沖擊地壓啟動理論與成套技術

      

 

沖 擊地壓是國際巖石力學界疑難問題之一,本書所述內容建立在對沖擊地壓概念及其機理重新認識基礎上,強調理論與成套技術的結合,系統介紹了沖擊地壓啟動理論 及其成套應用技術。具體內容包括了沖擊地壓概念重新認識及“三階段”物理演化過程解析;沖擊地壓的沖擊啟動理論及其分類、載荷判據;沖擊地壓的沖擊危險性 預評價技術;沖擊啟動載荷源分源實時監測預警技術及分源權重綜合預警系統;誘發沖擊啟動載荷源區域疏導、局部分源治理技術;基于沖擊啟動理論的沖擊地壓分 類、系統防治應用實例;最后介紹了一脈相承的沖擊地壓防治理論與成套技術體系。

本書既有深入、系統的理論新認識,又有理論應用的成套實用技術及新技術,近10年的實踐驗證,彰顯了我國沖擊地壓防治理論與技術的新進展以及災害防治效果上了一個新臺階。

本書可供采礦工程、安全工程、巖石力學領域的科研、教學、設計及生產單位的工程技術人員參考使用。

  

 

    圖書在版編目(CIP)數據

    沖擊地壓啟動理論與成套技術 / 潘俊鋒等著. -- 徐州:

中國礦業大學出版社, 2016.5

    ISBN 978-7-5646-3045-4

    Ⅰ. ①沖… Ⅱ. ①潘… Ⅲ. ①礦山壓力-沖擊地壓-

地壓控制 Ⅳ. ①TD324

    中國版本圖書館CIP數據核字(2016)第045044號

 

 

 

沖擊地壓是發生在煤礦井工開采過程中的典型動力災害之一,沖擊地壓更為嚴重的后果是可以誘發煤與瓦斯突出、煤層自然發火、冒頂等群死群傷的次生災害。國外,從1738年英國的南史塔福煤田發生并第一次記載沖擊地壓以來,已有278年的歷史,其間在世界上發生沖擊地壓的國家除我國外,還有英國、波蘭、法國、德國、俄羅斯、烏克蘭、南非、美國、日本、澳大利亞等23個國家和地區。目前國外發達國家因災害及能源結構調整原因,沖擊地壓礦井陸續關閉,我國成為沖擊地壓災害防治研究大國。我國最早記錄的沖擊地壓發生在1933年撫順礦區的勝利煤礦,當時造成80余人死亡。隨后,北京、開灤、棗莊、新汶、兗州、義馬、鶴崗、雙鴨山、遼源等礦區都發生過重大沖擊地壓災害。目前,我國沖擊地壓礦井數量已從1985年的32個發展到現在的170多個,分布于20多個?。ㄊ?、自治區)。據不完全統計,就2000~2012年期間,全國煤礦共發生沖擊地壓事故304起,傷亡人數達509人,造成了巨大的經濟損失,形成了不良的社會影響。

沖擊地壓發生次數隨煤層開采深度增加,呈現非線性增長關系,而我國煤炭資源按深度分布的儲量,埋深超過1 000 m的煤炭儲量有2.5萬億t,約占總儲量的53%,并且我國煤礦大多建于20世 紀五六十年代,目前進入深部開采高峰期,煤礦沖擊地壓發生頻度、強度及區域都在逐年增加。同時,隨著井田、采區的充分采動,堅硬頂板下采空面積的不斷加 大,以及大功率、長運距、高可靠性綜采與綜放裝備的應用,煤礦井下推進速度、開采強度不斷加大,近幾年淺部開采發生沖擊地壓的礦井也接連出現。

因此,加大沖擊地壓災害防治研究,是保障占53%以上的深部煤炭資源及淺部堅硬頂板條件下煤炭安全開采,保障我國經濟持續快速發展和社會進步及人民生命、財產安全刻不容緩的重要任務。

沖擊地壓發生機理的研究是其有效防治的基礎,近300年來,人們一直嘗試著去認識沖擊地壓,期間形成了“強度理論”、“剛度理論”、“能量理論”、“沖擊傾向性理論”以及后來的“失穩理論”和“三因素機理”等等觀點。這些理論都從不同側面揭示了沖擊地壓發生條件與原理,對于沖擊地壓研究起到了應有的推進作用。

盡 管如此,目前沖擊地壓監測、防治技術運用還是與機理有所脫節,缺乏從某一理論認識出發,進行后期監測、防治方法取舍、方案設計及技術開發,往往表現為多種 同類型的監測設備平行使用或者監測沒有空間、時間概念存在盲區,多種監測結果出現矛盾;防治措施缺乏針對性,設計錯誤或者破壞了圍巖支護結構或者促進了沖 擊地壓發生,尤其是對于新出現沖擊地壓的礦井,面對眾多的不確定影響因素、層出不窮的監測與防治方法望而卻步,難以決策;沖擊地壓災害嚴重礦井,一般是只 要發生一次災害就全礦井、全煤層盡可能多地上手段,結果往往造成人力、物力以及經濟上的疲憊,無法堅持,或者是顧此失彼,無的放矢。一些技術成熟的礦井也 是經歷了漫長的不斷的教訓與經驗積累過程。為此,一部全面、系統介紹沖擊地壓防治理論與成套應用技術體系的著作急需面世,以便為全國沖擊地壓礦區、礦井災 害防治起到積極促進作用。

本書在國家重點基礎研究計劃(973)項目、國家自然科學基金項目、國家科技支撐計劃項目、國家重點研發計劃項目等基金資助下,以煤炭科學研究總院北京開采研究院(天地科技股份有限公司開采設計事業部)近10年來,尤其是“十二五”期間在沖擊地壓領域所取得的80余項科研成果為基礎,以對沖擊地壓概念及其機理重新認識為切入點,系統介紹了沖擊地壓啟動理論及其成套應用技術。

沖 擊地壓研究一般分為機理、預評價、監測預警、防治四環節,考慮到本書從重新認識沖擊地壓概念出發,從源頭,系統地對每一環節都進行了翔實的分解與介紹,因 此,本書采用了篇、章、節形式編排,全書大結構通過八個篇幅來體現,每篇又按所涉及的理論、技術歸類等設置若干章節。第一篇為緒論,對沖擊地壓進行總體概 述及國內外研究現狀介紹。第二篇為沖擊地壓物理演化過程剖析,介紹了沖擊地壓發生的影響因素及“三階段”物理演化過程。第三篇為沖擊地壓的沖擊啟動理論, 介紹了沖擊地壓的沖擊啟動理論及其分類、載荷判據。第四篇為沖擊地壓的沖擊危險性預評價技術,介紹了沖擊危險性的宏觀評判;計算機仿真及基于集中靜載荷探 測的地震CT原 位評價技術。第五篇為沖擊啟動載荷源分源實時監測預警技術,介紹了監測預警沖擊地壓的理論基礎;大范圍集中動載荷微震監測技術;局部區域集中動載荷地音監 測技術;集中靜載荷在線監測技術;沖擊地壓分源權重綜合監測預警系統。第六篇為誘發沖擊啟動載荷源綜合治理技術,介紹了區域防范沖擊地壓的理論與技術;局 部防治的采動圍巖近場集中靜載荷卸壓;局部防治的采動圍巖遠場集中動載荷源消源;局部防治的采掘空間強力支護防沖降災方法。第七篇為基于沖擊啟動理論的沖 擊地壓防治實踐,介紹了局部防治沖擊地壓的理論與技術體系;集中靜載荷型沖擊地壓防治實踐;集中動載荷型沖擊地壓防治實踐。第八篇為沖擊地壓防治理論與成 套技術體系建立,介紹了沖擊地壓科學防治理論與技術體系;沖擊地壓研究展望。

全 書的整體構思、統稿和審定由潘俊鋒負責。各章編寫分工:第一章,潘俊鋒;第二章,潘俊鋒、毛德兵;第三、四、六章,潘俊鋒;第五章,潘俊鋒、楊磊、劉少 虹;第七章,秦子晗;第八章,潘俊鋒、秦子晗;第九章,王書文、毛德兵;第十章,潘俊鋒,毛德兵;第十一章,夏永學、王傳鵬、陳法兵、李巖;第十二章,夏 永學、馮美華、王傳鵬;第十三章,潘俊鋒、王書文、毛德兵;第十四章,潘俊鋒、秦子晗、馮美華、夏永學;第十五章,潘俊鋒;第十六章,潘俊鋒、王書文、藍 航;第十七章,潘俊鋒、雷毅、杜濤濤;第十九章,潘俊鋒;第二十章,潘俊鋒、劉少虹、馮美華、王書文;第二十一章,潘俊鋒、王書文;第二十二章,潘俊鋒、 毛德兵;第二十三章,潘俊鋒。此外,第三章,引用了潘立友教授文獻;第十八章分別引用了康紅普院士、潘一山教授文獻。此外,采礦技術研究所沖擊地壓研究室 的其他人員也參加了部分小節的編寫與圖件修改。

本 書的特點是系統地從源頭、從基礎起步,強調理論與成套技術的結合,全書一個理論貫穿到所有沖擊地壓技術中,并進行了大量實踐驗證。另外,本書展示出了很多 新觀點、新認識、新思考、新技術、新知識,有些為尚未公開發表的科研成果及學術理論。本書所涉及的很多研究成果是與煤炭企業合作完成的。山東新汶、淄博、 濟寧、兗州,內蒙古平莊、上海廟,河南義馬,陜西彬長、麟游,黑龍江鶴崗、七臺河、雙鴨山,吉林龍家堡,甘肅華亭,山西潞安,新疆等礦區礦井給予了大力支 持與幫助。本書得到了煤炭科學研究總院學術著作出版基金資助。在本書的編寫過程中,煤炭科學研究總院北京開采研究院及采礦技術研究所的領導給予了大力支 持。在此一并表示衷心的感謝,同時感謝所有引用及疏漏文獻的作者。

由于作者水平有限,書稿中難免會出現錯誤或不當之處,敬請讀者批評指正。

                                                  

                                                                                                 

                                       2016415

 

 

 

目  錄
序 2
前言 2
目錄 2


第一篇 緒論 5


第1章 沖擊地壓概述 5
1.1 沖擊地壓的基本術語 5
1.2 沖擊地壓發生的特點 6
1.3 沖擊地壓的傳統分類 7
1.4 沖擊地壓防治基本程序 9

第2章 國內外研究現狀 10
2.1 沖擊地壓發生物理過程與機理研究 10
2.2 沖擊地壓危險性預評價技術 12
2.3 沖擊地壓實時監測預警技術 13
2.4 沖擊地壓防治技術 16
2.5 沖擊地壓機理向防治延伸的要求 18


第二篇 沖擊地壓物理演化過程剖析 20


第3章 沖擊地壓發生的影響因素 20

3.1 沖擊地壓發生的宏觀條件 20
3.2 地質賦存因素 21
3.3 開采技術因素 30

第4章 沖擊地壓“三階段”物理演化過程 37
4.1 沖擊地壓的黑箱研究方法 37
4.2 沖擊地壓顯現 38
4.3 沖擊啟動 39
4.4 沖擊能量傳遞 39
4.5 沖擊地壓黑箱的演化過程 40
4.6 相關術語重新界定 42

第三篇 沖擊地壓的沖擊啟動理論 44

第5章 沖擊啟動的材料—結構動力失穩機理 44

5.1 工程結構體沖擊啟動區 44
5.2 一維承載煤樣材料失穩聲發射實驗 60
5.3 考慮動載荷的一維承載煤樣材料失穩過程特性 65
5.4 工程結構體的變載荷類建筑結構模型 72
5.5 類建筑結構主承載體極限平衡方程 75
5.6 類建筑結構主承載體地基極限平衡方程 80
5.7 彈脆性材料失穩催生結構失穩誘發沖擊啟動機理 82

第6章 沖擊啟動的類型與載荷判據 85

6.1 沖擊地壓的沖擊啟動類型 85
6.2 兩類沖擊啟動力學模型及判據 86
6.3 兩類沖擊地壓啟動工程案例揭示 89
6.4 防止巷道沖擊啟動的模型與原理 95
6.5 沖擊地壓的沖擊啟動理論提出 104


第四篇 沖擊地壓的沖擊危險性預評價技術 107


第7章 沖擊危險性的宏觀評判 107

7.1 經驗類比法 107
7.2 綜合指數法 107
7.3 動態權重法 111

第8章 沖擊危險區域與危險時段計算機動態仿真 121

8.1 沖擊地壓危險區域預評價 122
8.2 沖擊地壓危險時段預評價 123

第9章 基于集中靜載荷探測的地震CT原位評價技術 126

9.1 地震初至波走時CT獲取圍巖波速結構 126
9.2 受載煤樣縱波波速與應力關系的試驗研究 145
9.3 圍巖波速結構評價沖擊危險性方法 149
9.4 應用案例 153


第五篇 沖擊啟動載荷源分源實時監測預警技術 157


第10章 監測預警沖擊地壓的理論基礎 157

10.1 沖擊危險源層次化辨識方法 157
10.2 誘發沖擊啟動載荷源分源監測預警基本原理 159

第11章 大范圍集中動載荷微震監測技術 160

11.1 ARAMIS M/E微震監測系統與布置 160
11.2 微震監測系統布置方案優化 169
11.3 開采活動與微震事件 180
11.4 微震評價指標的確定 189
11.5 評價指標計算 190

第12章 局部區域集中動載荷地音監測技術 201

12.1 地音、微震、沖擊地壓三者的關系 201
12.2 地音評價沖擊危險性的理論基礎 201
12.3 ARES-5/E地音監測系統及布置 203
12.4 沖擊地壓前兆地音信息識別 207
12.5 地音評價方法和指標 210

第13章 集中靜載荷在線監測技術 215

13.1 煤巖體集中靜載荷監測方法 215
13.2 煤巖體應力監測方法 215
13.3 KJ21沖擊地壓應力在線監測系統 218
13.4 應用案例 221

第14章 沖擊地壓分源權重綜合監測預警系統 227

14.1 沖擊地壓分源綜合預警指標體系及分級 227
14.2 沖擊地壓分源權重綜合預警模型 229
14.3 沖擊地壓危險性綜合評價預警系統 234
14.4 煤礦沖擊地壓危險性綜合評價及預警系統應用 239


第六篇 誘發沖擊啟動載荷源綜合治理技術 241


第15章 區域防范沖擊地壓的理論與技術 241

15.1 區域大范圍防范沖擊地壓的理論基礎 241
15.2 集中靜載荷(高集中應力)可干擾性及影響規律 243
15.3 基于集中靜載荷疏導的沖擊地壓區域防范技術體系 248

第16章 局部防治的采動圍巖近場集中靜載荷卸壓 250

16.1 煤層爆破疏壓技術 250
16.2 煤層大直徑鉆孔卸壓技術 259
16.3 煤層注水疏壓技術 265

第17章 局部防治的采動圍巖遠場集中動載荷源消源 274

17.1 煤層頂板深孔預裂爆破技術 274
17.2 煤層致密頂板水力定向壓裂技術 278

第18章 局部防治的采掘空間強力支護防沖降災方法 285

18.1 沖擊地壓巷道圍巖錨桿支護 285
18.2 防沖吸能巷道液壓支架支護 286


第七篇 基于沖擊啟動理論的沖擊地壓防治實踐 288


第19章 局部防治沖擊地壓的理論與技術體系 288

第20章 集中靜載荷型沖擊地壓防治實踐 290

20.1 工程背景 290
20.2 巖漿巖下伏短壁綜放面沖擊啟動原理 291
20.3 沖擊載荷源分源監測與防治 294
20.4 沖擊地壓防治應用效果分析 299

第21章 集中動載荷型沖擊地壓防治實踐 301

21.1 工程背景 301
21.2 沖擊地壓的沖擊啟動原理 302
21.3 沖擊啟動載荷源分源監測 307
21.4 基于沖擊啟動載荷源分源防治 312
21.5 基于沖擊啟動載荷源分源防治效果 317


第八篇 沖擊地壓防治理論與成套技術體系建立 319


第22章 沖擊地壓科學防治理論與技術體系 319

22.1 科學防沖理念 319
22.2 科學防沖的理論與成套技術體系 320

第23章 沖擊地壓研究展望 323

參考文獻 325

 


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