冲击地压和煤与瓦斯的统一认识课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,110,4,Hz,，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， 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=v,h,/v,c,式中，v,h,为加载引起的应力状态变化速度；v,c,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K,p,和试验机刚度K,o,的比值,，,当| K,p,|K,o,|（普通试验机）时，试件发生突然破坏，相反，当| K,p,|K,o,|（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:,W,E,围岩储存的能量；,围岩能量释放有效系数；,W,S,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 Engineering,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W,Et,、冲击能指数K,E,以及动态破坏时间DT,，,即：,W,ET,=,ST,/,SP,K,E,=F,S,/F,X,The Mining Engineering,弹性能指数计算图,冲击能指数计算图,L,O,F,X,P,D,C,F,S,L,O,SP,P,0,C,ST,动态破坏时间曲线,T（ms）,DT,P,The Mining Engineering,指标,界 限 值,W,ET,K,E,DT（ms）,鉴定结果,5,5,50,强 烈,5,W,ET,2,5,K,E,1.5,50,DT,500,中 等,2,1.5,500,无,冲击倾向判别指标,The Mining Engineering,冲击地压发生条件,冲击地压发生的必要条件,地应力条件,高地应力使煤岩体中聚集大量弹性能；,地应力状态的突然变化,围岩或煤层的弹性潜能释放作功，使煤体产生突然破坏和位移。,煤岩物理力学性质条件,冲击倾向性条件,强度条件：煤愈硬，发生冲击的可能性越高。,煤岩越干燥，冲击倾向性越强。,诱发因素,冲击地压发生的阶段,即冲击的发动阶段。由于外力作用使工作面附近煤岩体应力状态突然改变，岩石和煤中积聚的弹性潜能迅速释放，使煤岩体发生突然的位移、破坏。激发冲击地压。,能量积聚过程，即：采掘工作面前方应力集中，形成高的应力梯度。,准备阶段使工作面处于突出危险状态，工作面显现各种的,有声或无声的冲击预兆。,当出现下列任一情况时，冲击即告停止：,激发冲击的能量业已耗尽；,冲击过程中，继续放出的能量不足以克服煤岩体之间的阻力；,冲击地压发生与发展过程,停止阶段,激发阶段,准备阶段,发展阶段,发展阶段的特点是煤岩体依靠释放的弹性能使发生连续破碎，已破碎的煤岩体在冲击压力作用下克服层间压剪作用，煤岩体高速抛出。,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,煤与瓦斯突出发生必要条件,煤结构和,力学性质条件,瓦斯条件,地应力条件,地应力状态的突然变化,围岩或煤层的弹性潜能释放作功，使煤体产生突然破坏和位移。,地应力场对瓦斯压力场起控制作用。,地应力状态对煤层的透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；,高压瓦斯分子全面缩煤的骨架，促使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，造成作用于压力降低方向的力。,强度条件：煤愈硬，所需的破碎功愈大瓦斯解析和放散能力。,煤层透气性能。,不均质性条件。,冲击地压发生条件,冲击地压发生的必要条件,地应力条件,高地应力使煤岩体中聚集大量弹性能；,地应力状态的突然变化,围岩或煤层的弹性潜能释放作功，使煤体产生突然破坏和位移。,煤岩物理力学性质条件,冲击倾向性条件,强度条件：煤愈硬，发生冲击的可能性越高。,煤岩越干燥，冲击倾向性越强。,诱发因素,煤与瓦斯突出发生充要条件,形成瓦斯流,诱发因素,能量积聚,放炮落煤、石门揭开煤层、工作面进入地质造带、打钻、架棚、冒顶等使工作面附近应力状态突然改变，导致煤体的突然破坏，,这是突出得以发生的激发条件。,工作面前方煤岩体中的,积聚发生突出的弹性潜能和瓦斯膨胀能，,是突出发生的,基础条件。,煤体连续破碎,突出的煤体和以破碎的煤能快速涌出瓦斯，足以形成能抛出已破碎煤的瓦斯流，,这也是突出得以发展的必要条件,。,突出激发后，,煤的暴露面处于高地应力,和高瓦斯压力区，使煤体能产生自发连续的破碎，,这是突出的发展条件。,即突出的发动阶段。由于外力作用使工作面附近煤岩体应力状态突然改变，岩石和煤中积聚的弹性潜能、,瓦斯膨胀能迅速释放，,使煤岩体发生突然的位移、破坏。激发突出。,能量积聚过程,，即工作面前方应力集中，形成高的应力梯度；应力增大使煤体透气性降低，煤体内瓦斯压力梯度提高。,准备阶段使工作面处于突出危险状态，这样的工作面会显现各种的有声或无声的突出预兆。,当出现下列任一情况时，突出即告停止：,激发突出的能量业已耗尽；,突出过程中，继续放出的能量不足以粉碎煤；,突出孔道受阻碍，不能继续在突出空洞周围建立较大的应力梯度和瓦斯压力等。,煤与瓦斯突出发展过程,停止阶段,激发阶段,准备阶段,发展阶段,煤体依靠释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能使发生连续破碎，形成破碎波，已破碎的煤岩体在高速瓦斯流的携带下向巷道抛出。,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,2-0,3-1,(,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,3-1,3,时没有地压和突出危险性。在掘进面,2-1,2.5,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 rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Crack propagation and coalescence in brittle rock,Axial compression without confinement,Example 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，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！,