1、冲击矿压发生机理和防治技术浅析摘 要: 本文综述了近几十年来矿井冲击矿压发生机理理论的研究进展，对矿井冲击矿压预测预报与防治方法现状做了简要说明,提出了煤体冲击矿压的预测技术,介绍了国内外学者在预测预报方面的先进经验 ,并针对冲击矿压提出了具体的防治措施 ,最后指出了今后矿井冲击矿压的研究重点。关键词:冲击矿压;机理;影响因素;预测预报;防治措施;研究进展The mechanism and manage method of mine rockburst Abstract:This paper summarized the research progress on the mechanism o
2、f mine rockburst in the decades,simply illuminated the prediction and prevention methods in the present, and int roduced the advanced experience of scholars in the world,and come up with specific method on mine rockburst.At last,it pointed out the research emphases of the mine rockburst.Key words：Ro
3、ckburst;Mechanism;Influence Element;Method of prevention and cure; Prediction;Research progress1.1前言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。这种动力灾害通常是在煤岩力学系统达到极限强度时，聚集在煤岩体中的弹性能量以突然、急剧、 猛烈的形式释放，在井巷发生爆炸性事故，造成煤岩体振动和破坏，动力将煤岩体抛向巷道，同时发出强烈声响，造成支架损坏片帮冒顶、巷道堵塞、人员伤亡等。自最早发生在英国南斯塔福煤矿以来，冲击矿压已有 200多年的历史，其危害几乎遍布世界各采矿国家。目前，我国北京、辽源
4、、大同、阜新、开滦、徐州、抚顺、大屯等不少煤矿都发生过冲击矿压。且冲击矿压发生条件极为复杂，除褐煤以外的其他各种煤层均发生过冲击矿压。采深从 2001 000 m，地质构造从简单到复杂 ,煤层由薄到特厚，倾角由水平到急斜，顶板包括砂岩、 灰岩、 油母岩等，都发生过冲击矿压;在生产技术条件上，不论水采、炮采、机采或是综采，全部跨落法或水力充填等各种采煤工艺，还是长壁、短壁，巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种采煤方法都出现过冲击矿压。2冲击矿压理论与防治技术研究现状随着矿井开采深度的增加和开采难度的加大，地质条件、开采条件越来越复杂，冲击矿压灾害日趋严重。对冲击矿压的研究日渐深入，各方
5、面理论和预测预报及防治措施也日渐增多。在产生机理方面主要有能量理论、冲击倾向理论及强度理论；在监测技术方面主要有围岩变形监测法、钻屑法、电磁辐射探测法、微地震监测法等；在治理技术方面主要从煤岩强度弱化、优化开采设计方面开展，包括泄压爆破、煤层注水、开掘泄压巷硐、开采保护层等。各种理论和方法在实际生产中都有应用，为生产解决了很多的实际问题。但是就现在的研究成果还不能及时有效的解决冲击矿压方面的所有问题，冲击矿压也时有发生，因此 ,研究冲击矿压发生条件与防治技术 ,具有重要的现实意义。3冲击矿压发生条件3.1冲击矿压的发生机理 关于冲击地压机理的研究，国内外曾提出了多种理论，按现代力学观点来看，主
6、要分以下几种。3.1.1强度理论 强度理论是在 20 世纪 50 年代由布霍依诺等人提出的，他们认为较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，煤体夹持阻碍了深部煤体自身或煤体 围岩交界处的卸压变形 , 使挤压能量传递到煤体。产生冲击地压的强度条件是: 煤体 围岩交界处和煤体本身达到了极限平衡条件。3.1.2刚度理论 刚度理论是由库克等人在 20 世纪 60 年代根据刚性压力机理而提出的。认为试件的刚度大于试验机构的刚度时，破坏是不稳定的，煤岩体呈现突然的脆性破坏。70 年代布莱克将此理论完善化，并用于分析美国加利纳矿的冲击地压问题。该理论认为: 矿山结构 (矿体) 的刚度大于矿山负荷系 (围岩) 的刚度，是
7、产生冲击地压的必要条件。3.1.3能量理论 能量理论在 20 世纪 50 年代末由前苏联学者C1 T1 阿维尔申及 60 年代中期英国学者库克等人提出。认为随着采掘范围的不断扩大 , 矿体 围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于消耗能量时，即产生冲击地压。3.1.4冲击倾向理论 产生冲击地压的煤体一般都具有一定的物理力学特性, 决定于产生破坏的能力 , 这种能力是煤岩介质的固有属性，称为冲击倾向。可通过试验或实测确定冲击倾向指标的界限值。冲击准则为: 式中K 煤体 (围岩) 的冲击倾向指标; Kt 试验 (实测) 确定的冲击倾向度界限值。3.1.5失稳理论 失稳理论的提出是基于冲击地压
8、是材料失稳的思想。章梦涛 (1987) 认为， 介质的稳定性和强度是发生冲击的主要条件，在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩从静态变为动态， 从而发生冲击地压。齐庆新等认为，煤岩的层状结构及煤岩层间的薄软层结构的存在，是导致冲击地压发生的主要结构因素。李新元研究了瞬时加载时“围岩 煤体”系统从稳定状态到失去稳定的物理、力学过程，提出了冲击地压发生的判别准则。3.1.6突变理论 煤岩体突变理论是从 1972 年 Thom 创立的突变论 (Catast rop he Theory) 发展起来的一种较新的理论。该理论主要从建立煤岩体尖点突变模型出发，对影响煤岩体的主要控制因素，即顶底板压力、刚度和煤
9、岩的损伤扩展耗散能量的定量分析 ,来定性地解释发生冲击地压的机理。尹光志等建立了煤岩体失稳的突变理论模型，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, 以及由于它们的变化而导致煤岩体状态突变的过程；潘一山针对煤柱的非稳定性问题，利用尖角突变模型，得到了判断煤岩体发生冲击的必要和充分条件。3.1.7分形理论 谢和平将分形几何学 ( Fractal Geomet ry) 引入冲击地压的研究，用分形理论来解释冲击地压的分形特征和机理。分形理论认为，一个强的冲击地压或地震实际上等效于岩体内破裂的一个分形集聚，这个破裂的分形集聚所需能量耗散随分维数的减少而按指数律增加。李廷介等给出了单轴压缩下岩
10、石破坏过程中裂纹分形维数的测量结果。李玉、黄梅等研究了冲击地压发生前微震活动时空变化的分形特征，指出某区域的微震事件空间分布的分形维数降低，表示该区域冲击危险性增大。3.1.8断裂力学理论 以断裂力学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在最近进展迅速。研究表明，裂纹的扩展方向受最大压应力控制，围压对裂纹扩展起限制作用。Dyskin 认为 ,压应力集中造成初始裂纹以稳定的方式平行于最大主应力方向扩展，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地压。张晓春等指出了片帮型冲击地压是煤壁局部失稳，与煤壁层裂板结构的形成有关。黄庆享、高召宁 21认为，煤壁中
11、预存裂纹尖端产生翼型张裂纹，形成薄煤层壳，薄煤层壳弯曲变形失稳引发冲击地压。3.1.9其他理论 近年来，随着混沌动力学 ( Chaotic Dynam2ics) 、非线性科学、人工神经网络在冲击地压研究中的引入，一些学者陆续发表了相关文章。宋维源等根据混沌学理论，研究了冲击地压启动的混沌特性，提出了在一定时间尺度内预测预报冲击地压的方法，建立了冲击地压的动力学方程组。朱清安等通过震级数据的 Lyap unov 指数和 Kolmogorov 容量维分析，得出冲击地压具有混沌特性的结论并描述了其动力模型的最少参数。高玮、冯夏庭进行了冲击地压非线性系统建模研究，进行了进化神经网络方法的实用性验证，等
12、等。3.2 冲击矿压发生的影响因素 冲击矿压发生的原因是多方面的，与地质构造、开采深度、开采技术、煤岩体的物理力学性质、组织管理等因素有着密切的联系。根据有关资料和生产实践情况来看影响冲击矿压发生的因素主要有以下几种。3.2.1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。一定的煤层开采技术条件下，具有冲击矿压危险的煤层都存在一个冲击矿压发生的临界深度，我国部分矿井发生冲击矿压的始发深度见表 1。表 1 冲击矿压始发深度统计表矿井名称始发深度 Ho /m 矿井名称 始发深度 Ho /m天池矿240 龙凤矿300门头沟矿200 唐山矿540城子矿 370
13、 砚石台矿235房山矿 520 沂州窑矿240胜利矿250 台吉矿 550陶庄矿 480 西安矿340由表 1可知，首次发生冲击矿压的深度为 200400 m，少数矿井达到 500600 m及以上。3.2.2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。3.2.3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
14、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100 m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。3.2.4开采设计 各种采煤方法因巷道布
15、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。3.2.5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。3.2.6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。4冲击矿压防治技术分析 对冲击矿压的防治主要从防御措施、主动解危、检测和组织管理措施四个方面进行。4.1防御措施4.1.1矿井合理开采设计 实践表明
