冲击地压的机理及其防治

冲击地压的机理及其防治

摘要：冲击地压时一种特殊的矿山压力显现形式，现在已成为煤矿开采特别时深部矿井开采的主要灾害，严重威胁到煤矿的安全生产。目前，我国北京、辽源、大同、阜新、开滦、徐州、抚顺、大屯等不少煤矿都发生过冲击地压。且冲击矿压发生条件极为复杂，除褐煤以外的其他各种煤层均发生过冲击地压。采深从200～1000 m，地质构造从简单到复杂，煤层由薄到特厚，倾角由水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母岩等，都发生过冲击矿压；在生产技术条件上，不论水采、炮采、普采或是综采，全部垮落法或水力充填等各种采煤工艺，还是长壁、短壁，巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房式等各种采煤方法都出现过冲击地压。因此，研究冲击地压发生条件与防止技术，具有十分重要的任务。

关键词：冲击地压、形成机理、防治措施、影响条件

冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式，可以定义为：矿山井巷和采场周围煤岩体，由于变形能的释放而产生的突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单的讲，冲击地压就是煤（岩）体得突然破坏现象。

实例表明，冲击地压是最危险的矿山动力现象。它一般无明显宏观前兆而突然发生，冲击过程急剧而短暂，伴随巨大声响和强烈震动，对矿工安全有很大威胁，给生产往往造成严重破坏。一些矿井在开采边角煤、保护煤柱的条件下，甚至在设计不合理的工作面开采中或巷道掘进中都容易发生冲击矿压，造成严重的自然灾害。

一、冲击地压成因的机理

所谓冲击地压发生机理，就是指冲击地压发生的原因、条件、机制和物理过程，冲击地压的发生机理就其主要方面来讲，就是在一定的地质因数和开采条件下，煤（岩）受外力引起变形，发生突然破坏的力学过程。

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

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。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。

图一夹持煤体产生高侧压

2、刚度理论

刚度理论起源于刚性压力机，由库克等人总结出来的。这个理论人为，矿山结构的刚度大于围岩——支架刚度是产生冲击地压的必要条件。

库克认为由于采动的影响，原有的矿体围岩系统力学平衡状态被破坏，剩余能量产生地震而使岩石抛出等动力现象，提出当矿体围岩系统破坏时，如果所释放的能量大于所消耗的能量，则发生冲击地压，这一理论称为能量理论。同时，库克在普通试验机上对大理岩进行压缩时，与大理石试件并联一铜管以加大试验机刚度。试验发现，若试验机刚度足够大，大于试件后期变形刚度时，大理岩在达到峰值强度之后不发生突然破坏；若试验机刚度小于试件后期变形的刚度时，则发生突然的失稳破坏。对于井下矿柱——围岩关系可以比拟为试件在试验机上发生突然破坏的刚度比较条件。

Blake（1972）将其普遍化，提出矿体刚度大于围岩刚度则发生冲击地压，这一理论称为刚度理论。

3、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、冲击倾向性理论

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：弹性能变形指数ET

W、冲击能量指数E

K、、煤的动态破坏时间T

D等。

但在实践中，具有相同的冲击倾向性，甚至同一煤层，只有少数区域发生冲击地压，大多数区域并不发生冲击地压，因此不能完全根据冲击倾向性理论，而实验室测定的冲击倾向性指标，唯一地确定冲击地压危险性及是否发生冲击地压。

1986年煤炭科学研究总院北京研究所与波兰采矿研究总院合作深入研究了岩石冲击倾向性分类。根据采空区顶板悬臂岩梁的力学模型，提出了用顶板弯曲能量指数作为评判顶板冲击倾向性的指标。该指标包含了开采深度、顶板性质、采空区状况等一系列因数，实验方法简便。

目前，顶板弯曲能量指数已作为我国顶板岩层分类标准用于对顶板冲击倾向性的分类，如下表

顶板冲击倾向性分类

4、变形失稳理论

失稳理论是从稳定性理论出发研究材料的破坏形式，其中国内学者殷有泉在研究岩石失稳与地震的关系时提出的能量形式的失稳准则，章梦涛在研究岩体失稳与冲击地压关系时提出的岩体失稳理论最具有代表性。作为研究冲击地压的岩体失稳理论认为，冲击地压发生前是一个准静态的过程。在此阶段的煤岩体抗变

形能力是增大的，介质是稳定的，煤岩体是从稳定平衡状态转向另一种稳定平衡状态的动力变化过程。在冲击地压即将发生时，煤岩体所承受的外载荷超过其峰值强度，抗变形的能力下降，介质时非稳定的，煤岩体开始从稳定平衡状态向非稳定平衡状态转化的动力失稳变化过程。当煤岩体处于非稳定平衡状态时，如果受到外界扰动，则有可能失稳，在瞬间释放大量能量，发生剧烈的破坏，即发生冲击地压。该理论认为，介质的强度和稳定性是发生冲击地压的重要条件之一；而当介质在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩体从静态变为动态过程则是发生冲击地压的重要条件之二。该理论的实质是，只有变形系统具有软化特性时才能具备发生冲击地压的条件。

5、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。

二、冲击地压的影响因数

影响冲击矿压发生的因数有很多，但从总的来说可以分为三类，即自然地质因素（应力）、开采技术（采动应力集中）及组织管理措施（防治措施）。

（一）地质条件对冲击矿压的影响

1、开采深度

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，为了便于分析开采深度的影响，只考虑围岩系统中煤层内所积聚的弹性能。

理论上讲，煤层在采深为 H 的且无采动影响的三向应力状态下，其应力为：

1H σγ=