第一章冲击地压概述

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“RockBurst”、“RockBump”，俄文为“горныеудары”，而德文为“Gebirgsschlag”。对于矿震（Tremor）、煤和瓦斯突出（CoalandGasBurst）、顶板大面积来压（ExtensiveRoofWeighting）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，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、2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、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1Hz～1×104Hz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，持续时间几秒到几十秒，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2～6m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200～1000m，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3的震动波衰减很快，仅能传播1000～2000m；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）＜10＜1弱冲击10～1021～2中等冲击102～1042～3.5强烈冲击104～1073.5～5灾害性冲击＞107＞51.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。45.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．强冲击部分煤或岩体急剧破坏，大量的煤或岩石向已采空间抛出，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：①在连续煤体中（图1-1a）；②在被巷道切割的煤柱中（图1-1b）；③在被巷道从煤体分离出来的煤柱中（图1-1c）；④在煤层边缘部分（图1-1d）；⑤在掘进的煤层巷道中（图1-1e）；图1-1按显现地点的冲击地压分类5⑥在有底板或顶板破坏的巷道中（图1-1f）；⑦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Ⅱ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Ⅰ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0.5～1.01.1～1.51.6～2.02.1～2.52.6～3.0≥3.0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200m左右。50年代