1、冲击矿压的防治措施摘 要：冲击矿压是煤矿典型的动力灾害之一。分析了影响冲击矿压的主要因素和发生条件并详细分析了各因素在冲击矿压中的作用机制, 为其预测和煤矿安全评价提供了理论依据, 在煤矿安全生产中具有重要的指导意义关键词：冲击矿压 防治 发生原因 发生条件 动力现象1 绪论1.1 工程背景煤矿冲击矿压是指在一定条件的高地应力作用下，井巷或回采工作面周围的煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生破坏的矿井动力现象。在煤矿比较普遍地将震级较高、释放能量大、足以造成巷道工作面破坏危及人身安全的称为冲击地压。冲击地压发生时，常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象，围岩迅速释放能量，煤岩被瞬间突
2、然破坏，造成暴风，顶板下沉、底板臌起，支架折断，巷道堵塞，地面震动，房屋损坏和人身伤亡。从 1738 年英国南斯塔福(South Statford)煤田发生了世界上首例冲击矿压以来，已有近三个世纪的历史。其间在世界上发生冲击矿压的国家除我国外，还有英国、波兰、法国、德国、俄罗斯、乌克兰、南非、美国、日本等国家和地区。我国是在 1933 年抚顺胜利矿最早发生冲击矿压，到目前全国发生冲击地压的矿井已有近百个。我国煤矿大多建于五、六十年代，随着时间推移，这些矿井将进入深部开采，冲击地压的灾害性将日趋严重。最早研究冲击矿压的专门机构是南非矿山冲击委员会（1915 年）。之后德国、法国、波兰、前苏联和日
3、本等国家相继成立了冲击地压研究机构。我国对冲击矿压的研究从上世纪 60 年代开始。全国性的煤矿冲击地压调研工作于 1985 年完成。此后，煤炭部于 1987 年颁布实施由煤科院北京开采所和阜新矿业学院联合起草的我国第一部冲击地压煤层安全开采暂行规定。尽管世界各国对冲击地压的研究已有近百年的历史，并提出了众多的冲击地压机理模型和预测预报及防治措施，但这些机理模型都还只能是实际的一种近似，也只能从某一角度来解释冲击地压发生的机理。由于影响冲击矿压的因素复杂多样，从而导致冲击矿压机理研究滞后于预测预报和防治工作。这表明机理模型的建立必须不断地与生产实际相结合，才能使其得到不断发展和完善。要想从根本上
4、解决冲击地压问题，需要研究和探索的问题还很多。因此冲击地压仍然是世界范围内采矿工程和岩石力学界需要迫切解决的世纪科技难题。一些发达国家对发生冲击地压的煤层或矿井采取停采或关井的政策，使冲击矿压灾害有所减轻。但是因这种政策不适合我国国情，所以我国目前冲击地压的研究更显得特别重要。岩石等脆性材料中往往存在着大量弥散的微裂纹，其形成、扩展和汇合对材料的力学性质产生显著影响，可以导致材料的逐渐劣化直到最后的断裂。损伤是指在外载和环境的作用下，由于细观结构的缺陷（如微裂纹，微孔洞等）引起的材料或结构的劣化过程。近 20 年来，研究者们提出了各种不同的损伤描述方法，建立了多种微裂纹损伤的本构模型，但仍没有
5、一套比较完整的损伤模型可以较好地解决在拉、压及复杂加载情况下脆性材料从弹性变形，经非线性强化阶段和应变软化阶段，直到宏观裂纹形成这一复杂过程中的损伤演化和本构行为。由于目前对煤、岩体在受外荷载作用下发生细观断裂和破坏的机理认识不深，同时也对煤岩体内部微裂纹的扩展与冲击矿压发生过程之间的关系还不明确，所以现今还未能确切地掌握冲击地压发生的机理，也就是说尚未达到机理清晰、规律明确的程度。冲击地压的发生与煤岩体中微裂纹的弹性变形、稳定扩展、失稳扩展和汇合等细观机制，存在密切关系。煤岩体的损伤机制主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展。煤岩材料的本构关系的各个阶段与微裂纹的扩展过程（损伤机制
6、）存在对应关系。应变软化是材料损伤演化的过程。损伤演化是冲击地压从孕育到启动的过程。微裂纹的失稳扩展是材料损伤的根本原因，也是冲击地压发生的根本原因。因此从研究微裂纹扩展入手，建立煤岩材料的损伤本构关系，进而研究冲击矿压发生启动机理，在理论上具有重要意义。1.2 冲击矿压发生机理、判据和预防方法的研究现状“机理 ”是研究形成冲击地压的内在规律，它是预测和防治冲击地压发生的主要理论基础；判据则往往是根据冲击地压的机理而提出的；预测方法是依据机理模型及判据，综合考虑其它影响因素而采取的预报冲击地压危险性的方法及手段；防治是冲击矿压研究的最终目的。1.2.1 冲击矿压机理和判据的研究现状南非于 19
7、15 年建立了南非矿山冲击委员会，对煤和金属矿的冲击矿压进行研究，标志着冲击矿压发生机理与启动过程研究的开始。西德于 20 世纪 50 年代初就开始了冲击矿压的研究工作。前苏联的全苏矿山测量科学研究院也制定了有冲击地压危险煤层的矿井的采矿工程施工安全规程。我国对冲击矿压的研究是从 20 世纪 60 年代开始的。主要是由一些有严重冲击矿压的局矿在生产实践中加以探索。第一次比较系统地进行煤矿冲击地压的研究工作是由重庆大学和煤科总院重庆分院于 1978 年在天池煤矿进行的。全国性的煤矿冲击矿压调研工作于 1985 年完成。此后，煤炭部于 1987年颁布实施由煤科院北京开采所和阜新矿业学院联合起草的我
8、国第一部冲击地压煤层安全开采暂行规定。通过广大科技工作者和研究人员的共同努力，已使我国对冲击矿压机理和防治措施的研究有了较大的进展，其中煤体注水与深孔松动爆破方法相结合的综合防治措施以及冲击地压的非线性有限元数值模拟、煤岩体地应力场的测试和有限元计算分析、声发射技术、微震监测系统在防治冲击地压的研究与应用方面已达到国际先进水平。煤岩体的破坏实际上是煤岩体的强度问题，基于这一认识，在冲击矿压机理的研究中，人们自然地注意到强度问题，并逐步发展形成了各种冲击矿压强度理论。早期的冲击地压强度理论主要是围绕岩体形成应力集中而提出的各种假说。近代冲击地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
9、件，根据具体问题提出岩体结构模型，结合材料的物理力学特性，建立数学模型，进行定量分析。具有代表性的有布霍依诺提出的夹持煤体理论、拉断理论、剪切理论。强度准则是发生冲击矿压的必要条件，而不是充分条件，它只能判断岩体是否破坏，但并不能回答是什么样的破坏形式。源于刚性压力机试验的刚度理论认为：矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷系统(围岩)的刚度，是产生冲击地压的必要条件。国内一些学者把刚度理论用于解决煤柱-围岩系统的冲击地压问题，具有简单、直观的特点，但是没有正确反映煤体本身在煤体-围岩系统中不但可以积蓄而且可以释放能量这一基本事实。有关煤岩体冲击破坏的能量理论有很多，但是这些理论几乎都基于同一出发
10、点，即煤岩体破坏时所释放的能量应大于其破坏所消耗的各种能量。此外还有冲击倾向理论、三准则理论、变形系统失稳理论、突变理论、分形理论、三因素理论等。实际上，上述理论都是相互关联的，三准则理论是对强度理论、刚度理论和能量理论的综合；变形系统失稳理论是对强度、刚度和能量理论的更深入总结和发展。用变形系统失稳和三准则这两种理论可以对冲击地压发生的条件进行数值模拟，但三准则理论不具备可操作性，变形系统失稳理论在必要条件上还不够具体。突变理论本质上也是对能量、强度和刚度理论的进一步发展，但对冲击矿压发生的充要条件还解释不够；分形理论只是一种可预测性和相关性的研究尚未上升到机理上的认识；三因素理论不是独立的
11、理论，它是对冲击倾向理论和能量理论的综合与发展。由于目前对煤、岩体在受外荷载作用下发生细观断裂和破坏的机理认识不深，同时也对煤岩体内部微裂纹的扩展与冲击过程之间的关系还不明确，所以现今还未能确切地掌握冲击地压发生的机理。可见尽管冲击地压的研究已有近百年的历史，但还没有提出更具有普遍意义的冲击地压发生准则，极大地影响了冲击矿压预测与防治的研究。1.2.2 冲击矿压预测方法的研究现状冲击矿压的预测是指对冲击地压潜在危险程度的预先判断，是防治冲击矿压灾害的基础，冲击矿压的预测包括对冲击地压发生的时间、空间和规模的预测，在此研究空间预测，即预测某个区域或某个局部有无冲击地压潜在危险。冲击地压的预测一般
12、应根据机理模型提出判断指标，然后根据指标来衡量冲击地压潜在危险性大小，但是，从上面分析的各种机理模型可以看出，由于各参数难以确定，其判据在实际运用中难度很大，因此，在生产实践中又提出了一些具体的预测方法和指标，有些方法和指标与机理模型直接相关，有些间接相关，也有些是根据生产实践提出的经验判据。目前国内外煤矿中常用的预测方法和指标有：钻屑法、工作面监测法、位移测试法、水份法、无触点法、温度变化法、统计方法以及地球物理方法等。钻屑法简便易行，已成为世界各国普遍采用的一种预测技术。20 世纪60 年代佩图霍夫引入了松散系数，以库仑 -摩尔准则为屈服条件得出钻屑量与煤体应力关系式，但理论上也不够严密。
13、20 世纪 70 年代，西德的勃罗纳及日本的管原胜彦提出的钻屑量与煤体应力的关系式理论上较严密，但没有考虑到扩容的影响。为克服以上结果的缺陷，章梦涛等进行了进一步研究，得到了比较适合实际的结果。在工作面和沿层巷道中的监视技术主要有：煤壁面的鼓出量和松驰状态的测定、工作面和岩层巷道顶底板会合量测定、煤层内地压的监视。地质调查和统计方法带有一定的经验性，其危险程度很难定量表达，并且有些特性无法事先统计到，如局部的地质构造，在开挖前不容易探明，因此，这种方法只能作一粗略的估计，难以定量。根据岩体震动频度、强度和震源来检测煤层冲击危险性的技术，在波兰得到了广泛的应用。声发射和微震监测技术预测冲击地压危
14、险性在我国也有一些应用。由于冲击地压是一个极其复杂的物理力学过程，任何单个指标的敏感性都不是很高的，因此，在有条件的情况下，一般都采用几个指标进行综合判断，这样会更有把握一些。比如在一个小直径钻孔中能同时测量煤粉钻屑量、粒度、钻具推进力、打钻时间、煤体温度变化、煤体内的含水量等指标，有些采用其他更多的预测指标，用模糊数学手段进行综合评判。1.2.3 冲击矿压防治方法的研究现状对不同类型的冲击矿压应就采取不同的防治方法。防治煤体压缩型冲击矿压可通过改变应力场分布和煤体性质方法来实现。主要有开采解放层、采区合理布置、煤层注水、卸压爆破、大钻孔、卸载洞、卸压巷、机械振动方法致生岩体裂隙和大功率超声波
15、等方法。防治顶底板断裂型冲击地压可通过改变顶板运动规律的方法来实现。主要为开采解放层、本层煤解放的高压水射流钻孔割缝、留设煤柱等方法。但对于断层错动型冲击地压，采用改变煤体性质和顶板活动规律等方法都不能解决问题，只有通过使开采不接近断层，或通过留设煤柱的办法，避免断层的移动，从而防治这种类型的冲击矿压。1.2.4冲击矿压研究现状及存在问题冲击地压作为岩石力学的重大难题之一，各国学者在对冲击地压从不同角度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l。强度理论:早期的强度理论认为，冲击地压是煤岩局部应力超过强度而发生的，并对煤岩体形成应力集中的原因
16、提出了各种假说，如压力拱理论和悬壁梁理论等，这一理论称为冲击地压的强度理论。强度理论进一步发展为近代强度理论，以“矿体一围岩”系统为研究对象，考虑了系统的极限平衡，认为冲击地压发生的应力条件是口七。70年代强度理论得到进一步的发展，提出了煤岩的夹持理论，该理论较好的揭示了煤体一围岩力学系统的极限平衡条件。强度理论解释了冲击地压的一些现象，具有简单、直观和便于应用的特点，但对冲击地压动力学特征的描述不够，特别是对于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，但并没有都发生冲击地压，只有少数情况发生突然破坏形成冲击地压，强度理论无法解释这些事实，这说明强度理论提出的判据不够充分。刚度理论:刚度理论是由C。k等人在60年代根据刚性压力机理论而得道的。认为试件的刚度大于试验机构的刚度时，破坏是不稳定的，煤岩呈现突然的脆性破坏。70年代，Black将矿柱视为矿山结构的刚度大于矿山负荷系统(围岩)的刚度是产生岩爆的必要条件。Petukhov在他的冲击地压机理模
