煤矿冲击矿压灾害及其控制

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1、煤矿冲击矿压灾害及其控制交流探讨窦林名中国矿业大学冲击矿压防治研究中心微信公众号：中矿冲击矿压研究http:/中国矿业大学China University of Mining&Tech.中国矿业大学China University of Mining&Tech.报 告 提 纲 煤矿冲击矿压防治的现状 冲击矿压机理及力能分类 冲击矿压危险的致灾源头 冲击危险评价及监测预警 冲击矿压的分类防治对策3中国矿业大学China University of Mining&Tech.全国受动力灾害严重影响区分布高瓦斯带低瓦斯带中瓦斯带隧道岩爆突水区岩爆金属矿区冲击矿压矿井106138323833184341

2、271 煤炭资源量5.97万亿吨，1000m以深占比53%1000m 50%1000m 90%煤矿冲击矿压灾害4中国矿业大学China University of Mining&Tech.53%1500m 1000m 16 146 45/增加1020 m/a地表 1000m 53%煤矿冲击矿压灾害5中国矿业大学China University of Mining&Tech.600 m 214 100 1200 t/a 800 t/a 2022 300 t 煤矿冲击矿压灾害6中国矿业大学China University of Mining&Tech.1.1、冲击矿压矿震有关概念7中国矿业大学Ch

3、ina University of Mining&Tech.冲击矿压（冲击地压）：煤矿井巷或工作面周围煤（岩）体中聚集的弹性能在动力扰动下瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力灾害。冲击矿压现象：包括煤岩体瞬间抛出、瞬间位移、强烈震动、巨响及气浪等，可造成井巷破坏、设备损坏、人员伤亡等。冲击矿压事故：造成了明显井巷破坏，设备损坏，人员伤亡，对矿井正常生产造成了严重的影响。冲击矿压还会诱发煤与瓦斯突出、煤尘爆炸、冒顶等次生灾害，严重时可造成地面建筑物破坏，是煤矿最严重的灾害之一。冲击矿压、矿震有关概念8中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压特点 突发性

4、。无预兆，过程短暂，持续时间几秒到十几秒，难于准确预报发生时间、地点和强度。瞬时震动性。像爆炸强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有地震感觉。巨大破坏性。大量煤体突然抛出，堵塞巷道，破坏支架；造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失 复杂性。各种条件和采煤方法均出现过。冲击矿压、矿震有关概念9中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压、矿震有关概念 冲击矿压与矿震矿震特点：能量大于100J、主频小于150Hz的震动，如：煤体宏观动态破裂、失稳，岩层破断、运动，断层的活化运动等冲击矿压与矿震的关系：冲击矿压是造成了

5、井巷破坏、设备损坏、人员伤亡等灾害后果的矿震。矿震是诱发冲击矿压的主要因素之一，每一次冲击矿压都伴随着矿震现象。而矿震是一种煤岩体破裂运动产生的动力现象。矿震诱发冲击矿压的占比仅为全部矿震数量的万分之一到十万分之一10中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压与矿震的关系 地音(声发射)能量低于100J、主频大于150Hz的微破裂产生的震动，如：煤岩受载过程中的损伤、微破裂、微裂纹的扩展等。矿震（微震）能量大于100J、主频小于150Hz的震动，如：岩层破断、运动，煤体宏观动态破裂、失稳等。冲击矿压煤矿井巷或工作面周围煤（岩）体中聚集的弹性能在动力扰动

6、下瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力灾害。地 音矿 震冲击矿压冲击矿压、矿震有关概念11中国矿业大学China University of Mining&Tech.1.2、冲击矿压危害及现状12中国矿业大学China University of Mining&Tech.采煤机截断 人员伤亡巷道闭合煤体抛出巷道底鼓，支柱倾倒高强支护严重变形失稳门式支架 据统计，目前我国正在生产的有 146对冲击矿压矿井，分布于 26个省、市及自治区。12 近年来，多次发生冲击矿压重特大事故，引起党中央和国务院的高度重视！要求从根本和源头上消除冲击矿压事故隐患。冲击矿压危害及现状液压支架损坏13中国矿业大学Ch

7、ina University of Mining&Tech.1960年1月20日南非的Coalbrock North煤矿冲击矿压，破坏面积达300万平方米；2004年6月26日，北京木城涧煤矿发生冲击矿压，震级达4.3 级，破坏巷道500多米；2003年，芦岭煤矿“5.13”瓦斯爆炸事故，冲击矿压诱发；2005年，孙家湾煤矿“2.14”特大瓦斯爆炸事故，冲击矿压诱发。冲击矿压危害及现状14中国矿业大学China University of Mining&Tech.141、彬长胡家河煤矿21.10.11 冲击4、回采、巷道破坏104m2、新巨龙龙堌煤矿20.02.22 冲击4、回采、巷道破坏49

8、0m3、开滦唐山煤矿19.08.02 冲击7、掘进、巷道破坏160m4、吉林龙家堡煤矿19.06.09 冲击9、回采、巷道破坏220m5、山东龙郓煤矿18.10.20 冲击21、掘进、巷道破坏348m6、沈阳红阳三矿17.11.11 冲击10、回采、巷道破坏220m7、山西担水沟矿17.01.17 冲击冒顶10、回采、巷道破坏200m8、山东梁宝寺煤矿16.08.15 冲击2、回采、严重破坏300m9、义马耿村煤矿15.12.22 冲击2、回采、巷道破坏160m10、义马千秋煤矿14.03.27 冲击6、掘进、巷道破坏128m冲击矿压危害及现状15中国矿业大学China University

9、of Mining&Tech.冲击矿压对井巷的破坏 瞬间动力破坏煤岩体，堵塞巷道；破坏巷道煤岩体结构及支护系统，使其失去功能；破坏冲击区域安装的设备和管线。振动速度对井巷的影响影响程度 振动速度,mm/s 影响特征I 400 对井巷影响较大，出现大裂缝冲击矿压危害及现状16中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压对人员的危害器官名称 共振频率 Hz头 4眼 725上下颚 6090喉、气管 68胸 1216上肢 59骨 38腹腔 4.510肝 34膀胱 1018骨盆 59下肢 5人在坐的位置 512人在站的位置 46 煤岩、设备抛出对人员的机械损伤；震

10、动使人员撞击巷道支护体及设备而受伤；震动使人体各器官产生共振而损伤。医学分析表明：脑部，91%；胸部，60%；内部器官，18%；上下肢，18%。冲击矿压危害及现状17中国矿业大学China University of Mining&Tech.783545 558 611 653 735 448 609 731 379 825 903 65501002003004005006007008009001000/m 300-400 400-500 500-600 600-700 700-800 800-900 900-10001000-11001100-1200 72 49 55 56 83 21 7

11、3 220 149 2 1.6 0.5 0.43 2.1 0.4 1.4 5.6 1.5全国冲击矿压矿井煤层平均埋深 650m，西部明显浅于东部、全国。14401002003001960 1970 1980 1987 2010 2012 2015 2016 2017 2019 2021冲击矿压矿井总数/处时间/年全国历年来冲击 地压矿井总数冲击矿压危害及现状18中国矿业大学China University of Mining&Tech.0100200300400500600巷道 工作面 工作面煤壁 煤柱 其他542279 594420005587 9 5317170 0 02530 01冲击次

12、数冲击发生地点合计 华亭矿区 义马矿区 鹤岗矿区 山东各矿统计分析表明：冲击主要发生在巷道（91%）；而且主要发生在采煤和掘进工序中（分别为322次和86次，86%）。冲击矿压危害及现状19中国矿业大学China University of Mining&Tech.24513445291039 8 72 205010015020025030030 60 90 120 150 180 210 300 400 500 500冲击次数冲击破坏长度/m合计 华亭矿区 义马矿区 鹤岗矿区 山东各矿冲击破坏长度主要在90m范围以内。冲击能量主要：E4-E6J。其中华亭主要为E4-E5J，义马主要为E6J。

13、义马矿区有4次E8J的冲击。020406080100120140160180200E+4 E+5 E+6 E+7 E+815419111656414716976360619381641 32 40冲击次数能量级别/J合计 华亭矿区 义马矿区 鹤岗矿区冲击矿压危害及现状20中国矿业大学China University of Mining&Tech.637594837372721201323813255558463228 292213 13146901020304050607030 60 90 120 150 180 210 300 400 500 500冲击次数震 中 距 冲 击 地点 距离/m

14、最大距离 最小距离震源距冲击地点的距离主要分布在150m范围以内，其中以30120m范围最为集中。华亭矿区矿震和冲击矿压频次n与能量E之间的关系。011223344552 3 4 5 6 7 8log(n)log(E)矿震 冲击20092011 年华亭矿区冲击矿压危害及现状21中国矿业大学China University of Mining&Tech.1.3、我国冲击矿压防治现状22中国矿业大学China University of Mining&Tech.围绕冲击矿压灾害有效防治，已形成发生机理、预测预警、防治解危技术体系，冲击矿压灾害基本得到有效防控。我国冲击矿压防治现状 23中国矿业大学

15、China University of Mining&Tech.初步建立了区域与局部相结合的冲击矿压预测、监测预警技术体系，实现了冲击危险分区分级监测预警。我国冲击矿压防治现状24中国矿业大学China University of Mining&Tech.地应力原位测试钻屑法在线应力法矿压观测法弹性波、震动波CT法静动载分析应力场监测震动场、能量场监测综合指数法应力分析法数值模拟分析法微震法地音法电磁辐射法初步建立了区域与局部相结合的冲击矿压预测、监测预警技术体系。应力场强度与破坏准则震动场动力破坏准则能量场冲击致灾准则冲击孕育条件监测动力破坏模式确定冲击危险强度预测煤岩冲击矿压的动静叠加诱发

16、机理煤岩冲击动力灾害监测预警理论准则与模型我国冲击矿压防治现状25中国矿业大学China University of Mining&Tech.初步建立了区域防范、局部解危相结合的冲击矿压防治技术体系。优化设计卸压解危强度弱化减冲原理防护管理防冲支护 优先合理开采保护层 厚煤层错层布置 优化开拓布置、开采顺序 优化工作面参数、煤柱留设 合理控制采掘速度 避免采掘相互扰动 煤层：钻孔、爆破、注水、水射流 顶板：爆破预裂、水力致裂、地面压裂 底板：钻孔、爆破、开槽 巷道强弱强控制结构 多级柔性蓄能支护体系 避让限员、个人防护、严禁平行作业 远程供电供液、固定防崩、压风自救我国冲击矿压防治现状26中国

17、矿业大学China University of Mining&Tech.初步建立了我国冲击矿压防治的法律法规体系（2016-2021）煤矿安全规程 防治煤矿冲击地压细则 关于加强煤矿冲击地压防治工作的通知（煤安监技装201921号）煤矿冲击地压防治监管监察指导手册(试行)国务院安全生产委员会关于进一步贯彻落实习近平总书记重要指示精神坚决防范遏制煤矿冲击地压事故的通知（安委 20206号）国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿冲击地压防治工作的通知（矿安20201号）（冲击地压测定、监测与防治方法 GB/T 25217）国家标准，一共14个我国冲击矿压防治现状通过冲击矿压发生机理的揭示、防治原则的

18、确立、法律法规的健全、系列标准的完善，冲击矿压监测防治有了理论指导、方向原则、法规依据、行为准则。中国矿业大学China University of Mining&Tech.报 告 提 纲 煤矿冲击矿压防治的现状 冲击矿压机理及力能分类 冲击矿压危险的致灾源头 冲击危险评价及监测预警 冲击矿压的分类防治对策中国矿业大学China University of Mining&Tech.28中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压发生机理 静 动（窦修正）1 2 3 4 5,1f f f f f 1 2 3 4 5,1f f f f f 1 2 3 4 5

19、,1f f f f f 1 2 3 4 5,1f f f f f cr 强 度 理 论（布劳诺,库克1951）煤岩体中的局部应力超过了煤岩体的强度极限三因素理论（齐庆新-1997）刚 度 理 论（库克,布莱克1965）能 量 理 论(库克,佩图霍夫60年代)变形失稳理论(李普曼章梦涛60年代)三准则理论（李玉生-1985）动静载叠加理论（窦林名-2005）冲击启动理论（潘俊锋-2012）外力加载条件下煤柱的刚度大于围岩的刚度力学平衡状态破坏时释放的能量大于消耗的能量煤岩体处于力学非稳定平衡状态下发生失稳强度准则、能量准则和冲击倾向性准则。三者均超过临界值内在因素、结构因素、力源因素综合作用 粘

20、滑理论加速度动静载叠加大于临界冲击应力；煤岩体弹性能大于最小冲击能集中静载荷时内因，外界动载荷时外因扰动响应失稳理论（潘一山-2018）煤岩变形系统在扰动下响应趋于无限大而发生的失稳29中国矿业大学China University of Mining&Tech.动静载叠加诱冲理论（2005，窦林名）动静载叠加诱冲理论：冲击矿压是煤矿井巷或工作面周围煤体中的静载荷与矿震形成的动载叠加大于冲击临界载荷时，造成煤体突然、剧烈破坏的动力灾害。min j d b 能量原理：煤矿井巷或工作面周围煤岩体中聚集的弹性能在动力扰动下瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力灾害。即煤岩体弹性能大于最小冲击能30中国矿

21、业大学China University of Mining&Tech.按载荷叠加分类煤矿冲击矿压的力能分类强度极限强度减小动载应力静载应力组合应力应力转移超强度区应力煤体O A B强 度极 限组 合应力动载 应力静载 应力超强度区应 力煤体OA B超强度区动载应力静载应力组合应力强度极限应力煤体O A31中国矿业大学China University of Mining&Tech.按载荷与释能分类 冲击矿压z z 冲击矿压x x 冲击矿压煤矿冲击矿压的力能分类32中国矿业大学China University of Mining&Tech.煤矿冲击矿压的力能分类冲击矿压类型冲击矿压特征指数划分标准

22、载荷类型载荷大小方向能量释放主体震源位置 发生地点 破坏形式煤柱失稳型静载为主采掘扰动垂直应力Vh煤体 煤柱附近大巷、区段、孤岛煤柱煤块弹射和抛出，煤体瞬间滑移鼓出，大多伴随底板瞬间鼓起坚硬顶板型动载为主静载为辅顶板动载 顶板 顶板中大面积悬顶、见方区域煤体瞬间滑移鼓出、大量抛出，大多伴随瞬间鼓起，存在顶板下沉褶曲构造型静载为主采掘扰动水平应力hV煤体褶曲构造附近掘进巷道迎头及后方煤块弹射和抛出，煤体瞬间滑移鼓出，大多伴随底板瞬间鼓起断层活化型动载为主静载为辅断层动载 断层 断层附近20倍落差范围内采掘面煤体瞬间滑移鼓出和大量抛出，大多伴随底板瞬间鼓起复合型煤柱、支承压力、坚硬顶板、断层、褶曲

23、、火成岩侵入、煤层分岔、留设底煤等影响因素两种及以上共同作用；发生在工作面和巷道（包括大巷、准备巷道、联络巷、硐室等）冲击矿压类型及其特征参数33中国矿业大学China University of Mining&Tech.煤柱为主控因素：煤柱失稳型 39m 煤矿冲击矿压的力能分类34中国矿业大学China University of Mining&Tech.褶曲为主控因素：褶曲构造型上位煤岩层中位煤岩层下位煤岩层 zz xx zz xx zz xx zz xx zz xxZX 煤矿冲击矿压的力能分类35中国矿业大学China University of Mining&Tech.顶板为主控因素：

24、顶板扰动型 103 02 130m 200m 煤矿冲击矿压的力能分类36中国矿业大学China University of Mining&Tech.断层为主控因素：断层活化型 回采期间 断层区域微震事件分布集中、能量异常。山东赵楼煤矿河南义马跃进煤矿掘进期间 弹性能在断层构造中积聚煤矿冲击矿压的力能分类37中国矿业大学China University of Mining&Tech.基于动静载叠加诱冲理论的监测与防治监测：应力分布状态，监测煤体应力，钻屑法和弹性波CT透视法监测等；卸压：降低应力集中，将应力高峰往煤体深部转移等。静载-监测与防治监测：煤岩体破断运动规律，微震法、声发射、电磁辐射等

25、；控制：破坏煤岩体的结构，减小煤岩体的运动程度的措施。即，降低震源的震动能量，加大震源距采掘工作面的距离，增加震动波的衰减程度等。动载-监测与防治38中国矿业大学China University of Mining&Tech.基于动静载叠加诱冲理论的监测与防治-39中国矿业大学China University of Mining&Tech.基于动静载叠加诱冲理论的监测与防治 高应力条件下煤岩破裂等动态响应：微震监测、地音监测、电磁辐射监测应力作用下煤岩变形的间接反应：相对应力（应力在线、钻屑法等）、地应力（应力解除法、水力压裂法等）、地球物理方法（震动波主被动CT等）高应力条件下煤岩损伤累计程

26、度的相对度量：冲击变形能、总能量、最大能量 震动场应力场能量场40中国矿业大学China University of Mining&Tech.基于动静载叠加诱冲理论的监测与防治强度弱化减冲原理松散煤岩体，降低煤岩体的强度和冲击倾向性，使冲击危险性降低；对煤岩体强度弱化后，降低应力集中程度，应力高峰向岩体深部转移；降低震源动载，降低冲击危险性。工作面震源 UwLUfUjUU0强度弱化之前强度弱化之后tUt cotf UtUU U eU0102030400 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 强度弱化E saE sbD TaD Tb=f a()=f b()ERRaERR bD

27、 TaD Tb动静载叠加小于临界冲击应力煤岩体弹性能小于最小冲击能，min j d b 41中国矿业大学China University of Mining&Tech.基于动静载叠加诱冲理论的监测与防治巷道围岩的强弱强结构原理BAro dC支护保护区小结构（强）rdrx冲击传递区大结构（强）消波吸能区中结构（弱）tKcabFNMSTfAH3412冲击震动源 围岩强度：强、弱、强 围岩变形：小、大、小 能量耗散：小、大、小 冲击应力波衰减吸收效应 应力集中程度降低，高峰向深部转移ZABABAB dt rrh t r d)(1()(22 减少外界震源扰动载荷 设置弱结构，使得波传播的能量衰减指数增

28、加 提高支护强度d ZAB中国矿业大学China University of Mining&Tech.报 告 提 纲 煤矿冲击矿压防治的现状 冲击矿压机理及力能分类 冲击矿压危险的致灾源头 冲击危险评价及监测预警 冲击矿压的分类防治对策中国矿业大学China University of Mining&Tech.43中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压危险的源头识别 冲击矿压的发生与地质环境、围岩结构、岩性特征、原岩应力、开拓布局、开采工艺等诸多因素密切相关，冲击矿压源头是指这些因素相互作用引发的原岩应力场改变。能级 时间 位置冲击矿压协同调控开采

29、扰动地质环境 岩性特征围岩结构 原岩应力原岩状态开拓布局开采工艺原岩应力场变化精准判识区域监测冲击矿压源头防治智能抗冲44中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压危险的源头识别 静载荷：煤岩体应力集中区域，包括地质沉积与构造应力集中区、采掘应力集中区；动载源：覆岩层结构破断运动、断层活化等矿震动载震源；能量源：煤岩体中弹性应变能聚集的区域、覆岩层结构破断运动以及断层滑移等能量释放的区域。应力：处于动静载叠加后可能超过临界应力诱发煤岩体冲击破坏的采掘区域；能量：动态输入的大能量加上煤岩体中聚集的弹性能超过破坏煤岩体消耗能量造成释放冲击动能的井巷周围区域

30、。45中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压危险的源头识别地质属性 地质构造开采深度煤岩冲击特性断层构造煤层分叉合并顶板砂岩带火成岩入侵巨厚覆岩采掘应力集中区段煤柱上覆遗留煤柱停采线位置切眼外错向采空区采掘巷道叠加巷道留底煤来压与见方顶板岩层结构I-震动波传播震动动载 II-岩层破断断层活化动载 III-炸药爆炸动载静载源动载源冲击矿压危险源头 静载应力场与能量场积聚区域 远-中-近场矿震震源动载源头46中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压的静载危险源 地质属性 地质构造开采深度煤岩冲击特性断层构造煤

31、层分叉合并顶板砂岩带火成岩入侵巨厚覆岩采掘应力集中区段煤柱上覆遗留煤柱停采线位置切眼外错向采空区采掘巷道叠加巷道留底煤来压与见方顶板岩层结构 静载源：主要由原始地应力和采动支承应力组成。静载源：主要包含三个方面，16个危险源。47中国矿业大学China University of Mining&Tech.地层沉积形成的煤岩的冲击倾向性不同；煤岩体性质变化，冲击显现频发区域煤层及顶板物理属性及力学性质差异大；煤层厚度变化，煤厚变薄区矿震频次与能级呈上升趋势；主关键层厚度及变化梯度，造成地应力的集中与变化。煤岩应力随顶板厚度增加而增大。地质沉积微相对动压的控制作用 沉积环境和煤岩岩层的赋存特征是影

32、响矿井地质动力灾害发生的重要因素。应力集中的静载源头48中国矿业大学China University of Mining&Tech.地层沉积形成的煤岩的冲击倾向性不同；煤岩体性质变化，冲击显现频发区域煤层及顶板物理属性及力学性质差异大；煤层厚度变化，煤厚变薄区矿震频次与能级呈上升趋势；主关键层厚度及变化梯度，造成地应力的集中与变化。煤岩应力随顶板厚度增加而增大。地质沉积微相对动压的控制作用 沉积环境和煤岩岩层的赋存特征是影响矿井地质动力灾害发生的重要因素。应力集中的静载源头招贤沉积微相连井图49中国矿业大学China University of Mining&Tech.煤层厚度变化区附近地应力

33、集中 煤层底板顶板5 m1 m应力集中的静载源头50中国矿业大学China University of Mining&Tech.大巷区域顶板非均厚主关键层；巷道上方关键层厚度大幅增加，两侧工作面回采后，引起煤层大巷区域应力集中程度明显升高；大巷区域冲击风险增大，多次发生冲击矿压事件33023013030大巷所处位置主关键层底界面关键层厚度/m主关键层顶界面 覆岩厚度变化与地应力集中应力集中的静载源头51中国矿业大学China University of Mining&Tech.地质构造区与地应力场分布 地质构造轴迹变化区域构造应力集中。褶皱构造产状变化区域，水平应力高，且产状起伏越大，应力量值

34、越大。断层下盘水平主应力高于上盘，且水平差应力高，剪应力大。应力集中的静载源头52中国矿业大学China University of Mining&Tech.最大水平主应力和侧压系数越高，矿震分布频次越高。在最大水平主应力大于38MPa、侧压系数大于1.50的区域，更容易发生高能量的微震事件。地质构造应力与地质动力灾害 初始地应力场是诱发矿井地质动力灾害发生的重要因素。应力集中的静载源头53中国矿业大学China University of Mining&Tech.菜场周围支承应力集中应力集中的静载源头AAgob表土层弯曲下沉带裂隙带垮落 带采煤机液压支架实体煤煤柱运输巷轨道巷支承压力分布 巷

35、道两侧的固定支承压力，k1=1.5-2.0；区段煤柱上的应力集中；工作面超前移动支承压力，k2=2.0-2.554中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压的动载危险源 类动载：震动波传播的动载；类动载:顶板岩层破断、断层滑移等瞬间动载；类动载：炸药爆破。动载源主要有煤岩体对开采扰动的应力响应。包括：顶底板破断与结构失稳、断层滑移、瓦斯突出、爆破、煤炮、割煤、移架、机械振动等。55中国矿业大学China University of Mining&Tech.O-X+矿震震源的动载源头56中国矿业大学China University of Mining&T

36、ech.顶板岩层的破断过程56 煤岩体破裂过程可用裂纹扩展速度来表示；煤岩体破裂过程中，震源能量释放主要处于岩石失稳破裂阶段，对应裂纹扩展速度曲线 t2时间段；对该阶段内裂纹扩展速度在时间上积分，可以得到断裂尺度。矿震震源的动载源头57中国矿业大学China University of Mining&Tech.覆岩结构破断与断层滑移矿震震源动载源头矿震震源的动载源头中国矿业大学China University of Mining&Tech.报 告 提 纲 煤矿冲击矿压防治的现状 冲击矿压机理及力能分类 冲击矿压危险的致灾源头 冲击危险评价及监测预警 冲击矿压的分类防治对策中国矿业大学China

37、 University of Mining&Tech.59中国矿业大学China University of Mining&Tech.1、冲击危险监测预警原理冲击危险评价及监测预警60中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击危险的动态监测预警方法钻屑法 打钻期间的动力显现，钻屑量在线应力法应力绝对值变化，应力增量变化矿压观测法巷道、采面支架阻力变化，来压系数CT探测法主动弹性波、被动震动波、双震源预测评价应力场监测震动能量场动力区划法断层区、煤厚变化、夹矸变化动压观测法煤炮大小频次、打钻动压、动压显现动静载分析综合指数法、多因素耦合、应力分析微震法 时序

38、、动态发展趋势、能量场变化地音法 地音频次、能量的变化率电磁辐射法电磁强度、频次以及发展其实冲击危险监测预警原理61中国矿业大学China University of Mining&Tech.监测预警理论基础应力矿震地音电磁辐射()D W w t 静载应力场断层滑移关键层断裂 矿震动载 1221 2 12021022AAE s xEEEEUUEUUE 震动能量应力降应变增量力-震-能三场监测原理62中国矿业大学China University of Mining&Tech.变形准则 多参量准则000()0()1()ntW t t 归一化准则min max minmax max minmax()

39、/()()/()/iiiiiiF R R R RF R R R RF R R 正向指标 负向指标 双向指标AB0 0l裂隙加速扩展裂隙稳定扩展弹性变形裂隙闭合CDB 矿震出现A 裂隙闭合RC变形指数：(-0)/(l-0)0 0.25 0.5 0.75 10b1b2无 弱 中 强 冲击危险裂隙缓慢发展裂隙快速贯通细观尺度 宏观尺度B1 低能矿震B2 矿震频繁B3 高能矿震C 冲击破坏应力应变本构b3000()0()1()nN t NW t N t NNN min max minmax max min()()/()()()/()ij ijij ijij ijt Q Q Q Qt Q Q Q QWW

40、 1)(1 ee eWtijij 异常指数归一化 力-震-能三场监测原理63中国矿业大学China University of Mining&Tech.震动场、能量场、应力场三场监测原理方法高应力条件下煤岩破裂等动态响应：微震监测、地音监测、电磁辐射监测应力作用下煤岩变形的间接反应：相对应力（应力在线、钻屑法等）、地应力（应力解除法、水力压裂法等）、地球物理方法（震动波主被动CT等）高应力条件下煤岩损伤累计程度的相对度量：冲击变形能、总能量、最大能量 震动场应力场能量场力-震-能三场监测原理64中国矿业大学China University of Mining&Tech.-+CT+-冲击矿压“三

41、场”监测预警流程力-震-能三场监测原理65中国矿业大学China University of Mining&Tech.2、冲击危险性预测与评价冲击危险评价及监测预警66中国矿业大学China University of Mining&Tech.2016/9/1 2016/10/1 2016/9/29 2016/9/26 2016/9/23 2016/9/20 2016/9/17 2016/9/14 2016/9/11 2016/9/8 2016/9/5 2016/9/2 1.31.21.110.90.80.70.60.50.40.30.20.10 稳定增长快速增长缓慢增长冲击危险分区分级监测预

42、警67中国矿业大学China University of Mining&Tech.A 0.75 冲击危险分区分级监测预警68中国矿业大学China University of Mining&Tech.4煤厚度4煤至侏罗系直罗组底岩层间距侏罗系直罗组岩层厚度侏罗系直罗组砂岩厚度采区4煤厚度采区4煤顶板延安组厚度采区直罗组地层厚度采区安定组地层厚度 根据矿井151个钻孔资料，及三维地震资料，建立了三维钻孔可视化模型；分析采区地质构造产状和发育特征，研究覆岩空间分布规律；为建立地质沉积微相及地应力场反演模型提供了支撑。地质沉积微相识别建立三维钻孔地质可视化模型地质沉积与构造异常区识别69中国矿业大学

43、China University of Mining&Tech.三维精细地质力学模型构建非线性反演方法 矿区三维地应力场 Test point-1 Test point-2 Test point-30102030405060Principal stress(MPa)In-situ stress test data In-situ stress regression data反演结果检验 分析区域构造运动及宏观地应力场特征，对矿井地应力进行原位测定；通过区域地应力反演模型获取局部非线性精细反演的边界条件，采用基于遗传算法优化的BP神经网络法对小区域三维地应力场进一步反演。获得较为符合实际的采区三

44、维地应力场分布特征。地质构造异常区识别地应力场多尺度精细反演地质沉积与构造异常区识别70中国矿业大学China University of Mining&Tech.地质沉积多因素叠加确定冲击风险进行矿震分布和地应力场、覆岩结构相关性分析，建立基于沉积微相、工程地质岩组、构造量化、煤系空间结构、地应力分布和强矿震分布特征等的综合地质动力分类分区模型，分析复杂环境地质动力规律及地应力场分布规律，识别冲击矿压危险性。多因素叠加动压显现风险分区地质沉积与构造异常区识别71中国矿业大学China University of Mining&Tech.冲击矿压动力系统地质动力区划预测冲击危险 72中国矿业大

45、学China University of Mining&Tech.板块构造理论工程应用地质动力区划亚板块四级断块三级断块二级断块五级断块工程块体一级断块构造块体板 块1 100 m 10 km 50 km 200 km 500 km 1000 km 500 km 1000 km 5000 km-4-7-8-6-4-20-14-13-15-12-17-18-19-23-7-8-9-5-3-24-21-6-11-103757700037578000 37579000 37580000 37581000 3758200037576000375830003840000 3841000 3842000

46、3843000 3844000 38450003840000 3841000 3842000 3843000 3844000 38450003757700037578000 37579000 37580000 37581000 3758200037576000高应力区应力降低区应力梯度区冲击地压点1-强 活 动 性断裂；2-中 活 动 性 断裂；3-弱 活 动 性断裂；4-井田边界 地质动力区划预测冲击危险73中国矿业大学China University of Mining&Tech.W 2212max1niitniiWWW 1111max1niitniiWWW 综合指数法确定危险等级74中国

47、矿业大学China University of Mining&Tech.15 多因素叠加法划分危险区75中国矿业大学China University of Mining&Tech.应力分析法确定相对危险1 2 1 21nj jiiabckk H H,m 25000N/m3 1 30m 1.3 1 2 30m 1.5 1k1 1.3k2 1.5a 1.4 1b 1.2 1c 1.5 176中国矿业大学China University of Mining&Tech.010203040500 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600垂直应力/MPa距切眼距离/m原岩应力

48、/Mpa 煤柱应力/Mpa 采空区应力/Mpa构造应力/Mpa 水仓应力/Mpa 叠加影响/Mpa已掘泄水未掘泄水巷褶曲褶曲断层水仓入口水仓端头影响 应力分析法确定相对危险77中国矿业大学China University of Mining&Tech.3、力-震-能三场动态监测冲击危险评价及监测预警78中国矿业大学China University of Mining&Tech.钻屑法点检测方法钻屑量钻进过程的动力 效应煤粉粒度大小变化钻孔深度/煤层厚度/1.5 1.53 3 1.5 2 3钻屑量（kg/m）应力场监测钻屑法79中国矿业大学China University of Mining&T

49、ech.应力在线监测法压力/MPa应力场监测应力在线法 直接监测煤岩体内应力大小 优点：连续24h在线测应力的大小 缺点：难以适应脆性煤体刚度的变化，变形、断裂特性，监测效果差应力监测点的应力值，单位为Mpa。应力变化率危险性判别指标：80中国矿业大学China University of Mining&Tech.工作面矿压监测来压危险系数ptp p pp0(0),p=(0 111tpp）（）0.00-0.25 0.25-0.50 0.50-0.75 0.75-1.00 应力场监测矿压监测法81中国矿业大学China University of Mining&Tech.P V）（应力与波速间具

50、有正相关关系XM2 波速异常值An 波速变化梯度VG 应力集中系数 1/()papV anaVG VGAVG appnapVVAV 弹性波CT透视原理应力与波速正相关 弹性波CT（主动）探测 震动波CT（被动）探测 双震源一体化CT探测应力场探测CT应力场探测法82中国矿业大学China University of Mining&Tech.弹性波（主动）CT探测技术星村煤矿E3207面P波分布S波分布应力场探测CT应力场探测法83中国矿业大学China University of Mining&Tech.震动波（被动）CT探测3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500