冲击地压诱灾系统理论与控制措施研究

冲击地压诱灾系统理论与控制措施研究

本文通过分析冲击地压的孕灾力源、致灾途径，提出了采用系统理论“研究孕灾力源—分析诱灾形式—灾害预防与控制”的冲击地压研究方法，探讨了有效的控制冲击地压等动力灾害重大技术突破的方向。研究成果能够为生产矿井、新建矿井冲击地压的预防和控制提供一定的借鉴和指导。

标签：冲击地压；孕灾力源；致灾途径；系统理论

冲击地压是采动空间周边煤岩在矿山压力作用下以煤岩突出为特征的矿山压力动力显现，是煤矿重大事故灾害。对于冲击地压的研究，多数学者从矿山局部出发。李国玉等利用数值模拟软件FLAC3D进行了大直径钻孔卸压技术在防治冲击效果方面的研究[2]。许胜铭等采用力学理论计算和现场测试的方法，分析了开切眼附近发生冲击地压的机理[3]。但这些研究未形成统一的冲击“诱灾—防灾”理论体系。

本文通过分析冲击地压的孕灾力源、致灾途径，认为冲击地压的预防与控制应从矿山总体出发，综合考虑矿山地质条件、开采技术等因素，采用系统理论通过“研究孕灾力源—分析诱灾形式—灾害预防与控制”的方法才能获得良好的效果。

一、冲击地压的孕灾力源

1.1 煤层压缩弹性能

巷道开挖以前，巷道所处位置煤体均匀承载，处于三维受力平衡状态。巷道开挖后，由于突然卸荷，围岩三维受力状态转化为近似二维状态，致使顶板下移、地板隆起，承载区向巷道两帮迁移，垂直应力重新分布，出现应力峰值区。开采深度愈大，覆岩强度愈高，受压煤层储存聚集的高强度压缩弹性能的可能性将愈大。

1.2 顶底板弯曲弹性能

在工作面推进过程中，悬顶空间将不断增加，上覆岩梁在自身重力以及构造应力作用下弯曲下沉，岩梁断裂之前，在煤壁附近处将产生较大的弯矩，造成煤岩局部损伤破坏。煤层的变形虽吸收部分顶板岩梁弯曲压缩弹性能，但煤层中仍存有较大的压缩弹性能。重力弯曲弹性能的大小与覆岩强度及厚度相关，支托岩层强度越高、随动岩层越厚，重力弯曲弹性能将越大。

二、冲击地压的诱灾途径

2.1 静载超限诱发型

采场推进后，原始重力应力场中的应力将重新分布。重新分布的应力场，按分布的应力大小差异分为低应力区、高应力区以及原始应力区三个部分。如果掘进巷道布置在高应力区，掘进过程中巷道所受应力就可能超过支护所能承受的最大应力极限，发生冲击地压；回采期间，巷道受纵横两项应力叠加，应力在回采工作面推进到两峰值叠加处达到最大，应力超限致使巷道发生冲击地压。

2.2 动载冲击诱发型

坚硬顶板断裂是诱发冲击地压的重要因素。煤层开采后，坚硬顶板将悬露、弯曲下沉，当悬露到一定程度，岩体内应力超过自身的抗拉强度，将发生断裂失稳，形成初次断裂。随着推采，顶板形成“传递岩梁”结构，发生周期性断裂。岩梁的裂断将伴随高应力的集中，如果煤层所受压缩弹性能达到了发生冲击地压的临界极限，当岩梁断裂时，所释放的能量将引发冲击地压。

构造活化主要是指断层的活化，断层的存在导致没岩层的不连续、煤岩介质的结构和性质变化以及地应力变化的不连续。根据微监测结果分析，断层延展长度越长，断层落差越大，采动断层活化释放的能量就越大。

当采动工作面距离断层较近时，由于开采扰动，诱使断层活化，断层活化释放的冲击能量引发煤（岩）层中的高强度压缩弹性能的突然会释放，产生冲击地压。如若断层强度不大，落差较小，活化释放的能量不足以产生沖击地压，则易产生小能量的微震事件。

放炮落煤是诱发冲击地压另一重要因素。据统计：国内采用炮采的矿井50%以上存在严重的冲击地压或煤与瓦斯突出等巷道围岩动力失稳破坏问题。

三、冲击地压的预防与控制

分析冲击地压的诱灾形式，可以看出冲击地压是涉及矿山地质构造、采煤方法、采煤工艺、巷道布置等全局性的动力灾害事故。有效的控制冲击地压等动力灾害，应从矿山整体出发，从以下四个技术方面突破：

（1）纠正在构造应力场的高应力区采用留设煤柱护巷的传统错误部署，实现采掘工作面向着断层和褶曲轴部等构造应力集中区掘进，通过覆岩运动释放构造应力。

（2）在单一重力应力场的应力条件下，采用正确的通风系统确保不发生瓦斯和燃煤火灾等重大事故的前提下实现无煤柱充填开采方案的部署。

（3）被迫在高应力和高的压缩弹性能条件下开掘巷道，要采用下列技术措施控制冲击地压的发生：①超前注水软化煤；②采用恒阻大变形锚索、锚网支护巷道；③实现掘进支护等危险操作的机械化和自动化。

（4）在坚硬顶板的条件下推进回采工作面存在冲击地压的条件下，采用下

列方案和技术控制冲击地压的发生：①采用无煤柱护巷方案；②通过在开切眼断顶，实现嵌固梁向简支梁的转化；③采用恒阻大变形锚索、锚网支护回采巷道。

（5）做好冲击地压发生条件的预测预报和监控，核心内容是不同采动条件下采场动态结构模型中支承压力的分布，以及坚硬顶板裂断来压的位置和时间等两个部分，必须在相关信息的采集和相关软件开发方面取得新的突破。

（6）实现智能化的开采，根绝在危险的部位和危险的时间人工操作问题。

四、总结

储存在煤岩中的高强度压缩弹性能，是诱发冲击地压发生的根源。冲击地压的预防与控制应从矿山总体出发，综合考虑矿山地质条件、采煤方法、采煤工艺、巷道布置等开采技术因素，采用系统理论通过“研究孕灾力源—分析诱灾形式—灾害预防与控制”的方法，从研究不同采动条件下采场动态结构模型中支撑压力的分布入手，纠正在高应力区留煤柱护巷错误的传统部署，尽可能采用无煤柱开采方式。同时，研究新的煤矿开采方法、管理方法及技术装备，实现智能化管理和智能化生产，才能取得良好的控制效果。

参考文献：

[1]李国玉，李田华. 大直径钻孔卸压技术防治巷道冲击危险的研究应用[J]. 中国煤炭，2016，42（12）：76-80.

[2]许胜铭，姜福兴，陈涌泉.开切眼附近冲击地压发生机理及防治技术研究[J].煤炭科学技术，2015，43（1）：37—41.

吴晓（1990-），男，山东济宁人，山东科技大学采矿工程专业本科毕业，现任兖州矿业集团杨村煤矿技术员。