1、专题部分专题部分 浅谈煤矿冲击矿压及防治措施摘要：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，如钻卸法、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防治技术，并提出了自己的理解。关键词：冲击矿压；控制技术；监测；防治；1 问题的提出由于发生冲击矿压的时间、地点、区域、震源等的随机性、复杂多样性和突发性，使得冲击矿压
2、的监测和控制工作变得极为困难和复杂。冲击矿压的防治是世界范围内地下煤矿开采普遍存在的难题，也是我国矿山亟待解决的重大课题。因此，研究冲击矿压的监测与控制是煤矿安全、经济开采的前提，也是采矿工作者必须面对和应该解决的问题。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、大屯等
3、矿务局部相继发生过冲击矿压现象。目前，我国有近60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。2 国内外冲击矿压现状2.1 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
4、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。2.1.1 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400-1860 m煤0.5-20m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
5、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-l977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。开始出现的深度为川300-700 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100250MPa，最低2530MPa。前苏联金属矿防治冲击
6、矿压的基本措施原则上同煤矿的没有差别。2.1.2 波兰波兰有三个井工矿开采煤田：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煤层厚0.520 m(一般1.535m)，倾角0-45(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1300-1400t商品煤。机械化程度96.2，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
7、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-J，最大是J。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。2.1.3 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
8、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l0-20MPa，煤种为长焰煤、气煤和肥煤等。冲击矿压发生深度5901100 m，其中850-1000 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1.5-2m，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。2.2 国内现状我国最早
9、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，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20
10、01000 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200-600 m，煤的单向抗乐强度10-30MPa，顶板一般为厚10-40m的坚硬砂岩、强度100-600MPa。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、油渌页岩等部发生过；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
11、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。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。3 冲击矿压诱因、特征及其分类3.1 诱因采矿活动诱发。在回采
12、过程中，因回采工作面不断扩大，顶板悬露的面积逐渐增大，达到一定跨度后，其弯曲下沉而形成的势能也逐渐加大，使顶板处于亚稳定状态，爆破落煤及回采作业使顶板原有的相对平衡状态发生破坏，同时爆破作业又对煤体或顶底板产生一定的震动冲击，并在爆破孔周围形成自由面，爆破能对煤体或顶底板产生的压应力被煤体和顶底板吸收后，原本处于亚稳定状态的煤体和顶底板，必然将自重产生的势能加上吸收的动能以加速度的形式寻找新的平衡，即产生新的动能，受压应力影响区域的煤体或顶底板随即产生反抗性，当新的动能超过煤岩体的最大抵抗值时，必然在自由面相对较多的弱面释放，使煤体产生急剧破坏，形成冲击矿压事故。坚硬顶板运动的影响。工作面回采
13、后，随着工作面的推进，顶板因自重缓慢弯曲下沉，由于工作面煤壁的支撑作用，在缓慢弯曲下沉及折断垮落过程中完成了由势能向动能的转换，并作用在靠近采空区的支固点处(未采动的煤壁)，使靠近工作面的煤壁内产生大的应力集中，在集中应力的作用下，煤体内固有的三向应力平衡状态被改变，工作面煤壁内的煤体在寻找新的平衡时，因集中的应力远大于煤体的支承能力，加上工作面或巷道存在的自由面无法有效约束煤体的内部活动，从而使煤体在瞬间由煤体向工作面或巷道内迅速抛出，形成冲击矿压事故。 (孤岛)煤柱区域形成高应力区的影响。在回采过程中，自切眼开始，随着工作面的推进，靠近工作面的煤壁因顶板自重应力的作用，出现应力集中现象，此
14、应力并经过煤体向底板内传递，而在回采过程中形成的孤岛煤柱，其相临采空区的煤壁均因应力集中而出现叠加的集中应力现象，使整个煤柱成为一个极大的压应力源，一旦集中应力远大于煤体的承载极限，就极容易发生冲击矿压。3.2 特征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。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、难于争
15、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。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。3.3 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。(1) 根据原岩(煤)体应力状态不同，冲击矿压
16、可分为三类重力型冲击矿压。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。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。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：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。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，
