冲击地压及其防控(冲击地压防控知识.北京科大纪教授

为消除瓦斯压力对冲击地压的影响，杜绝冲击地压引发瓦斯燃爆及煤与瓦斯 突出事故， 老虎台矿采取了四种不同方式的预抽方法。
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一是区域预抽（见图10）。即采区准备之前，在煤层底板岩石中沿走向布臵 瓦斯抽放专用巷道,在瓦斯巷内每隔20～30m掘抽放钻场,向所采煤层打穿层钻孔,实 施生产准备前的预先抽放； 二是掘前预抽（见图11）。在石门揭煤之前,于煤层底板法线距离10m左右,在 巷道两侧掘钻场，沿巷道掘进方向打钻实施掘前预抽； 三是边抽边掘（见图12）。揭煤以后在煤巷两侧每隔30m交替布臵钻场，向煤 层打钻预抽煤层中瓦斯； 四是采前预抽（见图13）。工作面生产准备系统形成后,在顺槽掘进过程中于 两侧掘钻场向两侧煤层打钻抽放， 一般钻场内布臵 7～9个钻孔，孔深80～100m左 右，实施采前预抽,工作面回采前预抽率必须达到30%以上，否则不准开采（2005年
– 矿震－波动效应、震动效应 – 冲击地压：地下工程效应—相对矿山压力 – 岩爆、煤炮：相对于围岩的破坏形式。 – 机理:都是岩体由高能态向低能态的过渡和转变。
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距工作面100-200m以外为中尺度矿震
地面 Ground surface
HR≈400-500m
冲击地压
采 区
岩爆
Rockbursts
R≈3000m
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70 55
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
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130
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140 55
50
50
45
45
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Ms8.1 Ms8.1 Ms8.1 Ms8.1 Ms8.1 Ms8.1
40
35
35
30
30
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25
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20
15 70
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15 140
天然地震大尺度范围诱发煤矿瓦斯异常涌出
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正在拆除的A号商品住宅楼
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• • • • • •
1933年我国的矿震最早发生于抚顺胜利煤矿 1950年前全国关于发生矿震报道的矿区只见到2个， 20世纪50年代增加到8个 60年代14个 70年代30个 目前已见到81 个煤矿、19个非煤矿108个矿井有发 生矿震详略不同的报道 • 矿震灾害与开采深度和矿产资源采出量有关
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The Institute of Engineering Mechanics
粉质粘土
裂缝
卵石
砂、砾石
S
N
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01/09/2002
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之三、关于冲击地压防治
经过大量的研究和实践，已形成了“预测预报、危险源解危、安全防护” 等综合防 治措施，主要措施有： 1.冲击地压预测预报 为了全面准确掌握矿井冲击地压危险性分布状况、危险程度，使解危措施有 的放矢，提高减震效果，准确的预测预报是必要的前提。预测预报包括：区域性和局部性 预测预报。 （1）区域性预测预报 区域性预测预报是宏观的定性预报，主要是根据冲击地压发生的机理和多年来积累的 开采实践经验，通过对矿井地质构造带、开采布局、开采顺序、开采历史的系统分析，以 及孤岛煤柱、采掘应力集中区等划定的 “冲击地压危险区”，在危险区域内，重点进行局 部性预测。 微震观测法和声发射监测法 通过微震、声发射观测，测定覆岩断裂、移动，能量聚集与释放等现象，进而把握冲击 地压的规律和趋势。 综合分析法
• 关于“冲击过程”的外部效应－能量的快速释放
– 波动效应：弹性波 地震波：10Hz以下 微震动：10－300Hz 声发射：200－500Hz 大于5Km 小于5Km 小于1Km-cm 地震观测 微震观测 声发射观测
– 热效应（温度效应） – 磁效应 – 电效应
• 矿震、冲击地压、岩爆、煤炮之间的关系
通过对地质条件、构造条件、开采过程、工程条件的系统分析，找出开采过程中的应力 异常区和能量聚集区，并预测出冲击地压灾害的危险源。
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（2）局部性预测预报
在区域性预测预报的基础上，对宏观划定为“冲击地压危险区域”的采掘工作面进 行局部性的预测预报： 钻粉法：
测定每米钻粉量，每次测定2个孔，每孔深10m；临界指标为3.5kg／m以下为无冲击地 压直接危险性，3.5～5kg／m为一般冲击地压危险区，超过5kg／m视为严重冲击地压区。
已达50%以上）。
为了提高瓦斯抽放量，对瓦斯抽放系统进行了改造，新安装10台高负压水环 瓦斯抽放泵，铺设瓦斯管路１万多米，购买钻机50多台。 使矿井瓦斯抽放能力由 350ｍ3／min提高到500ｍ3／min以上，年瓦斯抽放纯量在1亿ｍ3以上。近几年瓦斯
抽放量和矿井瓦斯抽放率见表3、曲线图14。
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图10
主动性 被动性
• 关于时间、过程、系统
– 关于时间秩序的思考 – “过程”的含义 – 地下开采系统
Fra Baidu bibliotek
• 系统的整体演变与局部化特征 • 最小因子原理
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之二：关于冲击性灾害的危害
– 对井下生产设施与人员的伤害 – 对地面设施和建筑物的毁坏 – 对社会稳定的影响和破坏
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临沂矿务局古城煤矿（2009－2－28）
电磁辐射法： 在工作面两顺及其它巷道采用电磁辐射法进行预测预报，测定电磁辐射强度值及脉冲 数，根据前段时间测试数据统计分析，根据电磁辐射强度、脉冲等指标进行报警。 矿压观测法： 在严重冲击危险巷道均匀布点，进行矿压和巷道变形观测,初步观测结果是：回采工 作面前方15m以内为缓压带，15m至150m为超前压力影响带，150m以外为不受采动影响的原 始应力带。
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对地面工程的破坏
• • • • 地面房屋建筑开裂 地表下沉 深部断层活化 滑坡
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德国的一次 ML4.2 矿震震害
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危及采矿与公共安全
加剧地表沉陷，引起房屋开裂 矿震摧毁矿井 边坡失稳造成房屋开裂
边坡 沉陷 破裂离层
瓦斯异常涌出
断层
老采空区顶板塌陷
导致断层活化造成房屋开裂
井毁人亡
瓦斯事故
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②控制开采强度，限制工作面推进速度 为降低煤岩体的变形速度和顶板运动的速度，从而减小能量释放，达到防治 冲击地压的目的，老虎台矿对现有的三个综放工作面进行了限制推进速度、控制 开采强度的作法。 83001工作面推进速度由原来的每月35m控制在目前的不超过20m，月产量由 25万吨以上降到8万吨；63003工作面推进速度由原来的每月45m控制在目前的不 超过30m，月产量由18万吨以上降到8万吨；-330m东边界工作面推进速度由原来 的每月65m控制在目前的不超过40m，月产量由7万吨以上 降到5万吨。三个采面 综合月生产能力可达50万吨以上,而矿井实际月产量为21万吨左右,工作面开采强 度较小,富余系数较大，并且各自有独立的通风系统，互不干扰,互不影响。按照 省委、省政府的要求,矿井煤炭产量由核定能力的335万吨/年控制在260万吨/年， 并计划今后五年还要继续减产。 （2）加大瓦斯抽放力度，提高瓦斯抽放率
– 与地质条件、应力环境、开采条件有关—客观条件 – 与开采“过程”有关—人为活动（主观性、历史性、计划性、可调性 ） – “人工扰动”是其根本（能动性、可控性）
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开挖扰动→地应力重分布→岩石破裂失稳→地球物理场变异
巷道
巷道
巷道
巷道
岩溶洞
岩溶洞
矿山动力灾害的本质共性
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• 关于灾害及其危害性
– 有“灾”不一定有害 – 控制应该以“灾”为主 – 预防应该以“害”为主
矿震
高强度矿震造成的工程灾害与环境损伤
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进入深部开采后，矿山灾害能量间相互作用
2005年2月14日，阜新孙家湾煤矿一个ML=2.7矿震 诱发瓦斯异常涌出，夺去214名矿工的生命。
类似的灾害也曾发生在抚顺煤田。1997年5月28日，龙凤矿一个 ML=0.1冲击地压，诱发瓦斯异常涌出，夺去69名矿工的生命。
后方可开采。
对冲击地压较严重的采煤工作面， 利用检修班对煤壁进行高压短壁注水卸 压；煤巷掘进工作面利用白班检修时间进行高压注水卸压,注水钻孔深度在10ｍ 以上，使采掘工作面始终位于卸压带内。见图15、16-高压注水示意图。
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图15
―两顺”及工艺巷道高压注水示意图
图16
综放面高压注水示意图
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高压注水的要求是：开孔位臵在工作面两个架子的架间顶梁至以下0.6m，角度 +60°，封孔深度7m；煤壁不好可左右移动一个架子；注水孔每四天一个循环,每天 两个孔；注水压力9Mpa以上，两台泵各注一个孔，白班注水时间从打完钻开始到接 班，二、三班注水时间分别为4h和5h。高压注水前后钻屑量变化见表4、图17。
R≈100-200m
采矿诱发地震
Mining-induced seismicity
HL≈3000m
矿震、冲击地压的关系示意
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• 关于预测、预报
– 技术层面 • 空间预报：在哪里发生
• 时间预报：何时发生 • 强度预报：多大规模
– 管理层面
• 社会预报：不仅有预报，而且采取防范行动，比如撤出人员。
• 灾害的本质
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一、基本知识
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之一：关于开采动力灾害
• 由于人工开采而引发的灾害 • 与地质、构造、开采深度、开采顺序等开采条件密 切相关 • 具有以下显著特征
• 孕育过程的“缓慢性”和“长期性” • 发生过程的“突然性”和“冲击性” • 发生地点的“随机性”、难以预见性 • 发生结果的“毁灭性”
• 一般体现为矿震、冲击地压、岩爆、煤炮、煤与瓦 斯突出等形式
煤体和缓解应力集中，达到卸压的目的。 回采工作面开采前在顺槽每隔5m布臵一个注水孔， 根据煤层厚度确定钻孔 角度与孔深，高、低孔交替布臵，一般终孔距顶板5m左右。利用额定压力17Mpa 的3D-SZ 型 高压注水泵先进行高压注水，工作压力一般在8.0-13.0 Mpa，流 量135L/min，采用高压橡胶封孔器封孔，封孔深度5-7m。注水30h后，改为静压 注水，静压注水采用聚胺脂封孔。 注水后煤体全水份达到４％、增值达到２％
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2.解危减冲措施
根据冲击地压的强度弱化减冲理论，一般包括：采取合理调整生产布局、改 革采煤方法、控制开采强度、抽放煤层瓦斯、煤体高压注水、超前卸压钻孔、深 孔卸压爆破等减少应力集中和松散煤体的方式，降低煤体的强度和冲击倾向性， 使得应力高峰减小和向煤体深部转移，从而降低冲击强度、减少和防止冲击地压 发生。 （1）调整生产布局，控制矿井生产能力 ①调整生产布局，减少煤柱、孤岛等高应力集中区 从减少煤柱高应力区、缓解冲击地压的角度出发， 近年来严格按行业技术 标准的规定，对生产布局及开采程序进行调整， 将-730m水平原来按炮采划分的 每个采区走向长度300ｍ左右（全矿井50余个采区）,按其赋存标高及产状合并成 东、中、西三个综采区，实行综合机械化放顶煤开采。区间煤柱减少到三个，无 段间煤柱，条带间实现无煤柱开采。在开采程序上，始终遵循自上而下、由南往 北逐个条带及分层进行开采的原则，从而大大减少了容易诱发冲击地压的煤柱高 应力区。同时，自上而下开采后，由于首分层（幅）解放层的开采，二、三分层 （幅）开采时已被解放，从而解除了冲击地压的威胁。
区域预抽
图11
掘前预抽
图12 采前预抽
图13 边掘边抽
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表3
近年来瓦斯抽放统计表
年 度 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 抽放纯量(m3） 78851980 83389893 100483580 128760089 126842556 131681429 121331319 105061843 104390810 100089682 51511550 1132394731 抽放率% 62．79 63．31 65．88 78．18 77．38 78．11 78．11 77．12 78．32 82．79 83．72
冲击地压灾害及其防控
—以抚顺矿业集团老虎台矿为例 北京科技大学
纪洪广 教授
二00九年九月十六日
内容简介
一、基本知识 1.开采动力灾害 2.冲击性灾害的危害 3.冲击地压的防治 二、冲击地压灾害现状 1.国外情况 2.国内情况 三、冲击地压发生与成因（以抚顺老虎台矿为例） 1.冲击地压的发生 2.冲击地压分布 3.冲击地压成因 四、相关研究进展 1.地应力场测量与分析方面 2.在冲击地压（矿震）能量与开采行为空间特征之间的相关关系方面 3.邻近断层开采与设计优化 4.特殊地层条件下开采覆岩结构与矿压显现规律变异性方面 5.冲击地压灾害的危险性分析与区划方面 五、结束语
图14
近年来瓦斯抽放曲线图
140 120 100 80 60 40 20 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 抽放瓦斯量（百万立方米／年） 矿井瓦斯抽放率（％）
2006(1-6月） 合计
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（3）煤体注水卸压 为了改变煤体的物理机械特性，可以对煤体进行静压、高压注水，以软化