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煤和瓦斯突出则相反,瓦斯释放是第一位的因素,破坏较缓慢,震动也较弱,而煤岩抛出则是第二位的因素。
突出后大部分煤体破坏成碎煤,且具筛选性。
矿震是指由于开采活动引起的矿山岩层震动,它是巷道周围介质突然在一瞬间发生震动同时伴有巨声、冲击波、弹性回跳等作用而不发生煤、岩抛出的一种弹性能释放现象。
它是矿山岩层冲击式破坏的一种表现形式,因而有别于天然地震,其发生原因是多方面的。
冲击矿压、瓦斯突出、大冒顶等都可引起矿震,但多数是由于岩层的沉降运动引起的,它一般并不导致井巷工程的破坏。
岩爆是发生在岩巷、金属矿和地下隧洞中的冲击矿压。
一般表现为岩巷或隧道周一壁岩石成片状破裂,岩片向坑道内弹射,伴有“劈裂”声,顶板掉块,底板拱起,洞壁严重变形破坏、甚至大量岩石崩落。
二、冲击矿压的显现特征
冲击矿压发生如同装在煤岩里的大量炸药爆炸一样,煤和岩石突然被抛出,造成支架折损,片帮冒顶,巷道堵塞,伤及人员,并伴有巨大声响和岩体震动。
监测到的震动频率1Hz~1×
104Hz以上,最大震级3.8级以上,有时在几公里范围内的地面都能感觉到,形成大量煤尘和强烈的空气波。
在瓦斯煤层,往往还伴有大量瓦斯涌出。
冲击矿压发生前一般没有明显的宏观前兆。
相当多的冲击矿压是由爆破触发的,发生过程短暂,持续震动时间不超过几十秒。
在某些情况下,冲击的同时还发生底鼓和煤岩压入巷道等现象。
概括起来,我国煤矿冲击矿压的主要显现特征表现在以下几个方面:
(1)突发性:
冲击矿压发生前一般无明显前兆,冲击过程短暂,持续时间几秒到几十秒,难已事先准确确定发生的时间、地点的强度。
(2)多样性:
一般表现为煤爆(煤壁爆裂、小块抛射)、浅部冲击(发生在煤壁2~6m范围内,破坏性大)和深部冲击(发生在煤体深处,声如闷雷,但破坏程度不同)。
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)破坏性:
往往造成煤壁片帮、顶板可能有瞬间明显下沉,但一般并不冒落;
有时底板突然鼓起甚至接顶;
常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出,堵塞巷道,破坏支架;
从后果来看冲击矿压往往造成人员伤亡和巨大的生产损失。
(4)复杂性:
在自然地质条件上,除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象,采深从200~1000m,地质构造从简单到复杂,煤层从薄层到特厚层,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。
在生产技术条件上,不论水采、炮采、机采或是综采,全部垮落法或是水力充填法等各种采煤工艺,不论是长壁、短壁、房柱式或是煤柱支撑式,分层开采还是倒台阶开采等各种采煤方法都出现了冲击矿压,只有无煤柱长壁开采法冲击次数较少。
三、冲击矿压的分类
冲击矿压是一种复杂的矿山动力现象,其生成环境、发生地点、宏观和微观上的显现形态多种多样,以及它的显现强度和所造成的破坏程度相差很大。
有的冲击矿压影响范围仅几平方米或几十平方米,有的却波及范围很广,达几千平方米;
有的冲击矿压发生时测得的地震能量不足10J,仅相当于地震1级以下,有的则高达107J以上,相当于地震级3.9级;
有的震动波衰减很快,仅能传播1000~2000m;
有的冲击矿压震动持续不了几秒钟,有的却持续时间长达几十秒。
有的冲击矿压仅为煤体冲击,有的则顶底板参与冲击。
此外,由于冲击矿压发生机理存在不同的理论,提出各自不同的冲击矿压发生条件和判别准则。
客观上不同矿井的冲击矿压成因和特征也不同。
即使同一矿井,由于地质构造、开采条件和开采方法的差异,也使得冲击矿压的成因、性质、特征、震源部位和破坏程度不同。
综上所述,冲击矿压存在不同种类,不能用同一机理去解释不同冲击矿压的成因和现象,更不能用单一方法或措施去预测预报和防治冲击矿压。
因此要对冲击矿压进行分类,并且出现了多种分类方法。
目前主要的、最有价值的分类方法有以下几种:
(一)根据冲击矿压的物理特征,按发生原因分(分为三类)
1.压力型冲击矿压
其发生时,煤柱和岩石将产生爆炸式破坏,如同坚硬的岩样在试验机上加载至强度极限后发生爆炸式破坏一样。
2.突发型冲击矿压
其发生原因是突然加载。
是矿层上伏的厚而坚硬的老顶悬伸在矿柱上,先是夹紧矿柱并对它加载。
当达到一定跨度时发生折断和垮落,同时产生压力波,造成处于极限应力状态的矿柱发生瞬时破坏。
3.爆裂型冲击矿压
其发生原因是在直接顶上部或直接底板下部存在塑性夹层。
例如,在刚性岩层之间的粘土夹层,一旦条件适当被挤压出来,造成顶底板刚性岩层以冲击形式爆裂。
(二)根据冲击矿压的能量特征,按冲击时释放的地震能大小分(分五个等级,表1-1)。
表1-1按能量特征分类表
冲击矿压级别
地震能(J)
震中的地震烈度(级)
微冲击(射落、微震)
<10
<1
弱冲击
10~102
1~2
中等冲击
102~104
2~3.5
强烈冲击
104~107
3.5~5
灾害性冲击
>107
>5
1.微冲击
表现为小范围岩石抛出和矿体微震动,包括射落和微震。
射落是表面的局部破坏,表现为单个煤(岩)块弹出,并伴有射击的声响。
微震是母体深部不产生粉碎和抛出的局部破坏,常伴有声响和岩体微震动。
2.弱冲击
少量煤(岩)抛出的局部破坏,伴有明显的声响和地震效应,但不造成严重损害。
3.中等冲击
急剧的脆性破坏,抛出大量岩石,形成气浪,造成几米长的巷道支架损坏和垮落,推移或损坏机电设备。
4.强烈冲击
使长达几十米的巷道支架破坏的垮落,损坏机电设备,需要大量的修复工作。
5.灾害性冲击
使整个采区或一个水平内的巷道发生垮落。
个别情况下波及全矿,造成整个矿井报废。
(三)根据参与冲击的岩体类别分(分为二类)
1.煤层冲击(煤爆)
产生于煤体—围岩力学系统中的冲击矿压,是煤矿冲击矿压的主要显现形式。
2.岩层冲击(岩爆)
高强度脆性岩石瞬间释放弹性能,岩块从母体急剧、猛烈地抛出。
对煤矿,是顶底板岩层内弹性能的突然释放,又称围岩冲击。
按冲击位置又分顶板冲击和底板冲击。
顶板冲击按显现形式又可分成典型的顶板冲击和致密顶板岩层突然折断形成的冲击矿压,后者往往伴生强烈的煤层冲击与底板冲击。
(四)根据煤岩体应力来源及加载方式分(分为四种类型)
1.重力型
主要受重力作用,没有或只有少量构造应力的影响而引起的冲击矿压。
2.构造型
主要受构造应力作用引起的冲击矿压。
3.震动型
煤岩体受震动载荷而产生的冲击矿压,它与重力型冲击矿压的区别在于载荷的类型为脉冲式动载,载荷方向与震动波的传播形式和途径有关。
4.综合型
受几种载荷共同作用而引起的冲击矿压。
(五)根据显现强度及其对煤和岩层、支架、设备的破坏程度分(分为四类)
1.弹射
单个碎块从煤岩体表面弹射出来,并伴有强烈的声响。
2.煤炮(深部冲击)
深部的煤岩体发生破坏,但煤或岩石不向已采空间内抛出,只有片帮或散落现象,岩体震动,伴有声响,有时产生煤尘。
3.微冲击
煤或岩石向已采空间抛出,但对支架和设备无损害,围岩震动,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
图1-1按显现地点的冲击矿压分类
部分煤或岩体急剧破坏,大量的煤或岩石向已采空间抛出,出现支架折损、设备移动和围岩强烈震动,伴有巨大声响,形成大量煤尘。
强冲击按显现地点分为以下七类:
①在连续煤体中(图1-1a);
②在被巷道切割的煤柱中(图1-1b);
③在被巷道从煤体分离出来的煤柱中(图1-1c);
④在煤层边缘部分(图1-1d);
⑤在掘进的煤层巷道中(图1-1e);
⑥在有底板或顶板破坏的巷道中(图1-1f);
⑦在掘进的岩层巷道中。
这种分类方法便于分析支承压力的分布情况,有利于制定防治措施。
(六)我国冲击矿压的分类
我国目前使用的分类方法是煤炭工业部于1983年9月颁布的《冲击矿压煤层安全开采暂行规定》中公布的我国煤矿冲击矿压统计分类方法。
该分类法采用了世界上流行的,在我国得到公认的两类分类指标。
即:
1.根据冲击矿压的破坏后果分(分为三类)
1)一般性冲击矿压。
对生产的破坏后果轻微,不需要进行修复。
此类包括地震台记录到但未能定位的各种冲击、震动现象。
由矿井冲击矿压防治组填写Ⅱ类记录卡。
2)破坏性冲击矿压。
对生产造成一定的破坏,需进行修复工作。
此类冲击矿压包括井下实际发生并已观测到的,达到各矿自定的破坏性标准的冲击矿压。
由矿井冲击矿压防治组负责进行现场调查,填写Ⅰ类记录卡。
3)冲击矿压事故。
由于冲击矿压及其伴随现象(冒顶、瓦斯突出等)造成的人员伤亡事故,或由于井巷或采场被破坏造成中断工作8h以上的冲击矿压。
此类冲击矿压由矿井总工程师负责组织现场调查,填报I类记录卡,写出事故调查报告。
2.根据地震仪或微震监测系统观测记录确定的冲击矿压显现强度,按里氏地震级分(分6级,表1-2)
表1-2按显现强度分类
等级
1
2
3
4
5
6
里氏地震级
0.5~1.0
1.1~1.5
1.6~2.0
2.1~2.5
2.6~3.0
≥3.0
第二节冲击矿压的历史及现状
一、国内冲击矿压历史及现状
我国最早记录的冲击矿压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿,当时的开采深度为200m左右。
50年代以前只有两个矿井发生了冲击矿压。
50年代增加到7个,60年代为12个,70年代达到22个,进入80年代以后,猛增到50多个。
从1949年以来,已发生破坏性冲击矿压2000多次,震级ML=0.5~3.8级,造成惨重的人员伤亡,破坏巷道约20km,停产1300多天。
近年来,我国一些金属矿山、水电与铁路隧道工程也出现了岩爆现象。
以下是我国典型冲击矿压矿区的情况。
(一)北京矿务局
冲击矿压在北京矿务局属于全局性问题,10个生产矿井中,有5个矿井和1个坑口受到冲击矿压的威胁。
门头沟煤矿是我国冲击矿压最严重的矿井之一。
该矿开采侏罗纪无烟煤,属低瓦斯矿井,可采煤层有一、二、五、七槽四层,层间距80~100m,厚度一般0.7~3.5m。
各煤层顶板均为高强度的石英砂岩,平均厚度10~30m。
煤层倾角由缓至急,在缓倾斜煤层中主要采用单一走向长壁刀柱采煤法,沿走向每推进35~40m留一刀柱,刀柱宽为采高的2~2.5倍。
该矿的二、五、七槽均为冲击矿压危险煤层,该矿早在1947年就发生过冲击矿压现象,至1985年底,共发生破坏性冲击矿压303次。
1959年8月3日,工作面放炮引起冲击矿压,顶底板瞬间移近0.3m,木支柱折断600余根,有感震动半径5km,67间房屋震坏,震级ML为3.8级,属我国目前强度最大的一次冲击矿压。
该矿1980年平均震动记录达500余次,亦属我国震动频度最高者。
(二)抚顺矿务局
抚顺矿务局三个井工开采的矿都有冲击矿压发生,其中以胜利矿为最早,而龙凤矿目前最为严重。
龙凤矿井田煤层生成于新生代第三纪,主煤层有三、四、五、六共四个自然层群,总厚6~50m,倾角0°
~45°
。
煤层顶板为厚48~195m的油母页岩,底板为76.5~115m的凝炭岩。
该矿采用倾斜分层上行V形水砂充填采煤法。
一般开采第一人工分层时,顶板为煤层,底板为砂页岩,无周期来压显现。
冲击矿压多发生于新采区第一分层开采过程中,约占总数的83%。
冲击影响范围达几米到几十米,冒顶高度1~3m,突出的煤达10~50t,严重时摧毁巷道达几百米,地面有震感。
1975~1983年共发生0.5级以上冲击矿压675次,最大震级ML为2.5级,其中23次造成严重破坏。
抚顺矿务局是我国非坚硬顶板、特厚煤层冲击矿压的典型。
(三)枣庄矿务局陶庄矿
枣庄矿务局陶庄矿属水、旱采并举的矿井,采深400~700m,主采煤层为2~6m的厚煤层。
煤的单轴抗压强度约10~20MPa。
顶板为砂岩,强度90~130MPa。
自1966年至1985年10月共发生了147次破坏性冲击矿压,冲击强度一般不大,为1.5~2级左右。
1982年1月27日水采区上山煤柱(宽160m)发生了该矿历史上最大的一次冲击矿压(3.6级),而且时隔25min后又发生一次(2.7级)。
该冲击区顶板砂岩厚达43m左右,为我国厚层砂岩顶板条件下发生冲击矿压的典型。
(四)开滦矿务局唐山矿
开滦矿务局唐山矿的冲击矿压大多发生在两面或三面临空的半岛形或孤岛形煤柱中。
以及上层开采遗留的残柱下方的应力传递区域。
这种残柱影响深度可达150m。
在这些煤柱中掘进回采巷道或进行回采时发生冲击矿压。
以及位于这些煤柱下方的开拓巷道(大巷、石门)受采动影响也发生冲击矿压。
(五)徐州矿务局
徐州矿务局主采下石盒子组、山西组、太原组煤层。
矿区地质构造情况较为复杂,煤层赋存条件为近水平、倾斜、急倾斜多种形式并存,且厚薄不一。
特别是随着可采煤层的逐步减少,各采区都在向复杂地质构造带和深部延伸,因而给巷道和采场矿压控制技术提出了新的挑战。
例如,深部(软岩)巷道支护技术和冲击矿压预测预报预防技术已面临着较为严峻的形势。
徐州矿区原来被认为不属冲击矿压威胁地区,由于采深增加和复杂地质构造影响,使这一早已隐藏的危害被揭开。
自1991年以来,该局已发生较为严重的冲击矿压事故近20次,造成多人伤亡,以及不同程度的巷道支护损坏。
三河尖矿自1991年9月5日在7110材料道发生第一次冲击矿压事故,是全局发生冲击矿压次数最多的矿,占全局的大多数。
张集矿与三河尖矿同为“三硬”矿区,发生冲击矿压的可能性较大。
1994年8月到11月在9606综采面共发生冲击矿压事故3起。
发生的地点比较集中,事故现场的特征基本相似,即发出巨大声响,煤尘飞扬,煤体突出且呈现粉末状,冲击波推倒大型物体,造成较大的人员伤亡。
旗山矿与权台矿同属“三软”矿井,传统理论认为不可能发生冲击矿压,但事实上这两个矿都曾发生了较为严重的冲击矿压事故。
(六)兖州矿区济宁三号井
济宁三号煤矿位于山东省济宁煤田中部,北距济宁市14Km,东距兖州矿业集团公司所在地邹城40Km。
井田南北走向长10Km,东西倾斜宽10-13Km,面积约110Km2。
矿井设计生产能力500万t/a,实际最高产量曾达1008万t/a,服务年限81年。
井田含煤地层为二迭系山西组和石炭系太原组,煤系地层平均总厚约250m,共含煤26层,其中主要可采煤层为3上、3下煤,平均厚度6.21m。
井田位于南北向的济宁地堑构造内,东西两侧分别为南北向的区域性断裂孙氏店断层和济宁断层,井田内断层受该两断层控制以南北向断层为主。
井田的构造形态,北部以宽缓褶皱为特点,往南逐渐转成北东走向、向北西倾伏的单斜构造。
井田内断层有明显的规律性,其中为主的南北向断层组,多为东升西降的正断层。
3上煤层顶板为细至中粒砂岩,厚度一般在3-45.9m,平均19.2m,3下煤层顶板为中到粗粒砂岩,一般厚6-60m,平均厚27.96m。
底板为细砂岩和粉细砂岩互层,一般厚2.5-20m,平均11.53m。
六采区是矿井的主要开采区域,目前已开采三个工作面。
6303工作面位于六采区中部,工作面自北向南推进,推进长度2057.8m,工作面长239.8m,采深600~710m。
工作面开采煤层为山西组煤3下,煤层厚度2.8~6.8m,平均厚度4.75m,工作面东临6302采空区、6301采空区、6300采空区,工作面与6302采空区留设4m保护煤柱。
西临6304工作面(尚未回采)。
煤层直接顶为灰黑色粉细砂岩互层,厚度0~13.75m,赋存不稳定,f=4~6。
老顶以中砂岩为主,坚硬稳定,厚度16.77~42.12m,平均厚度在26m左右,f=8~10。
由于6303工作面开采深度较大,煤层具有冲击倾向性,而且煤层顶板为坚硬的中砂岩,故从2004年11月30日6303工作面辅顺首次发生冲击矿压,将巷中的7个车盘掀翻,同时伴有巨大的声响,地面能感觉到轻微震动以来,又连续多次发生小型的冲击地压矿震事故,给矿井的安全带来了很大的威胁。
为此,6303工作面辅顺进行了煤体卸压和顶板爆破等强度弱化减冲措施(六采区冲击矿压解危方案,2005年12月),取得了良好的效果。
但是,由于现有技术还不能完全解决6303工作面的顶板问题,之后6303工作面辅顺又发生了几次小型矿震与冲击,见表1-3所示。
表1-36303工作面冲击矿压现象
时间
地点
影响范围
情况描述
2003
1204
6303辅顺
12m
夜班突然发生一次大的煤爆,伴随着煤爆巷道顶板出现下沉,最大下沉量约400mm,西帮内移量约500mm,锚杆托盘压平、压反较严重,煤体松散破碎,顶部及两帮出现网兜现象,煤碎块洒落较多。
影响范围导线点N6330北11m~23m,长度约12m,距掘进迎头最近处约6m。
煤爆比较频繁。
1210
6303辅顺
59m
12月10日发生最大的一次压力异常显现,影响范围导线点N6328南16.5m~N6328北42.5m,长约59m,距掘进迎头最近处约18m。
顶板最大下沉量达到500mm,西帮最大内移量达到l000mm,部分钢筋梯、锚杆被压断,巷道断面损失严重,帮部部分地段基本处于失稳状权
1215
20m
12月l5日夜班出现压力异常显现,影响范围导线点N6328北45m~N6326段,长度约20m,距掘进迎头约7m。
顶板下沉量约400mm,西帮内移量约700mm,帮部锚杆出现压断现象。
1105
6300辅顺
36m
11月5日夜7:
30分左右,6300工作面辅助顺槽超前支护段距工作面煤壁约44~80m段,巷道突然来压下沉,下沉量约200~300mm,局部离层变形量约400~500mm。
冲击显现致使超前支护棚头处10棚范围内单体支柱有3棵被压断,另有6棵不同程度弯曲。
棚外巷道顶板出现明显的网兜现象。
顺槽来压时,工作面压力正常。
2004
1130
3:
40
30m
11月30日,当6303工作面接近掘进发生动力现象的地段时,在工作面前方66m的断层以外,6303工作面辅顺1376-1406m共30m段发生煤体突出,实体煤帮瞬间突出1.5-2m左右,同时伴有剧大的声响,掀反该范围内的电机设备列车。
1216
12:
00
24
工作面推进1338m,工作面辅助顺槽距煤壁12.4~36m段又发生一次冲击,煤体突出300~500mm左右,将靠近实体煤帮的8颗单体支柱打歪,伴有巨大的声响,巷道内煤尘飞扬,煤帮底角部分煤体抛向巷道另一侧。
2005
0125
4:
10
工作面推进1415米,工作面辅助顺槽煤壁前方10米范围内实体煤帮瞬间突出0.5~1米左右,将顺槽内靠帮支设的单体支柱打倒8颗,瞬间巷道内煤尘飞扬,震感明显。
0214
15:
36
工作面推进1460米,煤机刚割完两硐溜尾,正准备往溜头牵引,辅助顺槽超前段又发生一次冲击地压,巨大的煤炮声过后,巷道内煤尘飞扬,煤壁前12.6m~48m段实体煤帮煤体突出300~1000mm左右,巷道顶板瞬间下沉500mm左右,将支护的单体支柱推倒13颗,折断5颗。
0228
15
2005年2月28日中午15:
00左右,工作面推进1494米,辅助顺槽又发生一次冲击,辅助顺槽煤壁前15米范围内煤帮瞬间突出500mm左右,将顺槽内靠帮支设的单体打倒1颗,伴有巨大的声响,巷道内煤尘飞扬。
(七)近几年出现的冲击矿压矿井
近年来,我国东部大部分矿区的地下煤炭开采也转入深部开采,一些原来少见的冲击矿压和矿井突水等灾害事故频频发生,这些现象在我国东部的大型现代化矿井尤为突出。
例如,像兖州、新汶、大屯、徐州、淮南、淮北肥城等矿区,在采深不超过500m时从来没发生过冲击矿压事故,但采深超过500m后就出现了,并且随着采深的增加,这种灾害起越来越严重,特别在被传统理论认为不可能发生冲击矿压的“三软”矿区(如徐州东部矿区)也发生了严重的冲击矿压事故。
据统计,近5年来,兖州、新汶、大屯、徐州四大现代化矿井累计发生100余次冲击矿压事故,造成重大人员伤亡和财产损失。
二、我国冲击矿压的显现特点
我国冲击矿压除了突然性、瞬时震动性和破坏性等显现特征以外,从显现情况和发生条件来看,具有以下特点:
1.类型多种多样,灾害严重程度不同
我国冲击矿压一般表现为煤层冲击,以破碎煤块从煤壁抛出最为常见,也有极个别情况为上百立方米的煤整体滑移。
我国煤矿也发生过顶板冲击和底板冲击。
如房山矿发生一次冲击矿压,底板突然鼓起并开裂成5cm宽的裂缝。
此外,我国有台吉矿、大台矿、八一矿、柴里矿及南桐一井等五个煤矿已发生43次典型的岩爆。
各矿井冲击矿压的强度、频度、
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