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。

表3-1 典型冲击地压煤层力学性质

北京门头沟二槽29.7 3.0 9000 0.21 五槽25.3 2.5 6600 0.32 七槽19.3 2.0 8200 0.29

抚顺矿务局三分层12.9～13.8 1.3 2300～2500 0.31～0.42 极脆四分层

11.18～

17.75

1.5 2600～5100 0.26～0.48 脆五分层13.0～21.43 1.8 3000～3500 0.26～0.31 较脆

枣庄

陶庄矿

二层15.6～20.3 1.5～2.0 5600 0.35 开滦

唐山矿

八层22.4 2.2 7800 0.29 冲击地压发生的必要条件是积聚较多的弹性能，所以弹性大、脆性大是冲击危险煤层的基本特征。

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

图3-1 弹性变形指数

擦角φ=35°～40°，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。当老顶折断时还会造成附加载荷，并传递到煤层上，通过煤层破坏释放变形能（包括位能），产生强烈的岩层震动引起冲击地压，而且底板也参与冲击地压的显现。我国煤矿大多数冲击地压矿井的煤层顶板都十分坚硬，伪项或直接顶较薄甚至没有。典型顶板特征列于表3-2中。

北京矿务局门头沟矿和房山矿、大同矿务局忻州窑矿、枣庄矿务局陶庄矿等矿井的煤层都具有十分坚硬的厚层砂岩顶板，采后形成大面积悬顶板，是发生冲击地压的典型顶板条件。门头沟矿根据顶板等厚线图，综合大量冲击地压统计材料所作的分析表明，砂岩老顶厚度从5m到25m均有冲击地压发生，但从趋势上看，绝大部分发生在5～20m厚度内，而且在此范围内冲击次数随砂岩厚度增加而减少。说明发生冲击地压的顶板厚度有个范围，小于下限厚度或大于上限厚度都不易形成冲击。其原因可能是厚度太小，顶板随采随冒，难于形成较高的应力集中；厚度过大，尽管开采后可以形成大面积悬顶，但在一定条件下（例如刀柱支撑）顶板岩层的能量积蓄和释放条件差，也不易形成冲击地压。大同忻州窑矿冲击地压事故发生区的顶板大部分为厚层整体砂岩，从已发生的35次冲击地压区段的顶板来看，其中

粗粒砂岩的20次，占57％，细砂岩顶板的10次，占28.6％。

表3-2 顶板岩石物理力学特性

矿井顶板岩层

种类

厚度

（m）

单向抗压

强度

（MPa）

弹性模量

（104MPa

）

冒落性

超前支承压

力影响范围

天池矿长兴灰岩220 148 5.2~6.8 难冒20 门头沟矿中粒石英

砂岩

10~20 130~190 6.1~6.8 难冒20~30

陶庄矿中粒石英

砂岩

10~40 130 4.3 难冒30~40

龙凤矿油母页岩100~20

200 3.6~4.5 较难15~20

唐山矿砂岩44 137 1.8 4000

m2

冒落

25~30

房山矿4槽煤细砂岩20~30 174 6.4~6.9 难冒30 15槽

煤

砾岩 5 200 5~7.7 难冒

忻州窑矿中粒砂岩10~15 80~160 4.0 难冒60

枣庄矿务局对177次破坏性冲击地压的观测

研究表明，90％以上的冲击地压发生在采场支承

压力带，而发生时间多在工作面来压期间。表明

顶板中积蓄的变形能通过煤层破坏以动能形式释

放参于冲击的特性。当顶板岩梁将要折断时，应力将在岩梁断裂处集中，当岩梁完全折断后，应力又突然下降。此时最易发生冲击地压。对冲击地点的现场勘测发现，顶板留下明显的擦痕，在顶板和煤层的接触面上有数米至数十米范围的粉末煤呈透镜状分布（如图3-2）。证

图3-2 煤体移动造成粉煤带和破碎带

明了顶底板夹持下煤层移动的事实。图

3-3为两个

工作面顶板下沉量与冲击地压分布图。可以看出，两个工作面在支承压力区内发生的22次冲击地压中，80％发生在支承压力峰值区。而且无论是水采工作面还是旱采面，冲击地压爆发时刻的顶板下沉量范围均在40～95mm 之间。这可能是因为在此范围内顶底板围岩积蓄的变形能足以克服阻力，易产生冲击地压。而顶板下沉量小于40mm 的情况下所积蓄的能量尚不足以克服阻力，难以产生冲击地压。对于顶板下沉量超过100mm 后的情况，则因煤体被压酥发生塑性变形消耗能量，降低了冲击危险程度，所以也不易产生冲击地压。图3-4是1984年至1989年通过对几个采场发生的33次破坏性冲击地压的观测，得出的冲击地压发生前的顶板动态曲线。结果显示，冲击地压主要发生在顶底板移近速度上升段，这为预测预报提供了前兆信息。

德国的鲁尔等矿区，发生冲击地压的煤层顶板绝大多数是厚层坚硬的砂岩。砂岩确实对冲击地压的发生起很大作用。顶底板内都有砂岩的煤层最具冲击危险性，经常发生冲击地压的阳光煤层、狄克班煤层等的顶板沙岩厚度最小为5m ，最大为40m ，底板砂岩厚度至少为2m ，最大为20m 。这些煤层历来以稳定的顶板和优良的煤质闻名。

图3-4 冲击地压发生前顶板

动态曲线

图3-3 顶板下沉量与冲击地压分布

a —420工作面（旱采）；

b —2801工作面（水采）

围岩主要由砂岩构成。实际情况表明，围岩的砂岩成分愈多，冲击的危险性愈大，围岩的泥质成分愈多，冲击的危险性愈小。因而在德国把砂岩顶板列为冲击地压危险煤层的主要标志。认为煤层顶底板内赋存有完整的能传递高压力的厚层砂岩层，能够阻碍煤层运动不能发生断裂和错动，也即砂岩顶底板可将煤体夹紧。煤体的极限载荷与煤壁附近的煤体夹持效应是密切相关的。煤体夹持限制了深部煤体自身或煤体一围岩交界处的卸载运动。对弹性能而言，夹持起到了闭锁作用。而且这种闭锁作用发生于煤壁附近，造成煤体夹持带产生高度应力集中和积蓄相当高的弹性能，而处于临界状态。只要煤体载荷稍有增加就可能破坏。当应力或能量大小足以酿成一次冲击地压时，则被压缩的煤体将产生冲击式的加速破坏。就煤层而言，厚层坚硬、完整的顶底板的夹持作用，一方面使煤层在高压力作用下趋于侧向突然破裂或向采掘空间逐渐膨胀，另一方面它又以煤岩交界处的阻力和变形，阻碍上述过程的发展，因而使煤体积聚起很高的侧向压力（如图3-5）。又导致在煤层和围岩交界处形成很高的剪应力和相应的高压力。当煤体压力和剪应力达到一定数值后，就可能发生冲击地压。

在前苏联，冲击地压危险煤层的围岩条件与

我国类似。顶板大多数存在厚层砂岩或其它坚硬

顶板。佩图霍夫在阐述冲击地压机理，分析煤层

边缘区应力状态冲击式变化规律时，把煤岩性质

图3-5 夹持煤体产生高侧压

和煤层与围岩的相互作用条件视为首要因素。认

为冲击式变形是处于假塑性状态核（图3-6中的A带）的内部高压力和两侧B、C带岩石阻力之间乎衡顺序的破坏和恢复。同时B带范围内周边部分煤层与项底板接触面的摩擦力和顶底板对煤层的夹紧力的作用，又对内压力产生阻力。如果A带中的内压力超过B带周

边阻力，B 带煤岩就会向采空区一侧发生移动，直

到重新建立平衡为止。如果A 带中的内部推力大到

足以使B 带中的煤岩能不断地向采空区一侧移动，

那么A 带中的煤岩就将发生雪崩式的破坏过程，产

生冲击地压。此外，由于煤层边缘砂岩弯曲形成剪

切裂隙，使部分围岩主要是顶板瞬间移动，也能引起煤层边缘区冲击式破坏。这中间顶底板的动态对上述过程有重大影响。当其它条件相同时，顶底板对煤层夹持得越紧，煤层变形的冲击性就越强。而煤层的夹紧程度首先取决于顶板悬梁的大小。他认为不仅顶板而且底板都可能参于冲击地压的显现；冲击时不是顶板单个分层简单的位移，而是由于卸压时岩石的膨胀产生震动过程造成的顶底板岩石瞬间靠拢。冲击能量来自煤层和围岩的共同作用。

波兰的西里西亚煤田，砂岩顶板的冒落相当猛烈，对煤层造成的冲击载荷大都成为严重冲击的原因。波兰学者把冲击地压划分为两个基本类型，认为对冲击地压诱发和过程有决定性影响的是位于煤层之上的高强度厚层砂岩顶板的断裂。其中第一类是由厚层高致密悬顶断裂引起震动并诱发的典型煤层冲击；第二类直接与高致密顶板岩石有关的典型顶板冲击。它与顶板中的水平压力大，顶板岩块相互接触区域的动力破碎有关。这种水平压力是由于大的岩块在下沉过程中的水平倾倒或岩体中的自然水平应力（构造应力）引起的。

一般认为，冲击地压释放的能量来自煤层和围岩在冲击前所储存的弹性变形能。全国冲击地压矿井情况的调查结果也表明，围岩性质是影响煤层冲击的主要因素。围岩顶板参与冲击地压释放能量已被现场实践和实验室所证实。

图3-6 煤层边缘区状态示意图 A — 塑性占优势地带；B —塑性变形带或破坏带；

C —弹性变形带

震级较大的冲击地压发生时，煤体破碎所消耗的能量仅占总释放能量的百分之几，相差两个数量级。说明震级较大的冲击地压释放出来的能量主要来自围岩特别是顶板冲击前积蓄的变形能。而震级较小的冲击地压发生时，由煤体破碎所释放的能量占的比例较高，甚至超过了由地震震级换算的能量，说明这种情况下围岩释放能量很少。众所周知，围岩应力（弹性能）是由自重应力、构造应力以及由采动引起的附加应力组成。但自重应力在顶底板和煤层中变化不大，因而围岩能够释放的弹性能只能是由附加应力和构造应力特别是悬顶造成的应力集中所致。国内外冲击地压实例都表明，绝大部分冲击地压发生在厚层坚硬顶板条件下，而且相当部分冲击地压又发生在工作面来压期间，足以证明顶底板参与冲击地压显现并释放变形能。

3．开采深度

随着我国煤炭生产的发展，矿井开采深度正在以每年平均加深8～10m的速度增加着。世界各主要采矿国家的情况也基本如此。矿井开采在向深部推进的同时，必将引起一系列安全问题。其中单纯取决于深度的，且复杂而又相互关联的问题就是矿山压力和冲击地压危险问题。由于矿山压力与开采深度成比例的增加，因此深部开采的回采工作，将会遇到矿山压力的严重干扰。在条件恶劣的情况下，矿山压力将严重影响回采工作的安全和效益。特别是冲击地压危险将随开采深度的增加而增加。在更大的开采深度下，煤层边缘区的附加载荷更大，致使支承压力增加并传播迭加在煤层上方，使冲击危险的范围扩大。特别是已采煤层边界或煤柱的附加载荷增加更大，使冲击危险范围更加扩大。

据前苏联的研究，深部围岩具有脆性特征，因此巷道壁都会产生岩石抛射现象。根据顿巴斯矿区的统计资料，当围岩应力大于岩石抗压强度的50%时，巷道壁就会出现岩石抛射；

当大于80%时，则容易产生突出（冲击地压）。所以随着开采深度的增加，冲击地压的危害将严重威胁矿井的安全生产。

开采深度愈大，煤体应力愈高，煤体变形和积蓄的弹性能也愈大。就一定的开采技术条件下，具有冲击倾向的煤层都存在一个冲击地压发生的临界深度。根据弹性理论，煤层在自然状态的三向应力条件（无采动影响）下，对于开采深度为H 的煤层，煤体所承受的应力为：

H γσ=1 （3-1）

H γμμ

σσ-==132 （3-2）

此时煤体中单位体积所积蓄的弹性能，由体积改变和形状改变形成的弹性能两部分组成。由于体积改变而形成的弹性能为:

()()()

222216121H E U V γμμμ-+-= （3-3） 由于形状改变而形成的弹性能为：

()()2222

12161H G U γμμ--?=Φ （3-4） 若令煤层中由于形状改变而形成的弹性能U φ全部消耗于煤体的塑性变形和生成部分热量，而由体积改变形成的弹性能U V 全部消耗于破碎煤体和使煤块获得一定的动能而产生运动或抛射。在不计应力集中影响的情况下，由（3-3）式则有：

226H E

C U V γ= （3-5） 式中：()()()

221121μμμ-+

-=C

假设煤在单向载荷下的破碎强度为C σ，则用于破碎煤块的单位体积所需能量1U 为：

E

U C C 22121σεσ== （3-6） 由于巷道周边煤体处于双向受力状态，所以其所需的破碎能量比U 1要大，此时考虑系数K 0（K 0＞1），则破碎单位体积的能量U 2为；

E k U C

2202σ= （3-7）

按冲击地压的能量条件有：2U U V > 从而得到：()E

k H E C C 26202σγ= C

k H C

073.1γσ＞ （3-8） 此处H 就是发生冲击地压的临界深度。

释放出来的动能为：

()E k H C U U U C V 63202

2σγ-?=-=? （3-9） 显然上述情况仅是考虑自然应力状态，上述推导只具有物理意义。因为对于具体矿井来讲，实际条件远比这些复杂的多。上式仅在于说明达到一定开采深度是产生冲击地压的一个基本条件。实际矿井冲击地压发生的临界深度的具体数值因煤层性质和地质条件的不同而各不相同。影响冲击地压临界深度的因素很多，主要有煤体强度、煤的冲击倾向性、煤层自然含水率、顶底板和覆盖层性质、地质构造、构造应力大小和方向、开采技术因素等。我国部分矿井发生冲击地压的始发深度和国外几个主要采矿国家的冲击地压始发深度统计于表

3-3和表3-4中。从中可以看出，冲击地压的始发深度一般为200～400m。少数矿井达到500～

600m以上。从我国目前冲击地压较严重矿井的冲击情况看，随着开采深度的延深，冲击地压发生的频度和强度增加。我国几个典型冲击地压矿井的冲击地压的发生频度（强度）与开采深度的关系密切。抚顺龙凤矿在开采-540m水平（采深640m）对每采百万吨煤冲击地压发生次数为0.07次，而开采-635m水平（采深730m）时增至0.125次。四川重庆地区天池煤矿等在开采深度200～400m时冲击地压仅发生4次，每次平均冲击煤量5.8t，随着开采深度增加到400～500m、500～600m时，冲击地压的次数分别达到9次，冲击煤量分别为180t和1000t以上（见表3-5）。

表3-3 我国部分矿井发生冲击地压的初始深度

表3-4 国外矿井发生冲击地压的初始深度

表3-5 冲击地压次数与开采深度关系

开采深度对冲击地压的影响在波兰和前苏联也有明显的反映。波兰的统计表明，冲击地压发生次数随开采深度的延深，呈明显上升趋势，如表3-6所示。

表3-6 波兰冲击地压次数与开采深度关系

4．地质构造

地质条件中的顶底板岩性、煤层性质和开采深度对冲击地压发生的影响是公认的。诸如褶曲、断层等大构造以及一些小构造的影响也得到了公认。根据国内各冲击地压矿井的冲击位置统计分析看，地质构造的影响是客观存在的，类似的情况还有波兰等国的统计结果。诚然，其中有些冲击地压发生位置并没有褶曲和断层等地质构造的存在，但这里并不能以此否定地质构造影响。问题在于具体分析地质构造影响的实质。因为地质构造对冲击地压的影响可能是直接的，也可能是间接的。

通常，在地质构造带中尚存有一部分地壳运动的残余应力，形成构造应力。在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常（如底板凸起、顶板下陷、煤层分岔、变薄和变厚等现象）等构造带。冲击地压常发生在这些构造应力集中的区域。

天池和门头沟矿发生冲击地压的资料说明，在次一级向背斜构造的轴部，倾角大于45°的翼部及其转折部位是构造应力易于集中的地带，发生冲击地压的危险性最大。天池矿在地质构造带中发生冲击地压共28次，其中在次一级向背斜构造带中就有20次，占71％，有

5次是属于构造应力型的冲击地压；其余3次发生在主向斜的翼部，并且主要是受开采因素的影响。抚顺胜利矿在褶曲地带也发生过多次冲击地压。

同样，煤层局部异常地带也易于发生冲击地压。天池矿在这些地点的发生率达49％、门头沟矿1956～1974年的50次冲击地压事故中，有11次是发生在向背斜和煤层变薄的构造带，占22％。

在形成断层的过程中，一般能释放一定的能量，使其两侧的构造应力降低．但在断层的尾端构造处，仍可积聚有较大的残余应力、如门头沟矿在向斜构造的断层附近也曾发生过多次较大的冲击地压。

国外的生产实践也证明了地质构造对产生冲击地压构成影响。最早的冲击地压矿井——英国的南史塔福煤田，煤层厚度6～8m，倾角近于3°，在开采深度700m处经常遭受强烈的冲击地压危害。煤层的直接顶上部赋存有4m厚的硬砂岩。煤层被很多断层所破坏。特别容易遭受冲击地压的一些地区，都分布于断层交岔处和断层面构成的三角地带。无疑，该煤田的地质破坏是形成冲击地压的原因之一。苏联学者阿维尔申在其冲击地压专著中指出：地质构造与冲击地压有关。冲击地压常常在褶皱轴处发生，在背斜轴处冲击地压就很多。例如基泽洛夫煤田，冲击地压始发深度为220～250m，在480～570m深处冲击地压发生频繁而强烈。其中乌里茨基矿和加里宁矿，煤层上部被厚而坚硬的石灰岩层或石英砂岩所覆盖，特别容易遭到冲击地压危害的区段，大多存在断层等大型地质构造的破坏或者是煤层尖灭了。同时认为冲击地压的基本原因是矿山压力，其数值和特性主要取决于重力作用；但在特殊情况下，由地质变动生成的附加应力（构造应力等）作用也很重要。宜格洛夫研究了构造复杂矿床的断裂破坏对冲击地压的影响，这些矿床的特点是具有大裂隙和密集交错的正断

层。通过对冲击地压显现的分析研究认为，多数冲击地压是由于断裂破坏引起的，并发生在巷道内距断裂面10～12m处；断裂破坏带附近最可能出现冲击地压的岩体宽度，决定于矿体边缘部分构造破坏影响带和支承压力带的宽度；断裂破坏带附近存在构造影响带，此处岩石和矿石的强度较低并具有塑性特性；在断裂破坏区周围应力较大，其最大值出现在由强度较小的弹性岩石向整体岩石转变的交界处，此处最可能出现冲击地压。加拿大的舒德布利镍铜矿1984年发生了两起大型岩爆事故，其原因就是由于岩体沿大断层的滑动引起的矿震，并由此导致顶板垮落。

冲击地压矿井的地应力实测结果也证实了构造应力的存在和对冲击地压有影响。构造应力（主应力是水平矢量）对巷道稳定性也有影响，表现在巷道的破坏形式是沿轮廓线层层剥落，然后沿弱面断裂破坏。巷道的变形特点是，由于巷道方向和应力作用方向的夹角不同，巷道围岩内应力集中程度差异很大，正交时达高度集中，破坏区的深度也随构造应力作用条件有所不同。坚硬岩层中的巷道在深度不大（100～150m）就发生脆性破坏，且破坏往往发生在顶板或顶角处。破坏形式是裂隙逐渐扩展，沿裂隙剥离或坍落。在支承压力区出现渐渐的脆性破坏（围岩脱皮剥落）或瞬时的脆性破坏（出现声响、抛射或岩爆）。观测研究还表明，在较大的水平应力作用下，巷道的高宽比和形状，以及水平应力和垂直应力的比值，对巷道围岩的应力分布和围岩稳定性影响很大。随高宽比的减小，应力集中系数可降低2～3倍。采用宽巷掘进防治冲击地压的道理正在于此。北京矿务局城子矿采用宽巷掘进等措施安全开采了封闭禁采近20年的大巷煤柱就是例证。

煤层边缘部位的应力状态与煤层的宏观结构关系密切，它对冲击地压的形成和显现有重要影响。因为煤层大多构造复杂，煤层的单个分层或其它夹层有着不同的强度和弹性特征，

以及从压力下解脱出来的性质。这些分层或夹层往往被大量弱面（层面、节理、裂隙等）所切割。造成煤层由联接不紧密的各单元体所构成的体系。这对煤层边缘区的变形特点有影响。在煤层总体受压的条件下，各个分层不仅产生相对移动，而且各分层的变形量也不相同。

煤的裂隙性和层理对煤层的变形和强度也有直接影响。冲击地压的现场观测表明，裂隙方向对冲击地压的形成和显现有重要影响。冲击时煤层大多沿已有的裂隙破碎，分离出大小不同的透镜状煤块，在煤层和顶板接触面上留下擦痕。这种情况表明，在支承压力带中，煤层处于三向不等压状态，在剪应力作用下，首先沿天然裂隙面变形和滑动。由于是沿不平整的裂隙面滑动，所以出现煤体扩容和压出。在煤层边缘区，随着剪应力的增加，煤体将可能沿天然裂隙和新生裂隙网（裂隙集中区）产生移动。而这些裂隙的方向是由作用于煤层的主应力之间的关系所决定的。由于煤体移动和扩容，在煤层边缘区的个别区段上，可能造成应力的极不均匀分布，为局部的冲击式破坏提供了条件。

第二节开采技术条件

冲击地压是在特定的自然地质条件和生产技术条件下按一定方式相配合的情况下发生的。很显然，这种配合是多变的，受多种因素制约的。这些因素不仅决定着冲击地压是否发生，而且决定着发生冲击地压大小和显现特性。重要的生产技术条件有：开采方法、采掘顺序、顶板管理方法、遗留矿柱、落煤放炮等。一般讲，开采技术条件可从两方面促使冲击地压发生；一是人为地形成高度应力集中，增加发生冲击地压的危险性；二是采掘或爆破造成周边应力状态的急剧变化和煤层约束条件的改变，以及爆破的动载荷作用，触发了冲击地压。

1．采煤方法

各种采煤方法的巷道布置和顶板管理方法不同，所产生的矿山压力和分布规律也不同。一般，短壁体系（房柱式、刀柱式、短壁水采等）采煤方法由于采掘巷道多，巷道交岔多，遗留煤柱也多，形成多处支承压力叠加，易发生冲击地压。北京房山矿用短壁式开采15槽煤时，在掘进中曾多次发生冲击地压，改为倒台阶开采后，则从未发生。在波兰，开采4～8m厚的煤层时，用长壁分层开采比房柱式一次采全高开采，发生冲击地压的次数显著减少。

波兰1949～1970年煤矿冲击地压迅速下降，其原因主要是改进了开采方法。按不同工作面和巷道统计的冲击地压，在房柱式工作面发生的最多，达到年平均近144次。1961～1970年间基本停止使用房柱式开采法，改用长壁式开采法，冲击地压次数显著降低。根据对冲击地压事故资料的分析，在回采工作接近采空区或老巷40～50m范围内容易发生冲击地压，大多数事故出现在20～30m范围内。

冲击地压煤层的开拓和开采方法的选择首要考虑的是能够整齐、干净地进行回采。不留或少留煤柱，尽可能保证工作面成直线，不使煤层有向采空区突出的地段，在煤层中掘巷量最少，限制采场和巷道附近的应力集中。用房柱式开采法因顶板长时间不能冒落，矿山压力随工作面继续推进而增加，顶板下沉和底板臌起也随之增大，这就可能造成潜在危险。煤层或矿柱上的不均匀载荷及其应力松弛可能使一些矿柱上应力水平提高很大，成为导致冲击地压的附加因素。这里必须考虑到自由面在应力波的多次反射中的影响，以及由此造成应力强度的放大作用。特别是菱形矿柱。自由面数目愈多，问题也愈严重。在这些方面，长壁工作面开采法是冲击地压煤层最有利的开采方法。

正确地设计选择合理的开采顺序也是至关重要的。有利于安全开拓、准备和回采工作的

所有环节的设计，都应当考虑能最大限度地限制在采场和巷道附近形成危险的应力集中带。设计工作对控制冲击地压危险方面起到基本的作用，设计的好坏其后果将影响整个开采过程。对存在多煤层同时开采的情况，各个煤层的开采互相影响。特别对有冲击危险煤层的开采设计时，应当合理配置未来的开采，以便把因相邻煤层的开采所增加的冲击危险限制到最小。因为开采顺序对形成矿山压力的大小和分布有很大影响。巷道或回采工作面的相向推进，在工作面向采空区或断层带推进，邻层工作面间错距不够与采空区邻接的工作面上隅角部分，受邻层开采边界影响的区域等不合理的布置和顺序都容易引起冲击地压。这样的事例在冲击地压矿井不胜枚举。发生冲击地压大多存在开拓布置或开采顺序不合理的因素。

坚硬厚层老顶折断引起的冲击地区危害性最大，而冲击地压煤层的顶板大多是又厚又硬、不易冒落。对煤层来说，顶板不仅是载荷的一部分，而且还是传递上部岩层重量的介质。悬垂在煤层边缘上或煤柱上的厚层坚硬顶板能够造成很大的应力集中。这种由悬垂顶板形成的应力是一个十分复杂的过程，附加载荷的分布是不一样的。最大附加载荷的位置、大小、支承压力的集中程度和方向都是变化着的，因此煤体或煤柱处在可变载荷和复杂应力状态条件下。在顶板发生变化过程中特制是初次来压期间，产生载荷迅速增加的条件，就可能引起冲击地压。因为过载区处在各向压缩状态下，一旦失去各向压缩条件就可能发生突然破坏——冲击地压。特别是悬垂顶板的弹性振荡和弯曲作用，使煤层边缘或煤柱产生特别危险的应力状态。所以说，坚硬顶板的管理方法也是影响冲击地压的重要因素。实际上采取各种冒落方法，例如爆破断顶，注水软化等使顶板冒落，以起到减缓冲击地压的作用。

2．煤柱