浅谈冲击地压机理及防治

翟连连

（山西潞安集团常村煤矿，山西 长治 046000）

0 引言

煤炭是我国的主体能源，在一次能源生产和消费结构中一直占70%左右[1]，在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。因此，我国对于煤炭的需求将是持久的巨大的，然而，煤炭的不可再生性、开采历史的久远性和近年来巨大的需求性使我国浅部煤炭几近枯竭，所以，我国煤炭资源的开采深度在快速增加，由于这一因素的影响，我国矿井冲击地压等动力灾害日益加剧，严重地威胁着煤矿开采的安全。据统计，1985年我国冲击地压煤矿有32个，而2011年底，发生冲击地压的矿井就多达142个，同时，全国有近50个矿井开采深度达到或超过1000m；2006～2013年，先后有新汶、抚顺、华亭、北京、义马、阜新、鹤岗、七台河、平顶山等煤炭生产企业因冲击地压而导致的重大伤亡事故多达35次，造成300余人死亡，上千人受伤。冲击地压的破坏程度也呈增大趋势。

据统计，各种类型的矿井都有冲击地压发生的报告，各类煤层都发生过冲击现象，地质构造从简单到复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，砾岩、砂岩、灰岩、油母页岩顶板都发生过冲击地压[2,3]。

所以，我国学术界对煤矿冲击地压问题一直非常重视，但由于问题的复杂性，目前对冲击地压的研究还不够充分，需要进行长期艰苦的探索和实践才可能取得突破进展。

1 冲击地压机理

1.1 冲击地压的判定

煤矿等地下工程所处环境的复杂性决定了冲击地压、岩爆、矿震[4,5]现象的时有发生，但是何谓冲击地压、岩爆、矿震，三者之间有区别吗？区别在哪？目前来看人们对此的认识还比较模糊。不同行业领域对此的认识也不一样，隧道交通等行业谓之岩爆，矿业领域称之为冲击地压（矿震）。下面是全国科学技术名词审定委员会对这3个名词术语的解释：

冲击地压是指在高应力围岩中由于巷道或工作面的开挖，储存在围岩内部的弹性变形能瞬间得到释放而形成剧烈的动力破坏现象，常伴有气浪、煤岩体的抛掷及巨响等现象。它往往给采掘空间内的人员和设备带来灭顶之灾，并有可能带来地表塌陷甚至局部矿震。

岩爆是指硬性与脆性的高应力围岩由于地下工程的开挖导致其弹性应力的瞬时释放，而使这些围岩破裂松弛、剥离破坏甚至抛射出来的动力现象。

矿震是指由于井巷或工作面开挖导致其周围煤岩体原有应力场失去平衡，在局部发生应力的集中，能量的储存，达到极限后在瞬间释放出来，而使周边甚至更远处岩层出现震动现象。

这些认识上的差异究其原因与行业领域的目的要求有着深层次的渊源。对于隧道交通等行业，这些工程是重要的民生工程，它对工程空间周边岩体的大变形和破坏要求非常苛刻，是不允许发生的；而矿业类工程它具有暂时性的特点，在满足空间安全的前提下允许其周边围岩发生变形或破坏。

从以上解释可以明确，在高应力围岩中由于弹性能的瞬间释放而产生的岩体破坏的动力灾害现象是冲击地压和岩爆所共同具有的特点。这里的关键是“破坏”和“灾害”，也就是说围岩造成了这两个必须，即判定为冲击地压或岩爆。我们国家在《冲击地压煤层安全开采暂行规定》和《煤矿安全规程》中对此有特殊的处理要求和行业规定，它将左右煤矿企业的经济效益与生产安全。

矿震是一种局部应力的集中再加上开采活动的诱导而形成的“地震”。当然可以诱发矿震的因素很多，前面所说的冲击地压和岩爆、地面活动等都有可能成为矿震发生的致因。所以冲击地压（岩爆）与矿震的关系可以理解为：有些矿震可能会导致冲击地压（岩爆），但有许多矿震并不会造成灾害；冲击地压（岩爆）也有可能诱发矿震。

1.2 冲击地压发生机理分析

根据沈明荣版《岩体力学》[6]可以知道：典型的岩体应力应变全过程一般可分为四个阶段。

第一阶段，通常被称为压密阶段。这一阶段岩体的原生裂纹被压密。

第二阶段，即弹性阶段。随着载荷的不断持续增加，岩体的原生裂纹被压密的同时，新的裂纹又会不断产生，此时岩体属于线弹性体。

第三阶段，一般第三阶段始于岩体峰值强度的2/3处。在此阶段内，如果使岩体载荷突然卸载，那么在这之前发生在岩体内的永久变形将被遗留下来，即此后岩体已经成为塑性体，但其持续时间一般很短。达到峰值强度后，岩体承载力将随变形的加大而逐渐减弱。

第四阶段，在普通实验机上加载岩体，由于实验机刚度相对较低，岩体会在刚达到峰值强度或稍过的瞬间发生破坏，有点类似于冲击地压或岩爆。当在刚性试验机上加载时，这种瞬时破坏则不会发生，并会保留岩体的变形。虽然承载力也会随着变形的加大而逐渐减弱，但是要想看到试验岩体继续变形仍然需要继续加载。

显而易见，峰值强度前的阶段一和阶段二，岩体承载力与变形呈正相关，此时岩体属于稳定材料。峰值强度后面的阶段，试验岩体产生应变软化，承载力与变形呈负相关，此时岩体属于非稳定材料。

在采矿活动中存在的大型煤岩体中肯定有一大部分处于峰值强度后的形态。比如，由于巷道开挖或工作面的采动，在其周边附近的煤岩体中必然会存在应力集中现象，这样其应力超限是非常现实的问题，那么这部分煤岩体就是我们所说的非稳定材料，同时在远离巷道或工作面的区域内由于受到的采动影响有限，它们仍然处于第一、二阶段的状态。故巷道或工作面周围大的围岩体环境内存在两个区域，即巷道或工作面附近的非稳定材料区和远离巷道或工作面的稳定材料区，并且这两个区域的范围随着巷道或工作面的移动而不断变化，相应区域围岩所承受的载荷也在不断变化。开采活动的持续进行，使巷道或工作面活动的范围逐渐变大，那么由稳定材料区逐渐过渡到非稳定材料区的范围也在扩大，这样就会使巷道或工作面周围大的围岩体环境由稳定的平衡过渡到非稳定平衡。此时，如果有外部诱因的促发，这种平衡状态就会瞬间失稳而发生冲击地压。

1.3 冲击地压类型[7]

（1）断层错动型：由于断层剪切造成围岩体失稳而诱发。深度一般趋于800～1000m且震级趋于3～4级。一般在接近断层的采掘活动过程中发生。

（2）煤体压缩型：又可分为重力煤体压缩型和水平构造应力煤体压缩型，发生部位：位于3.5m以上煤层中的回采工作面和工作面平巷中多有发生。深度一般不大于500m且震级小于等于2级，但是一旦发生，煤量突出多、人员伤亡大、设备破坏严重。

（3）顶板断裂型：由于工作面上赋顶板岩层受到拉伸失去稳定而诱发。发生部位：位于坚硬完整、致密而厚的岩层顶板下且大面积空顶的工作面采空区。震级在2～3级之间，但是一旦发生，强度高、能量大、范围广。

2 冲击地压防治[7]

2.1 断层错动型冲击地压

目前来看办法只有通过使开采活动远离断层或在其附近留设保护煤柱，不要促动断层的移动，从而防止冲击地压的发生。

2.2 煤体压缩型冲击地压

根据其诱发因子可知防治其的措施应该是改变其所处的应力场分布。方法有：煤层注水、卸压巷、开采解放层、卸压爆破、机械振动方法致生岩体裂隙、采区合理布置、大钻孔、卸载洞及大功率超声波方法。

2.3 顶板断裂型冲击地压

顶板断裂型冲击地压的防治措施主要是防止顶板发生断裂。方法有：高压水射流钻孔割缝、开采解放层。

3 结语

在对我国煤矿面临的冲击地压问题的严峻性分析的基础上，对冲击地压本质的界定和发生机理进行了分析，提出了冲击地压的分类，并对于断层错动型、煤体压缩型、顶板断裂型冲击地压的发生机理进行了简单阐述，同时提出了对应的冲击地压防治技术。

［1］蓝航,齐庆新,潘俊锋,等.我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析[J].煤炭科学技术,2011(01):11-15.

［2］姜耀东,潘一山,姜福兴,等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报,2014(02):205-213.

［3］齐庆新,欧阳振华,赵善坤,等.我国冲击地压矿井类型及防治方法研究[J].煤炭科学技术,2014(10):1-5.

［4］潘俊锋,毛德兵,蓝航,等.我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术,2013(06).

［5］齐庆新,陈尚本,王怀新,等.冲击地压、岩爆、矿震的关系及其数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2003(11).

［6］沈明荣.岩体力学[M].同济大学出版社,2006.

［7］潘一山,李忠华,章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究[J].岩石力学与工程学报,2003(11).