沖擊地壓防控新技術潘一山遼寧大學煤礦重大動力災害協同創新中心2016年7月28日沖擊地壓防控新技術潘一山遼寧大學1一、沖擊地壓的嚴重性二、沖擊地壓預測新技術三、沖擊地壓防治新技術四、沖擊地壓防控的幾點建議提綱一、沖擊地壓的嚴重性提綱2一、沖擊地壓的嚴重性一、沖擊地壓的嚴重性3煤礦沖擊地壓煤礦沖擊地壓4煤礦沖擊地壓煤礦沖擊地壓5過去一年來國內沖擊地壓事故2015年5月26日艾友煤礦發生沖擊地壓事故造成4人死亡，3人受傷。2015年7月26日，星村煤礦發生沖擊地壓事故，造成1人受傷；2015年7月29日，趙樓煤礦發生一起沖擊地壓事故，造成5人受傷；2015年12月22日，耿村煤礦發生沖擊地壓事故，2人死亡。過去一年來國內沖擊地壓事故2015年5月26日艾友煤礦發6美國克蘭德爾峽谷煤礦沖擊地壓震源位置破壞區域鉆孔采空區礦工死亡受傷位置兩次沖擊事故及人員傷亡位置8月6日人員位置房柱號最小破壞區域8月16日人員位置長壁式采煤法長壁式采煤法房柱式采煤法3月沖擊位置2007年8月6日，美國尤它州，克蘭德爾峽谷煤礦發生沖擊地壓事故，震級3.9，造成6人死亡。8月16日救援過程中，又發生沖擊地壓，造成3人死亡，6人受傷。美國克蘭德爾峽谷煤礦沖擊地壓震源位置破壞鉆孔采空區礦工死亡兩72014年4月16日，澳大利亞澳星煤礦發生沖擊地壓事故，2名礦工被埋死亡。澳大利亞澳星煤礦沖擊地壓事故沖出的煤體搜救現場采煤聯合機煤層1巷道寬5.5m，高2~3m432沖擊地壓發生地點，（2人死亡位置）其它六個礦工位置錨桿、錨索聯合支護方式2014年4月16日，澳大利亞澳星煤礦發生沖擊地壓事故，282016年2月25日俄羅斯科米共和國北方煤礦780m深處發生沖擊地壓事故，共造成36人死亡，其中包括28日救援過程中，礦井又發生瓦斯爆炸，造成5名救援人員和1名礦工遇難。俄羅斯北方煤礦沖擊地壓事故2016年2月25日俄羅斯科米共和國北方煤礦780m深處發生9淺部礦井發生沖擊地壓新疆、甘肅等西部省區，已有多個礦的淺埋煤層（埋深＜350m）發生了沖擊地壓。傳統理論認為無沖擊危險礦井發生沖擊地壓“三軟”礦區（如徐州東部礦區）也發生了嚴重的沖擊地壓事故。普遍認為不發生沖擊地壓的褐煤發生沖擊地壓褐煤（如平莊礦區），已有沖擊地壓發生。新礦井建設期間開拓大巷沖擊地壓發生原有的認識認為只有充分采動或進入深部的生產礦井才會發生沖擊地壓。無沖擊礦井出現沖擊地壓淺部礦井發生沖擊地壓無沖擊礦井出現沖擊地壓10我國煤礦已發生的9020次破壞性沖擊地壓，對2510次有相關記錄數據的進行研究，發現發生在巷道中的沖擊地壓2178次，占沖擊地壓總數的86.8%。巷道沖擊嚴重傳統支護難以滿足防沖要求我國煤礦已發生的9020次破壞性沖擊地壓，對25111未進入深部開采深部開采

未進入深部開采，沖擊地壓、瓦斯突出、自然發火、礦井突水等災害單一發生。

進入深部開采，沖擊地壓和瓦斯突出、自然發火、礦井突水等災害復合發生，具有沖擊地壓+新特點。復合災害：沖擊地壓+未進入深部開采深部開采未進入深部開采，沖擊地12平煤十礦2007.11.12事故低于全礦井相對瓦斯涌出量27.4m3/t底板大裂縫底鼓500mm支護損毀支護損毀沖擊地壓特征煤與瓦斯突出特征兼具突出和沖擊特征（1000米采深）沖擊-突出復合平煤十礦2007.11.12事故低于全礦井相對瓦斯涌出量2713省份礦井沖擊危險程度煤層自然發火傾向河南千秋、耿村、常村、躍進、楊村強沖擊危險極易自燃，最短發火期7天山東華豐、孫村、潘西、新巨龍、華恒、協莊、良莊、鄂莊、趙莊、東灘、趙樓強沖擊危險自然發火傾向性為Ⅱ類，最短發火期為42天遼寧阜新五龍、老虎臺強沖擊危險極易自燃最短自然發火期為13天吉林龍嘉堡、西安沖擊危險極易自燃最短自然發火期為20天山西同家梁、煤峪口、忻州窯、白洞、四老溝沖擊危險易自燃最短自然發火期為30天黑龍江富力、俊德、南山、興安、東歡坨沖擊危險I、Ⅱ類自燃煤層最短自然發火期為50天沖擊-發火復合省份礦井沖擊危險程度煤層自然發火傾向河南千秋、耿村、常村、躍14沖擊-發火復合

千秋煤礦，2008年6.5沖擊地壓事故死亡13人，原因之一為工作面開采過程中5月12日采空區發生嚴重火災。之后采取加快工作面推進速度，導致沖擊地壓發生，沖擊地壓發生后，工作面推進速度減慢，7月又一次發生采空區發火災害。防沖防火開采速度沖擊-發火復合千秋煤礦，2008年6.515沖擊地壓孕育發生，導致裂隙的進一步貫通，沖擊地壓促進突水；

礦井突水發生后，巖層應力集中促進煤巖裂紋擴展，助推沖擊地壓的形成，礦井突水促進沖擊地壓。沖擊-突水復合沖擊地壓孕育發生，導致裂隙的進一步貫通，沖擊地壓促16目前我國已有177個沖擊地壓礦井，分布于20個省(市、自治區)。146167443115333485161410產煤省市沖擊地壓顯現省市113遼寧16吉林6山東43安徽5黑龍江14江西3河南16重慶3江蘇8新疆4北京7陜西3山西11內蒙古1河北4湖南14四川3貴州10甘肅5廣東1合計177全國177個沖擊地壓礦井目前我國已有177個沖擊地壓礦井，分布于20個省(市17沖擊地壓礦井增長趨勢隨著時間，沖擊地壓礦井數量不斷增加沖擊地壓礦井數量逐年增加沖擊地壓礦井增長趨勢隨著時間，沖擊地壓礦井數量不斷增18二、沖擊地壓預測新技術二、沖擊地壓預測新技術19根據煤巖沖擊傾向性預測沖擊傾向性是發生沖擊地壓的內因。沖擊地壓危險性的宏觀預測根據煤巖沖擊傾向性預測沖擊地壓危險性的宏觀預測20根據活動構造預測沖擊地壓礦井活動構造帶

構造活動直接控制沖擊地壓的發生。根據活動構造預測沖擊地壓礦井活動構造帶21根據區域地質構造預測Ⅲ級活動斷裂控制著平頂山東部礦區八礦、十礦和十二礦動力災害的發生。Ⅲ級斷裂

Ⅳ級斷裂

Ⅴ級斷裂

動力災害點

根據區域地質構造預測Ⅲ級活動斷裂控制著平頂山東部礦區八礦、十22勝利龍鳳礦門頭溝西安老虎臺房山天池城子大臺南桐一井永定莊唐山陶莊臺吉煤峪口八一硯石臺忻州南山擂鼓三河尖姚橋孫村八景峨四井孔莊富力張莊振興濟寧三號躍進始發深度/m0100200300400500600700800900始發深度根據開采深度預測始發深度：一般為200m～400m，少數礦井達到500m以上。勝利龍鳳礦門頭溝西安老虎臺房山天池城子大臺南桐一井永定莊唐山23根據應力集中區預測背斜向斜阜新孫家灣礦：2000年，5.28事故，2.9級，死亡4人。位置：孫家灣向背斜軸間。根據應力集中區預測背斜向斜阜新孫家灣礦：2000年，5.2824根據煤層厚度變化預測

阜新五龍礦：3311綜放面，煤層厚度變化大，忽厚忽薄。2002年掘進時發生了4.18沖擊地壓，造成8人死亡。2003年回采時到附近位置又發生了3.28沖擊地壓，一死4傷。3311皮帶道3311風道開切眼28m50m回采掘進采終線221區采空區煤層變化帶根據煤層厚度變化預測阜新五龍礦：3311綜25根據孤島煤柱預測

開灤唐山礦發生13次破壞的沖擊地壓，均發生在孤島和半孤島煤柱。孤島煤柱根據孤島煤柱預測開灤唐山礦發生13次破壞的沖擊地壓，均26根據工作面“見方”預測

雙鴨山集賢煤礦西二采區單工作面“見方”階段、雙工作面“見方”階段、三工作面“見方”階段為沖擊危險區。集賢煤礦西二采區九層左一片工作面回采過程沖擊危險性區域劃分根據工作面“見方”預測雙鴨山集賢煤礦西二采區單工作面“見方27巷道擴修增加了沖擊地壓發生概率吉林龍家堡煤礦：

60%以上沖擊地壓均與巷道擴修有關。根據巷道擴修預測巷道擴修增加了沖擊地壓發生概率吉林龍家堡煤礦：根據巷道擴修預28工作面同采對沖擊地壓的影響雙工作面同時推進比單工作面推進沖擊地壓釋放能量和頻次都大。根據開采互相影響預測頻次能量工作面同采對沖擊地壓的影響雙工作面同時推進比單工作面推進沖擊29根據開采速度預測華豐礦2408采面沖擊能量與產量關系根據開采速度預測華豐礦2408采面沖擊能量與產量關系30

鉆屑法監測沖擊危險性沖擊地壓危險性最簡單、直觀的檢測方法。鉆屑量測試結果沖擊地壓危險性的儀器監測鉆屑法監測沖擊危險性沖擊地壓危險性最簡單、直觀的檢測方法。31煤粉收集煤粉重量計量鉆屑溫度監測鉆桿扭矩推力監測鉆機巷道煤壁巖體應力分布ρ

平頂山礦區，通過鉆屑排粉重量、鉆屑溫度、鉆桿扭矩和臨界指標對比，確定沖擊危險性。鉆屑溫度、鉆桿扭矩監測沖擊危險性煤粉收集煤粉重量計量鉆屑溫度監測鉆桿扭矩推力監測鉆機巷道煤壁32

采動應力監測沖擊危險性峻德煤礦2013年3.15沖擊地壓發生前，采動應力監測值較高，而沖擊地壓發生后采動應力降低。采動應力監測沖擊危險性峻德煤礦2013年333KJ21支架壓力在線監測系統結構新疆寬溝煤礦沖擊地壓發生時支架壓力工作面沖擊后操作簡單，適用于堅硬頂板條件下的工作面沖擊地壓監測預報支架壓力監測沖擊危險性沖擊地壓KJ21支架壓力在線監測系統結構新疆寬溝煤礦沖擊地壓發生時支34井下微震監測沖擊危險性SOSAREMISISSESG井下微震監測沖擊危險性SOSAREMISISSESG358Ch數據采集器微震傳感器微震傳感器三分向振動傳感器WiFi中繼站臺陣數據中心用戶終端陣列機交換機服務器振動傳感器GPS授時高密度高頻無線地面微震實時監測系統地面微震監測沖擊危險性8Ch微震傳感器微震傳感器三分向WiFi中繼站臺陣數據中心用36傳感器定位安裝微震儀監測界面五龍礦測點布置情況五龍礦地面微震監測設備現場應用傳感器定位安裝微震儀監測界面五龍礦測點布置情況五龍礦地面微震37西瓦礦震發生時刻：2014年9月23號11:07原始信號。震級：2.9礦區中心孫家灣五龍礦地面微震監測設備現場應用西瓦礦震發生時刻：2014年9月23號11:07原始信號。震38

對應集賢煤礦沖擊地壓區域的開采進度，五個監測點。集賢礦地面微震監測設備現場應用對應集賢煤礦沖擊地壓區域的開采進度，五個監測點。39優點：操作簡單，投入較低缺點：電磁干擾比較嚴重千秋煤礦21141掘進工作面50m范圍電磁輻射數據變化趨勢電磁輻射監測沖擊危險性強度測試時間優點：操作簡單，投入較低千秋煤礦21141掘進工作面50m范40電荷感應法監測沖擊危險性北京、平頂山、雙鴨山礦區。工作面距離停采線110m破碎區應力集中區原巖應力區工作面見方期便攜式和在線式煤巖電荷監測設備電荷感應法監測沖擊危險性北京、平頂山、雙鴨山礦區。工作面距離41破裂（震動）裂隙發展應力變化曲線應力監測+聲發射監測+微震監測塑性區彈性區應力場裂隙場震動場應力在線監測彈性波CT探測鉆屑法監測聲發射監測電磁輻射監測電荷感應監測微震監測巷道沖擊地壓危險性的綜合預警破裂（震動）裂隙發展應力變化曲線應力監測+聲發射監測42平頂山礦區沖擊危險性綜合預測等級Ⅰ：作業中進行危險狀態的抽測。等級Ⅱ：確定檢測指標處于安全狀態，可進行采礦作業。等級Ⅲ：采取兩種及以上組合的局部解危措施。等級Ⅳ：采取綜合性解危措施。等級Ⅴ：采取綜合性解危措施，加強巷道的強力支護等。平頂山礦區沖擊危險性綜合預測等級Ⅰ：作業中進行危險狀態的抽測43沖擊地壓復合動力災害，既要通過預測區分復合動力災害的類型，還要通過預測確定復合動力災害的危險等級。沖擊地壓復合災害一體化預測沖擊地壓復合動力災害，既要通過預測區分復合動力災害的類44監測物理量危險級別瓦斯突出突出-沖擊沖擊-突出沖擊地壓鉆屑量S(kg/m)I<6.0<5.5<4.5<3.5II6~95.5~7.54.5~6.03.5~5.0III>9>7.5>6.0>5.0鉆屑粒度(%)I>20>24<27<31II20~1524~2027~3031~35III<15<20>30>35瓦斯解吸指標Δh2(Pa)I<200<150<70<35II200~500150~40070~20035~150III>500>400>200>150相對鉆屑溫度T(℃)I>-7>-4<7<17II-7~-19-4~-137~1717~32III<-19<-13>17>32鉆屑溫度衰減指數nI<0.13<0.11<0.09<0.08II0.13~0.150.11~0.130.09~0.110.08~0.09III>0.15>0.13>0.11>0.09動力現象瓦斯噴出瓦斯涌出卡鉆聲響、卡鉆煤體溫度信號監數據沖擊地壓信號異常煤與瓦斯突出信號異常平煤八礦沖擊-突出復合災害鉆屑溫度一體化預測監測物理量危險級別瓦斯突出突出-沖擊沖擊-突出沖擊地壓鉆屑量45最大值波動較大最小值幾乎為零最小值、平均值與最大值幾乎相同最大值波動，最小值不波動根據煤巖電荷信號，區分災害類型，提出了煤巖電荷分類預測技術沖擊-突出復合災害電荷一體化預測最大值波動較大最小值、平均值與最大值波動，最小值不波動46煤與瓦斯突出微震波形微震信號呈陣列式斷續發生，間隔越來越短，能量越來越大。一次釋放能量，震級遠大于突出。沖擊地壓微震波形沖擊-突出復合災害微震一體化預測煤與瓦斯突出微震波形微震信號呈陣列式斷續發生，間隔越來越短，47三、沖擊地壓防治新技術三、沖擊地壓防治新技術48斷層錯動型頂板斷裂型PP塑性區彈性區煤體壓縮型

沖擊地壓的三種類型沖擊地壓針對性防治斷層錯動型頂板斷裂型PP塑性區彈性區煤體壓縮型49厚煤層、煤體釋放彈性能為主煤體拋出量:1~100t破壞半徑:1~40m震級:1~2.4ML

煤層注水、卸壓爆破針對煤體壓縮型沖擊地壓防治厚煤層、煤體釋放彈性能為主50頂板斷裂型P堅硬頂板、頂底板巖層釋放變形能為主煤體拋出量:100~600t破壞半徑:30~80m震級:2.4~3.2ML針對頂板斷裂型沖擊地壓防治頂板斷裂型P堅硬頂板、頂底板巖層釋放變形能為主針對頂板斷裂型511#2#3#斷底孔風巷煤層底板頂板破煤孔斷頂孔鉆孔裝藥封孔起爆

控制頂板斷裂型沖擊地壓發生，集賢礦深孔爆破斷頂-破煤-斷底1#2#3#斷底孔風巷煤層底板頂板破煤孔斷頂孔鉆孔裝藥封孔起52斷層錯動型斷層帶、斷層位移釋放能量煤體拋出量>800t破壞半徑>80m震級>3.0ML

針對斷層錯動型沖擊地壓，釋放能量主體為斷層上下盤錯動，避開斷層布置采煤工作面；無法避開時，采取在斷層開始回采措施；無法從斷層開始布置時，在工作面距離斷層50m采用松動爆破。針對斷層錯動型沖擊地壓防治斷層錯動型斷層帶、斷層位移釋放能量針對斷層531.02.03.04.0“降”合理開采布局、保護層開采等“卸”鉆孔卸壓、深孔爆破、等0.0“讓”大流量安全閥等防治方法震級/ML“抗”高強度支架等“護”防沖服等根據震級沖擊地壓分級防治1.02.03.04.0“降”合理開采布局、保護層開采等“卸54劃分采區時保證合理的開采順序采面避免相向開采推行無煤柱開采禁止向采空區方向推進

老虎臺礦對生產布局及開采程序進行調整，大大減少了誘發沖擊地壓的煤柱高應力集中區域。“降”—合理開采布局劃分采區時保證合理的開采順序老虎臺礦對生產布55Ｈhh=(1/3~1/2)H

對強沖擊厚煤層，應力集中區域回風順槽采用起底1/3-1/2的布置方式，降低沖擊危險性。“降”—改進巷道布置方式華豐礦Ｈhh=(1/3~1/2)H對強沖擊厚煤層，應力集中區域56

華豐煤礦4煤具有強烈沖擊傾向性，6煤無沖擊傾向性。進行了采6煤、保4煤保護層開采。“降”—開采保護層華豐煤礦4煤具有強烈沖擊傾向性，6煤無沖擊傾57鉆孔直徑、間距、長度、布置方式、卸壓時機實施大直徑鉆孔卸壓。“卸”—大直徑強排粉鉆孔龐莊礦鉆孔直徑、間距、長度、布置方式、卸壓時機實施大直徑鉆孔卸壓58卸壓硐室可以有效的將運輸巷應力進行轉移，大大減小運輸巷的變形，減沖、消沖作用明顯。千秋礦“卸”—卸壓硐室卸壓硐室可以有效的將運輸巷應力進行轉移，大大減小運輸巷的59最大瞬時流量6000L/min。適合于沖擊地壓礦井防沖支護裝備的安全保護。示意圖實物圖“讓”—考慮沖擊的大流量卸壓安全閥最大瞬時流量6000L/min。適合于沖擊地壓礦井防沖支護裝60大流量卸壓閥巷道門式液壓支架在沖擊力下，通過大流量卸壓閥快速開啟，高速泄壓，快速為圍巖讓位卸壓，保護液壓支架不受損壞，維護圍巖穩定性。工作面綜采防沖液壓支架巷道自移式防沖液壓支架“讓”—考慮沖擊的大流量卸壓安全閥大流量卸壓閥巷道門式液壓支架在沖擊力下，通過大流量卸61巷道中安裝邁步式液壓支架或門式液壓支架撫順老虎臺礦義馬躍進礦“抗”—高強度聯合支護巷道中安裝邁步式液壓支架或門式液壓支架撫義“抗”—高強度聯合62防沖服、防沖頭盔“護”—人員防護措施防沖擊屋、壓風自救防沖服、防沖頭盔“護”—人員防護措施防沖擊屋、壓風自救63錨桿失去托錨基礎整個錨固圍巖體破壞錨桿尾部斷裂錨桿與圍巖產生相對位移沖擊載荷作用下錨桿（索）典型失效形式傳統錨桿、錨索支護難以抵抗沖擊沖擊地壓吸能支護錨桿失去托錨基礎整個錨固圍巖體破壞錨桿尾部斷裂錨桿與圍巖64（1）圍巖變形前—安裝吸能錨桿（2）圍巖準靜態變形中—抵抗、吸收變形能（3）圍巖沖擊變形中—快速讓位吸能吸能防沖錨桿（1）圍巖變形前（2）圍巖準靜態變形中（3）圍巖沖擊變形65原方案：

錨網、"U36"型鋼棚復合支護

錨桿長度2.0m、φ20mm

間、排距為800mm×1000mm

棚距為800mm

螺紋鋼錨桿+吸能錨桿+金屬網

新方案：

螺紋鋼錨桿長度2.2m、φ22mm，間、排距為800mm×1000mm；吸能錨索間距為1600mm，排距為2000mm；"U36"型鋼棚，鋼棚間距為1600m。試驗方案對比吸能防沖錨桿在老虎臺礦的工程應用原方案：錨網、"U36"型鋼棚復合支護錨桿長度2.0m、662010年8.11沖擊地壓2011年3.1沖擊地壓傳統巷道液壓支架難以抵抗沖擊義馬躍進礦-門式支架破壞形式被撅斷抬起的底梁頂梁歪倒，柱頭折斷頂梁鉸接處撕裂立柱折彎2010年8.11沖擊地壓2011年3.1沖擊地壓傳統巷道液67工作面防沖支架吸能結構門式吸能防沖液壓支架吸能裝置自移式吸能防沖液壓支架吸能頂梁吸能防沖液壓支架在沖擊地壓發生時，通過屈曲吸能讓位，緩解支架受到的沖擊，保護支護體系不被沖擊所破壞。工作面防沖支架吸能結構門式吸能防沖液壓支68對其幾何參數、材質性能、加工工藝以及使用方法進行了研究，以達到現場實際應用技術要求。雙節吸能構件屈曲吸能過程門式吸能防沖液壓支架對其幾何參數、材質性能、加工工藝以及使用方法進行了研69巷道支護的現場圖片巷道垛式支架(液壓抬棚)門式吸能防沖液壓支架吸能裝置門式吸能防沖支架與液壓抬棚交替支護，以此加大此區域的支護強度和支護體系抗沖擊能力，增強巷道穩定性。門式支架支護設計門式吸能液壓支架在常村礦的工程應用巷道支護的現場圖片巷道垛式支架(液壓抬棚)門式吸能防沖液壓支70

2016年5月5日沖擊地壓，能量達7.56E+04J，微震導致第5架和第24架門式吸能液壓支架中立柱上機械式壓力表發生爆表損壞，壓力表上限60MPa，但支架支護的圍巖沒有發生明顯變形。震源門式吸能液壓支架在常村礦的工程應用2016年5月5日沖擊地壓，能量達7.56E71支架結構整體沖擊破壞傳統U型鋼支護難以抵抗沖擊支架結構整體沖擊破壞傳統U型鋼支護難以抵抗沖擊72支架局部屈曲變形破壞傳統U型鋼支護難以抵抗沖擊支架彎折破壞搭接段折斷與撕裂拉桿破壞與背板失效支架局部屈曲變形破壞傳統U型鋼支護難以抵抗沖擊支架彎折破壞搭73防控巷道沖擊地壓U型鋼支護結構，包括：抗沖U型鋼支架、壁后吸能緩沖填充層、吸能減震分區化圍巖等。采用木材等可吸能緩沖的材料或構件。抗沖U型鋼支架吸能減震圍巖吸能緩沖壁后填充提高型鋼與卡攬的強度；深孔爆破等形成分區破碎圍巖。防控巷道沖擊地壓U型鋼支護結構防控巷道沖擊地壓U型鋼支護結構，包括：抗沖U型鋼支架、壁后吸74頂底板位移變化曲線兩幫位移變化曲線沖擊事件分布平面圖對比沖擊事件前后巷道圍巖變形，新設計的O型棚支護段巷道圍巖變形明顯小于原O型棚支護段巷道圍巖變形，抗沖擊地壓等級明顯增大。支護效果分析防控沖擊地壓U型鋼在老虎臺礦工程應用頂底板位移變化曲線兩幫位移變化曲線沖擊事件分布平面圖對比沖擊75沖擊-突出復合動力災害，兩種災害耦合在一起，防治了煤與瓦斯突出，有可能還發生沖擊地壓；防治了沖擊地壓，有可能還發生煤與瓦斯突出。為此必須一體化防治。沖擊地壓復合災害一體化防治沖擊-突出復合動