深部矿井的冲击地压危险性分析

深部矿井的冲击地压危险性分析
摘要：随着矿井开采深度的延深，发生冲击地压灾害的矿井显著增加。

本文从冲击地压发生的原因出发，对冲击地压危险影响因素进行分析，进而对深部矿井开采冲击地压危险性进行分析。

关键词：深部矿井；冲击地压；危险性分析
我国矿井地质条件复杂，随着矿井开采深度的延深，发生冲击地压灾害的矿井显著增加。

垂深达到400m以上时，冲击地压频繁发生，而且地震台常常监测到，震级达到里氏2—3级，破坏性严重。

一、冲击地压发生原因
1、煤层及其围岩具有冲击倾向性
煤层及其围岩产生冲击或破坏的能力，即是其冲击倾向性。

它是煤岩层固有力学属性，可以用指标进行度量。

有强烈冲击倾向及中等冲击倾向的煤岩层统称为有冲击倾向的煤岩层。

防治冲击地压的实践过程中，发现砂岩类累厚大或石灰岩等较坚硬的顶板冲击倾向较强，原因就是易形成大面积板块，不易弯曲折断，积聚大量变形能，导致回采面前方的弹性能巨大，爆发冲击地压时，弹性能猛烈释放，造成采场附近严重破坏。

2、采场积聚着巨大的能量集中
回采工作面，冲击地压多发生在工作面前方15-70 m处，这属于回采面前方支承压力区，煤岩层积聚着巨大的弹性能，当其超过煤层承受的极限强度时，便产生冲击地压。

当走向支承压力与倾斜支承压力叠加时，产生的冲击地压更为猛烈和频繁。

富力煤矿(地表标高为+280 m)，在-240 m标高南部18—2层采煤面发生的冲击地压，即属于“T”，字型应力集中，加之分区煤柱附近有一个落差2.25 m的断层，为重力型——构造型走向支承压力与倾向支承压力叠加而致的冲击地压。

3、存在能量释放的空间
采场煤体之中存在强大的弹性变形能，在其附近又存在一定的空间，当煤体达到极限承载强度以上可爆发冲击地压。

如果没有释放能量的空间，强大的弹性变形能将随着采场的移动和受力条件的改变，可能逐渐缓解以致恢复到常压状态，积存的弹性变形能经过应力重组被煤休吸收或转化。

掘巷多、巷道交叉处
相互不垂直(有锐角)，切割量大的采煤方法(房柱式开采，刀柱式开采及短壁开采等)，爆发冲击地压的机会较多。

长壁采煤而遇有断层、陷落柱等情况时，若在工作面前方支承压力高峰区掘巷，也会引起冲击地压，回采时在三面采空的孤岛区或半孤岛区也多发生冲击地压。

两个长壁采煤工作面或采区间留有煤柱时，同时开采时在采面、掘进过程中爆发冲击地压机率较高，富力矿则是在这种情况发生了冲击地压。

二、冲击地压危险影响因素分析
发生冲击地压的地质因素归结起来主要有两个方面：开采深度和地质构造。

1、开采深度
从开采水平来看，开采深度在500m以下时，冲击危险性较小。

开采深度在500～700m之间。

冲击地压发生的危险程度随着采深的增加会逐渐上升,当矿井开采深度大于700 m后,冲击危险性显著增加。

2、地质构造
冲击地压发生的过程是煤岩失稳破坏的过程，当煤岩体所受应力超过其强度极限且煤岩系统受到扰动时，煤岩系统会发生动态失稳，煤岩体内积聚的弹性能会突然释放，从而引起冲击。

因此，一般来说，在应力越集中的地方越容易发生冲击地压，而地质构造则是应力集中程度较高的区域。

（1）褶皱构造的影响
褶皱构造是煤岩层在水平应力作用下形成的。

因此，在褶皱区的向斜与背斜轴部是应力的集中区。

当在向、背斜轴部附近进行采掘工作时，采动影响打破了煤岩体中的应力平衡，煤岩体在进行应力重新分配和调整的过程中会释放其储存的弹性变形能，进而引发冲击地压。

（2）断裂构造的影响
断裂构造引发冲击地压主要是指断层的影响。

断层冲击主要表现为断盘沿断裂面的突然错动猛烈释放能量的过程。

压性闭合性逆断层周围煤岩层中承受较高的残余构造应力，积聚有较高的能量，因此在采掘工作影响下会引起能量的猛烈释放和断裂面的突然错动。

张性正断层尤其是倾角较大的陡倾正断层，其冲击主要表现为煤岩在剪应力作用下沿断。

裂构造面的突然移动。

因此，断层附近煤岩体的应力集中和易于移动性，往往使煤岩体具有潜在的冲击性、发生的瞬时性和移动的高速性，因而断层的断裂面和断裂交汇的区域常被称为冲击地压源。

（3）地质异常区域的影响
地质异常区域是指煤层厚度突然变化、分岔和尖灭处。

这些区域是应力集中区，在煤岩体内储存有较高的残余构造应力，因而该区域易于发生冲击地压。

如四川天池煤矿在局部地质异常区发生的冲击地压占70％，北京矿务局房山煤矿和门头沟煤矿发生在该条件下的冲击地压也占有很高的比例。

三、深部矿井开采冲击地压危险性分析
1、原岩应力变化
随着开采深度增加，原岩应力也相应增加。

（1）弹性极限平衡状态
垂直应力：δ1=ｒH
侧向应力：δ2=δ3=rδ1=λｒH
式中:H——开采深度；λ——侧向压力系数；r——上覆岩层平均容重。

上式中垂直、侧向应力均随开采深度增加呈线性增加，开采深度至-850m 时δ1=24Mpa，δ2=δ3=12MPa。

（2）静水压力状态
随着开采深度增加，深部煤岩体可能进入塑性状态，则其应力水平为：
δ1=δ2=δ3=ｒH
当开采深度达-850m时应力水平可达24MPa。

因此，对于-850m水平的开采，在忽略应力集中的前提下，煤岩体承受最大原岩应力接近2煤、超过4煤平均抗压强度，因此而形成的高应力将增加冲击地压的危险程度。

岩石在三向受压应力状态下，因体积压缩而积聚的弹性能为：
W0=（1-2μ）（1+μ）2ｒ2H2/6（1-μ）2E
由于形状改变而聚集的弹性能为：
Wf=（1-2μ）2ｒ2H2/6（1-μ）2G
随开采深度增加，岩层聚集弹性能W= W0+ Wf以平方关系迅速增加，
冲击地压的危险程度也随着增加。

2、原岩力学性质变化
随开采深度增加，原岩力学性质也由弹性介质渐向弹塑性、塑性介质转化，这种内因的变化是诱发冲击地压的决定性因素。

岩石侧向压力系数取决于岩石所处应力状态，在弹性状态下煤的侧向压力系数λ为0.25-0.41，砂岩λ为0.25-0.42；在完全塑性状态下λ约等于l；而在弹塑性状态下，砂岩λ为0.30-0.50。

据国内外对原岩应力测定结果，在不考虑构造应力前提下，-300m以上，岩石基本处于弹性状态，而-300m以下则进人弹塑性状态。

因此，随着开采深度的增加，煤岩层均进入弹塑性状态，侧向应力逐渐增加，形成高应力的可能性也增大，从而形成冲击地压的可能性加大。

3、构造变化
(1)断层：断层保护煤柱内支承压力对后续邻近底板的工作面或巷道产生不利影响，易引发邻近工作面、底板的冲击地压；断层附近易形成较强构造应力集中，从而加重冲击地压发生的危险性。

(2)裂隙、层理、节理：小构造对顶板岩层起到弱化作用，可能引起顶板周期来压步距缩小、动载系数减小、来压强度低，从而缓和了冲击地压的危险性。

(3)煤层厚度变化：随开采深度加大，煤分层厚度增大，可能加剧周期度，增加冲击地压的危险性，另外采空区高度不能满足直接冒落高度的要求，也可能增加冲击地压发生的可能性。

总之，通过上述危险性分析可知，进行必要的深部矿井冲击地压危险预防措施是必要的。

参考文献
1、朱进文，深部特殊冲击地压发生原因及防治对策，山东煤炭科技，2006(1)
2、陈尚本，深部冲击地压矿井防冲治理的探索与实践，中国煤炭工业，2008(12)
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