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冲击地压的机理及其防治
冲击地压的机理及其防治
摘要：
冲击地压时一种特殊的矿山压力显现形式，现在已成为煤矿开采特别时深部矿井开采的主要灾害，严重威胁到煤矿的安全生产。
目前，我国北京、辽源、大同、阜新、开滦、徐州、抚顺、大屯等不少煤矿都发生过冲击地压。
且冲击矿压发生条件极为复杂，除褐煤以外的其他各种煤层均发生过冲击地压。
采深从200～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层由薄到特厚，倾角由水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母岩等，都发生过冲击矿压；在生产技术条件上，不论水采、炮采、普采或是综采，全部垮落法或水力充填等各种采煤工艺，还是长壁、短壁，巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房式等各种采煤方法都出现过冲击地压。
因此，研究冲击地压发生条件与防止技术，具有十分重要的任务。
关键词：
冲击地压、形成机理、防治措施、影响条件
冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式，可以定义为：
矿山井巷和采场周围煤岩体，由于变形能的释放而产生的突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。
简单的讲，冲击地压就是煤（岩）体得突然破坏现象。
实例表明，冲击地压是最危险的矿山动力现象。
它一般无明显宏观前兆而突然发生，冲击过程急剧而短暂，伴随巨大声响和强烈震动，对矿工安全有很大威胁，给生产往往造成严重破坏。
一些矿井在开采边角煤、保护煤柱的条件下，甚至在设计不合理的工作面开采中或巷道掘进中都容易发生冲击矿压，造成严重的自然灾害。
一、冲击地压成因的机理
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，冲击地压的发生机理就其主要方面来讲，就是在一定的地质因数和开采条件下，煤（岩）受外力引起变形，发生突然破坏的力学过程。
对冲击地压成因和机理的解释主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论和失稳理论。
1、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。
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。
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。
图一夹持煤体产生高侧压
2、刚度理论
刚度理论起源于刚性压力机，由库克等人总结出来的。
这个理论人为，矿山结构的刚度大于围岩——支架刚度是产生冲击地压的必要条件。
库克认为由于采动的影响，原有的矿体围岩系统力学平衡状态被破坏，剩余能量产生地震而使岩石抛出等动力现象，提出当矿体围岩系统破坏时，如果所释放的能量大于所消耗的能量，则发生冲击地压，这一理论称为能量理论。
同时，库克在普通试验机上对大理岩进行压缩时，与大理石试件并联一铜管以加大试验机刚度。
试验发现，若试验机刚度足够大，大于试件后期变形刚度时，大理岩在达到峰值强度之后不发生突然破坏；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——围岩关系可以比拟为试件在试验机上发生突然破坏的刚度比较条件。
Blake（1972）将其普遍化，提出矿体刚度大于围岩刚度则发生冲击地压，这一理论称为刚度理论。
3、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。
3、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：
弹性能变形指数
、冲击能量指数
、、煤的动态破坏时间
等。
但在实践中，具有相同的冲击倾向性，甚至同一煤层，只有少数区域发生冲击地压，大多数区域并不发生冲击地压，因此不能完全根据冲击倾向性理论，而实验室测定的冲击倾向性指标，唯一地确定冲击地压危险性及是否发生冲击地压。
1986年煤炭科学研究总院北京研究所与波兰采矿研究总院合作深入研究了岩石冲击倾向性分类。
根据采空区顶板悬臂岩梁的力学模型，提出了用顶板弯曲能量指数作为评判顶板冲击倾向性的指标。
该指标包含了开采深度、顶板性质、采空区状况等一系列因数，实验方法简便。
目前，顶板弯曲能量指数已作为我国顶板岩层分类标准用于对顶板冲击倾向性的分类，如下表
顶板冲击倾向性分类
分类指标
1类
2类
3类
无冲击倾向性
弱冲击倾向性
强冲击倾向性
弯曲能量指数
≤10
10＜
≤100
≥100
4、变形失稳理论
失稳理论是从稳定性理论出发研究材料的破坏形式，其中国内学者殷有泉在研究岩石失稳与地震的关系时提出的能量形式的失稳准则，章梦涛在研究岩体失稳与冲击地压关系时提出的岩体失稳理论最具有代表性。
作为研究冲击地压的岩体失稳理论认为，冲击地压发生前是一个准静态的过程。
在此阶段的煤岩体抗变形能力是增大的，介质是稳定的，煤岩体是从稳定平衡状态转向另一种稳定平衡状态的动力变化过程。
在冲击地压即将发生时，煤岩体所承受的外载荷超过其峰值强度，抗变形的能力下降，介质时非稳定的，煤岩体开始从稳定平衡状态向非稳定平衡状态转化的动力失稳变化过程。
当煤岩体处于非稳定平衡状态时，如果受到外界扰动，则有可能失稳，在瞬间释放大量能量，发生剧烈的破坏，即发生冲击地压。
该理论认为，介质的强度和稳定性是发生冲击地压的重要条件之一；而当介质在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩体从静态变为动态过程则是发生冲击地压的重要条件之二。
该理论的实质是，只有变形系统具有软化特性时才能具备发生冲击地压的条件。
5、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。
二、冲击地压的影响因数
影响冲击矿压发生的因数有很多，但从总的来说可以分为三类，即自然地质因素（应力）、开采技术（采动应力集中）及组织管理措施（防治措施）。
（一）地质条件对冲击矿压的影响
1、开采深度
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，为了便于分析开采深度的影响，只考虑围岩系统中煤层内所积聚的弹性能。
理论上讲，煤层在采深为H的且无采动影响的三向应力状态下，其应力为：
此时煤体中单位体积所积蓄的弹性能，由体积改变和形状变形成的弹性能两部分组成。
由于体积改变而形成的弹性能为：
由于形状改变而形成的弹性能为：
若令煤层中由于形状改变而形成的弹性能
全部消耗于煤体的塑性变形和生成部分热量，而由体积改变形成的弹性能
全部消耗于破碎煤体和使煤块获得一定的动能而产生运动或抛射。
在不计应力集中影响的条件下
式中
假设煤在单向载荷下的破碎强度为
，则用于破碎煤块的单位体积所需能量
为：
式中
——最大弹性应变
由于巷道周边煤体处于双向受力状态，所以其所需的破碎能量比
要大，此时考虑一系数
（
＞1），则破碎单位体积的能量
为：
按冲击地压能量条件则有：
从而有
此处H就是发生冲击地压的临界深度。
释放出来的动能为
实际矿井冲击地压发生的临界深度的具体数值因煤层性质和地质条件的不同而各不相同。
影响冲击地压的临界深度的因数很多，主要有煤体强度、煤的冲击倾向性、煤层自然含水率、顶底板和覆盖层性质、地质构造、构造应力大小和方向、开采技术因数等。
2、煤岩的力学特征
在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或采场可能发生冲击矿压。
煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小。
煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。
实践总结得到：
我国冲击地压矿井煤层的单轴矿压强度通常大于15Mpa，弹性模量大于2200Mpa，煤质比较坚硬，脆性，这是煤层能够积聚弹性能的前提条件和基本特征。
从煤层的自然含水率看，具有冲击危险性的煤层，自然含水率通常较低，最大不超过4%。
综合分析我国大量冲击地压矿井煤岩层结构特点可以看出，具有冲击危险性的煤层，其上通常有一层较厚（≥10m）岩层，且较坚硬。
由冲击地压现象我们可以认为冲击地压的发生，必然有大量的弹性能释放出来。
因此，由底板——煤层——顶板组成的煤岩结构体必然在冲击地压发生前积聚大量弹性能，尤其是坚硬厚顶板岩层中更易存储弹性能。
事实也表明冲击地压发生的主要因数之一就是坚硬厚层顶板因大量弹性能的积聚，从而使煤岩体破坏过程中以突然、急剧、猛烈的形式释放出多余的能量。
在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致冲击地压或顶板大面积来压等动力灾害的发生。
通过综合分析我国发生冲击地压矿井煤岩的结构特征可以发现，冲击地压煤岩体典型的宏观结构特征表现为以下两方面：
“三硬”结构，即硬顶——硬煤——硬底结构。
从冲击地压机理上分析，这是煤岩体内存储大量弹性变形能的前提条件。
我国一部分冲击地压矿井的条件就是这种结构类型，如北京门头沟矿、枣庄陶庄矿、新汶华丰矿等
硬顶——薄软层——煤层结构，即在煤层与顶板岩层之间存在薄软层结构，并且冲击地压多在煤层结构变化、煤岩层具有一定倾角的条件下发生。
在这种条件下发生的冲击地压占有一定的比率。
3、顶板岩层的弹性能
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。
在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中，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。
煤岩层在采动后，应力状态发生变化。
尤其时顶板岩层，由于采空区的存在，使顶板发生弯曲。
苏联阿维尔申教授认为，煤层内的弹性能可由体变弹性能
、形变弹性能
和顶板弯曲弹性能
三部分组成，即
=
+
+
式中
——煤壁上方顶板岩层的弯矩；
——顶板岩层弯曲下沉的转角。
对于初次垮落时，
和
可取
对于周期垮落时，
和
可取
式中
——顶板重量与上覆岩层附加载荷的单位长度折算载荷；
——顶板的断面惯性矩；
——顶板的悬伸长度。
由此，相应地可得
或
这样，求得的通常情况下顶板岩层中积聚的弹性能（周期来压时）可由下式表示
=
+
+
=
上式可以看出，
与岩层悬伸长度的五次方成正比，即
值越大，积聚的能量越多。
一般而言，厚度越大的坚硬岩层，越不容易冒落，因此形成的
值也越大。
所以在具有一定厚度的坚硬顶板岩层条件下，由于悬顶大而顶板中积聚的弯曲弹性能多，因顶板断裂导致弹性能释放并发生冲击地压的可能性很大。
4、地质动力因素
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，煤层皱曲，构造应力带。
例如，龙风矿，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，且强度加大。
4.1断层对冲击地压的影响
当采掘推进到断层附近时，煤岩体很容易在断层附近发生冲击地压，这已被大量的现场事实所证实。
此外，在采掘工作面推进至断层附近时，还会引起断层本身的突然错动。
岩体时含有断层、层理等不连续结构面的天然体质体的一部分，在外力作用下处于平衡状态，由于开采等因数的影响，打破了原来的平衡状态而产生运动。
4.2褶曲对冲击地压的影响
在褶曲边缘部位，煤层走向和倾向变化处，特别时向斜轴升起的煤层转折处，时冲击地压易发区。
对于褶曲区域，由于褶曲时岩石在水平应力作用下挤压形成的，因此，通常情况下，该区域具有较高的水平应力。
4.3煤层厚度变化对冲击地压的影响
厚煤层较容易发生冲击地压。
但是煤层厚度的变化对形成冲击地压的影响，往往要比厚度本身更为重要，在厚度突然变薄或变厚处，往往易发生冲击地压，因此这些地方的支承压力增高。
煤层局部厚度的不同变化对应力场的影响规律为：
煤层厚度局部变薄和变厚所产生的影响不同。
煤层厚度局部变薄时，在煤层薄的部分，铅直地应力会增加；在煤层厚度局部变厚时，在煤层厚的部分，铅直地应力会减少，而在煤层厚的部分两侧的正常厚度部分，铅直应力会增加。
而且煤层局部变薄和变厚，产生的应力集中的程度不同。
煤层厚度变化越剧烈，应力集中的程度越高。
当煤层变薄时，变薄部分越短，应力集中系数越大。
煤层厚度局部变化区域应力集中的程度与煤层和顶、底板的弹性模量差值有关，差值越大，应力集中程度越高。
（二）开采技术对冲击矿压的影响
冲击矿压大多数发生在巷道（72.6%），采场则较少（27.4%）。
残采区和停采线对冲击矿压发生影响较大。
从统计结果看，89%的冲击矿压发生在残采区、停采线、断层区域或煤层超采的地方。
发生冲击矿压的区域如表2所示。
1、开采设计和开采顺序
当在几个煤层中同时布置几个采面时，采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。
冲击矿压经常出现在采面向采空区推进时；在距采空区15m-40m的应力集中区内掘进巷道；两个采面相向推进时及两个近距离煤层中的两个采面同时开采时。
2、上覆煤层工作面停采线和煤柱的影响
上覆煤层工作面的停采线和煤柱形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威胁，使冲击矿压的危险性有很大的增加。
3、采空区的影响
当工作面接近已有的采空区，其距离为20m-30m时，冲击矿压危险性随之增加。
4、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3万m2时，释放的单位面积的震动能量为最大。
三、冲击矿压的防治
（一）合理的开拓布置和开采方式
实践证明，合理的开拓布置和开采方式对于避免应力集中和叠加、防止冲击矿压关系极大。
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以改变，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。
故合理的开拓布置和开采方式是防治冲击矿压的根本措施。
第一，开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采。
首先开采无冲击矿压或冲击矿压小的煤层作为解放层，且优先开采上解放层。
第二，划分采区时，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。
由于煤柱承受的压力很高，特别是岛形或半岛形煤柱，要承受几个方面的叠加应力，最容易产生冲击矿压，因此应尽量避孤岛工作面的形成。
第三，采区或盘区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。
因为相向采煤时上山煤柱逐渐减小，支撑压力逐渐增大，很容易引起冲击矿压，应避免在高应力状态下掘进。
第四，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。
在向斜和背斜构造区，应从轴部开始回采，在构造盆地应从盆地开始回采；在有断层和采空区的条件下应从采用断层或采空区开始回采的开采程序。
第五，有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、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。
回采巷道应尽可能避开支撑压力峰值范围，采用宽巷掘进，少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。
第六，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法。
回采线应尽量是直线且有规律地推进。
（二）开采保护层
1.保护层开采技术原理
在开采煤层群的条件下，首先开采没有冲击倾向性，或冲击危险性小的煤层。
由于其采动影响，使其冲击地压危险的煤层在采掘过程中不再发生冲击地压，这样先采的煤层称为保护层。
如果保护层位于危险层上方，称为上保护层；位于下方称为下保护层。
而处于有效卸载范围内的后采的煤层称为被保护层。
由于煤层开采，导致围岩产生变形、断裂、离层并向已采空间移动。
按采煤工作对岩体影响的程度和特征，可分为五个区域：
冒落待、完全移动带、解放带、减压带和增压带。
有上述得，开采保护层后，形成了解放带，从而起到减缓冲击地压的作用。
实测表明，在被保护了的煤层进行开采时，支承压力峰值降低了，但作用范围加大了。
这说明，解放作用的实质在于改善了被保护层开采中能量积聚与释放的空间分布状况。
实践表明，开采保护层对煤岩体力学性质的影响之一时煤通常“变硬了“。
这是由于卸载后，支承压力降低使矿压对煤层破碎作用减小了，故采煤较困难。
2.开采保护层技术的应用
开采保护层的原则是：
合理地开采顺序，充分利用解放效果，避免形成应力集中，在保护层内保证整个块段采净，避免留设煤柱。
合理安排煤层群的开采顺序和单一煤层的分层开采顺序。
开采煤层群时，应首先选择无冲击危险煤层作为保护层开采。
当冲击地压危险煤层的顶底板方向都有保护层时，应首先开采上保护层，这样有利于维护巷道，又有利于安全开采。
合理安排采区开采顺序，区段开采方向、速度和距离，使保护层在走向方向上保持足够的超前距离。
开采保护层时，采空区不得留设煤柱。
特殊情况非留煤柱不可时，应经总工程师批准，并将煤柱的位置和尺寸准确地标在采掘工程图上。
每个被保护层采掘图上，也应相应地标出煤柱的影响范围。
在此范围内进行采掘工作时，必须采区防范措施。
（三）放顶煤开采
我国厚煤层储量丰富，约占煤炭探明储量的44%，每年井工开采的厚煤层产量约占全国煤炭产量的40%～50%。
近年来，随着煤矿开采深度的不断加大、冲击地压以及尤其诱发的顶板、瓦斯、煤尘事故在深部厚煤层开采过程中发生的次数显著增加。
因此，如何在具有冲击危险性的厚煤层开采过程中进行冲击地压综合防止，减少冲击地压灾害事故的发生，是深部厚煤层安全、高效开采必学解决的重要问题。
放顶煤开采改变了“顶板——煤层——底板”系统的力学承载体系，而转变成了“顶板——顶煤——开采煤层——底板”的力学体系。
范围较大的破裂区的存在，使开采煤层上方形成了一个塑性变形区域，在坚硬的基本顶岩梁断裂时发生动压冲击和应力高峰转移过程中，该区域内的煤体是在逐渐被压碎的条件下破坏的。
显然，有破裂区作为缓冲，冲击地压发生的可能性及强度都会小的多。
由于放顶煤工作面直接顶厚度增加，较分层开采时的上覆岩层的纵向运动范围增加，当上部冲击岩层发生冲击时，已发生破坏的顶煤层及已发生运动的上覆岩层的存在，将对冲击波产生衰减作用，从而降低冲击地压的强度。
参考文献
1.窦林名.何学秋冲击矿压防治理论与技术2001
2.孙学会复杂开采条件下冲击地压及其防治技术2009
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