第三章 冲击地压的影响因素

第三章冲击地压的影响因素

我国煤矿冲击地压具有的突出特点：

（1）冲击类型多种多样：我国煤矿冲击地压一般表现为煤爆。在台吉矿、大台矿等部分煤矿以及金属矿、铁路和水电工程隧道中发生了岩爆现象。在煤矿，冲击地压以煤层冲击最常见，也有顶板冲击和底板冲击。房山矿发生了底板突然鼓起并开裂形成5cm宽裂缝的底板冲击。在煤层冲击中多数表现为破碎煤块从煤壁抛出，也有极个别情况表现为数十立方米的矿体整体滑动冲击。

（2）发生条件极为复杂：统而论之，我国煤矿发生冲击地压的典型条件为：开始发生冲击地压的始发深度200～600m，煤的单轴抗压强度10～30MPa，煤层厚度2～4m，顶板一般为厚10～40m的坚硬砂岩，单轴抗压强度130～190MPa ，在岛形或半岛形煤柱以及向斜轴部，断层等地质构造带冲击危险性更大。我国已发生冲击地压的实际条件极为复杂。在自然条件上，除褐煤以外的各煤种都记录到冲击现象，采深从200～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，煤层倾角从水采到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生了冲击地压；从生产技术条件上看，不论水采、早采，各种采煤方法都出现了冲击地压现象。

（3）发展趋势渐趋严重：我国煤矿发生冲击地压的矿井数量逐年增多，灾害程度逐渐严重。随着开采深度的增加和开采范围的扩大，近年来，虽然采取了不少措施，但冲击地压次数并未明显减少。根据粗略统计，共发生破坏性冲击地压2000余次，伤亡几百人，破坏生产巷道近20km。冲击地压危害主要是冲击波和强烈震动，造成冒顶、片帮、支架折损、堵塞巷道、摧毁设施、人员碰伤和窒息、生产被迫停顿。陶庄矿发生的3.8级冲击地压属我国冲击强度最高震级；门头沟矿1985年3月至5月平均月冲击160次，属我国冲击频度最高记录；城子矿一次冲击地压伤亡34人，属我国冲击地压造成伤亡最惨重者。

随着我国煤炭生产的发展，矿井开采深度增加，伴随而来的是冲击地压造成的灾害必将日趋严重。所以有必要探讨发生冲击地压的影响因素，以便有针对性地采取预测和预防措施。

第一节自然地质条件

我国主要矿井发生冲击的临界深度为200～700m，煤层以水平至倾斜的中厚和厚煤层较多。煤质较硬，具有较高的弹性和脆性。煤层顶板以坚硬砂岩为主，其次为页岩和灰岩。绝大部分为地质构造中等或较复杂，构造简单时发生冲击地压的占少数。

国外，特别是前苏联发生冲击地压矿井的自然地质条件与我国差不多。煤层由缓倾斜煤层到急倾斜煤层，厚度由薄煤层到特厚煤层（15～20m），煤种由烟煤到褐煤都发生了冲击地压。波兰煤矿的冲击地压始发深度为200m，发生冲击地压最多的是4～8m厚的煤层，厚度小于1m的煤层未发生过冲击地压。煤层坚硬且暗煤占优势，包含大量暗煤，亮暗煤成分组成的煤层冲击性最强。煤层老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层，底板也是坚硬岩层，地质构造（断层、褶曲）对冲击地压有影响，在向斜轴部和断层下盘易发生冲击地压。德国煤矿冲击地压的始发深度为300～400m，主要发生在厚度1～6m的缓倾斜煤层中，且大多数

发生在地质破坏少的区域。煤层顶底板绝大多数是厚层砂岩或其它坚硬岩层。他们进行的系统分析后认为，煤层发生冲击地压的条件是：煤层的开采深度至少250m，顶底板是厚层坚硬岩层；顶板能弯曲、快速传递应力，造成煤壁附近高度应力集中；煤层与顶底板牢固粘结，超过这个粘结阻力煤层开始移动。但这种移动要引起冲击地压还必须满足以下条件：煤层强度和煤层与预底板相互粘结力的突然迅速降低或起润滑剂作用的物质增加或软弱夹层的存在以及煤层具有积蓄大量弹性能的性质。法国普罗旺斯矿在厚度2.5m的褐煤层中发生了冲击地压，煤层顶底板均为厚而坚硬的石灰岩。美国煤矿开采深度不大就发生冲击地压，主要根源可能是采用房柱式开采法遗留的煤柱和残柱区。但自然地质条件仍具有煤层是缓倾斜，厚度4.7～7m，顶底板是厚层坚硬砂岩，存在断层等地质构造的影响等。

统观国内外冲击地压影响因素，主要的自然地质因素有：

煤层性质：包括煤的冲击倾向、煤的强度、弹性和脆性等力学性质；煤的厚度、埋藏深度以及煤的含水率、孔隙度、煤层结构等物理性质。

煤层顶底板性质：赋存的坚硬岩层的厚度、强度、冲击倾向与煤层的粘结程度等。

地质构造：褶曲构造（向斜、背斜）和断裂构造（断层、节理）情况，局部地应力异常，煤层厚度和倾角的突然变化等。

1．煤（岩）性质

煤（岩）的物理力学性质是发生冲击地压的内因。煤岩的弹性、脆性和冲击倾向是关键因素。一方面能把发生冲击地压所需的大量能量储存起来，另一方面又能发生脆性破坏，并瞬间释放弹性能。

我国主要冲击地压矿井的煤层力学性质如表3-1所示。

基本特征。

沉积岩具有孔隙多，裂隙发育的特点，因而能够吸收水分。煤岩一经湿润，减弱了内部颗粒间的粘结力，增加了塑性，改变了原来的弹性性质。因此煤岩含水量增加，冲击危险就

减少。

煤厚对发生冲击地压也有影响。据波兰1952～1957年的统计资料，厚4～6m的煤层比在厚l～2m的发生冲击地压的次数大6倍。不过其中也有采煤方法等因素的影响。我国抚顺矿区的煤层特别厚，虽然顶板为几百米的油页

岩、绿色页岩和松软的冲积层等软岩层，也同样发生

冲击地压。

纵观国内外发生冲击地压的煤层物理力学性质，

其共同特征是：煤质脆而硬，天然含水率低（1％～

3％），单轴抗压强度σc=10～30 MPa，一般高于

20MPa，弹性模量E＝（2～9）×103MPa，一般大

于3×103MPa，泊松比（横向变形系数）μ=0.2～

0.3，粘结力C=3～8MPa，内摩擦角φ=35°～40°，

图3-1 弹性变形指数

孔隙率n＝5％～10％。然而对于发生冲击地压的最

重要的力学性质，是在其受压破坏前的全部变形中的弹性变形部分所占比重很大，而塑性变形少（如图3-1）。试验研究结果表明，有冲击地压危险的煤层，在其破坏前全部变形中，弹性变形占总变形的50％～80％，而无冲击地压危险的煤层则只占20％～50％。有冲击地压危险的煤层还表现出强烈的脆性，即在破坏前主要为弹性变形，它可以在经过一段时间之后没有明显塑性变形的迹象而突然破坏。

根据断裂力学原理，煤岩材料中存在裂隙和封闭应力是其固有特征。在低静水压力下裂隙可能是张开的，并有朝着最大主应力方向扩展的趋势。在裂隙尖端前方出现压缩和拉伸两个区域，其中拉伸应力将使裂隙张开和传播。所以尽管边界力为压缩力，在裂隙尖端的前方仍然能够产生拉应力，使裂隙在拉伸区传播并逐渐转向最大主应力方向。由于裂隙的密集并合发展形成宏观裂隙，当满足了裂隙扩展条件（应力大于煤岩强度的应力条件和裂隙扩展释放率不小于裂隙扩展能量消耗率的能量条件）时，煤岩体可能发生失稳破坏。在靠工作面的煤层边缘部位，处于支承压力作用之下，由于有冲击地压危险煤层的弹性变形大，便积累起大量的弹性变形能，特别是处于支承压力峰值区的煤层仍处于三向受压状态，积累的弹性能更大，要求恢复受压状态前的趋势也更强。一旦外侧巷道或采场附近进行采掘或爆破，就使处于三向受力状态而且应力早已超过其强度并积蓄了大量弹性变形位能的煤层，借以本身的弹性恢复力量，迅速地使位能转化为动能发生冲击式的脆性破坏，并伴随声响和震动。

煤层具有冲击倾向性是发生冲击地压的必要条件。大量的试验研究和生产实践表明，发生冲击地压的煤层具有突然破坏并瞬间释放大量弹性变形能的能力，而且各类煤层的储能和发生突然破坏的能力是不同的。往往同一矿井，甚至同一采区，在几乎相同的自然地质和开采技术条件下，有的煤层发生冲击地压，有的不发生。这种煤的冲击倾向是煤的固有属性，是受强度超过后的动力破坏过程中，能够积蓄和突然释放弹性变形能的岩相学结构控制的。

2．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，是影响冲击地压的重要因素。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，不仅本身弯曲积蓄变形能，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