我国冲击地压研究现状及发展方向-宋振骐2015.04.30

H
G

GH GT=

GT
3
G
3 煤层
GT


G

煤层
G L
岩浆
岩浆
在断层出现的条件下，垂直构造应力即不复存在
16
③ 垂直构造应力存在的条件下开掘巷道冲击破坏的过程及控 制方案 a 掘进围岩煤（岩）冲击喷出地点：
G
应力拱
kG I
断裂拱
kG
G
G kG G kG G
应力拱
kG
断裂拱
kG
N
应力拱
N N=∫Gdm
破坏前初始形态
破坏后形态
18
c控制方案
* 注水软化煤层 * 遥控掘进机掘进 * 恒阻大变形锚索、锚网支护（防止掘进两帮再次喷出的可能性）
煤层注水
断裂拱 应力拱
kG N 煤
煤
N
掘进方向
N
应力拱
剖面 I-I
N N=∫Gdm
事故灾害严重性的原因可归纳为以下两个方面：
控 制 理 论 研 究 不 深 刻
事故原因（机理）及事故实现条件的论证很不深刻。包括相关事 故案例的分析研究不深入和缺少正确地实验和现场有效控制实践的检 验。
7
二 我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性
2 深化研究的重要性（事故灾害的严重性及有效控制的理论基础薄弱）
上述两个方面研究工作的不足是这些年来相关重大事故不断重复发生的根源
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三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向
1 国外冲击地压研究的情况
老牌产煤国家
世界老牌采煤国家包括德国、英国、法国、日本等已在上世纪末停止了 煤炭生产，其中德国曾经在深部开采中出现冲击地压，通过采用变形可缩 拱型棚架沿空留巷开采方案基本解决了相关事故灾害的控制问题。
2 我国研究发展的现状
如前所述，我国冲击地压研究工作早在上世纪70年代就开始起步。相 关理论及控制技术研究都是在接受前苏联、波兰等社会主义国家相关研究 的基础进行的。参与研究的相关研究单位包括煤炭研究总院、重庆、抚顺 分院等研究院所，阜新矿院（辽宁工程技术大学）、中国矿大、山东矿院 （山东科技大学）等煤炭高校。重点深入研究的煤矿包括抚顺、徐州、开 滦、新汶等深部矿井，以及由厚层坚硬顶板覆盖有“冲击倾向性”的煤层 开采深度较浅的矿井，包括鹤岗、兖州等煤业集团的相关矿井。在包括 “冲击地压”发生的原因及实现条件即发生“机理”的研究、冲击地压预 测预报的理论和手段研究，以及在上述两方面成果的基础上取得的控制实 践成果等三个方面，均取得了领先全世界的创造性成就。
3
二
我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性
4
二 我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性
1现实意义（事故发生的普遍性向纵深发展扩大的可能性）
目前为止，我国发展冲击地压的矿井超过140处，通过 瓦斯等级鉴定可能伴随冲击地压发生的煤与瓦斯突出矿井 超过1200多对，已遍及全国17个产煤省市和自治区。
开采深度进入400米左右有坚硬厚层顶板所覆盖的煤 层。 开采深度超过800米左右相关事故易发的临界开采深 度（在原始重力场开掘巷道即发生冲击地压）煤层。
波兰、澳大利亚等国 家在地表预测预报研究的 基础上，采用微震技术检 测的相关手段预测预报生 产矿井冲击地压的研究在 上世纪70年代已开始，相 关检测装备1981年即引 进在我国陶庄煤矿用于预 报水采冲击地压的研究工 作中。相关成果也为我国 近多年来广泛开采的相关 研究奠定了基础。
10
三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向
发生的普遍性
发 生 的 煤 层 条 件
有残余构造应力场分布切割的煤层。
5
二 我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性
1现实意义（事故发生的普遍性向纵深发展扩大的可能性）
中国煤炭资源按深度分布的储量
事故扩大的必然性及深入 研究基础上控制的可能性
我国煤炭资源丰富，预计储量超过4万亿吨，其中2010年已 探明的地质储量为1.5万亿吨。由此可以清楚的看出我国煤炭开 采量占全世界2/3，对我国能源结构比重超过65%的大国来说， 面对世界能源保障体系建设的竞争，我国煤炭开采向深部发展的 趋势将不可避免，“冲击地压控制”的深入研究的意义重大。
25
（3）在可能发生冲击地压的重力应力场开掘和维护巷道破坏的过程及 控制方案 G
岩浆
q 2L5 受驱动力作用岩层的弯曲弹性能： U 8Ebh 3
15
冲击地压动力源的应力基础
1）构造应力（构造驱动力作用后的残余应力）
（1）垂直（沉积）岩层推动力形成的构造应力 ② 垂直构造应力存在的条件

H
3
G
3
f(GT) G（）＞ G
国外冲击地压控制研 究的主要成果是在原苏联 （现俄罗斯和乌克兰）和 波兰等开采深度比较大的 矿井中取得的。其中，关 于冲击地压发生机理和条 件的相关研究成果包括煤 层可“冲击性”分类分级、 冲击能量理论和力学模型 建设以及巷旁充填留设技 术，从上世纪70年代引入， 80年代开始在我国生产矿 井推广运用。
N
剖面 I-I
23
2）重力应力
（1） 原始应力场中的重力应力
3
3
1
H
3 1 3
煤层
实践证明对具有“冲击倾向性”的脆性煤体（f＞2），在原始应力场中开掘和维 护巷道发生冲击地压的临界深度一般超过700m-800m。
24
（2） 采动重力场中的重力应力
1 3 1
19
（2）平行（沉积）岩层推动力形成的构造应力 ①平行（沉积）岩层构造应力形成的机理
②平行（沉积）岩层构造应力存在的部位： a 褶曲轴部 b 断层附近
G G G
G
20
③平行构造应力存在的条件下开掘巷道冲击破坏的过程 及控制方案
a 掘进围岩煤（岩）冲击喷出地点：
应力拱
G G G
2015.04
汇报提纲
一
引言：论文研究的理论基础
二
我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性
三
冲击地压研究的现状及深化研究的方向
2
一
引言：论文研究的理论基础
坚硬岩层覆盖的煤层，采掘工作面推进过程中发生的“冲击地压” ，极易造成采矿人员伤亡和装备损坏等重大事故灾害。深入研究相应煤 层条件下“冲击地压”发生的原因及相关事故、实现的条件以及有效控 制的办法意义重大。 本课题的研究包括主要研究内容、重点，取得的成果以及提交的论 文都是在独居我国特色“实用矿山压力控制理论”以及相关实践成果的 基础上进行的。我国的“实用矿山压力控制理论”是我国解放后从事矿 山压力研究的先驱平寿康教授、钱鸣高院士以及包括刘听成、陆士良、 乔福祥等老教授的参与和指导下，深入我们煤矿现场与生产一线的领导 和工程技术人员共同创造的成果。
G
掘进方向
断裂拱
K
G G G
N I
N
N ∫Gdm
m
I
煤
煤
N
应力拱
N
m
剖面 I-I
一般为掘进头在构造应力作用下冲击喷出
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b 巷道破坏发展过程
G * 掘进头揭煤（岩）时，在支承压力 作用下失去平衡喷出
* 顶底板岩层在水平构造应力作用下破坏（垮落和底鼓） * 两帮在重力应力作用下破坏，应力高峰向深部转移
掘进方向
I
煤
煤
N
应力拱
N N=∫Gdm
剖面 I-I
掘进头及两帮在垂直压力作用下将同时挤压喷出
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b 巷道破坏发展过程
* 掘进头及两帮煤煤（岩）悬露，在支承压力作用下失去平衡同时喷出 * 顶板在自重应力和水平推力（软弱岩层 N m ）作用下破坏冒落 G * 底板（软岩）在水平推力 （ N m ）作用下鼓起 G
应力拱
断裂拱
K
N
N N=∫Gdm m
N
N
N ∫Gdm
m
N
N
m
N
应力拱
N
m
破坏前初始形态
破坏后形态
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c 控制方案
* 掘进头注水软化煤（岩） * 遥控掘进机掘进 * 恒阻大变形锚索、锚网支护（防止掘进两帮再次喷出的可能性）
应力拱
煤层注水
断裂拱
K
煤
N
掘进方向
N
N ∫Gdm
煤
m
N
应力拱
构造 弯曲
重力弯曲弹性能随支托岩 层的强度和随动层的厚度成正 比； 构造弯曲弹性能受采深和 顶底板岩层强度所决定的应力 保持和释放条件控制。岩层强 度愈高，埋深愈大，可能聚集 和保持的弹性能的量级将愈高。
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三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向
2 我国研究发展的现状
1）在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识：
管 理 规 范 不 科 学
主管部门制定的事故 控制规范和相关管理规 定有的简单承袭传统做 法，严重脱离实际，缺 少正确的理论指导。例 如，我们几十年来没有 变化采用留设断层隔离 煤柱布置工作面的做法， 即在残余的构造应力场 的变化部位掘进和维护 采煤巷道，是导致冲击 地压和煤与瓦斯突出等 重大事故发生的主要原 因。
1kk＞1 3
1 1kk＜1 3 1 3
对具有冲击倾向性的脆性煤体(f≥2)，在外应力场中开掘和维护巷道产生 冲击地压的可能性受工作面的长度和顶板的岩性强度(即可能产生的弯曲弹性 能) 控制。实践证明，顶板坚硬的长工作面采深超过350m-400m具有发生冲 击地压的可能性。在高应力区开掘和维护巷道或推进工作面即有发生冲击地 压的可能性。
矿山灾害预防控制重点实验室
State Key Laboratory Breeding Base for Mining Disaster Prevention and Control
我国冲击地压研究现状及发展方向
宋振骐 何满朝 蒋宇静 汤建泉
山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
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二 我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性
2 深化研究的重要性（事故灾害的严重性及有效控制的理论基础薄弱）
事故 灾害 的严 重性
近些年来，我国生产现场多次发生的一次死亡几十人甚至上百人的 重大事故，特别是在鹤岗、平顶山、义马等现代化矿井中发生的重大 事故。几乎都和“冲击地压”和“冲击地压”相伴的“煤与瓦斯突出 ”事故密切相关。
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（3）动力源
动力源
开采深度 煤 层 压 缩 弹 性 能 覆岩强度 开采参数 开采方法 开采程序
非线性（正 比）量级影 响
本质性的重 要差别
开采深度愈大，覆岩强度愈高 （即允许的悬露面积愈大）， 受压煤层储存聚集的高强度压 缩弹性能的可能性将愈大。
顶底 板岩 层弯 曲压 缩弹 性能
重力 弯曲
支托岩层岩性 强度及厚度 随动岩层厚度 及开采深度 顶底板岩性强 度及厚度 开采深度
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冲击地压动力源的应力基础
1）构造应力（构造驱动力作用后的残余应力）
（1）垂直（沉积）岩层推动力形成的构造应力 ①垂直（沉积）岩层构造应力形成的机理
H
G
G
3
3
f(GT) G（）＞ G

GT
3
3 煤层
GT

G L
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三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向
2 我国研究发展的现状
1）在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识：
（1） 概念和定义
“冲击地压”是采动空间周边煤（岩）在矿山压力作用下以 煤（岩）突出为特征的矿山压力（动力）显现。是煤矿重大事 故灾害。
（2）ຫໍສະໝຸດ Baidu生原因
在储存高强度压缩弹性能有“冲击倾向性”的煤（岩）中， 特别是能量聚集的部位，开掘巷道和推进回采工作面（即采动） 引发相应弹性能的释放是冲击地压发生的根源。 采动围岩中储存的高强度压缩弹性能。包括煤（岩）中的 压缩弹性能和采动空间覆岩（顶底板）岩层弯曲（压缩）弹性 能是冲击地压发生的主动力。
（4） 动力 源的应力基 础
原始应力场中的压缩应力。包括原始重力应力场中的压 缩应力以及原始构造运动推动形成的“残余构造应力场”中 的压缩应力。原始构造应力场中压缩主应力方向由构造运动 推动力的方向决定。
采动应力场中的压缩应力。即经历采动（采掘工作面推 进）重新分布的应力场中压力高峰部位储存的压缩应力。 在重力和构造运动推动力作用下处于弹性弯曲状态的岩 层最大弯矩发生部位的压缩应力。
现存产煤国家
现存现代化开采技术装备领先的产煤国家中包括美国、澳大利亚， 在80年代以前都曾经是以露天开采和留设大量煤柱支撑地表的房柱式 开采为主体的开采方法，基本没有出现过灾害性的冲击地压事故。
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三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向
1 国外冲击地压研究的情况
美国
波兰
乌尔兰
俄罗斯
澳大利亚
美国上世纪80年代开 始广泛应用的长壁工作面 开采也都是在开采深度小 于150~200米的浅埋煤层 中进行，很少有冲击地压 研究和控制的实践结果。