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1、10申请公布号CN104005765A43申请公布日20140827CN104005765A21申请号201410179358522申请日20140429E21C41/1620060171申请人中国矿业大学地址221000江苏省徐州市大学路1号72发明人陆菜平刘广建刘洋左源耀74专利代理机构徐州市淮海专利事务所32205代理人华德明54发明名称一种坚硬顶板型冲击地压的立体式防治方法57摘要本发明公开了一种坚硬顶板型冲击地压的立体式防治方法，具体步骤是1减震提前切断高位关键层顶板，减小其垮落步距；2吸能对煤层上覆老顶进行卸压，减小其垮落步距；3降冲煤体进行卸压；4效果检验利用微震系统检验步骤1的。
2、卸压效果，利用电磁辐射和声发射系统检验步骤2的卸压效果，利用钻屑法和常规矿压观测检验步骤3的卸压效果；若卸压效果未达到所需的效果，则重复相应的步骤，直至达到所需的卸压效果。通过减震、吸能和降冲，并采用多种卸压方法相互补充，系统全面的对煤岩体进行充分卸压，降低了冲击地压发生的可能性。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页10申请公布号CN104005765ACN104005765A1/1页21一种坚硬顶板型冲击地压的立体式防治方法，其特征在于，具体步骤是1减震对高位关键层顶板进行卸压爆破，切断高位关键层顶板，。
3、减小其垮落步距；2吸能采用卸压爆破法、定向水力裂缝法或定向爆破裂缝法对煤层上覆老顶进行卸压，减小其垮落步距；3降冲采用煤层注水法、大直径钻孔卸压法或卸压爆破法对煤体进行卸压；4效果检验利用微震系统检验步骤1的卸压效果，利用电磁辐射和声发射系统检验步骤2的卸压效果，利用钻屑法和常规矿压观测检验步骤3的卸压效果；若卸压效果未达到所需的效果，则重复相应的步骤，直至达到所需的卸压效果。权利要求书CN104005765A1/5页3一种坚硬顶板型冲击地压的立体式防治方法技术领域0001本发明涉及一种坚硬顶板型冲击地压的立体式防治方法，属于矿井防护技术领域。背景技术0002随着我国煤炭资源的大量开采，浅部煤。
4、炭资源已经趋于枯竭，深部煤炭资源是我国21世纪主体能源的战略保障，资源按深度分布，1000M以下的煤炭储量25万亿吨，约占总储量的53，但是随着开采深度的增加，煤矿动力灾害冲击地压频度和强度明显增加。据资料统计，我国冲击地压矿井数目急剧增多，遍布各大采煤矿区。冲击地压已成为制约煤矿安全高效生产的主要灾害之一。冲击地压是采掘空间周围煤岩体中聚集的能量突然大量释放，快速破坏煤岩体，并产生剧烈震动，造成人员伤亡和采掘空间严重破坏的煤矿动力灾害，由高应力、动载扰动组合诱发。坚硬顶板型冲击地压发生的诱因是“动载”与“静载”的相互叠加，综合应力水平超过冲击地压发生的最小载荷。“静载”来自于“地压”和“支承。
5、压力”，“动载”来自于“顶板来压”和“外界震源”。冲击地压以强烈声响震动、空气冲击波风流、煤岩的抛射、具有较强的破坏性、甚至产生地表震动为特点。冲击地压甚至能引起煤岩层和采空区中的瓦斯大量涌出，引发瓦斯爆炸事故，还能引发水灾、火灾等，尤其是坚硬顶板型冲击地压造成的灾害较大。因此，对冲击地压的预防已经迫在眉睫。针对坚硬顶板型冲击地压，传统的防治方法有煤层注水，顶板水力致裂等，这些方法有一定的效果，但是卸压措施单一、方法不系统、卸压效果不明显、有一定局限性等缺点突出。发明内容0003针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种坚硬顶板型冲击地压的立体式防治方法，采用多种卸压方式相相互互补，从而对煤岩。
6、体进行充分卸压，降低冲击地压发生的可能性。0004为了实现上述目的，本发明的具体步骤是00051减震对高位关键层顶板进行卸压爆破，切断高位关键层顶板，减小其垮落步距；00062吸能采用卸压爆破法、定向水力裂缝法或定向爆破裂缝法对煤层上覆老顶进行卸压，减小其垮落步距；00073降冲采用煤层注水法、大直径钻孔卸压法或卸压爆破法对煤体进行卸压；00084效果检验利用微震系统检验步骤1的卸压效果，利用电磁辐射和声发射系统检验步骤2的卸压效果，利用钻屑法和常规矿压观测检验步骤3的卸压效果；若卸压效果未达到所需的效果，则重复相应的步骤，直至达到所需的卸压效果。0009冲击地压的发生机理0010静载与动载结。
7、合诱发冲击地压0011JDBMIN说明书CN104005765A2/5页40012J静载荷,来自于地压、支承压力0013D动载荷,来自于顶板来压、矿震0014BMIN诱发冲击的最小载荷0015与现有技术相比，本发明采用立体式卸压方法，通过减震、吸能和降冲，并采用多种卸压方法相互补充，系统全面的对煤岩体进行充分卸压，降低了冲击地压发生的可能性。附图说明0016图1是本发明中残余震动波的振动速度时间曲线图；0017图2是本发明中冲击能指数和单轴抗压强度之间的关系图。具体实施方式0018下面结合附图对本发明作进一步说明。0019本发明的具体步骤是1减震；2吸能；3降冲00201所述的减震原理煤层内的。
8、弹性能可由体变弹性能UV、形变弹性能UF和顶板弯曲弹性能UW3个部分组成，即0021UUVUFUW10022其中顶板弯曲弹性能UW为00230024式中0025M煤壁上方顶板岩层的弯矩；0026顶板岩层弯曲下沉的转角。0027由此，相应地可得顶板初次垮落期间的弯曲弹性能为00280029相应地可得顶板周期垮落期间的弯曲弹性能为00300031由以上两式可知，顶板弯曲弹性能UW与岩层悬伸长度的五次方成正比，即顶板跨距悬顶L值越大，积聚的能量就越多。一般厚层坚硬顶板越不易冒落，形成的跨距L值也就越大。例如，厚度为8M左右的坚硬砂岩层，来压步距为53M，按上式计算其弯曲弹性能UW约占总能量U的90以。
9、上。对于顶板中聚集的弯曲弹性能，其主要的减震手段就是破坏顶板的完整性，缩短顶板的初次和周期来压步距，降低其聚集的弹性能。现场矿压监测发现当工作面平均推进到57M时，老顶就完成了初次来压。而正常情况下，17层煤的顶板初次来压步距应该在110120M之间，因此，顶板爆破处理后，在初次来压期间，顶板中聚集的弯曲弹性能减少了9096，即0032说明书CN104005765A3/5页5003300342所述的吸能原理0035已知震动波能量在煤岩介质中传播时，传递到巷道围岩表面的残余能量满足如下公式0036UFUWEL70037式中0038UW震源中心的能量；0039L震源中心距工作面巷道的传播距离；00。
10、40能量的衰减系数，与煤岩介质的完整性、强度、孔隙率等参数有关。0041对于一定能级的震源，当震源中心距离工作面或巷道的距离确定时，传递到巷道围岩表面的残余能量UF就完全取决于震动波传递路径中煤岩介质的能量衰减系数。能量衰减系数越大，则煤岩介质吸收阻尼的震动波能量越多，传递到巷道围岩表面的能量就越少，冲击危险性就减弱。理论分析和实验研究已经证实只要降低煤岩介质的强度和完整性，就可以增加其能量衰减系数。00421煤岩层原始界面对震动波的衰减效应0043考虑煤岩层之间的层理界面，通过现场实测震动波在水平“顺层”与垂直“穿层”方向上的衰减速率，发现当水平向传播距离增加35倍时，能量衰减了近5倍。而当。
11、垂直向传播距离增加3倍时，能量则衰减了近8倍。当两者传播的水平距离接近，垂直距离只相差76M时，但垂直传播后的残余能量却相差近1倍。可知，煤岩之间的界面对冲击震动波起到了很好的衰减。00442煤岩预制裂隙对震动波的衰减效应0045通过实施高强度深孔卸压爆破区域，进行了冲击震动波在煤岩层中衰减规律的实测。震源的垂直标高Z237M，1、4传感器的垂直标高Z分别为227M和285M，震源到1和4传感器的水平距离分别是45M和59M。图1所示为1和4传感器采集到的残余震动波的震动速度时间曲线。0046如图1所示，震源到1和4传感器的水平传播距离相差不大，但垂直传播距离相差48倍。从1和4传感器采集到的。
12、单分量残余震动波的振动速度来看，最大振动速度值仅相差166倍，差异不明显，这说明冲击震动波在传播到1和4传感器之前经历裂隙煤岩体已经衰减掉绝大部分的能量。0047综上，煤岩体采取预卸压措施之后，增加了对冲击震动波能量的衰减指数，与震动波传播方向垂直或者较大夹角的预制裂隙主要衰减低频的高能量信号，从而降低了到达工作面或巷道围岩的残余震动波能量。00483所述的降冲原理0049煤体的卸压0050煤岩体中聚集的弹性能U由体积变形聚集的能量UV和形状变形聚集的能量UF组成0051UUVUF80052而产生冲击矿压的动能等于体积变形聚集的能量说明书CN104005765A4/5页60053UKUV900。
13、54在原岩应力状态，体积变形能和形变能分别为005500560057其中，体积变形聚集的能量是产生冲击矿压的动能，而形状变形聚集的能量则为破坏煤岩体所需的超过强度极限的应力。0058在巷道掘进或工作面回采过程中，在工作面周围煤岩体上要产生应力的重新分布，形成应力集中现象。假设工作面周围煤岩体上的应力状态为00590060在这种应力状态下，体变能和形变能的增量分别为006100620063由公式1014可知，降低体变能和形变能主要降低煤体的弹性模量E和泊松比，即弱化煤体和减小应力集中系数K。0064假设采取措施后，煤岩体的弹性模量E降低到E，即CE/E，泊松比降低到，应力集中系数K降低到K，则与。
14、原始应力状态相比，工作面周围煤岩体内的体变能和形变能增量分别为006500660067如果采取措施后，使得工作面周围的煤岩体的弹性模量E降低5倍，泊松比由800M埋深的046增加到049，应力集中系数K降低到3，则体积变形能为原始应力状态的0468倍，从而使得冲击矿压不可能发生。但是，形状变形能增加到原始应力状态的862倍，则工作面的围岩破坏严重，变形增加，需要在采取卸压措施的同时加强支护。0068根据研究结果，采用钻孔卸压和卸压爆破措施后，煤岩体的强度将下降1333倍，而泊松比将增加718。0069对煤岩体采取预卸压强度弱化措施之后，能够有效降低煤岩体的冲击倾向性指数。说明书CN104005。
15、765A5/5页70070如图2所示，随着组合煤岩试样单轴抗压强度的增加，则冲击能指数亦随之增加，且呈一次线性回归关系，说明煤岩的单轴抗压强度与其冲击倾向性呈正相关关系。因此，通过弱化煤岩体的抗压强度，就可以降低其冲击倾向性，减小冲击破坏时释放的诱冲能量。0071综合检验0072利用微震系统检测高位关键层顶板卸压的效果；利用电磁辐射和声发射系统检测煤层上覆老顶的卸压效果；利用钻屑法和常规矿压观测检测煤体的卸压效果。0073煤岩体弱化方法主要分为以下几种00741卸压爆破0075卸压爆破是通过在煤岩体中实施钻孔及爆破来改变应力分布的一种卸压措施。在回采工作面及上下两巷震动爆破能最大限度地释放积聚。
16、在煤体中的弹性能，在工作面附近及巷道两帮形成卸压破坏区，使压力升高区向煤体深部转移。卸压爆破是冲击矿压解危措施中最常用的一种方法。00762定向裂缝0077定向裂缝有定向水力裂缝法和定向爆破裂缝法。0078定向水力裂缝法就是人为地在岩层中，预先制造一个裂缝，在较短的时间内，采用高压水将岩体沿预先制造的裂缝破裂。在高压水的作用下，岩体的破裂半径范围可达1525M,有的甚至更大。0079采用定向水力裂缝法可简单、有效、低成本地改变岩体的物理力学性质，故这种方法可用于减低冲击矿压危险性，改变顶板岩体的物理力学性质，将坚硬厚层顶板分成几个分层或破坏其完整性；为维护平巷，将悬顶挑落；在煤体中制造裂缝，有。
17、利于瓦斯抽放；破坏煤体的完整性，降低开采时产生的煤尘等。00803煤层注水0081煤层注水是通过高压向煤体注水，以改变煤体的物理性质及在煤岩体周围产生裂缝，起到降低煤体抗压强度和破坏原有结构以释放积累的能量，降低所受应力的目的。大量的研究表明，煤系地层岩层的单向抗压强度随着含水量的增加而降低。00824钻孔卸压0083采用煤体钻孔可以释放煤体中积聚的弹性能，消除应力升高区。顶板岩层作用在煤体上，工作面前方煤体所受的压力将有比较大的升高，而钻孔卸压通过钻孔使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移。这种方式的卸压过程是以巷道周边岩体的完整性结构被破坏为代价的。说明书CN104005765A1/2页8图1说明书附图CN104005765A2/2页9图2说明书附图CN104005765A。