1、煤矿冲击地压预测与防治技术研究摘要：煤矿深部开采过程中，冲击矿压现象的危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重。其实质是煤岩体能量积聚与释放的过程,它是一个动态的过程. 因此冲击矿压的防治也应是一个动态的过程,防治过程必须使得煤岩体中所积聚的弹性应变能达不到最小冲击能,从而防治冲击矿压的发生. 电磁辐射能够反映煤岩体中所积聚的能量,卸压爆破可以释放能量.我们在掌握其成因和机理, 并了解影响其发生因素的基础上, 在现的技术水平下, 通过对冲击矿压认真地测定,并针对具体情况采取有效的防治手段, 完全可以消除或大大减少冲击矿压事故, 确保煤矿正常有序的生产。关键词：冲击矿压；矿震；综合指数法；钻屑法；
2、电磁辐射法；微震法；地音法The research on Rock burst prediction and control techniquesAbstract ：The rock burst in coal mine is the process of energy accumulation and dissipation , its control must be dynamic process ,caused of the rock burst is a dynamic process ,if the elastic energy accumulation in coal and ro
3、ck materials is less then the minimum energy induced rock burst , the rock burst can be cont roled. The electromagnetic( EME) can reflect the energy accumulated in coal and rock materials , the relive blast may dissipate energy. By above methods , the dynamic control technique of rock burst is pract
4、iced in coal mine , the good effect is obvious.Keywords ：rock burst ； powerful attack； all-around exponential means； unthread powder means；electromagnetic radiation means；slight shock means；belowground voicevoice means1 概述冲击矿压是世界范围内煤矿矿井中最严重的自然灾害之一，可以描述为：矿山采动（裁决工作面）诱发高强度的煤（岩）体变形能瞬时释放，在相应采动空间内引起强烈围岩震动
5、和挤出的现象。冲击矿压灾害是以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变形能，煤岩体被抛出，造成制假破坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，不仅发生在推进工作面现场，而且可能波及变形能释放范围的硐室、巷道，特别是存在高应力集中的空间部分，并产生巨大的声响和岩体震动，震动时间从几秒到几十秒，冲击出的矿体从几顿到几百吨，记录到的最大震级已经超过里氏5级。冲击矿压发生的原因比较复杂，影响因素较多，灾害后果较为严重，已经成为矿山岩石力学研究得一个重大课题。我国绝大多数煤层和岩层强烈或明显的冲击倾向，在一定的深度下煤体发生冲击矿压极为严重。随着我国煤矿开在深度的加深，冲击矿压灾难将越来越严重，已经成为制约我国矿山生
6、产和安全的主要重大灾难之一。尽管我国学者在冲击矿压的发生机理、检测手段及控制等方面取得了重要进展，但冲击矿压有极为复杂的特征，目前为置换没有从根本上解决其有效的预测和防治问题。2冲击矿压分类2.1常见的几种冲击状态冲击矿压主要表现为以下几种状态:(1)弹射单个碎块从处于应力状态下的煤或岩体上弹射出来, 并伴有强烈声响, 这种是属于微冲击现象。(2)矿震它是发生在煤体或岩体内部或深部的冲击矿压, 即深部的煤体或岩体发生破坏, 但是煤或岩石不向已采空间内抛出, 只有片帮或散落现象, 煤或岩体震动, 伴有声响, 有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震。(3)弱冲击煤或岩石向已采空间抛出, 但破坏性不大,
7、对支架、机器和设备基本上没有损坏, 对工作人员已可构成伤害。围岩产生震动, 一般震级在2. 2 级以下, 伴有很大的声响, 产生煤尘, 在瓦斯煤层中可能伴有大量瓦斯涌出。(4)强冲击部分煤或岩体急剧破坏, 大量向已采空间抛出,产生严重后果, 出现支架折损、设备移动和围岩震动, 震级在2到3级以上, 并伴有巨大声响, 形成大量煤尘和产生冲击波。其强度足以对人员构成极大的伤害。(5)灾难性冲击震级在53级以上，使整个采区或一个水平内的巷道发生塌落，个别情况下波及全矿，使整个矿井报废。2.2冲击矿压的分类1.2.1按失稳原因分类按照材料失稳原因可将冲击矿压分为3类:(1) 煤体压缩型冲击矿压煤体压缩
8、型冲击矿压是煤体受压缩产生失稳而导致的冲击矿压, 包括重力和水平构造应力两种, 多发生在厚煤层的采煤工作面和回采巷道中, 是煤-岩结构在压性载荷作用下失稳破坏的动力现象。(2) 顶板拉伸型冲击矿压顶板拉伸型冲击矿压是由于顶板岩石拉伸失稳而产生的冲击矿压。顶板冲击矿压多发生在工作面顶板为坚硬、致密、完整且厚的岩体中。随工作面开采, 形成采空区大面积空顶。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拉伸型冲击矿压。(3) 断层错动型冲击矿压断层错动型冲击矿压是由于断层围岩体剪切失稳造成的冲击矿压。断层冲击矿压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。1.2.
9、2 按工程原因分类按冲击矿压发生的工程原因, 可将冲击矿压分为: 孤岛(立) 煤柱、相邻上下层影响、向斜和背斜、变夹或变薄带、同向或相向开采、坚硬顶板、巨厚岩层、初次来压和周期来压、断层附近、突水、瓦斯压力、开采速度及初一和十五等。通过大量的案例统计和分析可以得出, 对于任何一起冲击矿压, 其工程原因都不是单一的, 而是多种原因共同作用的结果, 其中可能有一种或几种因素起决定性作用。3冲击矿压的发生机理、因素与条件3.1冲击矿压的发生机理冲击矿压发生的物理过程，主要是说煤岩介质变形破坏的力学过程，称为冲击矿压的发生机理。目前对冲击矿压发生机理的认识可主要概括为强度理论、能量理论和冲击倾向理论。
10、(1)强度理论煤岩体破坏的原因和规律，实际上是强度问题。具有代表性的是煤体夹持理论。即煤壁附近积聚的弹性能，在高压力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体产生破坏和运动，形成冲击矿压。(2)能量理论闸明了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消耗能量时，就会发生冲击矿压。(3)冲击倾向理论煤岩介质产生冲击破坏的能力称为冲击倾向。这3 种理论是相互关联的，是最根本性的理论。3.2矿井影响冲击矿压发生的因素发生冲击矿压有两个原因，一是煤的性质，属于内因；二是因为在煤、岩体局部地带有高度的应力集中，当应力超过煤、岩体极限强度时，出现应变软化，受微小外力扰动而发生冲击矿压。影响冲击矿压发生主要
11、因素是开采深度和地质构造, 煤层和顶底板岩石的物理力学性质, 以及开采技术条件。以下就主要对自然地质因素、开采技术条件两方面进行分析：(1)开采深度由岩体自重应力得出, 煤岩体所受的垂直应力与矿井开采深度成正比关系, 深度越大所受的垂直应力就越大。煤层被采动后, 各种巷道和工作面周围岩体内将发生应力重新分布。若有煤柱或其它采掘工作影响时, 会造成应力的集中, 当其达到一定强度时, 可能发生冲击矿压。根据各矿资料显示, 发生冲击矿压的矿井, 其开采深度都在200m 以上时, 并且随着开采深度的增大其发生的频次和强度随着增加。(2)煤层的力学特征生产实践与试验研究均表明：在一定的围岩与压力条件下，
12、任何煤层中的巷道或采场均可能发生冲击矿压，煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小。(3)煤层和顶底板岩石性质及特征顶底板岩层比较坚硬, 这就使的其在破坏前的全部变形中,弹性变形占的比重大, 而塑性变形所占比重小。这样一来, 厚而坚硬的顶板, 其初次来压和周期来压步距较大(初次来压步距一般在50m 左右) , 采后易形成大面积的悬顶, 积聚大量的弹性能,是发生冲击矿压十分典型的条件。再就是, 煤层坚硬有脆性, 其抗压强度也随之增大, 当其承压达到极限平衡时, 在外部诱因(如放炮等) 的作用下使其平衡状态破坏, 煤体发生脆性破坏, 弹性能突然释放, 发生冲击矿压。另外, 煤层厚度越大, 其煤体
13、发生脆性破坏的倾向性越大, 发生冲击矿压的机率也越大。(4)地质动力因素通常在地质构造带中尚存有一部分地壳运动的残余应力,形成构造应力场。如在煤矿开采中常遇到的断层、褶曲和局部异常（ 如底板凸起，顶板下陷，煤层分岔、变薄和变厚等现象）等构造带。在地质构造带中因存在地壳运动的残余应力而形成构造应力，可积聚有较大的残余应力, 给发生冲击矿压创造了必要的条件。冲击矿压常发生在这些构造应力集中的区域。(5)采煤方法各种采煤方法的巷道布置和管理顶板方法不同, 所产生的矿山压力和分布规律也不相同。一般来说, 段壁体系(巷柱或刀柱) 采煤方法由于开掘巷道多, 巷道交叉多, 煤柱多, 形成多处支承压力叠加,
14、积聚大量能量, 易发生冲击矿压。而采用长壁采煤法, 不留或少留煤柱, 不易形成应力集中, 其发生次数显著减少。(6)采掘顺序采掘顺序对形成矿山压力的大小和分布有很大关系。巷道和工作面相向推进, 以及在回采工作面或煤柱中的支承压力带内掘进巷道, 都会使集中压力叠加而发生冲击矿压。此外, 若由于开采顺序不当, 使相邻区段追逐回采, 留下待采煤柱等, 也都会增大集中应力, 造成发生冲击矿压的条件。(7)放炮放炮产生震动, 引起动载荷。一方面能使煤层中的应力迅速重新分布而增加煤体应力; 另一方面能迅速解除煤壁边缘侧向阻力, 改变煤体的应力状态, 由三向压缩变为二向压缩, 导致迅速破坏。因此, 放炮具有
15、诱发冲击矿压的作用。此外, 钻机、掘进机或其它采煤机工作时, 也能局部改变煤体的应力状态, 具有诱发作用。3.3冲击矿压发生的条件冲击矿压发生的原因是多方面的, 与地质构造、煤岩的物理力学性质、开采深度、开采技术条件等因素有着密切关系。根据有关资料和现场的实际情况, 初步认为, 冲击矿压的发生需具备以下3个前提:(1) 煤岩具有适于冲击矿压发生的物理力学性质, 即该煤层及其围岩具有积蓄能量并能将其突然释放出来的能力。与物理力学性质密切相关的则有: 煤岩的强度、煤岩的弹性、塑性变形能力、煤层的脆性、煤层各分层间以及煤层与顶底板间的粘结力等。(2) 高压带的存在。这里所说的高压带, 是指该部分煤层
16、中的应力达到或超过煤层脆性破坏的极限状态, 高压带的形成与地质构造、地层活动、开采深度以及开采技术条件有密切关系。(3) 在采掘过程中, 使煤岩体内形成一定的自由空间, 不仅破坏了煤岩的原始应力平衡状态,使应力重新分布, 生成附加载荷, 促进了高压带的形成和发展, 同时又为被积蓄的潜能释放创造了条件。这种自由空间的形状、大小和位置, 对冲击矿压的发生及强度的大小都有一定影响。上述3个前提在同一个地方同时出现时, 就构成了发生冲击矿压的充分条件, 必然发生冲击矿压。当不同时具备这3个前提时, 冲击矿压就不会发生4 冲击矿压的预测4.1冲击矿压的预测综述冲击矿压的预测是指对冲击矿压潜在危险程度的预先判断, 是冲击矿压防治工作的重要组成部分，对冲击矿压及时采取区域性防范措施和局部性解危措施，是防治冲击矿压灾害发生的基础。冲
