淺談沖擊地壓機(jī)理及防治

翟連連

（山西潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

煤炭是我國(guó)的主體能源，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占70%左右[1]，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)改變。因此，我國(guó)對(duì)于煤炭的需求將是持久的巨大的，然而，煤炭的不可再生性、開(kāi)采歷史的久遠(yuǎn)性和近年來(lái)巨大的需求性使我國(guó)淺部煤炭幾近枯竭，所以，我國(guó)煤炭資源的開(kāi)采深度在快速增加，由于這一因素的影響，我國(guó)礦井沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害日益加劇，嚴(yán)重地威脅著煤礦開(kāi)采的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1985年我國(guó)沖擊地壓煤礦有32個(gè)，而2011年底，發(fā)生沖擊地壓的礦井就多達(dá)142個(gè)，同時(shí)，全國(guó)有近50個(gè)礦井開(kāi)采深度達(dá)到或超過(guò)1000m；2006～2013年，先后有新汶、撫順、華亭、北京、義馬、阜新、鶴崗、七臺(tái)河、平頂山等煤炭生產(chǎn)企業(yè)因沖擊地壓而導(dǎo)致的重大傷亡事故多達(dá)35次，造成300余人死亡，上千人受傷。沖擊地壓的破壞程度也呈增大趨勢(shì)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，各種類(lèi)型的礦井都有沖擊地壓發(fā)生的報(bào)告，各類(lèi)煤層都發(fā)生過(guò)沖擊現(xiàn)象，地質(zhì)構(gòu)造從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，礫巖、砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖頂板都發(fā)生過(guò)沖擊地壓[2,3]。

所以，我國(guó)學(xué)術(shù)界對(duì)煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}一直非常重視，但由于問(wèn)題的復(fù)雜性，目前對(duì)沖擊地壓的研究還不夠充分，需要進(jìn)行長(zhǎng)期艱苦的探索和實(shí)踐才可能取得突破進(jìn)展。

1 沖擊地壓機(jī)理

1.1 沖擊地壓的判定

煤礦等地下工程所處環(huán)境的復(fù)雜性決定了沖擊地壓、巖爆、礦震[4,5]現(xiàn)象的時(shí)有發(fā)生，但是何謂沖擊地壓、巖爆、礦震，三者之間有區(qū)別嗎？區(qū)別在哪？目前來(lái)看人們對(duì)此的認(rèn)識(shí)還比較模糊。不同行業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ说恼J(rèn)識(shí)也不一樣，隧道交通等行業(yè)謂之巖爆，礦業(yè)領(lǐng)域稱(chēng)之為沖擊地壓（礦震）。下面是全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)對(duì)這3個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)的解釋?zhuān)?/p>

沖擊地壓是指在高應(yīng)力圍巖中由于巷道或工作面的開(kāi)挖，儲(chǔ)存在圍巖內(nèi)部的彈性變形能瞬間得到釋放而形成劇烈的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，常伴有氣浪、煤巖體的拋擲及巨響等現(xiàn)象。它往往給采掘空間內(nèi)的人員和設(shè)備帶來(lái)滅頂之災(zāi)，并有可能帶來(lái)地表塌陷甚至局部礦震。

巖爆是指硬性與脆性的高應(yīng)力圍巖由于地下工程的開(kāi)挖導(dǎo)致其彈性應(yīng)力的瞬時(shí)釋放，而使這些圍巖破裂松弛、剝離破壞甚至拋射出來(lái)的動(dòng)力現(xiàn)象。

礦震是指由于井巷或工作面開(kāi)挖導(dǎo)致其周?chē)簬r體原有應(yīng)力場(chǎng)失去平衡，在局部發(fā)生應(yīng)力的集中，能量的儲(chǔ)存，達(dá)到極限后在瞬間釋放出來(lái)，而使周邊甚至更遠(yuǎn)處巖層出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象。

這些認(rèn)識(shí)上的差異究其原因與行業(yè)領(lǐng)域的目的要求有著深層次的淵源。對(duì)于隧道交通等行業(yè)，這些工程是重要的民生工程，它對(duì)工程空間周邊巖體的大變形和破壞要求非?？量?，是不允許發(fā)生的；而礦業(yè)類(lèi)工程它具有暫時(shí)性的特點(diǎn)，在滿(mǎn)足空間安全的前提下允許其周邊圍巖發(fā)生變形或破壞。

從以上解釋可以明確，在高應(yīng)力圍巖中由于彈性能的瞬間釋放而產(chǎn)生的巖體破壞的動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象是沖擊地壓和巖爆所共同具有的特點(diǎn)。這里的關(guān)鍵是“破壞”和“災(zāi)害”，也就是說(shuō)圍巖造成了這兩個(gè)必須，即判定為沖擊地壓或巖爆。我們國(guó)家在《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)此有特殊的處理要求和行業(yè)規(guī)定，它將左右煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)安全。

礦震是一種局部應(yīng)力的集中再加上開(kāi)采活動(dòng)的誘導(dǎo)而形成的“地震”。當(dāng)然可以誘發(fā)礦震的因素很多，前面所說(shuō)的沖擊地壓和巖爆、地面活動(dòng)等都有可能成為礦震發(fā)生的致因。所以沖擊地壓（巖爆）與礦震的關(guān)系可以理解為：有些礦震可能會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓（巖爆），但有許多礦震并不會(huì)造成災(zāi)害；沖擊地壓（巖爆）也有可能誘發(fā)礦震。

1.2 沖擊地壓發(fā)生機(jī)理分析

根據(jù)沈明榮版《巖體力學(xué)》[6]可以知道：典型的巖體應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程一般可分為四個(gè)階段。

第一階段，通常被稱(chēng)為壓密階段。這一階段巖體的原生裂紋被壓密。

第二階段，即彈性階段。隨著載荷的不斷持續(xù)增加，巖體的原生裂紋被壓密的同時(shí)，新的裂紋又會(huì)不斷產(chǎn)生，此時(shí)巖體屬于線(xiàn)彈性體。

第三階段，一般第三階段始于巖體峰值強(qiáng)度的2/3處。在此階段內(nèi)，如果使巖體載荷突然卸載，那么在這之前發(fā)生在巖體內(nèi)的永久變形將被遺留下來(lái)，即此后巖體已經(jīng)成為塑性體，但其持續(xù)時(shí)間一般很短。達(dá)到峰值強(qiáng)度后，巖體承載力將隨變形的加大而逐漸減弱。

第四階段，在普通實(shí)驗(yàn)機(jī)上加載巖體，由于實(shí)驗(yàn)機(jī)剛度相對(duì)較低，巖體會(huì)在剛達(dá)到峰值強(qiáng)度或稍過(guò)的瞬間發(fā)生破壞，有點(diǎn)類(lèi)似于沖擊地壓或巖爆。當(dāng)在剛性試驗(yàn)機(jī)上加載時(shí)，這種瞬時(shí)破壞則不會(huì)發(fā)生，并會(huì)保留巖體的變形。雖然承載力也會(huì)隨著變形的加大而逐漸減弱，但是要想看到試驗(yàn)巖體繼續(xù)變形仍然需要繼續(xù)加載。

顯而易見(jiàn)，峰值強(qiáng)度前的階段一和階段二，巖體承載力與變形呈正相關(guān)，此時(shí)巖體屬于穩(wěn)定材料。峰值強(qiáng)度后面的階段，試驗(yàn)巖體產(chǎn)生應(yīng)變軟化，承載力與變形呈負(fù)相關(guān)，此時(shí)巖體屬于非穩(wěn)定材料。

在采礦活動(dòng)中存在的大型煤巖體中肯定有一大部分處于峰值強(qiáng)度后的形態(tài)。比如，由于巷道開(kāi)挖或工作面的采動(dòng)，在其周邊附近的煤巖體中必然會(huì)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣其應(yīng)力超限是非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，那么這部分煤巖體就是我們所說(shuō)的非穩(wěn)定材料，同時(shí)在遠(yuǎn)離巷道或工作面的區(qū)域內(nèi)由于受到的采動(dòng)影響有限，它們?nèi)匀惶幱诘谝?、二階段的狀態(tài)。故巷道或工作面周?chē)蟮膰鷰r體環(huán)境內(nèi)存在兩個(gè)區(qū)域，即巷道或工作面附近的非穩(wěn)定材料區(qū)和遠(yuǎn)離巷道或工作面的穩(wěn)定材料區(qū)，并且這兩個(gè)區(qū)域的范圍隨著巷道或工作面的移動(dòng)而不斷變化，相應(yīng)區(qū)域圍巖所承受的載荷也在不斷變化。開(kāi)采活動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，使巷道或工作面活動(dòng)的范圍逐漸變大，那么由穩(wěn)定材料區(qū)逐漸過(guò)渡到非穩(wěn)定材料區(qū)的范圍也在擴(kuò)大，這樣就會(huì)使巷道或工作面周?chē)蟮膰鷰r體環(huán)境由穩(wěn)定的平衡過(guò)渡到非穩(wěn)定平衡。此時(shí)，如果有外部誘因的促發(fā)，這種平衡狀態(tài)就會(huì)瞬間失穩(wěn)而發(fā)生沖擊地壓。

1.3 沖擊地壓類(lèi)型[7]

（1）斷層錯(cuò)動(dòng)型：由于斷層剪切造成圍巖體失穩(wěn)而誘發(fā)。深度一般趨于800～1000m且震級(jí)趨于3～4級(jí)。一般在接近斷層的采掘活動(dòng)過(guò)程中發(fā)生。

（2）煤體壓縮型：又可分為重力煤體壓縮型和水平構(gòu)造應(yīng)力煤體壓縮型，發(fā)生部位：位于3.5m以上煤層中的回采工作面和工作面平巷中多有發(fā)生。深度一般不大于500m且震級(jí)小于等于2級(jí)，但是一旦發(fā)生，煤量突出多、人員傷亡大、設(shè)備破壞嚴(yán)重。

（3）頂板斷裂型：由于工作面上賦頂板巖層受到拉伸失去穩(wěn)定而誘發(fā)。發(fā)生部位：位于堅(jiān)硬完整、致密而厚的巖層頂板下且大面積空頂?shù)墓ぷ髅娌煽諈^(qū)。震級(jí)在2～3級(jí)之間，但是一旦發(fā)生，強(qiáng)度高、能量大、范圍廣。

2 沖擊地壓防治[7]

2.1 斷層錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓

目前來(lái)看辦法只有通過(guò)使開(kāi)采活動(dòng)遠(yuǎn)離斷層或在其附近留設(shè)保護(hù)煤柱，不要促動(dòng)斷層的移動(dòng)，從而防止沖擊地壓的發(fā)生。

2.2 煤體壓縮型沖擊地壓

根據(jù)其誘發(fā)因子可知防治其的措施應(yīng)該是改變其所處的應(yīng)力場(chǎng)分布。方法有：煤層注水、卸壓巷、開(kāi)采解放層、卸壓爆破、機(jī)械振動(dòng)方法致生巖體裂隙、采區(qū)合理布置、大鉆孔、卸載洞及大功率超聲波方法。

2.3 頂板斷裂型沖擊地壓

頂板斷裂型沖擊地壓的防治措施主要是防止頂板發(fā)生斷裂。方法有：高壓水射流鉆孔割縫、開(kāi)采解放層。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)我國(guó)煤礦面臨的沖擊地壓?jiǎn)栴}的嚴(yán)峻性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)沖擊地壓本質(zhì)的界定和發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了沖擊地壓的分類(lèi)，并對(duì)于斷層錯(cuò)動(dòng)型、煤體壓縮型、頂板斷裂型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，同時(shí)提出了對(duì)應(yīng)的沖擊地壓防治技術(shù)。

［1］藍(lán)航,齊慶新,潘俊鋒,等.我國(guó)煤礦沖擊地壓特點(diǎn)及防治技術(shù)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(01):11-15.

［2］姜耀東,潘一山,姜福興,等.我國(guó)煤炭開(kāi)采中的沖擊地壓機(jī)理和防治[J].煤炭學(xué)報(bào),2014(02):205-213.

［3］齊慶新,歐陽(yáng)振華,趙善坤,等.我國(guó)沖擊地壓礦井類(lèi)型及防治方法研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014(10):1-5.

［4］潘俊鋒,毛德兵,藍(lán)航,等.我國(guó)煤礦沖擊地壓防治技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013(06).

［5］齊慶新,陳尚本,王懷新,等.沖擊地壓、巖爆、礦震的關(guān)系及其數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003(11).

［6］沈明榮.巖體力學(xué)[M].同濟(jì)大學(xué)出版社,2006.

［7］潘一山,李忠華,章夢(mèng)濤.我國(guó)沖擊地壓分布、類(lèi)型、機(jī)理及防治研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003(11).