煤矿冲击地压应力控制理论与实践.pdf

第4 1 卷第6 期 2 0 1 3年 6月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4 1 No ． 6 J u n e 2 0 1 3 【 编者按】冲击地压是煤矿开采过程中遇到的典型动力灾害， 以其机理复杂性、 发生突然性和破坏剧烈性， 对煤 矿安全高效生产构成 了巨大威胁， 成为深部绿色开采亟待解决的技术难题 。随着煤矿开采深度的增加 ， 开采范 围的扩大， 发生冲击地压的矿井数量逐年呈上升趋势。据统计， 目前我 国冲击地压矿 井数量 已达 1 4 2座， 分布 于 2 0多个省 市、 自治 区 ， 冲击地引发的灾害 日益严重。为系统报道矿 井冲击地压防治技术及应用现状 ， 促 进学术交流和科研成果转化， 本刊组织 了“ 矿井冲 击地压防治技术及 应用” 专题 ， 对国内外矿 井冲击地压 的研 究现状及趋势、 发生机理、 监测预警方法、 防治技术、 冲击巷道围岩控制等进行了详细介绍， 以期为我国冲击地 压矿井安全高效开采提供技术参考。在此特别感谢齐庆新研究员在专题组稿、 审稿过程中对编辑部的大力支 持和帮助 ， 同时对各位专家能在百忙之 中积极为本刊撰稿表 示衷心感谢。 煤矿冲击地压应 力控 制理论 与实践 齐庆新 ， 李晓璐 ， 赵善坤 1 ．煤炭科学研究总院 矿 山安全技术研究分 院， 北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室， 北京1 0 0 0 1 3 摘 要 基于冲击地压理论研究和现场实践， 提出以应力控制为中心， 以单位应力梯度为表征的冲击 地压应力控制理论 ， 并采用相似模拟和数值模拟分析 了原岩应力、 构造应力、 采动应 力对冲击地压发 生诱发机制， 从应力控制的角度对冲击地压防治进行现场实践。研 究结果表 明 断层的构造应力是导 致冲击地压发生的主要原因； 受邻近采 区残余应力的影响， 采动应 力也会诱发掘 进巷道发生冲击地 压 。超前深孔顶板预裂爆破和开切 眼贯通动态应力控制技术应用于防冲 实践 中， 验证 了应 力控制理 论 的有效 性 。 关键词 冲击地压 ； 应 力控制理论 ； 单位应力梯度 ； 相似模拟 中图分类号 T D 3 2 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 3 0 6 - 0 0 0 1 - 0 5 Th e o r y a n d Pr a c t i c e s o n S t r e s s Co n t r o l o f M i n e Pr e s s u r e Bu mp i n g Q I Q i n g x i n ’ ， L I X i a o -4 u ’ ， Z H A O S h a n k u n ’ 1 ． Mi a e S a f e t y B r a n c h， C h i n a C o a l R e s e a r c h I nst i t u t e ， 1 0 0 0 1 3 ， Chi n a ； 2 ． N a t i o n a l K e y L a b o fC o a l R e s o u r c e s H i g h E f fic i e n t Mi n i n g a n d C l e a n U t i l iz a t i o n ， C h ina C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i na Ab s t r a c t B a s e d o n t h e s t u d y a n d s i t e p r a c t i c e s o n the mi n e p r e s s u r e b u mp i n g t h e o r y， wi t h the s t r e s s c o n t r o l a s t h e c e n t e r a n d t h e u n i t s t r e s s g r a d i e nt a s t h e mi n e p r e s s u r e b u mp i n g s t r e s s c o n t r o l a n d p r e v e nti o n t h e o ry wa s p u t f o r wa r d， t h e s i mi l a r s i mu l a t i o n a n d t h e n u me ri c a l s i mu l a t i o n we r e a p p l i e d t o a n a l y z e the i n s i t u r o c k s t r e s s ， s t r u c t u r e s t r e s s a n d mi n i n g s t r e s s t o t h e i n d u c e d me c h a n i s m o f the mi n e p r e s s u r e b u mp i n g o c c u r r e d ． F r o m the v i e w o f t h e s t r e s s c o n t r o l ， s i t e p r a c t i c e s w e r e c o n d u c t e d o n the mi n e p r e s s u r e b u mp i n g p r e v e n t i o n a n d c o n t r o 1 ． T h e s t u d y r e s u l t s s h o w e d t h a t the s t r u c t u r e s t r e s s o f t h e f a u l t w o u l d b e t h e ma j o r c a u s e s t o m a k e t h e min e p r e s s u r e b u mp i n g o c c u rr e d ． A f - f e c t e d b y the r e s i d u al s t r e s s f r o m the n e i g h b o r mi n i n g b l o c k s ， the mi n i n g s t r e s s o f t h e c o al a l s o w o u l d c a u s e mi n e p r e s s u r e b u mp i n g in the mi n e r o a d w a y ． I n t h e mi n e p r e s s u r e b u mp i n g p r e v e n ti o n p r a c t i c e s w i t h the a d v a n c e r o o f p r e f r a c t u r i n g Ma s t i n g wi t h d e e p b o r e h o l e a n d the d y n a mi c s t r e s s c o ntr o l w h e n t h e o p e n o ff c u t wa s c u t t h r o u g h， t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e s t r e s s c o ntr o l t h e o r y wa s p r o v e d ． Ke y wor d smi ne p r e s s u r e b umpi ng； s t r e s s c o n t r o l t he o r y； u ni t s t r e s s gra di e nt ； s i mi l a r s i mu l a t i o n 收稿 15 1 期 2 0 1 3 0 3 1 5 ； 责任编辑 杨正凯 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 资助项目 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 6 ， 2 0 1 1 C B 2 0 1 2 0 6 ； 国家自然科学基金资助项 目 5 1 1 7 4 1 1 2 作者简介 齐庆新 1 9 6 4 一 ， 男， 吉林九台人， 满族， 研究员， 博士生导师， 博士， 现任煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院院长。 引用格式 齐庆新， 李晓璐， 赵善坤． 煤矿冲击地压应力控制理论与实践[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 3 ， 4 1 6 卜5 ． 2 0 1 3 年第6 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 0 引 言 目前我国部分煤矿进入深部开采范 围， 煤矿 冲 击地压发生频率 、 强度及区域都在逐年增加 ， 造成的 人员伤亡与经济损失也 日益严重。针对冲击地压预 测和防治技术的基础 ， 多年来各 国学者从不 同的角 度对冲击地压理论进行了研究， 其中最具代表性的 理论有强度理论、 能量理论 、 冲击倾 向性理论和“ 三 准则” 理论 q j 。随着现代数学理论 的发展 ， 非线性 理论和分形理论也 被应用到冲击地压机理 的分析 。 有学者在总结试验结果和 冲击现场特征 的基础上 ， 认为冲击地压发生 的过程是煤岩地层受力的瞬间粘 滑过程， 并提出了“ 三因素” 理论 J 。总的来说， 我 国冲击地压机理等相关理论的研究才刚起步 卜 J ， 解决实际问题还需要做大量的工作。因此， 对于冲 击地压发生机理仍需开展深入的研究工作 。基于多 年冲击地压理论研究 和现场实践工作 ， 笔者提 出冲 击地压应力控制理 论 ， 并采用相似模型试验和数值 模拟研究， 分析了原岩应力、 构造应力、 采动应力对 冲击地压的诱发机制 ， 尝试从应力控制 的角度对冲 击地压进行监测预报和有效 防治 ， 为冲击地压 的理 论研究 、 监测预报和防治解危提供新 的方向。 1 冲击地压应力控 制理论 大量的现场监测与实验室试验研究表明 ， 引起 冲击地压发生的因素主要可以归纳为以下 3个方 面 ①煤岩冲击倾 向特性 ， 即煤岩固有的冲击破坏的 性质和能力 ， 是冲击地压发生的内在因素 ； ②煤岩体 结构特性 ， 指煤层在形成过程 中的软弱夹层 、 断层或 褶皱等地质构造， 一般无法量化和人为改变， 亦属内 在因素； ③煤岩体所受应力， 是影响冲击地压是否发 生的关键因素。无论是哪种类型的冲击地压现象， 均是应力作用导致煤岩体突然破坏的结果， 只是应 力的来源、 大小和表现形式等要素不同而已 。 具有冲击倾向性的煤岩体， 受构造应力的影响 内部积聚了一定的原始应力 ， 煤层开采引起采场应 力的重新分布并在局部形成高应力集中， 此时处于 非稳定动态平衡状态的煤岩体在外界扰动应力的作 用下就会诱发冲击地压的发生 。由此可见， 冲击 地压问题实质上就是煤岩体 的应力 问题 ， 控制冲击 地压灾害的发生， 实质上就是改变煤岩体的应力状 态或控制高应力区的出现， 以保证煤岩体不足以发 2 生失稳破坏或非稳定破坏。煤岩体的应力包括原岩 应力和采动应力 ， 其中原岩应力不可控 ， 而采动应力 是可以控制的。作为时间与空问的函数 ， 采动应力 的大小 、 方向和分布位置直接地、 动态地影响着煤岩 体的稳定状态， 并可通过监测煤岩体的相对应力来 获得 。然而 ， 由于冲击地压 的发生位置与冲击启动 位置通常并不重合 ， 使得一个 点的相对应力变化无 法判断冲击危险性 和冲击危险区域 。为此 ， 提出了 单位应力梯度 A o - 的概念 ， 表征不同时刻每个点的 相对应力的变化量 ， 即 A o - 一 ／ t 2一t 1 1 其 中， 、 ， 分别为 t 1 和 t 时刻 n点位置煤 体的相对应力， M P a 。通过比较单位应力梯度 △ 的变化 ， 可以评价冲击危 险性和冲击危 险区域。因 此 ， 冲击地压的监测预报与防治解危应 以煤岩体 的 应力状态分析为基础 ， 以控制应力为中心 。一方 面 在煤岩体未形成高应力集 中或不具 有 冲击危 险之 前， 通过区域应力协调转移等措施避免煤岩体形成 高应力集中； 另一方面在已经形成高应力集中或冲 击危险区域 ， 通过应力释放和转移措施使煤岩体的 应力集中程度降低 ， 尤其是降低采动过程 中的单位 应力梯度， 破坏冲击地压发生的应力条件， 达到降低 或者防治冲击的 目的。 2应力控制下的冲击地压发生机理 1 构造应力诱发冲击地压。2 0 1 1年 1 1 月 3 日， 河南义马煤业 集团公 司千秋煤矿 2 1 2 2 1回风巷 掘进时发生 1 起冲击地压事故 ， 地面震感强烈 ， 事故 发生地点位于 F 1 6断层构造带附近， 构造应力影响 显著 。根据千秋煤矿煤岩层地质条件 ， 模拟煤岩层 物理力学参数见表 1 ， 运用 3 D E C建立基于连续体的 离散单元二维数值模型 ， 如图 1 a 所示。 表 1 模型各层的岩石物理力学参数 工作面推进过程 中围岩 的位移变化 如 图 2所 示 。此外 ， 还采用相似模拟试验研究 了工作面过断 齐庆新等 煤矿冲击地压应力控制理论与实践 2 0 1 3年第 6期 8所示 。由图 8 可知 ， 能量主要为 1 0 ～1 0 J ， 多为小 煤炮事件 ， 说明上下开切眼煤岩体 的高应力得到有 效控制。 4结 论 1 冲击地压导致 煤岩体突然破坏 是高应力作 用的结果 ， 应力控制理论的核心是控制煤岩体 的应 力分布状态和单位应力梯度。 2 现场实践、 数值模拟和相似模拟研究表明 冲击地压 的发生是 由于应力 的变化所引起 的， 即冲 击地压的防治是可以通过控制应力来实现的。 3 断层 的构造应 力会造成煤岩体 的应力分布 集 中和单位应力梯度 明显增加 ， 动应力 比远大于临 界值， 是导致冲击地压发生的主要原因； 受邻近采区 残余应力 的影响 ， 巷道掘进过程 中， 采场应力分布的 不均匀 ， 通常也会诱发掘进巷道冲击地压 。 4 在超前深孔顶 板预裂爆破和开 切眼贯通动 态应力控制的防冲实践 中， 验证 了可通过应力控制 理论来实现冲击地压的有效防治。 参考文献 [ 2 ] Co o k N G W ， Ho c k E， Pr e t o r i u s J P G， e t a 1 ． Ro c k Me c ha n i c s Ap- p l i e d t o t h e S t u d y o f R o c k B u r s t s [ J ] ．J o u rna l o f t h e S o u t h A f r i c a n I n s t it u t e o f Mi n i n g and Me t a l l u r g y ， 1 9 6 5 6 6 4 3 5 5 2 8 ． 佩图霍夫 ． 冲击地压和突出的力学计算方法[ M] ． 段克信， 译． 北京 煤炭 工业 出版社 ， 1 9 9 4 1 0 1 0 0 ． [ 3 ] B i e n i a w s k i Z T ， D e n k h a u s H G， V o g l e r U W． F a i l u r e of F r a c t u r e R o c k J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f R o c k Me e h a n i c s and Mi n i n g S c i ． e n c e s ， 1 9 6 9 6 3 2 3 3 4 1 ． [ 4] S a l a l la o n M D G， Wa g n e r H． R u l e o f S t a b i l i z i n g P i l l a r s i n t h e A l l e v i ． a t i o n of R o c k b u mt Ha z a r d i n D e e p Min e s [ J ] ． I n t C o n g r ‘ R o c k Me c h， Mo n t r e al， 1 9 7 9 2 5 6 1 5 6 6 ． [ 5 ] 李玉生 ．冲击地 压机 理及 其初 步应 用 [ J ] ． 中国矿业 学 院学 报 ， 1 9 8 5 3 4 卜4 3 ． [ 6 ] 齐庆新 ， 史元伟 ， 刘天泉 ．冲击地压粘 滑失稳机理 的实验研 究 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 1 9 9 7 ， 2 2 2 1 4 4 1 4 7 ． [ 7 ] 潘一山 ． 冲击地压发生和破坏过程研究[ D ] ． 北京 清华大学， 1 9 9 9 2 5 5 0 ． [ 8 ] 潘立友 ， 蒋 宇静 ， 李 兴伟 ， 等 ．煤 层 冲击 地压 的扩容理 论 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 s 1 2 3 0 1 2 3 0 3 ． [ 9] 窦林名 ， 陆菜平 ， 牟 宗龙 ， 等 ．冲击矿 压 的强 度弱化 减冲理论 及其应用 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 5 ， 3 0 5 6 9 0 6 9 4 ． [ 1 O ] 姜耀东 ， 赵毅鑫 ， 刘文 岗， 等 ．深采煤层 巷道 平动式冲击失稳 三维模 型 研 究 [ J ] ． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 6 4 -2 8 6 9 ． [ 1 1 ] 赵毅鑫 ， 姜耀东 ， 田素鹏 ．冲击地压 形成过 程 中能量耗散 特 征研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 2 1 9 7 9 1 9 8 2 ． [ 1 2 ] 姜福兴， 刘金海， 王平 ． 基于 D r u k e r P r a g e r 准则的煤层冲 击失稳模 型[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 5 7 2 7 7 2 9 ． [ 1 3 ] 齐庆新 ， 李宏艳 ， 潘俊锋 ， 等． 冲击矿压 防治 的应力控制理论 与 实践 [ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 1 1 ， 1 6 3 1 1 4 1 1 8 ． [ 1 4 ] 毛 仲玉 ， 齐庆新． 新 汶矿 区深部开采 冲击地压成 因及治理技术 [ R] ． 北京 煤炭科学研究 总院， 2 0 0 6 1 0 2 0 0 ． 上接第 1 0 7页 煤样中部分孔隙被石英及黏土矿物充填， 导致其总 孔容变小 ， 孔径分布不连续 ， 该区在垂 向上各煤层孔 径大小和孔 隙的连通性不发生明显变化。 参考文献 姚艳斌 ， 刘大锰 ， 黄文 辉 ， 等． 两淮 煤 田煤储层 孔一 裂 隙 系统与 煤层气产出性能研究[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 6 ， 3 1 2 1 6 3 - 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