冲击地压讲座

冲击地压第一章冲击地压概述第二章冲击地压的发生机理与条件第三章冲击危险性评价及预测技术第四章冲击地压防治技术第五章冲击地压综合治理技术体系与展望主要内容第一节冲击地压现象冲击地压：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。是煤矿开采中典型的动力灾害之一。动力将煤岩抛向巷道，发出强烈声响，造成煤岩体震动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击地压还会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。第一章冲击地压概述第二节冲击地压的历史与现状一、我国冲击地压历史与现状1.我国冲击地压概况我国最早记录的冲击地压现象于1933年发生在原抚顺矿务局的胜利煤矿，当时的开采深度是200m。随后，在北京、枣庄、抚顺、大同、阜新、天池等矿务局有冲击地压现象发生，这些矿井的平均开采深度为600~750m。近年来，冲击地压发生的矿井数量和危害程度又呈明显上升趋势。截至2006年底，新发生冲击地压现象的矿井多大60多个，主要分布在开滦、新汶、徐州、义马、鹤岗、淮南、大屯、平顶山、华亭、韩城、兖州、七台河、古城、单家村等局、矿，它们的开采深度达到了750~1150m。中国煤矿冲击地压灾害情况抚顺胜利龙凤老虎台北京门兴沟房山城子大台木城涧开

滦唐山赵各庄辽源西安矿南桐砚石台南桐矿枣庄陶庄八一柴里徐州三和尖张集矿旗山矿权台矿兖州东滩鲍店济二济三南屯（动压）地方煤矿：天池、五一、擂鼓、花鼓山、冰沟、欢城、裕隆等新汶华丰孙村潘西协庄良庄2我国冲击地压的主要特点（1）具有突发性，过程短暂，伴有强烈震动和声响；（2）类型多样性；（3）造成巨大的破坏和损失：人员伤亡；破坏生产；房屋开裂；（4）灾害严重程度不同；（5）发展趋势逐渐增多，日益严重3我国冲击地压研究概况1983年煤层注水与深孔卸载爆破技术得到实施1984年引进波兰SAK地音监测系统和SYLOK微震监测系统1987年制订了《冲击地压煤层安全开采暂行规定》1990年成功研发了地音仪1992年成功研制了简易地音监测系统二、国外冲击地压历史与现状首次冲击地压现象于1738年发生在英国，到现在为止，已有包括德国、波兰、俄罗斯、南非、美国，加拿大、中国、日本、澳大利亚等20多个国家和地区发生过冲击地压或受到冲击地压的威胁。这一事实表明：世界上几乎所有的采矿国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。俄罗斯、波兰、德国在研究冲击地压方面走在世界的前列。世界煤矿冲击地压灾害情况国家年代矿井数目冲击次数灾害情况前苏联80194750后果严重波兰1950－1982673097破坏性德国1949－1978>201001死亡150余人第三节冲击地压发生的特点特点突发性瞬时震动性巨大破坏性第四节冲击地压的分类方法和分类分类方法按岩体分类按力源和加载形式分类按显现强度分类按破坏效果分类二、冲击地压的分类按岩体类别煤层冲击岩层冲击按力源和加载形式分类重力型构造型震动型综合型按显现强度弹射煤炮微冲击强冲击按震级和抛煤量轻微冲击（<10t）<1级中等冲击（10-50t）2级强烈冲击（>50t）>2级按冲击地压的破坏后果分一般冲击地压破坏性冲击地压冲击地压事故等级123456里氏震级0.5-1.01.1-1.51.6-2.02.1-2.52.6-3.0≥3.0表1.1冲击地压按显现强度分级第二章冲击地压的发生机理及条件第一节冲击地压的影响因素一、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。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。1、开采深度（图2-2，2-3；表2-1）；2、煤岩物理力学性质及特征；

煤岩的物理力学性质

煤岩的结构特点

顶板中的弹性能

其它因素返回返回1、断层对冲击地压的影响（三）、地质构造（图2-17，）2、褶曲对冲击地压的影响3、煤层厚度变化对冲击地压的影响四川天池煤矿发生的28次较大的冲击地压，就有14起发生在煤层厚度突然变化的区域，比例高达50%。二、开采技术条件对冲击地压的影响开采多煤层时，任何造成应力集中的因素，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，均对防治冲击地压不利。从防治冲击地压的角度而言，璧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。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。1、采煤方法、巷道布置与顶板管理；2、采掘顺序；3、煤柱等；4、其他开采技术条件组织管理因素第二节冲击地压的发生机理所谓冲击地压发生机理就是指冲击地压发生的原因、条件、机制和物理过程对冲击地压发生的条件既有联系又相互独立。目前对于冲击地压问题的研究，主要集中在三个方向上。一是冲击地压的发生机理研究；二是冲击地压危险性评价、监测与预测预报技术的研究；三是冲击地压治理措施的研究。

强度理论刚度理论能量理论冲击倾向性理论变形失稳理论三准则理论三因素理论强度弱化减冲机理理论研究一、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。其机理为：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1)。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和运动，抛向已采空间，形成冲击地压。二、刚度理论库克（1965）在普通试验机上对大理石进行压缩时发现，若试验机刚度足够大，大于试件后期变形刚度时，大理石在达到峰值强度后不发生突然破坏；若试验机刚度小于试件后期变形的刚度时。则发生突然的失稳破坏。对于井下矿柱一围岩关系可以比拟为试件与试验机的关系，所以矿柱冲击地压的发生条件可以利用试件在试验机上发生突然破坏的刚度比较条件。三、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。但这种理论并未得到充分证实，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。四、冲击倾向性理论该理论认为：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矿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。五、变形失稳理论近年来，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。六、三准则理论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。七、三因素机理冲击地压多发生在断层、每层变化等构造区域，冲击地压与煤岩体的结构有密切的关系。因此有：内在因素；力源因素；煤岩体结构因素。八、强度弱化冲减机理1、在冲击危险区域，采取松散煤岩体的方式，降低煤岩体的强度和冲击倾向性，使得冲击危险性降低；2、对煤岩体的强度进行弱化后，使得应力高峰区向岩体深部转移，并降低应力集中程度；3、采取一定的减冲解危措施后，使得发生冲击地压时，降低冲击的强度。第三节冲击地压、岩爆与矿震的关系1冲击地压：通常是指在一定条件的高地应力作用下，煤矿井巷或才没工作面周围的煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生破坏的矿井动力现象，常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象。2岩爆：是高地应力条件下，地下工程开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力从新分布，存储于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。3矿震：是采矿活动引起的一种诱发地震。

（a）Displacementvectors

（b）Stressvectors煤巷（a）Displacementvectors

（b）Stressvectors硬岩巷（a）Displacementvectors（b）Stressvectors

完整岩层(水平)

（a）Displacementvectors（b）Stressvectors

完整岩层(30°)

第三章冲击危险性评价第一节冲击危险性评价与预测方法分类煤矿开采的不同阶段，对冲击危险性进行评价的方法也不同。矿井设计阶段，只能采取数值模拟方法并结合经验类比法来评价煤岩体在未来开采过程中发生冲击地压的可能性，在开拓阶段可以采用冲击倾向性测定法。在实际生产阶段，采用地址动力区划方法，数量化理论，现场实测方法及综合指数法等系统评价和预测发生冲击地压的可能性、等级并具体划分冲击危险等级与区域目前主要采用经验了比分析法、钻屑法、计算机模拟法和含水率测定方法等对冲击危险性评价。影响冲击危险性的因素是复杂多样的，要想更准确的对其进行评价，需要综合考虑影响冲击地压发生的各个因素或这能反映它们的具体指标，从而选择适合的评价方法来对各个因素进行评价，最终准确衡量冲击危险性，未采取措施提供依据。冲击地压预测主要包括：时间；地点；规模大小。预测方法：采矿方法数值模拟法和钻屑法；采空地球物理方法第二节冲击危险性评价方法一、冲击倾向性评价方法（一）煤的冲击倾向性指标对煤冲击倾向性评价主要采用：冲击能量指数KE弹性能量指数WER破坏时间Dr冲击能量指数测定示意图弹性变形能指数测定示意图煤样动态破坏时间测定示意图

煤层冲击倾向性分类表分类指标无冲击倾向弱冲击倾向强冲击倾向煤的动态破坏时间DT/msDT＞50050＜DT≤500DT≤50弹性能量指数WETWET＜22≤WET＜5WET≥5冲击能量指数KEKE＜1.51.5≤KE＜5KE≥5（二）、岩石的冲击倾向性指标对于顶板岩石的冲击倾向性，根据采空区顶板悬梁的力学模型，煤炭科学院总院开采研究分院科研人员在大量实验测定的基础上，提出了顶板弯曲能量指数作为评判顶板岩层冲击倾向性的指标，具体表达式为:

UWQ——地板弯曲能量指数，kj

[δ]——岩石的抗压强度，mpa

h——岩梁厚度，m

E——弹性模量，mpa

p0——覆岩深度应力，mpa

岩石冲击倾向性分类指标分类指标1类2类3类无冲击倾向弱冲击倾向强冲击倾向弯曲能量指数UWQUWQ≤1010＜UWQ≤100UWQ≥100（三）组合煤岩的冲击倾向性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。各类煤岩组合模型的组合方式表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：煤：基1：1：1

（a）组合模型；（b）、（c）组合模型承压破坏的状况组合模型破坏前后的状况

某矿煤的动态破坏时间曲线

某矿煤的冲击能量曲线

某矿煤的弹性能量曲线对比

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。

二、数值模拟分析方法采用数值模拟方法主要确定采矿区域内的应力分布状态和其他参数，以此分析出冲击地压的危险程度。目前世界上比较通用的分析模拟程序有FLAC、UDEC、ANSYS等，其采用的方法主要是有限元法，边界元法和离散元法等。数值模拟分析法的主要优点是可根据提前确定冲击地压防治的重点区域，对于任意地点，特别是未开采区域，可提前预测冲击地压危险状态，可得出大范围的空间信息，可确定在工作面采煤过程中出现的时间和地点。可预测开采空间大小、开采参数和开采历史对冲击地压的影响。这种方法的缺点主要是对煤岩体进行了简化处理，对于模拟中的煤岩体特性，特别是弹性模量和泊松比没有考虑局部非均质性和各项异性因此数值模拟分析方法只能作为一种近似使用方法使用。多年实践证明，数值模拟结果对于确定冲击地压危险区域是有效的三、地质动力区划分法地质动力区划分方法地质动力区划是地质动力学的一个新分支,是一个涉及采矿、地质、测量、力学和计算机技术的交叉学科。它主要是根据地形地貌的基本形态和主要特征决定于地质构造形式的原理,通过对地形地貌的分析,查明区域断裂的形成与发展,利用地应力测量、数值分析、GIS等技术手段,确定岩体应力状态,为人类的工程活动提供地质环境信息和预测工程活动可能产生的地质效应。

矿井地质构造形式划分矿井煤岩体应力状态分析冲击地压去域预测多因素模式识别法依据地质动力划分的研究成果提取有关信息，在空间数据管理的基础上，显示井田范围构造应力区划图等，划分冲击地压危险区、威胁区和无冲击危险区。数量化理论方法

数量化理论是多元分析的一个分支，起初它的应用仅限于“计量社会学”方面，随着电了计算机的广泛应用，它在自然科学中的应用日益增多.在多元分析中，变量按其性质可分为一类，取值为定量数据的称为定量变量，只有属性差异的变量称为定性变量.数量化理论就是一种可以同时对定性变量和定量变量进行处理的多元分析方法.在地质问题的研究中，定性变量常‘常起着不可忽视的作用，有时甚至起着决定性的作用.然而在实际应用中，定性变量中类目之反应的取值问题存在着局限性，难以对复杂多变的地质属性进行表述和处理.本文将以使用最多的数量化理论工为例，对类目之反应提出新的取值方法，进行数学证明，并应用于生产司’一井的煤层瓦斯含量预测.五、现场实测方法六、综合指数法1.影响冲击矿压危险状态的地质因素2.影响冲击矿压危险状态的开采因素冲击矿压危险程度的预测预报根据采掘工作面周围地质因素和采矿技术因素对冲击矿压的影响程度及冲击危险状态等级评定的指数Wt1和Wt2，可以确定采掘工作面周围冲击矿压危险状态等级评定的综合指数Wt。

冲击矿压危险状态的分级第三节冲击危险性探讨3.1冲击危险性的定义发生冲击地压的可能性及其危险程度冲击危险性在冲击地压研究具有重要的意义

只有在冲击危险性评价基础上，才能对冲击危险区域采取相应的防治措施

3.2冲击危险性等级与冲击危险性评价方法国际上没有形成统一的冲击地压分类方案我国《冲击地压煤层安全开采暂行规定》规定了我国煤矿冲击地压分类方法，即按冲击地压的破坏后果划分为一般冲击地压、破坏性冲击地压和冲击地压事故。综合考虑不同类型的冲击地压机理、特征和破坏的宏观表现等，把冲击地压分为6级

冲击地压强度分级表等级冲击地压性质抛出煤量/t破坏半径/m震级/ML震动持续时间/s1微弱或无煤体重力型0~50~61.0~1.6≤2.52弱煤体重力型5~100~201.7~2.02.0~4.03中等煤体重力型10~1520~402.0~2.44.0~6.04较强顶板弹性型煤体构造型15~2030~602.4~2.85.0~10.05强烈顶板断裂型20~2550~802.6~3.210.0~30.06极强烈顶板断裂型断层位错型≥25≥80≥3.0≥30我国还没有一个比较科学的冲击危险性评价方法冲击危险性评价方法主要有经验类比分析法、钻屑法、地音监测法、微震监测法和含水率测定方法等。采用单一的冲击危险性指标有可能会给冲击危险性评价造成很大误差，严重影响着煤矿企业的安全生产。影响冲击危险性的因素是复杂多样的，要想更准确地对其进行评价，需要综合考虑影响冲击地压发生的各个因素或者能反映它们的具体指标，从而选择合适的评价方法来对各个因素进行评价，最终准确衡量冲击危险性，为采取防治措施提供依据。第四节冲击地压监测预警技术冲击矿压的预测预报对及时采取区域性防范措施、避免冲击危害有着十分重要的意义。分析冲击矿压及其影响因素、预测预报方法，结合地质因素和开采技术条件因素对冲击矿压显现的综合影响，对冲击矿压的防治和煤矿安全生产具有一定的指意义。（一）冲击地压危险性预测技术

1、巷道掘进期间冲击危险性预测技术（1）静应力场的分布变化规律（2）构造应力场的展布形态（3）局部高应力场的影响范围（4）冲击危险范围的划定2、切眼掘进期间冲击危险性预测技术

（1）开采环境（2）开采应力分布状态（3）原始、内外应力场范围（4）冲击危险区段划定巷道预警技术与方法巷道迎头巷道后路钻孔应力计布局钻屑法3、初采期间冲击危险性预测技术

（1）切眼周围构造应力释放程度（2）切眼底鼓量与变形速度的监测（3）动力效应（4）初动期间冲击危险区段划定4、初压期间冲击危险性预测技术

（1）老顶来压规律（2）内应力场范围（3）支架阻力变化（增阻）（4）来压的分段性判断，冲击危险区域确定5、正常推进期间冲击危险性预测技术（1）老顶周期来压规律（2）推进面积（3）冲击地压启动次序（4）顺槽冲击危险区域确定（5）工作面冲击危险区域确定工作面预测技术与方法（1）静态区域（2）动态区域静态综合监测区域

钻屑法动态监测区域

（二）冲击地压的预报

（一）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。（二）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。(三)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”。

1、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，在规定的防范深度范围内，出现危险煤粉量