第十二章 煤矿冲击地压
第一节 概 述
一、煤矿冲击地压的定义
煤矿冲击地压是指在矿井开采过程中，井巷或采场周围岩体在力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能突然释放而产生的急剧、猛烈的动力现象。 二、冲击地压的发生情况
表12－1是部分矿区发生冲击地压的情况。
表12—1 矿井发生冲击地压的主要特征
Lm=1.7+0.8ML－0.01ML2，Ms=1.13mL－1.08。表中符号：M一煤(岩)层厚度；α－倾角；f一坚固性系数；Rc一单向抗压强度；E一弹性模量。
我国冲击地压大都为煤层冲击，也有少量岩爆和底板冲击，大部分冲击地压矿井是采用的柱式或短壁式采煤法，综合机械化长壁工作面不多，相当一部分冲击地压是由爆破工艺而诱发的，而且有50%以上是发生在煤柱内，冲击强度一般为里氏震级l～3级，很少大于4级。
三、冲击地压研究的内容和方法
目前，对冲击地压的研究，主要包括对冲击地压发生的条件和原因的研究，对冲击地压机理的研究，对冲击地压预测的研究和对冲击地压防治措施的研究。
对冲击地压的研究方法主要是实验室研究和现场观测研究。由于现场观测研究对生产有实际的指导意义，因此，国内外普遍采用。
第二节 冲击地压的特征与分类
一、冲击地压的特征
(1)突然爆发。冲击地压发生前，预兆不明显。
(2)巨大声响。冲击地压爆发的瞬间，伴有雷鸣般的响声。
(3)冲击波强。煤体内积聚的弹性能突然释放，产生强大的冲击波。它能冲掉工人头上的矿帽，冲倒几十米至几百米内的风门、风墙等设施。
(4)弹性振动。冲击地压发生时在围岩内引起弹性振动，工作人员被弹起摔倒，甚至输送机、轨道等重型设备都可能被振动和推移，连地面人员有时都能感到这种振动。该振动所产生的弹性波可以被几百公里外的地震仪检测到，并留有清晰的震相记录。
(5)煤体移动。据现场观测，浅部冲击时煤体发生移动，煤体移动时在顶板接触面上留有明显的棕褐色擦痕，擦痕的方向即为煤体移动的方向。
(6)顶板下沉或底板臌裂。冲击地压发生时，常导致顶板下沉或底臌。
(7)煤帮抛射性塌落。冲击地压造成煤帮抛射性塌落，多发生在煤帮上部到顶板的一段，越靠近顶板塌落越深，强烈冲击时，塌落深度可达1.5～2.0m。 二、冲击地压的分类
根据原岩(煤)体应力状态不同，冲击地压可分为重力型、构造型和重力、构造应力并有的中间型。重力型冲击地压主要是受重力作用，没有或构造应力影响极小，在一定的顶底板和开采深度条件下，由采掘影响引起的冲击地压。如枣庄、抚顺、开滦矿区的冲击地压就属于重力型冲击地压。构造型冲击地压主要是受构造应力作用而引起的冲击地压。如四川天池煤矿，南桐矿区砚石台煤矿的冲击地压就是属于构造型冲击地压，中间型冲击地压是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击地压，是两者综合作用的结果。
按冲击地压发生的地点的不同，冲击地压可分为煤体冲击、围岩冲击。煤体冲击发生在煤体内，根据冲击深度和强度的不同又分为表面冲击、浅部冲击和深部冲击三种类型。围岩冲击发生在顶底板岩层中，根据位置又分为顶板冲击和底板冲击。还有分为巷道冲击地压和工作面冲击地压。
根据冲击的显现强度，可分为弹射、矿震、弱冲击和强冲击。弹射是指一些单个破碎岩(煤)块从处于应力状态下的煤或岩体上抛射出去，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。矿震是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏，产生片帮和塌落现象，煤或岩体产生强烈震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。弱冲击，是指煤和岩石向开采空间抛
出，破坏性很小，对支架、机器、设备基本上无损坏，围岩产生震动，一般在里氏2.2级以下，且伴有很大声响，产生煤尘，在含瓦斯煤层中可能有大量的瓦斯涌出。强冲击是指部分煤和岩石急剧破碎，大量向开采空间抛出，砸坏支架，推移设备，围岩震动，震级在里氏2.3级以上，并伴有巨大声响，产生大量煤尘和冲击波。
根据震级强度和抛出的煤量，冲击地压可分为三级：轻微冲击(Ⅰ级)，即抛出煤量在10t以下，震级在里氏l级以下的冲击地压。中等冲击(Ⅱ级)，即抛出煤量在10～15t，震级在里氏1~2级的冲击地压。强烈冲击(Ⅲ级)，即抛出煤量在50t以上，震级在里氏2级以上的冲击地压。
波兰按冲击地压破坏程度分为三级：弱冲击(Ⅰ级)，即顶底板或侧帮岩(煤)体向开采空间急速运动，沿采煤工作面或巷道20m以内部分或全部支架遭到破坏。中等冲击(Ⅱ级)，即顶底板或侧帮岩(煤)体向开采空间急速运动，沿采煤工作面或巷道20～50m，部分或全部支架遭到破坏。严重冲击(Ⅲ级)，即顶底板或侧帮岩(煤)体向开采空间急速运动，沿采煤工作面或巷道50m以内部分或全部支架遭到破坏。
第三节 冲击地压发生的条件及原因
一、冲击地压发生的条件
(一)煤岩层物理力学性质
(l)煤层本身具有冲击危险。一般来说，具有冲击危险的煤层具备以下特点：煤质较硬，容易产生脆性破坏；煤体在达到强度极限以前表现为弹性变形；煤层的自然含水率低，一般小于30%；煤层厚度较大或厚度变化较大。
(2)煤层顶板坚硬。工作面前方支承压力的大小与采空区悬露面积有关，如果煤层顶板松软，易于冒落，则煤体内的支承压力不会太大，不易发生冲击地压，当煤层的顶板坚硬并有大面积悬顶时，会使煤体承受较高的支承压力，易于发生冲击地压。 (3)煤层底板强度较高。煤层顶底板都坚硬，使煤体易于积聚能量。 (二)开采深度
开采深度越大，煤体的应力则越高，煤体变形和积聚的弹性潜能也越大。有的煤层虽然具有冲击危险，但在开采浅部时，因煤体应力不大，未能达到临界破坏条件，因而不会发生冲击地压。当开采深度加大，达到临界破坏条件时，就有可能发生冲击地压。由此可见，任何具有冲击危险的煤层，若开采的技术因素不变，则必然存在一个发生冲击地压的临界深度。对于重力型冲击地压来说，其临界深度一般超过400m，而对构造型冲击地压
来说，其临界深度可能不超过300m，(表12－2、表12－3)。
表12－2 我国部分矿井发生冲击地压的临界深度
表12－3 发生冲击地压的强度和频次与开采深度的关系
波兰对在不同开采深度条件下的冲击地压次数统计见表12－4。统计结果说明冲击地压的发生次数随采深加大而增多。
表12－4 波兰发生冲击地压的频次与开采深度的关系
(三)地质构造
地质构造对于冲击地压的发生有较大的影响，构造应力的作用可以使发生冲击地压的临界开采深度明显减小。从我国目前发生过冲击地压的矿区来看，发生在地质构造复杂的地段所占比重较大。由于煤岩层生成后经过多次造山运动出现了褶曲和断层，这些区域易于形成应力集中，当采掘工作面开掘到该处时，易于突然释放弹性潜能，发生冲击地压。特别是向斜、背斜、断层以及煤层厚薄变化区域，冲击地压发生频繁，而在构造应力释放的构造地带，如向、背斜翼部宽缓的区域，因构造应力释放而降低了煤层的冲击危险性，很少或不发生冲击地压。
二、冲击地压发生的开采技术因素
造成冲击地压发生的开采技术因素主要体现在两个方面：一是人为的引起应力集中，增大了发生冲击地压的危险性；二是改变受力状态和产生震动，可以诱发冲击地压。 (l)采煤方法。采用不同的采煤方法，所产生的矿山压力及其分布规律也不同。一般来说，短壁体系采煤方法由于巷道交岔点多，遗留煤柱也多，容易形成多处支承压力叠加而引发冲击地压。因此，具有冲击地压危险的煤层最好采用直线长壁式采煤法。例如，北京矿区房山矿用短壁式采煤方法开采15槽煤层时，在掘进中曾多次发生冲击地压，改为倒台阶采煤方法以后，则从未发生过。
来说，其临界深度可能不超过300m，(表12－2、表12－3)。
表12－2 我国部分矿井发生冲击地压的临界深度
表12－3 发生冲击地压的强度和频次与开采深度的关系
波兰对在不同开采深度条件下的冲击地压次数统计见表12－4。统计结果说明冲击地压的发生次数随采深加大而增多。
表12－4 波兰发生冲击地压的频次与开采深度的关系
(三)地质构造
地质构造对于冲击地压的发生有较大的影响，构造应力的作用可以使发生冲击地压的临界开采深度明显减小。从我国目前发生过冲击地压的矿区来看，发生在地质构造复杂的地段所占比重较大。由于煤岩层生成后经过多次造山运动出现了褶曲和断层，这些区域易于形成应力集中，当采掘工作面开掘到该处时，易于突然释放弹性潜能，发生冲击地压。特别是向斜、背斜、断层以及煤层厚薄变化区域，冲击地压发生频繁，而在构造应力释放的构造地带，如向、背斜翼部宽缓的区域，因构造应力释放而降低了煤层的冲击危险性，很少或不发生冲击地压。
二、冲击地压发生的开采技术因素
造成冲击地压发生的开采技术因素主要体现在两个方面：一是人为的引起应力集中，增大了发生冲击地压的危险性；二是改变受力状态和产生震动，可以诱发冲击地压。 (l)采煤方法。采用不同的采煤方法，所产生的矿山压力及其分布规律也不同。一般来说，短壁体系采煤方法由于巷道交岔点多，遗留煤柱也多，容易形成多处支承压力叠加而引发冲击地压。因此，具有冲击地压危险的煤层最好采用直线长壁式采煤法。例如，北京矿区房山矿用短壁式采煤方法开采15槽煤层时，在掘进中曾多次发生冲击地压，改为倒台阶采煤方法以后，则从未发生过。
(2)煤柱。煤柱是开采中的孤立体，是产生应力集中的地点，孤岛形和半岛形煤柱可能受几个方向集中应力的叠加作用，因而在煤柱附近最易发生冲击地压；煤柱上的集中应力不仅对本煤层开采有影响，而且还向下层煤传递应力，使下部煤层产生冲击地压(图12－l)。例如陶庄煤矿发生的134次冲击地压中就有40次发生在煤柱内，占29.8%。
图12—l 煤柱上集中应力分布对下层的影响
a—三面采空(半岛)状态；b—煤柱支承压力对下层的影响
(3)采掘顺序。采掘顺序对于矿山压力的大小和分布影响很大。巷道相向掘进，采煤工作面的相向推进，以及在采煤工作面的支承压力带内开掘巷道，都会使支承压力叠加而可能发生冲击地压(图12—2)。因此，应避免同一区段上山两翼的工作面同时接近上山。此外，若由于开采顺序不当，使相邻区段追逐采煤，采煤工作面形状不规则或留下待采煤柱等，也都会形成集中应力区，给发生冲击地压创造了条件。
(4)顶板控制。顶板本身不仅是载荷的一部分，而且还能传递上部岩层重力。顶板控制方法不同，煤体的支承压力也不一样。煤柱支承法控制顶板时，由于煤柱承受着整个开采空间上覆岩层重量，煤柱上集中应力很大，不但在煤柱本身易发生冲击地压，而且对下层煤开采造成困难，也易发生冲击地压。
(5)放炮。放炮产生震动引起动载荷。一方面能使煤层中的应力迅速重新分布而增加煤体应力，进入极限平衡状态或破坏其平衡，另一方面能迅速地解除煤壁边缘侧向约束阻力，使受力状况发生了变化，由三向受力向两向受力转化，使其抗压强度下降，导致迅速破坏，形成冲击地压。因此，放炮具有诱发冲击地压的作用。如门头沟矿的冲击地压事故中，直接由放炮引起的占78%。在坚硬的煤层中，多在放炮的瞬间发生冲击地压。在松软的煤层中，多在放炮后3～10min内发生。
图12-2采掘顺序对集中应力分布的影响
a—工作面相向推进；b—巷道穿过煤柱
第四节 冲击地压的预测及预防
一、冲击地压的预测方法
为了及时采取防治措施，对有冲击危险的煤层必须进行预测。冲击地压虽是瞬时发生，但在发生之前总是有预兆，因此进行预测是可能的。实践证明，对冲击地压采用多种手段，进行综合对比分析来预测其危险性，对于提高预测预报的精度是有好处的。现将一些实用的预测冲击地压的方法介绍如下： (一)顶板动态法
冲击地压发生之前的些预兆表现为煤岩层向已采空间运动加剧，顶板岩层断裂声加剧，有板炮声，采空区有雷声，顶板下沉，煤壁片帮；打煤层眼时，钻杆卡住不易拔出，支柱折断，柱帽压缩，金属支柱卸锁等；采煤工作面和巷道压力有明显的增大现象。只要认真观察分析，掌握其规律，就能及时进行预报。 (二)钻屑法
钻屑法又称钻粉率指数法或钻孔检验法。此法是用直径(φ42~50mm)钻孔，根据打钻到不同深度时排出的钻屑量及其变化规律以及有关动力现象，来判断岩体内应力集中情况，鉴别发生冲击危险的一种施工方法。
钻粉率法是在高应力带，打钻孔时取出的煤粉量V1与正常的排粉量V2之比，作为冲击倾向变化的指标，也称钻粉率指数K。它也可用煤量体积比或重量比表示： K=V1/ V2 (12—l)
四川省天池煤矿用体积比表示，其界限为：K=1.5～2.0，有弱冲击危险；K>2.0，有较大冲击危险。
开滦矿区唐山矿用重量比表示钻粉率指数，其界限值如表12－5
表12－5 开滦唐山矿冲击危险等级
在高应力带钻孔时，如发现钻粉量增大、有爆声响、震动、卡钻和钻杆受冲击等现象，就可判断该区域发生冲击的地点和时间。
我国一些煤矿使用钻粉率法来预测冲击地压的危险程度，收到了较好的效果。 我国抚顺、天池等矿区，根据钻粉率指数，将煤层冲击地压危险程度划分为三级即：Ⅰ级(弱冲击地压)、Ⅱ级(中等冲击地压)、Ⅲ级(强烈冲击地压)。抚顺矿区龙凤矿根据钻粉率法的预测试验数据，经分析制定了冲击地压危险程度初步划分的标准(表12－6)。
表12—6抚顺、天池等矿区冲击危险等级
还应指出，在高压带进行钻孔，容易诱发冲击地压，因此，须用远距离操纵设备或制定安全措施，以确保安全。 (二)微震法或地音监测法
岩石在压力作用下发生变形、破坏过程中，必然产生声响和震动，以脉冲形式向周围岩体传播，产生应力波或声发射现象。这种声发射也称地音。因此，用微震仪或地音仪记录这一系列地震波，根据地震波的强弱变化规律和正常地震波相比，可以判断煤层或岩体发生冲击的倾向程度。
枣庄矿区陶庄矿用微震仪研究了发生冲击地压的规律，得出以下结论：微震由小至大，其间有大小起伏。次数和声响频率，在一组密集的微震之后变得平静，是产生冲击地压的前兆。稀疏和分散的微震是正常应力释放现象，无冲击危险。记录下来的震相图，若震幅
衰减较快，持续时间较短，在10～20s左右，曲线形态类似于伞形(图12—3a)；若振幅衰减慢，持续时间达120s，为冒顶持续时间的5倍左右，冲击地压的震相曲线(图12—3b)。
图12—3 微震仪测出的震相
根据震相曲线和地震学知识，可以计算出发生冲击地压的震源位置。
使用地音仪把接收的震动脉冲记录到声频磁带上，通过分析音响强度，即单位时间内脉冲次数来判断煤体的冲击倾向度。具体的做法是把测量的地音强度与本地区正常的平均地音对比，以明显超过平均强度值并持续数小时，在这种高地音强度之后，几小时或十几小时的低强度时期内，往往可能出现冲击地压。 (四) 能量法
它是以弹性能与永久变形消耗能之比，作为衡量煤体冲击倾向度的指数K，其表达式和临界值如下：
5
K V1 5 冲击危险性较小 2 ~
V2
2
无冲击危险
冲击危险严重
式中 V1—试块的弹性应变能；
V2—试块被压裂卸载所消耗的能。
(五)综合测定法
为了更准确预报、判断发生冲击地压的时间和地点，可同时采用顶板动态法、钻屑法、微震法、地音监测法、能量法等综合分析进行确定。
二、冲击地压的防治
根据发生冲击地压的成因和机理，冲击地压的防治措施主要应避免产生应力集中，对已产生应力集中的区域或因地质构造等因素存在的高应力区，采取改变煤岩体物理力学性质，降低或释放煤岩体积聚的弹性潜能等措施。
(一)合理开拓布局，采用正确的开采方法
(l)开采保护层。开采煤层时，为了降低潜在危险层的应力，可首先开采保护层。
当所有煤层都有冲击地压危险时，应是开采冲击地压危险性最小的煤层。当有冲击地压危险的煤层的顶底板都赋存有保护层时，建议先开采顶板保护层(图12—4)。
图12-4 超前开采保护层
l－危险层；2－保护层；3－保护区(卸载区)；4－载荷恢复区
(2)避免形成孤立煤柱。划分井田和采区时，应保证有计划的合理开采，避免形成
应力集中的孤立煤柱，不允许在采空区内留煤柱，巷道上方不留煤柱，有条件的采区上山、采区边界及区段巷道采用无煤柱开采技术，避免应力集中。
(3)选择合理的开采方法。开采有冲击地压危险的煤层时，应尽量采用长壁采煤法，采用全部垮落法管理顶板。煤柱支撑法、房柱式及其它留煤柱的开采方法，将使冲击地压发生频繁。
(4)选择合理的巷道布置方式。开采有冲击危险的煤层时，应尽量将主要巷道和峒室布置在底板岩石中。
(5)合理安排开采程序。要合理安排开采程序，防止采煤工作面三面被采空区包围，形成“半岛”。采煤工作面应采用后退式开采，避免相向采煤。
(二)煤层预注水
煤层预注水的目的主要是降低煤体的弹性和强度。采用向煤层注水的方法，使相邻巷
道、采煤工作面的煤岩层边缘区减少内部粘结力，降低其弹性，减少其潜能。大同、抚顺、北京、枣庄、天池等矿区，在具有冲击地压危险煤层或顶板岩层进行注水，收到了明显的效果。例如大同四老沟矿在坚硬顶板中进行高压注水试验，在未注水区域，顶板坚硬难以冒落，液压支架6次受到冲击载荷，压力值达6kN/cm2，支架的工作阻力达5000kN，支护强度950kN/cm2，支架受冲击破坏，支柱缸体爆裂。而注水区域，顶板强度降低约30%，顶板易于垮落，没有发生冲击载荷，压力较小。又如四川天池煤矿，进行了煤层注水，注水前煤层硬度系数为2.05，注水后为1.04。由此可见，注水可降低煤岩层硬度，使煤岩松软湿润，减少弹性。
(三)钻孔卸压法
钻孔卸压法是利用钻孔降低积聚在煤层中的弹性能，是释放弹性能的一种方法。一般采用直径大约100mm的钻孔，现已有直径为300mm的钻孔。由于钻孔后，周围的煤体受力状态发生了变化，约束条件减弱，使煤体卸载，支承压力的分布发生了变化，峰值向煤体深部转移。当支承压力不超过煤层孔壁稳定范围时，孔壁不破坏，钻孔不变形，排出煤粉量为正常值，煤层没有卸压。当支承压力超过煤层孔壁稳定范围时，钻孔被破坏。支承压力愈高，钻孔破坏范围愈大，因此，煤层积聚的应力愈高，利用直径卸压愈有效。俄国在沃尔库塔矿区应用直径为300mm钻孔，孔距l.0～1.5m，取得了一定成效。
(四)震动爆破法
震动爆破法是在安全条件下，用爆破方法释放煤层积聚的能量，使煤层裂隙松动。是预防冲击地压的有效方法，一般有卸载爆破和诱发爆破两种方式。
卸载爆破就是在高应力区附近打钻，在钻孔中装药进行爆破，其主要目的是改变支承压力带的形状和减小峰值，炮眼布置尽量接近于支承压力带峰值位置。
诱发爆破就是在具有冲击地压危险的区域进行大药量的爆破，人为的在工作人员撤出后诱发冲击地压。
门头沟矿发生的冲击地压，60%是放炮引起的，因此，该矿利用震动爆破法对预防冲击地压进行了一些试验，试验的地点在该矿九采区－170m水平3槽煤工作面，工作面打两个诱发孔，孔深4～6m，每孔装药5.5kg，放炮诱发了相当于2.6级地震的冲击地压，从试验来看，收到了良好的效果。
(五)强制放顶
强制放顶卸压控制顶板，对防治冲击地压的发生是有效的。如北京矿区门头矿为了防止冲击地压发生，从二十世纪七十年代开始，进行深孔爆破人工强制放顶，累计放顶达十
几万平方米。取消刀柱式，改为长壁式开采，起到了减缓冲击地压作用。1985年在3槽煤层试验，也收到了较好的效果。