冲击矿压规律及预防预测设计专题报告.doc

冲击矿压规律及预防预测孙广慧，中国矿业大学矿业工程学院，江苏，徐州，221116摘要：冲击矿压作为煤岩动力灾害之一，越来越受到煤矿行业的关注，尤其是随着各个矿井开采深度的增加，冲击矿压现象更是屡见不鲜。对于冲击矿压的监测我们有很多方法，如钻卸法、微震监测技术、声发射技术、电磁辐射技术等等。由于冲击矿压具有突然性、瞬时性、破坏性的特征，对于冲击矿压的发生机理仍没有一个统一的认识，本文从冲击矿压的特征，发生条件以及影响冲击矿压的因素出发，研究了冲击矿压发生机理以及各种监测技术，并提出了自己的理解。关键字：冲击矿压，动力灾害，深度，威震检测技术，特征，因素，机理1 问题的提出 冲击矿压作为煤岩动力灾害，有记载的第一次发生于1738年英国南史塔福煤田。200多年来。其危害几乎追布世界各采矿国家。英国、德国、南非、波半、的苏联、捷克、加拿大、日本、法国以及中国等20多个国家和地区都记录有冲击矿压现象。我国煤矿冲击矿压灾害极为严重。我国最早自1933年抚顺胜利矿发生冲击矿压以来，先后在北京、辽源、通化、阜新、北票、枣庄、大同、开滦、天府、南桐、徐州、大屯、新狡等矿务局部相继发生过冲击矿压现象。目前，我国有近50对矿井累计发生过4000多次冲击矿压，造成数以百计的人负伤，巷道破坏达30多公里。由于冲击矿压有如此巨大的破坏力，造成这么大的经济损失，因此如何预测和防治冲击矿压以及认清冲击矿压发生机理对减轻冲击矿压的破坏具有非常重要的作用。1.1 国内外冲击矿压现状1.1.1国外现状冲击矿压是世界采矿业面临的共同问题。1738年英国在世界上首先报道了冲击矿压现象。之后，前苏联、南非、德国、波兰、美国、加拿大、日本、法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、典地利、新西兰和安哥拉等都记录了冲击矿压。目前，有包括我国在内的20多个国家和地区都有冲击矿压这一事实表明，世界上几乎所有采矿国家都不同程度地受到冲击矿压的威胁。 煤矿冲击矿压灾害最严重而且防治工作最有成效的国家是前苏联、波兰和德国。(1)前苏联 前苏联的冲击矿认最早于1947年发生在吉谢罗夫矿区。此后共有9个矿区出现了冲击矿压问题： 发生冲击矿压的一般条件是：初始深度为4001860 m煤0.520m在各种倾角、各个煤种(包括褐煤)中都记录到冲击矿压现象、多数情况下顶板为坚硬砂岩，也有一些煤田是破碎顶板。开采技术条件涉及到刀柱式或长壁式等开采方法；充填或垮路等顶板管理方法；整层或分层开采情况。 自1951年起，全苏地质力学及矿山测量研究院以及其他研究单位和高等院校等几十个单位配合国家技术监察部门与生产单位一起着手解决煤矿的冲击矿压问题。经过25年的努力，基本上形成了一整套防治冲击矿压的组织管理系统，并制定了有关技术规程，发展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和预报方法，取得了良好效果，冲击次数大为减少。1955一l 977年冲击危险矿井数出8个增至36个、而年冲击次数则由83次降至7次。1980年以后又降至56次。在前苏联金属矿，冲击矿压的频度比煤矿要小得多，其主要形式为岩石弹射、震动和微冲击主要发生在北乌拉尔铝上办等20余个矿山。开始出现的深度为川300一700 m，主要岩石种类为辉绿岩、正长岩、花岗岩、凝灰岩以及铁矿石、铝土矿石、铜矿石、钾盐矿石等，平均单向抗压强度100“250MPa，最低2530 MPa。前苏联金属矿防治冲击矿压的基本措施原则上同煤矿的没有差别。(2)波兰 波兰有三个井工开采煤田：上西里西亚、下西里西亚和鲁布林。产量的98来自上西里西亚煤田。该煤田中煤的强度为1035MPa煤厚0.520 m(一般1.5“35m)，倾角0一45(一般515)平均采深600 m顶板大都为坚硬砂岩。长壁工作面产量占99，其中70为垮落法开采。其余为水砂充填。工作面平均长150 m，日产1300一1400t商品煤。机械化程度962，其中综采站83.7。 冲击矿压是波兰煤矿重大灾害之一，最早记载于1958午。目前开采的400号、500号、600号、700号和800号煤层组中45以上的煤层有冲击矿压倾向，其中500号煤层组最为严重。开始发生冲击矿压灾害的平均采深约为400m，随着采深的增加，冲击矿压危险越来越严重。冲击矿压强度一般为105-109J，最大是1011J。1949-1982年，共发生破坏性冲击矿压3097次，造成死亡401人，井巷破坏13万m。 波兰很重视冲击矿压问题早在20世纪60年代初期就着手大力开展科学研究和防治工作。煤层的冲击倾向实验室测定和井下测定是波兰学者首先倡导并大力发展的。此外，在将岩体声学以及地震法用于矿山冲击危险探测和监测方面，居世界领先地位。由于采取综合防治措施，保证了安全，促进了生产。(3)德国 鲁尔矿区是德国的主要产煤区，也是发生冲击矿压的主要矿区。1910-1978年间共记载了危害性冲击矿压283次，有冲击倾向或危险的煤层20余个，其中底克班克、阳光和依达煤层具有最强的冲击倾向，其抗压强度l0一20 MPa，煤种为长焰煤、气煤和肥煤等。冲击矿压发生深度5901100 m，其中850一1000 m冲击矿压数占75%左右，最大抛出量2000m3。发生冲击矿压的煤厚为1-6m，其中主要为152m，倾角4-44。 在德国，产生冲击矿压的煤层顶板绝大部分是540 m较厚的砂岩或其他坚硬岩层，因而，认为砂岩顶板是冲击矿压危险煤层的主要标志。 德国是防治冲击矿压较有成效的国家，其主要的工作点在于实用。由德国所发展的钻孔卸载法、钻屑法以及其他方法在国际上享有较高声誉。1.1.2 国内现状 我国最早记录的冲击矿压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿，当时的开采深度为200 m左右。从1949牛以来已发生破坏性冲击矿压4000多次，震级Ml0.5-3.8级，造成大量巷迫破坏和惨重的人员伤亡，近年来我国一些金属矿山、水电与铁路隧道工程也出现了岩爆现象。 我国煤矿发生冲击矿压有如下特征： (1)突然性。冲击矿压发生前没有明显的征兆突然、猛烈。 (2)多样性。煤层冲击、顶板冲击、底板冲击等两三种冲击的组合。 (3)破坏性。片帮和煤炭抛出，顶板突然下沉、底鼓、破坏巷道支护，造成人员伤亡等。 (4)在各种采矿和地质条件下均发生过冲击矿压。 除了褐煤煤层外我国煤矿的其他各种煤层均发生过冲击矿压而且采深从2001000 m，煤层厚度从薄到厚。煤层倾角从缓到急，各种顶板条件如砂岩、页岩、石灰岩等均发生过冲击矿压。我国煤矿发生冲击矿压的典型条件为：初始深度200一600 m，煤的单向抗乐强度10-30 MPa，顶板一般为厚10-40m的坚硬砂岩、强度100-600 MPa。 然而，具体分析起来，我国冲击矿压发生的条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击现象，采深从200一800 m，地质构造从极简单至极复杂煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油碌页岩等部发生过；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种方法都出现了冲击现象。 1949年以前我国发生冲击矿压的矿井只有12个，50年代增加为7个，60年代为12个，70年代为22个，目前达50个。而随着开采深度的增加、开采范围的扩大，近年来虽然采取了不少措施，但全国矿井数和总的冲击次数并未减少。可见，我国冲击矿压的防治工作任务其为艰巨，具有现实的迫切性和长远的重大意义。 综上所述，世界采矿业发少冲击矿压的历史已近250年之久*近30年来，冲击矿压所造成的破坏后果日益严重，引起了各国的注意。目前世界采矿大会国际岩石力学局成立了冲击矿压研究小组。冲击矿压的研究已成为矿山压力学科中与现代科学联系最密切的一个独立的学科分支。跃进煤矿25110工作面是冲击矿压很明显的一个工作面，现就其统计数据进行分析。1.1.3跃进煤矿25110工作面概况25110工作面地表为乔店村东部的低山丘陵地带，煤系地层中下侏罗统义马组。该面为25区东翼第一个综放工作面，采高达到11m左右，开采2-1煤层。地面标高+551+596m，工作面煤层标高-390.0-451.6m，可采走向上巷856m，下巷870m，平均863m。倾斜长191m，面积164833m2。井下四邻关系：东为23采区下山保护煤柱，南为25区下部未采煤层，东南面积164833m2。井下四邻关系：东为23采区下山保护煤柱，南为25区下部未采煤层，东南部接近F16断层，西为25区下山煤柱，北为25090工作面（一分层已采），工作面平面图如图1-1所示。工作面煤层走向112127，倾向202217，倾角12.314.4；平均13。煤层厚度7.413.8m，平均厚度11.6m，纯煤厚9.5m，属缓斜特厚煤层。煤层含夹矸25层（其中煤层中下部位的夹矸多呈煤矸互迭层），单层厚00.9m，夹矸岩性一般为炭质或砂质泥岩，结构复杂。可采指数为1，煤厚变异系数23%。煤层赋存稳定，整体上沿走向上巷变化不明显，下巷东部厚西部薄，沿倾向上往东发育有增厚现象。煤层层理呈缓斜层理斜层理，局部出现层间多变构造且层理紊乱。受构造影响，工作面中部200m范围内煤层沿走向有小起伏，产状变化较大。煤层整体呈从西向东缓上爬趋势。 伪顶为砂质泥岩，厚0.2m左右，局部夹石英砂岩，坚硬；直接顶为泥岩，厚18m左右，灰色块状易破碎，局部裂隙和节理发育；老顶以砂、砾岩为主，块状、灰白色，具含水性；直接底为泥岩，深灰色，钻孔资料见图1-2。该面自西向东依次揭露有F2504、F2509、F2510等断层。F2504为正断层，走向3447，倾向304317，倾角5057，落差01.7m；F2509为正断层，走向83，倾向263，倾角62，落差0.6m。F2504、F2509两断层在25090工作面完全揭露，斜交贯穿工作面；在25110上巷沿底掘进中先后出现，断距和牵引现象明显；在25110下巷生产中未揭露，只是在预推测位置出现构造翼部牵拉破碎带。由此断定，两断层在25110工作面内逐渐尖灭，自揭露发育延展长度分别为900m和200m（F2509为派生断层），对生产造成一定的影响。F2510为正断层，走向204，倾向294，倾角45，落差0.6m。该断层为F2504羽状派生断层，断距和牵引现象明显，对工作面回采稍有影响。工作面中部构造带150m范围内，受之影响，压力大，节理发育，顶板围岩易破碎，对生产造成影响。本面整体构造，两端简单，中间复杂，西部煤层顶板走势平缓，东部煤层有起伏并整体上爬。工作面南部接近F16逆断层，此区域可能存在较高构造应力，25110工作面开采可能受此断层影响较大。该面北侧25090、25070和25072工作面回采时曾出现顶板大量滴、淋水现象,三个工作面的最大涌水量分别为110m3/h、70m3/h和140m3/h，总涌水量分别为18.1、4.7和9.6万方。回采期间应布置了大量的防排水设备，使三个工作面能够顺利回采。该面地面瞬变电磁勘探时，圈定富水异常区A4、A5、A6、A7四处。25110工作面下巷在送巷中进行了物探，亦发现富水异常区多处，在下巷采用顶板水疏放钻孔，探到顶板有水，但由于顶板裂隙发育不均匀，疏放水效果欠佳，不能有效地疏放出顶板水。在工作面回采中，各富水异常区及其附近受采动影响，裂隙将贯穿导通，届时工作面顶板均可能出现涌水现象。由于该面为综放工作面，采后波及范围将更大。用类比法，预计最大涌水量将会超过300m3/h，甚至短期内达到500m3/h以上。根据井上、下物探及井下钻孔结果，本面在回采时会有顶板涌水现象。当工作面回采后，老空顶板周期来压，岩层裂隙发育，可能波及更高层位的富水区，有可能出现顶板大量涌水现象，对工作面生产造成影响。为防止工作面回采中水害发生，防治水采取的主要手段仍以被动排水为主，为防止出现意外发生，里段按最大涌水量800m3/h，外段按最大涌水量500m3/h考虑防排水方案和措施。图1-1 25110工作面平面图图1-2 25110面钻孔资料综合柱状图1.1.4 冲击矿压显现25110工作面自掘进以来，冲击矿压显现较明显，2009年至2011年冲击矿压记录如表1-1所示。表 1-1 25110工作面冲击地压记录表序号地点时间位置破坏情况125110下巷09.7.21 2：50从探巷开口至掘进头60m冲击地压造成巷道内第42棚处一辆矿车和一辆花车侧翻至下帮，底鼓不明显，巷道上帮“O”型棚中间卡具均发生滑移，最大滑移长度达1.5米，下帮最大滑移长度1米，最大底鼓0.6米，未有人员伤亡225110下巷09.8.31 16：36距离探巷口40160m之间120m长巷道从距离探巷口40米处到掘进头的巷道受到了不同程度的影响，受影响巷道全长约120m。此次冲击位置以底板和上帮为主，“O” 型棚上帮棚梁从60米至90米之间的巷道变形最为严重，溜子头及斜石门皮带尾以及部分底梁发生了明显的变形，巷道净宽发生了0.1米1.2米不等的缩小变形，底鼓0.10.5米不等，位于第220棚（116米）处靠上帮存放的一堆“O” 型棚钢梁被崩翻至巷中间。325110下巷（大煤炮）09.12.25 8：53下巷495m处750756棚受到了不同程度的变形， “O” 型棚的上帮棚梁发生滑动0.10.5米不等，部分棚梁搭接紧固卡具滑落失效，巷道净宽发生了0.1米0.4米不等的缩小变形，其中以755棚变形相对明显，该棚净宽为5.78米、净高为3.95米，上帮棚梁搭接为0.8米，上帮顶上搭接约1米，有三个卡具失效。 425110下巷10.1.8 11：13下巷580m591m之间椭圆棚无明显变形，造成580m-591m处平均底鼓500mm。525110下巷10.1.19 12：12距离石门560米572米处该次冲击位置以上帮为主，上帮有三处不同程度片帮，560米565米处片约2米1.5米窟窿，该窟窿距顶板1米；566米568米处片约1米1米窟窿，该窟窿距顶板和顶板相接；569米572米处片约2米1.5米窟窿，该窟窿距顶板1米；三处片帮段下方都有1米1.5米不同程度拘帮，部分锚杆和锚索失效，该次冲击距正头20.5米。能量为1.12E+04焦耳。625110下巷10.2.10 9:37距石门623米661米处冲击地压发生时有较强的冲击波，造成距石门623米处电缆车上工具箱崩落，1066棚1076棚发生拘帮300mm，部分巷道底鼓。距石门646米661米段15米范围（下台阶未架棚段）上帮底鼓300 mm700mm，综掘机和随机皮带架崩至下帮，位移700 mm，该次冲击上台阶段未发生变化。本次冲击发生地点距迎头25m左右。能量为：1.21E+05焦耳725110下巷2010-8-11 18:11500m至工作面切眼25110工作面下巷480-842.8m段合计362.8m（工作面外）受到冲击，巷道严重损坏，430-480m段皮带架向下帮侧翻，底板臌起，上拐头外120m上巷受轻微损坏，造成两名作业人员轻伤。震级为2.7级，能量为9107J825110下巷10.7.23 19:1725110下巷820米830米冲击地压发生时有较强的冲击波，造成1080皮带尾处10架皮带架子被崩翻。在825米832米处棚略微变形，最大变形量为90mm。925110下巷2011年2月7日下午19点44分25110工作面下巷发生一次小型冲击地压，能量为：2.23E+06，震级为：-0.056级，片出三矿车煤，地点为转载机头以里7米处。位于下巷上邦，两部迈步支架之间。片煤地点高0.5米，宽3米。无锚网索支护，为裸露部分，煤壁破碎。1025110下巷2011年3月1日上午10时09分59秒从工作面现场看破坏严重区域位于下巷330米至352米之间，距工作面326米。震级为2.071级（矿震监测为3.2级），能量为1.45108J。造成三名作业人员轻伤。此次事件影响范围较广，23130工作面及地面均有震感。当日上巷剩余637.3m；下巷剩余678.1m，震源距工作面268米，从工作面现场看破坏严重区域位于下巷330米至352米之间，距工作面326米。位于F2504断层附近，从冲击情况看属于构造应力型冲击地压。2 冲击矿压现象、特征及其分类2.1现象及特征冲击矿压是压力超过煤岩体的强度极限聚积在巷道周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响。造成煤岩体振动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击矿压还会引发或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统等。 冲击矿压具有如下明显的显现特征： 突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生、难于争先准确确定发生的时间、地点和强度。 瞬时震动性。冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达儿公里甚至几十公里地面有地震感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。 巨大破坏性。冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架，从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。2.2分类 根据应力状态、显现强度、发生的地点和位置的不同，冲击矿压有如下几种分类方法。2.2.1根据原岩(煤)体应力状态不同，冲击矿压可分为三类 (1)重力型冲击矿压。主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击矿压，如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击矿压属重力型。 (2)构造应力型冲击矿压。若构造应力远远超过岩层自重应力时，主要受构造应力的作用引起的冲击矿压，如北票和天池矿区发生的冲击矿压属于构造应力型。 (3)中间型或重力构造型冲击矿压。它是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击矿压。2.2.2 根据冲击的显现强度，可分为四类： (1)弹射。一些单个碎块从处于高压应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。 (2)矿震。它是煤、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生破坏。但煤、岩并不向已宋空间抛山、只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮”。 (3)弱冲击。煤或岩石向巳采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏，围岩产生震动，一般震级在22级以下，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。 (4)强冲击。部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动。震级在23级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。2.2.3根据震级温度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压，分为三级： (1)轻微冲击(1级)。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压。 (2)中等冲击(级)抛出煤量在10一50 t，震级在12级的冲击矿压。 (3)强烈冲击(级)。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。 一胶面波震级M1时，矿区附近居民可能有震感；M2时对井上下有不同程度的破坏；M25时，地面建筑物将出现破坏现象。2.2.4根据发生的地点和位置冲击矿压可分为两大类 (1)煤体冲击，发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击。 (2)围岩冲击，发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。3 冲击矿压机理 长期以来，冲击矿压作为岩石力学的重大难题之一，一直是国内外学术界和工程界关注的重要研究课题。冲击矿压发生机理十分复杂，是一个正在深入研究的问题、更是关注的焦点。各国学者在对冲击矿压现场调查从实验室研究的基础上，从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则理论和变形系统失稳理论等。20世纪60年代以后，在对冲击矿压的研究中，人们逐渐认识到冲击矿压是裂纹扩展及变形局部化导致的失稳现象与具有裂隙的各向异性岩石介质的力学性质和围岩在外加载荷作用下应力应变场的演化与失稳密切相关。 冲击矿压是压力超过煤岩体的强度极限，聚积在巷道周围煤岩体中的能量突然释放在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道。同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击矿压还会引发或可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统等。 冲击矿压的发生需要满足能量条件、刚度条件和冲击倾向性条件。这些条件可用煤层和顶底板的刚度来说明。当煤层和顶底板的刚度均大于零，则煤岩体处于稳定状态；当煤层的刚度小丁零，但煤层和顶底板的刚度之和大于或等十零则煤岩体处于亚稳定或静态破坏状态；当煤层和顶底板的刚度之和小于零时，煤岩体将产生剧烈破坏，发生冲击矿压。3.1强度理论早期的强度理论主要涉及煤(岩)体的破坏原因。认为井巷和采场周围产个应力集中。当应力达到煤岩)强度的极限时煤(岩)体突然发生破坏，形成冲击外压：并对煤（岩)体形成应力集中的原因提出各种假说如20世纪30年代末的拱顶理论和悬臂梁理论等等。近代强度理论以“矿体 围岩”系统为研究对象其主要特点是考虑“矿体一围岩”系统的极限平衡；认为煤(岩)体的承载能力应是“煤体-围岩”系统的强度导致煤(岩)体破坏的决定因素不仅仅是应力值大小、而是它与岩体强度的比值。3.2刚度理论 刚度理论是由Cook等人根据刚性压力机理论而得到的。该理论认为：矿山结构的刚度大于矿山负载系统的刚度是发生冲击矿压的必要条件。近年来Pdukhov在他所提出的冲击矿压机理模型中也引入了刚度条件。但他进一步将矿山结构的刚度明确为达到峰值强度后其裁荷-变形曲线下降的刚度。在刚度理论中，如何确定矿山结构刚度是否达到峰值强度后的刚度是一难题，它不能由试验测定。数值方法可能是有效途径之一，但目前的结果仍称在一定的偏羌需要开展进一步的研灾工作。3.3能量理论 能量理论从能量转化角度解释冲力矿压的戊因，是冲击矿压机理研究的一大进步。该理论认为矿体围岩系统在其力学平衡状态遭破坏所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击矿压。20世纪70年代Brauner提出冲卡矿压的能量判据，该判据考虑乐能量释放与时间因素的相关性。其后，吴耀混等对此加以补充修正引入空间坐际系统以说明冲击矿压发生的条件应同时满足能量释放的时间效应和空间效应。 冲击发生的能量源分析全义重要。Pet Mkh c认为冲击能量由被破坏的煤(岩)积蓄的能量和邻接于煤柱或煤(岩)层边缘部分的弹性变形能所组成、即从外部流人的能量赋予冲击矿压以动力。 剩余能量理论认为剩余能量的存在是围岩动力失稳的力学原因，该理论20世纪70年代由美国人提出，其后得到了进一步的发展相应用。 能量理论说明矿体一围岩系统在力学平衡状态时，释放的能量大于消耗的能量，冲击矿压就可能发生，仅没有说明平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩释放能量的条件，因此，冲击矿压的能量理论判据尚缺乏必要条件3.4冲击倾向性理论 冲击倾向性是指煤(岩)介质产生冲击破坏的固有能力或属性。煤(岩)体冲击倾向性是产生冲击矿压的必要条件。冲击倾向理论是波兰和前苏联学者提出的，我国学者在这方面作了大量的工作，提出用煤样动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数三项指标综合判别煤的冲击倾向的试验方法。此外，在试验方法、数据处理及综合评判等研究中取得了一定的进展。 冲击倾向理论的另一重要方面是项板冲击倾向性的研究，而且也越来越引起人们的重视。这方面的研究包括顶板弯曲能指标和长壁开采方式下顶板断裂引起的煤层冲击等。 显然，用一组冲击倾向指标来评价煤(岩)体本身的冲击危险具有实际意义，并已得到了广泛的应用。然而，冲击矿压的发生与采掘和地质环境有关，而且实际的煤(岩)物理力学性质随地质开采条件不同而有很大差异，实验室测定的结果往往不能完全代表各种环境下的煤(岩)性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。3.5稳定性理论稳定性理论应用于冲击矿压问题最早可追溯到20世纪60年代牛期Ncvillecook的研究。刚性试验机的出现使人们可以获得受压岩石的全应力一应变曲线得到岩石峰后变形的描述，从而可以研灾采动岩体的平衡以及这种平衡的稳定性。Lippnlnnn将冲击矿压处理为弹塑性极限静力平衡的失稳现象进一步又提出煤层冲击的“初等理论”，同时而在采场周围形成应力集中煤(岩)体内高应力区局部形成应变软化介质与尚未形成应变软化(包括弹性和应变硬化)的介质处丁非稳定平衡状态，在外界扰动下的动力失稳，形成冲击矿压，提出冲击矿压的失稳理论，并得到了初步的应用。3.6目前研究现状 在目前的研究中，以断裂力学和稳定性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备受关注大量研究表明裂纹的扩展方向受最大压应力方向控制，围压对裂纹的扩展起限制作用。vardolakis研究指出近自由表而的裂纹旦开始扩展，将失去稳定，导致表面局部屈曲，临界屈曲应力随自由表面与裂纹间距离的减小而急剧减小Dyskm对壁面附近裂纹扩展方式及裂纹贯穿后的壁而稳定进行了分析，认为压应力集中造成初始裂纹以稳定的方式平行于最大压应力方向扩展这种扩展与自由表面相互作用加速了裂纹的增长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矿压。并建立了一个二维裂纹扩展模型以计算非稳定裂纹起裂点的应力大小。BAzant等分析了近壁裂纹扩展引起的能量耗散及尺度效应，使对冲击矿压的能量估算成为可能。张晓春等在这方面结合实际情况对近表向裂纹扩展、壁面局部稳定性作了初步的研究探讨了煤矿巷道附近围岩层裂区的形成和破坏机理，通过理论分析和试验模拟，建立了煤矿片帮型冲击矿压发生的层裂板结构失稳破坏模型，认为巷道或采场壁面的局部稳定是出高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的，冲击刃压是煤逐形成的层裂板结构区的局部压屈。齐庆新等在煤与岩石以及煤层之间摩擦滑动实验研究基础上，考察了煤矿冲击矿压煤岩层间结构粘滑失稳机制。 材料破坏的分叉理论是冲击矿压研究的一个重要方而，vardmllakM和Deborst等作了以系列的工作，并在数值计算上采用粘塑性、塑性应变梯度和Cosscrat介质理论的本构关系等，以求实现对破坏失稳部位的预测。 近年来，突变理论在冲击矿压研究中也取得了一系列的进展。这包括：针对煤柱的非稳定问题，利用尖角突变模型，得到了判断煤(岩)柱冲击矿压发生的必要条件和充分条件；分析水平力和垂直力控制的空间煤(省)体系统失稳的分叉集以及出于它们变化而导致煤岩体状态突变的过程。这些研究在煤岩体的本构关系方面采用线性(弹性)和非线性(应变软化、损伤)模型。4 冲击矿压影响因素4.1开采深度 我们知道，随着开采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。理论上讲，煤层在采深为H且无采动影响的三向应力状态下其应力为： 则煤体中的体积变形聚积的弹性能为形状变形而聚集的弹性能为： 若煤层中的形变能全部用于煤体的塑性变形，体变能全部用于破坏煤和使其运动，则：式中 设煤的单向抗压强度为Rc，则破碎单位体积煤块所需能量U1为： 假设巷道周边煤体处于双向受力状态，则所需能量比U1要大，现用一系数K0(K01)来表达，则破碎单位体积煤块的能量U2为：若UvU2就可能发生冲击矿压，这样就可求得发生冲击矿压的初始采深H为：统计分析表明，开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大：开采深度与冲击矿压发生的多少，有如图4.1的关系(波兰煤矿情况，横坐标为采深，纵坐标为冲击指数W，即开采百万吨煤炭的冲击矿压次数)。考虑到安全界限可以确定当深度H350 m时，冲击矿压不会发生；当深度350mH500 m时，在一定程度上危险逐步增加。从500m开始，随着计采深度的增加，冲峦矿压的危险性急剧增长。从图中可以看出，当开采深度为800m时，冲击指数Wt0.57，比在深度Eoo nt(Wt0.04)增加了14倍。而从Wtf(H)的曲线趋势看，当开采深度非常大时(1200一1500m)冲击指数的梯度将会减小但其值会非常高。图4.1 采深与冲击矿压的关系4.2煤岩的力学特征 生产实践与试验研究均表明： （1）在一定的围岩与压力条件下任何煤层中的巷道或工作面均有可能发生冲击矿压。 （2）煤的强度越高。引发冲击矿压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击矿压就需要比硬煤高得多的应力。 （3）煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之。 对煤的冲击倾向性评价，主要采用煤的冲击能量指数和弹性能量指数，即： 冲击能量指数：Ke5 强冲击倾向1.5Ke5 中等冲击倾向Ke1.5 弱冲击倾向弹性能量指标Wet5 强冲击倾向2Wet5 中等冲击倾向Wet2 弱冲击倾向4.3顶板岩层的结构特点 研究表明顶板岩层结构特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型(冲击压力型)冲击矿压或顶板型(冲击型)冲击矿压。4.4煤层厚度及其变化 根据统计分析，冲击危险程度与煤层厚度及其变化紧密相关。煤层越厚，冲击矿压发生得越多，越强烈。图4.2和图4.3为砚石台矿统计的煤层厚度及其变化与冲击矿压之间的关系。 图4.2煤层厚度与冲击矿压的关系 图4.3煤层厚度与抛煤量的关系4.5煤层分叉的影响某矿630水平的工作区域内510煤层分为504和510煤层，其间的间距在开采工作区域内从无增加到15m。该结构的出现，造成了煤层和顶板条件的变化，从而引起了冲击矿压危险状态的变化。图4.4介绍了构造变化区域内E/W(生产单位体积的煤所释放的能量）的分布规律。图4.4构造变化区域内E/W的分布4.6断层的影响实践证明，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、煤层摺曲、构造应力带。例如龙凤矿在向斜轴部准备工作面时经常发生冲击矿压。当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击矿压发生的次数明显上升，而且强度加大。例如在龙风50次冲力矿压中，36次(72)与断层有关。 62是巷道接近断层时发生的，14是巷道处于断层线附近，而只有10是在巷道离开断层时发生的。其中34%发生在巷道距断层520mm范围内的：图4.5为冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系。图4.5冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系 实践农明相当一部分震动集中在断层附近。其中在断层的上盘开采时的震动能量大于断层下盘开采时的震动能量。在向斜部分开采时，震动也很强烈。 在断层和向斜附近震动集中的原因是地壳的运动形成的残余构造应力。该应力与开采引起的应力集中叠加的位置即为岩体震动的位置。4.7褶曲的影响我们知道褶曲是岩层在水平应力挤压下形成的，这种褶曲大部分在沉积岩层中形成。研究表明，当温度相对较低时沉积岩挤压形成流动呈褶皱而不产生破裂(断层)，这可以认为是压力溶解蠕变起了重要作用，即当差异应力作用于岩石时，矿物在高应力区溶解，而在低应力区沉积，结果是岩石变形。 般情况下，对于巷道及回采工作面来说，在褶曲的各个部位，出现的危险性是不一样的，如图4.6所示，I区，褶曲向斜部分，这部分其应力，垂直为压力，水平为拉力、最容易出现冒顶和冲击矿压；区沼曲翼。这部分的应力垂直和水平均为压力，最易出现冲击矿压；区榴曲背斜其应力状态为垂直拉力，水平压力，这部分也是最大矿山压力区域。图4.6褶曲部分的受力状态及危险性4.8开采设计和开采顺序 当在几个煤层中同时布置几个工作面时工作面的布置方式和开采顺序将强烈影响煤岩体内的应力分布。 矿井中，冲击矿压经常出现在：（1）工作面向老塘推进时；（2）在距采空区15-40 m的应力集中区内掘进巷道（3）两个工作面相向推进时；（4）两个近距离煤层中的两个工作面同时开采时。4.9上覆煤层工作面停采线的影响 上覆煤层工作面的停采线形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威协，使冲击矿压的危险性有很大的增加。如果我们定义E/W为观测范围内单位生产煤量所产生的震动能量(J/t)，则上覆煤层的停采线对回采工作面的推进过程中影响的E/W指标值如图4.7所示。其中504、501煤层距510煤层分别为40 m和64m。当510煤层的下山经过上覆煤层的停采线时，E/W指标的变化清楚、详细地表明了冲击矿压危险性增加的区域。图4.7巷道过上层停采线时E/W分布图4.10上覆煤层残采区的影响 图4.8介绍了工作面通过上覆煤层残采区时的E/W指标值的变化曲线。图中416煤层的残采区距501煤层70m。图中表明了残采区范围内震动的活动性和冲击矿压的危险性，该区域内最大的冲击能量力22106J。以上表明，残采区对下部煤层的开采影响很大，冲击矿压的危险性大幅度增加。图4.8采面过上层残采区时E/W分布图4.11采空区的影响 图4.9介绍了采煤工作面接近来空区的E/W指标值的分布规律。图4.10介绍了邻近工作面的采空区对该工作面的影响。从图上可以看出，当工作面接近已有的采空区，其距离为20-30m时，冲击矿压的危险件随之增加，如果工作面的旁边有上一区段的采空区，该采空区也使得冲击矿压的危险性增加，危险发生的最大位置在距煤柱10m左右。图4.9 采面接近旧采空区时E/W分布 图4.10 邻近采空区对开采工作面得影响4.12老巷的影响 图4.11介绍了工作面过同煤层老巷时E/W指标值的变化规律。从图中可以看出，当工作曲接近老巷约15m左右时，冲击矿压的危险性最大。图4.11 采面过老巷时E/W分布4.13开采区域的影响 在煤层开采面积增加的情况下岩体的震动能量也随之增加。研究表明，当开采面积为3ha时，释放的单位面积的震动能量为最大。图4.12表示了释放的总地震能与工作面开采面积之间的关系。该采面采高为25m。图4.12 总能量与开采面积之间的关系图5 冲击矿压的监测5.1煤岩冲击破坏的监测原理大量的实验室试验、现场测试、模拟研究均表明,煤岩等固体脆性材料在载荷作用下,其变形破坏特征为脆性冲击破坏;冲击破坏具有突发性和延时性;冲击破坏过程中内部将产生塑性变形或裂纹,当裂纹形成和扩展时,将瞬态释放应变能而产生弹性波. 伴随着这种现象,将会有声发射产生;同样当煤岩体等材料受载变形破裂时,将会产生向外以电磁能的形式释放弹性能的现象. 伴随着这种现象,将会有电磁辐射产生。因此可建立煤岩等固体脆性材料变形破坏的弹塑脆性体模型来描述上述煤岩等固体脆性材料变形破坏特征以及在其变形破坏过程中声发射和电磁辐射耦合规律. 而煤岩体的变形破坏程度可采用岩石的损伤因子来描述.岩石的损伤因子D( t) 的增长过程与声发射和电磁辐射的能量释放紧密相关.一般情况下,煤岩体在受载条件下,变形破坏时能量的变化U 可由下式来确定U = =(2 - 1 ) , (1)而且设破坏程度的损坏因子与变形呈线性关系 = C1 D - C0 , (2)则U = ( C1 D2 - C0 ) - ( C1 D1 - C0 ) . (3)由此,得U 与损伤因子的增量D ( t) = D( t2 )- D( t1 ) 成正比,也即D ( t) U u( t) , (4)即如果为常数,而且D ,则在弹脆性场中出现破坏时,破坏速率表现在瞬间能量u( t) 的释放中. 煤岩体的破坏情况可通过瞬间能量的释放表现出来, 即产生声发射和电磁辐射.对于煤矿井下的煤岩体,其冲击破坏是能量的聚积和快速释放的结果. 但在生产实践中,确定冲击破坏的发生是非常困难的,必须首先建立煤岩冲击破坏预测准则。根据弹塑脆性模型,当煤岩体上所受的应力超过了其强度极限,或者当煤岩体的变形超过了最大变形时,煤岩体就破坏. 如果( t) 是观测到的实际变形值,则危险程度W ( t) 将由下式确定W ( t) = 0 , ( t) 0 ,0 W ( t) =( t) - 0 - 0 1 , ( t) 0 .(5)式(5) 即为煤岩体冲击破坏的判别准则.由煤岩损伤、变形破坏即能量释放的分析可知,煤岩变形破坏的变化率与声发射、电磁辐射的能量释放率成正比. 因此声发射或电磁辐射确定煤岩破坏的危险程度可采用同样的方式. 即0 W n ( t) =N ( t) - N0N - N0 1 , N ( t) N0 , (6)式中N0 , Nl , N ( t) 分别表示初始、极限和t 时刻的矿震或电磁辐射事件数(脉冲数) 。5.2冲击矿压分级预测技术5.2.1时空预测在时间上,冲击矿压的预测分早期综合分析预测和即时预测. 早期综合分析预测主要采用综合指数的方法,而即时预测则采用电磁辐射、微震和钻屑等方法进行。在空间上,冲击矿压的预测分区域预测、局部预测和点预测. 区域预测主要采用综合指数法和微震监测方法,而局部预测采用综合指数方法、微震法和电磁辐射法,点预测则采用钻屑方法.也就是采用综合指数法、微震法、电磁辐射法和钻屑法相结合,在时间上从早期预测到即时预测,在空间上从区域预测到局部、点预测,逐级排除和确认冲击矿压危险,实现分级预测,见图5.1.图5.1 冲击矿压危险的时空预测1) 早期与区域局部预测的综合指数法综合指数法就是通过对影响冲击矿压发生的地质及开采因素的分析,以及100 多次已发生冲击矿压事故的分析,确定出采掘工作面周围地质条件和开采条件的每个因素对冲击矿压的影响程度,以及各个因素对冲击矿压危险影响的指数。 通过综合分析,形成了冲击矿压危险状态等级评定的综合指数法。 综合指数法既是一种早期综合评价的方法,又是一种区域和局部预测的方法。这种综合指数法分地质因素确定的冲击矿压危险程度和开采因素确定的冲击矿压危险程度. 地质因素确定冲击危险主要考虑了冲击矿压发生的情况、开采深度、地质构造、坚硬顶板、顶板厚度特征参数、煤的冲击倾向性、煤的强度等7 个因素。 开采因素确定冲击危险主要考虑了开采技术条件、开采历史、煤柱、停采线、采空区、工作面接近煤层的变化带、工作面接近断层皱曲等12 个开采因素对冲击矿压发生的影响。对于一个矿井的采区和工作面,首先分析矿井的地质与开采因素对冲击矿压的影响,然后采用综合指数法,分析确定矿井的水平、采区、工作面各部分的冲击矿压危险指数,划分出冲击矿压的危险区域和重点防治区域。2) 即时与区域预测的微震法微震法就是记录采矿震动的能量,确定和分析震动的方向,对震中进行定位。 在此基础上,提出了冲击矿压危险性的微震分级预测技术。微震预测冲击矿压危险时,主要采用矿震时释放能量的大小来确定冲击矿压发生的危险程度. 当矿井的某个区域监测到矿震释放的能量大于发生冲击矿压的所需的最小能量时,则该区域的当前时间内有发生冲击矿压的危险性. 如果在矿井的某个区域内,在一定的时间内,已进行了微震监测,根据观测到的微震能量水平,就可以捕捉到冲击矿压危险信息,并进行预测.3) 即时与局部预测的电磁辐射法根据大量的实验室试验研究、现场实测分析研究、理论分析表明,煤岩冲击变形破坏的损伤速度、能量与电磁辐射的幅值、脉冲数成正比。在工作面采掘过程中,围岩发生破裂时,均有电磁辐射信号产生。电磁辐射信号的强度随着围岩受载程度的增大而增强,随变形速率的增加而增强。 与此同时,煤岩体电磁辐射的脉冲数随着载荷的增大及变形破裂过程的增强而增大. 载荷越大,加载速率越大,煤体的变形破裂越强烈,电磁辐射信号也越强。根据上述理论及电磁辐射观测规律,可采用电磁辐射的幅值和脉冲数变化率确定冲击矿压的危险前兆信息和进行预测预报。4) 即时与点预测的钻屑法钻屑法是通过在煤层中打直径4250 mm 的钻孔,根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应,鉴别冲击危险的一种方法。该方法的基本理论和最初试验始于20 世纪60 年代,其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系,即其他条件相同的煤体,当应力状态不同时,其钻孔的煤粉量也不同。 当单位长度的排粉率增大或超过标定值时,表示应力集中程度增加和冲击危险性提高。对于一定条件的煤体,在正常应力作用下,不同钻孔深度的煤体的应力状态是不同的,此时钻孔的煤粉量也不相同。 当煤层的应力集中程度增加或应力状态异常时,钻孔的煤粉量将发生改变。 根据煤粉量的变化,即可预测煤体的受力状态,并进一步预测冲击危险性。5.2.2冲击矿压危险性的分级预测上述时空预测的综合指数法、微震法、电磁辐射法和钻屑法分别确定了冲击矿压的危险性程度。综合指数法分析的是早期的、区域和局部的冲击矿压危险性程度;微震法确定的是顶板等震动引发冲击等的即时与区域性的冲击矿压危险性程度,电磁辐射法确定的是监测点20 m 范围内即时与局部的冲击矿压