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1、精选优质文档-倾情为你奉上冲击地压的机理及其防治摘要：冲击地压时一种特殊的矿山压力显现形式，现在已成为煤矿开采特别时深部矿井开采的主要灾害，严重威胁到煤矿的安全生产。目前，我国北京、辽源、大同、阜新、开滦、徐州、抚顺、大屯等不少煤矿都发生过冲击地压。且冲击矿压发生条件极为复杂，除褐煤以外的其他各种煤层均发生过冲击地压。采深从2001000 m，地质构造从简单到复杂，煤层由薄到特厚，倾角由水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母岩等，都发生过冲击矿压；在生产技术条件上，不论水采、炮采、普采或是综采，全部垮落法或水力充填等各种采煤工艺，还是长壁、短壁，巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房式等各种采煤方
2、法都出现过冲击地压。因此，研究冲击地压发生条件与防止技术，具有十分重要的任务。关键词：冲击地压、形成机理、防治措施、影响条件冲击地压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突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单的讲，冲击地压就是煤（岩）体得突然破坏现象。实例表明，冲击地压是最危险的矿山动力现象。它一般无明显宏观前兆而突然发生，冲击过程急剧而短暂，伴随巨大声响和强烈震动，对矿工安全有很大威胁，给生产往往造成严重破坏。一些矿井在开采边角煤、保护煤柱的条件下，甚至在设计不合理的工作面开采中或巷道掘进中都容易发生冲击矿压，造成严重的自然灾害。一
3、、冲击地压成因的机理 所谓冲击地压发生机理，就是指冲击地压发生的原因、条件、机制和物理过程，冲击地压的发生机理就其主要方面来讲，就是在一定的地质因数和开采条件下，煤（岩）受外力引起变形，发生突然破坏的力学过程。对冲击地压成因和机理的解释主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论和失稳理论。 1、强度理论 该理论认为，冲击地压发生的条件是矿山压力大于煤体围岩力学系统的综合强度。较坚硬的顶底板可将煤体夹紧，阻碍了深部煤体自身或煤体围岩交界处的变形。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，
4、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。 图一 夹持煤体产生高侧压2、刚度理论刚度理论起源于刚性压力机，由库克等人总结出来的。这个理论人为，矿山结构的刚度大于围岩支架刚度是产生冲击地压的必要条件。库克认为由于采动的影响，原有的矿体围岩系统力学平衡状态被破坏，剩余能量产生地震而使岩石抛出等动力现象，提出当矿体围岩系统破坏时，如果所释放的能量大于所消耗的能量，则发生冲击地压，这一理论称为能量理论。同时，库克在普通试验机上对大理岩进行压缩时，与大
5、理石试件并联一铜管以加大试验机刚度。试验发现，若试验机刚度足够大，大于试件后期变形刚度时，大理岩在达到峰值强度之后不发生突然破坏；若试验机刚度小于试件后期变形的刚度时，则发生突然的失稳破坏。对于井下矿柱围岩关系可以比拟为试件在试验机上发生突然破坏的刚度比较条件。Blake（1972）将其普遍化，提出矿体刚度大于围岩刚度则发生冲击地压，这一理论称为刚度理论。3、能量理论 该理论认为：当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，就会发生冲击地压。刚性理论也是一种能量理论，它认为发生冲击地压的条件是：矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷系(围岩)的刚度，即系统内所储存的能量
6、大于消耗于破坏和运动的能量时，将发生冲击地压。但这种理论并未得到充分证实，即在围岩刚度大于煤体刚度的条件下也发生了冲击地压。 3、冲击倾向性理论 该理论认为：发生冲击地压的条件是煤体的冲击倾向度大于实验所确定的极限值。可利用一些试验或实测指标对发生冲击矿压可能程度进行估计或预测，这种指标的量度称为冲击倾向度。其条件是：介质实际的冲击倾向度大于规定的极限值。这些指标主要有：弹性能变形指数、冲击能量指数、煤的动态破坏时间等。 但在实践中，具有相同的冲击倾向性，甚至同一煤层，只有少数区域发生冲击地压，大多数区域并不发生冲击地压，因此不能完全根据冲击倾向性理论，而实验室测定的冲击倾向性指标，唯一地确定
7、冲击地压危险性及是否发生冲击地压。1986年煤炭科学研究总院北京研究所与波兰采矿研究总院合作深入研究了岩石冲击倾向性分类。根据采空区顶板悬臂岩梁的力学模型，提出了用顶板弯曲能量指数作为评判顶板冲击倾向性的指标。该指标包含了开采深度、顶板性质、采空区状况等一系列因数，实验方法简便。目前，顶板弯曲能量指数已作为我国顶板岩层分类标准用于对顶板冲击倾向性的分类，如下表顶板冲击倾向性分类分类指标1类2类3类无冲击倾向性弱冲击倾向性强冲击倾向性弯曲能量指数10101001004、变形失稳理论失稳理论是从稳定性理论出发研究材料的破坏形式，其中国内学者殷有泉在研究岩石失稳与地震的关系时提出的能量形式的失稳准则
8、，章梦涛在研究岩体失稳与冲击地压关系时提出的岩体失稳理论最具有代表性。作为研究冲击地压的岩体失稳理论认为，冲击地压发生前是一个准静态的过程。在此阶段的煤岩体抗变形能力是增大的，介质是稳定的，煤岩体是从稳定平衡状态转向另一种稳定平衡状态的动力变化过程。在冲击地压即将发生时，煤岩体所承受的外载荷超过其峰值强度，抗变形的能力下降，介质时非稳定的，煤岩体开始从稳定平衡状态向非稳定平衡状态转化的动力失稳变化过程。当煤岩体处于非稳定平衡状态时，如果受到外界扰动，则有可能失稳，在瞬间释放大量能量，发生剧烈的破坏，即发生冲击地压。该理论认为，介质的强度和稳定性是发生冲击地压的重要条件之一；而当介质在失稳过程中
9、系统所释放的能量可使煤岩体从静态变为动态过程则是发生冲击地压的重要条件之二。该理论的实质是，只有变形系统具有软化特性时才能具备发生冲击地压的条件。5、失稳理论 近年来，我国一些学者认为：根据岩石全应力应变曲线，在上凸硬化阶段，煤、岩抗变形(包括裂纹和裂缝)的能力是增大的，介质是稳定的；在下凹软化阶段，由于外载超过其峰值强度，裂纹迅速传播和扩展，发生微裂纹密集而连通的现象，使其抗变形能力降低，介质是非稳定的。在非稳定的平衡状态中，一旦遇有外界微小扰动，则有可能失稳，从而在瞬间释放大量能量，发生急剧、猛烈的破坏，即冲击地压。由此，介质的强度和稳定性是发生冲击的重要条件之一。虽然有时外载未达到峰值强
10、度，但由于煤岩的蠕变性质，在长期作用下其变形会随时间而增大，进入软化阶段。这种静疲劳现象，可以使介质处于不稳定状态。在失稳过程中系统所释放的能量可使煤岩从静态变为动态过程，即发生急剧、猛烈的破坏。二、冲击地压的影响因数影响冲击矿压发生的因数有很多，但从总的来说可以分为三类，即自然地质因素（应力）、开采技术（采动应力集中）及组织管理措施（防治措施）。（一）地质条件对冲击矿压的影响 1、开采深度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，为了便于分析开采深度的影响，只考虑围岩系统中煤层内所积聚的弹性能。理论上讲，煤层在采深为 H的且无采动影响的三向应力状态下，其应
11、力为：此时煤体中单位体积所积蓄的弹性能，由体积改变和形状变形成的弹性能两部分组成。由于体积改变而形成的弹性能为：由于形状改变而形成的弹性能为：若令煤层中由于形状改变而形成的弹性能全部消耗于煤体的塑性变形和生成部分热量，而由体积改变形成的弹性能全部消耗于破碎煤体和使煤块获得一定的动能而产生运动或抛射。在不计应力集中影响的条件下式中 假设煤在单向载荷下的破碎强度为，则用于破碎煤块的单位体积所需能量为：式中 最大弹性应变由于巷道周边煤体处于双向受力状态，所以其所需的破碎能量比要大，此时考虑一系数（1），则破碎单位体积的能量为：按冲击地压能量条件则有：从而有此处H就是发生冲击地压的临界深度。释放出来的
12、动能为实际矿井冲击地压发生的临界深度的具体数值因煤层性质和地质条件的不同而各不相同。影响冲击地压的临界深度的因数很多，主要有煤体强度、煤的冲击倾向性、煤层自然含水率、顶底板和覆盖层性质、地质构造、构造应力大小和方向、开采技术因数等。2、煤岩的力学特征在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或采场可能发生冲击矿压。煤的强度越高，引发冲击矿压所要求的应力越小。煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。实践总结得到：我国冲击地压矿井煤层的单轴矿压强度通常大于15 Mpa，弹性模量大于2200 Mpa，煤质比较坚硬，脆性，这是煤层能够积聚弹性能的前提条件和基本特征。从煤层的自然含水率看，具有冲击
13、危险性的煤层，自然含水率通常较低，最大不超过4%。综合分析我国大量冲击地压矿井煤岩层结构特点可以看出，具有冲击危险性的煤层，其上通常有一层较厚（10 m）岩层，且较坚硬。由冲击地压现象我们可以认为冲击地压的发生，必然有大量的弹性能释放出来。因此，由底板煤层顶板组成的煤岩结构体必然在冲击地压发生前积聚大量弹性能，尤其是坚硬厚顶板岩层中更易存储弹性能。事实也表明冲击地压发生的主要因数之一就是坚硬厚层顶板因大量弹性能的积聚，从而使煤岩体破坏过程中以突然、急剧、猛烈的形式释放出多余的能量。在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致冲击地压或顶板大面积来压等动力灾害的发生
14、。通过综合分析我国发生冲击地压矿井煤岩的结构特征可以发现，冲击地压煤岩体典型的宏观结构特征表现为以下两方面：“三硬”结构，即硬顶硬煤硬底结构。从冲击地压机理上分析，这是煤岩体内存储大量弹性变形能的前提条件。我国一部分冲击地压矿井的条件就是这种结构类型，如北京门头沟矿、枣庄陶庄矿、新汶华丰矿等硬顶薄软层煤层结构，即在煤层与顶板岩层之间存在薄软层结构，并且冲击地压多在煤层结构变化、煤岩层具有一定倾角的条件下发生。在这种条件下发生的冲击地压占有一定的比率。3、顶板岩层的弹性能顶板岩层结构， 特别是煤层上方坚硬，厚层砂岩顶板是影响冲击矿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
15、性能。在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型（冲击压力型）冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压。煤岩层在采动后，应力状态发生变化。尤其时顶板岩层，由于采空区的存在，使顶板发生弯曲。苏联阿维尔申教授认为，煤层内的弹性能可由体变弹性能、形变弹性能和顶板弯曲弹性能三部分组成，即=+式中 煤壁上方顶板岩层的弯矩； 顶板岩层弯曲下沉的转角。对于初次垮落时，和可取对于周期垮落时，和可取式中 顶板重量与上覆岩层附加载荷的单位长度折算载荷； 顶板的断面惯性矩； 顶板的悬伸长度。由此，相应地可得或这样，求得的通常情况下顶板岩层中积聚的弹性能（周期来压时）可由下式表示=+=上式可以看出，与岩层悬伸长度的五次方成正比，即值越大，积聚的能量越多。一般而言，厚度越大的坚硬岩层，越不容易冒落，因此形成的值也越大。所以在具有一定厚度的坚硬顶板岩层条件下，由于悬顶大而顶板中积聚的弯曲弹性能多，因顶板断裂导致弹性能释放并发生冲击地压的可能性很大。4、地质动力因素实践证明，冲击矿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，煤层皱曲，构造应力带。例
