沖擊地壓的發(fā)生機理與防治方法

毛瑞彪，趙陽升

（太原理工大學(xué) 采煤工藝研究所，太原 030024）

沖擊地壓是指由于工作面的開采與巷道的掘進，引起煤（巖）內(nèi)局部高度的應(yīng)力集中，使煤（巖）體內(nèi)局部的彈性能量在時間上穩(wěn)定的積累并通過易傳播的路徑向弱勢面?zhèn)鬟f累積，在煤巖內(nèi)部不斷地產(chǎn)生軟弱結(jié)構(gòu)，引起煤（巖）局部的破裂、損傷、失穩(wěn)與滑動,當(dāng)受到某些外部擾動后，煤（巖）儲存的彈性勢能瞬間釋放的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象通常只能持續(xù)幾秒至幾十秒，過程中會產(chǎn)生劇烈的振動，并伴隨著大量的煤（巖）塊拋出，是煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)重威脅[1]。

1 沖擊地壓的破壞機理分析

當(dāng)煤（巖）體在受到開掘擾動后，在局部范圍內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)從原始三維應(yīng)力狀態(tài)向二維或一維變化，由于應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，采掘面周圍的煤（巖）體相當(dāng)于經(jīng)歷了卸圍壓的過程，隨著圍壓的降低，煤（巖）體的脆性會逐漸的顯現(xiàn)，煤（巖）內(nèi)部發(fā)生破壞巖體向碎裂結(jié)構(gòu)發(fā)展，巖體內(nèi)部產(chǎn)生次生軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體內(nèi)部所儲存的彈性勢能會通過易傳播路徑累積在這些弱勢面上，不斷加大軟弱結(jié)構(gòu)的范圍，同時產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中，此時的巖體已經(jīng)從原始靜力平衡態(tài)過渡到了一種動力平衡狀態(tài)；在巖體受到一定的外部擾動時這種動力平衡狀態(tài)會瞬間破壞，釋能量將煤（巖）體向自由面拋出，造成事故。

由于煤的開采使煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)向單向轉(zhuǎn)化，無論煤（巖）體在初始時以何種應(yīng)力狀態(tài)存在，破壞煤（巖）體所需消耗的能量等同于單向應(yīng)力狀態(tài)破壞時的破壞能量[2]，即破壞所需最小能量[3]或（單軸破壞破壞能量為單軸剪切破壞能量為三軸應(yīng)力狀態(tài)破壞所需能量：由三軸應(yīng)力破壞準(zhǔn)則——庫侖-莫爾準(zhǔn)則可得三軸應(yīng)力下的破壞能量為：

三軸應(yīng)力狀態(tài)下巖體破壞所余能量為：

WC稱為動力破壞彈性余能。巖體從原始的三維應(yīng)力狀態(tài)到?jīng)_擊地壓發(fā)生，整個系統(tǒng)內(nèi)部的能量是守恒的，彈性余能大部分情況下轉(zhuǎn)換為四周結(jié)構(gòu)體的劇烈振動和破碎巖體拋出時的動能。從系統(tǒng)平衡的角度來講，沖擊地壓的發(fā)生使系統(tǒng)從一個高能量的平衡狀態(tài)向一個低能量的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)更趨向于穩(wěn)定。

綜上所述，如果煤(巖)體原先處于很高的地應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)庫侖-莫爾準(zhǔn)則，處于三維彈性平衡狀態(tài)時的煤(巖)體所承載的應(yīng)力值越高，煤（巖）在原始應(yīng)力狀態(tài)下賦存的彈性勢能越大，開采時能量時向四周傳遞擴散最后儲存在軟弱結(jié)構(gòu)面上的能量也就越多，應(yīng)力集中的情況越嚴(yán)重，發(fā)生沖擊地壓幾率越大，釋放的能量越多。這說明沖擊地壓不只會發(fā)生在深部煤層，在淺部煤層如果構(gòu)造應(yīng)力很大，也會產(chǎn)生巖體較高的應(yīng)力承載，進而發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。

2 沖擊地壓的誘發(fā)因素

1）影響因素。有堅硬頂板、挖掘深度、地質(zhì)構(gòu)造因素、煤體沖擊傾向性、構(gòu)造應(yīng)力集中等[4]。隨著采深的增加，豎直方向應(yīng)力增加，由于側(cè)向應(yīng)力的存在，水平應(yīng)力也增大，煤（巖）體承載的應(yīng)力增大，其內(nèi)部賦存的能量也增大；沖擊傾向性越強，煤（巖）體更易發(fā)生沖擊地壓；愈是堅硬的煤巖，煤巖的脆性愈大，塑性愈小，其斷裂往往是突發(fā)性的，所釋放的能量也較大。

2）促使沖擊地壓發(fā)生的因素可概括為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素有：煤巖的沖擊傾向性，高度應(yīng)力集中，煤巖體自身的力學(xué)特性和煤巖體內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)與易滑移結(jié)構(gòu)面等。外部因素有：構(gòu)造應(yīng)力，地質(zhì)條件和開采作業(yè)的擾動等。歸咎沖擊地壓產(chǎn)生原因，高度的應(yīng)力集中所產(chǎn)生的彈性能累積，是產(chǎn)生沖擊地壓的根本原因[5]。

3 現(xiàn)有沖擊地壓的防治方法

1）放能鉆孔法。在煤體中應(yīng)力集中或潛在的應(yīng)力集中區(qū)，施工一系列的大直徑鉆孔，產(chǎn)生自由空間面，改變煤體內(nèi)部的應(yīng)力分布及其特性，從而降低煤體—圍巖系統(tǒng)內(nèi)部的能量。這種方法的使用范圍廣，操作簡單，鉆孔周圍卸壓效果好。但是這種方法的卸壓范圍較小。

2）煤層高壓注水。通過高壓水管向沖擊地壓區(qū)注水使圍壓軟化的方法。這種方法需要較長的時間才能見效，而且由于煤體的不均質(zhì)性和內(nèi)部裂隙發(fā)育程度不同，在一定時間內(nèi)煤體濕潤程度差異性極大，影響解危、減震的效果。

3）深孔控制爆破。先向煤層深部打鉆孔，通過鉆孔安放炸藥，引爆炸藥后，產(chǎn)生沖擊波和振動，使藥包周圍煤體產(chǎn)生破裂，結(jié)構(gòu)變的松散，解除沖擊危險，從而防治沖擊地壓的發(fā)生。這種方法能夠快速的起效，但爆破的位置應(yīng)選在中硬以上煤層中才能取得較好的防治效果。

4）水力割縫卸壓是一種防治沖擊地壓的新興方法[6]。水力割縫是通過高壓水射流對煤體沖剝，在煤體內(nèi)橫向產(chǎn)生40～60 mm高，1.5～2.0 m寬的縫隙，釋放煤體積攢的能量，從而降低巖體內(nèi)部的應(yīng)力集中。李超等[7]利用高壓水射流對煤體進行割縫的方法防治沖擊地壓,并采用KBD5電磁輻射監(jiān)測儀對其試驗結(jié)果進行監(jiān)測說明割縫對淺層煤體的應(yīng)力卸載效果最佳，應(yīng)力在縫隙周圍重新分布,從而使高應(yīng)力在從淺部向深部轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)束語

1）沖擊地壓的發(fā)生是能量在煤巖體內(nèi)部積聚的結(jié)果，積聚的能量愈多，沖擊時被拋出煤體動能越大，造成的破壞愈大。2）高應(yīng)力是沖擊地壓的充分必要條件。3）現(xiàn)有沖擊地壓防治方法都是通過卸圍壓來釋放煤巖體內(nèi)部積聚的能量，從而減弱煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力集中，防治沖擊地壓現(xiàn)象。

[1]盧國梁.大同礦區(qū)多煤層開采沖擊地壓機理與防治研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2012.

[2]徐文全.采動空間圍巖應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2012.

[3]趙陽升,馮增朝,萬志軍.巖體動力破壞的最小能量原理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003(11):1781-1783.

[4]趙本均，騰學(xué)軍.沖擊地壓及其防治[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[5]宋振騏,盧國志,彭林軍,等.煤礦沖擊地壓事故預(yù)測控制及其動力信息系統(tǒng)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006(4)：1-5.

[6]李希勇,張修峰.典型深部重大沖擊地壓事故原因分析及防治對策[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003(2)：15-17.

[7]李超,李寶玉,陳淼，等.高壓水射流割縫防治沖擊地壓的試驗研究[J].礦山機械,2010(19):20-23.