深部开采冲击地压产生机理及防治技术研究

毕业专题深部开采冲击地压产生机理及防治技术研究摘要：冲击地压是煤矿开采过程中，井巷和采场周围煤、岩体在一定高应力条件下释放变形能，而产生的煤岩体突然破坏、垮落或抛出现象，并伴有巨大声响和岩体震动，经常造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤亡，对安全生产威胁巨大。

冲击地压对矿井生产的危害是及其巨大的，如何预防冲击地压是全世界共同面临的一个重要技术问题。

冲击地压受很多因素影响，并具备一定的条件才能产生。

冲击地压发生的范围比较广，而且随着采深的增加发生的几率逐渐增加。

针对上述问题本文提出了对深部开采冲击地压预防采取的主要措施。

关键词：冲击地压；煤炭开采；冲击地压防治；机理目录1 绪论 ............................................................................ 错误！未定义书签。

1.1概述 ................................................................................................ 错误！未定义书签。

1.2灾害现状与发展状态 .................................................................... 错误！未定义书签。

2 冲击地压特征与机理 (2)2.1冲击地压的特征 (2)2.2冲击地压的分类 (2)2.3冲击地压的成因机理 (3)2.4冲击地压影响因素 (6)3 冲击地压的防治 (6)3.1冲击地压的防治原则 (6)3.2冲击地压的防治措施 (6)4 冲击地压的预测方法 (8)5 结束语 (9)6 参考文献 (9)1 绪论1.1 概述冲击地压定义为：矿山井巷和采场周围煤、岩体由于变形能释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。

冲击地压是煤矿开采中典型的动力灾害之一，通常是在煤、岩力学系统达到极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放的弹性能，导致煤岩层瞬时破坏并伴随有煤粉和岩石的冲击，造成井巷的破坏及人身伤亡事故。

随着开采深度的增加，冲击地压已经成为日益威胁煤矿的安全生产的要灾害之一。

这种常见而且非常剧烈的变化，会在发生的过程中常伴随着煤块抛射、底煤起鼓和飓风三种破坏形式的发生，给煤矿开采工作以及开产人员的生命安全造成非常巨大的威胁。

煤块的抛射煤尘飞扬不利于井下开采工作的顺利进行，煤块抛射还容易对开采人员造成伤害，在剧烈的震动下煤层出现整体位移，矿井顶板会产生擦痕，同时巷道空间也会因此而缩小，不利于开采工作的正常进行，开采环境的安全系数因此而降低。

底煤起鼓所产生的强烈震动会导致支护结构发生倾斜与倒塌造成开采人员伤亡，同时还会导致设备出现位移，对开采设备造成破坏，为煤矿开采工作带来不便。

随着煤矿开采深度的不断增加，矿井内部的冲击地压发生的频率以及强度都会不断增加，当冲击地压达到一定程度是便会产生飓风，强大的冲击波对开采人员的生命造成严重的威胁。

1.2 灾害现状与发展状态在煤矿开采过程中加强对冲击地压的研究，掌握冲击地压发生的条件以及影响因素，并采取有效的预测防治措施对冲击地压加以预防和控制，在确保煤矿安全生产工作中具有非常重要的现实意义。

随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，矿井冲击地压等动力灾害日益加剧，严重地威胁着煤矿开采的安全。

据统计 1985 年我国冲击地压煤矿有32个，而2011年底，发生冲击地压的矿井就多达142个，同时，全国有近50个矿井开采深度达到或超过1000 m; 2006—2013 年，先后有新汶、抚顺、华亭、北京、义马、阜新、鹤岗、七台河、平顶山等煤炭生产企业因冲击地压而导致的重大伤亡事故多达 35 次，造成300 余人死亡，上千人受伤。

冲击地压的破坏程度也呈增大趋势，仅 2011 － 11－03 发生在河南义马千秋煤矿的一起冲击地压事故就造成10人死亡 64人受伤，直接经济损失2 748.48万元。

统计分析表明，各种类型的矿井都有冲击地压发生的报告，各类煤层都发生过冲击现象，地质构造从简单到复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，砾岩、砂岩、灰岩、油母页岩顶板都发生过冲击地压。

开采深度最浅的只有157m，2011－03－24 神华新疆有限责任公司乌东煤矿北采区发生冲击地压造成 1人死亡，2人受伤。

但随着深部开采深度的增加，冲击地压的频度和强度都在增加。

从采煤方法来讲，长壁、短壁、房柱式、放顶煤、分层开采等都发生过冲击地压; 从采煤工艺来讲，综采、普采、炮采、水采、水砂充填等各种工艺也都发生过冲击地压。

煤矿冲击地压不仅危害程度大，影响面广，而且是诱发其它煤矿重大事故的根源。

冲击地压的发生可能诱发瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸等重特大灾害。

2003 年淮北芦岭煤矿“5·13”冲击地压诱发瓦斯爆炸事故，造成 84 人死亡; 2005 年“2·14”阜新孙家湾煤矿瓦斯突出就是因冲击地压诱发大量瓦斯涌出，进而发生特大瓦斯爆炸，死亡 214 人; 新汶华丰煤矿在开采山西组 4 煤层过程中，频繁发生冲击地压，冲击地压又导致顶板水的大量突出，在该矿工作面突水量增大的次数与冲击地压发生的次数成正相关。

我国是采煤大国，2012年中国采出了 36.5亿t原煤，占世界煤炭总产量的 47. 5% ，加之煤田地质条件的复杂性，我国的煤矿冲击地压问题尤为突出。

学术界对煤矿冲击地压的机理和防治问题一直非常重视，2001 年 11 月的 175 次香山科学会议、2010 年 7 月的中国科协 51 次新观点新学说“岩爆机理探索”学术沙龙、2012 年 11 月的中国工程院岩爆突水工程科技论坛、2013 年 8 月全国防治煤矿冲击地压高端论坛等都把煤矿冲击地压问题作为重点探讨; 2004 年国家自然科学基金委员会设立的重大项目“深部岩体力学基础研究与应用”、2010 年国家科技部设立的国家重点基础研究发展计划( 973 计划) “煤炭深部开采中动力灾害机理与防治基础研究”也是重点研究煤矿冲击地压问题。

但是由于问题的复杂性，目前对冲击地压的机理和防治技术的研究还不够充分，需进行长期艰苦的探索和实践才可能取得突破进展。

2 冲击地压特征与机理2.1冲击地压的特征2.1.1突发性发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间为几秒到几十秒。

一般表现为煤爆(煤壁爆裂、小块抛射)浅部冲击(发生在煤壁2m～6m范围内，破坏性大)和深部冲击(发生在煤体深处，声如闷雷，破坏程度不同)。

最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生了岩爆。

在煤层冲击中，多数表现为煤块抛出，少数为数十平方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波。

2.1.2 破坏性往往造成煤壁片帮、顶板下沉、底鼓、支架折损、巷道堵塞、人员伤亡。

2.1.3 复杂性在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深从200m～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等，都发生过冲击地压；在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面，不论水采、炮采、普采或是综采，采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法，是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采，都发生过冲击地压。

只是无煤柱长壁开采法冲击次数较少。

2.2 冲击地压分类冲击地压可根据应力状态、显现强度和发生的不同地点和位置进行分类。

2.2.1根据原岩(煤)体的应力状态分类(1)重力应力型冲击地压。

主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击地压。

如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击地压。

(2)构造应力型冲击地压。

主要受构造应力(构造应力远远超过岩层自重应力)的作用引起的冲击地压，如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。

(3)中间型或重力～构造型冲击地压。

主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。

2.2.2根据冲击的显现强度分类(1)弹射。

一些单个碎块从处于高应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。

(2)矿震。

它是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤、岩并不向已采空间抛出，只有片带或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。

较弱的矿震称为微震，也称为煤炮。

(3)弱冲击。

煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏；围岩产生震动，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响；产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。

(4)强冲击。

部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。

2.2.3根据震级强度和抛出的煤量分类轻微冲击：抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击地压。

中等冲击：抛出煤量在10t～50t以下，震级在1级～2级的冲击地压。

强烈冲击：抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击地压。

一般面波震级Ms=1时，矿区附近部分居民有震感；Ms=2时，对井上下有不同程度的破坏；Ms>2时，地面建筑物将出现明显裂缝破坏。

2.2.4根据发生的地点和位置分类(1)煤体冲击。

发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击。

(2)围岩冲击。

发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。

2.3冲击地压成因机理对冲击地压成因和机理的解释主要有强度理论、能量理论、冲击倾向理论和失稳理论。

2.3.1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。

其机理为：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。

2.3.2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。

2.3.3失稳理论中国一些学者认为：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。