煤矿冲击地压基础知识

　　一、什么是冲击地压?

　　冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。

　　1992年以前，我国有50余个煤矿发生了冲击地压。比较突出的有北京矿务局门头沟煤矿、抚顺矿务局龙风煤矿、枣庄矿务局陶庄煤矿、大同矿务局忻州窑煤矿、四川省天池煤矿和新汶矿务局华丰煤矿等。2008年6月5日15时57分，河南省渑池县果园乡附近发生3.5级地震，3分钟后，义煤集团公司千秋煤矿突发冲击地压，造成750米至850米处巷道瞬间被毁，正在该段修理巷道的20名矿工被困井下。冲击地压发生后，义煤集团公司迅速成立了抢险救灾领导小组，紧急启动应急救援预案，实施抢险救援。至6月6日4时，20名被困矿工中9人死亡，11人获救。

　　世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。1783年，英国在世界上首先报道了煤矿中所发生的冲击地压现象。以后在前苏联、南非、德国、美国、加拿大、印度、英国等几十个国家和地区，冲击地压现象时有发生。

　　在我国，冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。以后，随着开采深度的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚顺、枣庄、开滦、大同、北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后有冲击地压现象发生。

　　二、冲击地压成因的机理

　　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。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，承受更大的压力，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、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。

　　3、冲击倾向理论

　　该理论认为：发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。其条件是：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。

　　上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。其中强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分必要条件。

　　4、失稳理论

　　近年我国一些学者认为：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。在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲击地压。由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。这种静疲劳现象，可以使介质处于不稳定状态。在失稳过程中，系统所释放的能量可使煤岩从静态变为动态过程，即发生急剧、猛烈的破坏。

　　三、我国煤矿冲击地压特征

　　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。

　　2、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。

　　3、具有破坏性。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。

　　4、具有复杂性。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。

　　四、煤矿冲击地压的解危措施

　　在煤层开采中，生产地质条件极为复杂。因此，在煤层开采过程中必须对这些地段进行及时处理，以保证安全生产。这种对已形成冲击危险或具有潜在冲击危险地段的处理措施称为解危措施。

　　按照冲击地压发生的强度条件和能量条件，工作面附近煤层被顶底板紧紧地夹持着，承受极高的载荷，虽并未破碎，却积聚大量的变形能。这时煤体和围岩形成的三轴压缩应力与矿山压力处于临界平衡状态。采取的各种卸压解危措施，正是为了减缓这种临界状态，把夹持状态下煤层的侧向约束解除掉，使已形成的局部高压力分散转移到较广区域。由于卸压措施造成煤体局部破裂，降低了强度，应力重新分布，从而释放或降低了煤岩体中的弹性能，使工作面前方一定范围内成为安全区。

　　1、诱发爆破诱发爆破是在监测到有冲击危险的情况下，利用较多药量进行爆破，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大损害的一种解危措施。

　　2、实行诱发爆破必须慎重行事。作为辅助手段，诱发爆破只有在存在严重冲击危险的情况下，其他方法无效或无法实施时才应用。实施地点多用于煤柱回收时，与钻屑法检测孔配合互用。孔距2m~5m，孔深按冲击危险区范围确定。可平行走向或倾斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，钻大量较长的钻孔直达高应力带。采用大药量、集中装药和同时引爆的方法，以便使煤岩体强烈震动，诱发冲击地压，或造成煤体强烈卸压、释放能量，把高应力带移向煤体深部。集中爆破的药量越多，诱发冲击地压的可能性越大。因为这样在煤体中造成的动应力就大，动应力叠加在原来存于煤体中的静应力上的总和越大，超过临界应力值机会就愈多，就会诱发冲击地压。

　　实施诱发爆破应按《煤矿安全规程》的有关规定施工。实施前必须采用钻屑法确定冲击危险地点，加固支架，掩护或撤出机械设备及电缆工具等。爆破时必须设专人警戒所有通往爆破地点的通道。躲炮半径不得小于150m，躲炮时间30min以上。

　　诱发爆破应作为爆破卸压的辅助手段，用于特殊情况下。其效果是有限的，不能保证按时诱发，有时一小时后才发生冲击地压。而且大药量同时引爆，必然造成一定程度的破坏作用，所以要慎重行事。

　　2、爆破卸压

　　爆破卸压是指对形成冲击危险的煤体，用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。实施爆破卸压应采取深孔爆破方法，孔深应达到支承压力峰值区。装药位置越靠近峰值区，炸药威力越大，爆破解除煤层应力的效果越好。该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。

　　爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件，即在有冲击地压危险的工作面卸压和在近煤壁一定宽度的条带内破坏煤的结构(但不落煤)，使它不能积聚弹性能或达不到威胁安全的程度。这样在工作面前方形成一条卸压保护带，隔绝了工作空间处于煤层深处的高应力区。显然，从防治冲击地压的角度看，应用尽量多的炸药爆破出尽量宽的保护带，但实际上要达到这个目的，目前技术条件还不够。不过根据多年的观测实践证明，如果能保证在工作面前方和巷道两帮始终保持一个宽5m~10m的保护带，就能防止冲击地压的危害。

　　可以采用爆破断顶的方法进行爆破卸压，即在待采煤层隔离煤柱一侧的老采空区内，对采空区顶板内造成宽约6m、深约6m~8m的断沟，用以削弱采空区与待采区之间的顶板连续性、减小待采煤层开采时的应力集中，以消除冲击地压危害。

　　爆破参数和施工工艺应按《冲击地压煤层安全开采暂行规定》确定。

　　爆破卸压属于内部爆破，主要物理作用是使煤层产生大量裂隙。试验表明，爆破使炮孔周围形成破碎区和裂隙区，破碎区远小于裂隙区。径向裂隙穿过切向裂隙，说明径向裂隙扩展在前，切向裂隙形成在后。炸药爆炸后，冲击波首先使煤体破裂。继之爆破产生气体进一步使煤体破裂，在气体压力作用下，煤体沿径向移动，形成切向拉应力，产生径向拉破裂。随着裂隙的扩展，气体通过裂隙扩散到煤体中，与煤体产生热交换。同时，气体的体积增大，而温度和压力下降。当裂隙前端的应力强度小于断裂韧性时，裂隙停止扩展。当压力小于临界值时，因原先受压贮存于煤体中的弹性能释放，使煤体向炮孔中心移动，在煤体中产生径向拉伸作用，导致切向破裂。但径向裂隙的扩展远大于切向裂隙。造成煤层性质变化的主要因素是径向裂隙。

　　根据弹塑性理论，把采煤工作面简化为平面应变的力学模型。以龙风煤矿采煤工作面为例的计算结果表明，爆破卸压使煤壁前方的支承压力重新分布，应力梯度变小，峰值压力移往煤体深部7m以远屈服区，比爆破前增大近一倍，能量密度明显减小。

　　实施爆破卸压前必须先进行钻屑法检测，确认有冲击危险时才进行爆破卸压，爆破以后还要用钻屑法检查卸压效果。如果在实施范围内仍有高应力存在，则应进行第二次爆破，直至解除冲击危险为止。

　　为了安全生产，通过爆破卸压在工作面前方和巷道两帮形成一个有足够宽度(大于3倍采高)的卸压保护带。所以，对巷道两帮，爆破卸压的深度应等于保护带宽度;对采煤工作面，爆破卸压的深度应等于保护带宽度加上工作面进度。

　　爆破孔的孔深取决于卸压深度。由于孔深药量多，为使药卷能装到孔底，可先把药卷装在软管里或用非金属材料绑扎后进行装药。爆破孔布置方式应根据具体条件确定。通常用煤电钻打眼，孔径50mm~55mm，孔间距4m~10m，每孔装药量按不超过孔深一半计算，一般为1.5k8~3.5kg。钻孔不装药部分必须填满水炮泥或黏土炮泥。躲炮距离100m~150m，躲炮时间30min~40min。

　　3、改变煤层的物理力学性能

　　改变煤层的物理力学性能主要有：高压注水、放松动炮和钻孔槽卸压等方法。

　　(1)高压注水是通过注水，人为地在煤岩内部造成一系列的弱面，并使其软化，以降低煤的强度和增加塑性变形量。注水后，煤的湿度平均增加1.0%~2.2%时，可使其单向受压的塑性变形量增加13.3%~14.5%。

　　(2)放松动炮，是通过放炮人为地释放煤体内部集中应力区积聚的能量。在采煤工作面使用时，一般是在工作面沿走向打4m~6m深的炮眼，进行松动爆破。它的作用是可以诱发冲击地压和在煤壁前方经常保持一个破碎保护带，使最大支撑压力转入煤体深处，随后即便发生冲击地压，对采煤工作面的威胁也大为降低。

　　(3)钻孔槽卸压是用大直径钻孔或切割沟槽使煤体松动，以达到卸压效果。卸载钻孔的深度一般应穿过应力增高带，在掘进石门揭开有冲击危险的煤层时，应距煤层5m~8m处停止掘进，使钻孔穿透煤层，进行卸压。

　　此外，还可依靠选择最佳采煤方法、回采设备、开采参数和工作制度等方法，局部降低煤层边缘的冲击危险程度。例如，当开采有冲击危险的单一煤层时，应采用直线式长壁工作面的前进式采煤方法，并在巷道侧不留煤柱。对有冲击危险的厚煤层，应采用倾斜分层长壁式采煤方法。上分层的开采厚度应当最小。

　　开采有冲击危险的煤层时，无论是在采煤工作面还是在掘进工作面，都应采用支撑力大的可缩性金属支架。

　　五、冲击地压的预报

　　(一)WET法

　　该方法是波兰采矿研究总院提出的，用于测定煤层冲击倾向。WET为弹性能与永久变形消耗能之比。波兰采矿研究总院规定：WET>5为强冲击倾向;2

　　(二)弹性变形法

　　它是前苏联矿山测量研究院提出的用于测定冲击地压的方法。即在载荷不小于强度极限80%的条件下，用反复加载和卸载循环得到的弹性变形量与总变形量之比(K)，作为衡量冲击倾向度的指标。当K≥0.7时，有发生冲击地压的危险。

　　(三)煤岩强度和弹性系数法

　　该方法是用煤岩的单向抗压强度或弹性模量的绝对值，作为衡量冲击倾向度的指标。这种方法较为简单，经常用作辅助指标。其指标的界限值必须根据各矿井的试样进行试验确定。

　　我国《煤矿安全规程》中规定：“开采冲击地压煤层时，冲击危险程度和采取措施后的实际效率，可采用钻粉率指标法、地音法、微震法等方法确定”。

　　1、钻粉率指标法钻粉率指标法又称为钻粉率指数法或钻孔检验法。它是用小直径(42mm~45mm)钻孔，根据打钻不同深度时排出的钻屑量及其变化规律来判断岩体内应力集中情况，鉴别发生冲击地压的倾向和位置。钻进过程中，在规定的防范深度范围内，出现危险煤粉量测值或钻杆被卡死的现象，则认为具有冲击危险，应采取相应的解危措施。

　　2、地音、微震监测法岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中，必然以脉冲形式释放弹性能，产生应力波或声发射现象。这种声发射亦称为地音。显然，声发射信号的强弱反映了煤岩体破坏时的能量释放过程。由此可知，地音监测法的原理是，用微震仪或拾震器连续或间断地监测岩体的地音现象。根据测得的地音波或微震波的变化规律与正常波的对比，判断煤层或岩体发生冲击倾向度。山东肥城矿务局陶庄煤矿用微震仪研究了发生冲击矿压的规律，结论为：微震由小而大，间有大小起伏，次数和声响频繁;在一组密集的微震之后变得平静，是产生冲击矿压的前兆现象;稀疏和分散的微震是正常应力释放现象，无冲击危险。

　　根据震相曲线和地震学的知识，则可以计算出发生冲击地压的震源位置。由于各种煤岩体的地音和微震特性不同，并且又具有不均质性和各向异性等特点，其传播速度有很大差异。此外，各处的地质和开采条件也不相同，矿井下又常有强烈的环境噪音干扰，地音或微震信号在煤岩体中产生和传播情况将是很复杂的，可能产生多次的反射、折射和绕射，还可能发生波型变换等现象。因而在使用中应注意与其他预测方法综合使用，特别是与钻屑法综合使用，以保证预测的准确性。

　　(四)工程地震探测法

　　用人工方法造成地震，探测这种地震波的传播速度，编制出波速与时间的关系图，波速增大段表示有较大的应力作用，结合地质和开采技术条件分析、判断发生冲击地压的倾向度。

　　(五)电磁辐射仪监测法

　　煤岩电磁辐射监测的原理是：利用电磁辐射仪接收采掘生产过程中煤岩体在矿压作用下产生、发射电磁辐射的信号，即监测到的电磁辐射强度能反映出煤岩体内部应力的变化尺度及破坏程度的特征信息。煤(岩)体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关，电磁辐射信息综合反映了冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象的主要影响因素。电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映了煤岩体变形及破裂的频次。

　　利用KBD5矿用本安型矿井冲击地压电磁辐射监测仪，通过接收采矿工作面煤岩体变型破裂过程中产生的电磁辐射信息来预测煤岩动力灾害的危险性。即通过井下某一测点电磁强度最大值Emax.强度平均值Eavg和脉冲数N来确定是否有矿井冲击地压危险。将测试数据传送到微机中后，可以用图及表格的方式显示，是否达到电磁辐射强度临界值。观测范围主要是工作面及上、下两巷，工作面从上、下端头5米开始，每15米在硬帮设一个固定测点，上下巷从工作面硬帮往外5米开始，每15米在回风道下帮及溜子道上帮各设1个固定测点。当工作面开采与测点间距离小于5米时，上、下巷往外及时补加测点，保证上、下巷各有8个测点观测。经观测结果初步确定为，强度值达到30MV时，或某一点、某区域连续处于高的观测值时，应立即向矿、区调度及主管领导汇报。确认有冲击危险时，立即向采区下达危险通知单，采区接到危险通知单后立即下令停止作业，采取解危措施。

　　(六)综合测定法

　　为了能够更准确地判断出发生冲击地压的地点和时间，可同时采用上述两种以上的方法，根据多因素的变化，综合加以确定。国内外常使用的是钻屑法、地音监测法、地质及开采技术条件分析的综合方法。