陕西报告-冲击矿压区域与局部控制对策1905.pptx

窦林名教授中国矿业大学微信中矿冲击地压研究,煤矿冲击矿压区域与局部控制对策,,,1、冲击矿压力源及其类型2、冲击矿压的主控因素3、区域与局部控制对策,目录,冲击矿压是井巷或工作面周围煤（岩）体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象。常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。是造成人员伤亡和采掘空间严重破坏的煤矿动力灾害。,据统计，目前我国已有329个冲击地压矿井，正在开采的253个，分布于26个省、市及自治区。,1、冲击矿压力源及其类型,1960年1月20日南非的CoalbrockNorth煤矿冲击矿压，破坏面积达300万平方米；2004年6月26日，北京木城涧煤矿发生冲击矿压，震级达4.3级，破坏巷道500多米；,2003年，芦岭煤矿“5.13”瓦斯爆炸事故，冲击矿压诱发；2005年，孙家湾煤矿“2.14”特大瓦斯爆炸事故，冲击矿压诱发。,1、冲击矿压力源及其类型,冲击矿压特点突发性。无预兆，过程短暂，持续时间几秒到几十秒，难于准确预报发生时间、地点和强度。瞬时震动性。像爆炸强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有地震感觉。巨大破坏性。大量煤体突然抛出，堵塞巷道，破坏支架；造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失复杂性。各种条件和采煤方法均出现过。,1、冲击矿压力源及其类型,冲击矿压显现特征,（1）冲击矿压事故的91发生在巷道；而采掘作业期间发生的占86，其中1/4发生在掘进工作面，3/4发生在工作面的超前两巷，特别是沿空侧的巷道内发生的居多；（2）每次冲击发生时，均记录有强矿震；在中及厚煤层中发生冲击时的最小矿震能量等级为1E04J，最大达E08J；（3）矿震震源与冲击地点不在同一位置，一般在150m内，最大达到500m；（4）冲击发生时，巷道破坏长度一般90m，最大达1000m；（5）采面采空区单见方、双见方、三见方等时，冲击多发；（6）断层、皱曲附近冲击矿压多发。,1、冲击矿压力源及其类型,冲击矿压与矿震的关系,地音声发射能量低于100J、主频大于150Hz的微破裂产生的震动，如煤岩受载过程中的损伤、微破裂、微裂纹的扩展等。矿震（微震）能量大于100J、主频小于150Hz的震动，如岩层破断、运动，煤体宏观动态破裂、失稳等。冲击矿压井巷或工作面周围煤（岩）体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象。常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。,1、冲击矿压力源及其类型,动静载叠加诱发冲击机理,Um–煤体弹性能量Uf–顶底板弹性能量Ua–顶板加速度能量Up–冲击消耗能量,σj–静应力σd–冲击应力波σbmin–临界应力,应力条件,能量理论,1、冲击矿压力源及其类型,静载动载诱发冲击,σj–静应力σd–冲击应力波σbmin–临界应力,应力条件,煤岩体中静载荷与矿震形成的动载叠加之和大于诱发煤岩体冲击的临界载荷，就会诱发冲击灾害；,1、冲击矿压力源及其类型,静载动载诱发冲击,1、冲击矿压力源及其类型,冲击、矿震演化过程,发生冲击矿压的临界应力,煤的单向抗压强度大于RC20MPa，煤体发生冲击矿压破坏的最小应力为50MPa；煤的单向抗压强度小于RC1.0E4,（3）、煤厚变化区附近,朝阳矿3112面切眼掘进冲击,20141001141017,（3）、煤厚变化区附近,朝阳矿3112切眼剖面图,（3）、煤厚变化区附近,跃进煤矿23170面,（3）、煤厚变化区附近,张双楼矿74101工作面掘进期间发生动力显现或者应力异常区,（4）、顶板砂岩变化区附近,74101面回采期间发生动力显现或者应力异常区,（4）、顶板砂岩变化区附近,,赵楼矿1302工作面运顺火成岩侵入区,焦化煤,火成岩,（5）、岩浆岩侵入区附近,,,,冲击区,（5）、岩浆岩侵入区附近,义马千秋煤矿11.11.03冲击矿压，能量E4108J。,（6）、巨厚覆岩的作用,冲击地压能量E08J,,（6）、巨厚覆岩的作用,义马千秋矿11.11.03冲击，4108J，采深800m13.3.27冲击，1107J，采深450m21141面多次冲击，采深650m,（6）、巨厚覆岩的作用,时间义马千秋煤矿2014年3月27日11时18分。震源位置震源位置位于21032回风上山西翼128m（平距）。能量1.1E7J，震级为2.7级。,冲击地压能量E07J,（6）、巨厚覆岩的作用,煤层9m,泥岩粉砂90m,砾岩360m,,,,冲击地压能量E07J,（6）、巨厚覆岩的作用,时间2010年10月8日900，发生冲击矿压地点W1143工作面上部及端头巷道W1143采面煤层为B4-1，埋深317m、走向长1495m，斜长162m，倾角10-16，煤厚平均3m，采高3m。与W1141面间的煤柱宽30m。,10.8冲击，W1143面冲击，支架煤机损坏，巷道破坏，人员伤亡,（6）、巨厚覆岩的作用,新疆宽沟煤矿W1143工作面,,（6）、巨厚覆岩的作用,（6）、巨厚覆岩的作用,（1）、区段煤柱应力集中区（2）、上覆遗留煤柱的应力集中区（3）、停采线形成的应力集中区（4）、切眼外错应力集中区（5）、向采空区采掘的应力叠加区（6）、上下煤层巷道的应力叠加区（7）、采掘相互扰动影响区（8）、工作面来压与见方区域,2.3、采掘应力集中区,2、冲击矿压的主控因素,（1）、区段煤柱应力集中区,时间沈阳红阳三矿2017年11月11日2时26分39秒。位置红阳三矿西山上采区702综采工作面回风顺槽巷道。能量里氏震级ML2.4级。,冲击造成702工作面前方回风顺槽约220m巷道出现大面积底鼓、冒顶，且煤帮位移明显，造成作业人员伤亡和被困。冲击时工作面中部处于正断层Fh2Fy2、正断层Fh34附近。,17.11.11冲击冲击区200m,,（1）、区段煤柱应力集中区,区段煤柱应力集中区。,兴安矿四水平南17层一四区一段采深500m；工作面上部为隔段煤柱，宽15-18m。邻层上覆11层已开采，层间距138155m,（1）、区段煤柱应力集中区,华亭250102面诱发强矿压震源位置平面分布图,华亭250103面诱发强矿压震源位置平面分布图,华亭250102面诱发强矿压,（1）、区段煤柱应力集中区,9202面采深达900m；上覆有7煤残留的大煤柱，120m90m。7煤所留的煤柱处于9202工作面轨道巷上部。7煤的护巷煤柱距9202工作面轨道巷13m。,三河尖9202工作面,（2）、上覆遗留煤柱区,（2）、上覆遗留煤柱区,兴安煤矿冲击案例,四水平南17层一四区一段,（2）、上覆遗留煤柱区,庞庄煤矿张小楼井9煤埋深大，采深1000m，局部采深达1200m，属于典型的深部开采煤层。,7、9煤间距30m；7煤的停采线对9煤影响大；9煤回采通过7煤的停采线。,（3）、停采线的应力集中区,,,,,,,,张小楼井95202工作面回采应力分布,能量103-104J的矿震平面分布（2011.5.4～2011.5.30）,（3）、停采线的应力集中区,砚北矿250204工作面矿震震源平面分布。,（4）、切眼外错应力集中区,（4）、切眼外错应力集中区,山东朝阳煤矿3018工作面回顺应力分布预计。,（5）、向采空区采掘应力叠加,兖州东滩煤矿冲击,东滩矿主要冲击区域,,（5）、向采空区采掘应力叠加,“1.3”4205切眼导峒冲击矿压,（5）、向采空区采掘应力叠加,（6）、煤层群巷道应力叠加,山西担水沟矿17.01.17冲击矿压顶板事故，造成10人死亡。,担水沟煤矿属于宁武矿区；4煤层埋藏深度400m。开采4煤4203工作面与9煤9202工作面，层间距50m；,（6）、煤层群巷道应力叠加,9202面超前4203面195m，距离4202面停采线70m。,9煤，16m,4煤，5.6m,17.01.17冲击冒顶区105m,,（6）、煤层群巷道应力叠加,冲击严重冒顶区,（6）、煤层群巷道应力叠加,（7）、采掘相互扰动影响区,山寨矿1104、11051工作面相向采掘扰动，11051工作面掘进630m时，强矿压显现严重，停止掘进。,（7）、采掘相互扰动影响区,砚北煤矿采掘相互影响,工作面采动影响区域超前工作面286m左右，掘进头影响区域超前130m左右，安全距离约为420m。,（7）、采掘相互扰动影响区,（7）、采掘相互扰动影响区,北徐楼煤矿朝阳煤矿相互影响,随着采空区范围加大，上覆岩层空间结构运动形成见方效应；三次见方区域均具有密集的高能量矿震出现（已采375m）；一方2次E5以上；二方4次E5以上；三方3次E5以上,（8）、工作面来压与见方区域,,,新汶华丰煤矿,峻德矿顶板“四次见方”,顶板的初次来压。8.30冲击，影响范围49m，能量2.2E4J,初次来压,（8）、工作面来压与见方区域,工作面一次“见方”。矿震能量2.2E4J。,一次“见方”,（8）、工作面来压与见方区域,峻德矿顶板“四次见方”,工作面二次“见方”。11.24冲击，影响范围44.5m，能量1.98E5J,二次“见方”,（8）、工作面来压与见方区域,峻德矿顶板“四次见方”,三次“见方”,工作面三次“见方”。1.9冲击，范围45m能量1.26E05J。1.21冲击，范围72m能量.21E06J。,（8）、工作面来压与见方区域,峻德矿顶板“四次见方”,工作面四次“见方”。3.15冲击，范围,回风巷90m，机道60m,能量4.6E06J。,次“见方”,（8）、工作面来压与见方区域,峻德矿顶板“四次见方”,1、冲击矿压力源及其类型2、冲击矿压的主控因素3、区域与局部控制对策,目录,监测应力分布状态，监测煤体应力，钻屑法和弹性波CT透视法监测等；卸压降低应力集中，将应力高峰往煤体深部转移等。,静载-监测与防治,监测煤岩体破断运动规律，微震法、声发射、电磁辐射等；控制破坏煤岩体的结构，减小煤岩体的运动程度的措施。即，降低震源的震动能量，加大震源距采掘工作面的距离，增加震动波的衰减程度等。,动载-监测与防治,3、区域与局部控制对策,1、冲击矿压的危险性评价（综合指数法、多因素耦合分析、模拟分析）2、开采设计方案优化（开采解放层、煤柱宽度，工作面长度、开采顺序、切眼位置、推进速度等）3、冲击危险的监测与预警（微震监测方法、电磁辐射法、钻屑法）4、冲击危险区域的解危与处理（卸压爆破、钻孔卸压、注水、水力致裂等）5、解危效果检验（同监测预警）,四强原则强监测、强卸压、强支护、强防护,3、区域与局部控制对策,强度弱化减冲原理区域防范措施局部主动解危支护与防护,保护层开采错层布置关键层控制煤柱留设采掘相互扰动,,,钻孔卸压煤体爆破顶板爆破定向水力致裂,,,强弱强结构掘进面卸压底煤卸压加强支护防护避让,,3、区域与局部控制对策,一是采取松散煤岩体的方式，降低煤岩体的强度冲击倾向性，使得冲击危险性降低；二是对煤岩体的强度进行弱化后，使得应力高峰向岩体深部转移，并降低应力集中程度；三是采取一定的减冲解危措施后，使得发生冲击压时，降低冲击的强度。,强度弱化减冲原理,3、区域与局部控制对策,“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”的防冲原则,区域先行从矿井整体开拓布局入手，基于防冲提出分区开采、优化大巷布置方式、采区布置，煤柱留设等区域卸压降载减冲技术。局部跟进针对性设计局部卸压措施，主要包括煤层注水、大直径钻孔卸压、钻孔爆破卸压、断顶断底卸压降载减冲等。分区管理针对不同冲击矿压危险区域，采取不同的管理措施，包括措施管理、人员管理、产量管理、设备管理等。分类防治针对不同区域不同冲击类型、冲击动静载力源、能量释放主体等方面的差异，采取不同的针对性卸压降载减冲措施。,3、区域与局部控制对策,防冲优化设计原则与内容,优先合理开采解放层煤层群开采顺序由上往下开采工作面开采顺序顺序开采，不留孤岛煤柱工作面长度避免采动应力的影响，大于100m工作面开切眼位置形成一条线，避免外错工作面停采线位置形成一条线，避免交错区段煤柱宽度3-5m小煤柱，或50m以上大煤柱工作面推进速度匀速推进，5m/d（有危险）接近采空区、煤柱、断层重点防范区域,（1）、区域防范,优先开采保护层保护层作用降压、减震、吸能,（1）、区域防范,巷道外错上区段采空区下方布置顺槽,错层布置降压作用,（1）、区域防范,错层布置孟巴煤矿,（1）、区域防范,,（1）、区域防范,卸压开采义马常村矿,（1）、区域防范,采空区注浆加大条带煤柱控制上覆厚层坚硬关键层的破断开采两个工作面，留一个大煤柱。,上覆厚层坚硬关键层的控制对策,（1）、区域防范,煤柱宽度的确定,（1）、区域防范,开采冲击地压煤层时，在应力集中区内不得布置2个工作面同时进行采掘作业。2个掘进工作面之间的距离小于150m时，采煤工作面与掘进工作面之间的距离小于350m时，2个采煤工作面之间的距离小于500m时，必须停止其中一个工作面。相邻矿井、相邻采区之间应避免开采相互影响。,（1）、区域防范,避免采掘之间的相互扰动,推进速度对冲击危险性的影响,回采速度对支承压力与煤体能量聚集的作用回采速度对覆岩悬顶及破断运动的作用构造应力对工作面的回采速度作用强烈,胡家河煤矿,低速推进,高速推进,峻德煤矿,（1）、区域防范,巷道掘进头、两帮及底板的大直径钻孔卸压,煤体的钻孔、爆破卸压,（2）、局部主动解危,浅孔爆破断顶卸压；深孔爆破断顶卸压。,（2）、局部主动解危,煤体高压射流钻割卸压技术（2012）,（2）、局部主动解危,顶板定向水力致裂,（2）、局部主动解危,张双楼矿东一采区74101面，埋深-1070，煤厚4m，倾角23。老顶为细粒砂岩,厚5.03m。走向长1500多米、面宽170m，切眼处面宽130m。74101工作面上区段为7123、7121、7119采空区，与7123工作面区段煤柱宽度为5m。,（3）、断层异常区处理,,张双楼矿74101工作面2017年2月份，回采至420m时，受断层、顶板岩性变化等影响，工作面超前应力集中，微震监测能量、频次均呈上升趋势，冲击危险性增加。,断层异常区的监测与处理,（3）、断层异常区处理,,断层顶板预裂爆破,剖面扇形顶板预裂爆破,（3）、断层异常区处理,未进行扇形步距式控顶爆破前，选取2月10日至2月17日74101工作面微震监测事件分布。,进行扇形步距式控顶爆破后，选取5月2日至5月9日74101面微震监测事件分布。,,,（3）、断层异常区处理,顶板砂岩变化带,74101工作面的顶板砂岩段位置，“7.30”事故、74101材料道高应力位置、“5.30”冲击掘进头位置均位于顶板砂岩段开始位置附近。顶板砂岩段对于冲击矿压的影响较大。,（4）、顶板砂岩异常区处理,,,74101工作面应力分布数值模拟,砂岩段异常区的监测与处理,（4）、顶板砂岩异常区处理,,,对顶板岩性探测，确定顶板岩层性质与岩层结构；采用扇形步距式控顶爆破技术，在材料道下帮顶板施工剖面扇形爆破孔，每组3个。过顶板砂岩段期间，在每组剖面扇形孔之间增加平面扇形孔，每组3个。通过提前对工作面顶板进行预裂，控制工作面周期来压步距，降低超前应力集中，工作面整体压力显现平稳，矿震信号能量及频次较小。,（4）、顶板砂岩异常区处理,,,砂岩段网络式顶板钻孔组合爆破卸压在该强冲击危险区段实施平面走向和垂直倾向相结合的网络式顶板钻孔组合爆破卸压，卸压效果明显优于扇形和步距式顶板预裂爆破卸压技术。,（4）、顶板砂岩异常区处理,,,2017年6-8月能量高于1000J震动,2017年7月20日-7月31日震动分布,2017年8月1日-8月10日震动分布,2017年8月11日-8月20日震动分布,2017年6月至8月，回采过程中受砂岩顶板段的影响明显，上下山位置影响较小；从每10天的矿震走势，7月20日-7月31日受到砂岩顶板段的影响，8月11日-8月20日矿震向上下山位置扩散，上下山开始受到影响。,（4）、顶板砂岩异常区处理,,,,,,,,波速异常,波速,波速梯度,06月反演结果,08月反演结果,（4）、顶板砂岩异常区处理,6～8月份震动（10000J以上）,（4）、顶板砂岩异常区处理,防冲抗震巷道围岩呈现出强、弱、强的结构特点强弱强结构对冲击应力波起到一个衰减吸收效应巷道围岩变形呈现出小、大、小的特点巷道围岩呈现出小、大、小的能量耗散特点,巷道围岩的强弱强结构效应,（5）、支护与防护,减少外界震源扰动载荷设置弱结构，使得波传播的能量衰减指数增加提高支护强度,冲击危险巷道的控制原理,（5）、支护与防护,巷道围岩柔性蓄能支护控制体系,锚网索“O”型棚联合支护门式支架,,（5）、支护与防护,,,,,巷道支护防冲系统,,,工作面巷道支护防冲系统的形成过程,一级锚网索支护二级锚网索充填结构“O”型棚支护三级锚网索充填结构及“O”型棚门式支架支护,一级支护现场效果,二级支护现场效果,三级支护现场效果,（5）、支护与防护,工作面回采期间，撤出冲击危险其余的人员。进入冲击地压危险区域的人员必须采取特殊的个体防护措施。有冲击地压危险的采掘工作面，供电供液等设备应放置在采动应力集中影响区外。危险区域内的其他设备、管线、物品等应采取固定措施，管路应吊挂在巷道腰线以下。冲击地压危险区域的巷道必须加强支护，采煤工作面必须加大上下出口和巷道超前支护范围和强度，并采取防崩措施。严重冲击地压危险区域，必须采取防底鼓措施。,（5）、支护与防护,胡家河矿2016年10月27日402103工作面动力显现,应力场,能量场,震动场,,（6）、应力-震动-能量,监测预警理论基础地球物理响应,,,应力矿震地音电磁辐射,关键问题多参量统一参量应力场与震动场探测能量场的监测,（6）、应力-震动-能量,,冲击前兆应力-能量-多参量时空演化规律与耦合关系,震动能量∝应力降∝应变增量,（6）、应力-震动-能量,目标静载荷动载荷应力场震动场能量场,应力解除法测试原岩应力钻屑法、应力法、矿压法弹性波、震动波CT法,静动载分析,,应力场监测,震动场监测,,综合指数法应力分析法数值模拟分析法,微震法地音法电磁辐射法,,矿震能量分布预测法冲击变形能时序预警冲击变形能空间预警,能量场监测,,（7）、多参量监测预警,,,能量场监测指标冲击变形能时空强监测预警技术,冲击变形能指标的构建利用矿震能量换成应变值，得到的冲击危险指数。综合反映冲击危险区域能量的积聚与释放特征，具有较强的预警能力。,冲击变形能时间指数的重构,冲击变形能空间指数的重构,（7）、多参量监测预警,,,陕西彬长胡家河矿402103面,（7）、多参量监测预警,冲击变形能指标俊德矿,（7）、多参量监测预警,双震源一体化CT应力探测技术及装备研发,IntegratedDual-SourceCTTechnologyEquipment,（6）、多参量监测预警,不同冲击矿压类型的指标体系,（6）、多参量监测预警,,冲击危险区域,冲击危险等级,冲击危险时间,冲击危险强度,冲击矿压智能综合监测预警平台,聚类分析神经网络样本训练自主学习权重调整综合判别,,,,,冲击矿压风险判识与综合监测预警,,云平台,,,冲击地压远程在线风险智能判识与多参量综合监测预警,,,,云平台,,,,冲击地压远程在线风险智能判识与多参量综合监测预警,中国矿大主要研究成果,冲击矿压机理研究提出了“动静叠加诱发冲击原理”、煤岩体冲击破坏的冲能原理、巷道围岩的强弱强结构效应、煤岩体的强度弱化减冲原理，研究了断层褶皱构造附近的冲击规律。冲击矿压监测预警研究了矿震及声电规律，形成了以综合指数法、弹性波CT法、微震法、电磁辐射法和钻屑法为一体的冲击矿压分区分级监测预警理论与技术。冲击矿压防治技术发展了以柔性蓄能为主的防冲支架和以松散煤岩体为主的煤体钻孔、爆破、深孔断顶、定向水力致裂防冲理论与技术体系。,承担国家重点研发计划、“973”、科技支撑计划、自然基金重点项目、江苏省重点研发计划。成果获国家二等奖2项，省部级一等奖4项、二等奖励12项；获全国百篇优秀博士论文1篇，江苏省优博4篇，中国矿业大学优博10篇；出版冲击矿压方面专著12部，论文220余篇，SCI收录77篇、EI收录140余篇，专利33项，软件著作权14项。全国70多个矿安装SOS微震监测系统，60个矿联网形成了微震远程监测平台，应用效果良好。,中国矿大冲击矿压研究团队,煤矿安全规程，2016年执行；煤矿安全规程执行说明；煤矿安全规程解读煤矿防治冲击地压细则，2018年08月01日执行测试、监测、防治标准，共14项；3项测试标准、5项监测预警技术标准、6项治理技术标准,规程、细则、标准,主要著作,1、煤矿冲击矿压防治窦林名，牟宗龙等科学出版社，20172、采矿地球物理学-矿山震动窦林名，曹安业等中国矿业大学出版社，2016年3、采矿地球物理理论与技术窦林名，牟宗龙等科学出版社，20144、顶板岩层诱发冲击矿压的机理牟宗龙，窦林名等中国矿业大学出版社，20135、煤矿冲击矿压强度的弱化控制原理陆菜平、窦林名中国矿业大学出版社，20126、煤矿冲击矿压震动波CT预测原理与技术巩思园，窦林名中国矿业大学出版社，20137、冲击矿压防治理论与技术窦林名，何学秋中国矿业大学出版社，20018、采矿地球物理学窦林名，何学秋中国科学文化出版社，20029、煤矿开采冲击矿压灾害防治窦林名，赵从国等中国矿业大学出版社，2006,,研究足迹26个集团,敬请指正,谢谢,Thanks,