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-141-第一章冲击地压概述煤矿煤岩动力灾害主要包括冲击地压和有瓦斯气体参与的煤与瓦斯突出，本次课程我们主要介绍冲击地压的基本知识、发生的原因、机理、影响因素以及冲击地压危险的预测预报技术、冲击地压危险的治理措施等方面的实用技术。第一节冲击地压动力灾害冲击地压以其突然、急剧、猛烈的破坏特征对煤矿、金属矿井、隧道等的安全轻则构成严重威胁，重则造成巨大的经济损失和人员伤亡。随着井工矿井开采深度的增加，煤岩动力灾害－冲击地压的危险也在逐步增加。原来没有发生过冲击地压的矿井，现在也开始发生，原来发生过冲击地压的矿井，现在冲击发生的强度越来越大，发生的次数越来越多。目前，我国有近50对矿井累计发生过4000多次冲击地压，造成数以百计的人员伤亡，巷道破坏达30多公里。冲击地压作为采矿诱发的地震，与大地地震相比，虽然震级不大，但由于其震中距地表近，属浅表层地震，其危害性非常严重。图1—1为按里氏震级划分的德国、向非、波兰等国以及我同抚顺矿区、三河尖煤矿、华丰煤矿等发生冲击地压的最大强度。第二节义马煤田冲击地压概况1、生产地质情况义煤集团公司冲击地压主要发生在中部义马煤田。义马煤田分布有5对生产矿井，即：常村、跃进、千秋、耿村、杨村煤矿。目前矿井采深分别是：常村矿600-800m,跃进矿650-1060m,千秋矿750-980m,耿村矿500-650m,杨村矿400-600m。义马煤田含煤地层为侏罗系，开采煤层为中侏罗统义马组，煤田基本构造形态为一简单的单斜构造。地层产状平缓，走向近东西，倾向南，自下而上分别是2-3煤、2-2煤、2-1煤、1-2煤和1-1煤，煤层倾角8～25°大部分区域在10°左右，现主采2-1煤和2-3煤。煤层赋存比较稳定，开采条件较好，煤层直接顶-142-为泥岩和砂质泥岩、老顶为巨厚砾岩，底板为煤与泥岩互层和炭质泥岩；煤田煤层瓦斯含量在2.19～9.72m3/t，矿井地质条件和水文地质条件均较为简单。煤种为长焰煤，挥发份大都在35-40%以上。2-1煤层煤厚在0.14～9.45m，平均煤层厚度3.5～4.6m；2-3煤层煤厚在0.2～21.7m，平均煤层厚度4.5～9.6m。煤层具有冲击倾向性。2、冲击地压情况义马煤田冲击地压从80年代就有显现。主要表现为响煤炮和局部支架损坏，但没有详细记录。首次有记录的冲击地压为1998年9月3日，千秋煤矿18152下巷掘进工作面冲击地压。当时18152下巷掘进近100m，发生冲击地压造成整条巷道被煤充满，破坏巷道50m，损坏工字钢支架100棚，冲击出煤煤量500m3，两人死亡，一个受伤，停产60天。该段巷道埋深450m。近两年来，有记录的冲击地压有21次，跃进煤矿16次，千秋煤矿4次，常村煤矿1次。最严重的是2007年跃进煤矿“6.19”冲击和最近千秋煤矿“6.5”冲击。从分类情况看，发生在回采期间的有12次、掘进期间6次、工作面安装、转移、修巷期间3次。发生在采深800m以下的15次，600-800m采深的6次。巷道表现情况基本上是以底鼓和上帮破坏为主，没有冲击地压造成的严重冒顶现象。另外还有很多以“煤炮”和轻微巷道支架变形为主要表现形式的弱冲击现象。第三节冲击地压现象及特征冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象。常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。同时造成煤岩体振动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击地压还会引发或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统等。对于冲击地压现象，世界各国，以及不同的行业，其称谓是不一样的，常见的有“岩爆”、“煤爆”、“冲击矿压”、“矿山冲击”、“冲击地压”等。本书采用“冲击地压”这个术语。-143-通常情况下．冲击地压将直接产生：①将煤岩动力抛向巷道；②引起岩体的强烈震动；③产生强烈声响；④造成岩体的破断和裂缝扩展。因此，冲击地压具有如下明显的显现特征：①突发性。冲击地压一般没有明显的宏观前兆而突然发生、难于事先准确确定发生的时间、地点和强度。②瞬时震动性。冲击地压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里．地面有地震感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。③巨大破坏性。冲击地压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；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常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。第四节冲击地压的分类根据冲击地压显现强度、发生的地点和位置的不同，冲击地压有如下几种分类方法。一、根据冲击的显现强度，可分为四类：(1)弹射。一些单个碎块从处于高压应力状态下的煤或者岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。(2)矿震。它是煤、岩内部的冲击地压，即深部的煤或岩体发生破坏。但煤、岩并不向已采空间抛山，只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动．伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮”。(3)弱冲击。煤或岩石向巳采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏，围岩产生震动，一般震级在2．2级以下，伴有很大声响，-144-产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。(4)强冲击。部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动。震级在2．3级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。二、根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击地压分为三级：(1)轻微冲击(I级)。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击地压。(2)市等冲击(II级)。抛出煤量在l0～50t，震级在1～2级的冲击地压。(3)强烈冲击(III级)。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击地压。一般面波震级Ms＝1时，矿区附近居民可能有震感；Ms＝2时．对井上下有不同程度的破坏；Ms＝2.5时，地面建筑物将出现破坏现象。三、根据发生的地点和位置冲击地压可分为两大类：(1)煤体冲击。发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表而、浅部和深部冲击。(2)围岩冲击。发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。第二章冲击地压影响因素及机理分析第一节冲击地压影响因素分析冲击地压发生的原因是多方面的，但从总的来说可以分为三类，即自然的、技术的和组织管理方面的。其关系如图2—1所示。图2-1据冲击地压发生的原因分类-145-自然因素中，最基本的因素是原岩应力，主要由岩体的重力和构造残余应力组成，井巷周围岩体的应力由采深决定，而构造残余应力则很难预计，也很难研究。此外断层附近也会出现相当大的水平应力。褶曲附近的情况也可能如此。实践表明，在一定的采深条件下，比较强烈的冲击地压一般会出现在煤系地层中具有强度高的岩层情况下，特别是在煤层顶板中有坚硬厚层砂岩的情况。冲击地压危险的倾向是由煤岩的特性决定的。总的来说，煤的强度大，弹性好，冲击地压的倾向性就高。但并不是说，强度小和弹性差的煤层不会发生冲击地压。只是在这种情况下，发生冲击地压的应力值比强度大、弹性好的煤大得多，并且取决于加载方式和加载速度。从发生冲击地压的技术因素来分析，首光是开采引起局部应力集中。其主要原因是开采系统不完善，或者具有坚硬的顶板，较大的悬顶，造成较大的应力集中；或者是由于开采历史造成的，如煤柱停采线造成的应力集中传递到邻近的煤层。从生产实践来看，生产的集中化程度越高，越容易发生冲击地压。开采设计或防治措施无法实现，是冲击地压危险增加的因素之一。主要是在多煤层开采情况下，还有多种自然灾害一起出现，如冲击地压、火、瓦斯等。但有时无法选择更有效的冲击地压防治措施。技术和管理相互交叉的因素为投资没有到位。加采矿作业没到位，支架和技术装备没有到位，没有选择有效的冲击地压预报仪器和防治的装备。一、开采深度众所周知，随着开采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。义马煤田现采深已超过或超过700米，具有开采深度大的特点。统计分析表明，开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。通常情况下，深度H≤350米时，冲击地压不会发生。深度在350＜H≤500m时，在一定程度上危险程度逐渐增加。从500m开始，随着开采深度的增加，冲击地压的危险性急-146-剧增长，当开采深度为800米时，冲击指数比在深度500米增加了14倍。义马煤田首次发生冲击地压在千秋煤矿，采深480米，而采深在700～1000m的跃进煤矿和千秋煤矿冲击地压高频出现，和上述分析结果一致。二、煤岩的力学性质生产实践与试验研究均表明：①在一定的围岩与压力条件下任何煤层中的巷道和工作面均有可能发生冲击地压。②煤的强度越高，引发冲击地压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击地压，就需要比硬煤高得多的应力。③煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之—。对煤的冲击倾向性评价，主要采用煤的冲击、弹性能量指数，即冲击能量指标KE≥5为强冲击倾向，5K≥1.5为中等冲击倾向，KE＜1.5为无冲击倾向；弹性能量指标WET≥5为强冲击倾向，5WET≥2为中等冲击倾向，WET≤2为无冲击倾向。表2-4为冲击煤层的煤样研究结果。我矿也对煤的冲击倾向性进行了鉴定，结果为强冲击倾向。就是说冲击地压形成的条件很简单，发生冲击地压的可能性较大。三、顶板岩层的结构特点义马煤田现主采煤层2#煤的顶板为20-30厚的泥岩，再上为强度高的砂砾岩，厚度达30～40米。见义马煤田煤层综合柱状图2-7。-147-研究表明，顶板岩层结构．特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击地压发生的主要因素之一．其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致冲击地压的发生。四、断层影响实践表明，冲击地压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层褟曲、构造应力带。当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击地压发生的次数明显上升，而且强度加大。实践表明．相当一部分震动集中在断层附近。其中在断层的上盘开采时的震动能量大于断层下盘开采时的震动能量。在向斜部分开采时，震动也很强烈。在断层和向斜附近震动集中的原因是地壳的运动形成的残余构造应力。该应力与开采引起的应力集中叠加的位置即为岩体震动的位置。岩层在其受力足够大时．就产生破裂．当岩层破裂发生侧向位移时．这种破裂就称为断层。断层通常是锁住不动的，当其两侧的应力积累到足以引起沿断层的断裂时，则发生位移，形成粘滑，当断层处于粘滑状态，其周围岩石可因位移岩性柱状厚度砂砾岩40.0泥岩1-1煤泥岩1-2煤泥岩2煤粗砂岩2.02.342.02.4415.025.014.0-148-一段而积累弹性能，当断层上的应力达到某一临界值时，断层滑动(储存在附近岩石中的弹性能一部分以地震能辐射出去)形成强烈震动。义马煤田进入深部开采后，受南部F16大断层的影响，冲击危险性会大幅度增加。部分矿井在开采过程中受局部小断层的影响，冲击也十分明显，如跃进煤矿23130下巷掘进工作面在距巷道开口100米左右有一落差为1米的小断层，“12.27”冲击发生在接近断层时，“1.30”冲击则发生在刚过断层时。五、褟曲的影响我们知道褶曲是岩层在水平应力挤压下形成的，这种褶曲大部分在沉积岩层中形成。一般情况下，对于巷道及回采工作面来说，在褶曲的各个部位，出现的危险性是不一样的，如图2-l0所示，I区，裙曲向斜部分，这部分的应力，垂直为压力，水平为拉力，最容易出现冒顶和冲击地压，2区褶曲翼，这部分的应力，垂直和水平均为压力，最易出现冲击地压，3区褶曲背斜．其应力状态为垂直拉力，水平压力，这部分也是最大矿山压力区域。图2-10褟部分的受力状态及冲击危险性义马煤田矿井多数采区（如千秋煤矿西部）基本上处于单斜构造区，垂直应力和水平应力均为压应力，最易出现冲击地压。也有处于向斜构造区（如跃进-149-煤矿25区）的，同样是冲击危险区。六、煤层分叉的影响煤层