义马煤田冲击地压现状及研究doc文档格式.docx
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主要表现为响煤炮和局部支架损坏，但没有详细记录。
首次有记录的冲击地压为1998年9月3日，千秋煤矿18152下巷掘进工作面冲击地压。
当时18152下巷掘进近100m，发生冲击地压造成整条巷道被煤充满，破坏巷道50m，损坏工字钢支架100棚，冲击出煤煤量500m3，两人死亡，一个受伤，停产60天。
该段巷道埋深450m。
近两年来，有记录的冲击地压有21次，跃进煤矿16次，千秋煤矿4次，常村煤矿1次。
最严重的是2007年跃进煤矿“6.19”冲击和最近千秋煤矿“6.5”冲击。
从分类情况看，发生在回采期间的有12次、掘进期间6次、工作面安装、转移、修巷期间3次。
发生在采深800m以下的15次，600-800m采深的6次。
巷道表现情况基本上是以底鼓和上帮破坏为主，没有冲击地压造成的严重冒顶现象。
另外还有很多以“煤炮”和轻微巷道支架变形为主要表现形式的弱冲击现象。
第三节冲击地压现象及特征
冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体，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。
同时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。
冲击地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。
对于冲击地压现象，世界各国，以及不同的行业，其称谓是不一样的，常见的有“岩爆”、“煤爆”、“冲击矿压”、“矿山冲击”、“冲击地压”等。
本书采用“冲击地压”这个术语。
通常情况下．冲击地压将直接产生：
①将煤岩动力抛向巷道；
②引起岩体的强烈震动；
产生强烈声响；
④造成岩体的破断和裂缝扩展。
因此，冲击地压具有如下明显的显现特征：
①突发性。
冲击地压一般没有明显的宏观前兆而突然发生、难于事先准确确定发生的时间、地点和强度。
②瞬时震动性。
冲击地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，震动波及范围可达几公里甚至几十公里．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。
冲击地压发生时，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，从后果来看冲击地压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。
第四节冲击地压的分类
根据冲击地压显现强度、发生的地点和位置的不同，冲击地压有如下几种分类方法。
一、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者岩体上射落，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。
但煤、岩并不向已采空间抛山，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。
二、根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击地压分为三级：
（1）轻微冲击（
级）。
抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击地压。
（2）市等冲击（
抛出煤量在l0～50t，震级在1～2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，矿区附近居民可能有震感；
Ms＝2时．对井上下有不同程度的破坏；
Ms＝2.5时，地面建筑物将出现破坏现象。
三、根据发生的地点和位置冲击地压可分为两大类：
（1）煤体冲击。
发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表而、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。
第二章冲击地压影响因素及机理分析
第一节冲击地压影响因素分析
冲击地压发生的原因是多方面的，但从总的来说可以分为三类，即自然的、技术的和组织管理方面的。
其关系如图2—1所示。
图2-1据冲击地压发生的原因分类
自然因素中，最基本的因素是原岩应力，主要由岩体的重力和构造残余应力组成，井巷周围岩体的应力由采深决定，而构造残余应力则很难预计，也很难研究。
此外断层附近也会出现相当大的水平应力。
褶曲附近的情况也可能如此。
实践表明，在一定的采深条件下，比较强烈的冲击地压一般会出现在煤系地层中具有强度高的岩层情况下，特别是在煤层顶板中有坚硬厚层砂岩的情况。
冲击地压危险的倾向是由煤岩的特性决定的。
总的来说，煤的强度大，弹性好，冲击地压的倾向性就高。
但并不是说，强度小和弹性差的煤层不会发生冲击地压。
只是在这种情况下，发生冲击地压的应力值比强度大、弹性好的煤大得多，并且取决于加载方式和加载速度。
从发生冲击地压的技术因素来分析，首光是开采引起局部应力集中。
其主要原因是开采系统不完善，或者具有坚硬的顶板，较大的悬顶，造成较大的应力集中；
或者是由于开采历史造成的，如煤柱停采线造成的应力集中传递到邻近的煤层。
从生产实践来看，生产的集中化程度越高，越容易发生冲击地压。
开采设计或防治措施无法实现，是冲击地压危险增加的因素之一。
主要是在多煤层开采情况下，还有多种自然灾害一起出现，如冲击地压、火、瓦斯等。
但有时无法选择更有效的冲击地压防治措施。
技术和管理相互交叉的因素为投资没有到位。
加采矿作业没到位，支架和技术装备没有到位，没有选择有效的冲击地压预报仪器和防治的装备。
一、开采深度
众所周知，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。
义马煤田现采深已超过或超过700米，具有开采深度大的特点。
统计分析表明，开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。
通常情况下，深度H≤350米时，冲击地压不会发生。
深度在350＜H≤500m时，在一定程度上危险程度逐渐增加。
从500m开始，随着开采深度的增加，冲击地压的危险性急剧增长，当开采深度为800米时，冲击指数比在深度500米增加了14倍。
义马煤田首次发生冲击地压在千秋煤矿，采深480米，而采深在700～1000m的跃进煤矿和千秋煤矿冲击地压高频出现，和上述分析结果一致。
二、煤岩的力学性质
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和工作面均有可能发生冲击地压。
②煤的强度越高，引发冲击地压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击地压，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、弹性能量指数，即冲击能量指标KE≥5为强冲击倾向，5>
K≥1.5为中等冲击倾向，KE＜1.5为无冲击倾向；
弹性能量指标WET≥5为强冲击倾向，5>
WET≥2为中等冲击倾向，WET≤2为无冲击倾向。
表2-4为冲击煤层的煤样研究结果。
我矿也对煤的冲击倾向性进行了鉴定，结果为强冲击倾向。
就是说冲击地压形成的条件很简单，发生冲击地压的可能性较大。
三、顶板岩层的结构特点
义马煤田现主采煤层2#煤的顶板为20-30厚的泥岩，再上为强度高的砂砾岩，厚度达30～40米。
见义马煤田煤层综合柱状图2-7。
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地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，导致冲击地压的发生。
四、断层影响
实践表明，冲击地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、煤层褟曲、构造应力带。
当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击地压发生的次数明显上升，而且强度加大。
实践表明．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。
岩层在其受力足够大时．就产生破裂．当岩层破裂发生侧向位移时．这种破裂就称为断层。
断层通常是锁住不动的，当其两侧的应力积累到足以引起沿断层的断裂时，则发生位移，形成粘滑，当断层处于粘滑状态，其周围岩石可因位移一段而积累弹性能，当断层上的应力达到某一临界值时，断层滑动（储存在附近岩石中的弹性能一部分以地震能辐射出去）形成强烈震动。
义马煤田进入深部开采后，受南部F16大断层的影响，冲击危险性会大幅度增加。
部分矿井在开采过程中受局部小断层的影响，冲击也十分明显，如跃进煤矿23130下巷掘进工作面在距巷道开口100米左右有一落差为1米的小断层，“12.27”冲击发生在接近断层时，“1.30”冲击则发生在刚过断层时。
五、褟曲的影响
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。
一般情况下，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2-l0所示，I区，裙曲向斜部分，这部分的应力，垂直为压力，水平为拉力，最容易出现冒顶和冲击地压，2区褶曲翼，这部分的应力，垂直和水平均为压力，最易出现冲击地压，3区褶曲背斜．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2-10褟部分的受力状态及冲击危险性
义马煤田矿井多数采区（如千秋煤矿西部）基本上处于单斜构造区，垂直应力和水平应力均为压应力，最易出现冲击地压。
也有处于向斜构造区（如跃进煤矿25区）的，同样是冲击危险区。
六、煤层分叉的影响
煤层分叉和合并的出现，造成了煤层顶板条件的变化，从而引起的冲击地压危险状态的变化，在分叉和合并地段冲击地压危险性较大。
义马煤田2#煤在上部分2-1煤、2-2煤和2-3煤，下部合并（义马煤田现主采煤层均处于合并带），是冲击地压频发区域。
七、采空区的影响
一般来说，当工作面接近已有的采空区，其距离为20-30m时，冲击地压的危险性随之增加，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地压的危险性增加，危险发生的最大位置在距煤柱l0m左右。
八、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10000m2时，释放的单位面积的震动能量为最大。
这就出现了我们所说的一次见方、二次见方问题。
九、开采设计与开采顺序的影响
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，冲击地压经常出现在：
①工作面向老塘推进时；
②在距采空区15-40m的应力集中区内掘进巷道；
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。
例如，胜利矿相向掘进回风巷，当两巷相距10m时冲击地压，破坏巷道60m。
义马煤田多数冲击是由于工作面相向推进形成。
比如我矿13190工作面与13210上巷的关系。
第二节冲击地压发生机理
长期以来，冲击地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。
冲击地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。
下面我简单介绍一下咱们义马矿区冲击地压发生原因。
结合义马煤田冲击地压发生的实际情况、煤层地质条件和开采状况，对中部矿井冲击地压发生机理初步归纳成以下几点意见：
1、煤层的冲击地压倾向性。
义马煤田2-1煤合2-3煤自身具有冲击地压倾向性，600m采深以下有中等冲击危险程度，800m采深以下有严重冲击危险程度。
采深愈大，地应力愈高因此冲击地压愈严重。
2、关键层断裂失稳。
义马煤层老顶巨厚砾岩（厚400m以上，分层厚大于40m）在工作面开采过程中形成关键层结构，关键层断裂失稳来压直接诱发了严重冲击地压。
因此，在工作面初次周期来压，末采形成正方体“三面”采空的孤岛区和相邻工作面对采易发生大的冲击地压。
3、煤（岩）层的能量释放。
2-3煤多为软底结构，在深部高应力的作用下，形成“夹持”作用，高地应力能量突破底板围岩系统力学平衡，造成底鼓。
因此，冲击地压一般都显现在底板上，在厚煤层沿顶送巷和2-1煤与2-3煤合并附近，更为形成以底鼓为主的严重冲击地压。
4、构造应力的作用。
-400m以下开采范围紧邻F16大断层，次生断层多，构造应力明显，在断面构造带和向斜轴部是冲击地压的高发区。
义马煤田深部冲击地压类型应属冲击型（顶板或底板型），是冲击压力型中治理难度较大的类型。
第三节冲击地压、矿震与岩爆的关系
一、冲击地压、岩爆和矿震描述
1、冲击地压
冲击地压是指在一定条件的高应力作用下，煤矿井巷或采煤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现象。
它往往造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。
综观发生在煤矿的冲击地压可以看出，冲击地压现象具有以下典型特征：
（1）冲击地压多发生在采煤期间的超前巷道内，通常在超前工作面0～80米的范围内，冲击地压发生后，煤壁大面积片帮，煤从煤体中抛出。
（2）煤矿冲击地压的发生，通常在工作面前方支撑压力范围内，在应力集中和采动影响下，导致冲击地压的发生。
（3）发生冲击地压的煤岩体，煤层顶、底板在冲击地压发生后，并不发生或明显发生破坏和变形，而煤体却在发生破坏并整体移出，还在煤层与顶、底板之间产生明显的滑动擦痕和离层（离层高度约0.1～0.15m，甚至更大），如图2-17所示。
图2-17巷道冲击地压现象描述
（4）冲击地压往往发生在顶板来压期间，支架移架或回柱放顶、爆破等工艺过程中。
冲击地压多发生在煤层变薄带、断层、褶曲等地质构造区附近。
发生冲击地压的矿井构造应力相对较大。
（5）发生冲击地压的煤层一般具有典型的“三硬”结构特征，即硬煤、硬顶、硬底。
并且往往在煤层与顶板之间存在一层较薄的粉状软煤（厚度约0.1～0.2m）。
（6）冲击地压发生后，巷道断面收缩明显，通常可达50％～70％，甚至达到90％。
2、岩爆
岩爆是高应力条件下，地下工程开挖中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力重新分布，储存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。
岩爆现象具有以下典型的特征：
（1）岩爆发生时，通常伴有明显的声响特征，且由于岩爆的规模大小的不同，声响不同。
（2）岩爆引起的岩石以片状弹射是岩爆的最显著特征。
通常情况下，岩爆引起的岩石弹射，其弹射距离通常距离通常多在5m以下，较大岩爆的弹射距离可达10m以下。
（3）岩爆的发生与地应力（构造应力）方向具有密切的关系，如图2-13所示。
3、矿震
矿震是采矿活动引起的一种诱发地震。
矿震是矿区内在区域应力场和采矿活动作用影响下，使采区及周围应力处于失调不稳的异常状态，在局部地区积累了一定能量后冲击或重力等作用方式释放出来而产生的岩层震动。
矿震主要发生在地质构造比较复杂、地应力（构造应力）较大、断裂活动比较显著的矿区。
在我国，发生矿震并构成灾害的矿区有北京、新汶、抚顺、北票、大同等矿区。
其典型特征为：
（1）地面和井下的开采活动都有可能引起矿震现象的发生，较小矿震地面无震感，而较大矿震地面震感明显，在现象上与天然地震基本相同。
（2）矿井顶板冒落、煤层片帮、地表塌陷、冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出等均可引起矿震的发生，矿区范围内的断裂等构造活动也可能导致矿震的发生。
矿震发生破坏位置与采矿位置不完全具有针对关系。
（3）矿震震级的大小与井下煤岩破坏程度无对应关系。
有的矿震震级很大，但井下煤岩破坏却较小；
有的矿震震级很小，但井下煤岩破坏却比较严重。
这主要是由于矿震的震中不一定就是破坏位置。
比如发生在采区的矿震，工作面或巷道煤岩的破坏可能就较小。
矿震的破坏情况与震级并不呈正比关系，在地面震感明显的较大矿震并不一定造成矿井损坏，较小矿震有时也造成较大破坏甚至造成灾害。
二、几点认识
1、冲击地压、岩爆与矿震是具有不同意义的矿山岩石力学现象，在实际工程或研究中，应结合具体情况分析确定是冲击地压、岩爆，还是矿震。
特别是在煤炭行业中，建议这三个术语区别使用，切不可以一个“冲击地压”或“岩爆”代之。
2、冲击地压和岩爆，往往会导致矿震的发生，而矿震则不一定会导致冲击地压或岩爆的发生。
即冲击地压和岩爆往往是矿震的诱发因素，反之则不成立。
3、冲击地压和岩爆，其最为显著的差异在于构成结构体的岩性具有明显的不同，从而导致在现象和破坏形式上明显不同。
因此，在控制冲击地压和岩爆的实际工程中，应结合岩性特点采取适当的措施。
4、矿震的发生与采矿或地下开采活动密不可分。
为了减少矿震灾害，应最大限度地控制采矿活动。
第三章冲击地压危险性评价及预测预报技术
第一节概述
冲击地压危险性评价及预测预报是冲击地压防治工作的重要组成部分，它对及时采取区域防范措施和局部性解危措施，避免冲击危害十分重要。
一、危险性评价
目前，我国还没有一个比较科学的冲击危险性评价方法。
目前主要采用冲击倾向性评价方法、数值模拟分析方法和地质动力区划方法、数量化理论方法以及综合指数法等对冲击危险性进行评价。
冲击地压研究的最终目标是要防治冲击地压，针对不同冲击危险等级，现场应采取不同对策。
（1）微弱或无冲击危险：
所有的采矿工作可按作业规程规定进行。
（2）弱冲击危险：
所有的采矿工作可按作业规程规定进行，但采矿作业中要求加强冲击地压危险状态的观察。
（3）中等冲击危险：
下一步的采矿工作应与该危险状态下的冲击地压防治措施一起进行，而且至少通过预测预报以确定冲击地压危险程度不再上升。
（4）较强烈冲击危险：
此时较强烈冲击危险区域应停止作业，加以处理后冲击危险得以缓解并保证不再上升方可允许下一步作业。
（5）强冲击危险：
此时应停止采矿作业，不必要的人员撤离危险地点；
矿主管领导确定限制冲击地压危险的方法及措施，以及冲击地压防治措施的控制检查方法，确定冲击地压防治措施的人员，
（6）极强烈冲击危险：
此时冲击地压的防治措施应根据专家的意见进行，应采取特处条件下的综合措施及方法；
采取措施后，通过专家鉴定，方可进行下一步的作业。
如果冲击危险程度在没有降低的情况下，停止进行进一步的采矿作业，该区域禁止人员通过。
二、现场预测预报
目前，冲击地压现场预测预报采用的主要方法有：
煤岩体原岩应力与采动应力测定、地音与微震监测、电磁辐射法、钻屑法和煤层含水率测定法等。
现场预测预报的核心在于通过各种参量的监测和测定，来综合预测发生冲击地压的危险性和危险等级，从而采取有针对性的解危方法。
第二节冲击地压危险性评价方法
一、冲击倾向性评价方法
冲击倾向性是识别煤岩体发生冲击破坏的能力，鉴定其是否具有发生冲击地压危险性的固有力学性质。
冲击倾向性研究在冲击地压机理研究中占有重要的位置，是冲击地压预测与防治研究的基础。
二、综合指数法
综合指数法就是在分析各种采矿地质影响冲击地压发生因素的基础上，确定各种因素的影响权重．然后将其综合起来，就可以建立冲击地压危险性预测的综合指数法。
主要就是通过采掘工作面周围地质因素和采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级进行评定，从而根据这两个指数来确定出采掘工作面周围冲击地压危险状态等级。
等级主要有：
Wt＜0.3，为无冲击危险。
Wt=0.3～0.5，为弱冲击危险。
Wt=0.5～0.75，为中等冲击危险。
Wt=0.75～0.95，为强冲击危险。
Wt＞0.95，为不安全。
第三节现场预测预报技术
一、矿压监测
一是工作面超前巷道应力监测。
每班对上、下平巷超前支柱进行阻力监测，找出工作面超前支承压力影响范围及应力集中系数，确定超前支护距离及方式。
根据阻力大小预报工作面顶板来压及应力集中区域。
二是综采支架工作阻力监测。
在工作面中部布置测区，对工作面支架阻力进行循环监测，然后画出监测曲线，预测工作面顶板来压情况，结合其他监测手段预报工作面冲击危险度。
同时对每个支架都安设自动测压表，一方面可以对支架初撑力进行监控，另一方面可以对工作面顶板来压情况进行全面预报分析。
三是顶板离层监测。
在掘进和回采巷道安设顶板离层监测系统，每50米一组传感器，和地面计算机结合，实现在线监测，对顶板活动动态实时观察分析，总结顶板活动规律。
四是巷道变形监测。
在掘进和回采巷道安设巷道变形监测系统，定期采集巷道围岩变形信息，分析巷道围岩变形活动规律，为冲击地压巷道支护提供依据。
二、电磁辐射监测技术
电磁辐射监测法是一种测定煤岩体电磁辐射强度和脉冲数来预测冲击危险程度的一种简单、实用、可靠的冲击地压预测方法，并且实现了非接触连续监测，受干扰小，定向性好，连续监测的信息量大，能够提高预测准确性。
三、钻屑法监测技术
钻屑法是通过在煤层中打直径42—50mm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。
其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态只有定量的关系，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。
目前已在冲击地压矿井全面推
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