冲击矿压影响因素与发生条件分析.pdf

第 1 2卷 第 1期 总第7 4期 2 0 0 7年 2月 煤矿开采 Co a l Mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 2 N o ． 1 S e r i e s N o ． 7 4 Fe br u a r y 20 07 冲击矿 压影响 因素与发生条件分析 隋豪杰。 ，高旭 东。 ，徐 小兵 1 ．山东省鲁南监狱 ，山东 微山 2 7 7 6 0 5 ；2 ．山东科技 大学 研究生教育学 院 ，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 [ 摘要】 冲击矿压是煤矿典型的动力灾害之一。分析了影响冲击矿压的主要因素和发生条件 并详细分析了各因素在冲击矿压中的作用机制，为其预测和煤矿安全评价提供了理论依据。在煤矿安 全生产中具有重要的指导意义。 【 关键词】 冲击矿压；影响因素；发生条件 【 中图分类号】T D 3 2 4 【 文献标识码】B 【 文章编号】1 0 0 6 2 2 5 2 O O 7 0 1 4 0 6 1 4 2 I n nue n c e Fa c t o r a nd Fo r ma t i o n Co n d i tio n s Ana l y s i s o f Ro c k Bu r s t i ng 冲击矿压是煤矿开采 中典型的动力灾害之一 ， 直接威胁着煤矿的生产和人员及财产安全。这种灾 害通常是煤 岩体力学系统局部失稳时，以突 出 、急剧 、猛烈的形式释放弹性能 ，导致煤 岩 瞬时破坏 ，并伴 随大量煤 岩 粉的突 出，造成 矿山井巷的破坏及人员伤亡。冲击矿压事故以其发 生原因复杂，影响因素较多，发生突然。破坏性大 而成为岩石力学研究中的重大问题之一。随着矿井 采区向复杂地质条件的延伸和采深的不断增加，冲 击矿压事故发生 的强度和频 度也 日益增 加。因此 。 探讨冲击矿压的影响因素和发生条件 ，尤为必要。 1 影响因素分析 具有冲击危险性的影响因素是很多的。本文主 要从地质因素和开采技术因素两方面进行分析。 1 ． 1 地质 因素 1 开采深度 为 了便于分析开采深度 因素 的影响，首先分析煤岩系统中所积聚的弹性能。根 据弹性能理论 ，煤层在无采动影响的三向应力状态 下，对于采深为 日的开采技术条件来说，煤体所 受应力为 - 日 z ， i _ 竺 日 这时由于体积压缩而积聚的弹性能 按前苏 联的阿维尔申的计算为 ～ 式中， 为体变弹性能；E为压缩弹性模量； 为 泊松比； 为煤体密度。 同样 ，由于形状的改变而积聚的弹性能为 。 当煤层采动后，巷道和工作面附近岩体将发生 应力重新分布，其应力集中系数一般可达 2～ 3或 4～ 5 。若有煤柱或其他的工作影响时，应力集中系 数还要大。此时的最大 主应力 一 。 。因此在 开采过程中 ，煤层 内所积聚的弹性能 比上两式大 倍。 一 般而言 ，冲击发生有个临界深度。有的煤层 本身虽有冲击危险，但在开采浅部时，因煤体应力 还未达到临界破坏条件 ，因而不会发生冲击矿压。 随着采深的增加，当达到临界破坏条件，就有可能 发生冲击矿压。这个临界深度因煤层的性质和煤 田 的条件不同而异 重力型冲击矿压临界深度很大。 一 般要超过 4 0 0 m；构造型的冲击矿压的临界深度， 可能不超过 3 0 0 m。 2 煤层和顶底板岩石的性质及 特征对冲 击矿压影响较大的因素除了冲击倾向性以外还有煤 的弹性、强度、脆性和含水率等。冲击矿压发生的 必要条件是积聚较多的弹性能 ，所以弹性大和脆性 大是冲击危险煤层的基本特征。 顶板的岩性， 单层开采的厚度以及采后的可冒 性是影响冲击矿压的重要 因素。一般厚度越大的坚 硬岩层越不易冒落，形成的垮落步距也就越大。因 此 ，在具有一定厚度的坚硬岩层顶板条件下发生冲 击矿压的可能性很大。我国发生冲击矿压比较严重 的矿井 ，煤层顶板都十分坚硬，如表 1 所示。 【 收稿日期】2 0 o 6 0 9 2 9 【 作者简介】隋豪杰 1 9 7 2 一 ，男，山东威海人，硕士研究生，1 9 9 7 年毕业于山东科技大学采矿工程系， 一直从事采煤一线工作， 现任山 东省鲁南监狱一监区区长。 6l 维普资讯 总第7 4期 煤矿开采 2 0 0 7年第 1期 表 1 冲击矿压矿井顶板特性 3 地质构造因素通常，在地质构造带中尚 存有一部分地壳运动的残余应力，形成构造应力 场。在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常 如底 板突起 、顶板下 陷、煤层分岔 、变薄或变厚等 现 象等构造带。冲击矿压 常常发 生在这些 构造应 力集中的区域。根据以往的经验 ，向、背斜构造的 轴部 ，特别是 向斜轴心部 ，由于构造应力 的结果 ， 使得 向斜轴积聚了大量弹性变形能 ，发生 冲击矿压 的危险性最大。 1 ． 2开采技术因素 - 开采技术因素可以从两个方面促使冲击矿压的 发生 一是人为地形成高度应力集中，增加发生冲 击矿压的危险性 ；二是改变应力状态和产生震动 ， 可以诱发出冲击矿压。具体分析如下 1 采煤方法各 种采煤 方法的巷道布置和 顶板控制方法不同 ，所产生的矿山压力和分布规律 也不同。一般来说 ，短壁体系 房柱式 、刀柱式 、 短壁水采等 采煤方法 由于采掘巷道 多，巷道交 岔多 ，遗留煤柱多 ，形成多处支承压力迭加 ，容易 发生冲击矿压。因此，具有冲击危险的矿井最好采 用直线长壁式采煤方法。 2 煤柱的状况煤柱是产生应力集 中的地 点。孤岛形和半 岛形煤柱可能受几个方向集中应力 的迭加作用 ，因而在煤柱 附近最容易发生 冲击矿 压。煤柱上的集中应力不仅对本煤层开采有影 响， 而且对下部煤层形成冲击条件。 3 采掘顺序 采掘顺序对于矿山压力的大 小和分布影响很大，巷道相向掘进，回采工作面相 向开采，以及在工作面前方的支承压力带开掘巷 道 ，都会使支承压力迭加而可能发生冲击矿压。因 此 ，应当避免同一区段上两翼工作面同时接近上下 山。 4 顶板控制方法顶板控制方法是影响冲 击矿压的重要因素 。冲击矿压煤层的顶板大多是又 硬又厚，不容易冒落。采取各种方法，例如爆破、 强迫放顶，预注水等，使顶板冒落，就能起到减缓 冲击矿压 的作用。 6 2 5 放炮放炮产生震动，引起动载荷，一 方面能使煤层中的应力迅速重新分布而增加煤体的 应力 ；另一方面能迅速破坏煤壁边缘 侧 向约束阻 力 ，改变煤体的应力状态，由三向压缩变为二向或 单向压缩，使其抗压强度下降，导致迅速破坏。因 此 ，放炮具有诱发冲击矿压的作用。 2冲击矿压发生的条件 冲击矿压发生的原因是多方面的，与地质构 造 、煤岩的物理力学性质 、开采深度 、开采技术条 件等因素有着密切关系。根据有关资料和现场的实 际情况， 初步认为，冲击矿压的发生需具备以下 3 个前提 1 煤岩具有适于冲击矿压发生的物 理力学 性质，即该煤层及其围岩具有积蓄能量并能将其突 然释放出来的能力。与物理力学性质密切相关的则 有 煤岩的强度 、煤岩的弹性 、塑性变形能力 、煤 层的脆性、煤层各分层间以及煤层与顶底板间的粘 结力等。 2 高压带的存在。这里所说的高压带，是 指该部分煤层中的应力达到或超过煤层脆性破坏的 极限状态，高压带的形成与地质构造、地层活动、 开采深度以及开采技术条件有密切关系。 ‘ 3 在采掘过程 中，使煤岩体 内形成一定 的 自由空间，不仅破坏 了煤岩 的原始应力平衡状态 ， 使应力重新分布，生成附加载荷，促进了高压带的 形成和发展，同时又为被积蓄的潜能释放创造了条 件。这种 自由空间的形状 、大小和位置，对 冲击矿 压的发生及强度的大小都有一定影响。 上述 3个前提在 同一个地方同时出现时，就构 成 了发生冲击矿压 的充分条件 ，必然发生冲击矿 压。当不同时具备这3 个前提时，冲击矿压就不会 发生 3 结束语 冲击矿压影响因素 的多样性和发生条件的复杂 性，它们之间既相互联系，又相互制约；往往在一 个冲击矿压的矿井中，几个影响因素同时作用 ，因 此 ，在冲击矿压防治中应首先弄清楚主要的影响因 素，实现综合防治，才能取得良好的效果。 [ 参考文献】 [ 1 ]宋振骐 ． 实用矿山压力与控制 [ M]． 徐州中国矿业大学出 版社 ，1 9 8 8 ． 【 责任缩辑 毛德兵】 维普资讯