本科毕业设计煤矿矿井深部开采冲击地压的分析研究与治理Word格式.docx
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冲击地压发生的必要条件是煤层中能积聚较多的弹性能，所以强度高、弹性大、脆性大是冲击危险煤层的基本特征。
煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。
2106工作面煤岩组合试样的单轴抗压强度（煤的平均值为26MPa，老顶的平均值为122MPa），动态破坏时间（平均48ms），冲击能量指数（平均5.51），弹性能量指数（平均2.07）。
2103工作面煤岩的物理力学特性可以参考2106工作面测试结果。
4.构造影响
地质构造，特别是断层构造也是影响冲击矿压发生的重要因素之一。
实践证明，冲击矿压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区，断层附近，煤层倾角变化带，煤层皱曲，构造应力带。
当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击矿压发生的次数明显上升，而且强度加大。
例如在龙风矿50次冲击矿压中，36次（72%）与断层有关，62%是巷道接近断层时发生的，14%是巷道处于断层线附近，而只有10%是在巷道离开断层时发生的，其中34%发生在巷道距断层5~20m范围内的。
图1-2为冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系。
图1-2冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系
2103工作面地质构造复杂，煤岩层总体为一向SE倾斜的单斜构造。
南临F8与F5-3交叉断层，预计区内断层构造发育。
根据三维地震勘探，皮带顺槽在掘进过程中会遇到3条断层，轨道顺槽会遇到2条断层。
这些给2103工作面的安全生产带来了隐患。
工作面地质构造变化区，断层附近是防冲的重点区域。
5.开采因素的影响
冲击矿压的影响因素除了地质因素以外，开采条件和生产技术条件也是很重要的影响因素。
若由于采区内工作面的接替顺序、停采线位置、相邻区段留设煤柱尺寸等因素安排
不当，将导致煤岩体应力高度集中，最易发生冲击矿压。
2103工作面南为F8断层与已回采完毕的2102工作面，北临已回采完毕的2105工作面，尤其是2103皮带巷为沿空掘巷，受相临2105工作面采空区残余支承压力的影响，在本工作面顶板和煤体内已贮存大量的弹性能，冲击危险就很大，这样的工作面布置和接替顺序很容易导致煤岩体应力高度集中，加大了冲击矿压发生的几率。
此外，回采工作面和采空区的大小对强矿压的影响是非常大的。
对于条带式开采来说，由于两边都是实体煤，开始，顶板处于四周固体状态。
当顶板初次断裂后形成三边固支状态，这种状态下，工作面的压力是最小的，强矿压危险性也是最小的。
根据岩层移动理论，当采空区的宽度之和一般小于0.4倍的开采深度时，岩层的运动还没有完全影响到地表。
2105工作面的长度为110m，开采深度在1050m左右。
由此可知，当2105工作面开采后，其采空区的宽度为0.1倍左右的开采深度，岩层移动未达到地表。
2103工作面的长度为110m，其采空区的宽度也只有0.1倍左右的开采深度，岩层移动也未达到地表。
当2103工作面开采后，工作面周围岩体内的应力逐步增加，对2103工作面形成动压影响。
1.2冲击矿压特征及分类
通常情况下，冲击矿压将直接产生：
1.将煤岩抛向巷道；
2.引起岩体的强烈震动；
3.产生剧烈声响；
4.造成岩体的破断和裂缝扩展。
因此，冲击矿压具有如下明显的显现特征：
1.突发性。
发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间为几秒到几十秒。
2.一般表现为煤爆（煤壁爆裂、小块抛射）。
浅部冲击（发生在煤壁2m～6m范围内，破坏性大）和深部冲击（发生在煤体深处，声如闷雷，破坏程度不同）。
最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生了岩爆。
在煤层冲击中，多数表现为煤块抛出，少数为数十平方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波。
3.具有破坏性。
往往造成煤壁片帮、顶板下沉、底鼓、支架折损、巷道堵塞、人员伤亡。
4.具有复杂性。
在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深从200m～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等，都发生过冲击矿压；
在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面，不论水采、炮采、普采或是综采，采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法，是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采，都发生过冲击矿压。
只是无煤柱长壁开采法冲击次数较少。
1.2.1冲击矿压的分类
冲击矿压可根据应力状态、显现强度和发生的不同地点和位置进行分类。
1.根据原岩（煤）体的应力状态分类
（1）重力应力型冲击矿压。
主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击矿压。
如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击矿压。
（2）构造应力型冲击矿压。
主要受构造应力（构造应力远远超过岩层自重应力）的作用引起的冲击矿压，如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击矿压。
（3）中间型或重力～构造型冲击矿压。
主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击矿压。
2.根据冲击的显现强度分类
（1）弹射。
一些单个碎块从处于高应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。
（2）矿震。
它是煤、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤、岩并不向已采空间抛出，只有片带或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。
较弱的矿震称为微震，也称为煤炮。
（3）弱冲击。
煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏；
围岩产生震动，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响；
产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。
（4）强冲击。
部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。
3.根据震级强度和抛出的煤量分类
（1）轻微冲击：
抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压。
（2）中等冲击：
抛出煤量在10t～50t以下，震级在1级～2级的冲击矿压。
（3）强烈冲击：
抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。
2工作面开采方案设计
2.1冲击矿压煤层的设计原则
2.1.1工作面参数的选择
1.相邻工作面护巷煤柱宽度的确定
从防冲击矿压的角度来讲，煤柱越窄对防冲击矿压越有利，因为窄煤柱中的煤体几乎会全部被“压酥”，其内部不存在冲击核，也就不会存储大量的弹性能，所以发生冲击矿压的危险性就小。
图2-1到图2-5是不同煤柱宽度时煤柱内和煤体内的垂直应力数值模拟结果。
图2-1护巷煤柱为4m时垂直应力分布
图2-2护巷煤柱为10m时垂直应力分布
图2-3护巷煤柱为20m时垂直应力分布
图2-4不同宽度护巷煤柱中垂直应力分布
图2-5不同宽度煤柱中最大垂直应力分布
从上面的数值模拟结果可以看出，随着护巷煤柱宽度的增大，煤柱中的最大垂直应力也由小变大，然后再变小。
也就是当煤柱宽度小于10m时，最大垂直应力较小，而当煤柱宽度在10～15m时，煤柱中的最大垂直应力相对较大，随着煤柱宽度的继续增大，煤柱中的最大垂直应力又将减小。
而且煤柱宽度的增大，引起巷道附近煤体中的应力集中程度也增加。
煤体中产生的最大垂直应力的分布和煤柱中的最大垂直应力分布类似。
由此可见，留设3～5m宽的护巷煤柱时是较容易维护的，同时也可以节省煤炭资源。
从防冲的角度来讲，煤柱越窄对防冲越有利，因为窄煤柱中的煤体几乎会全部被“压酥”，其内部不存在冲击核，也就不会存储大量的弹性能，所以发生强矿压的危险性就小。
2.工作面长度
研究表明，回采工作面和采空区的大小对冲击矿压的影响是非常大的。
对于一个新采区的第一个工作面来说，由于两边都是实体煤，开始，顶板处于四周固支状态。
当顶板初次断裂后形成三边固支状态，这种状态下，工作面的压力是最小的，冲击矿压危险性也是最小的。
对于同一采区的第二、第三工作面，当采空区的宽度之和还没有完全影响到地表时。
根据岩层移动理论，此时，当采空区的宽度之和S一般小于0.4倍的开采深度，即：
S<
0.4H（2-1）
此时，工作面周围岩体内的应力逐步增加。
当采空区的宽度之和达到了完全影响地表的程度，即
S＝0.4H（2-2）
此时，由于上覆岩层的充分移动，在煤系地层中，震动释放的能量是最大的，即冲击矿压的危险性是最大的。
当回采工作面继续开采，采空区继续增加时，即
S>
0.4H（2-3）
在这种情况下，由于上覆岩层的移动处于平衡状态，煤层中释放的震动能量将处于某一水平。
从上述分析可知，工作面长度对冲击矿压危险程度的影响主要是在采空区宽度为S>
0.4H时的条件下。
此时，回采工作面的一边为采空区，另一边为实体煤。
从工作面边缘到采空区形成一个直角，在这部分煤体上，因工作面前方移动应力集中区和采空区边缘煤体上的应力集中相互叠加，形成很高的应力集中现象。
而且在工作面推进过程中，这种现象一直存在。
由上述分析可知，对于不同的工作面，不同开采时间和不同位置，其对冲击矿压危险性的影响是不一样的。
因此，对于某一工作面，经具体分析和具体考虑。
图2-6煤层中应力集中系数与工作面长度之间的关系
3.采高
因顶板坚硬岩层引起的顶板冲击，则与该岩层的厚度、强度、距煤层的
距离以及煤层采高等有关。
采高的增加，将使顶板的坚固性下降，该层顶板引起的震动强度将会降低。
如果降低采高不能保证坚硬顶板不断裂运动，则可使顶板的坚固性增加，在其破断时，将会释放更大的能量。
在这种情况下，降低采高是无益的，除非保证坚硬顶板岩层不发生断裂破坏。
4.推进速度
大量的研究表明，回采工作面的推进速度与低能量的矿山震动之间存在着明显的关系，即工作面的推进速度越快，产生的矿山震动就越多。
而对于冲击矿压，波兰的研究结果是：
顶板冲击矿压危险性与工作面开采过程中，发生的最大震动事件成正比。
统计表明，当回采工作面推进速度为匀速时，冲击矿压发生的次数最少。
但是，由于开采技术条件的不同，地质构造条件的不同，防治冲击矿压发生的最有利的推进速度也不同，需要根据具体条件而定。
回采工作面匀速推进对防治冲击矿压的发生是有利的。
工作面停采以后的恢复生产时期，推进速度突然加速等均有可能引发冲击矿压。
图2-7为某矿在工作面推进过程中释放能量的大小与工作面推进之间的关系，图中表明了该矿工作面在停采两周前，停采两周期间及停采两周后释放的能量的大小。
由图可见，停采两周后释放的能量比停采两周前的要大6倍。
而产量和震动数量基本一样。
图2-7释放能量大小与工作面推进速度之间的关系
5.冲击矿压煤层的布置原则
有冲击矿压危险的煤层进行开采设计时，如何设计及工作面的布置对于冲击矿压的防治是一个非常重要的问题。
限制冲击矿压危险增加的最有基本
的原则是少掘巷道，而且主要的巷道尽量布置在岩石之中。
其次，才是考虑成本的问题。
与水力采煤，水砂充填等开采系统相比，长壁旱采工作面对于防止冲击矿压的发生是最有利的。
对于具体的开采条件，在煤层布置及开采系统选择时，应尽可能选择采干净煤层的方式，不留任何煤柱及残采区。
对于保护煤柱，在开采过程中就应回收干净。
因为煤柱上的应力集中现象随煤柱的存在而一直存在，不随时间变化。
因此，最有利的布置方式是无煤
柱开采，不留任何回采煤柱。
对于邻近层停采线的影响，布置巷道时，巷道应与其垂直，或将巷道布置在停采线影响范围之外。
研究和实践均证明，回采工作面接近老巷或采空区时，冲击矿压危险将会大幅度上升。
当工作面接近与之平行或几乎平行的老巷时，其间煤柱上的应力将会叠加，产生较大的应力集中现象。
这种情况下，工作面接近这条巷道时，不仅使这条巷道，而且也使推进工作面的冲击危险性大幅度上升。
因此，在煤层开采设计时，要尽量避免形成这种局面。
如果必须在工作面通过的区域掘进这样的巷道时，也应该使巷道与工作面之间的夹角大于15°
。
6.煤层的开采顺序及开采方向
对于煤层群开采，其正确的开采顺序与煤层冲击倾向性，煤层群的解放层开采等紧密相关。
第一个开采的煤层应该是能够卸压的煤层，而且没有煤的冲击倾向性或为弱冲击倾向性。
其次，在开采解放层时，应考虑煤层之间的间距、顶底板岩性，采空区处理方式等。
因为这些决定着解放层的卸压方式和卸压程度。
图2-8为残采区影响范围内，最大垂直应力分布图，而图2-9则为解放层的影响范围关系图。
图2-8残采区影响范围内最大垂直应力分布图
图2-9解放层的影响范围关系图
在开采具有冲击倾向性的厚煤层时，最好是沿顶板采用垮落法先采第一分层，该分层对于其它分层来说，起解放层的作用。
煤层的开采方向应根据具体的开采布置及设计来确定。
但有一条，在同一开采区域，工作面应向同一方向推进。
同样，对两个矿井相邻的两个采区，其推进方向也应一致。
煤层开采时，应禁止留下残采区和孤岛煤柱，统一规划采区。
区段工作面的开采采用或者是从上到下，或者是从下到上的一个方向进行。
对于向斜轴部，区段的开采应从轴部最低的部分向上推进。
2.2冲击矿压危险程度分析
2.2.1综合指数方法简介
综合指数法就是在分析已发生的冲击矿压现象，并分离出相应的开采地质对冲击矿压发生的影响程度，在此基础上，确定各种因素的影响权重，然后将其综合起来，就可以建立冲击矿压危险性评价和预测的综合指数法。
冲击矿压危险状态是随着采矿地质条件在空间和时间上发生变化的，其危险状态是由下列因素决定的：
1.岩体应力。
是由于采深、构造及开采历史造成的，其中残留煤柱和停采线上的应力集中将长期作用，而采空区卸压在一定时间后会消失。
2.岩体特性。
特别是形成高能量震动的倾向。
这主要来自厚层、高强度的顶板岩层。
减小顶板岩层的强度，增加岩层的分层数目，特别是多次分层开采可限制大震动的发生。
3.煤层特征。
主要是在超过某个压力标准值时的动力破坏倾向性。
对于所有的煤层来说，条件满足时，都会发生冲击。
但对于弱冲击煤层来说，所要求的压力值要远远大于具有冲击倾向性的煤层。
因此，通过对煤岩体的自然条件，特征及开采历史的认识，可近似确定冲击矿压的危险状态及等级。
根据冲击矿压发生的原因，冲击矿压的预测预报、危险性评价及冲击矿压的治理，通过统计、模糊数学等的分析研究，对冲击矿压的危险程度按评定其等级的综合指数法可定量化分为五级。
下面作一简要说明并提出有关对策：
⑴无冲击危险
冲击矿压危险状态综合指数Wt<
0.25。
所有的采矿工作可按作业规程进行。
⑵弱冲击危险
冲击矿压危险状态综合指数Wt=0.25～0.5。
①所有的采矿工作可按作业规程进行。
②作业中加强冲击矿压危险状态的观察。
⑶中等冲击危险
冲击矿压危险状态综合指数Wt=0.5～0.75。
下一步的采矿工作应与该危险状态下的冲击矿压防治措施一起进行，且通过预测预报确定冲击矿压危险程度不再上升。
⑷强冲击危险
冲击矿压危险状态综合指数Wt=0.75～0.95。
①应当停止采矿作业，不必要的人员撤离危险地点。
②矿主管领导确定控制冲击矿压危险的方法及措施，以及控制措施的检查方法，确定参加防治措施的人员。
冲击矿压危险状态等级评定综合指数Wt>
0.95。
应根据专家的意见采取特殊条件下的综合措施及方法。
采取措施后，通过专家鉴定，方可进行下一步的作业。
如冲击矿压的危险程度没有降低，则停止进行采矿作业，该区域禁止人员通行。
Wt为某采掘工作面的冲击矿压危险状态等级评定综合指数，以此可以圈定冲击矿压危险程度；
Wt1为地质因素对冲击矿压的影响程度及冲击矿压危险状态等级评定的指数；
Wt2为采矿技术因素对冲击矿压的影响程度及冲击矿压危险状态等级评定的指数。
冲击矿压危险等级
冲击矿压危险状态
冲击矿压危险指数
A
无冲击危险
<
0.25
B
弱冲击危险
0.25～0.5
C
中等冲击危险
0.5～0.75
D
强冲击危险
0.75～0.95
E
不安全
>
0.95
表2-1冲击矿压危险状态的分级
表2-2为2103工作面各采矿地质因素对冲击矿压危险程度的影响。
表2-22103工作面采矿地质条件确定冲击矿压危险等级
序号
因素
冲击矿压危险状态影响因素
Wi
1
W1
该煤层多次发生过冲击矿压
3
2
W2
开采深度为>
700m
W3
主关键层距离煤层<
50m
4
W4
开采区域内构造应力集中
5
W5
顶板岩层厚度特征参数Lst>
50
6
W6
煤的抗压强度Rc>
16MPa
7
W7
煤的冲击能量指数WET>
8
Wt1=∑Wi/∑Wimax
0.89
由表2-2可知，通过分析方法，2103工作面回采期间冲击矿压危险指数Wt=0.89，属于强冲击危险。
3冲击地压监测预报
3.1检测系统
结合该矿井具体地质条件、开采技术条件以及矿压显现结果，综合分析，加强监测。
主要采用微震法、电磁辐射法和钻屑法等综合方法进行。
3.1.1微震法
微震法就是记录采矿震动的能量，确定和分析震动的方向，对震中进行定位。
在此基础上，提出了冲击矿压危险性的微震分级预测技术。
微震预测冲击矿压危险时，主要采用矿震时释放能量的大小来确定冲击矿压发生的危险程度。
当矿井的某个区域监测到矿震释放的能量大于发生冲击矿压的所需的最小能量时，则该区域的当前时间内有发生冲击矿压的危险性。
如果在矿井的某个区域内，在一定的时间内，已进行了微震监测，根据观测到的微震能量水平，就可以捕捉到冲击矿压危险信息，并进行预测。
3.2.2电磁辐射法
由工作人员随时带电磁辐射仪器（KBD5型）对工作面、巷道进行监测，以及时掌握工作面多点电磁辐射变化情况，一旦发现异常情况，及时处理。
监测采用定点监测和流动普查相结合的方法。
定点监测的覆盖范围为两巷自工作面起往外150m。
每隔10m布置一测点，测点位于巷道内帮，见图3-1所示。
电磁辐射的监测指标值：
可采用本矿井原确定的幅值和脉冲数的指标值。
监测区域和监测频次：
1.在工作面开始回采时，工作面两巷一天进行一次电磁辐射监测工作；
发现冲击危险增加时，加大监测频率；
2.当工作面推进到采空区的影响区域附近，顺槽周围，每班分别对两顺槽进行两次电磁辐射的监测工作；
3.电磁辐射监测过程中，发现异常，立刻进行钻屑法检测，发现冲击危险，立刻进行卸压处理。
电磁辐射监测应做好数据记录工作，包括：
1）电磁辐射测点布置图及开始实施日期；
2）测试人员要注意观测和记录机械影响情况，特别要记录清楚机电设备的开、停情况和距离；
3）测试人员要记录煤炮情况、顶板来压及顶板断裂情况。
图3-1电磁辐射监测图
3.2.3钻屑法
钻屑法监测作为点监测和检测的手段，并结合电磁辐射确定工作面的矿压危险状态。
当电磁辐射监测异常时，在信号异常区段及时进行钻屑法监测。
1.监测地点：
在电磁辐射监测信号异常地段，高冲击危险工作面及两帮。
在施工卸压爆破钻孔、煤层注水钻孔等时，同时也量测钻孔中的煤粉量，以确定和分析应力的大小和冲击危险的程度。
2.检测孔布置：
钻孔直径42～45mm，孔深8～10m，间距5m，孔距底板1.2m左右，单排布置，钻孔方向为平行与煤层，垂直巷帮，见图3-2、图3-3所示。
3.检测内容：
主要检测每米钻孔的钻屑量，单位升，另外还需记录卡钻、孔内冲击等情况。
图3-2钻孔布置纵剖面
图3-3钻孔布置横剖面
⑷实施方法：
用功率为1.2kW的手持煤电钻打测试钻孔，采用螺纹式联接的麻花钻杆，每节长1.0m，φ42mm的钻头，钻孔的深度为10m。
用胶结袋收集钻出的煤粉，用1升的容器称量煤粉的体积，每钻进1m测量1次钻屑量。
用专用表格记录打眼地点、时间、钻屑排出量，以及打眼过程中出现的钻杆跳动、卡钻、劈裂声和微冲击等动力现象。
⑸监测时间：
每两天测一次，如果煤粉量含量高，且支承压力峰值区距煤壁近，则改为每天测一次；
微震监测和电磁辐射监测异常时，进行钻屑法检测。
⑹危险指标：
临界钻粉量采用矿实际测定的指标。
如果检测到的煤粉量超过参考临界指标，或出现卡钻、吸钻、异响等动力现象，则煤体处于临界危险状态，必须立即采取解危措施。
4冲击矿压防治方案
根据以上阐述内容，特别针对大采深、孤岛工作面冲击矿压危险性分析情况，整体上均具有较强的冲击危险性，因此需要提前制定具有针对性的防冲方案。
根据煤矿现有的技术装备和防冲实践经验，将主要采取煤体卸压爆破、煤体注水、煤体大直径钻孔卸压、以及采取顶板爆破预裂等措施。
其中的煤体注水、煤体大直径钻孔卸压措施可以作为提前预防性防冲技术方案，煤体爆破和顶板爆破可作为即时解危方案。
4.1煤体注水
该方法是向实体煤层注水，通过压力水的物理化学作用，软化煤体，降低煤层的冲击倾向性，使高应力区向深部转移，将煤体内可以逆转的弹性能转化为不可逆转的塑性能，从而达到解危的目的，同时还可起到降尘的作用。
大量的研究表明，煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低，同样，煤的强度与冲击倾向性指数也随煤的湿度的增加而降低。
煤的冲击倾向性指数与煤的湿度增加（含水率）的关系可用下式表示：
（4-1）
式中：
－注水后煤层冲击倾向性指数；
－自然状态下煤层冲击倾向性指数；
－含水率;
－系数，不同的煤层系数也不相同。
煤层注水钻孔间距为10m，位置距巷道底板1.5m，钻孔平行于煤层倾斜方向施工，钻孔直径42mm，钻孔长度15～20m，以保证注水效果，钻孔封孔长度为10m。
煤层注水技术参数如下：
钻孔直径：
42mm
钻孔长度：
15-20m
封孔长度：
10m
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