防冲知识手册_第二部分__冲击地压基本知识

第二部分冲击地压基本知识第一章概念解释冲击地压:采场周围煤岩体，在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变性能的瞬间释放而产生的一种以突然、急剧、猛烈破坏为特征的动力现象。

冲击地压已成为煤矿开采特别是深井开采的主要灾害，严重威胁煤矿的安全生产。

矿震：采场上覆高位巨厚坚硬岩层的断裂运动引起的以地面震动为标志的矿山动力现象。

岩爆：岩体中较高的地应力，超过岩石本身强度，且有较高的脆性度和弹性，由于地下采掘活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。

第二章冲击地压显现特征第一节冲击地压的显现特征一、突发性。

冲击地压发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间几秒到几十秒，难已确定发生的时间、地点的强度。

二、多样性。

一般表现为煤爆（煤壁爆裂、小块抛射）、浅部冲击和深部冲击。

最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生岩爆。

三、破坏性。

往往造成煤壁片帮、顶板可能有瞬间明显下沉；有时底板突然鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击地压往往造成人员伤亡和巨大的生产损失。

四、复杂性。

在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从200～1000m，各种地质条件都发生过冲击地压。

在生产技术条件上，各种采煤方法都出现了冲击地压。

五、瞬时震动性。

像爆炸强烈震动，重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有地震感觉。

六、冲击能量差异大。

从里氏0.5级至里氏3.8级各种能级都有。

七、引发次生事故。

易引发煤尘爆炸事故、高瓦斯矿井易引起煤与瓦斯突出事故。

第二节冲击地压的分类一、根据冲击地压的物理特征，按发生原因分（分为三类：压力、突发、爆裂型）；二、根据冲击地压的能量特征，按冲击时释放的地震能大小分（分五个等级）；三、根据参与冲击的岩体类别分（分为二类：煤爆、岩爆）；四、根据煤岩体应力来源（分为三种类型：重力、构造、复合型）；五、根据显现强度及其对煤和岩层、支架、设备的破坏程度分（分为四类）；1.弹射：单个碎块从煤岩体表面弹射出来，并伴有强烈的声响。

2. 煤炮（深部冲击）：深部的煤岩体发生破坏，但煤或岩石不向已采空间内抛出，只有片帮或散落现象，岩体震动，伴有声响，有时产生煤尘。

3.微冲击：煤或岩石向已采空间抛出，但对支架和设备无损害，围岩震动，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。

4.强冲击：部分煤或岩体急剧破坏，大量的煤或岩石向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩强烈震动，伴有巨大声响，形成大量煤尘。

六、根据冲击地压的能量特征，按冲击时释放的地震能大小分（分七、根据冲击地压的破坏后果分（分为三类）1. 一般冲击地压。

2.破坏性冲击地压。

3.冲击地压事故。

八、按发生的力源分1.压力（煤柱）型：煤柱在高应力作用下，聚集的能量突然释放，造成煤岩体的冲击破坏。

2.冲击（顶板或构造）型：由于煤层顶板厚岩层突然破断或滑移（或构造应力突然释放），造成巷道周围煤岩体的破坏冲击。

3.冲击压力（复合）型：多种因素参与。

九、根据发生的层位分：煤层冲击岩层冲击（顶板冲击、底板冲击）第三章冲击地压成因分析冲击矿压发生的原因是多方面的，下面分别从自然因素和技术因素浅析。

第一节冲击地压事故的自然因素一、开采深度研究表明，随着开采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加，统计分析表明，开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。

（如图一所示。

）可以确定，当深度H ≤350m时，冲击地压一般不会发生；当深度350m＜H＜500m时，在一定程度上冲击危险逐步增加。

从500m开始，随着开采深度的增加，冲击地压的危险性急剧增加。

图一、采深与冲击地压的关系二、顶板岩层结构特征研究表明，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地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的弹性能。

在坚硬顶板破碎或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板型冲击地压的发生。

三、煤层性质的因素冲击地压的发生与煤的物理机械性能密切相关。

煤质中硬以下，弹性、脆性较大，光泽较强的煤易发生小型冲击地压；煤质中硬，较均质、致密，裂隙、层节理较不发育的煤易发生较大冲击地压；硬度很高的不易发生冲击地压。

四、构造影响地质构造，特别是断层构造也是影响冲击地压发生的重要因素之一。

实践证明，冲击地压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区，断层附近，煤层倾角变化带，煤层皱曲，构造应力带。

当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击地压发生的次数明显上升，而且强度大。

例如在我矿47次冲击矿压中，11次（23%）与断层有关。

图为冲击地压次数与巷道距断层距离之间的关系。

图二、冲击地压次数与巷道距断层关系工作面地质构造变化区，断层附近是防冲的重点区域。

断层对地压的影响断层是岩层运动的一种形式，在高应力的作用下，断层比完整性岩层先运动。

随着掘进头的推进，在其超前支护压力的影响范围不断向前发展，当达到断层影响区域后，断层本身构造应力与掘进头超前支护压力叠加，使断层附近的支护压力增高，重新分布。

断层与掘进头中间位置为应力叠加高峰区，如果断层本身能够积聚能量，则叠加后的应力高峰区同样容易积聚较大能量。

当满足冲击条件时，可以诱发冲击地压。

大断层附近一般来说地质应力较为集中，这是因为形成断裂并不意味着相应的地质应力完全释放，而仅是部分释放后达到一种的暂时的平衡。

相对而言，剩余的应力可能仍比附近其它区域为强，而且由于应力场总是处于永不停息的变化之中，断裂并不一定产生于应力形成的最初时期，即应力的作用是持续不断的，从而导致断层附近的应力值往往偏高。

特别是由于挤压而形成的逆断层及某些正断层附近，表现更为明显。

围岩性质围岩性质主要是顶板岩性和厚度及其在煤层开采后的可冒性，是影响冲击地压的主要因素。

特别对老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层，底板也是坚硬岩层结构的冲击危险煤层更具冲击危险性。

厚层坚硬顶板的悬露下沉首先表现为煤层的缓慢加压或压缩，经过一段时间后可以集中在一天或几天的突然下沉，载荷极快上升达到很大的值。

在悬露面积很大时，不仅本身弯曲积聚变形能，而且在附近地层中（特别是老顶折断处）形成支承压力。

当老顶折断时还会造成附加载荷，并传递到煤层上，通过煤层破坏释放变形能（包括位能），产生强烈的岩层震动引起冲击地压，而且底板也参与冲击地压的显现。

第二节冲击地压事故的技术因素一、开采因素的影响冲击地压的影响因素除了地质因素以外，开采条件和生产技术条件也是很重要的影响因素。

若由于采区内工作面的接替顺序、停采线位置、相邻区段留设煤柱尺寸等因素安排不当，将导致煤岩体应力高度集中，最易发生冲击矿压。

图一、不同宽度护巷煤柱中垂直应力分布图二、不同宽度煤柱中最大垂直应力分布从上面的数值模拟结果可以看出，随着护巷煤柱宽度的增大，煤柱中的最大垂直应力也由小变大，然后在变小。

也就是当煤柱宽度小于10m时，最大垂直应力较小，而当煤柱宽度在10～15m时，煤柱中的最大垂直应力相对较大，随着煤柱宽度的继续增大，煤柱中的最大垂直应力又将减小。

而且煤柱宽度的增大，引起巷道附近煤体中的应力集中程度也增加。

煤体中产生的最大垂直应力的分布和煤柱中的最大垂直应力分布类似。

由此可见，留设3～5m 宽的护巷煤柱时是较容易维护的，同时也可以节省煤炭资源。

从防冲的角度来讲，煤柱越窄对防冲越有利，因为窄煤柱中的煤体几乎会全部被“压酥”，其内部不存在冲击核，也就不会存储大量的弹性能，所以发生强矿压的危险性就小。

二、工作面长度研究表明，回采工作面和采空区的大小对冲击矿压的影响是非常大的。

对于一个新采区的第一个工作面来说，由于两边都是实体煤，开始，顶板处于四周固支状态。

当顶板初次断裂后形成三边固支状态，这种状态下，工作面的压力是最小的，冲击矿压危险性也是最小的。

对于同一采区的第二、第三工作面，当采空区的宽度之和还没有完全影响到地表时。

根据岩层移动理论，此时，当采空区的宽度之和S一般小于0.4倍的开采深度，即：S＜0.4H （2-1）此时，工作面周围岩体内的应力逐步增加。

当采空区的宽度之和达到了完全影响地表的程度，即S=0.4H （2-2）此时，由于上覆岩层的充分移动，在煤系地层中，震动释放的能量是最大的，即冲击地压的危险性是最大的。

古城煤矿2103工作面开采深度约在1050m，S=0.4×1050=420m,因此当采空区的宽度之和达到了420m时，冲击矿压的危险性时最大的。

当回采工作面继续开采，采空区继续增加时，即S＞0.4H （2-3）在这种情况下，由于上覆岩层的移动处于平衡状态，煤层中释放的震动能量将处于某一水平。

从上述分析可知，工作面长度对冲击矿压危险程度的影响主要是在采空区宽度为S＞0.4H时的条件下。

此时，回采工作面的一边为采空区，另一边为实体煤。

从工作面边缘到采空区形成一个直角，在这部分煤体上，因工作面前方移动应力集中区和采空区边缘煤体上的应力集中相互叠加，形成很高的应力集中现象。

而且在工作面推进过程中，这种现象一直存在。

研究表明：①应力峰值距采空区边缘10～20m。

②上述直角区的应力集中影响范围为40～50m。

③当工作面长度大于50m以后，直角对应力集中程度不会产生影响，而且对动力现象的发生也不会产生影响。

在这种情况下，加大工作面长度对限制冲击矿压的发生是有利的。

由上述分析可知，对于不同的工作面，不同开采时间和不同位置，其对冲击地压危险性的影响是不一样的。

因此，对于某一工作面，应具体分析和具体考虑。

图三、煤层中应力集中系数与工作面长度之间的关系三、采高因顶板坚硬岩层引起的顶板冲击，则与该岩层的厚度、强度、距煤层的距离以及煤层采高等有关。

采高的增加，将使顶板的坚固性下降，该层顶板引起的震动强度将会降低。

如果降低采高不能保证坚硬顶板不断裂运动，则可使顶板的坚固性增加，在其破断时，将会释放更大的能量。

在这种情况下，降低采高是无益的，除非保证坚硬顶板岩层不发生断裂破坏。

四、推进速度大量的研究表明，回采工作面的推进速度与低能量的矿山震动之间存在着明显的关系，即工作面的推进速度越快，产生的矿山震动就越多。

而对于冲击地压，波兰的研究结果是：顶板冲击地压危险性与工作面开采过程中，发生的最大震动事件成正比。

统计表明，当回采工作面推进速度为匀速时，冲击矿压发生的次数最少。

但是，由于开采技术条件的不同，地质构造条件的不同，防治冲击地压发生的最有利的推进速度也不同，需要根据具体条件而定。

回采工作面匀速推进对防治冲击地压的发生是有利的。

工作面停采以后的恢复生产时期，推进速度突然加速等均有可能引发冲击地压。

图四为某矿在工作面推进过程中释放能量的大小与工作面推进之间的关系，图中表明了该矿工作面在停采两周前，停采两周期间及停采两周后释放的能量的大小。