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煤礦沖擊地壓的機理及未來的研究方向

發布日期:2019-09-26  瀏覽次數:182
 【摘要】本文主要講述了研究巖體系發生沖擊地壓理論方面的進展,沖擊地壓發生的主要因素和特點,探討了在沖擊機理方面研究的趨勢,并對國內外現今所采用的預測和防治措施進行了分析,并提出了防治的方法,展望了今后在預測預報工作和防治措施研究及實踐方面的發展方向。

  【關鍵詞】沖擊地壓,巖石力學,預測預報,強度,剛度,能量

  引言

  煤礦沖擊地壓往往造成采掘空間中支護設備的破壞以及采掘空間的變形,嚴重時造成人員傷亡和井巷的毀壞,甚至引起地表塌陷而造成局部地震。

  1對煤礦沖擊地壓災害及其理論研究現狀的評述

  1.1煤礦沖擊地壓災害評述。煤礦沖擊地壓和巖爆是一個世界性的災害現象。我國從1933~1996年的60多年間,全國共有36個礦井累計發生過4000余次破壞性的沖擊地壓,造成400多人死亡,200多人受重傷,破壞巷道20km之多,其經濟損失十分嚴重。

  1.2沖擊地壓理論研究現狀的評述。通過廣大科技工作者和研究人員的共同努力,已使我國對沖擊地壓機理和防治措施的研究有了較大的進展,對煤、巖體沖擊地壓和巖爆機理的研究,國內外曾提出了多種理論。

  2沖擊地壓發生的主要因素和特點

  2.1沖擊地壓的分類及顯現特性。煤礦沖擊地壓按產生沖擊地壓的力源劃分,沖擊地壓可分為動型、構造應力型和動構造應力并有的中間型三類按礦體變形破壞范圍的大小劃分,沖擊地壓可分為局部崩落和大面積爆發兩類按沖擊地壓發生的地點劃分,又可分為巷道沖擊地壓和工作面沖擊地壓。沖擊地壓的特征是煤壁拋射性塌落,頂板下沉或底板撇裂,板炮頻繁,煤體移動,彈性振動,設備震搬,煤塵飛揚,無明顯預兆突然爆發,伴有巨大響聲和地震,沖擊風波引起構筑物損壞,易于出現較大損失和傷亡。

  2.2發生沖擊地壓的地質及開采條件。各礦沖擊地壓的特點是煤質較堅硬,礦體圍巖厚而堅硬,開采深度較大采煤方法多數是沿傾斜推長壁、型、漏斗和房柱法等,少數是沿走向推進的長壁、短壁和刀柱法等采空區處理方法多數是垮落法和多水平分區開拓。

  2.3沖擊地壓發生的地點及影響范圍。沖擊地壓多發生在采煤工作面的材料道、地質構造帶,殘留島形或半島形煤柱、三面采空的孤立采面、支承壓力升高區內。在煤壁前方130m、煤壁后方40m、煤層下限60m的范圍內,是沖擊地壓多發地點。

  2.4沖擊地壓產生的因素。影響沖擊地壓發生的開采技術因素有采煤方法、采掘程序、頂板管理、煤柱大小、放炮等。

  2.5選取防治沖擊地壓措施的原則。在掌握沖擊地壓顯現特征,發生沖擊地壓條件的前提下,按照沖擊地壓發生的地點、影響范圍及沖擊地壓產生的原因,對癥下藥,采取有效措施,借以減緩或防止沖擊地壓。但是,不同地方用同一技術措施的做法和效果不盡相同。一般說來,選取防治沖擊地壓技術措施的原則有3條:

  2.5.1改變煤巖物理力學性質。目的在于減少煤巖彈性壓縮勢能的積聚,提高煤巖塑性變形能力,降低煤巖的脆性,減緩彈性能量的釋放速度。具體措施有向煤體內進行高壓注水,打卸壓鉆孔放震動炮開保護層等。

  2.5.2遙免或減少采掘空間圍宕內的應力集中。目的在于減輕沖擊地壓破壞程度,具體的措施有適當掌握采面開采強度,降低集中應力系數加大巷道斷面和支架可縮性,減少沖擊地壓所引起的巷道圍巖變形破壞加強巷道底板控制,減緩巷道底鼓嚴格執行放炮安全措施,防止放炮誘出沖擊地壓而危及人身安全。

  2.5.3加強礦壓觀測。提前預報有沖擊地壓危險的地段提前測出有沖擊地壓危險的地段,其方法有微震監測、地音監測、鉆屑煤粉法及巷道變形量的觀測等。

  3、對沖擊地壓理論研究的展望

  3.1由于沖擊地壓問題的復雜性,沖擊地壓發生機理的研究進展仍比較緩慢,人們對沖擊地壓理論的認識經歷了強度理論到剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論,近十年又創立了“三準則”理論和變形系統失穩理論。

  預測預報方法主要有:綜合指數法(危險程度分析與早期預報)、鉆屑法(局部監測方法)、微震法(區域性監測方法)、地音法即聲發射法(局部監測預報方法)、電磁輻射(局部監測預報方法)。

  3.2三準則”理論是對強度理論、剛度理論和能量理論的綜合;變形系統失穩理論是對強度、剛度和能量理論的更深入總結和發展,用這兩種理論可以對沖擊地壓發生的條件進行數值模擬,但“三準則”理論不具備可操作性,變形系統失穩理論在必要條件上還不夠具體;突變理論本質上也是對能量、強度和剛度理論的進一步發展,但對沖擊地壓發生的充要條件還解釋不夠;分形理論只是一種可預測性和相關性的研究尚未上升到機理上的認識;“三因素”理論不是獨立的理論,它是對沖擊傾向理論和能量理論的綜合與發展。

  3.3此外,煤巖體在外載荷作用下所發生的流變特性也是導致其發生破壞和形成沖擊動力現象的一個主要影響因素。實際上,煤礦井下層狀煤巖體受到集中應力的作用,在某一時期內,這種應力狀態是相對穩定的,使煤巖體發生穩定蠕變,不會導致其破壞和形成沖擊地壓。而在另一時期,由于受采掘活動的影響改變了煤巖體的受力狀態,使其發生非穩定或亞穩定蠕變,并經過一定時間的加速蠕變而失穩破壞形成沖擊地壓。因此,研究煤巖體發生的沖擊地壓也應當從煤巖體發生的流變特別是蠕變損傷這一角度來開展工作,況且國內外在這方面的研究并不多見。

  4、對國內外煤礦沖擊地壓防治措施及預測預報研究現狀的評述

  4.1沖擊地壓防治措施的基本原理。國內外學者共同的觀點認為要防治煤礦沖擊地壓和巖土工程中的巖爆,必須從改變煤巖體的應力狀態和它們本身的物理力學性質上著手。

  4.2沖擊地壓的防治措施。結合沖擊地壓發生的機理和防治措施的基本原理,國內外提出和實踐了眾多的防治煤巖體發生沖擊地壓和巖爆的措施。這些措施的實質就是利用各種技術途徑,人為地改變煤巖體中的應力狀態和其物理力學性質,進而達到防治沖擊發生或減少發生的次數及強度的目的。

  煤層注水是我國最早采用的措施之一。此外還采用了在煤體中開槽卸壓、誘導爆破和鉆孔卸壓等防治措施。目前國內外防治沖擊地壓的措施主要有煤巖體注水、鉆孔卸壓、深孔松動爆破、卸載誘導爆破、煤巖體掏槽卸壓、頂板預斷裂、巷道切槽卸壓、加固軟煤層、加強采掘支護、開采保護層、合理選擇開采方法和安排采掘設計及工藝進度等。

 
 
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