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    宋振骐-我国冲击地压研究现状及发展方向.pptx

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    宋振骐-我国冲击地压研究现状及发展方向.pptx

    我国冲击地压研究现状及发展方向 我国冲击地压研究现状及发展方向 宋振骐 宋振骐何满朝 何满朝蒋宇静 蒋宇静汤建泉 汤建泉 2015.04 矿山灾害预防控制重点实验室 State Key Laboratory Breeding Base for Mining Disaster Prevention and Control 山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 引言论文研究的理论基础 一我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性 二 汇报提纲 2 引言论文研究的理论基础 一 坚硬岩层覆盖的煤层,采煤工作面推进过程中发生的“冲击地压” ,极易造成采矿人员伤亡和装备损坏等重大事故灾害。深入研究相应煤 层条件下“冲击地压”发生的原因及相关事故、实现的条件以及有效控 制的办法意义重大。 本课题的研究包括主要研究内容、重点,取得的成果以及提交的论 文都是在独居我国特色“实用矿山压力控制理论”以及相关实践成果的 基础上进行的。我国的“实用矿山压力控制理论”是我国解放后从事矿 山压力研究的先驱平寿康教授、钱鸣高院士以及包括刘听成、陆士良、 乔福祥等老教授的参与和指导下,深入我们煤矿现场与生产一线的领导 和工程技术人员共同创造的成果。 3我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性 二 4目前为止,我国发展冲击地压的矿井超过140处,通过 瓦斯等级鉴定可能伴随冲击地压发展的煤与瓦斯突出矿井 超过1200多对,已遍及全国17个产煤省市和自治区。 1现实意义(事故发生的普遍性向纵深发展扩大的可能性 ) 二 我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性 开采深度进入400米左右有坚硬厚层顶板所覆盖的煤 层。 开采深度超过800米左右相关事故易发的临界开采深 度(在原始重力场开掘巷道即发生冲击地压)煤层。 有残余构造应力场分布切割的煤层。 发 生 的 普 遍 性 发 生 的 煤 层 条 件 5我国煤炭资源丰富,预计储量超过4万亿吨,其中2010年已探 明的地质储量为1.5万亿吨。由此可以清楚的看出我国煤炭开采量 占全世界2/3,对我国能源结构比重超过65的大国来说,面对世 界能源保障体系建设的竞争,我国煤炭开采向深部发展的趋势将 不可避免,“冲击地压控制”的深入研究的意义重大。 1现实意义(事故发生的普遍性向纵深发展扩大的可能性 ) 二 我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性 中国煤炭资源按深度分布的储量 事 故 扩 大 的 必 然 性 及 深 入 研 究 基 础 上 控 制 的 可 能 性 6近些年来,我国生产现场多次发生的一次死亡几十人甚至上百人的 重大事故,特别是在鹤岗、平顶山、义马等现代化矿井中发生的重大 事故。几乎都和“冲击地压”和“冲击地压”相伴的“煤与瓦斯突出 ”事故密切相关。 2 深化研究的重要性(事故灾害的严重性及有效控制的理论基础薄弱) 二 我国冲击地压深化研究的现实意义及重要性 事故原因(机理)及事故实 现条件的论证很不深刻。包括相 关事故案例的分析研究不深入和 缺少正确地实验和现场有效控制 实践的检验。 主管部门制定的事故控制规范和 相关管理规定有的简单承袭传统做法 ,严重脱离实际,缺少正确的理论指 导。例如,我们几十年来没有变化采 用留设断层隔离煤柱布置工作面的做 法,即在残余的构造应力场的变化部 位掘进和维护采煤巷道,是导致冲击 地压和煤与瓦斯突出等重大事故发生 的主要原因。 控 制 理 论 研 究 不 深 刻 管 理 规 范 不 科 学 事故 灾害 的严 重性 事故灾害严重性的原因可归纳为以下两个方面 上述两个方面研究工作的不足是这些年来相关重大事故不断重复发生的根源。 7世界老牌采煤国家包括德国、美国、法国、日本等已在上世纪末停止了 煤炭生产,其中德国曾经在深部开采中出现冲击地压,通过采用变形可缩 拱型棚架沿空留巷开采方案基本解决了相关事故灾害的控制问题。 1 国外冲击地压研究的情况 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 现存现代化开采技术装备领先的产煤国家中包括美国、澳大利亚, 在80年代以前都曾经是以露天开采和留设大量煤柱支撑地表的房柱式 开采为主体的开采方法,基本没有出现过灾害性的冲击地压事故。 现 存 产 煤 国 家 老 牌 产 煤 国 家 81 国外冲击地压研究的情况 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 美国上世纪80年代开 始广泛应用的长壁工作面 开采也都是在开采深度小 于150200米的浅埋煤层 中进行,很少有冲击地压 研究和控制的实践结果。 波兰、澳大利亚等国 家在地表预测预报研究的 基础上,采用微震技术检 测的相关手段预测预报生 产矿井冲击地压的研究在 上世纪70年代已开始,相 关检测装备1981年即引 进在我国陶庄煤矿用于预 报水采冲击地压的研究工 作中。相关成果也为我国 近多年来广泛开采的相关 研究奠定了基础。 国外冲击地压控制研 究的主要成果是在原苏联 (现俄罗斯和乌克兰)和 波兰等开采深度比较大的 矿井中取得的。其中,关 于冲击地压发生机理和条 件的相关研究成果包括煤 层可“冲击性”分类分 级、冲击能量理论和力学 模型建设以及巷旁充填留 设技术,从上世纪70年代 引入,80年代开始在我国 生产矿井推广运用。 美国 俄罗斯 波兰 乌尔兰 澳大利亚 9如前所述,我国冲击地压研究工作早在上世纪70年代就开始起步。相 关理论及控制技术研究都是在接受前苏联、波兰等社会主义国家相关研究 的基础进行的。参与研究的相关研究单位包括煤炭研究总院、重庆、抚顺 分院等研究院所,阜新矿院(辽宁工程技术大学)、中国矿大、山东矿院 (山东科技大学)等煤炭高校。重点深入研究的煤矿包括抚顺、徐州、开 滦、新汶等深部矿井,以及由厚层坚硬顶板覆盖有“冲击倾向性”的煤层 开采深度较浅的矿井,包括鹤岗、兖州等煤业集团的相关矿井。在包括“ 冲击地压”发生的原因及实现条件即发生“机理”的研究、冲击地压预测 预报的理论和手段研究,以及在上述两方面成果的基础上取得的控制实践 成果等三个方面,均取得了领先全世界的创造性成就。 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 10“冲击地压”是采动空间周边煤(岩)在矿山压力作用下以 煤(岩)突出为特征的矿山压力(动力)显现。是煤矿重大事 故灾害。 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 ( 1 ) 概 念 和 定 义 在储存高强度压缩弹性能有“冲击倾向性”的煤(岩)中, 特别是能量聚集的部位,开掘巷道和推进回采工作面(即采动 )引发相应弹性能的释放是冲击地压发生的根源。 ( 2 ) 发 生 原 因 采动围岩中储存的高强度压缩弹性能。包括煤(岩)中的 压缩弹性能和采动空间覆岩(顶底板)岩层弯曲(压缩)弹性 能是冲击地压发生的主动力。 ( 3 ) 动 力 源 11 动力源 开采深度 覆岩强度 开采参数 开采方法 开采程序 非线性(正 比)量级影 响 本质性的重 要差别 煤 层 压 缩 弹 性 能 开采深度愈大,覆岩强度愈高 (即允许的悬露面积愈大), 受压煤层储存聚集的高强度压 缩弹性能的可能性将愈大。重力弯曲弹性能随支托岩 层的强度和随动层的厚度成正 比;构造弯曲弹性能受采深和 顶底板岩层强度所决定的应力 保持和释放条件控制。岩层强 度愈高,埋深愈大,可能聚集 和保持的弹性能的量级将愈 高。 重力 弯曲 随动岩层厚度 及开采深度 顶底板岩性强 度及厚度开采深度 顶底 板岩 层弯 曲压 缩弹 性能 支托岩层岩性 强度及厚度 构造 弯曲 12原始应力场中的压缩应力。包括原始重力应力场中的压 缩应力以及原始构造运动推动形成的“残余构造应力场”中 的压缩应力。原始构造应力场中压缩主应力方向由构造运动 推动力的方向决定。 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 (4) 动力 源的应力基 础 采动应力场中的压缩应力。即经历采动(采掘工作面推 进)重新分布的应力场中压力高峰部位储存的压缩应力。 在重力和构造运动推动力作用下处于弹性弯曲状态的岩 层最大弯矩发生部位的压缩应力。 13受驱动力作用岩层的弯曲弹性能 1 )构造应力(构造驱动力作用后的残余应力) (1 )垂直(沉积)岩层推动力形成的构造应力①垂直(沉积)岩层构造应力形成的机理 冲击地压动力源的应力基础 14 在断层出现的条件下,垂直构造应力即不复存在 1 )构造应力(构造驱动力作用后的残余应力) (1 )垂直(沉积)岩层推动力形成的构造应力② 垂直构造应力存在的条件 冲击地压动力源的应力基础 15a 掘进围岩煤(岩)冲击喷出地点 掘进头及两帮在垂直压力作用下将同时挤压喷出 ③ 垂直构造应力存在的条件下开掘巷道冲击破坏的过程及控 制方案 16b 巷道破坏发展过程 * 掘进头及两帮煤煤(岩)悬露,在支承压力作用下失去平衡同时喷出 * 顶板在自重应力和水平推力(软弱岩层 )作用下破坏冒落 * 底板(软岩)在水平推力 ( )作用下鼓起 破坏后形态 破坏前初始形态 17c 控制方案 * 注水软化煤层 * 遥控掘进机掘进 * 恒阻大变形锚索、锚网支护(防止掘进两帮再次喷出的可能性) 18(2 )平行(沉积)岩层推动力形成的构造应力 ①平行(沉积)岩层构造应力形成的机理 ②平行(沉积)岩层构造应力存在的部位a 褶曲轴部 b 断层附近 19③平行构造应力存在的条件下开掘巷道冲击破坏的过程 及控制方案 一般为掘进头在构造应力作用下冲击喷出 a 掘进围岩煤(岩)冲击喷出地点 20b 巷道破坏发展过程 * 掘进头揭煤(岩)时,在支承压力 作用下失去平衡喷出 * 顶底板岩层在水平构造应力作用下破坏(垮落和底鼓) * 两帮在重力应力作用下破坏,应力高峰向深部转移 破坏后形态 破坏前初始形态 21c 控制方案 * 掘进头注水软化煤(岩) * 遥控掘进机掘进 * 恒阻大变形锚索、锚网支护(防止掘进两帮再次喷出的可能性) 22 2 )重力应力(1 ) 原始应力场中的重力应力实践证明对具有“冲击倾向性”的脆性煤体(f >2 ),在原始应力场中开掘和维护 巷道发生冲击地压的临界深度一般超过700m-800m 。 23 (2 ) 采动重力场中的重力应力对具有冲击倾向性的脆性煤体f≥2 ,在外应力场中开掘和维护巷道产生 冲击地压的可能性受工作面的长度和顶板的岩性强度 即可能产生的弯曲弹性 能 控制。实践证明,顶板坚硬的长工作面采深超过350m-400m 具有发生冲 击地压的可能性。在高应力区开掘和维护巷道或推进工作面即有发生冲击地 压的可能性。 24(3 )在可能发生冲击地压的重力应力场开掘和维护巷道破坏的过程及控 制方案 破坏前初始形态 破坏后形态 在重力应力场中掘进的巷道破坏及控制方案 25进行采动(采掘工作面推进)的煤(岩)具有冲击破坏 的倾向性; 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 (5 )冲 击地压在 实现的条 件 采动部位及受采动影响可能波及部位的煤(岩)中的压 缩应力及聚集的压缩弹性能达到足以发生冲击地压的量级; 采动工艺过程及相应震动性破坏改变了相邻部位煤(岩 )的原始受力条件和极限平衡状态; 在直接采动和受影响的采动部位设定的采动空间四周没 有足够的缓冲掩护层,包括已破坏的煤(岩)缓冲带和适应 横阻大变形要求有防护能力的支护手段。把煤(岩)压缩弹 性能释放可能的动力显现控制到安全的范围。 262 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 (6) “冲击 地压” 事故灾 害的控 制 ① 设计 和采用正确的采动 条件,包括正确选择 采高、工作面长 度和推进长 度等 工作面参数,合理确定采区工作面及巷道布置,正确安排工作面推进 和相应 巷道掘进 准备 的时间 空间 关系和回采工作面接替程序等,避免与原始构造应 力场 的高应 力部位 和采动应 力场 中的高应 力部位布置巷道和工作面。实现 在经历 采动释 放应 力的“内应 力场 ”中掘进 和维护 巷道、推进 回采工作面的战 略目标 。我国在陶庄采用短壁(漏斗 式)水力开采坚 硬顶 板覆盖的有冲击 地压倾 向性的厚煤层 ,采用多区段同时 推进实 现 在稳 定的“内应 力场 ”掘进 和推进 回采工作面,排除了原来采用在同一个区段中同时 推进 采煤掘进 工作面冲击 地压 灾害不断发 生的局面(见图 )的研究成果。开滦 、淮 南等矿 井采用放顶 煤扩 展缓 冲的“内应 力场 ”范围 ,实现 在经 采动释 放了的“内应 力场 ”掘进 和维护 回采巷道的目标 ,以及采用无煤柱护 巷、开采解放层 等开采方案实现 避 免在高应 力部位掘进维护 巷道、推进 回采工作面等开采方法的重大突破,都是在相关 机理研究成果基础 上正确提出的通过 改变 采动 条件实现 “冲击 地压 ”有效控制的创 造性 实 践成果。 开采有冲击倾向性的煤层,无论开采深度小于或大于在原始重力场中掘进巷道即发生冲击地压 的“临界开采深度”的条件下,有效控制冲击地压灾害的措施包括四个方面 272 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 (6) “冲击 地压” 事故灾 害的控 制 开采有冲击倾向性的煤层,无论开采深度小于或大于在原始重力场中掘进巷道即发生冲击地压 的“临界开采深度”的条件下,有效控制冲击地压灾害的措施包括四个方面 282 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 (6) “冲击 地压” 事故灾 害的控 制 ②当开采深度超过“临界开采深度”或相关开采条件不具备 ,被迫在有冲击倾向性煤层相关应力场的变应力部位开掘回采巷 道和掘进回采工作面时,应开取遥控操作的高压注水压裂技术和 爆破松动技术提前释放煤(岩)应力后再进行采动的方案,控制 冲击抵押的发生。其中在掘进工作面推进时,采用的预裂释放应 力的范围(宽度),应当等于或大于巷道设计宽度(b)和必须 的两侧缓冲条带宽度之和。煤壁缓冲条带的宽度应根据相应煤层 条件下采用“井下岩层动态观测研究方法”、“微震检测法”进 行支承压力分布相关实测研究的成果确定。 开采有冲击倾向性的煤层,无论开采深度小于或大于在原始重力场中掘进巷道即发生冲击地压 的“临界开采深度”的条件下,有效控制冲击地压灾害的措施包括四个方面 29(6) “冲击 地压” 事故灾 害的控 制 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 ③ 采用恒阻大变 形锚 索或能适应 大变 型要求的可缩 支 架配合掩护锚 网支护 巷道,排除冲击 地压动 力显现 伤 人 毁物灾害的发 生。 开采有冲击倾向性的煤层,无论开采深度小于或大于在原始重力场中掘进巷道即发生冲击地压 的“临界开采深度”的条件下,有效控制冲击地压灾害的措施包括四个方面 30(6) “冲击 地压” 事故灾 害的控 制 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 ④实现无煤柱开采技术的创新和突破 采用“无煤柱”开采有冲击倾向性煤层,特别是开采深度超过在原 始重力场掘进巷道即发生冲击地压的“临界开采深度”条件下的“有冲 击倾向性”煤层,是控制冲击地压及相关重大事故灾害的重中之重。当 前存在的主要问题包括①在“沿空掘巷方案”中实现内应力场掘巷留 设小煤柱护巷的做法,存在煤柱漏风,可能引发煤尘自燃、老塘浮煤自 燃和瓦斯爆炸事故的担忧;②在“沿空留巷方案”中采用刚性墙体造成 巷道底鼓和因墙体破坏漏风带来的相关事故危险,以及过高的墙体建设 成本和可能限制回采工作面推进速度的低工作效率等。 开采有冲击倾向性的煤层,无论开采深度小于或大于在原始重力场中掘进巷道即发生冲击地压 的“临界开采深度”的条件下,有效控制冲击地压灾害的措施包括四个方面 31(6) “冲击 地压” 事故灾 害的控 制 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 1)在冲击地压发生的原因、实现条件及控制机理的研究方面取得成果和共识 ⑤坚决纠正在构造应力场的高应力区(构造应力集中地部位 ),采用留设煤柱护巷(包括开切眼和回采巷道)的传统错误部 署,实现采掘工作面向着断层和褶曲轴部等构造应力集中区掘进 ,通过覆岩运动释放构造应力的目标。 开采有冲击倾向性的煤层,无论开采深度小于或大于在原始重力场中掘进巷道即发生冲击地压 的“临界开采深度”的条件下,有效控制冲击地压灾害的措施包括四个方面 32 柔性墙体设计结构模型建设的核心是解决采场推进过程中 裂断拱内岩层运动中发展的规律和内应力场煤层压力发展的规 律的问题。在此为基础上解决柔性墙体的结构设计、相关结构组成 的材料选择以及墙体建设工艺技术突破等问题。 当前解决这些问题的重大技术突破方案包括 Ⅰ在“沿空留巷方案”中采用柔性 墙 体的突破,如图 所示。 3334 柔性墙体设计结构模型 a 下位岩梁单独裂断来压作用力方程(位态方程) 式中 柔性墙体设计结构模型 35式中 最终稳定时 h 采高 m z 直接顶的厚度 K min 岩梁最终压缩状态时,冒落矸石最小碎胀系数( K min 1.051.1) 柔性墙体设计结构模型 b 裂断拱内所有岩梁来压作用力方程(总体位态方程) 36Ⅱ 在“沿空留巷方案”中断顶成巷的突破,如图所示。 37Ⅲ 在稳定的内应力场掘巷方案中完全取消“小煤柱”,由工作面 推进过程中在巷道边壁建立的柔性墙体取代的方案,如图所示。 38利用煤层在矿山压力作用下压缩破坏特别是顶底板岩层 裂断破坏的声震和弹性震动信息预报冲击地压发生的地点和 时间的探索研究工作,从80年代引进波兰微震检测手段开始 到近10年来利用我国自行研制的手段(包括检测装备和相应 的软件),在我国发生冲击地压的矿井和岩土工程现场推广 应用,为深化冲击地压预测预报的理论,提升相应检测手段 在控制冲击地压事故灾害研究方面的作用奠定了基础。 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 2)在“冲击地压”预测预报理论和方法手段的研究方面取得的进展包括 (1)微震(波) 信息监测 利用煤层在矿山压力作用下压缩破坏过程产生的电磁波 变化预测预报冲击电压发生的时间和地点的相关研究工作的 相关研究工作在我国已取得重要突破。相关检测手段包括硬 件和解释软件的开发都有了阶段性成果,并在现场推广应 用。同样为深化冲击地压预测预报的理论和提升完善冲击地 压监控手段做出了创造性的贡献。 (2)电磁(波) 信息监测 39建立在我国“实用矿山压力理论基础上”,利用顶板“ 老顶”裂断来压在工作面和超前两巷的矿山压力显现动态变 化预测预报冲击电压发生的时间和地点(范围)的研究工作 ,早在80年代初即开始。取得的研究成果包括“顶板动态监 测手段”忽米(百分之一毫米)级精度“动态仪”的成功研 制,以及相关检测手段成功的预测预报,采场顶板裂断来压 和利用顶板来压前后在工作面和超前两巷中的矿压显现动态 变化推断支承压力分布包括“内应力场”范围和处于弹性压 缩状态应力高峰部位和“外应力场”取得的创造性成果,曾 经在我国枣庄、新汶、开滦等冲击地压矿井预测和控制冲击 地压实践中发挥了重要的作用。 2 我国研究发展的现状 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 (3)岩层动态 信息监测 40理论研究以事故发生的原因特别是控制事故的实现条件 的研究为重点。要深入的研究冲击地压动力的基础包括顶板 裂断来压动力基础和围岩应力基础的研究。要扎实的在实验 室研究中完成构造应力场形成和发展过程,以及构造应力分 布特点的研究。要在实验室研究中完成冲击地压、煤与瓦斯 突出过程的实验研究。要在实验研究和通过现场事故案例的 扎实分析研究紧密结合的基础上提升对事故发生原因和条件 的认识,以此为基础,在冲击地压预测预报和控制决策模型 建设和相关软件开发方面取得重大突破。 3 深化研究的方向 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 (1 )深化理论 研究 41要把坚硬顶板(岩层)裂断来压前后矿压显现的动态发 展规律和支承压力大小分布规律,特别是内应力场范围、压 力高峰部位的预测和监控放在首要地位。以此为基础把顶板 裂断、顶板裂断后对煤(岩)压缩破坏相关的弹性微震、声 震、电磁场、热场突变的相关信息综合统一起来。要在信息 采集手段,特别是传感器的灵敏度、精度和可靠性方面取得 新的突破,要大力推广光纤监测传输技术,要在光纤传感器 和解调器研制方面取得突破。 3 深化研究的方向 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 (2 )深化冲击 地压 事故预测 预报监测 方法 和手段的研究 42要坚决的摒弃违背采场不断推进地质条件和采动条件多 变的特点,采用传统的统计经验决策条例管理的模式,在决 策理论和定量模型建设和相关信息采集手段取得突破的基础 上,把采矿工程决策和实时监控推进到信息化(在可靠的地 理地质和采动覆岩运动和应力分布动态信息的基础上决策 )、智能化(在正确的理论指导下开发的软件计算机决策 )、可视化(用计算机图像输出决策结果)。 3 深化研究的方向 三 冲击地压研究的现状及深化研究的方向 要 实现 采掘工作面生产 操作的智能化,即要成功的研制 能反映所在工作地点的安全环 境信息和装备 自身工况信息遥 控操作的智能装备 武装工作面。 (3 )实现 决策 和实时监 控的智 能化 (4 )实现 生产 操作的智能化 43Thank you

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