等。可能诱发其它矿井灾害，如煤与瓦斯突出等。第2页/共122页冲击地压案例冲击地压案例l 17381738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。目前世界几乎所有采矿国家都有冲击地压发生。l 我国我国19331933年在抚顺胜利矿发生有记录的首例冲击地压。目前，我国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发生冲击地压的矿井超过8080个。个。l 19601960年年1 1月月2020日南非的日南非的CoalbrockNorthCoalbrockNorth煤矿发生了一次冲击地压，煤矿发生了一次冲击地压，井下破坏面积达井下破坏面积达300300万万2 2, ,死亡死亡432432人。人。l 抚顺龙风矿抚顺龙风矿19781978年年5 5月月1313日发生在日发生在602602东翼采区东翼采区1 1煤门煤门5/45/4东震级为东震级为0.60.6级的冲击地压，造成煤炭突出级的冲击地压，造成煤炭突出138.6138.6，4 4人死亡，人死亡，6 6人被埋。人被埋。l 19741974年年1010月月2525日北京矿务局城子矿在回收煤柱时发生震级为日北京矿务局城子矿在回收煤柱时发生震级为3.43.4级级冲击地压，冲击地压， 造成造成2929人死亡。人死亡。第3页/共122页 冲击矿压现象各国以及不同的行业，其名称冲击矿压现象各国以及不同的行业，其名称不完全一样。不完全一样。 常见名词的有常见名词的有等。等。 n 第4页/共122页冲击地压的分类冲击地压的分类l 按发生原因分：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。l按冲击源分：按冲击源分：重力型；构造型；综合型第5页/共122页冲击地压基本理论冲击地压基本理论第6页/共122页冲击地压的强度理论 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，因此提出了关注的是煤岩体的强度问题，因此提出了“强度理论强度理论”，它主要着眼，它主要着眼于煤岩体的破坏原因，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。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：冲击地压的应力条件为： /* *11 式中，式中，为煤岩体承受的应力；为煤岩体承受的应力；* *为煤岩系统的强度。（为煤岩系统的强度。（根据冲根据冲击地压的强度理论，在矿井生产的实践中，采取击地压的强度理论，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）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，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，说明强度理论提出的判据不充分。的判据不充分。 The Mining EngineeringThe Mining Engineering第7页/共122页 后来一些学者在对煤岩进行试验时发现，后来一些学者在对煤岩进行试验时发现， 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 EngineeringThe Mining Engineering第8页/共122页 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，发现当当| K| Kp p| |K|Ko o | |（普通试验机）时，试件发生突然破（普通试验机）时，试件发生突然破坏，相反，当坏，相反，当| K| Kp p| |K|Ko o | |（刚性试验机）时，试（刚性试验机）时，试件破坏过程平稳件破坏过程平稳。The Mining EngineeringThe Mining Engineering第9页/共122页 60年代中期，南非学者Cook在对大量的冲击现象研究后，提出了随随着采掘范围的扩大，矿体着采掘范围的扩大，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，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。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，以单位时间的能量消耗为判据，否则即使释放的能量远以单位时间的能量消耗为判据，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。产生冲击地压。其判据为：The Mining EngineeringThe Mining Engineering第10页/共122页 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 EngineeringThe Mining Engineering第11页/共122页 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W WEtEt、冲击能指数K KE E以及动态破坏时间DTDT，即： W WETET=STST/SPSPK KE E=F=FS S/F/FX XThe Mining EngineeringThe Mining Engineering第12页/共122页弹性能指数计算图冲击能指数计算图LOFXPDCFSLOSPP0CST动态破坏时间曲线T（ms）DTPThe Mining EngineeringThe Mining Engineering第13页/共122页指标界 限 值WET KEDT（ms）鉴定结果5550强 烈5W WETET25K KE E1.550DTDT500中 等21.5500无The Mining EngineeringThe Mining Engineering第14页/共122页第15页/共122页即冲击的发动阶段。即冲击的发动阶段。由于外力作用使工由于外力作用使工作面附近煤岩体应作面附近煤岩体应力状态突然改变，力状态突然改变，岩石和煤中积聚的岩石和煤中积聚的弹性潜能迅速释放，弹性潜能迅速释放，使煤岩体发生突然使煤岩体发生突然的位移、破坏。激的位移、破坏。激发冲击地压。发冲击地压。能量积聚过程，即：采掘工能量积聚过程，即：采掘工作面前方应力集中，形成高作面前方应力集中，形成高的应力梯度。的应力梯度。准备阶段使工作面处于突出准备阶段使工作面处于突出危险状态，工作面显现各种危险状态，工作面显现各种的的有声或无声的冲击预兆。有声或无声的冲击预兆。当出现下列任一情况当出现下列任一情况时，冲击即告停止：时，冲击即告停止： 激发冲击的能量业已耗激发冲击的能量业已耗尽；尽；冲击过程中，继续放出冲击过程中，继续放出的能量不足以克服煤岩体的能量不足以克服煤岩体之间的阻力；之间的阻力； 停止阶段停止阶段激发阶段激发阶段发展阶段发展阶段发展阶段的特点是发展阶段的特点是煤岩体依靠释放的煤岩体依靠释放的弹性能使发生连续弹性能使发生连续破碎，已破碎的煤破碎，已破碎的煤岩体在冲击压力作岩体在冲击压力作用下克服层间压剪用下克服层间压剪作用，煤岩体高速作用，煤岩体高速抛出。抛出。第16页/共122页第17页/共122页第18页/共122页第19页/共122页第20页/共122页煤结构和煤结构和力学性质条件力学性质条件瓦斯条件瓦斯条件 地应力条件地应力条件地应力状态的突然变化地应力状态的突然变化 围岩或煤层的弹性潜围岩或煤层的弹性潜能释放作功，使煤体产生能释放作功，使煤体产生突然破坏和位移。突然破坏和位移。 地应力场对瓦斯压力地应力场对瓦斯压力场起控制作用。场起控制作用。地应力状态对煤层的透地应力状态对煤层的透气性起到一定的控制作用气性起到一定的控制作用。高压游离瓦斯产生的瓦斯膨胀能；高压游离瓦斯产生的瓦斯膨胀能；高压瓦斯分子全面缩煤的骨架，促使高压瓦斯分子全面缩煤的骨架，促使煤体中产生弹性潜能煤体中产生弹性潜能吸附在微孔表面的瓦斯分子对微孔起吸附在微孔表面的瓦斯分子对微孔起楔子作用，降低煤的强度。楔子作用，降低煤的强度。工作面前方形成的瓦斯压力梯度，造工作面前方形成的瓦斯压力梯度，造成作用于压力降低方向的力。成作用于压力降低方向的力。强度条件：煤愈硬强度条件：煤愈硬，所需的破碎功愈大，所需的破碎功愈大瓦斯解析和放散能瓦斯解析和放散能力。力。煤层透气性能。煤层透气性能。不均质性条件。不均质性条件。第21页/共122页第22页/共122页形成瓦斯流形成瓦斯流诱发因素诱发因素能量积聚能量积聚这这是突出得以发生的激发条是突出得以发生的激发条件。件。工作面前方煤岩工作面前方煤岩体中的体中的是突出发生的是突出发生的煤体连续破碎煤体连续破碎 这也是突这也是突出得以发展的必要出得以发展的必要条件条件。突出激发后，突出激发后，这是突这是突出的发展条件出的发展条件。第23页/共122页即突出的发动阶段。即突出的发动阶段。由于外力作用使工由于外力作用使工作面附近煤岩体应作面附近煤岩体应力状态突然改变，力状态突然改变，岩石和煤中积聚的岩石和煤中积聚的弹性潜能、弹性潜能、使使煤岩体发生突然的煤岩体发生突然的位移、破坏。激发位移、破坏。激发突出。突出。，即工作面前，即工作面前方应力集中，形成高的应力方应力集中，形成高的应力梯度；应力增大使煤体透气梯度；应力增大使煤体透气性降低，煤体内瓦斯压力梯性降低，煤体内瓦斯压力梯度提高。度提高。准备阶段使工作面处于突出准备阶段使工作面处于突出危险状态，这样的工作面会危险状态，这样的工作面会显现各种的有声或无声的突显现各种的有声或无声的突出预兆。出预兆。当出现下列任一情况时，突出当出现下列任一情况时，突出即告停止：即告停止：激发突出的能量业已耗尽；激发突出的能量业已耗尽；突出过程中，继续放出的能突出过程中，继续放出的能量不足以粉碎煤；量不足以粉碎煤； 突出孔道受阻碍，不能继续突出孔道受阻碍，不能继续在突出空洞周围建立较大的应在突出空洞周围建立较大的应力梯度和瓦斯压力等。力梯度和瓦斯压力等。停止阶段停止阶段激发阶段激发阶段准备阶段准备阶段发展阶段发展阶段煤体依靠释放的弹煤体依靠释放的弹性能和游离瓦斯的性能和游离瓦斯的膨胀能使发生连续膨胀能使发生连续破碎，形成破碎波，破碎，形成破碎波，已破碎的煤岩体在已破碎的煤岩体在高速瓦斯流的携带高速瓦斯流的携带下向巷道抛出。下向巷道抛出。第24页/共122页第25页/共122页第26页/共122页第27页/共122页第28页/共122页第29页/共122页第30页/共122页第31页/共122页第32页/共122页第33页/共122页第34页/共122页第35页/共122页第36页/共122页第37页/共122页第38页/共122页第39页/共122页第40页/共122页第41页/共122页第42页/共122页第43页/共122页第44页/共122页第45页/共122页第46页/共122页第47页/共122页第48页/共122页第49页/共122页第50页/共122页第51页/共122页 第52页/共122页 第53页/共122页 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。 第54页/共122页Example1Example1Example1试件单轴压缩声发射分布试件单轴压缩声发射分布第55页/共122页第56页/共122页第57页/共122页第58页/共122页第59页/共122页第60页/共122页第61页/共122页第62页/共122页第63页/共122页第64页/共122页第65页/共122页第66页/共122页第67页/共122页第68页/共122页Example 2Example 2Example 2第69页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第70页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第71页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第72页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第73页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第74页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第75页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第76页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第77页/共122页Crack propagation and coalescence in brittle rockAxial compression without confinement第78页/共122页Example 3Example 3Example 3第79页/共122页第80页/共122页Step 60第81页/共122页Step 78-2第82页/共122页Step 78-4第83页/共122页Step 78-7第84页/共122页Step 78-9第85页/共122页Step 78-13第86页/共122页Step 78-16第87页/共122页Step 78-23第88页/共122页Step 78-37第89页/共122页Step 112第90页/共122页Step 169第91页/共122页Step 178第92页/共122页Step 188第93页/共122页Step 212第94页/共122页Step 225第95页/共122页Step 294第96页/共122页第97页/共122页第98页/共122页第99页/共122页第100页/共122页第101页/共122页第102页/共122页第103页/共122页第104页/共122页第105页/共122页第106页/共122页第107页/共122页第108页/共122页第109页/共122页第110页/共122页第111页/共122页第112页/共122页第113页/共122页。（但构造变化引起的敏感程度不同）。（但构造变化引起的敏感程度不同） 第114页/共122页第115页/共122页第116页/共122页第117页/共122页第118页/共122页 l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。 l采用系统稳定平衡状态的及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。 l“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。 第119页/共122页l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抛砖引玉而已。l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l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，以便我们要有足够足够第120页/共122页第121页/共122页感谢您的观看！第122页/共122页