沖擊地壓理論與技術(shù)教學(xué)內(nèi)容

沖擊地壓理論與技術(shù)齊慶新博士后/研究員/首席專家/所長煤炭科學(xué)研究總院開采分院采礦研究所天地科技股份有限公司開采所事業(yè)部2008年7月提綱

第一講基本概念第二講我國沖擊地壓現(xiàn)狀與研究進(jìn)展第三講沖擊地壓技術(shù)規(guī)范第四講沖擊地壓預(yù)測與防治1、我國沖擊地壓現(xiàn)狀世界范圍有記載的第一次沖擊地壓于1733年英國南斯塔煤田發(fā)生，我國最早沖擊地壓發(fā)生在1933年的撫順勝利礦。1、我國沖擊地壓現(xiàn)狀我國沖擊地壓發(fā)生范圍北京、棗莊、撫順、阜新、遼源、大同、天池、開灤、新汶、徐州、義馬、鶴壁、雙鴨山、雞西、七臺河、淮南、大屯、韓城、兗州、華亭、古城、貴州等近100個(gè)礦區(qū)（井）我國沖擊地壓災(zāi)害日趨嚴(yán)重

截止2006年年底，新發(fā)生沖擊地壓的礦井近70個(gè)，分布范圍擴(kuò)大到新汶、徐州、兗州、華亭等局礦，發(fā)生沖擊地壓礦井已達(dá)100余個(gè)。開采深度已達(dá)到750～1250m僅2001年至2006年6月底，在大同、撫順、北京、華亭、大同、阜新等局礦因沖擊地壓的發(fā)生而導(dǎo)致的重大傷亡事故就多達(dá)10余起，死傷人數(shù)達(dá)數(shù)百人。薄煤層也相繼發(fā)生沖擊地壓：七臺河桃山礦1、我國沖擊地壓現(xiàn)狀我國比較嚴(yán)重的沖擊地壓礦井1)新汶礦業(yè)集團(tuán)公司華豐煤礦2)黑龍江省龍煤集團(tuán)公司七臺河礦業(yè)公司3)徐州礦務(wù)集團(tuán)公司三河尖煤礦4)義馬煤業(yè)集團(tuán)公司躍進(jìn)煤礦5)義馬煤業(yè)集團(tuán)公司千秋煤礦6)撫順礦業(yè)集團(tuán)公司老虎臺煤礦7)兗州煤業(yè)股份公司東灘煤礦8)兗州煤業(yè)股份公司濟(jì)三煤礦9)甘肅省華亭煤業(yè)集團(tuán)公司華亭煤礦10)甘肅省華亭煤業(yè)集團(tuán)公司硯北煤礦11)開灤集團(tuán)公司趙各莊礦業(yè)公司12)開灤集團(tuán)公司唐山分公司13)淄博礦業(yè)集團(tuán)公司唐口煤礦14)北京昊華能源股份有限公司木城澗煤礦15)平頂山天安煤業(yè)股份公司十礦16)阜新礦業(yè)集團(tuán)公司五龍煤礦2.1我國沖擊地壓研究情況研究單位：煤炭科學(xué)研究總院北京開采所（天地開采事業(yè)部）、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等。山東科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、中國地震局地殼所、長沙礦山研究院等研究成果：機(jī)理、沖擊傾向試驗(yàn)研究、鉆屑法研究、地音微震監(jiān)測系統(tǒng)研制、保護(hù)層開采、防治措施、堅(jiān)硬頂板處理、深孔爆破技術(shù)、采動應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)2、我國沖擊地壓研究進(jìn)展煤科總院北京開采所相關(guān)科研成果及在

沖擊地壓方面所做的工作1981：開始“門頭溝煤礦二槽煤沖擊礦壓防治研究”1986~1990：國家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目“沖擊地壓預(yù)測與防治”，成果獲國家科技攻關(guān)獎(jiǎng)1991:進(jìn)行地音和微震監(jiān)測系統(tǒng)的國產(chǎn)化研究并成功開發(fā)出MA0104E地音監(jiān)測系統(tǒng)與BD4-I型便攜式礦用地音儀1994：深部開采沖擊地壓新機(jī)理的研究、煤巖聲發(fā)射震源定位方法研究（煤炭基金項(xiàng)目）1997：華豐礦沖擊地壓綜合防治技術(shù)項(xiàng)目上，能源部重點(diǎn)項(xiàng)目，獲山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2000:主持制訂《煤層沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》、《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是目前國內(nèi)進(jìn)行煤巖沖擊傾向性鑒定的權(quán)威部門。2004：新汶礦區(qū)沖擊地壓成因與綜合治理技術(shù)研究，引進(jìn)國際上先進(jìn)的微震監(jiān)測系統(tǒng)ARAMIS/M并用于華豐煤礦沖擊地壓監(jiān)測2005：“973”項(xiàng)目：高強(qiáng)度開采沖擊地壓發(fā)生機(jī)理研究，國家自然基金項(xiàng)目：高強(qiáng)度開采沖擊地壓與瓦斯災(zāi)害相關(guān)性研究2006：廣泛開展與北京、新汶、華亭、淄博、兗州、大同、撫順等礦區(qū)的合作，科研經(jīng)費(fèi)達(dá)500萬元/年以上。煤科總院北京開采所相關(guān)科研成果及在沖擊地壓方面所做的工作試驗(yàn)儀器與設(shè)備（北京開采所）德國WPM25kN型材料試驗(yàn)機(jī)德國WPM1000kN型萬能試驗(yàn)機(jī)采集速度為0.1ms的高速計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(HCD)MDG動態(tài)電阻應(yīng)變儀KC型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀配套的載荷和位移傳感器北京開采研究所巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室目前已完成50余個(gè)礦井煤巖層的沖擊傾向性鑒定（北京、開灤、新汶、徐州、兗州、淄博、義馬、華亭、鶴崗、雙鴨山、臨沂、七五等局礦）煤科總院北京開采所相關(guān)科研成果及在

沖擊地壓方面所做的工作部分實(shí)驗(yàn)室設(shè)備2.2沖擊地壓機(jī)理研究的進(jìn)展“三因素”機(jī)理強(qiáng)度弱化減沖機(jī)現(xiàn)2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)綜合指數(shù)法地質(zhì)動力區(qū)劃數(shù)量化理論計(jì)算機(jī)模擬沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測鉆屑法微震法地音法電磁輻射法采動應(yīng)力監(jiān)測綜合指數(shù)法影響沖擊地壓的主要因素有地質(zhì)方面的因素,也有開采技術(shù)方面的因素根據(jù)這些沖擊地壓影響因素的分析，確定采掘工作面周圍采礦地質(zhì)條件的每個(gè)因素對沖擊地壓的影響程度，以及確定各個(gè)因素對沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)影響的指數(shù)，將其綜合起來，就可以形成沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級評定的綜合指數(shù)法，從而為沖擊地壓的治理打下基礎(chǔ)。2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展Wri為地質(zhì)因素、開采因素確定的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)；Wimax為表中第i個(gè)地質(zhì)或開采因素的中的最大指數(shù)值;wi為分析地點(diǎn)周圍第i個(gè)地質(zhì)或開采因素的實(shí)際指數(shù)；n1、n2分別為地質(zhì)因素、開采因素的數(shù)目

2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展Wr=max{Wr1,Wr2}Wr為某采掘工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)。這樣就可以圈定評價(jià)區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)程度及危險(xiǎn)等級。缺點(diǎn)：量化標(biāo)準(zhǔn)人為制定，量化易受打分者感情的控制，量化常憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。因此，量化的結(jié)果很難做到客觀、精確、可靠。

2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展地質(zhì)動力區(qū)劃法地質(zhì)動力區(qū)劃是地質(zhì)動力學(xué)的一個(gè)新分支，它基于板塊構(gòu)造學(xué)說，根據(jù)地形地貌的基本形態(tài)和主要特征決定于地質(zhì)構(gòu)造形式的原理，通過對地形地貌的分析，查明區(qū)域斷裂的形成與發(fā)展，綜合應(yīng)用地應(yīng)力測量、數(shù)值分析和模糊推理等技術(shù)手段，查明影響沖擊地壓發(fā)生的各種因素。地質(zhì)動力區(qū)劃方法把礦區(qū)活動構(gòu)造體系、采礦工藝過程和沖擊地壓的發(fā)生看作是一個(gè)動態(tài)體系，建立地質(zhì)動力區(qū)劃決策支持系統(tǒng)。2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展結(jié)果輸出可視化系統(tǒng)地質(zhì)動力區(qū)劃地應(yīng)力測量活動構(gòu)造劃分活動性評價(jià)巖體應(yīng)力分析地質(zhì)鉆孔實(shí)驗(yàn)研究確定構(gòu)造形式建立地質(zhì)模型應(yīng)力量值和方向最大主應(yīng)力應(yīng)力梯度頂板巖性煤質(zhì)巖性樣本煤質(zhì)樣本形成多因素?cái)?shù)據(jù)庫概率預(yù)測方法多因素模式識別地質(zhì)動力區(qū)劃工作流程圖地質(zhì)動力區(qū)劃斷塊劃分比例范圍序號查明斷塊構(gòu)造所用的地形圖比例尺斷塊構(gòu)造部分?jǐn)鄩K級別地形圖比例尺1巨大斷塊Ⅰ1：4000萬2巨大斷塊Ⅱ1：2500萬3巨大斷塊Ⅲ1：1200萬4巨大斷塊Ⅳ1：600萬5斷塊Ⅰ1：250萬6斷塊Ⅱ1：100萬7斷塊Ⅲ1：20萬～1：10萬8斷塊Ⅳ1：5萬～1：2.5萬9斷塊Ⅴ1：1萬10斷塊Ⅵ1：5000～1：2000某礦Ⅴ級斷塊圖

某礦4煤層頂板最大主應(yīng)力圖

某礦2煤層頂板構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃分

數(shù)量化理論方法數(shù)量化理論是多元分析的一個(gè)重要分支，是專門處理定性數(shù)據(jù)的有力工具，它以0和1標(biāo)記反應(yīng)值，運(yùn)用多元分析的原理和方法揭示事物的內(nèi)在規(guī)律。數(shù)量化理論根據(jù)變量在研究問題中所處的地位的不同，可以把變量分成說明變量（自變量）和基準(zhǔn)變量（因變量）兩種。變量又可分為定量變量和定性變量。對于定性變量及其數(shù)據(jù)，設(shè)法按某一合理的原則，實(shí)現(xiàn)向定量方面的轉(zhuǎn)化，并以得到的定量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行評價(jià)或分類等研究，就是數(shù)量化理論的內(nèi)容和目的。評價(jià)項(xiàng)目和類目的設(shè)置變量稱為項(xiàng)目，項(xiàng)目的不同取值稱為類目沖擊危險(xiǎn)性中，19個(gè)評價(jià)項(xiàng)目，共47個(gè)類目2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)項(xiàng)目類目設(shè)置表X4煤層脆性項(xiàng)目類目項(xiàng)目類目X1煤的沖擊傾向性C11弱沖擊傾向性C12中等沖擊傾向性C13強(qiáng)烈沖擊傾向性X11斷層情況C11.1斷層落差較大C11.2斷層落差不大或沒有X2煤層賦存狀況C21較穩(wěn)定C22不穩(wěn)定X12褶曲情況C12.1褶曲起伏較大C12.2褶曲起伏不大或沒有X3煤層傾角C31近水平煤層C32緩傾斜煤層C33傾斜煤層C34急傾斜煤層X13水平構(gòu)造應(yīng)力C13.1水平構(gòu)造應(yīng)力較高C13.2水平構(gòu)造應(yīng)力中等C13.3水平構(gòu)造應(yīng)力較低C41≥20C42＜20X14開采方法C14.1綜放開采或大采高開采C14.2分層開采C14.3其他X5煤層厚度C51薄煤層C52厚及中厚煤層C53特厚煤層X15支承壓力影響范圍C15.1≥30mC15.2＜30mX6煤層埋深C61＜500mC62500m~700mC63＞700mX16煤柱影響C16.1影響較大C16.2無或影響較小X7老頂脆性C71≥20C72＜20X17開采布置、推采方向、開采程序等造成的應(yīng)力集中C17.1應(yīng)力集中程度較高C17.2應(yīng)力集中程度中等C17.3應(yīng)力集中程度較低X8老頂厚度C81≥20mC82＜20mX18發(fā)生位置C18.1工作面C18.2巷道C18.3工作面和巷道X9頂板沖擊傾向性C91弱沖擊傾向性C92中等沖擊傾向性C93強(qiáng)烈沖擊傾向性X19打眼、放炮、割煤、等誘發(fā)作用C19.1受誘發(fā)作用影響程度較高C19.2受誘發(fā)作用影響程度較低X10底板巖石性質(zhì)C10.1底板堅(jiān)硬C10.2底板松軟通過建模及計(jì)算，將樣本值與評價(jià)值比較：甲煤礦沖擊危險(xiǎn)性等級確定表分級各危險(xiǎn)等級中心坐標(biāo)距中心坐標(biāo)距離（采取防治措施前）距中心坐標(biāo)距離（采取防治措施后）1級V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.300.242級V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24)0.350.223級V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.200.224級V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.230.095級V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32)0.100.176級V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.190.27從表可以看出，防治措施未采取時(shí)，評價(jià)區(qū)域的得分坐標(biāo)與5級沖擊危險(xiǎn)性的中心坐標(biāo)距離最近，因此屬于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。而采取防治措施后，評價(jià)區(qū)域的得分坐標(biāo)與4級沖擊危險(xiǎn)性的中心坐標(biāo)距離最近，因此屬于中等沖擊危險(xiǎn)。評價(jià)結(jié)果表明解危效果不好，應(yīng)進(jìn)一步采取防治措施．

乙煤礦沖擊危險(xiǎn)等級確定表分級各危險(xiǎn)等級中心坐標(biāo)距中心坐標(biāo)距離（采取防治措施前）距中心坐標(biāo)距離（采取防治措施后）1級V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37)0.550.472級V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24)0.340.243級V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22)0.470.324級V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47)0.320.305級V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32)0.400.306級V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34)0.480.41從表可以看出，防治措施未采取時(shí)，評價(jià)區(qū)域的得分坐標(biāo)與4級沖擊危險(xiǎn)性的中心坐標(biāo)距離最近，因此屬于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。防治措施實(shí)施后，評價(jià)區(qū)域的得分坐標(biāo)與2級沖擊危險(xiǎn)性的中心坐標(biāo)距離最近，因此屬于弱沖擊危險(xiǎn)。評價(jià)結(jié)果表明防治效果較好，措施得當(dāng)．微震監(jiān)測法微震是在礦山條件下，煤巖體在受力變形過程中以較低頻率（f﹤100Hz）震動波形式釋放變形能所產(chǎn)生的震動效應(yīng)。微震法就是記錄采礦震動的能量，確定和分析震動的方向，對震中定位來評價(jià)和預(yù)測礦山動力現(xiàn)象。微震監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對全礦范圍進(jìn)行監(jiān)測。其原理是利用井下拾震儀站接收的直達(dá)P波起始點(diǎn)的時(shí)間差，在特定的波速場條件下進(jìn)行二維或三維定位，以判斷破壞地點(diǎn)，同時(shí)利用震相持續(xù)時(shí)間計(jì)算所釋放能量和震級，并標(biāo)注采掘工程圖和速報(bào)顯示給生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，以及時(shí)采取措施。微震監(jiān)測已成為礦山地震預(yù)報(bào)的重要手段，目前南非、波蘭、捷克和加拿大等國已形成了國家型礦山地震監(jiān)測網(wǎng)，并在沖擊地壓預(yù)測預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用。2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展微震監(jiān)測法波蘭的AREMIS/M系統(tǒng)具有較強(qiáng)監(jiān)測和定位的功能，對微小震動事件的監(jiān)測和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)是常規(guī)地震儀所無法達(dá)到的。由于波蘭在煤礦微震監(jiān)測技術(shù)、設(shè)備研發(fā)及數(shù)據(jù)處理上具有20余年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，軟硬件系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性，是目前世界上最為先進(jìn)煤礦用大范圍微震監(jiān)測系統(tǒng)。AREMIS微地震監(jiān)測系統(tǒng)主要是全礦井大范圍沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對微地震信號的定位與處理，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。其優(yōu)點(diǎn)在于：是用于沖擊地壓監(jiān)測的專用設(shè)備定位精度高，誤差較小專業(yè)處理軟件可實(shí)現(xiàn)對微震動與微地音的各種參量的準(zhǔn)確分析與處理2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展微震監(jiān)測法ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)有三部分組成：由ARAMISWIN軟件（震動定位和震動能量計(jì)算）和HESTIA軟件（沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)）組成的數(shù)據(jù)后處理部分。地面微震監(jiān)測系統(tǒng)：該部分包括：地面SP/DTSS信息收集站，信息傳輸系統(tǒng)（DTSS），OCGA數(shù)字信號接受裝置、配備GPS時(shí)鐘的ST/DTSS傳輸系統(tǒng)控制模塊、主通道切換模塊以及SR15-150-4/11I型配電裝置，數(shù)據(jù)傳輸采用無線信息傳輸，地面共布置4個(gè)微震監(jiān)測分站。井下微震監(jiān)測系統(tǒng)包括SN/DTSS信息發(fā)射站，SPI-70地震檢波器以及NSGA震動信號發(fā)射裝置，數(shù)據(jù)傳輸采用有線信息傳輸?？梢詫ΦV井沖擊地壓危險(xiǎn)程度進(jìn)行評估。2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展ARAMISM微震監(jiān)測系統(tǒng)示意圖□：井下監(jiān)測站○：地面監(jiān)測站華豐煤礦微震監(jiān)測拾震器布置圖震動事件波形圖使用ARAMIS/M微震監(jiān)測系統(tǒng)在華豐煤礦的監(jiān)測結(jié)果采動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)（KMJ-30采動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)）主要監(jiān)測在工作面推進(jìn)過程中，煤巖層受采動影響的應(yīng)力變化規(guī)律。通過合理布設(shè)測點(diǎn)（壓力傳感器、振動傳感器），實(shí)時(shí)監(jiān)測采動面縱向、橫向等的應(yīng)力變化規(guī)律，并進(jìn)一步對沖擊地壓的危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)。地面中心站的PC機(jī)通過撥號的方式對采動監(jiān)測分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并實(shí)時(shí)存儲、顯示、打印。如果需要可以對礦區(qū)地面計(jì)算機(jī)以C/S或B/S方式進(jìn)行組網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)察看應(yīng)力變化曲線和分析的結(jié)果。2.3沖擊地壓預(yù)測研究的進(jìn)展KMJ-30采動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖礦用本安型KMJ-30采動