冲击地压防治基础知识

冲击地压防治基础知识

世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。1783年英国在世界上首先报导了煤矿中所发生的冲击地压现象。以后在前苏联、南非、德国、美国、加拿大、印度、英国等几十个国家和地区，冲击地压现象时有发生。

在我国，冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。以后，随着开采深度的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚顺、枣庄、开滦、大同、北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后有冲击地压现象发生。随着开采深度的不断增加，冲击地压的危害将更加突出。

一、冲击地压发生的机理

冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬间释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。1992年以前，我国有50余个煤矿发生了冲击地压。比较突出的有北京矿务局门头沟煤矿、抚顺矿务局龙风煤矿、枣庄矿务局陶庄煤矿、大同矿务局忻州窑煤矿、四川省天池煤矿和新汶矿务局华丰煤矿等。

（一）我国煤矿冲击地压显现具有如下特征：

1、突发性。发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间为几秒到几十秒。

2、一般表现为煤爆(煤壁爆裂、小块抛射)。浅部冲击(发生在煤壁2m～6m范围内，破坏性大)和深部冲击(发生在煤体深处，声如闷雷，破坏程度不同)。最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生了岩爆。在煤层冲击中，多数表现为

煤块抛出，少数为数十平方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波。

3、具有破坏性。往往造成煤壁片帮、顶板下沉、底鼓、支架折损、巷道堵塞、人员伤亡。

4、具有复杂性。在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深从200m～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等，都发生过冲击地压；在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面，不论水采、炮采、普采或是综采，采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法，是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采，都发生过冲击地压。只是无煤柱长壁开采法冲击次数较少。

（二）冲击地压的分类

冲击地压可根据应力状态、显现强度和发生的不同地点和位置进行分类。

1、根据原岩(煤)体的应力状态分类

(1)重力应力型冲击地压。主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击地压。如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击地压。

(2)构造应力型冲击地压。主要受构造应力(构造应力远远超过岩层自重应力)的作用引起的冲击地压，如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。

(3)中间型或重力～构造型冲击地压。主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。

2、根据冲击的显现强度分类

(1)弹射。一些单个碎块从处于高应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。

(2)矿震。它是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤、岩并不向已采空间抛出，只有片带或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为煤炮。

(3)弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏；围岩产生震动，一般震级在2.2级以下，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。部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。

3、根据震级强度和抛出的煤量分类

(1)轻微冲击：抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击地压。

(2)中等冲击：抛出煤量在10t～50t以下，震级在1级～2级的冲击地压。

(3)强烈冲击：抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击地压。

一般面波震级Ms=1时，矿区附近部分居民有震感；Ms=2时，对井上下有不同程度的破坏；Ms＞2时，地面建筑物将出现明显裂缝破坏。

4、根据发生的地点和位置分类

(1)煤体冲击。发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击。

(2)围岩冲击。发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。

(三)冲击地压成因的机理

对冲击地压成因和机理的解释主要有强度理论、能量理论、冲击倾向理论和失稳理论。

1、强度理论

该理论认为，冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体——围岩力学系统的综合强度。其机理为：较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤体——围岩交界处的变形。由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。从极限平衡和弹性能释放的意义上来看，夹持起了闭锁作用。在煤体夹持带内，压力高、并储存有相当高的弹性能，高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击地压。

2、能量理论

该理论认为：当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。刚性理论也是一种能量理论，它认为发生冲击地压的条件是：矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度，即系统内所储存的能量大于消耗于破坏和运动的能量时，将发生冲击地压。但这种理论并未得到充分证实，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。

3、冲击倾向理论

该理论认为：发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。其条件是：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标

主要有：弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。

上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。其中强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分必要条件。

4、失稳理论

近年来，我国一些学者认为：根据岩石全应力——应变曲线，在上凸硬化阶段，煤、岩抗变形(包括裂纹和裂缝)的能力是增大的，介质是稳定的；在下凹软化阶段，由于外载超过其峰值强度，裂纹迅速传播和扩展，发生微裂纹密集而连通的现象，使其抗变形能力降低，介质是非稳定的。在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲击地压。由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。这种静疲劳现象，可以使介质处于不稳定状态。在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩从静态变为动态过程，即发生急剧、猛烈的破坏。

（四）冲击地压的影响因素

1、地质因素

主要包括开采深度、地质构造、煤岩结构和力学特性等。

开采深度的加大使地应力值增加。一般在达到一定开采深度后才开始发生冲击地压，此深度称为冲击地压临界深度。临界深度值随条件不同而异，一般大于200m，总的趋势是随采深增加，冲击危险性增加。这主要是由于随采深增加，原岩应力增大的缘