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【防冲知识】冲击地压分类、机理及预警

兖矿集团 作者: 2018-10-30


冲击地压分类、机理及预警

(本文转自煤炭科学技术)

 

截止2016年底,我国冲击地压矿井数量已达到167对,山东能源集团冲击地压矿井占山东省2/3。

位于山东郓城的龙郓煤业有限公司10月20日深夜发生冲击地压事故,致22人被困。截至10月22日,已确认3人遇难,目前仍有18人被困井下。救援仍在进行,事故原因在调查中。

煤矿典型动力灾害主要包括冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害,具有突然、急剧、猛烈等特点,不仅危害程度大,影响面广,而且容易诱发其他重大事故。

随着我国煤矿开采深度和强度的不断增加,冲击地压已成为深部矿井开采面临的主要动力灾害之一。

据统计,截止2016年底,我国冲击地压矿井数量已达到167对,超过50对矿井开采深度达到或超过1 000 m。其中山东省冲击地压矿井有56对,17对矿井开采深度超过1 000 m,山东能源集团冲击地压矿井占山东省2/3,老区大多已进入千米深部,下属孙村煤矿采深已超过1 500 m,为亚洲第一深井,新区均为千米深井,这些矿井均面临着严重的冲击地压防治问题。

山东能源集团权属矿井具有深井多、煤层类型多、构造复杂、顶板底板冲击倾向性强等特点,导致冲击地压的类型和发生条件复杂,严重制约矿井的安全高效生产。如华丰煤矿曾发生破坏性冲击地压108次,累计造成41人重伤、7人死亡,是全国最为典型的冲击地压矿井;梁宝寺煤矿、古城煤矿、唐口煤矿等千米深井的主力矿井都发生过冲击地压事故。特别是2012年,山东省发生冲击地压事故4次(死亡12人),其中山东能源集团权属煤矿发生3次(死亡6人)。2015年以来,山东能源集团在彬长、上海庙、鄂尔多斯等外省矿区开发的矿井冲击地压灾害也非常突出。

为了防治冲击地压灾害,学术界进行了大量的研究,矿区采取了各种措施。

1. 冲击地压的分类

正确认识冲击地压发生的机理,对冲击地压进行科学分类,有针对性治理,已经成为防治冲击地压灾害的必由之路。

冲击地压的分类:

(1) 按其破坏机理,可分为材料失稳型、滑移错动型和结构失稳型。

(2) 按其主控因素,可分为顶板破断型、煤柱破坏型、断层滑移型和褶曲构造型。

(3) 按其载荷特征,可分为高静载型、强动载型和低临界应力型。

冲击地压防治关键途径:

(1) 开采深度、地层结构、煤层的厚度及其冲击倾向性是决定冲击地压危险性的四大客观因素,其单独作用或组合作用都能引起冲击类型和冲击危险程度的明显变化。

(2) 工作面开采设计、采掘速度和防冲体系的严密性是决定冲击地压危险性的三大主观因素,其单独作用或组合作用都能引起冲击类型和冲击危险程度的明显变化。

(3) 采用“同一技术和同一参数防治所有类型冲击地压”的简单做法是造成防治成本增加和不能有效防治冲击事故的重要原因。

(4) 只有基于冲击机理进行分类,在分类基础上实施针对性措施,才是冲击事故防治的有效途径。

学术界针对冲击地压发生机理,先后提出了刚度理论、强度理论、能量理论、冲击倾向理论、变形系统失稳理论、剪切滑移理论、三准则理论、“三因素”理论、强度弱化减冲理论、复合型厚煤层“震冲”机理、岩体动力失稳的折迭突变机理、冲击启动理论、煤岩组合冲击机理、冲击地压和突出的统一失稳理论等。

2. 断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理

通过对断层作用下回采巷道相似模拟研究和数值模拟研究,得出回采巷道冲击地压机理如下:

采动影响下断层滑移活化过程中巷道围岩变形主要受断层构造水平应力影响,高构造应力形成的应力集中在断层活化期进行大范围的应力释放,而附近煤岩体因吸收、储存变形能有限,主要造成水平应力突变增加,应力达到煤岩体强度极限时,煤岩体产生破坏,除煤岩体中保存的部分残余变形能外,其储存的能量(应力)将大部分或者全部释放,断层附近巷道围岩应力状况因此受到很大改变,甚至颠覆性改变,巷道围岩一部分应力向煤岩体深部转移,另一部分应力必定全部释放出来,当巷道围岩积聚的变形能大于其到达巷道煤壁所消耗的能量与煤壁强度的极限承载能之和时,作为巷道围岩支护强度最薄弱的底板(通常支护强度低或者无支护)必定是其能量(应力)释放的最佳位置,巷道煤岩体瞬时大量涌出,同时伴随着巷道底板急剧变形、甚至完全破坏,进而发生巷道底板冲击。

巷道右帮距离断层最近,断层形成的高复杂构造应力首先到达右帮,而巷道帮部支护强度通常较高,于是应力再次向巷道围岩支护强度较低的底板围岩转移,从而进一步加剧底鼓变形,但右帮围岩也因此受到较大变形,甚至发生帮部冲击。

3.液态CO2致裂技术在冲击地压防治中的应用

目前冲击地压解危措施主要有钻孔卸压 、煤层注水、卸压爆破、水压致裂等手段,根据矿井工作面不同的地质环境和开采情况,采用不同的解危措施。

CO2致裂器是一种新型的用于煤炭开采的致裂设备,与传统的火药爆破器材不同,CO2致裂器是由一个高强度的可以重复使用的充装液态CO2金属管、加热器(发热装置)、定压泄能机构等组成。将致裂器置于煤体钻孔内,使用发爆器启动加热器,加热内部的液态CO2成为气体,管道中压力持续增大压迫定压泄能机构,使其中的定压剪切片破断,随后释放出超大体积的CO2气体,进行爆破致裂。

CO2致裂爆破在巷道煤柱侧施工只发生在介质内部,没有爆破自由面,主要利用了CO2致裂的内部作用,CO2致裂器埋设需要保证一定的安全深度,确保巷道不能出现明显致裂外部作用现象。CO2在低于31 ℃或压力大于7.35 MPa时以液态存在,而温度超过31 ℃时开始气化,且随温度的变化而不断变化。利用这一特点,在致裂器主管内充装液态CO2,使用发热器快速激发加热装置,液态CO2瞬间气化膨胀并产生高压,当压力达到剪切片极限强度时,定压剪切片破断,高压气体从放气头释放,作用在煤岩体上。除形成爆炸空腔外,自爆源中心向外依次形成压缩粉碎区、破裂区和震动区,其中卸压范围主要包括压缩粉碎区、破裂区,从而达到爆破卸压的目的。

4. 基于云计算的煤矿冲击地压监控预警技术

将应力场和震动场联合监测并保持在“低应力”和“低扰动”状态,是当前我国煤矿冲击危险性实时预警的主要理论和技术依据。

国内数矿井在冲击地压监测方面仍然存在如下3个问题:监测数据未得到充分挖掘和有效利用、多系统实时联合监测效果差、数据分析效率低ꎬ导致冲击地压监管效率低。

研究提出了一种冲击地压分区多参量联合监测的新方法,并基于这种监测方法、大数据分析方法和云平台技术,开发了平台系统,改进了以往冲击地压联合监测实时性差、预警参数权重指标划分差异性大等突出问题,提高了冲击地压的监测预警水平。

5. 深部开采逆断层对冲击地压的诱导机制

当上覆坚硬岩层阻挡软弱煤岩体沿断层面向上逆冲滑动时,临近断层带的坚硬煤岩体会产生应力集中,并在断层两盘一定范围内出现应力升高。

临近断层回采过程中煤体所受的超前支承压力、断层支承压力、两盘失稳滑落对煤体冲击以及断层突然失稳破坏所产生的高能应力波会随着工作面与断层距离不同而产生不同的作用效果,按其一种或几种的叠加作用效果将逆断层诱发的冲击地压分为构造应力模式、断层活化模式与断层失稳滑动模式。


编辑:崔波