煤礦衝擊地壓基礎知識

　　一、什麼是衝擊地壓?

　　衝擊地壓又稱岩爆，是指井巷或工作麵周圍岩體，由於彈性變形能的瞬時釋放而產生突然劇烈破壞的動力現象，常伴有煤岩體拋出、巨響及氣浪等現象。它具有很大的破壞性，是煤礦重大災害之一。

　　1992年以前，我國有50餘個煤礦發生了衝擊地壓。比較突出的有北京礦務局門頭溝煤礦、撫順礦務局龍風煤礦、棗莊礦務局陶莊煤礦、大同礦務局忻州窯煤礦、四川省天池煤礦和新汶礦務局華豐煤礦等。2008年6月5日15時57分，河南省澠池縣果園鄉附近發生3.5級地震，3分鍾後，義煤集團公司千秋煤礦突發衝擊地壓，造成750米至850米處巷道瞬間被毀，正在該段修理巷道的20名礦工被困井下。衝擊地壓發生後，義煤集團公司迅速成立了搶險救災領導小組，緊急啟動應急救援預案，實施搶險救援。至6月6日4時，20名被困礦工中9人死亡，11人獲救。

　　世界上幾乎所有國家都不同程度地受到衝擊地壓的威脅。1783年，英國在世界上首先報道了煤礦中所發生的衝擊地壓現象。以後在前蘇聯、南非、德國、美國、加拿大、印度、英國等幾十個國家和地區，衝擊地壓現象時有發生。

　　在我國，衝擊地壓最早於1933年發生在撫順勝利煤礦。以後，隨著開采深度的增加和開采範圍的不斷擴大，北京、撫順、棗莊、開灤、大同、北票、南桐等礦區的許多礦井，都先後有衝擊地壓現象發生。

　　二、衝擊地壓成因的機理

　　1、強度理論

　　該理論認為，衝擊地壓發生的條件是礦山壓力大於煤體——圍岩力學係統的綜合強度。其機理為：較堅硬的頂底板可將煤體夾緊，阻礙了深部煤體自身或煤體。由於平行於層麵的摩擦阻力和側向阻力阻礙了煤體沿層麵的移動，使煤體更加壓實，承受更大的壓力，積蓄較多的彈性能。從極限平衡和彈性能釋放的意義上來看，夾持起了閉鎖作用。在煤體夾持帶內，壓力高，並儲存有相當高的彈性能，高壓帶和彈性能積聚區可位於煤壁附近。一旦高應力突然加大或係統阻力突然減小時，煤體可產生突然破壞和運動，拋向已采空間，形成衝擊地壓。

　　2、能量理論

　　該理論認為：當礦體與圍岩係統的力學平衡狀態破壞後所釋放的能量大於其破壞所消耗能量時，就會發生衝擊地壓。剛性理論也是一種能量理論，它認為發生衝擊地壓的條件是：礦山結構(礦體)的剛度大於礦山負荷係(圍岩)的剛度，即係統內所儲存的能量大於消耗於破壞和運動的能量時，將發生衝擊地壓。但這種理論並未得到充分證實，即在圍岩剛度大於煤體剛度的條件下也發生了衝擊地壓。

　　3、衝擊傾向理論

　　該理論認為：發生衝擊地壓的條件是煤體的衝擊傾向度大於實驗所確定的極限值。可利用一些試驗或實測指標對發生衝擊礦壓可能程度進行估計或預測，這種指標的量度稱為衝擊傾向度。其條件是：介質實際的衝擊傾向度大於規定的極限值。

　　上述三種理論提出了發生衝擊地壓的三個準則，即強度準則、能量準則和衝擊傾向度準則。其中強度準則是煤體破壞準則，能量準則和衝擊傾向度準則是突然破壞準則。三個準則同時成立，才是產生衝擊地壓的充分必要條件。

　　4、失穩理論

　　近年我國一些學者認為：根據岩石全應力——應變曲線，在上凸硬化階段，煤、岩抗變形(包括裂紋和裂縫)的能力是增大的，介質是穩定的;在下凹軟化階段，由於外載超過其峰值強度，裂紋迅速傳播和擴展，發生微裂紋密集而連通的現象，使其抗變形能力降低，介質是非穩定的。在非穩定的平衡狀態中，一旦遇有外界微小擾動，則有可能失穩，從而在瞬間釋放大量能量，發生急劇、猛烈的破壞，即衝擊地壓。由此，介質的強度和穩定性是發生衝擊的重要條件之一。雖然有時外載未達到峰值強度，但由於煤岩的蠕變性質，在長期作用下其變形會隨時間而增大，進入軟化階段。這種靜疲勞現象，可以使介質處於不穩定狀態。在失穩過程中，係統所釋放的能量可使煤岩從靜態變為動態過程，即發生急劇、猛烈的破壞。

　　三、我國煤礦衝擊地壓特征

　　1、突發性。發生前一般無明顯前兆，衝擊過程短暫，持續時間為幾秒到幾十秒。

　　2、一般表現為煤爆(煤壁爆裂、小塊拋射)。淺部衝擊(發生在煤壁2m~6m範圍內，破壞性大)和深部衝擊(發生在煤體深處，聲如悶雷，破壞程度不同)。最常見的是煤層衝擊，也有頂板衝擊和底板衝擊，少數礦井發生了岩爆。在煤層衝擊中，多數表現為煤塊拋出，少數為數十平方米煤體整體移動，並伴有巨大聲響、岩體震動和衝擊波。

　　3、具有破壞性。往往造成煤壁片幫、頂板下沉、底鼓、支架折損、巷道堵塞、人員傷亡。

　　4、具有複雜性。在自然地質條件上，除褐煤以外的各煤種，采深從200m~1000m，地質構造從簡單到複雜，煤層厚度從薄層到特厚層，傾角從水平到急斜，頂板包括砂岩、灰岩、油母頁岩等，都發生過衝擊地壓;在采煤方法和采煤工藝等技術條件方麵，不論水采、炮采、普采或是綜采，采空區處理采用全部垮落法或是水力充填法，是長壁、短壁、房柱式開采或是柱式開采，都發生過衝擊地壓，隻是無煤柱長壁開采法衝擊次數較少。

　　四、煤礦衝擊地壓的解危措施

　　在煤層開采中，生產地質條件極為複雜。因此，在煤層開采過程中必須對這些地段進行及時處理，以保證安全生產。這種對已形成衝擊危險或具有潛在衝擊危險地段的處理措施稱為解危措施。

　　按照衝擊地壓發生的強度條件和能量條件，工作麵附近煤層被頂底板緊緊地夾持著，承受極高的載荷，雖並未破碎，卻積聚大量的變形能。這時煤體和圍岩形成的三軸壓縮應力與礦山壓力處於臨界平衡狀態。采取的各種卸壓解危措施，正是為了減緩這種臨界狀態，把夾持狀態下煤層的側向約束解除掉，使已形成的局部高壓力分散轉移到較廣區域。由於卸壓措施造成煤體局部破裂，降低了強度，應力重新分布，從而釋放或降低了煤岩體中的彈性能，使工作麵前方一定範圍內成為安全區。

　　1、誘發爆破誘發爆破是在監測到有衝擊危險的情況下，利用較多藥量進行爆破，人為地誘發衝擊地壓，使衝擊地壓發生在一定的時間和地點，從而避免更大損害的一種解危措施。

　　2、實行誘發爆破必須慎重行事。作為輔助手段，誘發爆破隻有在存在嚴重衝擊危險的情況下，其他方法無效或無法實施時才應用。實施地點多用於煤柱回收時，與鑽屑法檢測孔配合互用。孔距2m~5m，孔深按衝擊危險區範圍確定。可平行走向或傾斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，鑽大量較長的鑽孔直達高應力帶。采用大藥量、集中裝藥和同時引爆的方法，以便使煤岩體強烈震動，誘發衝擊地壓，或造成煤體強烈卸壓、釋放能量，把高應力帶移向煤體深部。集中爆破的藥量越多，誘發衝擊地壓的可能性越大。因為這樣在煤體中造成的動應力就大，動應力疊加在原來存於煤體中的靜應力上的總和越大，超過臨界應力值機會就愈多，就會誘發衝擊地壓。

　　實施誘發爆破應按《煤礦安全01manbetx 》的有關規定施工。實施前必須采用鑽屑法確定衝擊危險地點，加固支架，掩護或撤出機械設備及電纜工具等。爆破時必須設專人警戒所有通往爆破地點的通道。躲炮半徑不得小於150m，躲炮時間30min以上。

　　誘發爆破應作為爆破卸壓的輔助手段，用於特殊情況下。其效果是有限的，不能保證按時誘發，有時一小時後才發生衝擊地壓。而且大藥量同時引爆，必然造成一定程度的破壞作用，所以要慎重行事。

　　2、爆破卸壓

　　爆破卸壓是指對形成衝擊危險的煤體，用爆破方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。實施爆破卸壓應采取深孔爆破方法，孔深應達到支承壓力峰值區。裝藥位置越靠近峰值區，炸藥威力越大，爆破解除煤層應力的效果越好。該法適用於頂板比較完整的條件下或作為煤層注水時的輔助措施。

　　爆破卸壓能同時局部解除衝擊地壓發生的強度條件和能量條件，即在有衝擊地壓危險的工作麵卸壓和在近煤壁一定寬度的條帶內破壞煤的結構(但不落煤)，使它不能積聚彈性能或達不到威脅安全的程度。這樣在工作麵前方形成一條卸壓保護帶，隔絕了工作空間處於煤層深處的高應力區。顯然，從防治衝擊地壓的角度看，應用盡量多的炸藥爆破出盡量寬的保護帶，但實際上要達到這個目的，目前技術條件還不夠。不過根據多年的觀測實踐證明，如果能保證在工作麵前方和巷道兩幫始終保持一個寬5m~10m的保護帶，就能防止衝擊地壓的危害。

　　可以采用爆破斷頂的方法進行爆破卸壓，即在待采煤層隔離煤柱一側的老采空區內，對采空區頂板內造成寬約6m、深約6m~8m的斷溝，用以削弱采空區與待采區之間的頂板連續性、減小待采煤層開采時的應力集中，以消除衝擊地壓危害。

　　爆破參數和施工工藝應按《衝擊地壓煤層安全開采暫行規定》確定。

　　爆破卸壓屬於內部爆破，主要物理作用是使煤層產生大量裂隙。試驗表明，爆破使炮孔周圍形成破碎區和裂隙區，破碎區遠小於裂隙區。徑向裂隙穿過切向裂隙，說明徑向裂隙擴展在前，切向裂隙形成在後。炸藥爆炸後，衝擊波首先使煤體破裂。繼之爆破產生氣體進一步使煤體破裂，在氣體壓力作用下，煤體沿徑向移動，形成切向拉應力，產生徑向拉破裂。隨著裂隙的擴展，氣體通過裂隙擴散到煤體中，與煤體產生熱交換。同時，氣體的體積增大，而溫度和壓力下降。當裂隙前端的應力強度小於斷裂韌性時，裂隙停止擴展。當壓力小於臨界值時，因原先受壓貯存於煤體中的彈性能釋放，使煤體向炮孔中心移動，在煤體中產生徑向拉伸作用，導致切向破裂。但徑向裂隙的擴展遠大於切向裂隙。造成煤層性質變化的主要因素是徑向裂隙。

　　根據彈塑性理論，把采煤工作麵簡化為平麵應變的力學模型。以龍風煤礦采煤工作麵為例的計算結果表明，爆破卸壓使煤壁前方的支承壓力重新分布，應力梯度變小，峰值壓力移往煤體深部7m以遠屈服區，比爆破前增大近一倍，能量密度明顯減小。

　　實施爆破卸壓前必須先進行鑽屑法檢測，確認有衝擊危險時才進行爆破卸壓，爆破以後還要用鑽屑法檢查卸壓效果。如果在實施範圍內仍有高應力存在，則應進行第二次爆破，直至解除衝擊危險為止。

　　為了安全生產，通過爆破卸壓在工作麵前方和巷道兩幫形成一個有足夠寬度(大於3倍采高)的卸壓保護帶。所以，對巷道兩幫，爆破卸壓的深度應等於保護帶寬度;對采煤工作麵，爆破卸壓的深度應等於保護帶寬度加上工作麵進度。

　　爆破孔的孔深取決於卸壓深度。由於孔深藥量多，為使藥卷能裝到孔底，可先把藥卷裝在軟管裏或用非金屬材料綁紮後進行裝藥。爆破孔布置方式應根據具體條件確定。通常用煤電鑽打眼，孔徑50mm~55mm，孔間距4m~10m，每孔裝藥量按不超過孔深一半計算，一般為1.5k8~3.5kg。鑽孔不裝藥部分必須填滿水炮泥或黏土炮泥。躲炮距離100m~150m，躲炮時間30min~40min。

　　3、改變煤層的物理力學性能

　　改變煤層的物理力學性能主要有：高壓注水、放鬆動炮和鑽孔槽卸壓等方法。

　　(1)高壓注水是通過注水，人為地在煤岩內部造成一係列的弱麵，並使其軟化，以降低煤的強度和增加塑性變形量。注水後，煤的濕度平均增加1.0%~2.2%時，可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3%~14.5%。

　　(2)放鬆動炮，是通過放炮人為地釋放煤體內部集中應力區積聚的能量。在采煤工作麵使用時，一般是在工作麵沿走向打4m~6m深的炮眼，進行鬆動爆破。它的作用是可以誘發衝擊地壓和在煤壁前方經常保持一個破碎保護帶，使最大支撐壓力轉入煤體深處，隨後即便發生衝擊地壓，對采煤工作麵的威脅也大為降低。

　　(3)鑽孔槽卸壓是用大直徑鑽孔或切割溝槽使煤體鬆動，以達到卸壓效果。卸載鑽孔的深度一般應穿過應力增高帶，在掘進石門揭開有衝擊危險的煤層時，應距煤層5m~8m處停止掘進，使鑽孔穿透煤層，進行卸壓。

　　此外，還可依靠選擇最佳采煤方法、回采設備、開采參數和工作製度等方法，局部降低煤層邊緣的衝擊危險程度。例如，當開采有衝擊危險的單一煤層時，應采用直線式長壁工作麵的前進式采煤方法，並在巷道側不留煤柱。對有衝擊危險的厚煤層，應采用傾斜分層長壁式采煤方法。上分層的開采厚度應當最小。

　　開采有衝擊危險的煤層時，無論是在采煤工作麵還是在掘進工作麵，都應采用支撐力大的可縮性金屬支架。

　　五、衝擊地壓的預報

　　(一)WET法

　　該方法是波蘭采礦研究總院提出的，用於測定煤層衝擊傾向。WET為彈性能與永久變形消耗能之比。波蘭采礦研究總院規定：WET>5為強衝擊傾向;2

　　(二)彈性變形法

　　它是前蘇聯礦山測量研究院提出的用於測定衝擊地壓的方法。即在載荷不小於強度極限80%的條件下，用反複加載和卸載循環得到的彈性變形量與總變形量之比(K)，作為衡量衝擊傾向度的指標。當K≥0.7時，有發生衝擊地壓的危險。

　　(三)煤岩強度和彈性係數法

　　該方法是用煤岩的單向抗壓強度或彈性模量的絕對值，作為衡量衝擊傾向度的指標。這種方法較為簡單，經常用作輔助指標。其指標的界限值必須根據各礦井的試樣進行試驗確定。

　　我國《煤礦安全01manbetx 》中規定：“開采衝擊地壓煤層時，衝擊危險程度和采取措施後的實際效率，可采用鑽粉率指標法、地音法、微震法等方法確定”。

　　1、鑽粉率指標法鑽粉率指標法又稱為鑽粉率指數法或鑽孔檢驗法。它是用小直徑(42mm~45mm)鑽孔，根據打鑽不同深度時排出的鑽屑量及其變化規律來判斷岩體內應力集中情況，鑒別發生衝擊地壓的傾向和位置。鑽進過程中，在規定的防範深度範圍內，出現危險煤粉量測值或鑽杆被卡死的現象，則認為具有衝擊危險，應采取相應的解危措施。

　　2、地音、微震監測法岩石在壓力作用下發生變形和開裂破壞過程中，必然以脈衝形式釋放彈性能，產生應力波或聲發射現象。這種聲發射亦稱為地音。顯然，聲發射信號的強弱反映了煤岩體破壞時的能量釋放過程。由此可知，地音監測法的原理是，用微震儀或拾震器連續或間斷地監測岩體的地音現象。根據測得的地音波或微震波的變化規律與正常波的對比，判斷煤層或岩體發生衝擊傾向度。山東肥城礦務局陶莊煤礦用微震儀研究了發生衝擊礦壓的規律，結論為：微震由小而大，間有大小起伏，次數和聲響頻繁;在一組密集的微震之後變得平靜，是產生衝擊礦壓的前兆現象;稀疏和分散的微震是正常應力釋放現象，無衝擊危險。

　　根據震相曲線和地震學的知識，則可以計算出發生衝擊地壓的震源位置。由於各種煤岩體的地音和微震特性不同，並且又具有不均質性和各向異性等特點，其傳播速度有很大差異。此外，各處的地質和開采條件也不相同，礦井下又常有強烈的環境噪音幹擾，地音或微震信號在煤岩體中產生和傳播情況將是很複雜的，可能產生多次的反射、折射和繞射，還可能發生波型變換等現象。因而在使用中應注意與其他預測方法綜合使用，特別是與鑽屑法綜合使用，以保證預測的準確性。

　　(四)工程地震探測法

　　用人工方法造成地震，探測這種地震波的傳播速度，編製出波速與時間的關係圖，波速增大段表示有較大的應力作用，結合地質和開采技術條件03manbetx 、判斷發生衝擊地壓的傾向度。

　　(五)電磁輻射儀監測法

　　煤岩電磁輻射監測的原理是：利用電磁輻射儀接收采掘生產過程中煤岩體在礦壓作用下產生、發射電磁輻射的信號，即監測到的電磁輻射強度能反映出煤岩體內部應力的變化尺度及破壞程度的特征信息。煤(岩)體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現象，與煤岩體的變形破裂過程密切相關，電磁輻射信息綜合反映了衝擊地壓、煤與瓦斯突出等煤岩災害動力現象的主要影響因素。電磁輻射強度主要反映了煤岩體的受載程度及變形破裂強度，脈衝數主要反映了煤岩體變形及破裂的頻次。

　　利用KBD5礦用本安型礦井衝擊地壓電磁輻射監測儀，通過接收采礦工作麵煤岩體變型破裂過程中產生的電磁輻射信息來預測煤岩動力災害的危險性。即通過井下某一測點電磁強度最大值Emax.強度平均值Eavg和脈衝數N來確定是否有礦井衝擊地壓危險。將測試數據傳送到微機中後，可以用圖及表格的方式顯示，是否達到電磁輻射強度臨界值。觀測範圍主要是工作麵及上、下兩巷，工作麵從上、下端頭5米開始，每15米在硬幫設一個固定測點，上下巷從工作麵硬幫往外5米開始，每15米在回風道下幫及溜子道上幫各設1個固定測點。當工作麵開采與測點間距離小於5米時，上、下巷往外及時補加測點，保證上、下巷各有8個測點觀測。經觀測結果初步確定為，強度值達到30MV時，或某一點、某區域連續處於高的觀測值時，應立即向礦、區調度及主管領導彙報。確認有衝擊危險時，立即向采區下達危險通知單，采區接到危險通知單後立即下令停止作業，采取解危措施。

　　(六)綜合測定法

　　為了能夠更準確地判斷出發生衝擊地壓的地點和時間，可同時采用上述兩種以上的方法，根據多因素的變化，綜合加以確定。國內外常使用的是鑽屑法、地音監測法、地質及開采技術條件03manbetx 的綜合方法。