浅谈冲击矿压防治技术及形成机理分析

迟德友

（龙煤集团双鸭山分公司安泰煤矿，黑龙江 双鸭山 155130）

1 冲击矿压概述

冲击矿压定义为：矿山井巷和采场周围煤、岩体由于变形能释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。冲击矿压是煤矿开采中典型的动力灾害之一，通常是在煤、岩力学系统达到极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放的弹性能，导致煤岩层瞬时破坏并伴随有煤粉和岩石的冲击，造成井巷的破坏及人身伤亡事故。随着开采深度的增加，冲击矿压已经成为日益威胁煤矿的安全生产的要灾害之一。

2 冲击矿压的机理分析

2.1 冲击矿压的影响因素

1）开采深度的影响

开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大。根据统计资料分析，波兰煤矿发生冲击矿压时的采深与冲击次数之间的关系如图1所示（纵坐标为冲击指数Wt，即开采百万吨煤炭的冲击矿压次数；横坐标为采深H）。而我国各煤矿首次发生冲击矿压的采深为200m到600m之间不等。我国部分煤矿发生冲击矿压时的开采深度情况如表1所示。

图1 波兰采深与冲击矿压的关系

表1 我国部分煤矿发生冲击矿压时的采深

2 )易于发生冲击矿压的围岩结构

易于发生冲击矿压的围岩结构可归纳为：在煤层顶、底板至少有一层坚硬岩层。根据地层结构分析方法，易于发生冲击矿压的围岩大致可以概括为七种力学结构类型（如图3所示），分别为坚硬－坚硬－坚硬型、坚硬－坚硬－软弱型、坚硬－软弱－坚硬型、坚硬－软弱－软弱型、软弱－坚硬－坚硬型、软弱－坚硬－软弱型、软弱－软弱－坚硬型。

图2 易于发生冲击的覆岩结构

2.2 冲击矿压的发生机理

1）强度理论

最早的强度理论从传统的强度观点出发，认为煤岩体强度达到应力极限时就会形成冲击矿压。近代强度理论着眼于"矿体-围岩"力学系统极限平衡条件的分析与推断，认为煤岩体的承载能力应是"矿体一围岩"系统的强度，导致煤岩体破坏的决定性因素不仅仅是应力值的大小，而是应力与强度的比值。

2）能量理论

随着采掘范围的不断扩大，矿（岩）体发生破坏，引起"矿体－围岩"系统的力学平衡状态破坏时，若其释放的能量大于所消耗的能量，则产生冲击矿压。

3）冲击倾向理论

该理论认为发生冲击矿压的介质都具有一些特殊的物理力学性质，即介质的冲击倾向性，当其大于规定的极限时，就会发生冲击矿压。

4）煤岩失稳理论

该理论认为：根据岩石全应力-应变曲线（如图4所示），在AC阶段，煤、岩体抗变形的能力不断增大，介质稳定；而CE阶段，外界荷载的大小超过了其应力峰值，使得煤、岩体抗变形的能力迅速减小，介质处于非稳定的状态，外界极小的扰动都可能使其失稳，导致大量的能量瞬间释放而形成冲击矿压。

图4 岩石应力-应变曲线

5）“三准则”理论

"三准则"理论是我国学者李玉生在总结强度理论、能量理论、冲击倾向性理论的基础上，结合国外的研究结果所提出来的。该理论认为，强度理论是煤岩体的破坏准则，而能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏准则，因而只有当这三个准则同时满足时，才能发生冲击矿压。

6）“三因素”机理

"三因素"机理是齐庆新从煤岩体结构特性的角度，研究冲击矿压发生的机理时提出来的。该理论认为，冲击矿压多发生在断层、煤层变化等构造区域，冲击矿压与煤岩体结构具有密切关系。3冲击矿压的防治研究

3.1 冲击矿压防治原则

避免高应力的形成；保证与最大地应力方向平行采煤与掘进；扩大应力释放范围，以降低应力集中程度与应力释放速度；控制煤层储存能量的条件；控制顶板能量的突然释放与加载；改善底板中的支承能力并加大煤层和顶板的变形；优先开采无冲击倾向性的煤层和无冲击危险煤层；最大限度的降低构造对冲击矿压的影响。

3.2 冲击矿压防治措施

1）整体防治

合理的开采技术。开拓布置、开采方法的合理布置对避免形成高应力集中和能量大量积聚，非常重要就，也是防治冲击矿压的关键。我国陶庄矿水采区开采方案的选择与试验是这方面较为典型的实例。该矿采区地质构造复杂，冲击危险大，针对不同地质条件采取不同的采场布置形式（如水采常规布置方式、避峰跳采布置方式和多区段联合开采方式），有效地控制了冲击矿压的发生。

开采保护层。在进行多煤层的井下开采时，每一层煤的开采工作都相互影响，因此，在设计阶段就要规定煤层群的协调开采，先开采没有冲击危险的煤层，解放冲击危险的煤层，达到降低冲击矿压潜在的危险性的目的。

煤层预注水方法。冲击煤层物理力学特性变化的试验和提高煤的湿度试验，是研究煤层高压注水工艺的基础。波兰上西里西亚矿井中的回采工作面主要采用两种煤层注水工艺，短孔注水法和长孔注水法。目前该项技术日趋完善，欧美国家已将其广泛用于降尘、冲击矿压防治和瓦斯突出。

厚层坚硬顶板处理。厚层坚硬顶板易引起冲击矿压，一是回采工作面上方厚层坚硬老顶的大面积悬顶和冒落，会引起煤层和顶板内的应力高度集中。二是工作面和上下平巷附近直接岩石的悬露，会引起不规则垮落和周期性增压，给工作面顶板管理和巷道维护造成困难。目前较为有效的处理方法是顶板注水软化、爆破断顶。

2）局部防治

卸压爆破：卸压爆破是对具有冲击矿压危险的局部区域，用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。世界上几乎所有国家在开采有冲击危险的煤层时，都把卸压爆破作为主要的解危措施之一。

诱发爆破：诱发爆破是在监测到有冲击矿压危险的情况，利用较多药量进行爆破，人为诱发冲击矿压，从而避免更大损害。

钻孔卸压：采用大直径钻孔减缓冲击危险，此法基于钻孔冲击。利用钻孔周围形成的破碎区的贯通作用，使煤层破裂卸压。

3.3 冲击矿压技术展望

通过对冲击矿压影响因素、发生机理及防治措施的分析研究，其中一些不足的地方，比如说，应充分考虑地应力及采动应力的关系对冲击矿压的影响；对于冲击矿压煤岩体的物理力学性质的更深入研究；此外冲击矿压的有效预测、监测以及控制等等都应该作为今后进一步的研究方向。

结束语

随着矿井开采范围的扩大，开采深度的加深以及开采难度的加大，地质条件和开采条件越来越复杂，冲击矿压灾害日趋严重。通过对冲击矿压发生机理的研究分析，采取综合性的防治措施，在现有的技术水平下对冲击矿压认真地进行测定和预测工作，对具体情况采取有效地防治措施，从而有效降低冲击矿压发生的次数和强度，避免或减少冲击矿压带来的伤害事故，保证矿井的安全生产。

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