第三章冲击地压的影响因素.docx

1、第三章冲击地压的影响因素第三章 冲击地压的影响因素我国煤矿冲击地压具有的突出特点：（1）冲击类型多种多样：我国煤矿冲击地压一般表现为煤爆。在台吉矿、大台矿等部 分煤矿以及金属矿、 铁路和水电工程隧道中发生了岩爆现象。 在煤矿， 冲击地压以煤层冲击 最常见，也有顶板冲击和底板冲击。房山矿发生了底板突然鼓起并开裂形成 5cm 宽裂缝的 底板冲击。 在煤层冲击中多数表现为破碎煤块从煤壁抛出， 也有极个别情况表现为数十立方 米的矿体整体滑动冲击。（2）发生条件极为复杂：统而论之，我国煤矿发生冲击地压的典型条件为：开始发生 冲击地压的始发深度 200600m，煤的单轴抗压强度 1030MPa，煤层厚度2

2、4m , 顶板一般为厚1040m的坚硬砂岩，单轴抗压强度 130190MPa ，在岛形或半岛形煤柱以及向斜轴部， 断层等地质构造带冲击危险性更大。 我国已发生冲击地压的实际条件极为 复杂。在自然条件上，除褐煤以外的各煤种都记录到冲击现象，采深从 200 1000m ，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，煤层倾角从水采到急倾斜，顶板包括砂岩、灰 岩、油母页岩等都发生了冲击地压；从生产技术条件上看，不论水采、早采，各种采煤方法 都出现了冲击地压现象。（3）发展趋势渐趋严重：我国煤矿发生冲击地压的矿井数量逐年增多，灾害程度逐渐 严重。随着开采深度的增加和开采范围的扩大，近年来，虽然采取了不少措

3、施，但冲击地压 次数并未明显减少。根据粗略统计，共发生破坏性冲击地压 2000 余次，伤亡几百人，破坏 生产巷道近 20km 。冲击地压危害主要是冲击波和强烈震动，造成冒顶、片帮、支架折损、 堵塞巷道、摧毁设施、人员碰伤和窒息、生产被迫停顿。陶庄矿发生的 3.8 级冲击地压属我国冲击强度最高震级；门头沟矿 1985 年 3 月至 5 月平均月冲击 160 次，属我国冲击频度 最高记录；城子矿一次冲击地压伤亡 34 人，属我国冲击地压造成伤亡最惨重者。随着我国煤炭生产的发展， 矿井开采深度增加， 伴随而来的是冲击地压造成的灾害必将 日趋严重。所以有必要探讨发生冲击地压的影响因素， 以便有针对性地

4、采取预测和预防措施。第一节 自然地质条件我国主要矿井发生冲击的临界深度为 200 700m ，煤层以水平至倾斜的中厚和厚煤层 较多。煤质较硬，具有较高的弹性和脆性。煤层顶板以坚硬砂岩为主，其次为页岩和灰岩。 绝大部分为地质构造中等或较复杂，构造简单时发生冲击地压的占少数。国外， 特别是前苏联发生冲击地压矿井的自然地质条件与我国差不多。 煤层由缓倾斜煤 层到急倾斜煤层，厚度由薄煤层到特厚煤层（ 1520m ），煤种由烟煤到褐煤都发生了冲击 地压。波兰煤矿的冲击地压始发深度为 200m ，发生冲击地压最多的是 48m 厚的煤层， 厚度小于 1m 的煤层未发生过冲击地压。 煤层坚硬且暗煤占优势， 包

5、含大量暗煤， 亮暗煤成分组成的煤层冲击性最强。 煤层老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层， 底板也是坚硬岩层， 地质构造（断层、褶曲）对冲击地压有影响，在向斜轴部和断层下盘易发生冲击地压。德国煤矿 冲击地压的始发深度为 300 400m ，主要发生在厚度 16m 的缓倾斜煤层中，且大多数发生在地质破坏少的区域。 煤层顶底板绝大多数是厚层砂岩或其它坚硬岩层。 他们进行的系统分析后认为，煤层发生冲击地压的条件是： 煤层的开采深度至少 250m，顶底板是厚层坚硬岩层；顶板能弯曲、快速传递应力，造成煤壁附近高度应力集中； 煤层与顶底板牢固粘结，超过这个粘结阻力煤层开始移动。 但这种移动要引起冲击地压还必须满足

6、以下条件： 煤层强度和煤层与预底板相互粘结力的突然迅速降低或起润滑剂作用的物质增加或软弱夹层的存 在以及煤层具有积蓄大量弹性能的性质。 法国普罗旺斯矿在厚度 2.5m的褐煤层中发生了冲击地压，煤层顶底板均为厚而坚硬的石灰岩。 美国煤矿开采深度不大就发生冲击地压， 主要根源可能是采用房柱式开采法遗留的煤柱和残柱区。但自然地质条件仍具有煤层是缓倾斜， 厚度4.77m，顶底板是厚层坚硬砂岩，存在断层等地质构造的影响等。统观国内外冲击地压影响因素，主要的自然地质因素有：煤层性质：包括煤的冲击倾向、煤的强度、弹性和脆性等力学性质；煤的厚度、埋藏深度以及煤的含水率、孔隙度、煤层结构等物理性质。煤层顶底板性

7、质：赋存的坚硬岩层的厚度、强度、冲击倾向与煤层的粘结程度等。地质构造：褶曲构造（向斜、背斜）和断裂构造（断层、节理）情况，局部地应力异常， 煤层厚度和倾角的突然变化等。1煤（岩）性质煤（岩）的物理力学性质是发生冲击地压的内因。 煤岩的弹性、脆性和冲击倾向是关键因素。一方面能把发生冲击地压所需的大量能量储存起来， 另一方面又能发生脆性破坏， 并瞬间释放弹性能。我国主要冲击地压矿井的煤层力学性质如表 3-1所示。表3-1 典型冲击地压煤层力学性质矿井煤层抗压强度MPa坚固性系数f弹性模量MPa泊松比脆性北京二槽29.73.090000.21门头沟五槽25.32.566000.32七槽19.32.0

8、82000.29三分层12.9 13.81.32300 25000.31 0.42极脆抚顺四分层11.18 1.52600 0.26 0.48脆矿务局17.755100五分层13.0 1.83000 0.26 0.31较脆21.433500枣庄二层1.515.6 20.356000.35陶庄矿2.0开滦八层22.42.278000.29唐山矿冲击地压发生的必要条件是积聚较多的弹性能， 所以弹性大、脆性大是冲击危险煤层的基本特征。沉积岩具有孔隙多， 裂隙发育的特点，因而能够吸收水分。 煤岩一经湿润，减弱了内部 颗粒间的粘结力，增加了塑性，改变了原来的弹性性质。因此煤岩含水量增加，冲击危险就减少。

9、煤厚对发生冲击地压也有影响。据波兰 19521957年的统计资料，厚 46m的煤层比在厚I2m的发生冲击地压的次数大 6倍。不过其中也有采煤方法等因素的影响。我 国抚顺矿区的煤层特别厚，虽然顶板为几百米的油页 岩、绿色页岩和松软的冲积层等软岩层，也同样发生 冲击地压。纵观国内外发生冲击地压的煤层物理力学性质， 其共同特征是：煤质脆而硬，天然含水率低（ 1 %3 %），单轴抗压强度 （T c=1030 MPa，一般高于 20MPa，弹性模量 E =（ 29 ）x 103MPa，一般大 于3 x 103MPa，泊松比（横向变形系数） 口 =0.20.3，粘结力C=38MPa ,内摩擦角$ =35。

10、40 : 孔隙率n = 5 %10 %。然而对于发生冲击地压的最重要的力学性质，是在其受压破坏前的全部变形中的弹性变形部分所占比重很大， 而塑性变形少（如图3-1 ）。试验研究结果表明，有冲击地压危险的煤层，在其破坏前全部变形中， 弹性变形占总变形的 50 %80 %，而无冲击地压危险的煤层则只占 20 %50 %。有冲击地压危险的煤层还表现出强烈的脆性， 即在破坏前主要为弹性变形，它可以在经过一段时间之后没有明显塑性变形的迹象而突然破坏。根据断裂力学原理，煤岩材料中存在裂隙和封闭应力是其固有特征。 在低静水压力下裂隙可能是张开的，并有朝着最大主应力方向扩展的趋势。 在裂隙尖端前方出现压缩和拉

11、伸两个区域，其中拉伸应力将使裂隙张开和传播。 所以尽管边界力为压缩力，在裂隙尖端的前方仍然能够产生拉应力，使裂隙在拉伸区传播并逐渐转向最大主应力方向。 由于裂隙的密集并合发展形成宏观裂隙，当满足了裂隙扩展条件（应力大于煤岩强度的应力条件和裂隙扩展释 放率不小于裂隙扩展能量消耗率的能量条件） 时，煤岩体可能发生失稳破坏。在靠工作面的煤层边缘部位，处于支承压力作用之下，由于有冲击地压危险煤层的弹性变形大， 便积累起大量的弹性变形能， 特别是处于支承压力峰值区的煤层仍处于三向受压状态， 积累的弹性能更大，要求恢复受压状态前的趋势也更强。 一旦外侧巷道或采场附近进行采掘或爆破， 就使处于三向受力状态而

12、且应力早已超过其强度并积蓄了大量弹性变形位能的煤层， 借以本身的弹性恢复力量，迅速地使位能转化为动能发生冲击式的脆性破坏，并伴随声响和震动。煤层具有冲击倾向性是发生冲击地压的必要条件。 大量的试验研究和生产实践表明， 发生冲击地压的煤层具有突然破坏并瞬间释放大量弹性变形能的能力， 而且各类煤层的储能和发生突然破坏的能力是不同的。 往往同一矿井，甚至同一采区，在几乎相同的自然地质和开采技术条件下，有的煤层发生冲击地压，有的不发生。这种煤的冲击倾向是煤的固有属性， 是受强度超过后的动力破坏过程中，能够积蓄和突然释放弹性变形能的岩相学结构控制的。2围岩性质围岩性质主要是顶板岩性和厚度及其在煤层开采后

13、的可冒性， 是影响冲击地压的重要因素。特别对老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层， 底板也是坚硬岩层结构的冲击危险煤层更具冲击危险性。厚层坚硬顶板的悬露下沉首先表现为煤层的缓慢加压或压缩， 经过一段时间后可以集中在一天或几天的突然下沉， 载荷极快上升达到很大的值。在悬露面积很大时，不仅本身弯曲积蓄变形能，而且在附近地层中（特别是老顶折断处）形成支承压力。当老顶折断时还会造成附加载荷，并传递到煤层上，通过煤层破坏释放变形能(包括位能) ，产生强烈的岩层震动引起冲击地压，而且底板也参与冲击地压的显现。 我国煤矿大多数冲击地压矿井的煤层顶板都十分坚硬，伪项或直接顶较薄甚至没有。典型顶板特征列于表 3-2中。

14、北京矿务局门头沟矿和房山矿、 大同矿务局忻州窑矿、 枣庄矿务局陶庄矿等矿井的煤层都具有十分坚硬的厚层砂岩顶板，采后形成大面积悬顶板，是发生冲击地压的典型顶板条件。 门头沟矿根据顶板等厚线图， 综合大量冲击地压统计材料所作的分析表明， 砂岩老顶厚度从5m到25m均有冲击地压发生，但从趋势上看，绝大部分发生在 520m厚度内，而且在此范围内冲击次数随砂岩厚度增加而减少。 说明发生冲击地压的顶板厚度有个范围， 小于下限厚度或大于上限厚度都不易形成冲击。 其原因可能是厚度太小，顶板随采随冒，难于形成较高的应力集中；厚度过大，尽管开采后可以形成大面积悬顶，但在一定条件下(例如刀柱 支撑)顶板岩层的能量积

15、蓄和释放条件差， 也不易形成冲击地压。大同忻州窑矿冲击地压事故发生区的顶板大部分为厚层整体砂岩，从已发生的 35次冲击地压区段的顶板来看，其中粗粒砂岩的20次，占57 %，细砂岩顶板的10次，占28.6 %。表3-2 顶板岩石物理力学特性矿井顶板岩层种类厚度(m )单向抗压 强度(MPa )弹性模量(104MPa)冒落性超前支承压力影响范围天池矿长兴灰岩2201485.26.8难冒120门头沟矿中粒石英 砂 岩10201301906.16.8难冒2030陶庄矿中粒石英 砂 岩10401304.3难冒3040龙凤矿油母页岩1002002003.64.5较难1520唐山矿砂岩441371.8400

16、0m 2冒落2530房 山 矿4槽煤细砂岩20301746.46.9难冒3015槽煤砾岩520057.7难冒忻州窑矿中粒砂岩1015801604.0难冒60枣庄矿务局对177次破坏性冲击地压的观测 研究表明，90 %以上的冲击地压发生在采场支承 压力带，而发生时间多在工作面来压期间。表明 顶板中积蓄的变形能通过煤层破坏以动能形式释 放参于冲击的特性。当顶板岩梁将要折断时，应 力将在岩梁断裂处集中，当岩梁完全折断后，应 力又突然下降。此时最易发生冲击地压。对冲击板夹持下煤层移动的事实。图 3-3为两个工作面顶板下沉量与冲击地压分布图。可以看出， 两个工作面在支承压力区内发生的 22次冲击地压中，

17、80 %发生在支承压力峰值区。 而且无论是水采工作面还是旱采面，冲击地压爆发时刻的顶板下沉量范围均在 4095mm 之间。这可能是因为在此范围内顶底板围岩积蓄的变形能足以克服阻力， 易产生冲击地压。而顶板下沉量小于40mm的情况下所积蓄的能量尚不足以克服阻力，难以产生冲击地压。对于顶 板下沉量超过100mm 后的情况，则因煤体被压酥发生塑性变形消耗能量，降低了冲击危 险程度，所以也不易产生冲击地压。图 3-4是1984年至1989年通过对几个采场发生的33次破坏性冲击地压的观测，得出的冲击地压发生前的顶板动态曲线。结果显示，冲击地 压主要发生在顶底板移近速度上升段，这为预测预报提供了前兆信息。

18、德国的鲁尔等矿区，发生冲击地压的煤层顶板绝大多数是厚层坚硬的砂岩。 砂岩确实对冲击地压的发生起很大作用。 顶底板内都有砂岩的煤层最具冲击危险性， 经常发生冲击地压的阳光煤层、狄克班煤层等的顶板沙岩厚度最小为 为2m，最大为20m。这些煤层历来以稳定的顶 板和优良的煤质闻名。围岩主要由砂岩构成。实际情况表明，围岩 的砂岩成分愈多，冲击的危险性愈大，围岩的泥 质成分愈多，冲击的危险性愈小。因而在德国把 砂岩顶板列为冲击地压危险煤层的主要标志。认 为煤层顶底板内赋存有完整的能传递高压力的厚 层砂岩层，能够阻碍煤层运动不能发生断裂和错 动，也即砂岩顶底板可将煤体夹紧。煤体的极限载荷与煤壁附近的煤体夹持

19、效应是密切相关 的。煤体夹持限制了深部煤体自身或煤体一围岩交界处的卸载运动。 对弹性能而言，夹持起到了闭锁作用。而且这种闭锁作用发生于煤壁附近， 造成煤体夹持带产生高度应力集中和积蓄相当高的弹性能，而处于临界状态。只要煤体载荷稍有增加就可能破坏。 当应力或能量大小足以酿成一次冲击地压时， 则被压缩的煤体将产生冲击式的加速破坏。 就煤层而言，厚层坚硬、完整的顶底板的夹持作用，一方面使煤层在高压力作用下趋于侧向突然破裂或向采掘 空间逐渐膨胀，另一方面它又以煤岩交界处的阻力和变形， 阻碍上述过程的发展， 因而使煤体积聚起很高的侧向压力（如图 3-5 ）。又导致在煤层和围岩交界处形成很高的剪应力和相应

20、的高压 力。当煤体压力和剪应力达到一定数值后，就可能 发生冲击地压。在前苏联，冲击地压危险煤层的围岩条件与我 国类似。顶板大多数存在厚层砂岩或其它坚硬顶板。 佩图霍夫在阐述冲击地压机理，分析煤层边缘区应 力状态冲击式变化规律时，把煤岩性质和煤层与围 岩的相互作用条件视为首要因素。认为冲击式变形 是处于假塑性状态核（图 3-6中的A带）的内部高 压力和两侧B、C带岩石阻力之间乎衡顺序的破坏和恢复。同时 B带范围内周边部分煤层与项底板接触面的摩擦力和顶底板对煤层的夹紧力 的作用，又对内压力产生阻力。如果 A带中的内压力超过 B带周边阻力，B带煤岩就会向采空区一侧发生移动，直到重新建立平衡为止。如果

21、 A带中的内部推力大到足以使 B带中的煤岩能不断地向采空区一侧移动，那么 A带中的煤岩就将发生雪崩式的破坏过程，产生冲击地压。此外，由于煤层边缘砂岩弯曲形成剪切裂隙，使部分围岩主要是顶板瞬间移动， 也能引起煤层边缘区冲击式破坏。 这中间顶底板的动态对上述过程有重大影响。 当其它条件相同时，顶底板对煤层夹持得越紧， 煤层变形的冲击性就越强。 而煤层的夹紧程度首先取决于顶板悬梁的大小。他认为不仅顶板而且底板都可能参于冲击地压的显现； 冲击时不是顶板单个分层简单的位移，而是由于卸压时岩石的膨胀产生震动过程造成的顶底板岩石瞬间靠 拢。冲击能量来自煤层和围岩的共同作用。对煤层造成的冲击载荷大都成为严重认

22、为对冲击地压诱发和过程有决定其中第一类是由厚层高致密悬顶断波兰的西里西亚煤田，砂岩顶板的冒落相当猛烈, 冲击的原因。波兰学者把冲击地压划分为两个基本类型, 性影响的是位于煤层之上的高强度厚层砂岩顶板的断裂。裂引起震动并诱发的典型煤层冲击； 第二类直接与高致密顶板岩石有关的典型顶板冲击。 它与顶板中的水平压力大，顶板岩块相互接触区域的动力破碎有关。 这种水平压力是由于大的岩块在下沉过程中的水平倾倒或岩体中的自然水平应力（构造应力）引起的。一般认为，冲击地压释放的能量来自煤层和围岩在冲击前所储存的弹性变形能。 全国冲击地压矿井情况的调查结果也表明， 围岩性质是影响煤层冲击的主要因素。 围岩顶板参与

23、冲 击地压释放能量已被现场实践和实验室所证实。震级较大的冲击地压发生时，煤体破碎所消耗的能量仅占总释放能量的百分之几， 相差两个数量级。说明震级较大的冲击地压释放出来的能量主要来自围岩特别是顶板冲击前积蓄 的变形能。而震级较小的冲击地压发生时， 由煤体破碎所释放的能量占的比例较高， 甚至超过了由地震震级换算的能量，说明这种情况下围岩释放能量很少。众所周知，围岩应力（弹 性能）是由自重应力、构造应力以及由采动引起的附加应力组成。 但自重应力在顶底板和煤层中变化不大，因而围岩能够释放的弹性能只能是由附加应力和构造应力特别是悬顶造成的 应力集中所致。国内外冲击地压实例都表明， 绝大部分冲击地压发生在

24、厚层坚硬顶板条件下， 而且相当部分冲击地压又发生在工作面来压期间， 足以证明顶底板参与冲击地压显现并释放变形能。3.开采深度随着我国煤炭生产的发展， 矿井开采深度正在以每年平均加深 810m的速度增加着。世界各主要采矿国家的情况也基本如此。 矿井开采在向深部推进的同时， 必将引起一系列安全问题。其中单纯取决于深度的， 且复杂而又相互关联的问题就是矿山压力和冲击地压危险 问题。由于矿山压力与开采深度成比例的增加， 因此深部开采的回采工作， 将会遇到矿山压力的严重干扰。在条件恶劣的情况下，矿山压力将严重影响回采工作的安全和效益。 特别是冲击地压危险将随开采深度的增加而增加。 在更大的开采深度下，煤

25、层边缘区的附加载荷更大，致使支承压力增加并传播迭加在煤层上方， 使冲击危险的范围扩大。特别是已采煤层边界或煤柱的附加载荷增加更大，使冲击危险范围更加扩大。据前苏联的研究，深部围岩具有脆性特征， 因此巷道壁都会产生岩石抛射现象。 根据顿巴斯矿区的统计资料， 当围岩应力大于岩石抗压强度的 50%时，巷道壁就会出现岩石抛射；当大于80%时，则容易产生突出（冲击地压）。所以随着开采深度的增加，冲击地压的危害 将严重威胁矿井的安全生产。开采深度愈大，煤体应力愈高，煤体变形和积蓄的弹性能也愈大。 就一定的开采技术条件下，具有冲击倾向的煤层都存在一个冲击地压发生的临界深度。 根据弹性理论，煤层在自然状态的三

26、向应力条件（无采动影响）下，对于开采深度为 H的煤层，煤体所承受的应力为：(3-2 )此时煤体中单位体积所积蓄的弹性能，由体积改变和形状改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 U $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 Uv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情况下，由（ 3-3 ）式则有：C 2 2Uv 2H 2 （3-5 ）6E2式中：1 2 1C 1 2此处H就是发生冲击地压的临界深度。释放出来的动能为：显然上述情况仅是考虑自然应

27、力状态， 上述推导只具有物理意义。 因为对于具体矿井来讲，实际条件远比这些复杂的多。上式仅在于说明达到一定开采深度是产生冲击地压的一个 基本条件。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。影响冲击地压临界深度的因素很多，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、开采技术因素等。我国部 分矿井发生冲击地压的始发深度和国外几个主要采矿国家的冲击地压始发深度统计于表 3-3和表3-4中。从中可以看出，冲击地压的始发深度一般为 200400m。少数矿井达到500600m以上。从我国目前冲击地压较严重矿井的冲

28、击情况看， 随着开采深度的延深，冲击地压发生的频度和强度增加。 我国几个典型冲击地压矿井的冲击地压的发生频度 （强度）与开采深度的关系密切。抚顺龙凤矿在开采 -540m 水平（采深640m ）对每采百万吨煤冲击地压发生次数为0.07次，而开采-635m 水平（采深730m ）时增至0.125次。四川重庆地 区天池煤矿等在开采深度 200400m 时冲击地压仅发生 4次，每次平均冲击煤量 5.8t ,随着开采深度增加到 400500m、500600m 时，冲击地压的次数分别达到 9次，冲击煤量分别为180t和1000t以上（见表3-5 ）。表3-3 我国部分矿井发生冲击地压的初始深度名称|门头沟

29、 天池 抚顺、大同丨城子|大台|陶庄|房山|唐山200240250 300330460480520初始深度540表3-4 国外矿井发生冲击地压的初始深度国另U南非美国加拿大前苏联波兰德国英国初始深度m120300240180180400240300600表3-5 冲击地压次数与开采深度关系冲击地压发生的次数和强度开 采 深度 （m ）200400400 500500 600600 700发生次数4996发生率（%）14323222发生强度（平均煤量）5.81801000一开采深度对冲击地压的影响在波兰和前苏联也有明显的反映。 波兰的统计表明，冲击地压发生次数随开采深度的延深，呈明显上升趋势，如表 3-6所示。表3-6 波兰冲击地压次数与开采深度关系开采深度（m ）100238292332386445553百万吨煤冲击地压次数一4122339831424.地质构造地质条件中的顶底板岩性、 煤层性质和开采深度对冲击地压发生的影响是公认的。 诸如褶曲、断层等大构造以及一些小构造的影响也得到了公认。 根据国内各冲击地压矿井的冲击位置统计分析看，地质构造的影响是客观存在的， 类似的情况还有波兰等国的统计结果。 诚然，其中有些冲击地压发生位置并没有褶曲和断层等地质构造的存在， 但这里并不能以此否定地质构造影响。问题在于具体分析地质构造影响的实质。 因为地质构造对冲击地压的影响可能是