冲击地压教材.docx

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1、第一章 冲击地压概述第一节 冲击地压的概念、特征及分类 一、冲击地压的概念冲击地压属矿井动力现象，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以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单地讲，冲击地压就是煤（岩）体的突然破坏现象。它是影响煤矿安全生产的重大灾害之一。冲击地压在我国不同地区的煤矿和不同书刊中有不同的称谓，常见的有“冲击矿压”、“矿山冲击”、“煤爆”等。 在具体矿山地质条件下，矿井的开拓准备方式、开采方法及其工艺参数一经确定，也就基本确定了采场和巷道支架上的载荷特征和数值。随着采掘工作的展开，采场和巷道附近岩石中可能发生不同形式的变

2、形和破坏过程，导致一系列矿山压力现象的发生。这些过程的组合、范围和强度可能各不相同，采掘巷道会表现出不同的状态。有的巷道可以保存很长时间，而有的巷道掘出后很快就失去稳定性。采场和巷道围岩的破坏规模和延续时间的差异是很大的，规模上可以是围岩产生破裂直至波及地表的大范围岩层移动；延时上可以是几周、几个月或几年的缓慢破坏，直至突然发生冲击式破坏。破坏过程也是随着岩石的力学性质、地质因素和开采技术条件的不同而变化的。因此，研究采场和巷道围岩破坏现象的实质，对安全开采具有重要意义。一般的矿山压力现象及其显现规律，诸如顶底板闭合、支架折损、冒顶、片帮和底鼓、围岩应力分布规律等，都带有一定的普遍性。在某些特

3、定条件下发生的特殊的矿山压力现象，例如，冲击地压、顶板大面积来压、煤和瓦斯突出、矿震等矿山四大动力现象，对生产及矿工安全都具有很大威胁。这些现象具有突然发生的特点，呈现明显的动力特征，它们之间既有区别又有联系。其区别主要是发生机理各异，其联系主要表现在它们可以互为诱发因素，都具有动力特征，并且存在介于两种动力现象之间的“中间型”动力现象。目前，上述动力现象等有关术语的运用已渐趋统一。冲击地压的同义词有岩爆、煤爆、矿山冲击、岩石突出等。英文的冲击地压为“Rock Burst”、“Rock Bump”，俄文为“ ”，而德文为“Gebirgsschlag”。对于矿震（Tremor）、煤和瓦斯突出（C

4、oal and Gas Burst）、顶板大面积来压（Extensive Roof Weighting）等动力现象，也有相应的上述各种文字的词名，以避免概念上的误解。冲击地压、顶板大面积来压、煤和瓦斯突出、矿震统属矿山动力现象。它们的发生机理各不相同，但可互为诱发因素，且都具有动力特征。大面积顶板来压原则上属重力式突然破断，一般以部分岩体缓慢破坏为先导，岩层整体破断正是局部破裂不断发展的结果。破断的同时，已破坏岩体的位能突然转化为动能而显现弹性能的释放，但大部分弹性能已在局部破裂时缓慢释放。从显现特点上它与冲击地压的区别在于冲击地压发生时顶板一般不垮落。煤和瓦斯突出是指瓦斯和煤同时向巷道内突出

5、，它和冲击地压在表现上有类似性，发生时都出现煤体的破碎，而且有时两者同时出现。其主要区别是，对冲击地压而言，弹性能的释放是第一位因素，破坏较猛烈 震动更强烈，由已破裂的煤体中释放出瓦斯则是次要的、第二位的因素。煤和瓦斯突出则相反，瓦斯释放是第一位的因素，破坏较缓慢，震动也较弱，而煤岩抛出则是第二位的因素。突出后大部分煤体破坏成碎煤，且具筛选性。矿震是指由于开采活动引起的矿山岩层震动，它是巷道周围介质突然在一瞬间发生震动 同时伴有巨声、冲击波、弹性回跳等作用而不发生煤、岩抛出的一种弹性能释放现象。它是矿山岩层冲击式破坏的一种表现形式，因而有别于天然地震，其发生原因是多方面的。冲击地压、瓦斯突出、

6、大冒顶等都可引起矿震，但多数是由于岩层的沉降运动引起的，它一般并不导致井巷工程的破坏。岩爆是发生在岩巷、金属矿和地下隧洞中的冲击地压。一般表现为岩巷或隧道周一壁岩石成片状破裂，岩片向坑道内弹射，伴有“劈裂”声，顶板掉块，底板拱起，洞壁严重变形破坏、甚至大量岩石崩落。二、冲击地压的显现特征冲击地压发生如同装在煤岩里的大量炸药爆炸一样，煤和岩石突然被抛出，造成支架折损，片帮冒顶，巷道堵塞，伤及人员，并伴有巨大声响和岩体震动。监测到的震动频率1Hz1104Hz以上，最大震级3.8级以上，有时在几公里范围内的地面都能感觉到，形成大量煤尘和强烈的空气波。在瓦斯煤层，往往还伴有大量瓦斯涌出。冲击地压发生前

7、一般没有明显的宏观前兆。相当多的冲击地压是由爆破触发的，发生过程短暂，持续震动时间不超过几十秒。在某些情况下，冲击的同时还发生底鼓和煤岩压入巷道等现象。 概括起来，我国煤矿冲击地压的主要显现特征表现在以下几个方面：（1）突发性：冲击地压发生前一般无明显前兆，冲击过程短暂，持续时间几秒到0.52s秒，难已事先准确确定发生的时间、地点的强度。（2）多样性：一般表现为煤爆（煤壁爆裂、小块抛射）、浅部冲击（发生在煤壁26m范围内，破坏性大）和深部冲击（发生在煤体深处，声如闷雷，但破坏程度不同）。最常见的是煤层冲击，也有顶板冲击和底板冲击，少数矿井发生岩爆。在煤层冲击中，多数表现为煤块抛出，少数为数十平

8、方米煤体整体移动，并伴有巨大声响、岩体震动和冲击波；（3）破坏性：往往造成煤壁片帮、顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然鼓起甚至接顶；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往往造成人员伤亡和巨大的生产损失。（4）复杂性：在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从2001000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件上，不论水采、炮采、机采或是综采，全部垮落法或是水力充填法等各种采煤工艺，不论是长壁、短壁、房柱式或是煤柱

9、支撑式，分层开采还是倒台阶开采等各种采煤方法都出现了冲击地压，只有无煤柱长壁开采法冲击次数较少。三、冲击地压的分类冲击地压是一种复杂的矿山动力现象，其生成环境、发生地点、宏观和微观上的显现形态多种多样，以及它的显现强度和所造成的破坏程度相差很大。有的冲击地压影响范围仅几平方米或几十平方米，有的却波及范围很广，达几千平方米；有的冲击地压发生时测得的地震能量不足10J，仅相当于地震1级以下，有的则高达107J以上，相当于地震级3.9级；有的震动波衰减很快，仅能传播10002000m；有的冲击地压震动持续不了几秒钟，有的却持续时间长达几十秒。有的冲击地压仅为煤体冲击，有的则顶底板参与冲击。此外，由于

10、冲击地压发生机理存在不同的理论，提出各自不同的冲击地压发生条件和判别准则。客观上不同矿井的冲击地压成因和特征也不同。即使同一矿井，由于地质构造、开采条件和开采方法的差异，也使得冲击地压的成因、性质、特征、震源部位和破坏程度不同。综上所述，冲击地压存在不同种类，不能用同一机理去解释不同冲击地压的成因和现象，更不能用单一方法或措施去预测和防治冲击地压。因此要对冲击地压进行分类，并且出现了多种分类方法。 目前主要的、最有价值的分类方法有以下几种： （一）根据冲击地压的物理特征，按发生原因分（分为三类） 1压力型冲击地压 其发生时，煤柱和岩石将产生爆炸式破坏，如同坚硬的岩样在试验机上加载至强度极限后发

11、生爆炸式破坏一样。 2突发型冲击地压其发生原因是突然加载。是矿层上伏的厚而坚硬的老顶悬伸在矿柱上，先是夹紧矿柱并对它加载。当达到一定跨度时发生折断和垮落，同时产生压力波，造成处于极限应力状态的矿柱发生瞬时破坏。3爆裂型冲击地压其发生原因是在直接顶上部或直接底板下部存在塑性夹层。例如，在刚性岩层之间的粘土夹层，一旦条件适当被挤压出来，造成顶底板刚性岩层以冲击形式爆裂。（二）根据冲击地压的能量特征，按冲击时释放的地震能大小分（分五个等级，表1-1）。表1-1 按能量特征分类表冲击地压级别地 震 能（J）震中的地震烈度（级）微冲击（射落、微震）101弱冲击1010212中等冲击10210423.5强

12、烈冲击1041073.55灾害性冲击10751. 微冲击表现为小范围岩石抛出和矿体微震动，包括射落和微震。射落是表面的局部破坏，表现为单个煤（岩）块弹出，并伴有射击的声响。微震是母体深部不产生粉碎和抛出的局部破坏，常伴有声响和岩体微震动。2. 弱冲击少量煤（岩）抛出的局部破坏，伴有明显的声响和地震效应，但不造成严重损害。3. 中等冲击急剧的脆性破坏，抛出大量岩石，形成气浪，造成几米长的巷道支架损坏和垮落，推移或损坏机电设备。 4. 强烈冲击使长达几十米的巷道支架破坏的垮落，损坏机电设备，需要大量的修复工作。5. 灾害性冲击使整个采区或一个水平内的巷道发生垮落。个别情况下波及全矿，造成整个矿井报

13、废。（三）根据参与冲击的岩体类别分（分为二类）1煤层冲击（煤爆）产生于煤体围岩力学系统中的冲击地压，是煤矿冲击地压的主要显现形式。2岩层冲击（岩爆）高强度脆性岩石瞬间释放弹性能，岩块从母体急剧、猛烈地抛出。对煤矿，是顶底板岩层内弹性能的突然释放，又称围岩冲击。按冲击位置又分顶板冲击和底板冲击。顶板冲击按显现形式又可分成典型的顶板冲击和致密顶板岩层突然折断形成的冲击地压，后者往往伴生强烈的煤层冲击与底板冲击。（四）根据煤岩体应力来源及加载方式分（分为四种类型）1重力型主要受重力作用，没有或只有少量构造应力的影响而引起的冲击地压。2构造型主要受构造应力作用引起的冲击地压。3震动型煤岩体受震动载荷而

14、产生的冲击地压，它与重力型冲击地压的区别在于载荷的类型为脉冲式动载，载荷方向与震动波的传播形式和途径有关。4综合型受几种载荷共同作用而引起的冲击地压。（五）根据显现强度及其对煤和岩层、支架、设备的破坏程度分（分为四类）1 弹射单个碎块从煤岩体表面弹射出来，并伴有强烈的声响。2 煤炮（深部冲击） 深部的煤岩体发生破坏，但煤或岩石不向已采空间内抛出，只有片帮或散落现象，岩体震动，伴有声响，有时产生煤尘。3微冲击煤或岩石向已采空间抛出，但对支架和设备无损害，围岩震动，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强冲击图1-1 按显现地点的冲击地压分类部分煤或岩体急剧破坏，大量的煤或岩石

15、向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩强烈震动，伴有巨大声响，形成大量煤尘。 强冲击按显现地点分为以下七类： 在连续煤体中（图1-1a）； 在被巷道切割的煤柱中（图1-1b）； 在被巷道从煤体分离出来的煤柱中（图1-1c）； 在煤层边缘部分（图1-1d）； 在掘进的煤层巷道中（图1-1e）； 在有底板或顶板破坏的巷道中（图1-1f）； 在掘进的岩层巷道中。 这种分类方法便于分析支承压力的分布情况，有利于制定防治措施。（六）我国的分类我国目前使用的分类方法是煤炭工业部于1983年9月颁布的冲击地压煤层安全开采暂行规定中公布的我国煤矿冲击地压统计分类方法。该分类法采用了世界上流行的，在我国得

16、到公认的两类分类指标。即：1根据冲击地压的破坏后果分（分为三类）1）一般冲击地压。对生产的破坏后果轻微，不需要进行修复。此类包括地震台记录到但未能定位的各种冲击、震动现象。由矿井冲击地压防治组填写类记录卡。2）破坏性冲击地压。对生产造成一定的破坏，需进行修复工作。此类冲击地压包括井下实际发生并已观测到的，达到各矿自定的破坏性标准的冲击地压。由矿井冲击地压防治组负责进行现场调查，填写类记录卡。3）冲击地压事故。由于冲击地压及其伴随现象（冒顶、瓦斯突出等）造成的人员伤亡事故，或由于井巷或采场被破坏造成中断工作8h以上的冲击地压。此类冲击地压由矿井总工程师负责组织现场调查，填报I类记录卡，写出事故调

17、查报告。2根据地震仪或微震监测系统观测记录确定的冲击地压显现强度，按里氏地震级分（分6级，表1-2）表1-2 按显现强度分类等 级123456里氏地震级0.51.01.11.51.62.02.12.52.63.03.0第二节 冲击地压的历史及现状一、国内冲击地压历史及现状 我国最早记录的冲击地压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿，当时的开采深度为 200 m左右。50年代以前只有两个矿井发生了冲击地压。50年代增加到7个，60年代为12个，70年代达到22个，进入80年代以后，猛增到50多个。从1949年以来，已发生破坏性冲击地压2000多次，震级ML=0.53.8级，造成惨重的人员伤亡，破坏

18、巷道约 20 km，停产 1300多天。近年来，我国一些金属矿山、水电与铁路隧道工程也出现了岩爆现象。以下是我国典型冲击地压矿区的情况。（一）北京矿务局 冲击地压在北京矿务局属于全局性问题，10 个生产矿井中，有5个矿井和1个坑口受到冲击地压的威胁。 门头沟煤矿是我国冲击地压最严重的矿井之一。该矿开采侏罗纪无烟煤，属低瓦斯矿井，可采煤层有一、二、五、七槽四层，层间距80100 m，厚度一般0.73.5 m。各煤层顶板均为高强度的石英砂岩，平均厚度 1030 m。煤层倾角由缓至急，在缓倾斜煤层中主要采用单一走向长壁刀柱采煤法，沿走向每推进 3540 m留一刀柱，刀柱宽为采高的22.5倍。该矿的二

19、、五、七槽均为冲击地压危险煤层。该矿早在 1947年就发生过冲击地压现象，至1985年底，共发生破坏性冲击地压303次。1959年8月3日，工作面放炮引起冲击地压，顶底板瞬间移近0.3 m，木支柱折断 600余根，有感震动半径5 km，67间房屋震坏，震级ML为3.8级，属我国目前强度最大的一次冲击地压。该矿1980年平均震动记录达500余次，亦属我国震动频度最高者。 （二）抚顺矿务局 抚顺矿务局三个井工开采的矿都有冲击地压发生，其中以胜利矿为最早，而龙凤矿目前最为严重。 龙凤矿井田煤层生成于新生代第三纪，主煤层有三、四、五、六共四个自然层群，总厚 650 m，倾角 045。煤层顶板为厚 48

20、195 m的油母页岩，底板为76.5115 m的凝炭岩。该矿采用倾斜分层上行V形水砂充填采煤法。一般开采第一人工分层时，顶板为煤层，底板为砂页岩，无周期来压显现。冲击地压多发生于新采区第一分层开采过程中，约占总数的83%。冲击影响范围达几米到几十米，冒顶高度 13 m，突出的煤达 1050 t，严重时摧毁巷道达几百米，地面有震感。19751983年共发生0.5级以上冲击地压675次，最大震级ML为2.5级，其中23次造成严重破坏。 抚顺矿务局是我国非坚硬顶板、特厚煤层冲击地压的典型。 （三）枣庄矿务局陶庄矿枣庄矿务局陶庄矿属水、旱采并举的矿井，采深 400700 m，主采煤层为 26 m的厚煤

21、层。煤的单轴抗压强度约 1020 MPa。顶板为砂岩，强度 90130 MPa。自 1966年至 1985年 10月共发生了147次破坏性冲击地压，冲击强度一般不大，为1.52级左右。1982年 1月 27日水采区上山煤柱（宽 160 m）发生了该矿历史上最大的一次冲击地压（3.6级），而且时隔 25 min后又发生一次（2.7级）。该冲击区顶板砂岩厚达 43 m左右，为我国厚层砂岩顶板条件下发生冲击地压的典型。 （四）开滦矿务局唐山矿 开滦矿务局唐山矿的冲击地压大多发生在两面或三面临空的半岛形或孤岛形煤柱中，以及上层开采遗留的残柱下方的应力传递区域。这种残柱影响深度可达150m。在这些煤柱中

22、掘进回采巷道或进行回采时发生冲击地压，以及位于这些煤柱下方的开拓巷道（大巷、石门）受采动影响也发生冲击地压。 （五）徐州矿务局 徐州矿务局主采下石盒子组、山西组、太原组煤层。矿区地质构造情况较为复杂，煤层赋存条件为近水平、倾斜、急倾斜多种形式并存，且厚薄不一。特别是随着可采煤层的逐步减少，各采区都在向复杂地质构造带和深部延伸，因而给巷道和采场矿压控制技术提出了新的挑战。例如，深部（软岩）巷道支护技术和冲击地压预测预防技术已面临着较为严峻的形势。徐州矿区原来被认为不属冲击地压威胁地区，由于采深增加和复杂地质构造影响，使这一早已隐藏的危害被揭开。自1991年以来，该局已发生较为严重的冲击地压事故近

23、20次，造成多人伤亡，以及不同程度的巷道支护损坏。三河尖矿自1991年9月5日在7110材料道发生第一次冲击地压事故，是全局发生冲击地压次数最多的矿，占全局的大多数。张集矿与三河尖矿同为“三硬”矿区，发生冲击地压的可能性较大。1994年8月到11月在9606综采面共发生冲击地压事故3起。发生的地点比较集中，事故现场的特征基本相似，即发出巨大声响，煤尘飞扬，煤体突出且呈现粉末状，冲击波推倒大型物体，造成较大的人员伤亡。 旗山矿与权台矿同属“三软”矿井，传统理论认为不可能发生冲击地压，但事实上这两个矿都曾发生了较为严重的冲击地压事故。 （六）近几年出现的冲击地压矿井 近年来，我国东部大部分矿区的地

24、下煤炭开采也转入深部开采，一些原来少见的冲击地压和矿井突水等灾害事故频频发生，这些现象在我国东部的大型现代化矿井尤为突出。例如，像兖州、新汶、大屯、徐州、淮南、淮北肥城等矿区，在采深不超过500m时从来没发生过冲击地压事故，但采深超过500m后就出现了，并且随着采深的增加，这种灾害起越来越严重，特别在被传统理论认为不可能发生冲击地压的“三软”矿区（如徐州东部矿区）也发生了严重的冲击地压事故。据统计，近5年来，兖州、新汶、大屯、徐州四大现代化矿井累计发生100余次冲击地压事故，造成重大人员伤亡和财产损失。二、我国冲击地压的显现特点 我国冲击地压除了突然性、瞬时震动性和破坏性等显现特征以外，从显现

25、情况和发生条件来看，具有以下特点： 1类型多种多样，灾害严重程度不同 我国冲击地压一般表现为煤层冲击，以破碎煤块从煤壁抛出最为常见，也有极个别情况为上百立方米的煤整体滑移。我国煤矿也发生过顶板冲击和底板冲击。如房山矿发生一次冲击地压，底板突然鼓起并开裂成 5 cm宽的裂缝。此外，我国有台吉矿、大台矿、八一矿、柴里矿及南桐一井等五个煤矿已发生43次典型的岩爆。各矿井冲击地压的强度、频度、灾害程度、伴生灾害情况等差别很大。在统计的32个矿井中有24%的矿同时存在冲击地压及煤与瓦斯突出等两种以上灾害。根据历次冲击地压造成的人员伤亡与破坏生产情况以及当前矿井的生产情况，可以将这32个矿井分为三类四级，

26、见表1-3。表1-3 矿井冲击灾害程度分级类 别矿 井总 数严重目前严重门头沟、房山、大台、龙风、老虎台、陶庄、唐山、天池、砚台矿、台吉矿、西安11曾经严重胜利、城子2中 等高德、五龙、营城、长沟峪、忻州窑、煤峪口、八一、五一、擂鼓、南桐一井10一 般滴道、南山、铁厂、牛心台、木城涧、永定庄、柴里、花鼓山、冰沟9 2发生条件极为复杂 我国煤矿发生冲击地压的典型条件为：初始深度200600m，煤的单向抗压强度 1030 MPa，顶板一般为厚 1040 m的坚硬砂岩，强度 100600 MPa。 然而，具体分析起来，我国冲击地压发生条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击

27、现象，采深从 200800 m，地质构造从极简单至极复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种方法都出现了冲击现象。3 发展趋势是矿井数量逐渐增多，灾害的危险程度日趋严重1949年以前我国发生冲击地压的矿井只有12个，50年代增加为7个，60年代为12个，70年代为22个，截至1987年已猛增到35个，目前达70多个。而随着开采深度的增加、开采范围的扩大，近年来虽然采取了不少措施，但全国矿井数和总的冲击次数并未减少。可见，我国冲

28、击地压的防治工作任务甚为艰巨，具有现实的迫切性和长远的重大意义。三、我国冲击地压研究情况 我国矿井的冲击地压从全局看，仍属局部性灾害范畴。但其发展趋势是严酷的。由于开采深度及采掘范围的扩大，虽然采取了许多针对性措施，但冲击地压次数并未明显降低。所以开展冲击地压基本知识教育，加强冲击地压煤层安全生产管理，进一步深入开展冲击地压的预测和防治研究，仍是十分必要的。 从20世纪60代开始，一些冲击地压较严重的局矿，在生产实践中，根据生产急需和可能条件，试验采取了一些防治措施，取得一定效果。近四十年来，随着冲击地压灾害日趋严重，现场预测和防治工作得到煤炭部等各级主管部门的重视。投入资金引进监测设备、开展

29、现场防治。分别在天池、门头沟、龙凤、陶庄、唐山、房山等矿井，由科研与高校等单位参加，相继开展了有组织、有系统的科学研究工作，大大推动了全国性煤矿冲击地压防治工作。与此同时，建立和健全各相关单位的冲击地压防治组织和管理机构，冲击地压管理工作得到加强。1987年我国煤炭部正式颁布了冲击地压煤层安全开采暂行规定。标志了我国煤矿冲击地压管理工作进入有章可循的新阶段。1取得的研究成果 据不完全统计，我国煤矿已经试验或实施的冲击地压预测预报手段有10多项，采取的治理措施也有10多项。可以说，世界各采矿国家现有的预测和防治措施，在我国大都得到不同程度的试验和应用。而且在诸如综合治理等方面已经取得明显效果。

30、自20世纪70年代末以来，我国开展了大量的冲击地压研究课题研究，通过专家鉴定，并在现场得到实施应用。研究成果有的已接近或达到国际先进水平、大部分课题获得省、市或部级科技进步奖。取得的主要研究成果有：1）冲击地压机理研究。已从冲击地压表面现象的观察描述过渡到物理过程的揭示；从一般的理性认识发展到对本构关系的论证；进而提出若干种机理假说，其中冲击地压三准则机理模型和变形系统失稳模型具有一定的价值和特色。目前已经能够利用有关理论去解释相应的冲击地压现象，为预测和防治工作提供一定的理论基础。2）煤层冲击倾向试验研究。冲击倾向试验是冲击地压预测的前提条件之一。其中弹性能指数WET、冲击能指数KE和煤体动

31、态破坏时间DT等三项指标已列入冲击地压煤层安全开采暂行规定。 3）钻屑法的研究。通过现场实测、实验室试验和数值分析，对钻屑法的原理、钻屑量组成、极限应力、钻孔扩容等问题进行了研究。确定了冲击地压矿井的冲击危险指标，研制了专用配套机具。钻屑法已在全国推广应用，是我国目前主要的预测方法之一。 4）地音、微震、电磁辐射监测系统的研制和应用。70年代研制的便携式流动地音仪已经推广应用。80年代从波兰引进的SAK地音系统和SYLOK微震系统已在门头沟、陶庄等矿安装使用。此外还开发了MAE地音装置。近几年，在多个矿区已成功使用电磁辐射监测手段。 5）煤层注水。已全面推广应用。 6）煤层卸压爆破。已全面推广

32、应用。 7）坚硬顶板处理。使用了爆破及注水软化等措施，有效地控制了大冒顶等冲击地压事故。 8）水力割缝卸压。已部分推广应用。2研究单位及科研情况 辽宁工程技术大学在冲击地压失稳理论研究、矿井动力现象区域预测、冲击地压监测及防治等方面进行了大量的研究工作，取得了很有价值的研究成果。特别是在用地质动力区划进行区域预测方面的研究成果已达到国际先进水平，形成了具有特色的研究方向。辽宁工程技术大学相继完成了国家“七五”、“八五”、“九五”攻关课题多项，与俄罗斯国家地质力学与矿山测量研究院合作完成了“北票矿区地质动力区划及岩体动力现象预测和预防研究”等研究课题，取得了成功的经验。又先后在抚顺矿务局、开滦矿

33、务局、平顶山煤业（集团）公司等多个局矿开展了冲击地压、煤与瓦斯突出和矿震等矿井动力现象区域预测方面的研究工作，取得了明显的社会和经济效益。在鸡西，辽源、淮北等矿区进行了大量的冲击倾向性测定和冲击危险评价，卸压爆破，钻孔卸压等解危措施研究及试验，积累了丰富的经验。通过多年的科学研究和研究生培养，已经形成了以教授、博士生导师为带头人的在冲击地压机理、预测及治理研究方面具有较高科研水平和实践经验的研究队伍。煤科总院北京开采所在19811982年就开展了“门头沟煤矿二槽煤冲击地压防治与煤粉钻孔法的试验研究”。在19841985年进行了“地音与微震监测系统在门头沟煤矿冲击地压防治中的应用”，并进行了煤的

34、冲击倾向研究。19861990年完成了国家“七五”攻关项目“冲击地压预测与防治”。19871990年进行了岩石冲击倾向研究。1984年引进了地音和微震监测系统，1991年开始了国产化的研究工作，1992年后研究出了地音监测系统。通过开展“煤（岩）的冲击倾向性试验研究”、“模糊综合评判煤的冲击倾向性的研究”、“岩石冲击倾向性分类及冲击地压预测的研究”等课题的综合研究，于1987年主持制订了煤炭行业标准“煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法”，并于1998年对该标准进行了修订，同时主持制订了“岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法”，是目前国内进行煤岩冲击倾向性鉴定的权威部门。 多年来，中国矿业大学在国

35、家自然科学基金、煤炭行业重点项目和国家“九五”重点科技攻关计划等的资助下，对含瓦斯煤岩的物理力学特性、含瓦斯煤岩流变破坏特性、煤与瓦斯突出的流变机理、单轴受载含瓦斯煤岩流变破坏电磁辐射特性、电磁辐射法预测煤与瓦斯突出等煤岩瓦斯动力灾害技术及装备方面进行了大量的研究工作；提出了煤与瓦斯突出的“流变假说”；提出了用电磁辐射强度和脉冲数变化预测预报煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害现象的技术原理和方法；提出临界值法和趋势法两种灾害危险性识别方法；研制成功了具有非接触、定向、连续、区域性监测及预报功能的KBD5矿用本安型煤与瓦斯突出（冲击地压）电磁辐射监测仪，并进行了成功的应用。实现了非接触、定向及区域性（空

36、间上）预测预报煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩瓦斯动力灾害。电磁辐射监测仪在焦作矿务局、平顶山矿务局、邢台矿务局、徐州矿务局和新汶矿务局已成功使用，且效果良好。 此外，其它煤炭高校和科研单位、生产单位也都开展了许多冲击地压研究项目，取得了较多的成果。近些年随着新兴学科的应用，使冲击地压研究向非线性、实时动态监测、信息化等方向发展。我国冲击地压总体研究处于国际先进水平。四、国外冲击地压概况 冲击地压是世界采矿业面临的共同问题。1738年英国在世界上首先报道了冲击地压现象。之后，前苏联、南非、德国、波兰、美国、加拿大、日本、法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、新西兰和安哥拉等都记录了冲击地压。

37、目前，有包括我国在内的共18个国家和地区都有冲击地压，这一事实表明，世界上几乎所有采矿国家都不同程度地受到冲击地压的威胁。 煤矿冲击地压最严重而且防治工作最有成效的国家是前苏联、波兰和德国。 （一）前苏联 前苏联的冲击地压最早于1947年发生在吉谢罗夫矿区。目前共有9个矿区出现了冲击地压问题，19471970年共发生冲击675次。 发生冲击地压的一般条件是：初始深度为 4001860 m，煤厚0.520 m，在各种倾角、各个煤种（包括褐煤）中都记录到冲击地压现象。多数情况下顶板为坚硬砂岩，也有一些煤田是破碎顶板。开采技术条件涉及到刀柱式或长壁式等开采方法；充填或垮落等顶板管理方法；整层或分层开

38、采情况。 自1951年起，全苏地质力学及矿山测量研究院以及其他研究单位和高等院校等几十个单位配合国家技术监察部门与生产单位一起着手解决煤矿的冲击地压问题。经过25年的努力，基本上形成了一整套防治冲击地压的组织管理系统，并制定了有关技术规程，发展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和预报方法，取得了良好效果，冲击次数大为减少。19551977年冲击危险矿井数由8个增至36个，而年冲击次数则由83次降至7次，1980年以后又降至56次。近年来发生的冲击地压是由于违反在开采有冲击地压倾向煤层的矿井采矿工作安全手册的规定所造成的。 在前苏联金属矿，冲击地压的频度比煤矿要小得多，其主要形式为岩石弹射、震

39、动和微冲击，主要发生在北乌拉尔铝土矿等20余个矿山。开始出现的深度为 300700 m，主要岩石种类为辉绿岩、正长岩、花岗岩、凝灰岩以及铁矿石、铝土矿石、铜矿石、钾盐矿石等，平均单向抗压强度 100250 MPa，最低 2530MPa。前苏联金属矿防止冲击地压的基本措施原则上同煤矿的没有差别。 （二）波兰 波兰有三个井工开采煤田：上西里西亚、下西里西亚和鲁布林。产量的98来自上西里西亚煤田。该煤田中煤的强度为1035 MPa，煤厚 0.520 m（一般 1.53.5 m），倾角 045（一般515），平均采深 600 m，顶板大都为坚硬砂岩。长壁工作面产量占99，其中70为垮落法开采，其余为水

40、砂充填。工作面平均长150 m，日产 13001400 t商品煤。机械化程度 96.2，其中综采占83.7。 冲击地压是波兰煤矿重大灾害之一，最早记载于1958年。目前全国67个煤矿中36个有冲击地压危险，产量占55以上。目前开采的400号、500号、600号、700号和800号煤层组中45以上的煤层有冲击地压倾向，其中500号煤层组最为严重。开始发生冲击地压灾害的平均采深约为 400 m，随着采深的增加，冲击地压危险越来越严重。冲击地压强度一般为 105109J，最大是 1011J。19491982年，共发生破坏性冲击地压3097次，造成死亡401人，井巷破坏12万m。 波兰很重视冲击地压问

41、题，早在60年代初期就着手大力开展科学研究和防治工作。煤层的冲击倾向实验室测定和井下测定是波兰学者首先倡导并大力发展的。此外，在将岩体声学以及地震法用于矿山冲击危险探测和监测方面，居世界领先地位。由于采取综合防治措施，保证了安全，促进了生产。从战后的1949年到现在，产量增加两倍，冲击地压事故降低95%。 （三）德国 鲁尔矿区是德国的主要产煤区，也是发生冲击地压的主要矿区。19101978年间共记载了危害性冲击地压283次，有冲击倾向或危险的煤层20余个，其中底克班克、阳光和依达煤层具有最强的冲击倾向，其抗压强度1020MPa，煤种为长焰煤、气煤和肥煤等。冲击地压发生深度 5901100 m，

42、其中 8501000 m冲击地压数占 75左右，最大抛出量 2000 m3。发生冲击地压的煤厚为 16 m，其中主要为 1.52 m，倾角 444。 在德国，产生冲击地压的煤层顶板绝大部分是 540 m较厚的砂岩或其它坚硬岩层，因而，认为砂岩顶板是有冲击地压危险煤层的主要标志。 德国是防治冲击地压较有成效的国家，其主要的工作基点在于实用。由德国所发展的钻孔卸载法、钻屑法以及其它方法在国际上享有较高声誉。第三节 典型的冲击地压现象第二章 冲击地压发生的机理第一节 冲击倾向性鉴定 一、 弹性变形能 冲击地压的巨大破坏性在于煤岩体瞬间释放出大量的能量。从能量转化的角度来看，冲击地压的孕育和发生过程就

43、是能量的积聚和突然释放过程。为了说明冲击地压这种现象，首先必须搞清弹性变形能的概念。 地下岩体（包括煤体）处在复杂的和强大的自重应力、构造应力和开采的附加应力场中。这样，地下赋存的岩层和煤层，由于强大的应力作用，必然导致其体积与形状发生变化，即产生变形。这种变形是外力做功的结果。当岩块尚处于弹性状态且变形不能解除时，外力做的功将以能量的形式储存在岩体内。这种由变形获得的能量称为弹性变形能，也称为弹性位能，或简称为弹性能。因此，处于三向高应力状态下的地下岩体，可能储存有大量的弹性能。 由于在外力作用下岩体发生体积和形状变化，所以岩体内的弹性能分为由于体积变化和由于形状变化而形成的弹性能，分别称为

44、体变弹性能和形变弹性能。 开采活动将改变原岩的应力状态。一旦积聚的弹性能释放出来，就会表现出一系列的矿山压力现象。根据有关弹性能的力学分析，表明地下岩体中积聚的弹性能与应力大小及煤岩体的力学性质有关。二、冲击倾向 煤层冲击是冲击地压的最常见的显现形式。因此煤的冲击倾向是冲击地压机理研究的重要内容之一。 大量的冲击地压实例表明，同一矿井，在几乎相同的自然地质和开采技术条件下，有些煤层发生冲击地压，有些则不发生。这就说明发生冲击地压的煤体一般都具有一定的物理力学特性，决定其积聚能量并产生冲击破坏的能力，这种能力可称之为冲击倾向，是煤的固有属性。图2-1 煤样动态破坏时间 煤层冲击倾向鉴定，是进行预

45、测和治理的前提，也是管理工作的基础。在地质勘探阶段，从勘探钻孔取得煤芯，在实验室进行煤的冲击倾向鉴定，其结果可作为矿井设计的基础技术依据，以便从开采程序及方法、开拓布置上采取措施，从根本上消除冲击地压的发生条件。在煤层开采以后，通过进一步的冲击倾向鉴定工作，确定待采区的冲击倾向级别，为生产、管理工作提供客观的基础技术依据。 煤的冲击倾向可以通过试验指标加以度量。以下介绍三种较重要的指标。1 煤样动态破坏时间在常规单轴压缩试验条件下，煤试件从极限强度到完全破坏所经历的瞬态延续时间称为煤样动态破坏时间，见图2-1。冲击地压之所以成为一种灾害，不仅在于煤体破坏释放出的能量非常大，而目在于煤体冲击破坏

46、的过程短暂。显然，破坏过程的长短是能量积聚与耗散动态特征的综合反映。因此，煤样的动态破坏时间可以衡量冲击倾向的程度。图2-2 断裂速度的变化在一定条件下，煤样的破坏时间取决于断裂发展的速度。对岩块断裂机理的研究表明。岩石（包括煤）在压缩下的脆性破裂分为三个阶段，如图2-2所示。图2-3 煤样动态破坏时间测试系统1材料试验机上加压板；2试件；3载荷传感器；4试验机下加压板；5动态应变仪；6模拟磁带机；7记忆示波器；8X-Y函数记录仪 从断裂开始出现到临界能量释放点，属断裂稳定扩展阶段，断裂速度从零开始增大；从临界能量释放到极限强度，属断裂不稳定扩展阶段，断裂速度继续增大并渐近于极限值VT，对于给定的介质，VT为常值；从极限强度到试件完全崩裂，属断裂的分叉与汇合阶段，在普通试验机加载条件下，这一过程是在极高的速度下完成的。 上述分析证明，在普通试验机加载条件下，脆性煤块的破坏时间取决于断裂分叉与汇合的速度，它反映了煤介质的固有属性。测试系统如图2-3所示。试验方法与常规单轴抗压强度试验相同。在普通压力试验机上，以加载速率控制方式对煤试件加载。加载速率取恒定值，约0.51.0MPa/S。利用载荷传感器把试件所受的力变为电压信号，再经动态应变仪放大后，输入模拟磁带机进行连续记录至试件破坏、然后，用记忆示波器捕捉磁