对冲击地压及其机理的思考与再认识

一、煤矿冲击地压灾害现状
近年来我国煤矿冲击地压矿井数量快速增加 ，至2011年已有142座煤矿发生过冲击地压。
如何来有效防治冲击地压灾害？
预防方法名称
一、区域防范方法 1. 优化开拓布置 2. 解放层开采 3. 无煤柱开采 4. 预掘卸压巷 5. 宽巷掘进 6. 宽巷留柱法 7. 煤层注水 8. 高压水射流切槽 二、局部解危方法 1. 顶板深孔爆破 2. 煤层卸载爆破 3. 煤层高压注水 4. 大孔卸压法 5. 定向水力压裂法 6. 断底爆破法 7. 预掘卸压硐室 8. 煤层高压水力压裂 9. 底板切槽法 10.围岩支护法
问题：冲击地压防治“三步走”：
机理
wk.baidu.com预测
防治
冲击地压的“黑箱理论”
冲击地压传统的认识：一种矿山井巷或采场周围煤岩体，由于弹 性变形能的瞬间释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特 征的动力现象。摘自《煤矿安全规程》-----------黑箱认识！
开采、地质条件
输 入
冲击地压
灾 害！
输 出
新的机理以冲击过程为突破口！
主要应用国家
苏、波、联邦德国、中、日、法、 中、联邦德国、波、法、匈、美、 日、中、美、匈 中 苏、波 苏、法、中 俄、乌、中
到底怎么监测？ 监测什么？？
二、地球物理方法 1. 微震监测 2. 流动地音法 3. 锤击波速法 4. 地电法 5. 地磁法 6. 重力法 7. 超声法 8. 地音法 9. 声发射法 10.电磁辐射法 三、经验类比分析法
波、苏、联邦德国、中、日、 波、中、美 波、苏 苏、波 苏 苏 中、苏、波 波、美、中 中、波 中
大部分国家
目前的机理与实践脱节！
能量理论
Cook， 1965
刚度理论
Petukhov ， 1979
强度理论
冲击倾向
Wetokhe， Bieniawski， 1985 1981
三准则
失稳理论
……
三因素
强度弱化减冲
浅部集中动载荷型冲击地压分析 （埋深317m）
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浅部集中动载荷型冲击地压分析
Pa P`a P0 P`a
Pa=nP0 P`a
Pa P`a P0
巷道
B B N
B
Pa P`a P0 P`a Pa=nP0
q
采空区
pu
采 空 区
O N C a V
工作面煤壁
A
a D
F N
O
N 2013-12-23
E0 [σ σ σ 2μ σ1σ 2 σ1σ3 σ3σ 2 ]
2 1 2 2 2 3
Pa P`a P0 P`a Pa=nP0 P`a Pa P`a
0
P 巷道围岩形变势能的集聚取决于该位置主应力大小。
巷道
2E
B
B
N
主应力最大区，弹性势能最大，越容易失稳， XΩ0为冲击启动区。
巷道底板(地基) 极限平衡力学模型
B-基础宽度(侧帮支承压力宽度) Pu -地基 (底板岩体) 极限承载力 q -回填层或道床压力或底板 支护反力 α= 45°-φ/ 2
由太沙基地基极限承载力理论公式：
Pu
1 rBNr qNq CNC 2
constant
在宽度B范围内侧帮集中应力的平均值近似为:
千秋21141巷道冲击地压分析
Pa P`a P0 P`a Pa=nP0 P`a Pa P`a P0
B
pu
O` N`
B N
巷 道 中 轴 线
q
B
pu
a D a O N C
A` V` C`
a
F
a D`
F`
A V
巷道
B
巷道侧帮支承压力分布图
Pa -峰值支承压力 Po -原岩应力 B -支承压力带宽度 ro -巷道的平均半径
Pn
1 L nP 0 P0 2 2B
Pn
成果体现：半孤岛面全煤巷道底板冲击启动原理分析 [J]. 煤炭学报 2011,（2）；冲击地压危险性预评价与 实践[J].煤炭工程，2011（10）
2013-12-23
L P0 2B
0
1 L Pn nP 0 P0 2 2B
20
n
深部集中静载荷型冲击地压分析
千秋21141巷道冲击地压分析
•
21141煤层中平均应力集中系数为1.7，工作面 按埋深折算重应力约为18 MPa，算上应力集中系 数，峰值为30.6 MPa，而实验室测得煤层单轴抗 压强度平均为18.20 MPa。 • 冲击地压启动区域相对巷道全长来讲，看作 一个单位区域，巷帮集中静载荷由式(5)估算为 E静=370 KJ/m3，由式(6)计算得EC=49 KJ/m3， 由冲击启动理论， E静-EC>0，就集中静载荷 足以使得巷道发生动力冲击。
主要应用国家
苏、波、联邦德国、 中、联邦德国、波、 苏、联邦德国、法、 中 苏、波 苏、法、中 俄、乌、中 中 波、苏、联邦德国、中、 波、中、美 波、苏 苏、波 苏 苏 中、苏、波 波、中 中、波 中
如何来预测冲击地压？
监测方法名称
一、岩石力学方法 1. 钻屑法 2. 煤岩体变形测量 3. 煤岩体应力测量 4. 地质构造形迹分析 5. 孔径（底）冲头挤压 法 6. 岩饼法 7. 地质动力区划法
2E
神华新疆宽沟矿
EC C 2 / 2 E
Ed Ed 0 R
采场冲击地压启动的能量判据为： 顶板断裂动载荷Ed对应力峰值区X0的扰动：
E静 E动 EC 0
冲击地压启动理论的提出
冲击地压启动理论：
1 冲击地压发生是一个动力学过程，依次经历冲击启动-冲击能量传递-冲击地压显现三个阶段；
B
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浅部集中动载荷型冲击地压分析
•
宽沟工作面超前支承压力峰值处于工作面前方13.9
～16.75 m处。集中系数平均为2.87。W1143工作面按埋
深折算自重应力为7.92 MPa，加上应力集中系数，峰值 为22.73 MPa，而实验室测得B4–1煤层单轴抗压强度平 均为28.80 MPa。 • 由式(6)计算得EC= 59.24 KJ/m3。可见，三次断裂 释放的能量均小于煤层动力破坏所需要的最小能量，工 作面下部14#～20#支架的区域由式(5)估算为E静=44.84 KJ/m3，与19：34微震事件能量叠加。由冲击启动理论
纲
冲击地压灾害如何有效防治
对冲击地压及其机理的思考 冲击地压机理再认识：
——冲击启动理论的提出
冲击启动理论的实践应用 结语
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冲击地压灾害现象
一、 煤矿冲击地压现状
• 诱发次生灾害，造成更加严重的灾难性后果!
•2003 年 5 月 13 日 ， 芦 岭煤矿，冲击地压诱 发瓦斯爆炸，造成84 人死亡； •2005 年 2 月 14 日 ， 辽 宁孙家湾煤矿，冲击 地压诱发特大瓦斯爆 炸事故，造成 214人 死亡。
报告完毕
谢谢各位专家，请多指正！
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分别以“冲击地压”、“冲击矿压”为关键词，对近10年间的科技文献进行 检索，共检索了367篇，分析了 87个矿井冲击地压发生地域，主要影响因素。
以上都是外围因素，虽然复杂多变，但最终都得归结于 为冲击启动提供载荷源 （集中静载荷或集中动载荷）！
冲击地压启动的两种类型
（1）集中静载荷型冲击地压启动能量判据
（2）集中动载荷型冲击地压启动能量判据
B
巷道
B B N
集中动载荷
q
采空区
pu
O a V C
冲击启动区
A a D F N O
集中静载荷
N
集中动载荷型冲击地压发生力学模型
煤壁应力峰值点积聚弹性能计算为：
X0处煤体破坏所需最小能量EC
E0
2 2 2 [σ1 σ 2 σ3 2μ σ1σ 2 σ1σ3 σ3σ 2 ]
2 采动围岩近场集中静载荷的积聚是冲击启动的内因，远场集中动载荷对静载荷的扰动、加载 是冲击启动的外因；
3 冲击启动区为应力极限平衡区，冲击启动的能量判据为 E静 E动 EC 0 。
17
解决了机理、监测与防治相脱节的问题！
应用一：
在冲击地压发生机理中的应用
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深部集中静载荷型冲击地压分析（780m）
冲击过程之三：冲击地压显现
冲击地压发生过程一般就几十秒的时间。我们 看到的往往是冲击地压发生后，显现的状态，是一 个结果，表现为人员伤亡、设备损坏、巷道破坏等， 为此，我们这种冲击地压发生后的结果性状态定义 为冲击地压显现。
冲击过程之一：冲击启动
无论倾向还 是走向定位， 震源和冲击 地压显现不 是同一位置， 一定存在一 个冲击启动 区。
显现位置
震源位置
冲击过程之二—冲击能量传递
顶板 煤层 底板
巷道
微震监 测证实冲击 启动后剩余 能量开始传 递，即冲击 能量传递阶 段存在。
冲击地压是一个“动力学过程”！
输 入
地质、开采条件
冲击地压
输 出
灾害
载荷源
输 入
冲击启动
冲击能量专递
载荷释放
输 出
冲击地压显现 任重道远！
冲击启动载荷源的统计分类
国家重点基础研究发展计划（973）项目(2010CB226806)资助 国家自然科学基金青年基金项目（51204097）资助
2013 全国岩石动力学会议
对冲击地压及其机理的思考与再认识
冲击地压研究室：潘俊锋
天地科技股份有限公司开采设计事业部 （煤炭科学研究总院开采设计研究分院） 2013年10月
提
巷 道 中 轴 线
B
q
B
pu
O` N` a V` C`
pu
a D a O N C
A`
F
a D`
F`
A V
义马矿区千秋矿
XΩ0处煤体破坏所需最小能量EC
集中静载荷型冲击地压发生力学模型
EC C 2 / 2 E
E静 EC 0
全煤巷道冲击地压启动的能量判据为：
P0
P0
冲击地压启动的两种类型
E静+ E动- EC = 44.84 +40-59.24=25.6>0。
浅部集中静载荷型冲击地压 （埋深371m）
冲击灾害发生巷道
远场集中动载荷源监测结果
高集中应力中掘进的巷道
巷道围岩集中静载荷研发监测结果
结 语
根据我的实践与思考总结出冲击地压防治的三个理念:
影响冲击地压发生的因素有几十种，并且煤矿开采最大的特 点就是条件一直在变，没有绝对相同的开采条件，也就没有绝 对成熟的防冲技术可以复制，抓住载荷源进行监测与处理以不 变应万变，才能沉着应对冲击地压灾害，将使得冲击地压“复 杂问题简单化”，这是防冲第1理念。 能量是守恒的，此消彼长，因此冲击地压防治，针对载荷 源宜疏不宜堵，“疏”是防冲的第2理念。 冲击地压监测手段有待改进，但防治方法不一定就需要创新， 一成不变的防治方案是不能防冲的，边研究边设计才是科学可 靠的防治思路，因此“精细化”研究是防冲的第3理念。 博客：http://cjdyyjs.blog.163.com/