浅谈煤矿冲击地压发生机理与防治技术

【摘 要】冲击地压是一种特殊地压显现方式，和其他自然灾害一样能对矿井安全生产产生极大威胁。国内外学者和专家经过多年的努力和经验总结，形成了关于冲击地压一系列的防治理论。本文是在前人的基础之上进一步对冲击地压发生机理进行阐述，并结合矿山实际介绍了几种冲击地压监测手段和防治方法，建议各矿井根据所处的地质条件选择合适的技术与方法。

【关键词】煤矿；冲击地压；发生机理；监测手段；防治技术

1 冲击地压的内涵

1.1 冲击地压的概念

冲击地压是采场周围的煤岩体，在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能的瞬间释放而产生一种以突变、急剧、猛烈破坏为特征的动力现象，和其他自然灾害一样能对矿井安全生产产生极大威胁。

1.2 冲击地压的特征

（1）暴力性：直接将煤岩动力抛向巷道、工作面，引起强烈的震动，产生强烈的响声，造成煤岩体破断。

（2）突发性：无预兆，过程短暂，持续时间几秒到十几秒，难以预报发生的时间、地点和强度。

（3）破坏性：大量煤岩体抛出，堵塞巷道，破坏支架，造成惨重的人员伤亡和财产损失。

（4）震动性：像爆炸引起强烈震动，使重型设备发生位移，人员弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至十几公里，地面有地震的感觉。

1.3 冲击地压的类型

（1）压力（煤柱）型：煤柱在高压力作用下，由于采场周围煤岩体中的压力由亚稳态增加至极限值，其聚集的能量突然释放，造成煤岩体的冲击破坏。

（2）冲击型：由于煤层顶、底板岩石坚硬且较厚，岩层的突然破断或滑移造成采场周围煤岩体冲击破坏。

（3）复合（压力型和冲击型）型。

2 冲击地压发生诱发原因分析

（1）自然地质因素，主要包括受采深、地质构造及煤岩结构和力学影响。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。总的趋势是原岩应力随采深增大而增大，导致冲击危险性也逐渐增加。地质构造（如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等）也是引起冲击地压的原因之一，例如，在煤层倾角和厚度局部突然发生变化地带，由于所处位置构造应力集中，增加了冲击危险系数。至于煤岩结构和力学因素对冲击地压的诱发影响，可以通过工作面围岩稳定情况直接观察，即，厚度较大的坚硬顶板由于其结构性强，开采到一定距离后容易发生整体断裂而冒落，因而易形成冲击地压，同样原理，直接顶和老顶黏结组合情况也容易导致冲击地压。

（2）开采技术因素：多个煤层、多个工作面同时进行回采时，如果采用了不恰当的开采程序或是相邻煤层开采错距设置不合理，容易引起应力集中进而产生冲击危险。从防治冲击地压的角度而言，壁式开采优于柱式开采，旱采优与水采，直线工作面优于曲线工作面，冒落法优于充填法。此外，煤柱和开采边界等处是冲击地压多发地带，因为该处是最主要的应力集中区，开采时通过减少煤柱和延长工作面长度可以有效避免冲击地压的危险。

3 冲击地压发生机理研究

冲击地压发生的过程是煤岩的流变到突变的过程，产生的脆性破坏是载荷发生跳跃、应力总和超过极限的结果，表现为立即破坏，而延时破坏是正常载荷的作用下与时间因素有关的破坏过程，表现为从流变到突变。煤岩体的损伤速度与岩体活动性及瞬间释放能量、变形速度成正比。顶板强度越大，冲击倾向性越强；顶板高度越高，冲击倾向性越强。

冲击地压机理是指形成冲击地压的内在规律，它不同于一般的外部影响因素或发生条件，也有别于诱导因素。根据力学观点，也可将冲击地压简单的理解为煤岩体的突然破坏，据资料显示，可用强度准则、能量准则和冲击倾向度准则加以概括，三个准则同时成立是产生冲击地压的充分和必要条件。

冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序的进行，如爆破、冒顶、采煤等而发生，这些因素称为诱导因素，诱导因素本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压的放大作用是可观的，因而诱导因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。

4 冲击地压监测手段及防治技术分析

4.1 冲击地压监测手段分析

目前我国冲击地压的监测手段主要有钻屑法、顶板动态仪法、钻孔应力计法、电磁辐射法、地音及微震法。

钻屑法和钻孔应力法、顶板动态仪法同属于接触式探测方式，都是通过间接反映煤岩体的应力状态来判断冲击危险。在接触式探测过程需要钻取大量深孔，工程量大，耗时长，钻孔费用高，因而局限性很大。但因其简单实用性，在冲击地压监测和解除冲击危险效果检验方面仍有较大应用范围。三种方法中钻屑法较为常见，我国《冲击地压煤层安全开采暂行规定》和《煤矿安全规程》都将钻屑法作为确定冲击危险程度和采取措施后的效果检验方法。

电磁辐射法是通过接收煤岩破坏产生的电磁辐射来测量煤岩体内应力集中程度的一种冲击地压监测方法，不需要经过接触式进行探测，因而逐渐引起人们的关注。但它的定位精准度不高，同时监测范围小（一般只有几十米），所以不如钻屑法常用。

地音和微震法通过在顶板、煤层和底板中布置探头（或拾震器），并实时采集煤岩体在应力作用下发生破坏而产生的应力波，经过数据处理后，采用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间中显示出来。地音和微震手段具有远距离接收、动态和三维显示的特点，可将仪器长期安装在井下，实时接收并保存煤岩震动信号，而且通过数据后处理，可根据震源机制分析破裂尺度和性质。

冲击地压的危险源范围从地表下基岩开始一直到煤层底板。要在这数百甚至上千米深度范围内识别危险源，必须将上述各种方法综合起来，扬长避短，发挥各自优势，实现对冲击地压危险源的层次化辨识。

4.2 冲击地压防治手段分析

目前我国对冲击地压所采取的防治方法可分为3 类：开采设计优化方法、主动解危方法和加强支护方法。开采设计优化方法是从源头上消除应力高度集中、降低冲击地压危险的一类方法，通过巷道布置优化和保护层开采等开采设计优化手段可达到消除应力多次叠加产生的应力高度集中的目的。主动解危方法是在已有冲击地压危险的区域实施包括煤层注水、煤层卸压爆破、断顶断底爆破、钻孔卸压、卸压硐室、定向水力割缝等手段改变煤岩层自身的冲击倾向性质，或将高应力区转移或释放，从而解除该区域的冲击地压危险。加强支护方法是通过增大支护强度或改善支护方式以提高支护体抵抗冲击的能力，这是一种被动防护方法，在目前的开采技术和装备条件下，只有在前2类方法的基础上使用才能取得较好的效果。由于受到各种原因限制，目前现场采用最多的还是主动解危方法。

5 结语

煤矿冲击地压具有难以预测性和极大破坏性，是伴随着矿井开采过程形成的矿山动力现象，对于其诱发原因和产生机理研究国内外学者与专家投入很多，但在监测与防治地压冲击时仍然存在不少问题。针对我国较为复杂的地质条件，本文建议在冲击地压多发地带采用多层次监测手段，从源头上减轻冲击危险，同时，加强对瓦斯参与的深部冲击地压发生机理的研究。

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