冲击地压预测方法

40冲击地压预测方法第一节概述冲击地压预测是防治工作的重要部分。准确的预测对及时采取区域性防范措施和局部性解危措施十分重要。冲击地压的预测包括时间、地点和规模。它包括在实验室对煤层的力学性质和冲击倾向鉴别及在采掘过程中对冲击危险程度的鉴别。所谓冲击危险是指发生冲击地压的可能性。冲击危险程度是指发生冲击地压的规模。预先查明矿区各矿井有冲击危险的煤层就可以制定合理的矿区规划和矿井设计，采用正确的开拓开采方式，从根本上消除或减缓冲击地压危害。在有冲击地压危险的矿井进行采掘过程中的预测，可以指导人们在危险区及时采取治理措施，避免冲击地压危害。因此，冲击地压预测工作可以分阶段进行，在煤田地质勘探阶段，利用钻孔岩芯进行力学试验，测定煤岩的冲击倾向性。利用详查和精查勘探中的资料评价影响冲击地压的主要地质因素，包括埋藏深度、地质构造、顶底板，尤其是老顶的岩性及厚度、煤岩强度及变形特性等；在矿井建设阶段，利用井巷揭露出的煤层和岩层进行进一步的力学试验，评价煤岩层的冲击倾向和分析新获得地质资料，选择合理的开采方法和相应的防范措施；对于生产矿井，开采到一定深度（始发深度）后，应按照《冲击地压煤层安全开采暂行规定》进行管理。由于冲击地压一般发生在采掘工作面及其附近地段，因此要在生产过程中进行经常性的冲击危险预测工作，以便及时地采取解危措施，保证安全生产。冲击地压的预测是基于对冲击地压发生机理的认识。目前冲击地压的预测都是围绕冲击地压发生的强度条件和能量条件进行的。通过对煤岩体的应力水平和分布状态以及能量积蓄和释放等变化进行监测，在时空上判断煤岩体破坏形式、规模和释放能量的大小，并以此来进行冲击地压的预测。一般情况下，冲击地压发生在采掘工作面的应力集中区。应力集中产生于开采深度大（自重应力），岩体中存在地质构造应力，采掘空间周围应力集中，残留煤柱边缘区，断层和相邻采掘空间的附加应力等。它的峰值越大，峰值位置距离煤壁越近，发生冲击地压的危险性越大。支承压力使煤层受到压缩，顶底板发生闭合变形。冲击地压发生前煤岩变形停滞，顶底板移动速度变缓，煤由工作面压出（煤层侧向变形）也变缓。受到压缩的煤层和发生变形的顶底板以弹性变形的方式承受高压，并积存大量变形能。通过监测变形能变化引起的声发射和微震活动，就可推断冲击危险程度。积存能量多，冲击危险性就大。如果是经多次释放，则释放的规模小。如果是一次集中释放，则冲击强烈。这种煤层（矿层）及其围岩的应力、应变和变形能的变化与冲击地压的关系，就是预测冲击危险的基础。煤岩力学性质的测定工作及冲击倾向性鉴别应遵照煤炭部颁发的《煤和岩石物理力学性质测定方法》和煤炭行业标准《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》及《岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法》进行。如同冲击倾向鉴别一样，判别冲击危险程度也需一些具体的判别条件。各种预测方法的冲击危险判据的建立，必须针对具体、生产地质条件，采取理论联系实际，实验室试验与现场试验相结合的方法具体确定。冲击地压的预测方法，除了以往的经验类比法外，大致可以分为两类。一类是以钻屑法为主的局部探测法，包括煤岩体变形观测法（顶板动态、围岩变形）、煤岩体应力测量法（相41对应力测量，绝对应力测量）、流动地音检测法、岩饼法等，主要用于探测采掘局部区段的冲击危险程度。这类方法简便易行，直观可靠，已经得到广泛应用。其缺点是预测工作在时间和空间上不连续，费工费时；第二类是系统监测法，包括地音系统监测法和微震系统监测法，以及其它地球物理方法（电磁辐射、地温、地磁等）。根据连续记录煤岩体内出现的动力现象预测冲击地压危险状态。所依据的基本条件是岩体结构的危险破坏过程，是以超前出现的一系列物理现象为信息的。这些物理现象的出现被视为动力破坏的前兆。通常是在井上下设置测点，建立冲击危险区的监测网，把连续收集记录的地音和微震信号传输到监测站，利用计算机自动进行数据整理和加工分析，预测监测区的冲击危险。这类方法可以实现在空间上和时间上的连续监测。但维护管理较困难，分析数据和判定煤岩体的力学状态难度较大，需要经过长期试验，积累大量经验数据，方可准确预测。第二节经验类比法发生过冲击地压的矿井都积累了一些经验教训，对以往经验教训做出规律性的总结，并用于指导本矿或相似条件的其它矿井冲击地压煤层安全开采的方法称为经验类比法。在总结和使用经验类比法时，应着重考虑下列因素：本矿和邻矿的冲击地压现状和发展趋势；本煤层或邻层、邻区已发生过冲击地压；煤层老顶为厚5m以上、单轴抗压强度大于70MPa的坚硬岩层；岛形或半岛形煤柱；支承压力影响区；上部或下部遗留煤柱或回采边界，煤层厚度或倾角突然变化区；褶曲或断裂构造带等。就整个矿井而言，通过地质条件和开采技术条件的分析，可以圈定冲击地压可能发生的区域。随着开采深度的延深，当煤岩体应力满足强度条件时就可能发生冲击地压。始发冲击的深度通常称临界深度。从始发深度起，冲击地压就可能在煤柱、煤层凸出部位和邻近煤柱的上下煤层区段发生，并随着开采水平的延深，冲击地压发生地点和范围也随之扩大。所有靠近采掘工作面的区域，煤层厚度和倾角突然变化的区域，以及地质构造带都可能成为发生冲击地压的危险区域。根据地质条件和生产技术条件的分析，按照第三章论述的冲击地压发生条件和影响因素，首先应该圈定以下区域为冲击地压特别危险区：1）断层、褶曲、煤层突然变化区域。2）采空区周围。3）本层或邻层的开采边界或遗留煤柱影响区。4）工作面前方回采巷道或其它巷道。在掘进巷道和进行回采时，冲击危险的客观标志是生产过程（打眼放炮、风镐落煤、采煤机割煤等）中伴随有弹射、微冲击现象。这些现象通常不是个别出现的，而是伴随一定采掘过程而出现的性质相同的一系列现象。例如掘进工作面中的弹射，通常是在每次掏槽爆破之后立即发生。在采煤工作面，每次放炮以后半小时内出现相当强烈的弹射。如果是在有冲击危险的煤层中打眼和割煤就会频繁地发生弹射和微冲击现象。影响冲击地压的主要因素有地质方面的因素（如开采深度、煤层的物理力学特性、顶板岩层的结构特征、地质构造等），也有开采技术方面的因素（如上覆煤层的停采线、残采区、采空区、煤柱、老巷、开采区域的大小等）。根据这些冲击地压影响因素的分析，确定采掘工作面周围采矿地质条件的每个因素对冲击地压的影响程度，以及确定各个因素对冲击地压42危险状态影响的指数，将其综合起来，就可以形成冲击地压危险状态等级评定的综合指数法，从而为冲击地压的治理打下基础。一、影响冲击地压危险状态的地质因素及指数影响冲击地压的主要因素有开采深度、顶板坚硬岩层、构造应力集中、煤层冲击倾向性等。表4-1为采掘工作面周围地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数。这样，就可以根据表4-1，用公式（4-1）来确定采掘工作面周围采矿地质条件对冲击地压危险状态的影响程度以及确定冲击地压危险状态等级评定的指数Wt1。表4-1地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击地压危险指数1W1发生过冲击地压该煤层未发生过冲击地压-2该层发生过冲击地压0采用同种作业方式在该层和煤柱中多次发生过冲击地压32W2开采深度小于500m0500～700m1大于700m23W3顶板中坚硬（σC≥60Mpa）厚岩层距煤层的距离100m0100～50m150m34W4开采区域内的构造应力集中10%正常120%正常230%正常35W5顶板岩层厚度特征参数Lst500≥5026W6煤的抗压强度σC≤16Mpa0σC16Mpa27W7煤的冲击能量指数WETWET202≤WET52WET≥54111max11niiniit（4-1）式中：Wt1——采矿地质因素确定的冲击地压危险指数。Wimax——表4-1中第i个地质因素的中的最大指数值。Wi——采掘工作面周围第i个地质因素的实际指数。n1——地质因素的数目。二、影响冲击地压危险状态的开采技术因素及指数同样，根据开采技术条件、开采历史，煤柱、停采线等这些开采历史和开采技术因素，确定响应的影响冲击地压危险状态的指数，从而为冲击地压的预测预报和危险性评价，冲击43地压的治理提供依据。表4-2为我们研究的采掘工作面周围的开采技术因素对冲击地压的影响程度及指数。表4-2开采技术条件影响冲击地压危险状态的因素及指数序号因素危险状态的影响因素影响因素的定义冲击地压危险指数1W1工作面距残留区或停采线的垂直距离60m060～30m230m32W2未卸压的厚煤层留顶煤或底煤厚度大于1.0m33W3未卸压一次采全高的煤厚3.0m03.0～4.0m14.0m34W4两侧采空，工作面斜长为300m0300～150m2150m45W5沿采空区掘进巷道无煤柱或小于3m小煤柱03～10m的煤柱210～15m的煤柱46W6接近采空区的距离小于50m掘进面2回采面3接近煤柱的距离小于50m掘进面1回采面37W7掘进巷道接近老巷的距离小于50m老巷已充填1老巷未充填2回采工作面接近老巷的距离小于30m老巷已充填1老巷未充填2面接近分叉的距离小于50m掘进面或回采面38W8面接近落差大于3m断层的距离小于50m接近上盘1接近下盘29W9面接近煤层倾角剧烈变化的皱曲距离小于50m15°210W10面接近煤层侵蚀或合层部分掘进面或回采面211W11开采过上或下解放层，卸压程度弱-2中等-4好-812W12采空区处理方式充填法2垮落法0这样，可以根据表4-2，用下式来确定采掘工作面周围开采技术条件对冲击地压危险状态的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数Wt2。221max12niiniit（4-2）式中：Wt2——开采技术因素确定的冲击地压危险指数；Wimax——表4-2中第i个开采技术因素的危险指数最大值；Wi——采掘工作面周围第i个开采技术因素的实际危险指数；n2——开采技术因素数目。44三、冲击地压危险程度的预测预报以上给出了采掘工作面周围地质因素和采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数Wt1和Wt2的具体表表达式，根据这两个指数，用下式就可以确定出采掘工作面周围冲击地压危险状态等级评定的综合指数Wt。,max21ttt（4-3）式中，Wt为某采掘工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数，以此可以圈定冲击地压危险程度。a)Wt0.3，为无冲击危险。b)Wt=0.3～0.5，为弱冲击危险。c)Wt=0.5～0.75，为中等冲击危险。d)Wt=0.75～0.95，为强冲击危险。e)Wt0.95，为不安全。应该指出，利用上述调查分析的数据，对大范围的冲击地压危险进行预测十分必要。可以通过数值分析的方法，包括有限元法，边界元法等，在开采计划制定阶段，或在开采过程中，对相应的区域进行岩体应力分布计算。这对预测大范围的冲击危险是有一定作用的。便于在开采设计中提前采取必要的防范措施。第三节钻屑法预测冲击地压的常规方法主要根据两个条件，一是煤的冲击倾向，二是支承应力带特征，即支承压力峰值大小及其距煤壁的远近。如果支承压力参数达到临界值，并且煤层又具有冲击倾向，那么冲击地压就可能发生。对于煤的冲击倾向可以先通过经验类比法估测，进而进行实验室试验确定。而支承压力带参数的测定，一般多采用钻屑法探测。钻屑法是通过在煤层中打直径为42～50mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法。由于这种方法能同时检测多项与冲击地压有关的因素，而且简便易行，所以成为普遍采用的一种方法。《煤矿安全规程》中规定“开采有冲击地压的煤层时，冲击危险程度和采取措施后的实际效果，可采用钻粉率指标、地音法、微震法等方法确定”，在《冲击地压煤层安全开采暂行规定》中不仅规定了采用钻屑法预测冲击危险程度，而且制定了钻屑法试行技术规范。因此钻屑法的实施应该按照技术规范进行。钻屑法的基本理论和最初试验是20世纪60年代由德国和苏联的学者实现的。该方法基于受压煤层中钻小直径钻孔，当钻孔进入煤体高应力区域时，钻进过程呈现动态特征，孔壁煤体部分可能突然挤入孔内，并伴有振动