冲击地压概述

1.1　冲击地压概述

冲击地压是最危险的矿山动力现象之一。发生时，一般无明显宏观前兆，以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变形能，煤岩体被抛出，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并伴随巨大声响和岩体震动，震动时间从几秒到几十秒，冲出的煤岩从几吨到几百吨，甚至上千吨，给生产与生命财产造成严重威胁。冲击地压发生的原因极为复杂、影响因素较多、灾害的后果较为严重，已成为岩石力学研究中的一个重大课题。冲击地压发生于各类岩石中，从褐煤到无烟煤的各种变质程度的煤都可能发生。我国绝大多数矿山的煤层与岩层都具有强烈或明显的冲击倾向，在一定的临界深度下煤岩体发生冲击地压极为严重。随着我国煤矿开采深度的不断增加，冲击地压灾害越来越严重，已经成为制约我国矿山生产和安全的主要重大灾害之一。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取得了重要进展，由于冲击地压具有极为复杂的特征，到目前为止，远没有从根本上解决其有效预测和完全防治问题。

1.1.1　冲击地压现象描述

冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式，可描述为：矿山采动(采掘工作面)诱发高强度的煤(岩)体变形能瞬时释放，在相应采动空间引起强烈围岩震动和挤出的现象。是我国煤矿常见的重大事故灾害。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，而且可能波及变形能释放范围的巷道、峒室，特别是存在高应力集中的空间部位。

冲击地压的显现特征为：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：类型多样性、条件复杂性及发展趋势严重性。

冲击地压发生前一般没有明显的宏观前兆，一般由诱发因素引起，如放炮、顶板来压、回柱(移架)等。通过对国内外大量冲击地压案例的分析，可将冲击地压现象描述为以下主要特征：

(1)冲击地压的发生与地质构造有密切关系，往往发生在褶曲、断层及煤层变异性突出的部位，主要与构造应力的控制有关。

(2)发生冲击地压的煤层顶板往往具有坚硬的岩层，坚硬岩层聚集高强度的变形能，是冲击地压发生的主要能量来源。

(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，冲击地压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，以底鼓和煤岩压入采场空间为主要显现特征。

1.1.2　国内外冲击地压发生概况

国际上主要井工开采的国家的冲击地压都十分普遍。目前，包括我国在内，德国、南非、前苏联、波兰、美国、加拿大等20多个国家和地区都受到冲击地压灾害的威胁。如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，自1949年至1982年，共发生破坏性冲击地压3097次；德国从1949年至1978年，共发生破坏性冲击地压1001次。为此，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等2个煤矿，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，舒兰营城矿，鹤岗南山矿，鸡西滴道矿，天池、五一、擂鼓、花鼓山、冰沟、欢城等地方煤矿都发生了严重的冲击地压。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2013年，我国发生冲击地压的矿井已达150多个。我国煤矿矿井大多建于上世纪五六十年代，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、更为普遍。冲击地压的预测与防治将成为本世纪岩石力学研究的难题之一。由于冲击地压问题极其复杂，对冲击地压的研究目前尚未建立比较符合实际的冲击地压发生及破坏过程的理论，因而影响了对冲击地压的预测、预报及防治。

1.1.3　冲击地压分类

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测和防治冲击地压。目前最主要的、最有价值的分类有以下几种：

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(表1-1)。

表1-1　按能量特征分类表

(1)微冲击

表现为小范围的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

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。个别情况下波及全矿，造成整个矿井报废。

2)根据参与冲击的岩体类别分

(1)煤层冲击

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

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

(1)重力型

主要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

主要受构造力引起的冲击地压。

(3)中间型

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

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统计分类方法。该分类法采用了世界上流行的，在我国也得到公认的两类分类指标。

(1)根据冲击地压的破坏后果分

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8小时以上的冲击地压。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)按显现强度分

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，按里氏地震计分为6级，见表1-2。

表1-2　按显现强度分

5)按工作空间分

冲击地压分为二类：掘进发生的冲击地压与回采发生的冲击地压；其亚分类又包括受构造应力影响与重力影响，与重力有关的冲击又分为原始应力型与采动应力型两类。

考虑到深井冲击地压具有的地质构造区域性、开采的连续性以及开采区域的边界性，将深井冲击地压分为以下3类：

(1)构造型

以构造为主，将构造区域(如向背斜轴部、次级向背斜区域、大的断层带、次生断层区及其它异常区域)内发生的冲击地压称为构造型冲击地压。

(2)重力型

开采中易于形成高集中应力的区域发生的冲击地压，是深井冲击地压的重点解危区。

(3)边界型

采场上部及四周具有复杂的开采条件的采场发生的冲击地压。

1.1.4　冲击地压研究发展现状

对冲击地压预测的研究还没有达到时间、地点及强度的定量阶段；防治方面还没有形成整体体系。

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，受构造运动和采场推进影响而形成的高度应力集中和高能级的弹性变形能的储存，是冲击地压发生的根本原因。没有采取释放应力和能量的措施，在可能有高度应力集中和高能级弹性能释放的部位推进采掘工作面，是冲击地压得以实现的条件。

2)冲击地压影响因素

(1)自然地质条件

主要的地质因素有：

煤层性质：煤的强度、冲击倾向性、弹脆性等力学性质；煤的厚度、埋深、含水率、孔隙度、煤层结构等物理性质。

煤层顶底板岩层性质：坚硬岩层的厚度、强度、冲击倾向性等。

地质构造：褶曲构造、断裂构造展布形态，局部地应力异常，煤层厚度和倾角突变等。

(2)生产技术因素

主要包括以下两方面：

①人为造成高应力集中区，为冲击地压的发生提供力源条件；

②人工作业造成应力状态的突变和煤层约束条件的改变。

3)冲击地压发生理论

为了深刻认识冲击地压理论的发展现状，找到适合我国煤矿冲击地压预测与防治理论与技术体系，简要回顾有代表性的冲击地压发生的理论(假设)是十分必要的。

(1)强度理论

早期的强度理论认为，冲击地压是煤岩体局部应力超过强度而发生的，并对煤岩体形成应力集中的原因提出了各种假说，如压力拱理论和悬臂梁理论等，这一理论称为冲击地压的强度理论。强度理论进一步发展为近代强度理论，以“矿体-围岩”系统为研究对象，考虑了系统的极限平衡，认为冲击地压发生的应力条件是：

20世纪70年代强度理论得到进一步的发展，提出了煤岩的夹持理论，认为煤体处于顶底板“夹持”之中，夹持特性决定了煤岩体系统的力学特性。该理论较好的揭示了煤体－围岩力学系统的极限平衡条件。强度理论解释了冲击地压的一些现象，具有简单、直观和便于应用的特点，但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。

(2)刚度理论

刚度理论是由Cook等人在20世纪60年代根据刚性压力机理论而得到的。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视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、刚度的概念及如何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。

(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，缺乏必要的依据和条件。

(4)冲击倾向性理论

冲击倾向性理论是指煤岩体发生冲击破坏的固有能力或属性。煤岩体冲击倾向性是发生冲击地压的必要条件。冲击倾向理论是波兰和前苏联学者提出的，我国学者在这方面做了大量的工作，提出用煤样的动态破坏时间(D_t)、弹性能指数(W_ET)及冲击能量指数(K_E)三项指标综合判断煤的冲击倾向的实验方法并提出了两个冲击倾向性指标，弹性能指数W_ET、冲击能量指数K_E。弹性能指数计算方法是对煤层进行单轴压缩试验，达到峰值的80%～90%时再卸载，弹性能量为Φ_SP，损失能量为Φ_ST，则弹性能指数为：

冲击能量指数是利用煤的全过程应力应变曲线，假设峰值之前的面积为F_S，峰值后的面积为F_X，则冲击能量指数为：

认为当这两个冲击倾向性指标大于某个值时，就会发生冲击地压，这一理论称为冲击倾向性理论。至今煤炭部门还在沿用这一指标，并制定了标准，如表1-3所示。

表1-3　冲击地压危险指标

显然，用一组冲击倾向理论指标评价煤岩体本身的冲击危险具有实际的意义，并已得到了广泛的应用。然而，冲击地压的发生与采掘和地质环境有关，煤岩体的物理力学性质随地质开采条件的不同而有很大的差异，实验室测定的结果往往不能完全代表实际环境下的煤岩体性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。

大量的现场调查表明，具有相同冲击倾向性的煤层，甚至同一煤层，只有少数区域发生冲击地压，大多数区域不发生冲击地压。而且许多属于强冲击倾向性的煤层并不发生冲击地压，而某些冲击倾向性很弱或无冲击倾向性的煤层却发生了冲击地压，可见冲击倾向性理论的不足。

(5)三准则理论

在研究强度理论、能量理论和冲击倾向理论所提出的冲击地压的判据基础上，我国学者李玉生等把强度准则视为煤岩体的破坏准则，作为冲击地压发生的必要条件；把能量准则和冲击倾向性准则视为煤岩突然破坏的准则，作为冲击地压发生的充分条件。认为当三个准则同时满足，才是判定冲击地压发生的充要条件。该理论没有给出三个准则的具体形式，且需要确定的参数太多，使用不方便。

(6)失稳理论

章梦涛教授等提出冲击地压是煤岩体的一种材料失稳破坏现象，认为煤岩体受采动而在采场周围形成应力集中，煤岩变成软化材料，当处于不稳定状态时，在外界扰动下，发生冲击地压，提出了冲击地压是材料失稳的思想，但没有对冲击地压发生的条件进行具体分析。

(7)其他理论

20世纪70年代末，林天键将Thom创立的突变论引入岩石力学，其后，国内外一些学者相继建立了岩体结构失稳的突变模型、煤岩突变模型等，对围岩压力、刚度和煤岩体损伤扩展耗散能量进行分析，定性地解释发生冲击地压的机理。

近年来，现代数学中的分叉理论(Bifurcation Theory)和混沌动力学(Chaotic Dynamics)应用于冲击地压的研究。冲击破坏可视为煤岩体内部微观裂纹扩展、分叉和失稳扩展的动态演化过程，裂纹分叉与失稳是紧密相关的，裂纹经过多次的分叉便导致整个系统的失稳，这种失稳可比拟为一类非线性微分方程的倍周期分叉而出现的混沌运动现象。可见，利用非线性分叉理论和混沌动力学来研究煤岩体发生冲击地压应成为今后的一个研究方向，也是预测预报冲击地压的一个新的途径。

谢和平院士提出了冲击地压的分形特征，将分形几何引入冲击地压的研究。这一理论的主要成果是使用分形的数目与半径的关系来分析微震事件的空间分布，发现微震事件具有集聚分形结构。当冲击地压发生前，微震事件的集聚程度明显增加，并出现分形维数的减少。最低的分形维数通常出现在一个主冲击地压临近发生时。分形理论对冲击地压发生更多地是从现象的角度给予定性描述，在定量描述冲击地压发生的原因和破坏过程方面还需要做大量的研究工作。

齐庆新等学者在研究冲击地压的发生与煤岩体摩擦滑动破坏的关系时提出了“三因素”理论。该理论将煤岩体内在因素、力源因素和结构因素作为导致冲击地压发生的最主要因素。认为煤岩体破坏是滑动破坏，其滑动形式分为稳定性滑动和粘性滑动两种。煤岩层受力过程中的瞬时粘滑过程，是煤岩层满足剪切强度准则的突然滑动并在滑动过程中伴有变形能释放的动力过程。

除上述研究外，国内外学者针对不同的地质开采条件，对冲击地压进行了理论研究。