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专题部分深井冲击地压的预测与防治现状综述摘要：简述了国内外矿井冲击地压的发生历史及现状，对冲击地压的预测、防治技术进行了综合阐述并提出了自己的理解。1.1 问题的提出冲击矿压作为煤岩动力灾害，有记载的第一次发生于1738年英国南史塔福煤田。200多年来。其危害几乎追布世界各采矿国家。英国、德国、南非、波半、的苏联、捷克、加拿大、日本、法国以及中国等20多个国家和地区都记录有冲击矿压现象。我国煤矿冲击矿压灾害极为严重。我国最早自1933年抚顺胜利矿发生冲击矿压以来，先后在北京、辽源、通化、阜新、北票、枣庄、大同、开滦、天府、南桐、徐州、大屯、新狡等矿务局部相继发生过冲击矿压现象。目前，我国有近50对矿井累计发生过4000多次冲击矿压，造成数以百计的人负伤，巷道破坏达30多公里。由于冲击矿压有如此巨大的破坏力，造成这么大的经济损失，因此如何预测和防治冲击矿压以及认清冲击矿压发生机理对减轻冲击矿压的破坏具有非常重要的作用。1.1.1 国内外冲击矿压现状(一) 国外现状冲击矿压是世界采矿业面临的共同问题。1738年英国在世界上首先报道了冲击矿压现象。之后，前苏联、南非、德国、波兰、美国、加拿大、日本、法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、典地利、新西兰和安哥拉等都记录了冲击矿压。目前，有包括我国在内的20多个国家和地区都有冲击矿压这一事实表明，世界上几乎所有采矿国家都不同程度地受到冲击矿压的威胁。煤矿冲击矿压灾害最严重而且防治工作最有成效的国家是前苏联、波兰和德国。1. 前苏联前苏联的冲击矿认最早于1947年发生在吉谢罗夫矿区。此后共有9个矿区出现了冲击矿压问题：发生冲击矿压的一般条件是：初始深度为4001860 m煤0.520m在各种倾角、各个煤种(包括褐煤)中都记录到冲击矿压现象、多数情况下顶板为坚硬砂岩，也有一些煤田是破碎顶板。开采技术条件涉及到刀柱式或长壁式等开采方法；充填或垮路等顶板管理方法；整层或分层开采情况。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矿压问题。经过25年的努力，基本上形成了一整套防治冲击矿压的组织管理系统，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。1955一l 977年冲击危险矿井数出8个增至36个、而年冲击次数则由83次降至7次。1980年以后又降至56次。在前苏联金属矿，冲击矿压的频度比煤矿要小得多，其主要形式为岩石弹射、震动和微冲击主要发生在北乌拉尔铝上办等20余个矿山。开始出现的深度为川300一700 m，主要岩石种类为辉绿岩、正长岩、花岗岩、凝灰岩以及铁矿石、铝土矿石、铜矿石、钾盐矿石等，平均单向抗压强度100“250MPa，最低2530 MPa。前苏联金属矿防治冲击矿压的基本措施原则上同煤矿的没有差别。2. 波兰波兰有三个井工开采煤田：上西里西亚、下西里西亚和鲁布林。产量的98来自上西里西亚煤田。该煤田中煤的强度为1035MPa煤厚0.520 m(一般1.5“35m)，倾角0一45(一般515)平均采深600 m顶板大都为坚硬砂岩。长壁工作面产量占99，其中70为垮落法开采。其余为水砂充填。工作面平均长150 m，日产1300一1400t商品煤。机械化程度962，其中综采站83.7。冲击矿压是波兰煤矿重大灾害之一，最早记载于1958午。目前开采的400号、500号、600号、700号和800号煤层组中45以上的煤层有冲击矿压倾向，其中500号煤层组最为严重。开始发生冲击矿压灾害的平均采深约为400m，随着采深的增加，冲击矿压危险越来越严重。冲击矿压强度一般为105-109J，最大是1011J。1949-1982年，共发生破坏性冲击矿压3097次，造成死亡401人，井巷破坏13万m。波兰很重视冲击矿压问题早在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。由于采取综合防治措施，保证了安全，促进了生产。3. 德国鲁尔矿区是德国的主要产煤区，也是发生冲击矿压的主要矿区。1910-1978年间共记载了危害性冲击矿压283次，有冲击倾向或危险的煤层20余个，其中底克班克、阳光和依达煤层具有最强的冲击倾向，其抗压强度l0一20 MPa，煤种为长焰煤、气煤和肥煤等。冲击矿压发生深度5901100 m，其中850一1000 m冲击矿压数占75%左右，最大抛出量2000m3。发生冲击矿压的煤厚为1-6m，其中主要为152m，倾角4-44。在德国，产生冲击矿压的煤层顶板绝大部分是540 m较厚的砂岩或其他坚硬岩层，因而，认为砂岩顶板是冲击矿压危险煤层的主要标志。德国是防治冲击矿压较有成效的国家，其主要的工作点在于实用。由德国所发展的钻孔卸载法、钻屑法以及其他方法在国际上享有较高声誉。(二) 国内现状我国最早记录的冲击矿压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿，当时的开采深度为200 m左右。从1949年以来已发生破坏性冲击矿压4000多次，震级Ml0.5-3.8级，造成大量巷迫破坏和惨重的人员伤亡，巷道破坏达30多公里。近年来，我国一些金属矿山、水电与铁路隧道工程也出现了岩爆现象。除了褐煤煤层外我国煤矿的其他各种煤层均发生过冲击矿压而且采深从2001000 m，煤层厚度从薄到厚。煤层倾角从缓到急，各种顶板条件如砂岩、页岩、石灰岩等均发生过冲击矿压。我国煤矿发生冲击矿压的典型条件为：初始深度200一600 m，煤的单向抗乐强度10-30 MPa，顶板一般为厚10-40m的坚硬砂岩、强度100-600 MPa。然而，具体分析起来，我国冲击矿压发生的条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击现象，采深从200一800 m，地质构造从极简单至极复杂煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油碌页岩等部发生过；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种方法都出现了冲击现象。1949年以前我国发生冲击矿压的矿井只有12个，50年代增加为7个，60年代为12个，70年代为22个，目前达50个。而随着开采深度的增加、开采范围的扩大，近年来虽然采取了不少措施，但全国矿井数和总的冲击次数并未减少。可见，我国冲击矿压的防治工作任务其为艰巨，具有现实的迫切性和长远的重大意义。综上所述，世界采矿业发少冲击矿压的历史已近250年之久*近30年来，冲击矿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矿压研究小组。冲击矿压的研究已成为矿山压力学科中与现代科学联系最密切的一个独立的学科分支。1. 平面分布规律我国冲击地压主要分布在华北、东北地区，主要集中分布在四个条带，即北纬26。、北纬34。、北纬39。和北纬42。附近区域的黑、吉、辽、京、冀、豫、鲁、皖、JI、黔、湘、赣等十二省市，其中辽、京、鲁、皖、黔等五省市发生冲击地压的煤矿较多，如表1。大部分都靠近渤海湾和东海一带，这一地带恰好靠近太平洋板块与亚欧板块分界线，属于天然地震多发地带这说明冲击地压与天然地震有一定的相关性，见图2。2. 深度分布规律冲击地压存在一个开始频繁发生的临界深度，即在小于此深度开采时，尽管也可能发生冲击地压，但都是零星的，当大于此深度开采时，冲击地压会频繁发生。华丰矿冲击地压频繁发生的临界开采深度是525 m：门头沟矿冲击地压频繁发生的临界开采深度是400 m；老虎台矿冲击地压频繁发生的临界开采深度是630m。3. 时间分布规律2000年农历每月的15，16及17，华丰煤矿冲击地压的发生次数占总数的23。2000年农历每月的14，15及16，华丰煤矿冲击地压的发生次数占总数的20。因此，在农历15左右华丰煤矿冲击地压的发生次数较多，所以冲击地压的发生受区域背景应力场的影响很大。1.2 冲击矿压现象、特征及其分类1.2.1 现象及特征冲击矿压是井下围岩（煤或岩石）突然破坏，引起剧烈震动并伴有大量煤（岩）块抛出的一种矿压显现，是一种严重威胁煤矿安全生产的动力灾害。冲击产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体震动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道跨落破坏等。冲击矿压还会引起或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等。因此，冲击矿压是煤矿重大灾害之一。(一) 冲击矿压具有如下明显的显现特征：1. 突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生、难于争先准确确定发生的时间、地点和强度。2. 瞬时震动性。冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达儿公里甚至几十公里地面有地震感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。3. 巨大破坏性。冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；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，从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。1.2.2 分类(一) 根据应力状态、显现强度、发生的地点和位置的不同，冲击矿压有如下几种分类方法。1. 根据原岩(煤)体应力状态不同，冲击矿压可分为三类 (1)重力型冲击矿压。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矿压，如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击矿压属重力型。 (2)构造应力型冲击矿压。若构造应力远远超过岩层自重应力时，主要受构造应力的作用引起的冲击矿压，如北票和天池矿区发生的冲击矿压属于构造应力型。 (3)中间型或重力构造型冲击矿压。它是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击矿压。2. 根据冲击的显现强度，可分为四类： (1)弹射。一些单个碎块从处于高压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、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生破坏。但煤、岩并不向已宋空间抛山、只有片帮或塌落现象，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。煤或岩石向巳采空间抛出，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22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23级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。3. 根据震级温度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压，分为三级： (1)轻微冲击(1级)。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压。 (2)中等冲击(级)抛出煤量在10一50 t，震级在12级的冲击矿压。 (3)强烈冲击(级)。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。 一胶面波震级M1时，矿区附近居民可能有震感；M2时对井上下有不同程度的破坏；M25时，地面建筑物将出现破坏现象。4. 根据发生的地点和位置冲击矿压可分为两大类 (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。1.2.3 我国冲击地压的类型我国冲击地压分为三类：煤体压缩型冲击地压、顶板断裂型冲击地压和断层错动型冲击地压。(1)煤体压缩型：包括重力和水平构造应力引起的两种，多发生在厚煤层开采的采煤工作面和回采巷道中。震级一般不超过2级但冲击地压发生后，突出的煤量较多易造成设备破坏和人员伤亡。发生深度一般不大于500 m，且符合GutenbergRichter公式：logN=abM，式中：为大于某一震级的冲击地压次数；为震级；口，b为常数。图7为华丰矿1997年冲击地压的b值曲线。b值最大为2O28。冲击地压波的振相是“伞面形”起始振幅大，但衰减很快持续时间很短。在有构造应力参与时则振动时间加长往往有23次振荡。图8为华丰矿1996年4月20日19：49时16级冲击地压波形图。(2)顶板断裂型：由顶板岩石拉伸失稳而产生。多发生于工作面顶板为坚硬、致密、完整且厚的岩体中采空区的大面积空项部位。牵涉范围大，释放能量大，发生强度高，一般震级在23级之间。b值次之为1520。图9为门头沟矿冲击地压b值曲线。发生深度一般为500800 m，其发生不仅受局部应力场影响，而且受区域应力场的影响。图lO为华丰矿2001年7月5日3：44时17级冲击地压波形图。岩体振动的优势频率为315 Hz波形呈“蘑菇”状在蘑菇顶下s波较强频率偏低、衰减慢。如北京门头沟矿，项板为坚硬中砂岩厚度达20 m悬顶面积达510450104矗当采空区悬顶面积达到一定值时，由于顶板岩石拉伸失稳而引起顶板断裂导致冲击地压。(3)断层错动型：由断层围岩体剪切失稳造成。发生在采掘活动接近断层时，受采矿活动影响而使断层突然破裂错动。发生深度一般为800 1 000 m。震级为34级。b值在10附近。其优势频率为16 Hz。振动时间长、振荡次数多、频率低、应力波携带的能量太，传到地表后能激起很强的面波。断层错动型冲击地压图相类似于天然地震，s波很强，频率低、持继时间很长。如北票台吉矿197年4月28日发生的38级断层冲击地压，约有2000m2的破坏烈度达7度波及到地面，震坏房屋l 500余间，居民12人受伤。1.3 问题的研究由于冲击矿压对采矿业的严重威胁，以及冲击矿压的发生原因复杂，影响因素多，发生突然，破坏性极大，因而引起国际岩石力学和采矿工程界的广泛关注和投入，并进行了大力研究。对于冲击矿压问题的研究，主要集中在三个研究方向上：一是冲击矿压发生机理的研究；二是冲击矿压危险性评价、监测与预测预报技术的研究；三是冲击矿压治理措施的研究。1.3.1 冲击矿压机理长期以来，冲击矿压作为岩石力学的重大难题之一，一直是国内外学术界和工程界关注的重要研究课题。冲击矿压发生机理十分复杂，是一个正在深入研究的问题、更是关注的焦点。各国学者在对冲击矿压现场调查从实验室研究的基础上，从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则理论和变形系统失稳理论等。20世纪60年代以后，在对冲击矿压的研究中，人们逐渐认识到冲击矿压是裂纹扩展及变形局部化导致的失稳现象与具有裂隙的各向异性岩石介质的力学性质和围岩在外加载荷作用下应力应变场的演化与失稳密切相关。冲击矿压是压力超过煤岩体的强度极限，聚积在巷道周围煤岩体中的能量突然释放在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道。同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击矿压还会引发或可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统等。冲击矿压的发生需要满足能量条件、刚度条件和冲击倾向性条件。这些条件可用煤层和顶底板的刚度来说明。当煤层和顶底板的刚度均大于零，则煤岩体处于稳定状态；当煤层的刚度小丁零，但煤层和顶底板的刚度之和大于或等十零则煤岩体处于亚稳定或静态破坏状态；当煤层和顶底板的刚度之和小于零时，煤岩体将产生剧烈破坏，发生冲击矿压。(一) 强度理论早期的强度理论主要涉及煤(岩)体的破坏原因。认为井巷和采场周围产个应力集中。当应力达到煤岩)强度的极限时煤(岩)体突然发生破坏，形成冲击外压：并对煤（岩)体形成应力集中的原因提出各种假说如20世纪30年代末的拱顶理论和悬臂梁理论等等。近代强度理论以“矿体 围岩”系统为研究对象其主要特点是考虑“矿体一围岩”系统的极限平衡；认为煤(岩)体的承载能力应是“煤体-围岩”系统的强度导致煤(岩)体破坏的决定因素不仅仅是应力值大小、而是它与岩体强度的比值。近代冲击矿压的强度理论主要着眼于矿体-围岩这一力学系统的极限平衡条件，具有代表性的是Brauner提出的煤体夹持理论，但该理论与实际结果还存在一定的差距。在研究岩爆问题时，通过对大量的工程实例的分析研究，还提出了岩爆的拉伸断裂机理和剪切破裂判据。强度理论具有简单、直观和便于应用的特点。井巷和采场周围煤岩体经常出现局部应力超过其强度极限的现象，但即使是具有强烈冲击倾向性的煤层在多数情况下都能平稳进入强度后变形阶段，只在少数情况下才发生突然破裂形成冲击矿压，说明强度理论只能判断煤岩体是否破裂，不能回答破裂的形式-是静态破裂还是动态破裂。它是冲击矿压发生的必要条件，而不是充分条件。(二) 刚度理论刚度理论是由Cook等人根据刚性压力机理论而得到的。二十世纪七十年代，布莱克将此理论完善化并用于美国的加利纳矿的冲击矿压问题。该理论认为：矿山结构的刚度大于矿山负载系统的刚度是发生冲击矿压的必要条件。近年来Pdukhov在他所提出的冲击矿压机理模型中也引入了刚度条件。但他进一步将矿山结构的刚度明确为达到峰值强度后其裁荷-变形曲线下降的刚度。在刚度理论中，如何确定矿山结构刚度是否达到峰值强度后的刚度是一难题，它不能由试验测定。数值方法可能是有效途径之一，但目前的结果仍称在一定的偏羌需要开展进一步的研灾工作。刚度理论用于判别煤柱稳定性具有简单、直观的特点。但这一理论没有正确反映煤体本身在煤岩体-围岩系统中不但能积聚能量，而且还可以释放能量这一基本事实。此外，矿山结构的刚度在概念上并不十分明确，而且矿山结构达到峰后强度后的刚度难于确定。(三) 能量理论能量理论从能量转化角度解释冲力矿压的戊因，是冲击矿压机理研究的一大进步。该理论认为矿体围岩系统在其力学平衡状态遭破坏所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击矿压。20世纪70年代Brauner提出冲卡矿压的能量判据，该判据考虑乐能量释放与时间因素的相关性。其后，吴耀混等对此加以补充修正引入空间坐际系统以说明冲击矿压发生的条件应同时满足能量释放的时间效应和空间效应。冲击发生的能量源分析全义重要。Pet Mkh c认为冲击能量由被破坏的煤(岩)积蓄的能量和邻接于煤柱或煤(岩)层边缘部分的弹性变形能所组成、即从外部流人的能量赋予冲击矿压以动力。剩余能量理论认为剩余能量的存在是围岩动力失稳的力学原因，该理论20世纪70年代由美国人提出，其后得到了进一步的发展相应用。能量理论认为，当矿体-围岩系统在其力学平衡状态破裂时所释放的能量大于所消耗的能量时便发生冲击矿压。能量理论从能量耗散的角度解释冲击矿压的成因，是冲击矿压机理研究中的一大进步。但能量理论没有说明矿体-围岩系统平衡状态的性质及其破裂条件，特别是围岩释放能量的条件，因此冲击矿压的能量理论判据尚缺乏必要条件。能量失稳理论认为：围岩系统释放的能量大于煤岩体消耗的能量时，即产生冲击，周围煤岩体是产生冲击的主要能量。实验却证明：当煤岩体中的最大主应力超过其单轴抗压强度时，其存储的弹性应变能就能使其本身破碎，甚至形成冲击。因此，不需要在冲击煤岩体以外去寻找其他的能量源进行分析，只需要分析发生冲击的煤岩体本身所耗散的弹性应变能。能量理论说明矿体一围岩系统在力学平衡状态时，释放的能量大于消耗的能量，冲击矿压就可能发生，仅没有说明平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩释放能量的条件，因此，冲击矿压的能量理论判据尚缺乏必要条件(四) 冲击倾向性理论冲击倾向性是指煤(岩)介质产生冲击破坏的固有能力或属性。煤(岩)体冲击倾向性是产生冲击矿压的必要条件。冲击倾向理论是波兰和前苏联学者提出的，我国学者在这方面作了大量的工作，提出用煤样动态破裂时间（Dt）、弹性能指数（WET）和冲击能量指数（KE）三项指标综合判别煤的冲击倾向性的试验方法和指标。此外，在试验方法、数据处理及综合评判等研究中取得了一定的进展。冲击倾向理论的另一重要方面是项板冲击倾向性的研究，而且也越来越引起人们的重视。这方面的研究包括顶板弯曲能指标和长壁开采方式下顶板断裂引起的煤层冲击等。显然，用一组冲击倾向指标来评价煤(岩)体本身的冲击危险具有实际意义，并已得到了广泛的应用。然而，冲击矿压的发生与采掘和地质环境有关，而且实际的煤(岩)物理力学性质随地质开采条件不同而有很大差异，实验室测定的结果往往不能完全代表各种环境下的煤(岩)性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。冲击倾向性理论主要指标为弹性能指数，即把卸载过程释放的弹性应变能Usp与塑性变形的损耗能Ust之比称为弹性能指数，即Wet=Usp/Ust。并认为Wet能够反映煤岩体的冲击倾向。Wet是在单轴压缩实验中接近峰值强度时卸载后得到的。Usp+Ust为实验加载时试块吸收的能量，Ust只能反映塑性变形损耗的能量，并不能反映岩石冲击破裂时损耗的能量。在实验过程中，很难确定接近峰值强度的卸载点。因此，该指标很难准确反映煤岩体的冲击倾向性。(五) “三准则”机理模型国内一些学者在总结以上冲击矿压机理模型的基础上，考虑到冲击矿压发生的充分必要条件，将不同的判据有机的组合到一起，提出了冲击矿压的“三准则”机理模型。该模型认为：强度准则是煤体的破裂准则，而能量准则和冲击倾向性是突然破裂准则。三个准则若同时满足，才是发生冲击矿压的充分必要条件。该模型比较全面地揭示了冲击矿压的发生机理。作为机理模型，相对来说是比较完善的，但这只是一个原则性的表达式，特别是强度准则和能量准则，由于影响因素众多，各种参数几乎无法确定，因此该模型的实际应用难度很大。这正是目前预测方法和冲击矿压机理之间脱节的重要原因。(六) 稳定性理论稳定性理论应用于冲击矿压问题最早可追溯到20世纪60年代牛期Ncvillecook的研究。刚性试验机的出现使人们可以获得受压岩石的全应力一应变曲线得到岩石峰后变形的描述，从而可以研灾采动岩体的平衡以及这种平衡的稳定性。Lippnlnnn将冲击矿压处理为弹塑性极限静力平衡的失稳现象进一步又提出煤层冲击的“初等理论”，同时而在采场周围形成应力集中煤(岩)体内高应力区局部形成应变软化介质与尚未形成应变软化(包括弹性和应变硬化)的介质处丁非稳定平衡状态，在外界扰动下的动力失稳，形成冲击矿压，提出冲击矿压的失稳理论，并得到了初步的应用。该理论认为煤岩介质受采动影响而在采场周围形成应力集中，煤岩体内高应力区局部形成应变软化介质与尚未形成应变软化（包括弹性和应变硬化）的介质处于非稳定平衡状态，在外界扰动下动力失稳，形成冲击矿压。煤岩体在外力作用下，动力失稳之前随时间变化处在一个缓慢的不断耗散应变能的过程中，失稳发生的瞬间与发生后显然是一个动力过程。在数学上描述与处理动力问题非常困难，故常假设失稳发生前的应变能积累过程为准静态，利用最小势能原理与Dirichlet原理来判别系统的平衡状态的稳定性，即： （2-1） （2-2）上式为系统结构失稳的必要条件，式中为变形系统的总势能。由推导的结果可知，只有在介质中出现应变软化区时，系统才有可能出现失稳。(七) 突变理论突变理论是由法国数学家TOM于70年代逐步发展形成的，目的就是对一个光滑系统中可能出现的突然变化做出适当的数学描述，分类定理是灾变理论的最重要部分，其中心思想是认为自然界的一切灾变形式可以根据系统的控制空间和状态空间的维数进行分类，TOM的研究表明：在控制变量不大于4个的情况下，最多可有7中灾变形式。尖点灾变模型是突变理论中最有用、最简单的一种。近几年来，突变理论和分形理论等非线性理论在冲击矿压机理的研究中也取得了一定的进展。从能量的角度来看，冲击矿压的实质就是煤岩体中所积聚的弹性应变能达到其极限储存能；根据尖点灾变理论，当煤岩体中所积聚的弹性应变能发生灾变突跳时就会诱发冲击。1.3.2 目前研究现状冲击地压是岩石动力学的重大难题之一，对于冲击地压发生机理的认识，各国学者在对冲击地压现场调查及实验室研究的基础上从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、三准则理论和失稳理论等 。 世纪 年代末，林天键将 创立的突变论引入岩石力学后，潘岳 、尹光志等 建立了岩体结构失稳的突变模型，对围岩压力、刚度和煤岩损伤扩展耗散能量进行分析，定性地解释了发生冲击地压的机理。目前，多采用尖角突变模型，建立岩体的势函数，分析分叉集，得出突变判据。突变理论发展了刚度理论和强度理论，但离解决实际问题还有一定距离。谢和平院士 将分形几何引入冲击地压的研究，形成了冲击地压分形特征与机理的相关理论。齐庆新等 在研究冲击地压的发生与煤岩体摩擦滑动破坏的关系时提出了“三因素”理论，该理论将岩体的内在因素、力源因素和结构因素作为导致冲击地压发生的最主要因素。认为岩体破坏是滑动破坏，其滑动形式分为稳定性滑动和粘性滑动两种。岩层受力过程中的瞬时粘滑过程，是岩层满足剪切强度准则的突然滑动并在滑动过程中伴有变形能释放的动力过程。裴广文、纪洪广 根据深部开采过程中构造型冲击地压的发生规律，提出并建立了“开采扰动势”概念，对冲击地压的能量特征与开采量、开采深度及开采活动距控制性构造的位置之间的定量关系进行了分析。在目前的研究中，以断裂力学和稳定性理论为基础的围岩近表面裂纹的扩展规律、能量耗散和局部围岩稳定性研究备受关注大量研究表明裂纹的扩展方向受最大压应力方向控制，围压对裂纹的扩展起限制作用。vardolakis研究指出近自由表而的裂纹旦开始扩展，将失去稳定，导致表面局部屈曲，临界屈曲应力随自由表面与裂纹间距离的减小而急剧减小Dyskm对壁面附近裂纹扩展方式及裂纹贯穿后的壁而稳定进行了分析，认为压应力集中造成初始裂纹以稳定的方式平行于最大压应力方向扩展这种扩展与自由表面相互作用加速了裂纹的增长并最终导致失稳扩展，裂纹面出现分离，分离层屈曲破坏形成冲击矿压。并建立了一个二维裂纹扩展模型以计算非稳定裂纹起裂点的应力大小。BAzant等分析了近壁裂纹扩展引起的能量耗散及尺度效应，使对冲击矿压的能量估算成为可能。张晓春等在这方面结合实际情况对近表向裂纹扩展、壁面局部稳定性作了初步的研究探讨了煤矿巷道附近围岩层裂区的形成和破坏机理，通过理论分析和试验模拟，建立了煤矿片帮型冲击矿压发生的层裂板结构失稳破坏模型，认为巷道或采场壁面的局部稳定是出高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的，冲击刃压是煤逐形成的层裂板结构区的局部压屈。齐庆新等在煤与岩石以及煤层之间摩擦滑动实验研究基础上，考察了煤矿冲击矿压煤岩层间结构粘滑失稳机制。材料破坏的分叉理论是冲击矿压研究的一个重要方而，vardmllakM和Deborst等作了以系列的工作，并在数值计算上采用粘塑性、塑性应变梯度和Cosscrat介质理论的本构关系等，以求实现对破坏失稳部位的预测。近年来，突变理论在冲击矿压研究中也取得了一系列的进展。这包括：针对煤柱的非稳定问题，利用尖角突变模型，得到了判断煤(岩)柱冲击矿压发生的必要条件和充分条件；分析水平力和垂直力控制的空间煤(省)体系统失稳的分叉集以及出于它们变化而导致煤岩体状态突变的过程。这些研究在煤岩体的本构关系方面采用线性(弹性)和非线性(应变软化、损伤)模型。总之，各个理论都有其自身的特点和局限性。强度理论突出了煤岩体的极限强度指标，但很多情况下，在所受应力超过煤岩体的极限强度后，结构若缓慢破坏，也不会发生冲击；在刚度理论中，如何确定矿山结构刚度是否达到峰值强度后的刚度是一难题，它无法由实验测定；能量理论说明矿体围岩系统在力学平衡状态时，释放的能量大于消耗的能量，冲击矿压就可能发生，但没有说明平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩释放能量的条件，因此，能量理论判剧尚缺乏必要条件；冲击倾向性理论考虑了煤体本身的冲击性能，但未能兼顾开采的实际地质条件，实验室测定的特性往往不能完全代表实际环境下的煤岩性质；失稳理论考虑了采动影响和煤岩体在集中应力作用下局部应变软化与应变硬化和弹性介质构成的平衡系统突然失稳，较好的吻合了采矿活动的特点，所以，目前得到广泛的应用。本课题就是基于这一理论，结合煤岩体自身的冲击倾向性及煤岩体在受力变形、破碎过程中向外辐射电磁波这一特点来开展研究工作的。1.3.3 冲击矿压影响因素(一) 开采深度我们知道，随着开采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。理论上讲，煤层在采深为H且无采动影响的三向应力状态下其应力为： 则煤体中的体积变形聚积的弹性能为形状变形而聚集的弹性能为：若煤层中的形变能全部用于煤体的塑性变形，体变能全部用于破坏煤和使其运动，则：式中设煤的单向抗压强度为Rc，则破碎单位体积煤块所需能量U1为：假设巷道周边煤体处于双向受力状态，则所需能量比U1要大，现用一系数K0(K01)来表达，则破碎单位体积煤块的能量U2为：若UvU2就可能发生冲击矿压，这样就可求得发生冲击矿压的初始采深H为：统计分析表明，开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大：开采深度与冲击矿压发生的多少，有如图4.1的关系(波兰煤矿情况，横坐标为采深，纵坐标为冲击指数W，即开采百万吨煤炭的冲击矿压次数)。考虑到安全界限可以确定当深度H350 m时，冲击矿压不会发生；当深度350mH500 m时，在一定程度上危险逐步增加。从500m开始，随着计采深度的增加，冲峦矿压的危险性急剧增长。从图中可以看出，当开采深度为800m时，冲击指数Wt0.57，比在深度Eoo nt(Wt0.04)增加了14倍。而从Wtf(H)的曲线趋势看，当开采深度非常大时(1200一1500m)冲击指数的梯度将会减小但其值会非常高。图4.1 采深与冲击矿压的关系(二) 煤岩的力学特征生产实践与试验研究均表明：（1）在一定的围岩与压力条件下任何煤层中的巷道或工作面均有可能发生冲击矿压。（2）煤的强度越高。引发冲击矿压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击矿压就需要比硬煤高得多的应力。（3）煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之。对煤的冲击倾向性评价，主要采用煤的冲击能量指数和弹性能量指数，即： 冲击能量指数：Ke5 强冲击倾向1.5Ke5 中等冲击倾向Ke1.5 弱冲击倾向弹性能量指标Wet5 强冲击倾向2Wet5 中等冲击倾向Wet2 弱冲击倾向(三) 项板岩层的结构特点 研究表明顶板岩层结构特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型(冲击压力型)冲击矿压或顶板型(冲击型)冲击矿压。(四) 煤层厚度及其变化 根据统计分析，冲击危险程度与煤层厚度及其变化紧密相关。煤层越厚，冲击矿压发生得越多，越强烈。图4.2和图4.3为砚石台矿统计的煤层厚度及其变化与冲击矿压之间的关系。 图4.2煤层厚度与冲击矿压的关系 图4.3煤层厚度与抛煤量的关系(五) 煤层分叉的影响某矿630水平的工作区域内510煤层分为504和510煤层，其间的间距在开采工作区域内从无增加到15m。该结构的出现，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。图4.4介绍了构造变化区域内E/W(生产单位体积的煤所释放的能量）的分布规律。图4.4构造变化区域内E/W的分布(六) 断层的影响实践证明，冲击矿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、煤层摺曲、构造应力带。例如龙凤矿在向斜轴部准备工作面时经常发生冲击矿压。当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击矿压发生的次数明显上升，而且强度加大。例如在龙风50次冲力矿压中，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520mm范围内的：图4.5为冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系。图4.5冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系实践农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的位置即为岩体震动的位置。(七) 褶曲的影响我们知道褶曲是岩层在水平应力挤压下形成的，这种褶曲大部分在沉积岩层中形成。研究表明，当温度相对较低时沉积岩挤压形成流动呈褶皱而不产生破裂(断层)，这可以认为是压力溶解蠕变起了重要作用，即当差异应力作用于岩石时，矿物在高应力区溶解，而在低应力区沉积，结果是岩石变形。般情况下，对于巷道及回采工作面来说，在褶曲的各个部位，出现的危险性是不一样的，如图4.6所示，I区，褶曲向斜部分，这部分其应力，垂直为压力，水平为拉力、最容易出现冒顶和冲击矿压；区沼曲翼。这部分的应力垂直和水平均为压力，最易出现冲击矿压；区榴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。图4.6褶曲部分的受力状态及危险性(八) 开采设计和开采顺序当在几个煤层中同时布置几个工作面时工作面的布置方式和开采顺序将强烈影响煤岩体内的应力分布。矿井中，冲击矿压经常出现在：（1）工作面向老塘推进时；（2）在距采空区15-40 m的应力集中区内掘进巷道（3）两个工作面相向推进时；（4）两个近距离煤层中的两个工作面同时开采时。(九) 上覆煤层工作面停采线的影响 上覆煤层工作面的停采线形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威协，使冲击矿压的危险性有很大的增加。如果我们定义E/W为观测范围内单位生产煤量所产生的震动能量(J/t)，则上覆煤层的停采线对回采工作面的推进过程中影响的E/W指标值如图4.7所示。其中504、501煤层距510煤层分别为40 m和64m。当510煤层的下山经过上覆煤层的停采线时，E/W指标的变化清楚、详细地表明了冲击矿压危险性增加的区域。图4.7巷道过上层停采线时E/W分布图(十) 上覆煤层残采区的影响图4.8介绍了工作面通过上覆煤层残采区时的E/W指标值的变化曲线。图中416煤层的残采区距501煤层70m。图中表明了残采区范围内震动的活动性和冲击矿压的危险性，该区域内最大的冲击能量力22106J。以上表明，残采区对下部煤层的开采影响很大，冲击矿压的危险性大幅度增加。图4.8采面过上层残采区时E/W分布图(十一) 采空区的影响图4.9介绍了采煤工作面接近来空区的E/W指标值的分布规律。图4.10介绍了邻近工作面的采空区对该工作面的影响。从图上可以看出，当工作面接近已有的采空区，其距离为20-30m时，冲击矿压的危险件随之增加，如果工作面的旁边有上一区段的采空区，该采空区也使得冲击矿压的危险性增加，危险发生的最大位置在距煤柱10m左右。图4.9 采面接近旧采空区时E/W分布 图4.10 邻近采空区对开采工作面得影响(十二) 老巷的影响图4.11介绍了工作面过同煤层老巷时E/W指标值的变化规律。从图中可以看出，当工作曲接近老巷约15m左右时，冲击矿压的危险性最大。图4.11 采面过老巷时E/W分布(十三) 开采区域的影响在煤层开采面积增加的情况下岩体的震动能量也随之增加。研究表明，当开采面积为3ha时，释放的单位面积的震动能量为最大。图4.12表示了释放的总地震能与工作面开采面积之间的关系。该采面采高为25m。图4.12 总能量与开采面积之间的关系图1.3.4 冲击矿压危险性的分级上述时空预测的综合指数法、微震法、电磁辐射法和钻屑法分别确定了冲击矿压的危险性程度。综合指数法分析的是早期的、区域和局部的冲击矿压危险性程度;微震法确定的是顶板等震动引发冲击等的即时与区域性的冲击矿压危险性程度,电磁辐射法确定的是监测点20 m 范围内即时与局部的冲击矿压危险性程度,而钻屑法确定的则是打钻孔点的即时冲击矿压危险性。冲击矿压危险性预测的方法不同,确定的冲击矿压危险性的时间和区域不同。 由于冲击矿压的发生有煤层型和顶板型,为了提高冲击矿压预测的可靠性和准确性,需要综合考虑冲击矿压危险性的预测技术。根据理论分析、实验室试验和大量的现场试验,按照冲击矿压的危险性程度,我们将冲击矿压的危险程度定量化分为4 级进行预测,分别为无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险.根据冲击矿压危险性的不同,采取相应的防治对策,如表5.1 所示：表5.1 冲击矿压危险状态的分级危险等级危险状态危险指数防治对策A无 0.75停止采掘作业,人员撤离危险地点. 采取强度弱化减冲治理措施. 采取措施后,通过监测检验,冲击危险消除后,方可进行下一步作业1.4 冲击矿压的预测对于冲击矿压危险的矿井,在分析冲击矿压发生机理的的基础上,采用时间上早期综合分析预测与即时预测相结合,空间上区域预测与局部监测、点预测相结合,构成可靠性高、简单易行、行之有效的冲击矿压危险性预测技术体系,见图4.1。图4.1 冲击矿压的分级预测技术体系图4.2 冲击矿压危险的时空预测1) 微震法：与记录和分析大地地震的方法相类似，但震中浅，强度小，震动频率高，影响范围小。衡量矿山震动程度的大小采用单位时间内矿山震动的次数和震动的能量。地质构造的变化引起地应力场的变化，变化剃度越大，产生震动的可能性就越大，释放的能量就越高，震动的数量就越多。2) 振动法：用来研究开采层的连续性及揭露其构造的非均匀性。测量参数为地震波的传播速度，后来用于确定巷道周围的应力应变状态。当煤层的连续性出现问题时，地震波的传播通道将出现非正常波图，或者振幅减小，甚至全部消失，这取决于煤层构造破坏的程度。 3) 重力法：根据地层中岩石介质质量分布的不均匀性来测量重力的异常变化，主要应用于开采引起的岩体体积变化、地层震动的预测、小范围内煤层构造的变化、局部空洞的定位等。4) 钻屑法：在煤层中施工钻孔，根据不同深度排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应，鉴别冲击危险的一种方法。主要有钻屑量指数，同时要观测记录打钻过程中的动力效应：如钻杆卡死、跳动、出现震动或声响等现象。 5) 声发射法：以脉冲形式记录弱的、低能量的地音现象。地音变化与煤体应力变化过程相似，地音活动集中在采区某一部位，且地音事件的强度逐渐增加时，预示着冲击矿压危险。分为站式连续监测和便携式流动地音监测，主要记录声发射频度（脉冲数量）、一定时间内脉冲能量的总和、采矿地质条件及采矿活动等。6) 电磁辐射法：电磁辐射是煤体等非均质材料在受载情况下发生变形及破裂的结果，是由煤体各部分的非均匀变速变形引起的电荷迁移和裂纹扩展过程中形成的带电粒子产生变速运动而形成的。实验发现各种煤岩混凝土流变破裂时均有宽频电磁辐射产生，电磁辐射较声发射信号敏感，且具有Kaiser记忆效应。电磁辐射信号可以反映煤岩体破坏的程度和快慢，主要记录指标有电磁辐射信号强度幅值和脉冲次数。1.4.1冲击地压预测的研究现状目前，冲击地压己有一些防治措施，如煤层低压和高压注水、爆破卸压、钻孔卸压等冲击地压防治技术。国内外实践证明，只要认真按现有技术规范执行，就能起到缓解或解除冲击地压危险，防止或减缓冲击地压灾害。我国的门头沟矿就是很好的实例。至1999 年停产关井十八年间，每年平均发生2.8 级以上冲击地压527 次，没有发生一例人员伤亡事故。关键在于有一套对全矿冲击地压危险的监控系统，每日在重点区域应用钻屑法进行检测，发现冲击危险及时采取治理措施，并检查措施效果。如一时无效果，则及时撤出入员和重要设备。可靠的预测而且可以减少在会发生冲击地压区域采取防治措施，从而节省防治费用，降低吨煤成本，经济而有效防地治冲击地压灾害。这是今后市场经济条件下冲击地压预防研究的方向。目前世界各采煤国家广泛应用于工作面冲击地压危险预测的还是钻屑桂，是在20 世纪50 年代提出的。通过向煤壁钻孔道，根据每米钻孔钻屑量多少，估算该处应力状态判断冲击地压危险程度。西德将钻屑检测和钻孔卸压合在一起设计专门设备，如有危险继续向前钻孔卸压，钻屑法简单易行，在冲击地压预测中发挥了很大作用。但是不能对目前日益增多的。顶底板冲击地压和强度高的断层冲击地压进行预测。对软弱煤层钻孔煤粉量应力变化不明显，难以分辨。检测结果受人的因素影响。不能进行空间和时间上连续监测观察冲击地压危险的变化。检测效率低，仅作为一种辅助的预测手段。基于对冲击地压机理的认识，目前冲击地压的预测预报是围绕冲击地压发生的强度理论和能量条件进行的，预测方法除了以往的经验类比法外，大致还有两类：传统的局部监测方法，以钻屑法为基础，包括煤岩体变形观察（顶板动态、围岩变形）、煤岩体应力测量等 ，主要用于监测采、掘工作面局部区段的冲击危险程度；区域系统监测方法，包括声发射、微震系统、电磁辐射监测等采矿地球物理方法，根据连续记录煤岩体内出现的动力现象，预测冲击地压危险状态。钻屑法是通过在煤层中钻小直径钻孔（直径 ），根据钻孔时在不同深度排出的煤粉量及其变化规律以及有关动力现象判断冲击危险的一种方法 。在煤体中打钻至一定深度后，钻孔周围煤体将逐渐达到极限应力状态，如图 所示。孔壁部分煤体可能突然挤入孔内，并伴有不同程度的响声和微冲击；煤层中的应力愈大，煤的脆性破碎愈占优势，煤体钻孔力学模型如图 所示，基于钻孔应力增量、钻屑量及钻孔过程动力现象等定量、定性指标对冲击危险区域进行预测 。钻屑法是局部小范围的定性监测，需要工程经验去评价监测结果，这也是该方法现场应用的局限性。在声发射冲击地压监测预报方面，煤炭科学研究总院重庆分院、西安分院研制成功了声发射系统。随着大容量、高性能计算机系统的引入和声接收技术的发展，用声发射技术进行冲击地压预测可望取得重要突破 。在岩石声发射规律、冲击地压岩层破裂发展规律与现场监测应用等方面取得了一系列成果- ，对推动冲击地压的区域性监测预警起到了积极促进作用。在电磁辐射冲击地压监测预报方面，基于物理试验、电磁学和煤岩的细观力学，研究煤岩流变过程中产生电磁辐射的原理，结合加载煤岩体破坏过程中的电磁辐射规律，成功研制出非接触电磁辐射监测仪并在煤矿现场冲击地压监测中的应用- 。目前，微地震监测的研究是冲击地压监测预警的热点之一，国外微震冲击地压监测应用主要集中在顶板垮落时的微震前兆信息 、硬岩矿井冲击地压前兆的微震事件 等方面。国内，冲击地压微震监测研究主要集中在准确定位上覆顶板破断位置及形式、微震波的传播特征、不同地质因素条件下的微震信息识别、煤体的破裂形态及其与应力场分布的关系、不同影响因素导致冲击微震事件的分布特征与力学机理等方面- 。冲击地压的声发射、电磁辐射与微震监测各有优势，但应用单一监测手段获取的冲击地压前兆信息往往不够准确，这也是矿井冲击地压灾害监测预警技术发展缓慢的一个重要原因。在多手段监测前兆信息及其他分析手段方面，基于红外热像、声发射、应变等监测手段 ，对比研究煤样单体及煤、岩组合体失稳破坏，不同加载条件下的声发射、红外热像的前兆信息是下一步煤矿冲击地压监测发展的一个方向。窦林名等- 通过加载煤体的声电试验，提出了临界值法与动态趋势法相结合的冲击地压预警方法。 等 利用电磁辐射以及微声发射监测顶板的垮落过程，发现顶板垮落前超过 监测到异常高频的电磁辐射信号，较低频微声发射信号提供了明显的时间优势，可据此进行预警。 利用层析成像技术研究了长壁工作面顶板破断的冲击地压危险性及危险区域，发现 波波速与区域的矿震危险性呈正相关。李洪 以冲击煤层的大量实测信息为基础，提出了冲击地压混沌性预测模型及模式识别方法。从理论方面研究了声发射测量中b 值的衰减作用，b 值随耗散增加而减小，也随着声源强度增加而减小，在空间声源分布里介质的各向异性是b 值变化的主要原因。在前兆信息识别等方面，潘一山等 提出了在一定的时间尺度内预测预报冲击地压发生的方法。谭云亮、潘立友等- 通过试验、数值模拟与现场实测等方法，研究了冲击地压前兆信息的识别理论与方法。冲击地压预测预警方法与技术方面的研究，在很大程度上是基于某一种监测手段获取的监测结果而进行的，由于单一监测手段的监测结果带有片面性，不能够较全面准确地反应矿井深部岩体的失稳断裂发展规律，因而其预测预警也就不能较好地反应工程实际情况，预测预警结果与工程实际有较大的差距。1.4.2矿井冲击地压信息识别与预报方法存在的问题总体看来，对于冲击地压机理、信息识别与监测方法及预测预警等方面的研究，已经积累了一定的研究成果，但还远远没有实现对冲击地压机理正确认识、有效监测与及时有效治理的程度。对于我国煤矿生产现实情况来讲，特别是对于深井构造复杂条件下的煤矿生产，冲击地压的发生往往带有突发性和巨大破坏性，给煤矿安全生产带来巨大的生命、财产损失，冲击地压已经成为制约我国煤炭工业安全高效生产的严重瓶颈问题。随着煤矿开采深度的逐年增加与各种复杂构造煤层的影响，矿井冲击地压前兆信息的表现形式也趋于多样化，由于煤岩冲击地压的随机性和破坏形式的多样性，单一研究其中的一种监测数据信息及其前兆模式识别、预警的思路可能会有较大的偏差，不能够较准确地监测冲击地压的前兆信息并采取有效措施，在很大程度上制约着我国煤炭工业的安全高效生产。1.4.3冲击地压信息识别与预报方法的研究展望基于目前我国煤矿深部生产冲击地压监测预警与防治的现实问题，需要综合考虑利用分析以钻屑法、支（架）柱压力、岩层离层等为基础的局部监测法与声发射、微震等地球物理系统监测方法获取的监测数据与前兆信息，也就是将上述多种监测方法有机结合进行综合监测与综合数据识别，进行冲击地压灾害危险区域监测预报与局部预报相结合，早期预报与及时预报相结合、传统监测方法与现代地球物理监测方法相结合的综合监测预警研究。综合数据监测与综合前兆信息识别是今后冲击地压预测预警的重点研究方向，具体的研究工作主要围绕以下几个方面：）煤岩体试样岩石力学实验室室内试验的声发射、微震等现代地球物理综合前兆信息识别。如实验室室内研究小尺寸（标准试样）条件下的煤岩试样在各种荷载下的声发射、微震等的前兆信息发展变化规律，室内试验条件可以人为设定，以满足不同工况下的试验条件。）煤矿生产现场冲击地压声发射、微震等现代地球物理监测综合前兆信息识别与预警研究。即在煤矿现场生产实践过程中进行冲击地压声发射、微震监测的现场试验（实测）研究，多渠道捕捉煤岩体冲击地压发生前的各种前兆信息，实现对各种前兆信息的准确识别并在此基础上研究确定相应的预警机制与方法。）煤矿现场钻屑法与支（架）柱压力、岩层离层监测等的综合前兆信息识别与预警机制研究。综合采用钻屑法、支护阻力与岩层离层等传统的监测方法，获取煤、岩层冲击的前兆信息，充分运用矿压理论与技术，对前兆信息进行准确有效识别并及时预警，该方法在实现常规矿压监测的同时，基本不需太多人力、财力投入即可实现对冲击地压的监测，综合前兆信息的准确识别与正确运用是下一步的研究重点。）煤矿现场局部钻屑监测与声发射、微震等现代地球物理监测综合前兆信息识别研究。以声发射、微震等为代表的冲击地压现代地球物理区域性监测手段可实现整个采区乃至整个矿井的冲击前兆信息监测，而且是一种无损监测，具有明显的优势；局部冲击危险强烈区域采用钻屑法加强监测。准确获取监测信息并综合正确处理运用多种前兆信息对于煤矿较大区域的冲击地压监测预警意义重大。）支（架）柱压力、岩层离层监测与声发射、微震等现代地球物理监测综合前兆信息识别研究。常规支（架）柱压力、岩层离层矿压监测手段与声发射、微震等冲击地压现代地球物理监测有机结合，在实现对常规矿压监测目的的同时，与声发射、微震等获取的前兆信息综合处理运用，将更有利于矿井冲击地压准确及时预测预警。）深井冲击地压危险性分级与冲击地压危险性评价方法和技术研究。矿井冲击地压不同危险程度的科学界定与合理分级标准、冲击危险性的评价方法与技术是冲击地压监测、预警、防治研究工作的基础，也是下一步冲击地压研究工作的重点方向。1.5 冲击矿压的防治1.5.1 防治的方法总结对于冲击矿压的治理措施，主要从战略性防御和主动解危两个方面进行。战略性防御措施主要有开采解放层。在进行开采设计时，选择合适的开采顺序，开采方法和采煤工艺，先开采无冲击危险的煤层，力争消除形成冲击矿压发生的因素。冲击矿压的主动解危措施主要有卸压爆破，煤层注水，钻孔卸压，定向裂缝法等方法等。(一) 煤层注水煤层注水是通过高压向煤体注水，以改变煤体的物理性质及在煤岩体周围产生裂缝，起到降低煤体抗压强度和破坏原有结构以释放积聚的能量降低所受应力的目的。大量的研究表明，煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低。煤层注水方法主要有以下三种： a) 短钻孔注水法：钻孔通常垂直煤壁，且在煤层中线附近。注水孔间距为610m，注水钻孔深不小于10m。优点：容易钻孔注水；可在煤层的任意部分进行；可在难打长钻孔的薄煤层进行注水；可在其他不方便的条件下注水。缺点：注水工作在机道进行，影响采煤；注水工作须在冲击最危险的区域进行；注水范围小；b)长钻孔注水法: 通过平行工作面的钻孔，对原煤体进行高压注水，钻孔长度应覆盖整个工作面范围。注水钻孔间距应为1020m 。注水枪应布置在破碎带以外，注水区应在工作面前方60m外进行 。优点：工作面前方区域内的注水是均匀的，注水工作在两巷进行，不影响采煤作业。注水的有效时间为三个月 ；c)联合注水法: 长、短钻孔注水法的相互联合。采面部分区域采用长钻孔注水，部分区域采用短钻孔注水。(二) 爆破卸压爆破卸压是通过在煤岩体中实施钻孔及爆破来改变应力分布从而起到卸压的目的一种卸压措施。在回采工作面及上下两巷，振动爆破能最大限度地释放积聚在煤体中的弹性能，在工作面附近及巷道两帮形成卸压破坏区，使压力升高区向煤体深部转移。振动爆破的合理布置及合理的装药量，不仅形成岩体震动，在一定程度上形成煤体的松动带，而且落煤方便。研究表明：卸压爆破后30分钟内，若电磁辐射的脉冲数变化剧烈，说明在这期间煤壁内变形破坏剧烈，将可能发生冲击矿压。卸压爆破是冲击矿压解危措施中最常用的一种方法。(三) 钻孔卸压采用煤体钻孔可以释放煤体中积聚的弹性能，消除应力升高区。顶板岩层作用在煤体上，工作面前方煤体所受的压力将有比较大的升高，而钻孔卸压通过钻孔使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移。这种方式的卸压过程是以巷道周边岩体的完整结构被破坏为代价的。实施参数：大直径钻孔95mm、145mm、200mm，深度为煤层厚度34倍，孔间距1015。(四) 定向爆破裂缝法定向爆破裂缝法的原理与定向水力裂缝法的原理是一样的，不同之处只是将高压水换成了炸药。其预裂缝也有周向和轴向之分。图6.1为制造轴向裂缝钻头。而制造的周向裂缝可以是在钻孔的底部，也可以在钻孔中形成几个预裂缝，如图6.2所示。图6.1 轴向预裂缝钻头示意图图6.2 爆破钻孔结构示意图定向爆破裂缝法的钻孔长度、布置方式、制造预裂缝的数量、形式等均取决于井巷文护形式要破坏岩体的力学性质以及破裂的目的，这需要根据具体的生产实际，进行具体的设计和实施。(五) 卸压巷卸压掘巷卸压法就是在被保护巷道和硐室附近围岩中开掘卸压巷(槽)使被保护巷道和硐室处于应力降低区，从而提高围岩的稳定性，减小围岩变形。利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保护的巷道附近(通常是在其上部、一侧或两侧)开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力再次重新分布，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。同时也可以使煤体中积聚的弹性能能够得到释放。卸压巷卸压法一般分为顶部卸压法和侧帮卸压法2种 。在巷道顶部布置卸压巷硐时，卸压巷硐的宽度及其与被保护巷道的垂直距是影响卸压效果的主要参数。一般情况下，卸压巷硐与被保护巷道间的垂直距不应小于卸压巷硐底板破坏深度与至少2 m的安全岩柱之和。依据卸压巷硐与被保护巷道间的垂距和支承压力传递影响角，卸压巷硐的宽度应确保被保护巷道在其形成的应力降低区内。如果将被保护巷道布置在卸压巷的下面，也就是在卸压巷周围应力较小的地区，那么被保护巷道就处于应力相对较小的地方，煤岩体中的弹性能也相对较低。同时卸压巷的开掘也可以释放煤岩体中积聚的一部分的弹性能。冲击矿压大多数发生在巷道(726)，回采工作面则很少(274)。这样对冲击矿压工作面回采过程中的冲击危险性就将有所降低。1.5.2南非防治方法现状(一) 棋盘式顺序采矿方法棋盘式顺序采矿方法是一种灵活性高、能使地震灾害降至最低程度的新型采矿技术，已成功地应用于深井采矿中。其名字就足以说明采矿顺序和按事先设计的网格布置平巷、天井、矿柱以及开采前掌握开采对象的开采技术条件的重要性。根据掌握的开采技术条件，利用地球物理新技术及其提供的可靠资料留下品位最低和最有可能发生地震的矿段不采；根据地质条件、品位和发生地震事故的可能性确定可采矿段的回采顺序埃兰兹兰金矿(Elandsrand)最先采用棋盘式连续采矿，该方法与长壁法相比，金采出品位提高了lgt。南非黄金矿山岩体力学条件更适台采用长壁法，可是由于不良地质结构、品位变化大和要求产量高等因素，埃兰兹兰矿深部矿体不适合采用长壁法开采。棋盘式顺序采矿法将锯齿形上向梯段采矿概念同部分回采有机地结合起来。回采前先在矿脉下部80m处掘进运输平巷和回风巷道，按200m间距从运输平巷掘进穿脉巷道和天井，并留天井保安矿柱。两天井间留30m宽的倾斜保安矿柱。总的开采顺序是：从竖井矿柱开始，由一个天井向另一个天井边界推进。天井矿拄的回采方向是开始先向竖井矿柱方向推进较小的跨度接近永久矿柱边界；然后转向下一个天井矿柱边界推进。根据最大有效运距确定天井间距，在断层或岩脉处留倾斜支撑矿柱。支撑矿柱不一定位于两天井之间的中央位置故最大运距可能增加。因而必须采取较小的天井间距以便灵活地设置支撑矿柱。埃兰兹兰金矿天井间距为200m是合理的。开拓采准工程能获取有关地质结构和矿石品位的精确资料，据此规划采矿顺序和布置矿柱。低品位地段留矿柱，根据断层位置走向和垂直断距能更好地将支撑矿柱设计在断层或岩脉所在位置。如果两天井间没有可供留作矿柱的低品位矿石，则采用倾斜矿柱限制采场跨度以防冒落。倾斜矿柱应尽量布置在低品位矿段。回采顺序、矿柱尺寸和矿柱位置必须适虚岩体力学要求以确保安全采矿。充填是倾斜矿柱间最有效睁区域支护方法。棋盘式顺序采矿采用支撑矿柱确保断层和岩脉的稳定改善安全作业条件。合理设计沿断层和岩脉布置的支撑矿柱能减少园结构面失稳产生的地震事故。因此，当品位变化大、断层和岩脉发育时棋盘式顺序采矿是一种安全、经济、回采率高的采矿方法。(二) 水力驱动水力满足了深井开采降温和动力供应双重需要。它利用冷却水柱产生的自然压头作动力，通过控制阀将压力控制在14l8MPa。驱动凿岩机和其它生产设备所需水量少于降温用水量。因此不需再增加供水量。井下采矿设备都能用水力驱动因此不需使用压气和电力系统，并且非热练工人也可安装高压水管。水力系统的投资成本比相当的风动系统低60生产成本低40 ，能耗降低95。水力系统的高能量通量为大幅度提高生产能力创造了条件，水力凿岩机生产能力是标准风动凿岩机的2倍。水射流清洗枪减少了工作面清理时间。采场较小和倾角合适时，能采用控制爆破和水射流冲运，使工作面运矿工作量减少。(三) 冲击式采矿冲击式采矿的主要设备是冲击式采矿机。该机用安装在主框架上的液压锤和动力系统取代滚筒式采煤机的滚筒。其液压锤可在狭窄的空间内朝各个方向移动工作高度lm。工作面导轨一侧是往复式刮(链)板运输机。液压锤自带的装置可将大部分矿石装载到运输机上。铰接方式使它能按时按规定动作将矿石扫入刮板运输机。冲击式采矿可连续进行工作面进尺大、采矿作业集中、基础设施利用率高、劳动生产率高、贫化率低。冲击破碎可能是深部开采最重要的机械破岩方法因为它具有全断面采矿法的特点。(四) 深井 深井提供了快速揭露矿体和进入工作面的通道，尽可能快地将人和材料运送到采场。除了提高以上环节效率外，还要就传统的沿棘开采方法的运输和出矿之间的相互关系进行优化。英美公司主要集中研究深井提升系统，尤其是钢绳寿命和安全系数、卷扬机控制系统、钢绳动力学。已成功进行了深井作业和随钢绳寿命改善而提高有效载重试验，将继续开发井下环境监控和磁性钢绳试验技术。法尔里夫斯金矿1O号主井安装了最先进的矿用绞车，取得了满意的提升控制技术试验，超过现在的25002700m的单段提升高度，为最终达到4000m的提升高度创造了条件。未来的提升系统包括以下几个方面：(1)高性能数字控制调节器；(2)环形闭路制动控制系统；(3)速度距离电子保护装置；(4)高性能圆盘制动器；(5)无反向冲击离合器；(6)高性能钢绳缠绕滚筒；(7)提升夹紧装置；(8)钢绳状态监控装置；(9)锕绳承载监控装置。埃兰兹兰矿1990年完成的南部透镜状矿体开采可行性研究认为要在2006年后仍保持盈利，矿山必须进行深部开拓。地质勘探证实：3000m 以下可回收的黄金超过140t。通过方案比较决定延深现有的盲竖井(包括盲主井和盲通风井)到3600m水平。深部开拓于1991年开始进行，先下掘盲风井，再延伸盲主井，安装在73水平的双滚筒绞车和4t吊桶从盲风井提升废石。为保证安全开始下掘前在102水平以上安装了一个能承受速度为、8rids、重28t的箕斗下坠时产生的冲击力的可拆卸平台。在直径10m的竖井中安装槽钢再在槽锕上建一个6m高的术垛即形成平台。v形钻进法 另一项竖井延伸工程在西部深水平进行，该工程由3个部分组成：1#盲竖井将以前的盲竖井(SSS)延伸219m(从113水平延伸到123水平)，2#盲竖井(SSg)，将以前的盲风井(SVS