冲击地压及防治技术培训

冲击地压及防治技术培训兴隆庄煤矿冲击地压及防治技术培训本培训共分为六讲第一讲冲击地压概述第二讲冲击地压发生的机理第三讲冲击地压的影响因素第四讲冲击地压预测方法第五讲冲击地压防治措施1 冲击地压概述1.2 冲击地压的显现特征（1）突发性：冲击地压发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，难以确定发生的时间、地点的强度。

（2）多样性：一般表现为煤爆（煤壁爆裂、小块抛射）、浅部冲击和深部冲击。

最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生岩爆。

（3）破坏性：往往造成煤壁片帮、顶板可能有瞬间明显下沉；有时底板突然鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击地压往往造成人员伤亡和巨大的生产损失。

（4）复杂性：在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从200～1000m，各种地质条件都发生过冲击地压。

在生产技术条件上，各种采煤方法都出现了冲击类型：第一类：底板冲击（鼓起）型：东滩矿42轨3#提（两次修复）、43上07轨顺、143上06（西）工作面；第二类：顶板冲击（下沉）型：东滩矿43上04（北）工作面运顺、济三矿6300工作面辅助顺槽，东滩矿4305工作面切眼导硐；该类冲击具有顶板活动诱发冲击的特点。

第三类：巷帮冲击型：济三矿6303工作面辅助顺槽；北京：门头沟煤矿是我国冲击地压最严重的矿井之一，现在是木城涧、大安山矿和房山矿具有冲击危险。

黑龙江：鸡西、鹤岗。

辽宁：抚顺矿务局，胜利矿为最早，而龙凤矿最为严重，现在是老虎台矿较严重。

阜新（五龙、孙家湾）、北票（台吉、冠山）。

开滦：唐山矿，开滦矿务局唐山矿的冲击地压大多发生在两面或三面临空的半岛形或孤岛形煤柱中。

徐州矿务局，三河尖矿为“三硬”矿区，冲击地压危害较严重。

旗山矿与权台矿同属“三软”矿井，事实上这两个矿都曾发生了较为严重的冲击地压事故。

四川：砚台、天池。

山西：大同。

山东省从1960年到2004年共在13个矿井发生231次冲击地压、死亡25人，重伤46人。

目前具有冲击危险的矿井如下：新汶矿业集团孙村、华丰、良庄、协庄、潘西；淄博矿业集团唐口矿；临沂矿务局古城矿；济宁市欢城矿；枣庄矿务局陶庄矿，八一矿；兖州煤业股份公司东滩矿、济三煤矿、南屯煤矿、济二煤矿。

1.3 国外冲击地压概况（一）前苏联自1951年起，全苏地质力学及矿山测量研究院以及其他研究单位和高等院校等几十个单位配合国家技术监察部门与生产单位一起着手解决煤矿的冲击地压问题。

经过多年的努力，基本上形成了一整套防治冲击地压的组织管理系统，并制定了有关技术规程，发展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和预报方法，取得了良好效果，冲击次数大为减少。

（二）波兰波兰早在20世纪60年代初期就着手大力开展科学研究和防治工作。

煤层的冲击倾向实验室测定和井下测定是波兰学者首先倡导并大力发展的。

此外，在将岩体声学以及地震法用于矿山冲击危险探测和监测方面，居世界领先地位。

（三）德国德国是防治冲击地压较有成效的国家，其主要的工作基点在于实用。

由德国所发展的钻孔卸载法、钻屑法以及其它方法在国际上享有较高声誉。

近些年来，冲击地压所造成的破坏后果日益严重，引起了各国的注意。

目前世界采矿大会国际岩石力学局成立了冲击地压研究小组。

冲击地压的研究已成为岩石力学科中与现代科学联系最密切的一个独立的分支学科。

由于其发生机理尚不完全清楚，以及井下地质条件及开采条件的复杂性，冲击地压从理论到防治都没有完全解决，目前仍然是困扰学术界及采矿界的一个世界性难题。

2 冲击地压发生的机理2.1 冲击倾向性理论发生冲击地压的煤岩体一般都具有一定的物理力学特性，决定其积聚能量并产生冲击破坏的能力，这种能力可称之为冲击倾向，是煤岩的固有属性。

1．煤样动态破坏时间在常规单轴压缩试验条件下，煤试件从极限强度到完全破坏所经历的瞬态延续时间称为煤样动态破坏时间。

通过组合试件试验得知，在顶底板抗压强度较高的情况下，在试验时，组合试件基本是煤的部分发生破坏，并且测得数值表明组合试件显示的冲击倾向比纯煤试件更加强烈。

说明在围岩作用下，煤的冲击性会更为剧烈。

2.2 强度理论井下煤岩体除了承受深度压力和支承压力作用外，还存在由于地质构造作用引起的构造应力和其它应力。

“煤体－围岩”系统处于复杂的受力状态，内部存在弱面，所以煤岩体的承载能力应是煤体－围岩系统的强度。

只要外载大于承载能力，就会发生破坏。

导致岩体破坏的决定因素，不是应力本身，而是它与岩体强度的比值。

当煤岩应力等于或大于煤岩系统的强度时发生破坏。

因此发生冲击地压的强度条件或强度判据为：2.3 能量理论该理论认为发生冲击地压需要大量能量，不仅矿体释放能量，围岩也释放能量。

随着采掘范围的不断扩大，“矿体－围岩”系统在其力学平衡状态破坏时，可释放的能量大于消耗的能量时就产生冲击地压。

考虑到发生冲击地压能量转换的不均匀性和时间效应，矿体和围岩储存的能量应乘以释放系数，以单位时间的能量释放和消耗作为判据：2.4 组合理论（三条件理论）组合理论是把强度理论、能量理论的判据以及把煤岩冲击倾向指数是否达到极限值作为冲击倾向度判据，组成了新的冲击地压判据：一般来说，强度条件为充分条件，能量条件及冲击倾向为必要条件。

三个条件同时满足，才是产生冲击地压的充分必要条件。

2.5 失稳理论该理论认为煤岩变形系统平衡状态的稳定性质是冲击地压发生与否的先决条件。

如果系统状态是非稳定的，则可能失稳而发生冲击地压，否则不会发生。

因此，变形系统的平衡状态非稳定性判别准则，就成了冲击地压可能发生的判别准则。

通常采用狄里希锐准则，认为系统的势能有极值，若是极小值，则系统的平衡状态是稳定的。

进而得出，系统势能的极值不是极小值，则平衡状态是非稳定的，在微小扰动下将发生失稳，它构成冲击地压发生的必要条件。

当系统失稳释放的能量远大于消耗的能量时，才能有多余的能量转化为抛出煤块的动能和地震能，它构成冲击地压发生的充分条件，两者共同组成冲击地压发生的失稳理论判别准则。

如果满足了必要条件，而没有满足充分条件，则只发生轻微的震动现象，即矿井下经常发生的微震现象。

第三讲冲击地压的影响因素（发生原因）3.1 自然地质因素煤层性质，煤层顶底板性质，地质构造。

3.2 开采技术条件开采方法、采掘顺序、顶板管理方法、遗留煤柱、割煤放炮等。

3.3 星球活动对发生冲击地压的影响地球自转的影响，一年中容易发生冲击危险的月份，太阳活动性的影响，月球－太阳潮应力的影响。

第三讲冲击地压的影响因素（发生原因）3.1 影响冲击地压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。

3.1.1 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。

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。

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=10～30MPa，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。

典型冲击地压煤层力学性质3.1.2 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。

3.1.3 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。

深部开采的回采工作，将会遇到矿山压力的严重干扰。

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。

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。

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。

冲击地压次数与开采深度关系3.1.4 地质构造（1）煤层变化的影响煤层厚度及分叉结构的出现，造成了煤层和顶板条件的变化，从而引起了冲击矿压危险状态的变化。

（2）断层的影响实践证明，冲击地压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区，断层附近，煤层倾角变化带，煤层皱曲，构造应力带。

当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击地压发生的次数明显上升，而且强度加大。

例如在龙风矿50次冲击地压中，36次（72%）与断层有关。

62%是巷道接近断层时发生的，14%是巷道处于断层线附近，而只有10%是在巷道离开断层时发生的。

其中34%发生在巷道距断层5~20m范围内的。

实践表明，相当一部分震动集中在断层附近。

其中在断层的上盘开采时的震动能量大于断层下盘开采时的震动能量。

在向斜部分开采时，震动也很强烈。

在断层和向斜附近震动集中的原因是地壳的运动形成的残余构造应力。

该应力与开采引起的应力集中叠加最大的位置即为岩体震动的位置。

断层附近的震动活动强烈，冲击地压的危险性高。

当工作面接近断层时，需要加强冲击地压的监测和治理。

断层通常是锁住不动的，当其两侧的应力积累到足以引起沿断层的断裂时，则发生位移，形成粘滑。

当断层处于粘滑状态，其周围岩石可因位移一段而积累弹性能，当断层上的应力达到某一临界值时，断层滑动（储存在附近岩石中的弹性能一部分以地震能辐射出去）形成强烈震动。

（3）褶曲的影响一般情况下，对于巷道及回采工作面来说，在皱曲的各个部位，出现的危性最不一样的，如图所示，I区，皱曲向斜部分，这部分其应力，垂直为压力，水平为拉力，最容易出现冒顶；Ⅱ区皱曲翼，这部分的应力，垂直和水平均为压力，最易出现冲击地压；Ⅲ区皱曲背斜，其应力状态为垂直拉力，水平压力，这部分也是最大矿山压力区域。