《冲击地压防治》课件

本章提要冲击地压发生的原因、机理、预测及防治冲击地压发生的原因、机理冲击地压预测、防治方法

有较多的基本概念

本章特点

学习难点第八章冲击地压防治1本章提要冲击地压发生的原因、机理、预测及防治冲击地压发生第八章冲击地压防治

8.1冲击地压发生的机理

8.2冲击地压的预报

8.3冲击地压的防治2第八章冲击地压防治8.1冲击地压发生

世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。

1783年英国在世界上首先报导了煤矿中所发生的冲击地压现象。以后在前苏联、南非、德国、美国、加拿大、印度、英国等几十个国家和地区，冲击地压现象时有发生。在我国，冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。以后，随着开采深度的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚顺、枣庄、开深、大同、北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后有冲击地压现象发生。

随着开采深度的不断增加，冲击地压的危害将更加突出。

冲击地压研究现状：3世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威我国冲击地压灾害日趋严重

截止2004年年底，新发生冲击地压的矿井近70个，分布范围扩大到新汶、徐州、兖州、华亭等局矿开采深度已达到750～1250m仅1997年至2004年底，在大同、抚顺、北京、华亭、阜新等局矿因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达10余起，死伤人数达百余人。冲击地压发生机理至今尚不完全清楚冲击地压预测防治的有效性不高冲击倾向性和冲击危险性还不能够从本质上认识冲击地压问题

4我国冲击地压灾害日趋严重冲击地压发生机理至今尚不完全清楚冲02004006008001000198519901995200020052010年份采深/M020406080100120140数量冲击地压矿井平均开采深度冲击地压矿井数量图8.1冲击地压矿井数量与采深随时间变化5020040060080010001985199019952冲击地压发生的“三因素”理论内在因素（冲击倾向性）力源因素（采动应力集中）结构因素（弱面软层结构）6冲击地压发生的“三因素”理论内在因素（冲击倾向性）6回采冲击地压煤层压缩弹性能释放坚硬顶板弯曲弹性能释放单一重力应力场（重力型）构造复合应力场（构造型）单一重力应力场（重力型）构造复合应力场（构造型）初采阶段初采阶段正常推进阶段正常推进阶段发生原因实现条件判断准则预测方法控制措施7回采冲击地压煤层压缩弹性能释放坚硬顶板弯曲弹性能释放单一重力单一重力应力场（重力型）掘进工作面冲击地压原始应力场掘进巷道采动应力场掘进巷道构造复合应力场（构造型）单一重力应力场（重力型）构造复合应力场（构造型）控制措施预测方法判断准则破坏特点实现条件发生原因8单一重力应力场掘进工作面冲击地压原始应力场掘进巷道采动应力场8.1冲击地压发生的机理

煤矿动力现象主要有：冲击地压、煤(岩)与瓦斯突出、大面积冒顶或老顶突然来压、矿震四类。冲击地压的定义：

冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。

1992年以前，我国有50余个煤矿发生了冲击地压。

比较突出的有北京矿务局门头沟煤矿、抚顺矿务局龙凤煤矿、枣庄矿务局陶庄煤矿、大同矿务局忻州窑煤矿、四川省天池煤矿和新汶矿务局华丰煤矿等。98.1冲击地压发生的机理9

我国煤矿冲击地压显现具有如下特征:

1、突发性。发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间为几秒到几十秒。

2、一般表现为煤爆(煤壁爆裂、小块抛射)。浅部冲击(发生在煤壁2m~6m范围内，破坏性大)和深部冲击(发生在煤体深处，声如闷雷，破坏程度不高)。

最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生了岩爆。在煤层冲击中，多数表现为煤块抛出，少数为数十平方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波。10我国煤矿冲击地压显现具有如下特征:103、具有破坏性。

往往造成煤壁片帮、顶板下沉、底鼓、支架折损、巷道堵塞、人员伤亡。4、具有复杂性。

在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深从200m～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等，都发生过冲击地压。在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面，不论水采、炮采、普采或是综采，采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法，是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采，都发生过冲击地压。

无煤柱长壁开采法冲击次数较少。113、具有破坏性。11冲击地压的分类

应力状态

显现强度

震级强度和抛出的煤量

发生的不同地点和位置12冲击地压的分类应力状态12(一)根据原岩(煤)体的应力状态分类1、重力应力型冲击地压。如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击地压。2、构造应力型冲击地压。如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。3、中间型或重力—构造型冲击地压。主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。13(一)根据原岩(煤)体的应力状态分类13

(二)根据冲击的显现强度分类

1、弹射。一些单个碎块从处于高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）内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤（岩）并不向已采空间抛出，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。煤或岩石向已采空间抛出，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2.2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2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。14(二)根据冲击的显现强度分类14(三)根据震级强度和抛出的煤量分类

1、轻微冲击:抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击地压。2、中等冲击:抛出煤量在1Ot~50t以下，震级在1级～2级的冲击地压。3、强烈冲击:抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击地压。

一般面波震级Ms＝1时，矿区附近部分居民有震感；Ms=2时，对井上下有不同程度的破坏；Ms>2时，地面建筑物将出现明显裂缝破坏。15(三)根据震级强度和抛出的煤量分类15

(四)根据发生的地点和位置分类

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。16(四)根据发生的地点和位置分类16

冲击地压的成因和机理

对冲击地压成因和机理的解释主要有

强度理论

能量理论

冲击倾向理论

失稳理论

(一)强度理论

该理论认为，冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体—围岩力学系统的综合强度。

机理为:较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤体—围岩交界处的变形(见图8-2)。17冲击地压的成因和机理17图8.2冲击地压发生机理18图8.2冲击地压发生机理18

由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。从极限平衡和弹性能释放的意义上来看，夹持起了闭锁作用。在煤体夹持带内，压力高、并储存有相当高的弹性能，高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏运动，抛向已采空间，形成冲击地压。分析:19由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿(二)能量理论

该理论认为:当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。

刚性理论也是一种能量理论，它认为发生冲击地压的条件是:矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度，即系统内所储存的能量大于消耗于破坏和运动的能量时，将发生冲击地压。20(二)能量理论20

(三)冲击倾向理论

该理论认为:发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。

可利用一些试验或实测指标对发生冲击地压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。

其条件是:介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标主要有:弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。

上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。其中强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分必要条件。21(三)冲击倾向理论21

(四)失稳理论

近年来，我国一些学者认为:根据岩石全应力—应变曲线，在上凸硬化阶段，煤、岩抗变形(包括裂纹和裂缝)的能力是增大的，介质是稳定的；在下凹软化阶段，由于外载超过其峰值强度，裂纹迅速传播和扩展，发生微裂纹密集而连通的现象，使其抗变形能力降低，介质是非稳定的。在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲击地压。由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。这种静疲劳现象，可以使介质处于不稳定状态。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过程，即发生急剧、猛烈的破坏。22(四)失稳理论22冲击地压的影晌因素

(一)地质因素

主要包括开采深度、地质构造、煤岩结构和力学特性等。开采深度的加大使地应力值增加。一般在达到一定开采深度后才开始发生冲击地压，此深度称为冲击地压临界深度。临界深度值随条件不同而异，一般大于200m，总的趋势是随采深增加，冲击危险性增加。这主要是由于随采深增加，原岩应力增大的缘故。地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等也影响冲击地压的发生。宽缓向斜轴部易于形成冲击地压；断裂如是一个开采边界，若回采方向朝向断层面，则冲击危险增加；煤层倾角和厚度局部突然变化地带，实际是局部地质构造应力积聚地带，因而极易发生冲击地压。23冲击地压的影晌因素23

煤岩结构及性能也是冲击地压影响的主要因素。

坚硬、厚层、整体性强的顶板(老顶)，易形成冲击地压;直接顶厚度适中、与老顶组合性好、不易冒落，冲击危险较大;煤的强度高、弹性模量大、含水量低、变质程度高、暗煤比例大，一般冲击倾向较强。24煤岩结构及性能也是冲击地压影响的主要因素。24组合煤岩的冲击倾向性（齐庆新）冲击地压的发生不仅仅与煤、岩层的冲击倾向性有关，而且与煤岩层的结构特点和煤岩层的组合形式具有密切的关系为使煤岩冲击倾向性测定更能充分反映煤岩层实际特点，开展了煤岩组合模型的冲击倾向性实验测定研究。25组合煤岩的冲击倾向性（齐庆新）25各类煤岩组合模型的组合方式组合形式高度比例组合形式高度比例煤：直接顶：基本顶1：1：1底板：煤：基本顶1：1：1煤：直接顶1：1煤：直接顶1：2煤：底板1：1煤：基本顶1：1煤：基本顶1：2煤：基本顶1：3底板：煤：基本顶1：1：126各类煤岩组合模型的组合方式组合形式高度比例组合形式高度比例煤（a）组合模型；（b）、（c）组合模型承压破坏的状况图8.3组合模型破坏前后的状况27（a）组合模型；（b）、（c）组合模型承压破坏的状况27图8.4某矿煤的动态破坏时间曲线

28图8.4某矿煤的动态破坏时间曲线28

图8.5某矿煤的冲击能量曲线

29图8.5某矿煤的冲击能量曲线29图8.6某矿煤的弹性能量曲线对比

30图8.6某矿煤的弹性能量曲线对比30组合模型的冲击倾向性强于单一煤试件组合模型的抗压强度高于单一煤试件，变形量大于单一煤试件用组合模型测定冲击倾向性与所用煤、岩石自身的性质具有很大关系：煤、岩石的抗压强度都高，冲击倾向性强，组合后冲击倾向性更加剧烈；煤与岩石的抗压强度相差无几，组合模型的冲击倾向性变化不大；岩石比煤的抗压强度越高，组合模型的冲击倾向性比单一煤试件的越强烈。分析31组合模型的冲击倾向性强于单一煤试件分析31(二)开采技术因素

开采多煤层时，任何造成应力集中的因素，均对防治冲击地压不利。如开采程序不合理、本层回采不干净、相邻两层开采错距不合适等；从防治冲击地压的角度而言，壁式开采优于柱式开采，旱采优于水采，直线工作面优于曲线工作面，冒落法优于充填法；煤柱和开采边界是最主要的应力集中因素，应尽量避免和减少这些因素的有害影响。32(二)开采技术因素32

国内外大量实践表明，冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序(如爆破、冒顶、采煤等)而发生，这些因素称为诱导因素。诱导因素本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压而释放的能量及其破坏性却很大。因而，诱导因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。33国内外大量实践表明，冲击地压往往伴随着井下生产过程8.2冲击地压的预报WET法

该方法是波兰采矿研究总院提出的，用于测定煤层冲击倾向。WET为弹性能与永久变形消耗能之比。波兰采矿研究总院规定:WET>5为强冲击倾向；2<WET<5为弱冲击倾向；WET<2为无冲击倾向。该方法虽存在一些不足之处，但基本适于我国情况，可作为煤层冲击倾向鉴定指标之一。348.2冲击地压的预报34弹性变形法

它是前苏联矿山测量研究院提出的用于测定冲击地压的方法。即在载荷不小于强度极限80%的条件下，用反复加载和卸载循环得到的弹性变形量与总变形量之比(K)，作为衡量冲击倾向度的指标。当K≥0.7时，有发生冲击地压的危险。35弹性变形法35煤岩强度和弹性系数法

该方法是用煤岩的单向抗压强度或弹性模量的绝对值，作为衡量冲击倾向度的指标。

这种方法较为简单，经常用作辅助指标。其指标的界限值必须根据各矿井的试样进行试验确定。我国《煤矿安全规程》中规定：“开采冲击地压煤层时，冲击危险程度和采取措施后的实际效率，可采用钻粉率指标法、地音法、微震法等方法确定”。36煤岩强度和弹性系数法36

(一)钻粉率指标法

钻粉率指标法又称为钻粉率指数法或钻孔检验法。它是用小直径(42mm～45mm)钻孔，根据打钻不同深度时排出的钻屑量及其变化规律来判断岩体内应力集中情况，鉴别发生冲击地压的倾向和位置。

在钻进过程中，出现危险煤粉量测值或钻杆被卡死的现象，则认为具有冲击危险，应采取相应的解危措施。

(二)、地音、微震监测法

岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中，必然以脉冲形式释放弹性能，产生应力波或声发射现象(地音)。显然，声发射信号的强弱反映了煤岩体破坏时的能量释放过程。由此可知，地音监测法的原理是，用微震仪或拾震器连续或间断地监测岩体的地音现象。根据测得的地音波或微震波的变化规律与正常波的对比，判断煤岩体发生冲击倾向度。37(一)钻粉率指标法37工程地震探测法

用人工方法造成地震，探测这种地震波的传插速度，编制出波速与时间的关系图，波速增大段表示有较大的应力作用，结合地质和开采技术条件分析、判断发生冲击地压的倾向度。综合测定法

为了能够更准确地判断出发生冲击地压的地点和时间，可同时采用上述两种以上的方法，根据多因素的变化，综合加以确定。国内外常使用的是钻屑法、地音监测法、地质及开采技术条件分析的综合方法。38工程地震探测法388.3冲击地压的防治

根据发生冲击地压的成因和机理，防治冲击地压的措施的基本原理有两方面:

降低应力的集中程度；

改变煤岩体的物理力学性能，以减弱积聚弹性能的能力和释放速率。398.3冲击地压的防治39降低应力的集中减弱煤层区域内的矿山压力值方法有:1、开采保护层；2、无煤柱开采，在采区内不留煤柱和煤体突出部分，禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采；3、合理安排开采顺序，避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在采煤工作面前方掘进巷道，必要时应在岩石或安全层内掘进巷道，禁止工作面对采和追采。40降低应力的集中40采用合理的开拓布置和开采方式

实践表明，合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加，防止冲击地压关系极大。大量实例证明，多数冲击地压是由于开采技术不合理而造成的。不正确的开拓开采方式一经形成就难于改变，临到煤层开采时，只能采取局部措施，而且耗费很大，效果有限。所以，合理的开拓布置和开采方式是防治冲击地压的根本性措施。41采用合理的开拓布置和开采方式41

其主要原则是:(1)开采煤层群时，开拓布置应有利于保护层开采。(2)划分井田或采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。(3)采区或盘区的采煤工作面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。(4)在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。(5)有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久峒室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。(6)开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采方法。(7)顶板管理尽量采用全部垮落法，工作面支架应采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。42其主要原则是:42冲击地压的解危措施

它属于暂时的局部性措施，包括

煤层爆破卸压钻孔卸压诱发爆破等43冲击地压的解危措施43

按照冲击地压发生的强度条件和能量条件，工作面附近煤层被顶底板紧紧地夹持着，承受极高的载荷，虽并未破碎，却积聚大量的变形能。这时煤体和围岩形成的三轴压缩应力与矿山压力处于临界平衡状态。

采取的各种卸压解危措施，正是为了减缓这种临界状态，把夹持状态下煤层的侧向约束解除掉，使已形成的局部高压力分散转移到较广区域。由于卸压措施造成煤体局部破裂，降低了强度，应力重新分布，从而释放或降低了煤岩体中的弹性能，使工作面前方一定范围内成为安全区。44按照冲击地压发生的强度条件和能量条件，工作面附近1、爆破卸压

爆破卸压是指对形成冲击危险的煤体，用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。实施爆破卸压应采取深孔爆破方法，孔深应达到支承压力峰值区。

装药位置越靠近峰值区，炸药威力越大，爆破解除煤层应力的效果越好。该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。451、爆破卸压45爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件，即在有冲击地压危险的工作面卸压和在近煤壁一定宽度的条带内破坏煤的结构(但不落煤)，使它不能积聚弹性能或达不到威胁安全的程度。在工作面前方形成一条卸压保护带，隔绝了工作空间处于煤层深处的高应力区。显然，从防治冲击地压的角度看，应用尽量多的炸药爆破出尽量宽的保护带，但实际上要达到这个目的，目前技术条件还不够。多年的观测实践证明，如果能保证在工作面前方和巷道两帮始终保持一个宽5m～1Om的保护带，就能防止冲击地压的危害。46爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件，即在2、诱发爆破

诱发爆破是在监测到有冲击危险的情况下，利用较多药量进行爆破，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大损害的一种解危措施。

实行诱发爆破必须慎重行事。作为辅助手段，诱发爆破只有在存在严重冲击危险的情况下，其他方法无效或无法实施时才应用。实施地点多用于煤柱回收时，与钻屑法检测孔配合互用。472、诱发爆破47

孔距2m～5m，孔深按冲击危险区范围确定。可平行走向或倾斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，钻大量较长的钻孔直达高应力带。采用大药量、集中装药和同时引爆的方法，以便使煤岩体强烈震动，诱发冲击地压，或造成煤体强烈卸压、释放能量，把高应力带移向煤体深部。集中爆破的药量越多，诱发冲击地压的可能性越大。48孔距2m～5m，孔深按冲击危险区范围确定改变煤层的物理力学性能

改变煤层的物理力学性能主要有:

高压注水放松动炮钻孔槽卸压等方法。49改变煤层的物理力学性能49开采有冲击地压煤层应注意的问题

1、开采有冲击地压煤层的矿务局(公司)、煤矿都应有专人负责防治冲击地压的工作。应装备微震、地音监测等装备，进行冲击地压预测预报工作。2、开采有冲击地压的煤层，必须编制设计，报矿务局(公司)、矿总工程师批准。有冲击地压的煤层中，掘进工作面临近大型地质构造、采空区和通过其他集中应力区以及回收煤柱时，必须制订措施，报矿总工程师批准。50开采有冲击地压煤层应注意的问题50

3、开采有冲击地压危险煤层的工作人员，都必须接受有关防治冲击地压基本知识的教育，熟悉冲击地压发生的原因、条件和征兆以及应急措施。

防治冲击地压的措施中，必须规定发生冲击地压时的撤人路线。每次发生冲击地压后，必须组织人员到现场进行调查，记录好发生前的征兆、发生经过、有关数据及其破坏情况，并制订恢复工作的防治措施，报矿务局(公司)、矿总工程批准。513、开采有冲击地压危险煤层的工作人员，都必须

4、有严重冲击地压煤层在开拓时，应在岩层或无冲击地压的煤层中掘进集中巷道。开采时，在采空区不得留有煤柱。如果在采空区留有煤柱，必须将煤柱的位置尺寸以及影响范围标在采掘工程图上。永久峒室不得布置在有冲击地压的煤层中。5、开采煤层群时，首先开采无冲击地压或弱冲击地压煤层作为保护层，开采保护层后，在被保护层中确实受到保护的地区，可按无冲击地压煤层进行采掘工作。在未受保护的地区，必须采取放顶卸压、煤层注水、打卸压钻孔、超前爆破松动煤体或其他防治措施。

开采有严重冲击地压的单一煤层和无保护层可采的煤层时，必须采取规定的防治冲击地压的措施。524、有严重冲击地压煤层在开拓时，应在岩层或无冲

6、保护层有效范围的划定方法和保护层回采的超前距离，应根据对矿井实际考察的结果确定。7、开采有冲击地压煤层时，冲击危险程度和采取措施后的实际效果，都可采用钻屑法、地音法、微震法或其他方法确定。对有冲击地压危险的煤层，可根据预测预报等实际考察资料和积累的数据。划分煤层的冲击地压危险程度等级，以便按其等级制定冲击地压的综合防治措施。8、对有冲击地压的煤层，应根据顶板岩性掘进宽巷或沿采空区边缘掘进巷道，巷道支护应采用可缩性支架，严禁采用混凝土、金属等刚性支架。536、保护层有效范围的划定方法和保护层回采

9、有严重冲击地压的厚煤层中，所有巷道都应布置在应力集中圈外。煤巷双巷掘进时，2条平行巷道之间的煤柱不得小于8m，联络巷道应与2条平行巷道成直角。10、开采有冲击地压的煤层，应用垮落法控制顶板，并提高切顶支架的工作阻力，采空区中所有支柱必须回净。11、有冲击地压的煤层中，在1个或相邻的2个采区中，同一煤层的同一分阶段，在应力集中的影响范围内，不得布置2个工作面同时相向或向背回采。如果2个工作面相向掘进，在相距30m时，必须停止其中一个掘进工作面，以免引起严重冲击危险；停产3d以上的采煤工作面，恢复生产的前一班，应鉴定冲击地压危险程度，以便采取安全措施。549、有严重冲击地压的厚煤层中，所

12、严重冲击地压的煤层中，采掘工作面的爆破撤人距离和爆破后进入工作面的时间，必须在作业规程中明确规定。13、三面或四面被采空区所包围的地区和构造应力区、进行回采和回收煤柱时，必须制订防治冲击地压的安全措施，报矿总工程师批准。5512、严重冲击地压的煤层中，采掘工作面的爆几个概念：冲击倾向性冲击危险性冲击地压、岩爆、矿震冲击地压预测冲击地压防治56几个概念：冲击倾向性56冲击地压：煤岩体在高应力作用下产生的动力破坏现象。岩爆：高地应力条件下硬脆性围岩因弹性应变能突然释放而产生的爆裂、剥落、弹射甚至抛掷。

矿震：采矿活动而引起的诱发地震。既有联系，又有显著差异震级、烈度、震源分级分类：应以破坏为主失稳、破坏、过程、局部性57冲击地压：煤岩体在高应力作用下产生的既有联系，又有显著差异失图8.7岩爆现象描述

58图8.7岩爆现象描述58组合煤岩的摩擦滑动失稳实验岩石材料的摩擦滑动性状：两种滑动特性，即稳定滑动和粘滑实际发生冲击地压的煤岩体：“三硬”结构，且在顶板与煤层之间存在着一层较薄的粉状软煤实际冲击地压多发生在断层、背向斜构造及煤层变薄带附近冲击后主要表现为煤体的冲出59组合煤岩的摩擦滑动失稳实验59

本章提要冲击地压发生的原因、机理、预测及防治冲击地压发生的原因、机理冲击地压预测、防治方法

有较多的基本概念

本章特点

学习难点第八章冲击地压防治60本章提要冲击地压发生的原因、机理、预测及防治冲击地压发生第八章冲击地压防治

8.1冲击地压发生的机理

8.2冲击地压的预报

8.3冲击地压的防治61第八章冲击地压防治8.1冲击地压发生

世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。

1783年英国在世界上首先报导了煤矿中所发生的冲击地压现象。以后在前苏联、南非、德国、美国、加拿大、印度、英国等几十个国家和地区，冲击地压现象时有发生。在我国，冲击地压最早于1933年发生在抚顺胜利煤矿。以后，随着开采深度的增加和开采范围的不断扩大，北京、抚顺、枣庄、开深、大同、北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后有冲击地压现象发生。

随着开采深度的不断增加，冲击地压的危害将更加突出。

冲击地压研究现状：62世界上几乎所有国家都不同程度地受到冲击地压的威我国冲击地压灾害日趋严重

截止2004年年底，新发生冲击地压的矿井近70个，分布范围扩大到新汶、徐州、兖州、华亭等局矿开采深度已达到750～1250m仅1997年至2004年底，在大同、抚顺、北京、华亭、阜新等局矿因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达10余起，死伤人数达百余人。冲击地压发生机理至今尚不完全清楚冲击地压预测防治的有效性不高冲击倾向性和冲击危险性还不能够从本质上认识冲击地压问题

63我国冲击地压灾害日趋严重冲击地压发生机理至今尚不完全清楚冲02004006008001000198519901995200020052010年份采深/M020406080100120140数量冲击地压矿井平均开采深度冲击地压矿井数量图8.1冲击地压矿井数量与采深随时间变化64020040060080010001985199019952冲击地压发生的“三因素”理论内在因素（冲击倾向性）力源因素（采动应力集中）结构因素（弱面软层结构）65冲击地压发生的“三因素”理论内在因素（冲击倾向性）6回采冲击地压煤层压缩弹性能释放坚硬顶板弯曲弹性能释放单一重力应力场（重力型）构造复合应力场（构造型）单一重力应力场（重力型）构造复合应力场（构造型）初采阶段初采阶段正常推进阶段正常推进阶段发生原因实现条件判断准则预测方法控制措施66回采冲击地压煤层压缩弹性能释放坚硬顶板弯曲弹性能释放单一重力单一重力应力场（重力型）掘进工作面冲击地压原始应力场掘进巷道采动应力场掘进巷道构造复合应力场（构造型）单一重力应力场（重力型）构造复合应力场（构造型）控制措施预测方法判断准则破坏特点实现条件发生原因67单一重力应力场掘进工作面冲击地压原始应力场掘进巷道采动应力场8.1冲击地压发生的机理

煤矿动力现象主要有：冲击地压、煤(岩)与瓦斯突出、大面积冒顶或老顶突然来压、矿震四类。冲击地压的定义：

冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。

1992年以前，我国有50余个煤矿发生了冲击地压。

比较突出的有北京矿务局门头沟煤矿、抚顺矿务局龙凤煤矿、枣庄矿务局陶庄煤矿、大同矿务局忻州窑煤矿、四川省天池煤矿和新汶矿务局华丰煤矿等。688.1冲击地压发生的机理9

我国煤矿冲击地压显现具有如下特征:

1、突发性。发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间为几秒到几十秒。

2、一般表现为煤爆(煤壁爆裂、小块抛射)。浅部冲击(发生在煤壁2m~6m范围内，破坏性大)和深部冲击(发生在煤体深处，声如闷雷，破坏程度不高)。

最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生了岩爆。在煤层冲击中，多数表现为煤块抛出，少数为数十平方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波。69我国煤矿冲击地压显现具有如下特征:103、具有破坏性。

往往造成煤壁片帮、顶板下沉、底鼓、支架折损、巷道堵塞、人员伤亡。4、具有复杂性。

在自然地质条件上，除褐煤以外的各煤种，采深从200m～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等，都发生过冲击地压。在采煤方法和采煤工艺等技术条件方面，不论水采、炮采、普采或是综采，采空区处理采用全部垮落法或是水力充填法，是长壁、短壁、房柱式开采或是柱式开采，都发生过冲击地压。

无煤柱长壁开采法冲击次数较少。703、具有破坏性。11冲击地压的分类

应力状态

显现强度

震级强度和抛出的煤量

发生的不同地点和位置71冲击地压的分类应力状态12(一)根据原岩(煤)体的应力状态分类1、重力应力型冲击地压。如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击地压。2、构造应力型冲击地压。如北票矿务局和天池煤矿发生的冲击地压。3、中间型或重力—构造型冲击地压。主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压。72(一)根据原岩(煤)体的应力状态分类13

(二)根据冲击的显现强度分类

1、弹射。一些单个碎块从处于高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）内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，煤（岩）并不向已采空间抛出，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。煤或岩石向已采空间抛出，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2.2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2.3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。73(二)根据冲击的显现强度分类14(三)根据震级强度和抛出的煤量分类

1、轻微冲击:抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击地压。2、中等冲击:抛出煤量在1Ot~50t以下，震级在1级～2级的冲击地压。3、强烈冲击:抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击地压。

一般面波震级Ms＝1时，矿区附近部分居民有震感；Ms=2时，对井上下有不同程度的破坏；Ms>2时，地面建筑物将出现明显裂缝破坏。74(三)根据震级强度和抛出的煤量分类15

(四)根据发生的地点和位置分类

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。75(四)根据发生的地点和位置分类16

冲击地压的成因和机理

对冲击地压成因和机理的解释主要有

强度理论

能量理论

冲击倾向理论

失稳理论

(一)强度理论

该理论认为，冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体—围岩力学系统的综合强度。

机理为:较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤体—围岩交界处的变形(见图8-2)。76冲击地压的成因和机理17图8.2冲击地压发生机理77图8.2冲击地压发生机理18

由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。从极限平衡和弹性能释放的意义上来看，夹持起了闭锁作用。在煤体夹持带内，压力高、并储存有相当高的弹性能，高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏运动，抛向已采空间，形成冲击地压。分析:78由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿(二)能量理论

该理论认为:当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。

刚性理论也是一种能量理论，它认为发生冲击地压的条件是:矿山结构(矿体)的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度，即系统内所储存的能量大于消耗于破坏和运动的能量时，将发生冲击地压。79(二)能量理论20

(三)冲击倾向理论

该理论认为:发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。

可利用一些试验或实测指标对发生冲击地压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。

其条件是:介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标主要有:弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。

上述三种理论提出了发生冲击地压的三个准则，即强度准则、能量准则和冲击倾向度准则。其中强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分必要条件。80(三)冲击倾向理论21

(四)失稳理论

近年来，我国一些学者认为:根据岩石全应力—应变曲线，在上凸硬化阶段，煤、岩抗变形(包括裂纹和裂缝)的能力是增大的，介质是稳定的；在下凹软化阶段，由于外载超过其峰值强度，裂纹迅速传播和扩展，发生微裂纹密集而连通的现象，使其抗变形能力降低，介质是非稳定的。在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲击地压。由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。这种静疲劳现象，可以使介质处于不稳定状态。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过程，即发生急剧、猛烈的破坏。81(四)失稳理论22冲击地压的影晌因素

(一)地质因素

主要包括开采深度、地质构造、煤岩结构和力学特性等。开采深度的加大使地应力值增加。一般在达到一定开采深度后才开始发生冲击地压，此深度称为冲击地压临界深度。临界深度值随条件不同而异，一般大于200m，总的趋势是随采深增加，冲击危险性增加。这主要是由于随采深增加，原岩应力增大的缘故。地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等也影响冲击地压的发生。宽缓向斜轴部易于形成冲击地压；断裂如是一个开采边界，若回采方向朝向断层面，则冲击危险增加；煤层倾角和厚度局部突然变化地带，实际是局部地质构造应力积聚地带，因而极易发生冲击地压。82冲击地压的影晌因素23

煤岩结构及性能也是冲击地压影响的主要因素。

坚硬、厚层、整体性强的顶板(老顶)，易形成冲击地压;直接顶厚度适中、与老顶组合性好、不易冒落，冲击危险较大;煤的强度高、弹性模量大、含水量低、变质程度高、暗煤比例大，一般冲击倾向较强。83煤岩结构及性能也是冲击地压影响的主要因素。24组合煤岩的冲击倾向性（齐庆新）冲击地压的发生不仅仅与煤、岩层的冲击倾向性有关，而且与煤岩层的结构特点和煤岩层的组合形式具有密切的关系为使煤岩冲击倾向性测定更能充分反映煤岩层实际特点，开展了煤岩组合模型的冲击倾向性实验测定研究。84组合煤岩的冲击倾向性（齐庆新）25各类煤岩组合模型的组合方式组合形式高度比例组合形式高度比例煤：直接顶：基本顶1：1：1底板：煤：基本顶1：1：1煤：直接顶1：1煤：直接顶1：2煤：底板1：1煤：基本顶1：1煤：基本顶1：2煤：基本顶1：3底板：煤：基本顶1：1：185各类煤岩组合模型的组合方式组合形式高度比例组合形式高度比例煤（a）组合模型；（b）、（c）组合模型承压破坏的状况图8.3组合模型破坏前后的状况86（a）组合模型；（b）、（c）组合模型承压破坏的状况27图8.4某矿煤的动态破坏时间曲线

87图8.4某矿煤的动态破坏时间曲线28

图8.5某矿煤的冲击能量曲线

88图8.5某矿煤的冲击能量曲线29图8.6某矿煤的弹性能量曲线对比

89图8.6某矿煤的弹性能量曲线对比30组合模型的冲击倾向性强于单一煤试件组合模型的抗压强度高于单一煤试件，变形量大于单一煤试件用组合模型测定冲击倾向性与所用煤、岩石自身的性质具有很大关系：煤、岩石的抗压强度都高，冲击倾向性强，组合后冲击倾向性更加剧烈；煤与岩石的抗压强度相差无几，组合模型的冲击倾向性变化不大；岩石比煤的抗压强度越高，组合模型的冲击倾向性比单一煤试件的越强烈。分析90组合模型的冲击倾向性强于单一煤试件分析31(二)开采技术因素

开采多煤层时，任何造成应力集中的因素，均对防治冲击地压不利。如开采程序不合理、本层回采不干净、相邻两层开采错距不合适等；从防治冲击地压的角度而言，壁式开采优于柱式开采，旱采优于水采，直线工作面优于曲线工作面，冒落法优于充填法；煤柱和开采边界是最主要的应力集中因素，应尽量避免和减少这些因素的有害影响。91(二)开采技术因素32

国内外大量实践表明，冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序(如爆破、冒顶、采煤等)而发生，这些因素称为诱导因素。诱导因素本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压而释放的能量及其破坏性却很大。因而，诱导因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。92国内外大量实践表明，冲击地压往往伴随着井下生产过程8.2冲击地压的预报WET法

该方法是波兰采矿研究总院提出的，用于测定煤层冲击倾向。WET为弹性能与永久变形消耗能之比。波兰采矿研究总院规定:WET>5为强冲击倾向；2<WET<5为弱冲击倾向；WET<2为无冲击倾向。该方法虽存在一些不足之处，但基本适于我国情况，可作为煤层冲击倾向鉴定指标之一。938.2冲击地压的预报34弹性变形法

它是前苏联矿山测量研究院提出的用于测定冲击地压的方法。即在载荷不小于强度极限80%的条件下，用反复加载和卸载循环得到的弹性变形量与总变形量之比(K)，作为衡量冲击倾向度的指标。当K≥0.7时，有发生冲击地压的危险。94弹性变形法35煤岩强度和弹性系数法

该方法是用煤岩的单向抗压强度或弹性模量的绝对值，作为衡量冲击倾向度的指标。

这种方法较为简单，经常用作辅助指标。其指标的界限值必须根据各矿井的试样进行试验确定。我国《煤矿安全规程》中规定：“开采冲击地压煤层时，冲击危险程度和采取措施后的实际效率，可采用钻粉率指标法、地音法、微震法等方法确定”。95煤岩强度和弹性系数法36

(一)钻粉率指标法

钻粉率指标法又称为钻粉率指数法或钻孔检验法。它是用小直径(42mm～45mm)钻孔，根据打钻不同深度时排出的钻屑量及其变化规律来判断岩体内应力集中情况，鉴别发生冲击地压的倾向和位置。

在钻进过程中，出现危险煤粉量测值或钻杆被卡死的现象，则认为具有冲击危险，应采取相应的解危措施。

(二)、地音、微震监测法

岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中，必然以脉冲形式释放弹性能，产生应力波或声发射现象(地音)。显然，声发射信号的强弱反映了煤岩体破坏时的能量释放过程。由此可知，地音监测法的原理是，用微震仪或拾震器连续或间断地监测岩体的地音现象。根据测得的地音波或微震波的变化规律与正常波的对比，判断煤岩体发生冲击倾向度。96(一)钻粉率指标法37工程地震探测法

用人工方法造成地震，探测这种地震波的传插速度，编制出波速与时间的关系图，波速增大段表示有较大的应力作用，结合地质和开采技术条件分析、判断发生冲击地压的倾向度。综合测定法

为了能够更准确地判断出发生冲击地压的地点和时间，可同时采用上述两种以上的方法，根据多因素的变化，综合加以确定。国内外常使用的是钻屑法、地音监测法、地质及开采技术条件分析的综合方法。97工程地震探测法388.3冲击地压的防治

根据发生冲击地压的成因和机理，防治冲击地压的措施的基本原理有两方面:

降低应力的集中程度；

改变煤岩体的物理力学性能，以减弱积聚弹性能的能力和释放速率。988.3冲击地压的防治39降低应力的集中减弱煤层区域内的矿山压力值方法有:1、开采保护层；2、无煤柱开采，在采区内不留煤柱和煤体突出部分，禁止在邻近层煤柱的影响范围内开采；3、合理安排开采顺序，避免形成三面采空状态的回采区段或条带和在采煤工作面前方掘进巷道，必要时应在岩石或安全层内掘进巷道，禁止工作面对采和追采。99降低应力的集中40采用合理的开拓布置和开采方式

实践表明，合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加，防止冲击地压关系极大。大量实例证明，多数冲击地压是由于开采技术不合理而造成的。不正确的开拓开采方式一经形成就难于改变，临到煤层开采时，只能采取局部措施，而且耗费很大，效果有限。所以，合理的开拓布置和开采方式是防治冲击地压的根本性措施。100采用合理的开拓布置和开采方式41

其主要原则是:(1)开采煤层群时，开拓布置应有利于保护层开采。(2)划分井田或采区时，应保证合理的开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。(3)采区或盘区的采煤工作面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。(4)在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。(5)有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久峒室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。(6)开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采方法。(7)顶板管理尽量采用全部垮落法，工作面支架应采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。101其主要原则是:42冲击地压的解危措施

它属于暂时的局部性措施，包括

煤层爆破卸压钻孔卸压诱发爆破等102冲击地压的解危措施43

按照冲击地压发生的强度条件和能量条件，工作面附近煤层被顶底板紧紧地夹持着，承受极高的载荷，虽并未破碎，却积聚大量的变形能。这时煤体和围岩形成的三轴压缩应力与矿山压力处于临界平衡状态。

采取的各种卸压解危措施，正是为了减缓这种临界状态，把夹持状态下煤层的侧向约束解除掉，使已形成的局部高压力分散转移到较广区域。由于卸压措施造成煤体局部破裂，降低了强度，应力重新分布，从而释放或降低了煤岩体中的弹性能，使工作面前方一定范围内成为安全区。103按照冲击地压发生的强度条件和能量条件，工作面附近1、爆破卸压

爆破卸压是指对形成冲击危险的煤体，用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。实施爆破卸压应采取深孔爆破方法，孔深应达到支承压力峰值区。

装药位置越靠近峰值区，炸药威力越大，爆破解除煤层应力的效果越好。该法适用于顶板比较完整的条件下或作为煤层注水时的辅助措施。1041、爆破卸压45爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件，即在有冲击地压危险的工作面卸压和在近煤壁一定宽度的条带内破坏煤的结构(但不落煤)，使它不能积聚弹性能或达不到威胁安全的程度。在工作面前方形成一条卸压保护带，隔绝了工作空间处于煤层深处的高应力区。显然，从防治冲击地压的角度看，应用尽量多的炸药爆破出尽量宽的保护带，但实际上要达到这个目的，目前技术条件还不够。多年的观测实践证明，如果能保证在工作面前方和巷道两帮始终保持一个宽5m～1Om的保护带，就能防止冲击地压的危害。105爆破卸压能同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件，即在2、诱发爆破

诱发爆破是在监测到有冲击危险的情况下，利用较多药量进行爆破，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大损害的一种解危措施。

实行诱发爆破必须慎重行事。作为辅助手段，诱发爆破只有在存在严重冲击危险的情况下，其他方法无效或无法实施时才应用。实施地点多用于煤柱回收时，与钻屑法检测孔配合互用。1062、诱发爆破47

孔距2m～5m，孔深按冲击危险区范围确定。可平行走向或倾斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，钻大量较长的钻孔直达高应力带。采用大药量、