對沖擊地壓及其機(jī)理的思考與再識課件

1、2013 全國巖石動(dòng)力學(xué)會(huì)議對沖擊地壓及其機(jī)理的思考與再認(rèn)識國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目(2010CB226806)資助國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51204097）資助2013年10月沖擊地壓研究室：潘俊鋒 天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部 （煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院） 2022/8/20 提 綱 沖擊地壓災(zāi)害如何有效防治 對沖擊地壓及其機(jī)理的思考 沖擊地壓機(jī)理再認(rèn)識： 沖擊啟動(dòng)理論的提出 沖擊啟動(dòng)理論的實(shí)踐應(yīng)用 結(jié) 語沖擊地壓災(zāi)害現(xiàn)象一、 煤礦沖擊地壓現(xiàn)狀誘發(fā)次生災(zāi)害，造成更加嚴(yán)重的災(zāi)難性后果!2003年5月13日，蘆嶺煤礦，沖擊地壓誘發(fā)瓦斯爆炸，造成84人死亡；20

2、05年2月14日，遼寧孫家灣煤礦，沖擊地壓誘發(fā)特大瓦斯爆炸事故，造成 214人死亡。一、煤礦沖擊地壓災(zāi)害現(xiàn)狀 近年來我國煤礦沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量快速增加，至2011年已有142座煤礦發(fā)生過沖擊地壓。預(yù)防方法名稱主要應(yīng)用國家、區(qū)域防范方法1. 優(yōu)化開拓布置2. 解放層開采3. 無煤柱開采4. 預(yù)掘卸壓巷5. 寬巷掘進(jìn)6. 寬巷留柱法7. 煤層注水8. 高壓水射流切槽蘇、波、聯(lián)邦德國、中、聯(lián)邦德國、波、蘇、聯(lián)邦德國、法、中蘇、波蘇、法、中俄、烏、中中二、局部解危方法1. 頂板深孔爆破2. 煤層卸載爆破3. 煤層高壓注水4. 大孔卸壓法5. 定向水力壓裂法6. 斷底爆破法7. 預(yù)掘卸壓硐室8. 煤層高壓

3、水力壓裂9. 底板切槽法10.圍巖支護(hù)法波、蘇、聯(lián)邦德國、中、波、中、美波、蘇蘇、波蘇蘇中、蘇、波波、中中、波中如何來有效防治沖擊地壓災(zāi)害？沖擊地壓在哪里發(fā)生？監(jiān)測方法名稱主要應(yīng)用國家、巖石力學(xué)方法1. 鉆屑法2. 煤巖體變形測量3. 煤巖體應(yīng)力測量4. 地質(zhì)構(gòu)造形跡分析5. 孔徑（底）沖頭擠壓法6. 巖餅法7. 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法蘇、波、聯(lián)邦德國、中、日、法、中、聯(lián)邦德國、波、法、匈、美、日、中、美、匈中蘇、波蘇、法、中俄、烏、中二、地球物理方法1. 微震監(jiān)測2. 流動(dòng)地音法3. 錘擊波速法4. 地電法5. 地磁法6. 重力法7. 超聲法8. 地音法9. 聲發(fā)射法10.電磁輻射法波、蘇、聯(lián)邦德國

4、、中、日、波、中、美波、蘇蘇、波蘇蘇中、蘇、波波、美、中中、波中三、經(jīng)驗(yàn)類比分析法大部分國家 如何來預(yù)測沖擊地壓？到底怎么監(jiān)測？監(jiān)測什么？目前的機(jī)理與實(shí)踐脫節(jié)！Cook，1965Petukhov ，1979Wetokhe，1981Bieniawski， 1985能量理論剛度理論強(qiáng)度理論沖擊傾向三準(zhǔn)則失穩(wěn)理論三因素強(qiáng)度弱化減沖機(jī)理預(yù)測防治 問題：沖擊地壓防治“三步走”：沖擊地壓傳統(tǒng)的認(rèn)識：一種礦山井巷或采場周圍煤巖體，由于彈性變形能的瞬間釋放而產(chǎn)生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。摘自煤礦安全規(guī)程-新的機(jī)理以沖擊過程為突破口！輸 入輸 出沖擊地壓開采、地質(zhì)條件 災(zāi) 害！黑箱認(rèn)識！沖擊地

5、壓的“黑箱理論” 沖擊地壓發(fā)生過程一般就幾十秒的時(shí)間。我們看到的往往是沖擊地壓發(fā)生后，顯現(xiàn)的狀態(tài)，是一個(gè)結(jié)果，表現(xiàn)為人員傷亡、設(shè)備損壞、巷道破壞等，為此，我們這種沖擊地壓發(fā)生后的結(jié)果性狀態(tài)定義為沖擊地壓顯現(xiàn)。 沖擊過程之三：沖擊地壓顯現(xiàn)沖擊過程之一：沖擊啟動(dòng)無論傾向還是走向定位，震源和沖擊地壓顯現(xiàn)不是同一位置，一定存在一個(gè)沖擊啟動(dòng)區(qū)。震源位置顯現(xiàn)位置沖擊過程之二沖擊能量傳遞 微震監(jiān)測證實(shí)沖擊啟動(dòng)后剩余能量開始傳遞，即沖擊能量傳遞階段存在。頂板煤層底板巷道沖擊地壓是一個(gè)“動(dòng)力學(xué)過程”！沖擊地壓輸 入輸 出沖擊啟動(dòng) 載荷源載荷釋放沖擊能量專遞沖擊地壓顯現(xiàn)任重道遠(yuǎn)！輸 入輸 出地質(zhì)、開采條件 災(zāi)害

6、分別以“沖擊地壓”、“沖擊礦壓”為關(guān)鍵詞，對近10年間的科技文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，共檢索了367篇，分析了 87個(gè)礦井沖擊地壓發(fā)生地域，主要影響因素。沖擊啟動(dòng)載荷源的統(tǒng)計(jì)分類 以上都是外圍因素，雖然復(fù)雜多變，但最終都得歸結(jié)于為沖擊啟動(dòng)提供載荷源（集中靜載荷或集中動(dòng)載荷）！巷道圍巖形變勢能的集聚取決于該位置主應(yīng)力大小。全煤巷道沖擊地壓啟動(dòng)的能量判據(jù)為：X0處煤體破壞所需最小能量EC主應(yīng)力最大區(qū)，彈性勢能最大，越容易失穩(wěn)， X0為沖擊啟動(dòng)區(qū)。沖擊地壓啟動(dòng)的兩種類型（1）集中靜載荷型沖擊地壓啟動(dòng)能量判據(jù)集中靜載荷型沖擊地壓發(fā)生力學(xué)模型 義馬礦區(qū)千秋礦（2）集中動(dòng)載荷型沖擊地壓啟動(dòng)能量判據(jù)采場沖擊地壓啟動(dòng)的能

7、量判據(jù)為：集中動(dòng)載荷型沖擊地壓發(fā)生力學(xué)模型頂板斷裂動(dòng)載荷Ed對應(yīng)力峰值區(qū)X0的擾動(dòng)：X0處煤體破壞所需最小能量EC煤壁應(yīng)力峰值點(diǎn)積聚彈性能計(jì)算為：沖擊地壓啟動(dòng)的兩種類型神華新疆寬溝礦 3 沖擊啟動(dòng)區(qū)為應(yīng)力極限平衡區(qū)，沖擊啟動(dòng)的能量判據(jù)為 。17沖擊地壓啟動(dòng)理論的提出沖擊地壓啟動(dòng)理論： 1 沖擊地壓發(fā)生是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，依次經(jīng)歷沖擊啟動(dòng)-沖擊能量傳遞-沖擊地壓顯現(xiàn)三個(gè)階段； 2 采動(dòng)圍巖近場集中靜載荷的積聚是沖擊啟動(dòng)的內(nèi)因，遠(yuǎn)場集中動(dòng)載荷對靜載荷的擾動(dòng)、加載是沖擊啟動(dòng)的外因；解決了機(jī)理、監(jiān)測與防治相脫節(jié)的問題！2022/8/2019應(yīng)用一： 在沖擊地壓發(fā)生機(jī)理中的應(yīng)用2022/8/2020巷道側(cè)

8、幫支承壓力分布圖Pa -峰值支承壓力Po -原巖應(yīng)力 B -支承壓力帶寬度 ro -巷道的平均半徑巷道底板(地基) 極限平衡力學(xué)模型B-基礎(chǔ)寬度(側(cè)幫支承壓力寬度) Pu -地基(底板巖體) 極限承載力q -回填層或道床壓力或底板支護(hù)反力= 45-/ 2由太沙基地基極限承載力理論公式：在寬度B范圍內(nèi)側(cè)幫集中應(yīng)力的平均值近似為: 千秋21141巷道沖擊地壓分析 constant深部集中靜載荷型沖擊地壓分析（780m）成果體現(xiàn)：半孤島面全煤巷道底板沖擊啟動(dòng)原理分析J. 煤炭學(xué)報(bào) 2011,（2）；沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)評價(jià)與實(shí)踐J.煤炭工程，2011（10） 21141煤層中平均應(yīng)力集中系數(shù)為1.7，工

9、作面按埋深折算重應(yīng)力約為18 MPa，算上應(yīng)力集中系數(shù)，峰值為30.6 MPa，而實(shí)驗(yàn)室測得煤層單軸抗壓強(qiáng)度平均為18.20 MPa。 沖擊地壓啟動(dòng)區(qū)域相對巷道全長來講，看作一個(gè)單位區(qū)域，巷幫集中靜載荷由式(5)估算為 E靜=370 KJ/m3，由式(6)計(jì)算得EC=49 KJ/m3， 由沖擊啟動(dòng)理論， E靜-EC0，就集中靜載荷足以使得巷道發(fā)生動(dòng)力沖擊。千秋21141巷道沖擊地壓分析 深部集中靜載荷型沖擊地壓分析2022/8/2022淺部集中動(dòng)載荷型沖擊地壓分析 （埋深317m）2022/8/2023淺部集中動(dòng)載荷型沖擊地壓分析 寬溝工作面超前支承壓力峰值處于工作面前方13.916.75 m

10、處。集中系數(shù)平均為2.87。W1143工作面按埋深折算自重應(yīng)力為7.92 MPa，加上應(yīng)力集中系數(shù)，峰值為22.73 MPa，而實(shí)驗(yàn)室測得B41煤層單軸抗壓強(qiáng)度平均為28.80 MPa。 由式(6)計(jì)算得EC= 59.24 KJ/m3?？梢?，三次斷裂釋放的能量均小于煤層動(dòng)力破壞所需要的最小能量，工作面下部14#20#支架的區(qū)域由式(5)估算為E靜=44.84 KJ/m3，與19：34微震事件能量疊加。由沖擊啟動(dòng)理論 E靜+ E動(dòng)- EC = 44.84 +40-59.24=25.60。淺部集中動(dòng)載荷型沖擊地壓分析 淺部集中靜載荷型沖擊地壓 （埋深371m）沖擊災(zāi)害發(fā)生巷道遠(yuǎn)場集中動(dòng)載荷源監(jiān)測結(jié)果高集中應(yīng)力中掘進(jìn)的巷道 巷道圍巖集中靜載荷研發(fā)監(jiān)測結(jié)果結(jié) 語 影響沖擊地壓發(fā)生的因素有幾十種，并且煤礦開采最大的特點(diǎn)就是條件一直在變，沒有絕對相同的開采條件，也就沒有絕對成熟的防沖技術(shù)可以復(fù)制，抓住載荷源進(jìn)行監(jiān)測與處理以不變應(yīng)萬變，才能沉著應(yīng)對沖擊地壓災(zāi)害，將使得沖擊地壓“復(fù)雜問題簡單化”，這是防沖第1理念。根據(jù)我的實(shí)踐與思考總結(jié)出沖擊