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第九章冲击地压及其监测256冲击地压（岩爆）通常会瞬间造成采掘空间冒顶、底鼓等，对矿山安全开采造成极大的危害。随着煤炭资源开采逐渐转向深部，冲击地压发生的频次和烈度也显著增大，因此预防冲击地压对巷道围岩稳定性的破坏已成为矿产资源开采过程中一个急需解决的最关键、最棘手的问题。本章在对冲击地压特征和分类进行描述的基础上，介绍了冲击地压发生的机理、监测方法和预防策略。冲击地压及其监测§9.1概述§9.2冲击地压的特征及其分类9.2.1冲击地压的特征9.2.2冲击地压的分类§9.3冲击地压发生的机理9.3.1冲击地压发生的原因及实现的条件9.3.2冲击地压影响因素9.3.3冲击地压发生理论§9.4冲击地压的监测方法9.4.1开采判定法9.4.2钻屑法9.4.3地球物理法§9.5冲击地压的预防9.5.1区域性预防9.5.2局部性预防§9.1概述冲击地压是世界范围内煤矿开采中最严重的自然灾害之一，它以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变形能，抛出煤岩体，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并产生巨大的响声和岩体震动。岩体震动时间从几秒到几十秒，抛出的煤岩体从几吨到几百吨。国际上主要井工开采的国家冲击地压都十分普遍，1783年英国在世界上首先报导了煤矿中所发生的冲击地压现象。以后在前苏联、南非、德国、美国、加拿大、波兰、英国等20多个国家和地区均受到冲击地压灾害的威胁。前苏联首次发生冲击地压是在20世纪40年代的基泽尔煤田，20世纪80年代前194个矿井的847个煤层有冲击危险性，并发生了750次有严重后果的冲击地压。波兰全国67个煤矿中有36个煤矿的煤层具有冲击危险性，1949年~1982年，共发生破坏性冲击地压3097次。德国1949年~1978年，共发生破坏性冲击地压1001次。因此。国际上对冲击地压的研究给予了极大的关注。我国最早记录的冲击地压于1933年发生在抚顺胜利煤矿，随后，在北京矿务局的门第九章矿山压力与岩层控制257头沟、房山、城子、大沟峪、大台、木城涧等6个煤矿；开滦矿务局的唐山矿；抚顺的龙凤、老虎台矿；南桐的砚石台、南桐矿；枣庄的陶庄、八一、柴里等矿井；大同忻州窑、煤峪口、永定庄等矿井；沈阳中心台矿；北票台吉矿；阜新高德、五龙矿；通化铁厂矿等地方煤矿都发生过严重的冲击地压。近年来，新汶华丰矿、孙村矿；徐州三河尖矿、旗山矿、权台矿；兖州东滩矿等相继成为新的冲击地压矿井。至2002年，我国发生冲击地压的矿井已达70个。此外，我国煤矿矿井大多建于五、六十年代，随着时间的推移和矿产资源开发向深部转移，这些矿井将逐步进入深部开采，冲击地压灾害问题将更加严重、更加突出。尽管国内外学者在冲击地压发生机理、监测手段及控制等方面研究取得了重要进展，但由于冲击地压发生的原因极为复杂，影响因素颇多，到目前为止，远没有从根本上解决对其有效预测和防治问题。专家们预测，冲击地压的预测与防治将成为21世纪岩石力学研究的难题之一。§9.2冲击地压的特征及其分类9.2.1冲击地压的特征冲击地压现象是矿山压力显现的一种特殊形式，可描述为：矿山采动（采掘工作面）诱发高强度的煤（岩）变形能瞬时释放，在相应采动空间引起强烈围岩震动和挤出的现象。冲击地压引起人员伤亡和设备损坏，不仅发生在推进的工作面现场，而且易发生在巷道、硐室，特别是高应力集中的空间部位。冲击地压共有的显现特征为：突发性、瞬时震动性及破坏性。我国煤矿冲击地压的突出特点为：多类型、条件复杂、随采深增加发展趋势严重等。冲击地压发生前一般没有明显的宏观前兆，其诱发因素有，如放炮、顶板来压期间、回柱（移架）等。对国内外大量冲击地压案例分析表明，冲击地压发生的地点及其主要特征为：（1）冲击地压的发生与地质构造有密切关系，往往发生在褶皱、断层及煤层变异性突出的部位，主要受构造应力的控制；（2）发生冲击地压的煤层顶板往往具有坚硬的岩层，该岩层聚集高强度的变形能，是冲击地压发生的主要驱动能量；（3）发生在超前巷道的冲击地压，以巷道两帮煤体抛出为主要特征，将巷道堵塞，甚至完全充实巷道空间；（4）发生在工作面的冲击地压，一般表现为大面积冲击现象，冲击形成的煤体运动和冲击波将支护体推倒；（5）在留有底煤的采场，冲击地压发生时，以底臌和煤岩压入采场空间为主要显现特征。第九章冲击地压及其监测2589.2.2冲击地压的分类冲击地压是一种复杂的矿山动力现象，其形成的力学环境、发生的地点、宏观和微观上的显现形态多种多样，冲击破坏强度和所造成的破坏程度也各不相同。由于冲击地压发生的机理存在不同的理论，有各自不同的发生条件和判别准则。客观上不同矿井的冲击地压的成因和显现特征也不同，即使同一矿井，由于地质构造（变化）、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，冲击地压存在不同的种类，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防冲击地压，目前主要有以下几种分类方法。（1）根据冲击地压的能量特征按冲击时释放的地震能大小分类根据冲击地压的能量特征按冲击时释放的地震能大小分类，如表9.1所示。①微冲击。表现为小范围的岩石抛出和矿体震动，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。表现为少量煤（岩）抛出的局部破坏，伴有明显的声响和地震效应，但不造成严重的破坏。③中等冲击。急剧的脆性破坏，抛出大量的煤（岩）体，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和垮落，损坏机电设备，需要做大量的修复工作。⑤灾害性冲击。使整个采区或一个水平内的巷道发生垮落。个别情况下涉及全矿，造成整个矿井报废。表9.1按冲击时释放的地震能大小分类冲击地压级别地震能J震中的地震中裂度（级）[举例]2001年11月3号23时22分，在华丰煤矿-750m水平3407（1）工作面发生的冲击地压，震级2.4级，冲击地压发生前没有明显的前兆，突然一声巨响后，伴随连续小的爆裂声音，围岩强烈震动，煤尘飞扬，持续时间8min，对面看不见人，并伴有强烈的冲击波，伤13人。工作面下出口50m，巷道全部堵塞，有8m~35m的巷道上帮位移严重，支柱折损53棵，顶梁40余棵，地面有明显震感。矿山压力与岩层控制259微冲击（射落、微震）弱冲击中等冲击强烈冲击灾害性冲击＜1010~102102~104104~107＞107＜11~22~3.53.5~5＞5（2）按参与冲击的煤岩体类别分类①煤层冲击。煤层冲击产生于煤体一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。岩层冲击是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。对于煤体，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。（3）根据冲击力源分类①重力型。重力型主要是受重力作用引发的冲击地压，没有或只有少量构造力的影响。②构造型。构造型主要是受构造力引起的冲击地压。③中间型。中间型是重力和构造力共同作用引发的冲击地压。（4）按统计方法分类原煤炭工业部于1983年9月颁布的《冲击地压煤层安全开采暂行规定》中公布了我国煤矿冲击地压两类统计分类方法。①按冲击地压的破坏后果分类（a）一般冲击地压。一般冲击地压对煤矿生产的破坏后果轻微，不需要进行修复。此类冲击地压包括地震台记录到但未能定位的各种冲击、震动现象。（b）破坏性冲击地压。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、达到各矿自定破坏性标准的冲击地压。（c）冲击地压事故。冲击地压事故指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。②按显现强度分级根据地震仪或微震监测系统记录确定的冲击地压显现强度，按里氏地震计分为6级，见表9.2。表9.2按显现强度分级等级123456里氏地震级0.5~1.01.1~1.51.6~2.02.1~2.52.6~3.0≥3.0第九章冲击地压及其监测260§9.3冲击地压发生的机理9.3.1冲击地压发生的原因及实现的条件强度比较高的煤（岩）层，受构造运动和开采形成的高度应力集中是冲击地压发生的根本原因。若没有采取释放应力和能量措施，在高应力集中部位进行采掘工程，将使得冲击地压得以发生。9.3.2冲击地压发生的影响因素（1）地质因素主要包括开采深度、地质构造、煤岩结构和力学特性等。①开采深度。开采深度的加大使地应力值增加，一般在达到一定开采深度后才开始发生冲击地压，此深度称为冲击地压临界深度。临界深度值随条件不同而异，一般大于200m，总的趋势是随采深增加，冲击危险性增加。这主要是由于随采深增加，原岩应力增大的缘故。②地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等也影响冲击地压的发生。宽缓向斜轴部易于形成冲击地压；断裂如是一个开采边界，若回采方向朝向断层面，则冲击危险增加；煤层倾角和厚度局部突然变化地带，实际是局部地质构造应力积聚地带，因而极易发生冲击地压。③煤岩结构及性能也是冲击地压影响的主要因素。坚硬、厚层、整体性强的顶板(基本顶)，易形成冲击地压；直接顶厚度适中、与基本顶组合性好、不易垮落，冲击危险较大；煤的强度高、弹性模量大、含水量低、变质程度高、暗煤比例大，一般冲击倾向较强。（2）开采技术因素开采多煤层时，任何造成应力集中的因素，如开采程序不合理、留设煤柱、相邻两层开采错距不合适等，均对防治冲击地压不利。从防治冲击地压的角度而言，壁式开采优于柱式开采，旱采优于水采，直线工作面优于曲线工作面，垮落法优于充填法。煤柱和开采边界是应力集中的主要地点之一，应尽量避免和减少这些因素的有害影响。国内外大量实践表明，冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序(如爆破、冒顶、采煤等)而发生，这些因素称为诱导因素。诱导因素本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压而释放的能量和破坏性很大。因而，诱导因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。9.3.3冲击地压发生理论（1）刚度理论刚度理论是由Cook等人在20世纪60年代根据刚性压力试验而得到的。该理论认为试件的刚度大于试验机构的刚度时，破坏是不稳定的，煤岩体呈现突然的脆性破坏。20世纪70年代，Black认矿山压力与岩层控制261为矿山结构的刚度大于矿山负荷系统的刚度是产生冲击地压的必要条件。这一理论简单、直观，但矿山负荷系统的划分、刚度的概念及如可确定矿山结构的刚度是否达到峰值强度后的刚度是一难题。该理论没有考虑到矿山结构与矿山负荷系统本身可以储存和释放能量。（2）强度理论强度理论提出了冲击地压发生的应力条件是：*（9.1）即矿山压力大于煤体-围岩力学系统的综合强度该理论认为：较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍深部煤体自身或煤体-围岩交界处的变形，如图9.1所示，由于平行于层面的摩擦阻力和侧向阻力阻碍了煤体沿层面的移动，使煤体更加压实，承受更高的压力，积蓄较多的弹性能。从极限平衡和弹性能释放的意义上来看，夹持起了闭锁作用。在煤体夹持带内压力高并储存有相当高的弹性能，高压带和弹性能积聚区可位于煤壁附近。一旦高应力突然加大或系统阻力突然减小时，煤体可产生突然破坏和运动，抛向已采空间，形成冲击地压。强度理论较好的揭示了煤体—围岩力学系统的极限平衡条件，解释了冲击地压的一些现象，并具有简单、直观和便于应用的特点，但该理论对冲击地压动力学特征的描述不够，特别是对于采场周围煤岩体经常出现局部应力超过其强度极限的现象，但并没有都发生冲击地压，这说明强度理论提出的判据不够充分。图9.1强度理论示意图（3）能量理论能量理论是从能量转化方面解释冲击地压的成因，该理论认为矿体-围岩系统在其力学平衡状态失稳所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击地压。能量理论可以解释一些现象，但它把煤岩体看成纯弹性的，不符合冲击地压是煤岩体破坏的事实。该理论没有说明平衡状态的性状及其破坏条件，特别是围岩能量释放的条件，缺乏必