对冲击地压及其机理的思考与再认识课件.ppt

1、2019 2019 全国岩石动力学会议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对冲击地压及其机理的思考与再认识国家重点基础研究发展计划（国家重点基础研究发展计划（973）项目）项目(2019CB226806)资助资助国家自然科学基金青年基金项目（国家自然科学基金青年基金项目（51204097）资助）资助2019年年10月月冲击地压研究室：潘俊锋冲击地压研究室：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）（煤炭科学研究总院开采设计研究分院）2022-11-26 提提 纲纲u 冲击地压灾害如何有效防治冲击地压灾害如何有

2、效防治u 对冲击地压及其机理的思考对冲击地压及其机理的思考u 冲击地压机理再认识：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提出u 冲击启动理论的实践应用冲击启动理论的实践应用 u 结结 语语冲击地压灾害现象冲击地压灾害现象一、一、煤矿冲击地压现状煤矿冲击地压现状 诱发次生灾害，造成更加严重的灾难性后果诱发次生灾害，造成更加严重的灾难性后果!2019年年5月月13日，芦日，芦岭煤矿，冲击地压诱岭煤矿，冲击地压诱发瓦斯爆炸，造成发瓦斯爆炸，造成84人死亡；人死亡；2019年年2月月14日，辽日，辽宁孙家湾煤矿，冲击宁孙家湾煤矿，冲击地压诱发特大瓦斯爆地压诱发特大瓦斯爆炸事故，造成炸事故

3、，造成 214人人死亡。死亡。一、煤矿冲击地压灾害现状一、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2019年已有142座煤矿发生过冲击地压。预防方法名称预防方法名称主要应用国家主要应用国家、区域防范方法、区域防范方法1.优化开拓布置优化开拓布置2.解放层开采解放层开采3.无煤柱开采无煤柱开采4.预掘卸压巷预掘卸压巷5.宽巷掘进宽巷掘进6.宽巷留柱法宽巷留柱法7.煤层注水煤层注水8.高压水射流切槽高压水射流切槽苏、波、联邦德国、苏、波、联邦德国、中、联邦德国、波、中、联邦德国、波、苏、联邦德国、法、苏、联邦德国、法、中中苏、波苏、波苏、法、中苏、法、中俄、乌、中俄、乌、中

4、中中二、局部解危方法二、局部解危方法1.顶板深孔爆破顶板深孔爆破2.煤层卸载爆破煤层卸载爆破3.煤层高压注水煤层高压注水4.大孔卸压法大孔卸压法5.定向水力压裂法定向水力压裂法6.断底爆破法断底爆破法7.预掘卸压硐室预掘卸压硐室8.煤层高压水力压裂煤层高压水力压裂9.底板切槽法底板切槽法10.围岩支护法围岩支护法波、苏、联邦德国、中、波、苏、联邦德国、中、波、中、美波、中、美波、苏波、苏苏、波苏、波苏苏苏苏中、苏、波中、苏、波波、中波、中中、波中、波中中如何来如何来有效有效防治冲击地压灾害？防治冲击地压灾害？冲击地压在哪里发生？冲击地压在哪里发生？监测方法名称监测方法名称主要应用国家主要应用国

5、家、岩石力学方法、岩石力学方法1.钻屑法钻屑法2.煤岩体变形测量煤岩体变形测量3.煤岩体应力测量煤岩体应力测量4.地质构造形迹分析地质构造形迹分析5.孔径（底）冲头挤压孔径（底）冲头挤压法法6.岩饼法岩饼法7.地质动力区划法地质动力区划法苏、波、联邦德国、中、日、法、苏、波、联邦德国、中、日、法、中、联邦德国、波、法、匈、美、中、联邦德国、波、法、匈、美、日、中、美、匈日、中、美、匈中中苏、波苏、波苏、法、中苏、法、中俄、乌、中俄、乌、中二、地球物理方法二、地球物理方法1.微震监测微震监测2.流动地音法流动地音法3.锤击波速法锤击波速法4.地电法地电法5.地磁法地磁法6.重力法重力法7.超声法

6、超声法8.地音法地音法9.声发射法声发射法10.电磁辐射法电磁辐射法波、苏、联邦德国、中、日、波、苏、联邦德国、中、日、波、中、美波、中、美波、苏波、苏苏、波苏、波苏苏苏苏中、苏、波中、苏、波波、美、中波、美、中中、波中、波中中三、经验类比分析法三、经验类比分析法大部分国家大部分国家 如何来预测冲击地压？如何来预测冲击地压？到底怎么监测？到底怎么监测？监测什么？监测什么？目前的机理与实践脱节！目前的机理与实践脱节！Cook，1965Petukhov，1979Wetokhe，1981Bieniawski，1985能量理论能量理论刚度理论刚度理论强度理论强度理论冲击倾向冲击倾向三准则三准则失稳理论

7、失稳理论三因素三因素强度弱化减冲强度弱化减冲机理机理预测预测防治防治 问题：冲击地压防治问题：冲击地压防治“三步走三步走”：冲击地压冲击地压传统的传统的认识：一种矿山井巷或采场周围煤岩体，由于弹认识：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。摘自征的动力现象。摘自煤矿安全规程煤矿安全规程-新的机理以新的机理以冲击过程冲击过程为突破口！为突破口！输输 入入输输 出出冲击地压冲击地压开采、地质条件开采、地质条件 灾灾 害！害！黑箱认识！黑箱认识！冲击地压的冲击地压的“黑箱理论黑箱理论

8、”冲击地压发生过程一般就几十秒的时间。我们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，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。为冲击地压显现。冲击过程之三：冲击地压显现冲击过程之三：冲击地压显现冲击过程之一：冲击启动冲击过程之一：冲击启动无论倾向还无论倾向还是走向定位，是走向定位，震源和冲击震源和冲击地压显现不地压显现不是同一位置，是同一位置，一定存在一一定

9、存在一个冲击启动个冲击启动区。区。震源位置震源位置显现位置显现位置冲击过程之二冲击过程之二冲击能量传递冲击能量传递 微震监微震监测证实冲击测证实冲击启动后剩余启动后剩余能量开始传能量开始传递，即冲击递，即冲击能量传递阶能量传递阶段存在。段存在。顶板煤层底板巷道巷道冲击地压是一个冲击地压是一个“动力学过程动力学过程”！冲击地压冲击地压输输 入入输输 出出冲击启动冲击启动 载荷源载荷源载荷释放载荷释放冲击能量专递冲击能量专递冲击地压显现冲击地压显现任重道远！任重道远！输输 入入输输 出出地质、开采条件地质、开采条件 灾害灾害 分别以分别以“冲击地压冲击地压”、“冲击矿压冲击矿压”为关键词，对近为关

10、键词，对近10年间的科技文献进行年间的科技文献进行检索，共检索了检索，共检索了367篇，分析了篇，分析了 87个矿井冲击地压发生地域，主要影响因素。个矿井冲击地压发生地域，主要影响因素。冲击启动载荷源的统计分类冲击启动载荷源的统计分类 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（集中静载荷集中静载荷或集中动载荷集中动载荷）！巷道围岩形变势能的集聚取决于该位置主应力大小。巷道围岩形变势能的集聚取决于该位置主应力大小。2/2CCEE全煤巷道冲击地压启动的能量判据为：全煤巷道冲击地压启动的能量判据为：X0处煤体破坏所需最小能量处煤体破坏所需最小能量E EC C2221231

11、2133202 E2E主应力最大区，弹性势能最大，越容易失稳，主应力最大区，弹性势能最大，越容易失稳，X0为冲击启动区。为冲击启动区。冲击地压启动的两种类型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）集中静载荷型冲击地压启动能量判据集中静载荷型冲击地压发生力学模型集中静载荷型冲击地压发生力学模型 煤层巷道0max0maxE0巷道两帮应力曲线E0X0X0ABC集中静载荷冲击启动区0CEE静P0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaBBqpupuOCADFOCDFAaaaaNN巷道中轴线VV义马矿区千秋矿义马矿区千秋矿（2）集中动载荷型冲击地压启动能量判据）集中动载荷

12、型冲击地压启动能量判据集中静载荷集中动载荷冲击启动区采场冲击地压启动的能量判据为：采场冲击地压启动的能量判据为：0CEEE静动集中动载荷型冲击地压发生力学模型集中动载荷型冲击地压发生力学模型REEdd0顶板断裂动载荷顶板断裂动载荷Ed对应力峰值区对应力峰值区X0的扰动：的扰动：22212312133202 E2E2/2CCEEX0处煤体破坏所需最小能量处煤体破坏所需最小能量E EC C煤壁应力峰值点积聚弹性能计算为：煤壁应力峰值点积聚弹性能计算为：冲击地压启动的两种类型冲击地压启动的两种类型P0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaBqpuOOCDFAaaNNV采空区神华新疆宽沟矿

13、神华新疆宽沟矿 3 冲击启动区为应力极限平衡区，冲击启动的能量判据为冲击启动区为应力极限平衡区，冲击启动的能量判据为 。170CEEE静动冲击地压启动理论的提出冲击地压启动理论的提出冲击地压启动理论：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-冲击能量传递冲击能量传递-冲击地压显现三个阶段；冲击地压显现三个阶段；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；是冲击启动的外因；解决了机理、监

14、测与防治相脱节的问题！解决了机理、监测与防治相脱节的问题！2022-11-2619应用一：应用一：在冲击地压发生机理中的应用在冲击地压发生机理中的应用2022-11-2620巷道侧帮支承压力分布图巷道侧帮支承压力分布图Pa Pa-峰值支承压力峰值支承压力Po Po-原岩应力原岩应力 B B-支承压力带宽度支承压力带宽度 ro ro-巷道的平均半径巷道的平均半径巷道底板巷道底板(地基地基)极限平衡力学模型极限平衡力学模型B B-基础宽度基础宽度(侧帮支承压力宽度侧帮支承压力宽度)Pu Pu-地基地基(底板岩体底板岩体)极限承载力极限承载力q q-回填层或道床压力或底板回填层或道床压力或底板支护反

15、力支护反力=45=45-/2/2由太沙基地基极限承载力理论公式由太沙基地基极限承载力理论公式：12urqCPrB Nq NC N在宽度在宽度B B范围内侧帮集中应力的平均值近似为范围内侧帮集中应力的平均值近似为:00122nLPnPPB千秋千秋2114121141巷道冲击地压分析巷道冲击地压分析 02LPBnPn00122nLPnPPB0P0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaP0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaBBqpupuOCADFOCDFAaaaaNN巷道中轴线VVconstant深部集中静载荷型冲击地压分析（780m）成果体现：成果体现：半孤岛面全煤巷道

16、底板冲击启动原理分析半孤岛面全煤巷道底板冲击启动原理分析J.煤炭学报煤炭学报 2019,2019,（2 2）；冲击地压危险性预评价与）；冲击地压危险性预评价与实践实践J.J.煤炭工程，煤炭工程，20192019（1010）21141煤层中平均应力集中系数为煤层中平均应力集中系数为1.7，工作面，工作面按埋深折算重应力约为按埋深折算重应力约为18 MPa，算上应力集中系，算上应力集中系数，峰值为数，峰值为30.6 MPa，而实验室测得煤层单轴抗，而实验室测得煤层单轴抗压强度平均为压强度平均为18.20 MPa。冲击地压启动区域相对巷道全长来讲，看作冲击地压启动区域相对巷道全长来讲，看作一个单位区

17、域，巷帮集中静载荷由式一个单位区域，巷帮集中静载荷由式(5)估算为估算为 E静静=370 KJ/m3，由式，由式(6)计算得计算得EC=49 KJ/m3，由冲击启动理论，由冲击启动理论，E静静-EC0，就集中静载荷，就集中静载荷足以使得巷道发生动力冲击。足以使得巷道发生动力冲击。千秋千秋2114121141巷道冲击地压分析巷道冲击地压分析 深部集中静载荷型冲击地压分析2022-11-2622浅部浅部集中动载荷型集中动载荷型冲击地压分析冲击地压分析（埋深埋深317m）2022-11-2623P0PaPaPa=nP0NBPa工作面煤壁采空区P0P0PaPaPaPaPa=nP0NBB巷道PaPaBq

18、puOOCDFAaaNNV采空区浅部集中动载荷型冲击地压分析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宽沟工作面超前支承压力峰值处于工作面前方13.916.75 m处。集中系数平均为处。集中系数平均为2.87。W1143工作面按埋工作面按埋深折算自重应力为深折算自重应力为7.92 MPa，加上应力集中系数，峰值，加上应力集中系数，峰值为为22.73 MPa，而实验室测得，而实验室测得B41煤层单轴抗压强度平煤层单轴抗压强度平均为均为28.80 MPa。由式由式(6)计算得计算得EC=59.24 KJ/m3。可见，三次断裂释。可见，三次断裂释放的能量均小于煤层动力破坏

19、所需要的最小能量，工作放的能量均小于煤层动力破坏所需要的最小能量，工作面下部面下部14#20#支架的区域由式支架的区域由式(5)估算为估算为E静静=44.84 KJ/m3，与，与19：34微震事件能量叠加。由冲击启动理论微震事件能量叠加。由冲击启动理论 E静静+E动动-EC=44.84+40-59.24=25.60。浅部集中动载荷型冲击地压分析浅部集中动载荷型冲击地压分析 浅部浅部集中静载荷型集中静载荷型冲击地压冲击地压 （埋深（埋深371m）冲击灾害发生巷道冲击灾害发生巷道远场集中动载荷源监测结果远场集中动载荷源监测结果高集中应力中掘进的巷道高集中应力中掘进的巷道 巷道围岩集中静载荷研发监测

20、结果巷道围岩集中静载荷研发监测结果结结 语语 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 1理念。根据我的实践与思考总结出冲击地压防治的三个理念: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 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 3理念。博客：cjdyyjs.163/2022-11-2631报告完毕报告完毕谢谢各位专家，请多指正！