煤矿冲击矿压理论及防治技术专题报告

煤矿冲击矿压理论及防治技术摘要：冲击矿压作为煤岩动力灾害之一，越来越受到煤矿行业的关注，尤其是随着各个矿井开采深度的增加，冲击矿压现象更是屡见不鲜。对于冲击矿压的监测我们有很多方法，如钻屑法、微震监测技术、声发射技术、电磁辐射技术等等。由于冲击矿压具有突然性、瞬时性、破坏性的特征，对于冲击矿压的发生机理仍没有一个统一的认识，本文从冲击矿压的特征，发生条件以及影响冲击矿压的因素出发，研究了冲击矿压发生机理以及各种监测技术，及目前在实际生产过程中采取的主要应对措施如煤层注水、爆破卸压、钻孔卸压、定向裂缝、掘卸压巷等。关键词：冲击矿压；防治1、绪论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，造成煤岩体震动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等的一种煤矿自然灾害。冲击矿压还可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯煤尘爆炸、火灾及水灾、干扰通风系统等。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。冲击矿压发生的机理十分复杂，是一个正在深入研究的问题，更是关注的焦点。冲击矿压始于1738年的英国煤矿。从那时起到现在的200多年历史中，包括我国在内的世界各采矿国家.如德国、南非、前苏联、波兰、捷克、加拿大、日本、美国等2。多个国家和地区的煤矿均受到冲击矿压的威胁，许多国家和地区对冲击矿压问题给予了极大的关注和投入。冲示矿压发生机理十分复余.、各国学者在对冲击矿生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、冲击倾向理论、屯准则和变形系统失稳理论等。l世纪50年代提出的强度理论认为。产生冲击矿压时支架一围岩力学系统将达到力学极限状态;刚度理论认为，矿山结构的刚度大于围岩一支架刚度是产生冲击矿压的必要条件;能量理论则认为矿山开采中如果支架一围岩力学系统在其力学平衡状态被破坏时的能量大于所消耗的能量时即发生冲击矿压;冲击倾向性理论认为煤岩层冲击倾向性是煤岩介质的固有属性，是产生冲击矿压的内在因素;稳定性理论则认为，煤岩体内部高应力区局部形成应变软化，与尚未形成应变软化的介质处于非稳定平衡状态在外界扰动下动力失稳。形成冲击矿压等。研究冲击矿压的目的是防治或控制冲击矿压的发生，消除冲击矿压可能对井下人员和设备的危害。冲击矿压防控措施包括区域性防治措施和局部解危措施，前者旨在消除产生冲击矿压的条件，具有时空上的长期性和区域性；后者旨在对已形成冲击矿压的区段进行解危处理和安全防护，属于暂时的局部性措施。目前，我国大部分国有大中型矿井进入深部开采，这些矿井中有的受制于某些因素的制约，不可避免形成了具有冲击矿压危险的开采布局(如无法开采保护层、形成孤岛煤柱、开采深度大或煤层具有冲击倾向性等)，对这样已经布置好的开采系统来说，必须采取冲击矿压的局部解危措施。目前应用于我国煤矿冲击矿压的解危措施较多，如煤层注水、钻孔卸压、卸压爆破和顶板岩层定向水力致裂等。冲击矿压解危措施的根本目的就是把高应力区向煤岩体深部转移，减小应力增高区的应力峰值，降低煤岩体的冲击倾向性，减小应力增高区的能量聚积程度。这些措施的应用在一定程度上消除或降低了冲击矿压危险性，在煤矿安全生产中起到了重要的作用。2、国内外冲击矿压的概述2.1国内冲击矿压现状我国煤矿开采深度每年以10 15m的速度增加, 深部开采条件下的冲击矿压问题日益严重。据不完全统计, 截止目前, 我国冲击矿压矿井总数达80个以上, 其中以新汶矿业集团的华丰煤矿、京煤集团的木城涧煤矿、华亭煤业公司的华亭煤矿、开滦集团的唐山煤矿、抚顺煤业公司的老虎台煤矿等煤矿的冲击矿压危害最为严重。目前国内具有冲击矿压危害的矿井, 大部分没有安装有效的冲击矿压监测设备, 导致对冲击矿压的预测不够准确, 防治效果也不够理想。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200m左右。从1949年以来，已发生破坏性冲击矿压4000多次。震级Ml=0.53.8级，造成大量巷道破坏和惨重的人员伤亡。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。我国煤矿发生冲击矿压有如下特征:(1)突然性。冲击矿压发生前没有明显的征兆，突然、猛烈。(2)多样性。煤层冲击、顶板冲击、底板冲击等两三种冲击的组合。(3)破坏性。片帮和煤炭抛出，顶板突然下沉、底鼓、破坏巷道支护，造成人员伤亡等。(4)在各种采矿和地质条件下均发生过冲击矿压。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200一1000m ,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200600m，煤的单向抗压强度1030 MPa顶板一般为厚1040m的坚硬砂岩，强度100600M Pa。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20 0 8 0 0m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、油母页岩等都发生过;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。2.2国外冲击矿压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、奥地利、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压最早于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4001860rn .煤厚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;充填或垮落等顶板管理方法;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羊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。19551977年冲击危险矿井数由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5一6次。在前苏联金属矿，冲击矿压的频度比煤矿要小得多，其上要形式为岩石弹射、震动和微冲击.主要发生在北乌拉尔铝上矿等20余个矿山。开始出现的深度为300700m，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，平均单向杭压强度100250MPa，最低25一30 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1035M Pa，煤厚0.520m（一般为1.53.5m），倾角045（一般为515），平均采深600m，项板大都为坚硬砂岩。长壁工作面产量占9 9%。其中70%为垮落法开采。其余为水砂充填。工作面平均长度150m，日产13001400 t商品煤。机械化程度96.2%，其中综采占83.7%。冲击矿压是波兰煤矿重大灾害之一。最早记载于1958年。目前开采的400号、500号，600号、7 00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105109j ，最大是1011j，19491982年，共发生破坏性冲击矿压3097次，造成死亡401人，井巷破坏130km。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侧方面，居世界领先地位。由于采取综合防治措施，保证了安全，促进厂生产。(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。19101978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1020MPa，煤种为长焰煤、气煤和肥煤等。冲击矿压发生深度5901100m，其中8501000m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16m，其中主要为1.52m，倾角444。在德国。产生冲击矿压的煤层顶板绝人部分是540m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亨有较高声誉。(4非谋开采中的冲击矿压在世界的采矿实践中，冲击矿压现象不仅发生在煤矿，也发生在其他矿物的开采过程中、除前述前苏联的实例外，开采金属矿发生冲击矿压的还有：捷克的普希勃拉姆多种金属共生矿床，奥地利的铅锌矿，美国的铜矿，加拿大的铜镍矿和金矿，印度科拉尔矿区的金矿和采深超过3000m的南非维特瓦切尔斯兰德金属矿。到日前为止，最强烈的冲击矿压发生在盐矿中，破坏面积达13 Mm3，震动传播距离达几百公里。例如，,1958年原民卞德国维尔,钾盐公司台尔曼矿一所发生的冲击矿压，曾被莫斯科、土耳其和西班牙的地震站记录到。此外。冲击矿压还发生在露天矿中。综上所述，世界采矿业发生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口益严重，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一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。3、冲击矿压的现象及特征3.1冲击矿压现象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，干扰通风系统等。通常情况下。冲击矿压将直接产生：、将煤岩动力抛向巷道;、引起岩体的强烈震动;、产生强烈声响;、造成岩体的破断和裂缝扩展。因此，冲击矿压具有如下明显的显现特征:突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，难于事先准确确定发生的时间、地点和强度。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卢响和强烈的震动。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，地而有地震感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。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。3.2冲击矿压分类根据应力状态、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。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一压，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。根据冲击的显现强度，可分为四类:()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、岩并不向已采空间抛出，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。另一种分类是根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压分为三级：(1)轻微冲击(级)n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1050 t，震级在1 2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。一般面波震级M=1时，矿区附近居民可能有震感；M=2时，对井上下有不同程度的破坏；M=2.5时，地面建筑物将出现破坏现象。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。根据国内外的分类方法，我们认为冲击矿压可以分为由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和由构造活动引起的构造型冲击矿压。而采矿型冲击矿压可分为压力型、冲击型和冲击压力型。压力型冲击矿压是由于巷道周围煤体中的压力由亚稳态增加至极限值，其聚集的能量突然释放。冲击型冲击矿压是由于煤层顶底板厚岩层突然破断或位移引发的，它与震动脉冲地点有关。在某种程度上、构造型冲击矿压也可看作为冲击型。冲击压力型冲击矿压则介于上述两者之间，即当煤层受较大压力时，来自周围岩体内不大的冲击脉冲作用下发生的冲击矿压。国际经贸委员会欧洲能源协会煤炭劳动分会基于冲击矿压的能量理论、煤与瓦斯突出的能量理论等，对煤矿发生的煤岩动力现象进行了分类：(1)据能量源对动力现象分类主要将煤岩动力现象分为四类，即冲击矿压、瓦斯突出，煤和瓦斯突出以及与构造有关的动力现象。冲击矿压是由于聚积在煤岩体中的能量引发的动力现象。冲击矿压一般发生在处于极限应力状态的煤岩体中，其状态的变化速度超过应力松弛速度。瓦斯喷出就是在钻孔或巷道揭露构造断层区域时，从裂缝或孔洞中突然喷出瓦斯而发生的动力现象。煤与瓦斯突出是煤岩体和瓦斯的弹性能突然释放而引发的动力现象，意思是在压力作用卜;破坏的煤层体随瓦斯一起喷出。与岩体结构构造有关的动力现象包括除了上述动力现象外的一切由岩体震动的地震波引发的动力现象。具体地说，就是在危险区域，由于附加能星使岩体失去稳定而引发的冲击矿压和煤与瓦斯突出。地震波携带的能量比岩体本身破坏释放的能量多。因此，结构构造的震动可能引发大的灾害。l俪且这种灾害是非常强烈的，通常发生在本矿或相邻矿井处于多条平行巷道的时候，巷道或煤柱破坏的特征与通常的冲击矿压类似，但强度大。含瓦斯煤层的动力现象通常具有卜述几种类型的棍合，区分哪种类型的动力现象，主要是看动力灾害后，是煤炭抛出。还是煤和瓦斯一起喷出。(2)据强度对动力现象细分表-1介绍了根据巷道中记录的参数，确定的动力现象强度分类表-1 动力现象强度分类危险分类冲击矿压突出破坏的煤炭质量P/t破坏的煤炭质量P/t瓦斯的体积V/m3弱P5P10V100中等5P10010P200100V1000强100P1000200P20001000V10000灾害P1000P2000V100004、冲击矿压机理研究概述长期以来，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口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、刚度理沦、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。4.1 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生应力集中。当应力达到煤(岩)强度的极限时，煤岩)体突然发生破坏，形成冲击矿压。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年代未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“煤体一围岩”系统的强度。导致煤(岩)体破坏的决定因素不仅仅是应力值人小，而是它与岩体强度的比值。70年代强度理沦得到进一步的发展，Brauner提出煤(岩)体夹持理论，并导出煤体极限压应力的计算公式。李玉生等的研究将此理论做了进一步的完善。4.2 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。该理论认为:矿山结构的刚度人十矿山负载系统的刚度是发生冲击矿压的必要条件。近年来petukhov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载荷一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，但目前的结果仍存在一定的偏差，需要开展进一步的研究工作。4.3 能量理论能量理论从能量转化角度解释冲击矿压的成因，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提出冲击矿压的能量判据，该判据考虑了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，引入空间坐标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至关重要。Petukhov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和应用。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，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，冲击矿压的能量理论判据尚缺乏必要条件:4.4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，提出用煤样动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数三项指标综合判别煤的冲击倾向的试验方法。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顶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，面且实际的煤(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。4.5稳定性理论稳定性理论应用于冲击矿压间题最早可追溯到20世纪60年代中期NevilleCook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，从而可以研究采动岩体的平衡以及这种平衡的稳定性，Lippmann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”二同一时期，章梦涛根据煤(岩)变形破坏的机理，认为煤(岩)介质受采动影响而在采场周闹形成应力集中.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。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为一向受最大压应力方向控制，围压对裂纹的扩展起限制作用。Vardoulakis研究指出近自由表面的裂纹一旦开始扩展，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。Dyskin对壁面附近裂纹扩展方式及裂纹贯穿后的壁面稳定进行了分析，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白年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。并建立厂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面裂纹扩展、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由高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的，冲击矿压是煤壁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，考察了煤矿冲击矿服煤岩层间结构粘滑失稳机制。近年来，突变理论在冲击5.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(岩)体系统失稳的分叉集以及由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(h变软化、损伤)模型。5、冲击矿压防治冲击矿压现象是由于巷道或工作面周围煤体中的压力超过极限值，使聚集的弹性能突然释放而造成的。因此，预报冲击矿压何时发生是非常困难的。但是，采用一些冲击矿压危险性评价和预测预报的方法，可以确定冲击矿压发生的范围和地点，也可以确定冲击矿压的危险等级。当并巷中的冲击地点冲击危险性等级很高时，采取相应的解危和防治措施，消除和减弱冲击矿压现象的发生。因此，合理地预报和防治冲击矿压的措施和步骤应包括如下阶段:冲击矿压危险性评定和预测预报;选择防治和限制冲击矿压危险性的措施和方法;冲击矿压防治措施的实施;检查和评定冲击矿压防治措施的有效性，检测冲击矿压危险状态降低与否，如没有降低，则继续采取其他防治和解危措施。冲击矿压的防治方法由冲击矿压的危险性评价方法和冲击矿压的治理方法组成，而冲击矿压的治理效果控制方法则与危险性评价方法是一样的。冲击矿压的危险性评价方法包括:分析法。分析所给定的采矿地质条件，确定应力集中区域，预测岩体震动活动性等。采矿法。是基于对岩体结构及力学特性的认识及采矿历史的认识。小直径钻孔法也属于这一类。采面顶板动力现象的观察及声响可提供一系列冲击矿压危险信息。地球物理方法。这是冲击矿压危险性评价最有代表性的方法。这些方法大部分可进行连续观测及自动记录，并给出结果。测量法。主要是测量岩体的变形和巷道的压缩情况。这些量的速度增长及随时间的变化可很好地反映冲击矿压危险的实际情况。冲击矿压的治理方法可分为长期的和临时的。长期的方法是从考虑煤层有冲击矿压危险开始，在设计煤层开采时就考虑这个问题。最大限度地使用开采卸压层卸压，选择防治冲击矿压的支架及支护方式，并且从组织管理、开采措施方面来限制冲击矿压的发生。主动解危措施有松散煤岩体的放炮方法，注水方法及卸压方法来破坏巷道周围煤岩体结构。形成缓冲带。另外培训有关人员，加强和控制采矿工艺过程，并通过组织实施来限制冲击矿压造成的后果口在特殊的不能限制冲击矿压发生的情况下，引发冲击矿压的发生，避免人员伤亡。5.1 冲击矿压煤层的设计对于有冲击矿压危险的煤层，在设计时我们对以下各个方面进行综合考虑，以减轻矿井的冲击危险。(1) 开采深度 开采深度愈大，煤岩体应力愈高，高应力所导致的矿压显现和冲击矿压等现象就愈严重。(2) 煤层地质构造 地层的动力运动形成各种各样的地质构造。在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常(如底鼓、顶板下陷、煤厚变化、煤层分叉、空洞、倾角局部变化等现象)等构造带。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，煤层褶曲，这些构造应力集中的区域积聚了大量的弹性变形能，发生冲击矿压的危险性最大。(3) 煤层和顶底板的力学特性 冲击矿压的发生与煤层的冲击倾向性有关，煤越软，强度越低，引发冲击矿压所要求的应力越大。反过来说，煤越硬，强度越高，较小的应力就能引发冲击矿压。因此，煤质中硬、致密、裂隙、层节理较不发育的煤易发生较大强度的冲击矿压。从这方面讲，软化煤体，将煤体变成塑性或离散体，可以防治冲击矿压的发生。煤层厚度及其变化对发生冲击矿压也有影响，煤层越厚，越易形成较大的局部应力集中，一旦发生冲击矿压，强度更剧烈。研究表明，硬而厚的顶板岩层容易聚集大量的弹性能且不易冒落，所以发生冲击矿压的可能性很大。根据研究，影响冲击矿压发生的岩层为煤层上100m范围内的岩层，其中岩体强度大、厚度大的砂岩层起主要作用。(4) 开采设计 各种采煤方法因巷道布置和顶板管理方法不同，所产生的矿山压力和分布规律也不同。一般短壁体系(房柱式、刀柱式、短壁水采等)采煤方法由于采掘巷道多，巷道交岔多，遗留煤柱多，形成多处支承压力叠加，容易发生冲击矿压。因此，具有冲击危险的矿井最好采用直线长臂式开采。(5) 开采顺序 正确地设计选择合理的开采顺序也是至关重要。采面的布置方式和开采顺序将强烈影响煤体内的应力分布。巷道或采煤工作面的相向推进，在工作面向采空区推进，邻近工作面错距不够以及邻近开采边界影响的区域等不合理的布置，都会使应力叠加而发生冲击矿压。因此，应当避免同一区段上两翼工作面同时接近上下山。(6) 孤岛采煤或回收煤柱 在四周为采空区的地点采煤或回收煤柱，由于煤柱是产生应力集中的地点，孤岛形和半孤岛形煤柱可能受几个方向集中应力的叠加作用，易发生冲击矿压。煤柱上的集中应力，不仅对本煤层开采有影响，还向下传递，对下部煤层形成冲击条件。据以往经验，特别是回收煤柱的工作面接近采空区时，煤柱剩余高度约为其高度的10倍时最危险。(7) 工作面推进速度 大量的研究表明，回采工作面的推进速度与低能量的矿山震动之间存在着明显的关系，即工作面的推进速度越快，产生的矿山震动就越多。而对于冲击矿压，波兰的研究结果是：顶板冲击矿压危险性与工作面开采过程中。发生的最大震动事件成正比。统计表明，当回采工作面推进速度小下1m/ d或回采工作面推进速度为3m/d左右时，冲击矿压发生的次数最少;面当回采工作而推进速度为1.3rn /d v2.5m/d时，对于防治冲击矿压是最不利的。但是，由于开采技术条件的不同，地质构造条件的不同.防治冲击矿压发生的最有利的推进速度也不同，需要根据具体条件而定。实践表明，多数矿井的冲击矿压是由于不合理的开采技术条件所造成的。在岩体中存在构造应力情况下，主要开拓或准备巷道的方向最好与构造应力作用方向一致，以使巷道周边应力分布趋于均匀，避免巷道与构造应力作用方向垂直分布，出现应力集中。对于开采煤层群时的开拓布置应有利于保护层开采，要首先开采能够卸压的煤层，而且没有煤的冲击倾向性或弱冲击倾向性，并以此作为保护层，且优先开采上保护层，在开采方向和回采顺序上，采区或盘区的工作面应朝一个方向推进，避免相向或背向开采，以杜绝应力叠加。在向斜和背斜构造区，应从轴部开始开采；在构造盆地应从盆底开始开采，开采顺序由上而下；在有断层或采空区的条件下，应从断层或采空区开始开采；在掘进巷道时，应将巷道布置在煤层边缘的低应力区，避免巷道近距离平行布置或交叉布置。采区或盘区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。顶板管理应采用全部跨落法，工作面支架要采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。在设计时，我们应考虑优先对保护层进行开采，依降低被保护煤层的冲击危险对于保护层与被保护层的开采安排应遵循以下原则开采煤层时将无冲击矿压的煤层作为保护层；在倾斜赋存条件下，上保护层：开采后，同区段的危险煤体都得到保护，其工作面可以滞后推进；下保护层开采后超前一个区段，以使本区段的危险煤体全部得到保护，本区段危险层工作面滞后于下区段保护层工作面推进；危险工作面子保护层工作面应同向推进，危险层工作面应保持滞后距离3060m。滞后距离过小，上下工作面相互影响，支承压力叠加；滞后距离过大则容易进人应力恢复区的还原带，降低保护效果；当相邻层都是冲击危险煤层时，应当首先开采危险性最小或厚度最小的煤层。5.2 冲击矿压的预测5.2.1时空预测在时间上,冲击矿压的预测分早期综合分析预测和即时预测. 早期综合分析预测主要采用综合指数的方法,而即时预测则采用电磁辐射、微震和钻屑等方法进行。在空间上,冲击矿压的预测分区域预测、局部预测和点预测. 区域预测主要采用综合指数法和微震监测方法,而局部预测采用综合指数方法、微震法和电磁辐射法,点预测则采用钻屑方法.也就是采用综合指数法、微震法、电磁辐射法和钻屑法相结合,在时间上从早期预测到即时预测,在空间上从区域预测到局部、点预测,逐级排除和确认冲击矿压危险,实现分级预测,见图5-1.图5-1 冲击矿压危险的时空预测1) 早期与区域局部预测的综合指数法综合指数法就是通过对影响冲击矿压发生的地质及开采因素的分析,以及100 多次已发生冲击矿压事故的分析,确定出采掘工作面周围地质条件和开采条件的每个因素对冲击矿压的影响程度,以及各个因素对冲击矿压危险影响的指数。 通过综合分析,形成了冲击矿压危险状态等级评定的综合指数法。 综合指数法既是一种早期综合评价的方法,又是一种区域和局部预测的方法。这种综合指数法分地质因素确定的冲击矿压危险程度和开采因素确定的冲击矿压危险程度. 地质因素确定冲击危险主要考虑了冲击矿压发生的情况、开采深度、地质构造、坚硬顶板、顶板厚度特征参数、煤的冲击倾向性、煤的强度等7 个因素。 开采因素确定冲击危险主要考虑了开采技术条件、开采历史、煤柱、停采线、采空区、工作面接近煤层的变化带、工作面接近断层皱曲等12 个开采因素对冲击矿压发生的影响。对于一个矿井的采区和工作面,首先分析矿井的地质与开采因素对冲击矿压的影响,然后采用综合指数法,分析确定矿井的水平、采区、工作面各部分的冲击矿压危险指数,划分出冲击矿压的危险区域和重点防治区域。2) 即时与区域预测的微震法微震法就是记录采矿震动的能量,确定和分析震动的方向,对震中进行定位。 在此基础上,提出了冲击矿压危险性的微震分级预测技术。微震预测冲击矿压危险时,主要采用矿震时释放能量的大小来确定冲击矿压发生的危险程度. 当矿井的某个区域监测到矿震释放的能量大于发生冲击矿压的所需的最小能量时,则该区域的当前时间内有发生冲击矿压的危险性. 如果在矿井的某个区域内,在一定的时间内,已进行了微震监测,根据观测到的微震能量水平,就可以捕捉到冲击矿压危险信息,并进行预测。3) 即时与局部预测的电磁辐射法根据大量的实验室试验研究、现场实测分析研究、理论分析表明,煤岩冲击变形破坏的损伤速度、能量与电磁辐射的幅值、脉冲数成正比。在工作面采掘过程中,围岩发生破裂时,均有电磁辐射信号产生。电磁辐射信号的强度随着围岩受载程度的增大而增强,随变形速率的增加而增强。 与此同时,煤岩体电磁辐射的脉冲数随着载荷的增大及变形破裂过程的增强而增大. 载荷越大,加载速率越大,煤体的变形破裂越强烈,电磁辐射信号也越强。根据上述理论及电磁辐射观测规律,可采用电磁辐射的幅值和脉冲数变化率确定冲击矿压的危险前兆信息和进行预测预报。4) 即时与点预测的钻屑法钻屑法是通过在煤层中打直径4250 mm 的钻孔,根据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。该方法的基本理论和最初试验始于20 世纪60 年代,其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系,即其他条件相同的煤体,当应力状态不同时,其钻孔的煤粉量也不同。 当单位长度的排粉率增大或超过标定值时,表示应力集中程度增加和冲击危险性提高。对于一定条件的煤体,在正常应力作用下,不同钻孔深度的煤体的应力状态是不同的,此时钻孔的煤粉量也不相同。 当煤层的应力集中程度增加或应力状态异常时,钻孔的煤粉量将发生改变。 根据煤粉量的变化,即可预测煤体的受力状态,并进一步预测冲击危险性。5.2.2分级预测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5.2.3危险分级预测实施方案对于一个有冲击矿压危险的矿井和采区,首先根据综合指数法分析地质和开采条件,划分出冲击矿压危险区域及重点监测区域,实现冲击矿压的早期预测。 在早期预测的基础上,采用微震法,对矿井冲击矿压的危险性进行区域监测和预测;对于有危险的区域,采用微震法和电磁辐射法,进行局部监测和预测;对于局部预测有危险的区域,采用钻屑法进行预测验证. 综合确定冲击矿压危险等级,并对危险区域和地点采用强度弱化减冲技术进行治理。具有冲击矿压危险的区域,分级预测及治理的工作流程为：早期综合预测(综合指数法确定重点监测区域)即时预测区域预测(微震法连续监测、即时预测工作面区域冲击危险性)局部预测(微震法、电磁辐射法连续监测、即时预测工作面局部冲击危险性)点预测(钻屑法验证区域局部监测的准确性,并进行点预测)逐级排除、确认危险等级解危处理(煤岩体的强度弱化减冲治理,消除冲击危险)治理效果检验(微震、电磁、钻屑检验解危效果)因此,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5-2。图5-2 冲击矿压的分级预测技术体系5.3冲击矿压治理措施5.3.1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。煤层注水依注水方式的不同可以分为三种：与采面煤壁垂直的短钻孔注水法;与采面煤壁平行的长钻孔注水法;联合注水法。1） 短钻孔注水法短钻孑L注水法主要看注水钻孔的数量。钻孔通常垂直于煤壁，而且在煤层中线附近。注水时，依次在每一个钻孔放人注水枪。水压力通常为20-25MPa。比较有效的注水孔间距为6-10m，注水钻孔的深度不小于10m，注水孔的大小应与注水枪的大小相适应，而且放人注水枪后能自行注水，封孔封在破裂带以外。该方法的优点是容易钻孔注水;可以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用短钻孔注水。短钻孔注水法的缺点是:注水工作需在机道进行，影响采煤;注水工作需在冲击最危险的区域进行;注水范围小。2） 长钻孔注水法这种方法是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。注水钻孔后面的长度应小于两倍的注水半径，通常为10-20m，注水钻孔之间的距离应为10-20m。上述均取决于注水时的渗透半径。采面区域内的注水应从两巷相对的两个钻孔进行注水，注水从靠工作面最近的钻孔开始，一直持续到整个工作面范围。注水枪应布置在破碎带以外，深度视具体情况而定。一般情况下，注水区应在工作面前方60m外讲行。长钻孔注水法的最大优点是工作而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。注水的超前时间不宜过早，因为随时间的推移，注水效果就会降低。实践证明，注水的有效时间为三个月。这种方法可最大限度地使用机械，而且注水工作可在冲击危险区域外进行。其缺点是某些情况下很难进行钻孔作业，特别是薄煤层更加困难。3） 联合注水法这种方法是上述两种方法的综合，采面部分区域采用长钻孔注水，部分区域采用短钻孔注水，注水压力不小于10MPa，当水压力降至5MPa时，认为该钻孔水已注好。在有些情况下煤壁会滴水。在长钻孔或联合注水法注水的情况下，为了预防早期注过水的煤层干燥，用高压设备注水结束后，可将注水钻孔和消防龙头相连。注水效果可由下面的方法控制:定期测量从注水煤体中取得煤样的湿度;观察滴水与含水情况;采用地球物理方法测量。高压注水时，可能产生注水枪抛出现象;另外，顶底板软弱、破碎时注水可能很困难。5.3.2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。卸压爆破是冲击矿压解危措施中最常用的一种方法。在现场根据爆破条件不同，爆破卸压可分为卸压爆破、落煤爆破、卸压落煤爆破和顶板爆破四种。卸压爆破除引发冲击矿压外，可将高的应力集中区转移到煤体深部，形成松动带。而煤体的松动带不可能是应力集中区。落煤爆破的目的是在人员撤离的情况下，引发冲击矿压，减缓或移去深部煤休或采煤机截深范围内的支承压力区。这种爆破要求炮眼全长爆破，使得下一个截深范围内应力释放。这种情况下，采煤机几乎仅起装煤作用。卸压落煤爆组合了卸压爆破和落煤爆破两种的优点。卸压落煤爆破既用于采面前方，也可用于巷道掘进，其参数根据具体条件而定，但卸压长钻孔爆破后，应避免在同一眼位布置落煤爆破孔。顶板爆破就是将顶板破断，降低其强度，释放因压力而聚集的能量，减少对煤层和支架的冲击振动。而这种振动将处于极限应力状态的煤岩体使其应力超限，引发冲击矿压。5.3.3钻孔卸压钻孔卸压是利用钻孔的方法消除或减缓围岩变形和巷道冲击地压危险。在高应力煤体内施工钻孔,钻孔周围煤体在高应力的作用下产生裂隙并发生破坏,在钻孔周围形成了一个比钻孔直径大得多的破裂区,单个钻孔周围的破裂区之间相互连通后,在煤体内部形成一条更大范围的破裂卸压区,使得应力峰值减小并向煤体深部转移,起到卸压作用。研究表明：钻孔间距是影响钻孔卸压效果的一个重要参数。并且钻孔间距越小钻孔卸压效果越好。随着埋深的增大,煤体垂直压力增大,钻孔卸压效果越来越好。钻孔卸压具有卸压工作量小，施工方便，施工速度较快，不影响施工工期等优点。合理布置的钻孔可以引起巷道深部围岩（钻孔远端附近围岩）首先发生结构性破坏，从而形成一个弱化区和弱化带，引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移，从而使巷道周边附近围岩处于低应力区，有利于巷道围岩的稳定；采用卸压和锚网联合支护时可以充分发挥锚网支护的柔性，释放围岩内的应变能，同时利用锚网提高围岩受力性能，控制围岩有害变形.工业试验表明，钻孔卸压和锚网联合支护技术完全适用于深井高应力厚煤层沿底掘进巷道，可以取得较好的支护效果和经济效益，可为矿井 “高产高效”建设提供技术保障.卸压钻孔的参数优化和确定还需进一步研究，一般应该根据具体的地质条件结合数值模拟和现场施工与观测确定。5.3.4定向裂缝法定向裂缝法分为两种，即定向水力裂缝法与定向爆破裂缝法。1） 定向水力裂缝法定向水力裂缝法就是人为地在岩层中。预先制造一个裂缝。在较短的时间内，采用高压水，将岩体沿预先制造的裂缝破裂。在高压水的作用下，岩体的破裂半径范围可达15-2 5m，有的甚至更大。采用定向水力裂缝法可以简单、有效、低成本地改变岩体的物理力学性质。故这种方法可用于：降低冲击矿压危险性，改变顶板岩体的物理力学性质，将坚硬厚层顶板分成几个分层或破坏其完整性。为维护平巷，将悬顶挑落。在煤体中制造裂缝，有利于瓦斯抽放。破坏煤体的完整性，降低开采时产生的煤尘等。定向水力裂缝法实施的步骤是