煤矿冲击地压事故预测控制及其动力信息系统.pdf

第25卷第4期山 东 科 技 大 学 学 报自 然 科 学 版Vol. 25 No. 4 2006年12月Journal of Shandong University of Science and T echnology Natural ScienceDec. 2006 文章编号1672 - 3767200604 - 0001 - 05 煤矿冲击地压事故预测控制及其动力信息系统 Ξ 宋振骐1,卢国志1,彭林军2,汤建泉1 1. 山东科技大学 资源与环境工程学院,山东 青岛266510 ;2.大连大学 院士办公室,辽宁 大连116622 摘 要在深入研究我国煤矿冲击地压发生及其成功控制案例的基础上,对冲击地压事故发生的原因、 灾 害实现条件及其动力信息基础进行了比较系统的研究,以此为基础提出了各类冲击地压预测和控制的方法。 关键词冲击地压;预测控制;煤矿安全;动力信息系统 中图分类号TD 771 文献标识码A Forecast and Control of Rock Burst in Collieries and Its Dynamic Ination System SONG Zhen2qi1,LU Guo2zhi1,PENGLin2jun2,TANGJian2quan1 1. College of Resources and Environmental Eng. ,Qingdao , Shandong 266510 , China; 2. Academician’s Office , Dalian University , Dalian , Liaoning 116622 , China Abstract This paper has systematically studied the reasons that induce the rock burst accidents , conditions of disasters occurrence and dynamic ination basis of rock bursts based on the case studies of occurrence and successful control of rock bursts in collieries. Then , this paper puts forward the forecast and control s for all kinds of rock bursts. Key words rock burst ;forecast and control ;safety of coalmines;dynamic ination system 冲击地压是采动采掘工作面推进诱发高强 度的煤岩弹性能瞬间释放,引起相应采动空间 围岩强烈震动和煤岩冲击挤出的动力现象。是 我国煤矿常见的重大事故灾害。 据统计,1999年17处大中型煤矿发生1377 次冲击地压,最大强度达到里氏4级。辽宁省抚 顺矿务局老虎台煤矿仅2002年发生各类冲击地 压6127次,其中大于3级21次,平均每天发生冲 击地压17次[1]。鉴于我国大多数煤矿的煤岩具 有冲击倾向,并随着开采深度以每年约10m的幅 度不断增加,发生冲击地压灾害的可能性将日趋 增大。 本文在研究我国大量冲击地压事故的基础 上[2],对我国煤矿冲击地压产生的原因、 灾害实 现的条件以及预测和控制的动力信息基础,进行 了较系统的研究。 1 煤矿冲击地压发生的原因及灾害实现 条件 强度较高且具有冲击破坏特性的煤岩层, 受构造运动或采场推进影响而形成的高度应力集 中和高能级的弹性变形能的储存,是冲击地压发 生的根本原因[3]。在没有采取释放应力和能量 的措施下,在有高度应力集中和高能级弹性能储 存的部位掘进巷道或推进工作面,是冲击地压灾 害得以实现的前提。即冲击地压实现的原因采 动诱发弹性能的释放;冲击地压实现的条件有 1煤岩具有冲击性破坏的特征; 2围岩中储存有足以构成冲击的弹性能; 3采动采、 掘工作面推进诱发,破坏了原 始平衡条件并提供能量释放的空间; 4在冲击能量释放的空间周围,没有足够吸 Ξ 收稿日期2006 - 10 - 10 作者简介宋振骐1935 - ,男,湖北武汉人,教授,中国科学院院士,主要从事矿业工程方面的研究. 收和缓冲释放能量的防护区。 上述四个条件缺一不可。 2 煤矿冲击地压分类、 发生原因及破坏特点 根据诱发冲击因素不同,可以把冲击地压分 成两大类 1掘进工作面推进诱发冲击地压简称掘进 冲击地压 ; 2回采工作面推进诱发冲击地压简称回采 冲击地压。 2. 1 掘进冲击地压 掘进冲击地压是指由于掘进工作面的推进诱 发冲击地压。该类冲击地压发生在掘进工作面的 推进过程中。按照掘进巷道开掘位置不同可以分 为在原始应力场掘进巷道发生的冲击地压和在 采动应力场掘进巷道发生的冲击地压图 1 。 图1 掘进冲击地压分类框图 Fig. 1 Types of rock bursts in headings 2. 1. 1 原始重力应力场中掘进和维护巷道发生 冲击地压的条件及破坏特点 1发生冲击地压的一般条件 ① 煤体具有冲击破坏性,即煤层强度较高 f 1.5 ,含水率低 1. 5 ,含水率低3 ,加压时发生脆性破坏; ② 该条件下发生冲击地压的临界深度一般超 过500m。 2破坏特点 ① 发生的频度和破坏范围长度取决于巷道 相对构造轴线位置和距离。其中 远距离垂直布置点通过 , 频度低,范围小。 近距离平行布置线通过 , 频度高,范围大。 ② 巷道顶底板震动破坏、 两帮破坏在应力释 放之后。 2.1. 3 在采动应力场中开掘和维护巷道冲击地 压的条件及破坏特点 在采动影响的应力场中掘进巷道,发生冲击 地压的煤层条件和应力极限与原始应力场中掘进 巷道一样,但考虑应力极限实现条件时,不能只是 简单地与原始应力的性质、 大小和相应的开采深 度联系在一起,相反必须把不同开采深度和不同 采动条件下重新分布的应力场特征应力的大小、 分布特征包括应力释放的 “内应力场” 和应力叠加 的 “外应力场” 范围及高应力区应力的集中程度 等及其形成的发展变化规律放在首要地位。 与在原始应力场开掘巷道相比,在采动应力 场中开掘巷道,判断可能实现冲击地压要求的应 力条件时,必须掌握不同采动条件下采动应力场 下的重大差异。 在采动应力场中掘进巷道发生冲击地压的条 件为 1该条件下发生冲击地压的临界深度,针对 不同的覆岩条件和工作面长度等采动条件,一般 在300～400m; 2在支承压力高峰部位掘进必然发生冲击 地压; 3在稳定的内应力场中掘进不会发生冲击 地压; 4采高愈大可能形成的内应力场愈大 , 发 生冲击地压的可能性愈小。 2. 2 回采冲击地压 回采冲击地压是指由于回采工作面的推进诱 发冲击地压。该类冲击地压发生在回采工作面的 推进过程中。按照力源可分为两类图2 1煤层压缩弹性能释放; 2坚硬顶板弯曲弹性能释放。 2.2. 1 在单一重力应力场条件下煤层压缩弹性 2山 东 科 技 大 学 学 报自 然 科 学 版 第25卷 能释放产生的冲击地压 图2 回采冲击地压分类框图 Fig. 2 Types of rock bursts in working faces 1发生条件 ① 煤层有冲击破坏特性; ② 煤层应力达到冲击破坏极限; ③ 吸收和缓冲能量释放防护区宽度不够; ④ 爆破采动或顶板断裂诱发。 2发展变化规律图 3 。 图3 重力煤壁压缩型回采冲击地压发展变化规律图 Fig. 3 The development of rock bursts in working face with the type of gravity2compressed ribs 图3中 Co 表示老顶岩梁初次来压步距 Lp 煤壁的压力达到的煤层压缩破 坏极限的推进距离 Li 回采工作面的推进距离 Lo 回采工作面长度 安全段 LiC0 待发段 C0LiLp 冲击段 LpLiL0 平稳段 L0Li 3冲击地压破坏地点 回采工作面图4中4的位置 ; 回采平巷上风道-图4中1、 下运道-图 4中2、 接续工作面上风道-图4中3。 4冲击地压破坏范围 上风道图4中1如果巷道1开采在A采 区上部已采工作面的内应力场中,采动过程中 巷道1的移动破坏区S′ 0小于巷道内应力场S0, 巷道1内冲击破坏区S′ 1小于巷道1内形成的高能 弹性压缩应力区S1;如果巷道1开采在A采区的 高应力区中,采动过程中巷道1的移动破坏区S′ 0 大于巷道内应力场S0,巷道1内冲击破坏区S′ 1大 于巷道1内形成的高能弹性压缩应力区S1。 图4 回采工作面示意图 Fig. 4 Sketch of working face 下运道图4中2 移动破坏区内应力 场一般为5～10m ,冲击破坏区一般为10～30m。 接续工作面巷道图4中3 如果在本工 作面B推进前或推进后岩层未稳定时间内开掘 巷道,将会受冲击地压的影响;如果在B工作面 推进稳定后的时间内掘进,巷道开在B采区的高 应力区中,将会受到冲击地压的影响,巷道开在B 采区的内应力场中,将不受到冲击地压的影响。 工作面图4中4 工作面局部或全长。 5冲击地压的破坏特征 如果开采煤层为中厚煤层,煤壁将会被挤 出; 如果开采煤层为厚煤层,底煤将会鼓起。 2.2. 2 在有构造应力场条件下煤层压缩弹性能 释放产生的冲击地压 1发生条件 在未释放的构造应力场中掘进开切眼推进 工作面; 初采阶段LiC0 2破坏特点 ① 破坏地点工作面及上下回采巷道; ② 破坏范围工作面局部或全长;上下回采巷 道30～50m; ③ 破坏特点中厚煤层,煤壁被挤出;厚煤层, 底煤鼓起。 2. 2. 3 坚硬顶板弹性能释放产生的冲击地压 回采工作面推进,大面积坚硬顶板弯曲弹性 能释放产生的冲击地压,发生在厚层坚硬顶板裂 断的时刻,强烈的冲击破坏包括以下两个部分 1通过诱发支承压力高峰部位煤层压缩弹 3第4期 宋振骐等煤矿冲击地压事故预测控制及其动力信息系统 性能的同时释放导致工作面及超前巷道围岩的破 坏。破坏的特点与单一煤层压缩弹性能释放的相 同,只是强度更高,影响与破坏范围更大。储存弯 曲弹性能的顶板距煤层愈近,相应的冲击破坏强 度愈高,范围也将愈大。 2顶板裂断的瞬间高速沉降,冲击挤压煤壁 造成的破坏。这种冲击破坏发生在工作面及两巷 端头部位。释放能量的顶板距煤层愈近,破坏的 强度愈高。而且不论工作面煤壁在支承压力作用 下是否已经破坏或破坏深度的大小。 3 煤矿冲击地压事故的控制 控制冲击地压事故包括控制冲击地压的发生 和可能的破坏性灾害两方面。 前者首先搞清冲击地压发生的原因和实现的 条件,以此为基础通过合理的 “防冲” 方案设计包 括采用合理的开采方法、 正确的开采程序和开采 参数等把冲击地压发生的可能性降至最低的限 度。 后者则是在可能发生冲击地压的时间和地 点,通过采用安全上可靠、 技术上可能、 经济上合 理的措施降低可能积聚的冲击弹性能量、 减少冲 击破坏波及的范围以及在回采工作面和巷道中可 能发生冲击的地点,采用预裂、 注水软化形成缓冲 层以及防止人员伤亡和设备损坏保护措施等。 综上所述,控制冲击地压实现的应力条件是 控制煤矿冲击地压发生的关键。必须把采掘工作 面推进过程中可能诱发释放的弹性压缩能,限制 在足以导致冲击性破坏发生的范围内。为此要特 别注意研究工作面在不同的覆岩条件下,采用不 同工作面长度、 不同采高等采动条件下覆岩运动 和支承压力大小和分布规律的差异。以此为基 础,在考虑开采方案设计时,特别注意下列采掘部 署的 “时空原则” 及相关 “防冲” 措施。 1严格杜绝在原始应力场的构造压缩应力 带和采动应力场的支承压力的高峰部位布置采煤 巷道和推进工作面。 2最大限度的争取实现在已经历采动释放 应力后稳定的 “内应力场” 中掘进和维护巷道。 3在有可能发生冲击地压的工作面,应当采 取下列措施控制事故的灾害 ① 采用 “井下岩层动态观测研究方法”,在取 得相关采动信息数据基础上,实现对冲击地压可 能发生的时间、 地点、 强度进行预测预报; ② 在预计发生高强度冲击地压危险的地点, 采取降低储存的弹性能和诱发能量释放等措施, 力争把冲击地压破坏的范围减少到最低的程度; ③ 在承受冲击地压的回采工作面和巷道中, 采用正确的支护方式维护工作面空间的安全。 如回采工作面必须采用稳定的可缩性支护,绝对 避免采用木棚等不稳定的支护方式;有冲击地压 危险的巷道应有适应护顶、 护帮要求的锚网支护。 4 煤矿冲击地压事故预测控制的动力信 息系统的构建 实现对煤矿冲击地压事故的预防与控制,必 须针对具体的煤层条件和开采布置方案采用理论 计算、 实测推断、 数据耦合的方式确定相关采动信 息采动参数 , 绝对不能不顾开采条件的差异,一 成不变地采用经验数据来制定开采方案、 冲击地 压预防与治理预案等。因此,建立煤矿冲击地压 事故预测控制动力信息系统至关重要。 4. 1 动力信息系统所需要的基本数据 煤矿冲击地压动力信息系统需要以下基本数 据的支持 1静态数据 回采工作面开拓布置数据包括工作面倾 向长度、 推进长度、 倾角、 该工作面与相邻工作面 相对时空关系等 ; 与回采工作面相关的钻孔数据包括钻孔 相对坐标、 钻孔各岩层的总厚度、 分层厚度、 节理 间隙、 抗压强度、 抗拉强度、 碎涨系数、 容重、 波松 比等 ; 煤层底板等高线数据包括褶曲、 向斜、 背 斜、 断层信息等。 2动态数据 采掘工作面推进过程中,利用矿压观测仪、 顶 底板动态仪、 锚杆测力计、 测力锚杆、 柔性锚杆测 力计等相关矿压观测仪器进行矿压观测,并对观 测数据进行实时地分析处理,及时与理论计算结 果耦合,对采动基本参数进行修正。主要的观测 数据有 回采工作面支架矿压观测数据; 工作面上风道、 下运道顶底板相对移近量 及其与工作面推进速度、 距离的关系; 工作面两巷各锚杆测力点观测数据; 工作面前方煤壁内柔性锚杆测力计观测数 据及其与工作面推进速度、 距离的关系; 4山 东 科 技 大 学 学 报自 然 科 学 版 第25卷 采掘过程中掘进头、 两侧煤壁、 工作面煤 壁、 老塘的来压等直观的观测数据等。 4. 2 动力信息系统能够提供的采动参数 1老顶岩梁裂断来压步距规律包括老顶下 位岩梁、 上位岩梁以及有弯曲弹性能释放的坚硬 顶板裂断的时间、 位置及相应的工作面推进步距 等信息。 老顶裂断参数可能作为预测预报顶板裂断诱 发冲击地压发生时间、 地点以及可能强度的依据。 实践证明,老顶裂断是诱发回采工作面冲击地压 的主动力。老顶相对稳定步距愈大,象征着顶板 和煤层积聚的弹性能级愈高,冲击地压发生时的 冲击强度也愈大。 2支承压力分布规律包括内应力场、 外应 力场的范围、 大小,压力高峰的位置、 峰值的大小, 以及内外应力场、 压力峰值随工作面推进发展变 化规律等信息。以此推断可能发生冲击地压的起 点、 终点有足够的 “内应力场” 宽度作为缓冲区 位置以及危险区的全长。推断超前巷道中可能发 生冲击地压破坏的范围。 5 结论 冲击地压事故是煤矿常见的重大事故灾害之 一,由于地质构造复杂、 开采条件多变,对于一起 事故也很难判断其原因及类型。但是从冲击地压 事故诱发因素、 实现条件看,有其发生的必然性和 规律性。只要工作面巷道设计合理、 矿压数据观 测准确、 及时处理、 冲击地压控制预案得当,完全 可以预防冲击地压事故的形成,避免冲击地压灾 害的发生。 参考文献 [1]王仁豪.煤矿安全事故根源的探究. [ EB/ OL ]http / / www1anquan1com1cn/ Article/ Class107/ guanli/ meikuanglw/ 200609/ 44859. html ,2006 - 09 - 17. [2]张文江,宋振骐,杨增夫,等.煤矿重大事故控制研究 的现状和方向[J ].山东科技大学学报自然科学版 , 2006 ,1 5 - 8. [3]宋振骐,蒋宇静,杨增夫,等.煤矿重大事故预测和控 制的动力信息基础的研究[ M].北京煤炭工业出版 社,2003. 我校学报自然科学版荣获教育部 “首届中国高校特色科技期刊奖” 首届中国高校精品 优秀 特色科技期刊颁奖大会于2006年11月21日～26日在江西南昌隆重召 开。我校学报自然科学版荣获教育部 “首届中国高校特色科技期刊奖”,此次获奖的山东省高校还有 山东大学、 中国海洋大学、 石油大学华东等共5所。 会议由教育部科技司主办,高校学报研究会主持,国家新闻出版总署负责同志及获奖学报单位代表 参加。教育部负责同志宣布获奖名单并讲话,国家新闻出版总署负责同志讲话,两位负责同志在讲话中 强调了科技期刊在 “科教兴国” 发展中的重要地位和作用,希望高校学报继续发挥学术理论水平较高的 优势,成为科技期刊界的一面旗帜。高校学报研究会理事长作了工作总结并部署新的工作任务。 多年来,我校学报自然科学版注重学术理论水平和整体质量的不断提升,已被国内外50家著名 或重要数据库和检索机构检索。近几年,学报被引频次和影响因子大幅度提高,获得多项国家级及省级 荣誉称号和奖励,受到期刊界专家的一致好评,在国内外享有较高的知名度。 学报这些成绩的取得是上级主管单位、 校领导、 各部门及广大科技工作者关心和支持的结果,更饱 含着学报几代人兢兢业业、 辛勤工作的心血和汗水。 希望广大科技工作者继续关心和支持我校学报的发展,与学报工作者一道共谋学报之发展,争创 “精品期刊”,铸就学报新的辉煌。 5第4期 宋振骐等煤矿冲击地压事故预测控制及其动力信息系统