D01:10.13374.ism1001053x.2007.11.005 第29卷第11期 北京科技大学学报 Vol.29 No.11 2007年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2007 煤矿冲击矿压的强度弱化 陆菜平 窦林名)吴兴荣) 张士斌) 牟宗龙 1)中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州2210082)徐州三河尖煤矿，徐州221613 3)济宁三号煤矿，充州272100 摘要提出了冲击矿压的强度弱化控制机理.通过深孔卸压爆破来弱化煤岩结构的强度，降低其聚能能力，释放所积聚的 大量弹性能，使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能：同时利用电磁辐射检验强度弱化治理效果，以达到消除或降 低冲击危险的目的.通过在三河尖煤矿922高冲击危险工作面以及济宁三号煤矿6303冲击危险工作面的现场治理实践，证 明了该控制技术的有效性， 关键词采刊矿工程：冲击矿压：组合煤岩：强度弱化 分类号TD324+.2 随着矿井开采规模和深度的逐年增加，以冲击 律.提出了冲击矿压的强度弱化控制机理，即通过 矿压、岩爆、顶板大面积垮落为代表的深部开采诱发 弱化煤岩结构的强度以达到降低其冲击倾向性的目 的煤岩动力灾害事故更具突发性，表现出明显的非 的，从而有效防治冲击矿压.在此基础上，利用电磁 线性动力失稳特征一.其中，冲击矿压是一种较 辐射检验治理效果，最终实现了工作面的安全高效 为典型的煤岩动力灾害现象，主要表现为煤岩体中 回采，取得了良好的经济与社会效益 所积聚的弹性能突然、剧烈的释放过程，其发生的突 1 组合煤岩试样动力冲击实验 然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成极大的威 胁，还增加了诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的 研究表明，顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬 概率，如2003年淮北芦岭“513”冲击矿压诱发瓦斯 厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之 爆炸事故，造成84名矿工死亡：2005年辽宁阜新孙 一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量 家湾发生“2·14”冲击矿压一瓦斯爆炸事故，冲击矿 弹性能.在顶板破断或滑移失稳过程中，大量弹性 压震级达ML2.5,引起大量瓦斯涌出，诱发瓦斯爆 能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型冲击矿 炸，死亡214人.冲击矿压严重影响着煤矿的安全 压或顶板型冲击矿压一9.为了进一步揭示坚硬厚 和高效生产. 层顶板对煤层冲击的影响机制，本文进行了不同冲 冲击矿压是矿山压力的特殊动力显现，其发生 击倾向性的组合煤岩试样冲击实验. 机理极其复杂，防治手段缺少理论依据且无法检验 1.1实验方案及系统 防治效果.本文首先进行了组合煤岩冲击实验，研 从三河尖、古城、济三、平顶山以及龙固矿区选 究了其冲击倾向性与煤样强度、顶板岩样的强度及 取煤岩样，通过钻岩芯的方法把煤岩样加工成直径 为50mm的配件.其中顶板岩样、煤样以及底板岩 厚度、顶板与煤层厚度比值之间的相关关系，并测定 了其冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射效应规 样均按不同比例用强力胶水将其组合成高度为100 mm的标准试样.实验将通过试样的单轴循环加卸 收稿日期：2006-07-15修回日期：200610-17 载抗压实验，测定其冲击倾向性特征参数以及电磁 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划资助项目(o 辐射与声发射效应规律. 2006BAK04B02,2006 BAK(B06):国家自然科学基金资助项目(No. 加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油 50490273、50474068):国家重点基础研究973专项经费资助项目 (No.2005山b221504):中国矿业大学青年科研基金资助项目(No. 压的美国MTS公司MTS8I5电液伺服材料实验系 0A060084):江苏省研究生创新工程计划资助项目(No.6A070190) 统，测定工作采用美国PAC公司Disp一24通道岩层 作者简介：陆菜平(1978一)，男。讲师博士研究生窦林名 失稳声发射实验系统.图1为实验系统示意图，图2 (1963一).男，教授，博士生导师 为组合与纯煤试样的应力一应变曲线.煤矿冲击矿压的强度弱化 陆菜平1) 窦林名1) 吴兴荣2) 张士斌3) 牟宗龙1) 1) 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 徐州 221008 2) 徐州三河尖煤矿, 徐州 221613 3) 济宁三号煤矿, 兖州 272100 摘 要 提出了冲击矿压的强度弱化控制机理.通过深孔卸压爆破来弱化煤岩结构的强度, 降低其聚能能力, 释放所积聚的 大量弹性能, 使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能;同时利用电磁辐射检验强度弱化治理效果, 以达到消除或降 低冲击危险的目的.通过在三河尖煤矿 9202 高冲击危险工作面以及济宁三号煤矿 6303 冲击危险工作面的现场治理实践, 证 明了该控制技术的有效性. 关键词 采矿工程;冲击矿压;组合煤岩;强度弱化 分类号 TD324 +.2 收稿日期:2006-07-15 修回日期:2006-10-17 基金 项 目:国 家 “ 十 一 五” 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 ( No . 2006BAK04B02 、2006BAK03B06) ;国家自然科学基金资助项目( No . 50490273 、50474068) ;国家重点基础研究 973 专项经费资助项目 ( No .2005cb221504) ;中国矿业大学青年科研基金资助项目( No . OA060084) ;江苏省研究生创新工程计划资助项目( No .6A070190) 作者简 介:陆 菜平 ( 1978—) , 男, 讲 师, 博士 研 究 生;窦林 名 ( 1963—) , 男, 教授, 博士生导师 随着矿井开采规模和深度的逐年增加, 以冲击 矿压 、岩爆 、顶板大面积垮落为代表的深部开采诱发 的煤岩动力灾害事故更具突发性, 表现出明显的非 线性动力失稳特征 [ 1-3] .其中, 冲击矿压是一种较 为典型的煤岩动力灾害现象, 主要表现为煤岩体中 所积聚的弹性能突然 、剧烈的释放过程, 其发生的突 然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成极大的威 胁, 还增加了诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的 概率, 如 2003 年淮北芦岭“5·13”冲击矿压诱发瓦斯 爆炸事故, 造成 84 名矿工死亡;2005 年辽宁阜新孙 家湾发生“2·14”冲击矿压-瓦斯爆炸事故, 冲击矿 压震级达 ML 2.5, 引起大量瓦斯涌出, 诱发瓦斯爆 炸, 死亡 214 人.冲击矿压严重影响着煤矿的安全 和高效生产. 冲击矿压是矿山压力的特殊动力显现, 其发生 机理极其复杂, 防治手段缺少理论依据且无法检验 防治效果.本文首先进行了组合煤岩冲击实验, 研 究了其冲击倾向性与煤样强度 、顶板岩样的强度及 厚度 、顶板与煤层厚度比值之间的相关关系, 并测定 了其冲击破坏过程中的电磁辐射与声发射效应规 律 .提出了冲击矿压的强度弱化控制机理, 即通过 弱化煤岩结构的强度以达到降低其冲击倾向性的目 的, 从而有效防治冲击矿压.在此基础上, 利用电磁 辐射检验治理效果, 最终实现了工作面的安全高效 回采, 取得了良好的经济与社会效益 . 1 组合煤岩试样动力冲击实验 研究表明, 顶板岩层结构, 特别是煤层上方坚硬 厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之 一, 其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量 弹性能.在顶板破断或滑移失稳过程中, 大量弹性 能突然释放, 形成强烈震动, 导致顶板煤层型冲击矿 压或顶板型冲击矿压[ 1-6] .为了进一步揭示坚硬厚 层顶板对煤层冲击的影响机制, 本文进行了不同冲 击倾向性的组合煤岩试样冲击实验. 1.1 实验方案及系统 从三河尖 、古城、济三、平顶山以及龙固矿区选 取煤岩样, 通过钻岩芯的方法把煤岩样加工成直径 为 50 mm 的配件 .其中顶板岩样、煤样以及底板岩 样均按不同比例用强力胶水将其组合成高度为 100 mm 的标准试样.实验将通过试样的单轴循环加卸 载抗压实验, 测定其冲击倾向性特征参数以及电磁 辐射与声发射效应规律 . 加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油 压的美国M TS 公司M TS 815 电液伺服材料实验系 统, 测定工作采用美国 PAC 公司 Disp-24 通道岩层 失稳声发射实验系统.图 1 为实验系统示意图, 图2 为组合与纯煤试样的应力-应变曲线 . 第 29 卷 第 11 期 2007 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.11 Nov.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.11.005