淺談沖擊地壓機理及防治

翟連連

（山西潞安集團常村煤礦，山西 長治 046000）

0 引言

煤炭是我國的主體能源，在一次能源生產和消費結構中一直占70%左右[1]，在未來相當長時期內，煤炭作為主體能源的地位不會改變。因此，我國對于煤炭的需求將是持久的巨大的，然而，煤炭的不可再生性、開采歷史的久遠性和近年來巨大的需求性使我國淺部煤炭幾近枯竭，所以，我國煤炭資源的開采深度在快速增加，由于這一因素的影響，我國礦井沖擊地壓等動力災害日益加劇，嚴重地威脅著煤礦開采的安全。據統計，1985年我國沖擊地壓煤礦有32個，而2011年底，發生沖擊地壓的礦井就多達142個，同時，全國有近50個礦井開采深度達到或超過1000m；2006～2013年，先后有新汶、撫順、華亭、北京、義馬、阜新、鶴崗、七臺河、平頂山等煤炭生產企業因沖擊地壓而導致的重大傷亡事故多達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。

據統計，各種類型的礦井都有沖擊地壓發生的報告，各類煤層都發生過沖擊現象，地質構造從簡單到復雜，煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，礫巖、砂巖、灰巖、油母頁巖頂板都發生過沖擊地壓[2,3]。

所以，我國學術界對煤礦沖擊地壓問題一直非常重視，但由于問題的復雜性，目前對沖擊地壓的研究還不夠充分，需要進行長期艱苦的探索和實踐才可能取得突破進展。

1 沖擊地壓機理

1.1 沖擊地壓的判定

煤礦等地下工程所處環境的復雜性決定了沖擊地壓、巖爆、礦震[4,5]現象的時有發生，但是何謂沖擊地壓、巖爆、礦震，三者之間有區別嗎？區別在哪？目前來看人們對此的認識還比較模糊。不同行業領域對此的認識也不一樣，隧道交通等行業謂之巖爆，礦業領域稱之為沖擊地壓（礦震）。下面是全國科學技術名詞審定委員會對這3個名詞術語的解釋：

沖擊地壓是指在高應力圍巖中由于巷道或工作面的開挖，儲存在圍巖內部的彈性變形能瞬間得到釋放而形成劇烈的動力破壞現象，常伴有氣浪、煤巖體的拋擲及巨響等現象。它往往給采掘空間內的人員和設備帶來滅頂之災，并有可能帶來地表塌陷甚至局部礦震。

巖爆是指硬性與脆性的高應力圍巖由于地下工程的開挖導致其彈性應力的瞬時釋放，而使這些圍巖破裂松弛、剝離破壞甚至拋射出來的動力現象。

礦震是指由于井巷或工作面開挖導致其周圍煤巖體原有應力場失去平衡，在局部發生應力的集中，能量的儲存，達到極限后在瞬間釋放出來，而使周邊甚至更遠處巖層出現震動現象。

這些認識上的差異究其原因與行業領域的目的要求有著深層次的淵源。對于隧道交通等行業，這些工程是重要的民生工程，它對工程空間周邊巖體的大變形和破壞要求非常苛刻，是不允許發生的；而礦業類工程它具有暫時性的特點，在滿足空間安全的前提下允許其周邊圍巖發生變形或破壞。

從以上解釋可以明確，在高應力圍巖中由于彈性能的瞬間釋放而產生的巖體破壞的動力災害現象是沖擊地壓和巖爆所共同具有的特點。這里的關鍵是“破壞”和“災害”，也就是說圍巖造成了這兩個必須，即判定為沖擊地壓或巖爆。我們國家在《沖擊地壓煤層安全開采暫行規定》和《煤礦安全規程》中對此有特殊的處理要求和行業規定，它將左右煤礦企業的經濟效益與生產安全。

礦震是一種局部應力的集中再加上開采活動的誘導而形成的“地震”。當然可以誘發礦震的因素很多，前面所說的沖擊地壓和巖爆、地面活動等都有可能成為礦震發生的致因。所以沖擊地壓（巖爆）與礦震的關系可以理解為：有些礦震可能會導致沖擊地壓（巖爆），但有許多礦震并不會造成災害；沖擊地壓（巖爆）也有可能誘發礦震。

1.2 沖擊地壓發生機理分析

根據沈明榮版《巖體力學》[6]可以知道：典型的巖體應力應變全過程一般可分為四個階段。

第一階段，通常被稱為壓密階段。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增加，巖體的原生裂紋被壓密的同時，新的裂紋又會不斷產生，此時巖體屬于線彈性體。

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

第四階段，在普通實驗機上加載巖體，由于實驗機剛度相對較低，巖體會在剛達到峰值強度或稍過的瞬間發生破壞，有點類似于沖擊地壓或巖爆。當在剛性試驗機上加載時，這種瞬時破壞則不會發生，并會保留巖體的變形。雖然承載力也會隨著變形的加大而逐漸減弱，但是要想看到試驗巖體繼續變形仍然需要繼續加載。

顯而易見，峰值強度前的階段一和階段二，巖體承載力與變形呈正相關，此時巖體屬于穩定材料。峰值強度后面的階段，試驗巖體產生應變軟化，承載力與變形呈負相關，此時巖體屬于非穩定材料。

在采礦活動中存在的大型煤巖體中肯定有一大部分處于峰值強度后的形態。比如，由于巷道開挖或工作面的采動，在其周邊附近的煤巖體中必然會存在應力集中現象，這樣其應力超限是非常現實的問題，那么這部分煤巖體就是我們所說的非穩定材料，同時在遠離巷道或工作面的區域內由于受到的采動影響有限，它們仍然處于第一、二階段的狀態。故巷道或工作面周圍大的圍巖體環境內存在兩個區域，即巷道或工作面附近的非穩定材料區和遠離巷道或工作面的穩定材料區，并且這兩個區域的范圍隨著巷道或工作面的移動而不斷變化，相應區域圍巖所承受的載荷也在不斷變化。開采活動的持續進行，使巷道或工作面活動的范圍逐漸變大，那么由穩定材料區逐漸過渡到非穩定材料區的范圍也在擴大，這樣就會使巷道或工作面周圍大的圍巖體環境由穩定的平衡過渡到非穩定平衡。此時，如果有外部誘因的促發，這種平衡狀態就會瞬間失穩而發生沖擊地壓。

1.3 沖擊地壓類型[7]

（1）斷層錯動型：由于斷層剪切造成圍巖體失穩而誘發。深度一般趨于800～1000m且震級趨于3～4級。一般在接近斷層的采掘活動過程中發生。

（2）煤體壓縮型：又可分為重力煤體壓縮型和水平構造應力煤體壓縮型，發生部位：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生。深度一般不大于500m且震級小于等于2級，但是一旦發生，煤量突出多、人員傷亡大、設備破壞嚴重。

（3）頂板斷裂型：由于工作面上賦頂板巖層受到拉伸失去穩定而誘發。發生部位：位于堅硬完整、致密而厚的巖層頂板下且大面積空頂的工作面采空區。震級在2～3級之間，但是一旦發生，強度高、能量大、范圍廣。

2 沖擊地壓防治[7]

2.1 斷層錯動型沖擊地壓

目前來看辦法只有通過使開采活動遠離斷層或在其附近留設保護煤柱，不要促動斷層的移動，從而防止沖擊地壓的發生。

2.2 煤體壓縮型沖擊地壓

根據其誘發因子可知防治其的措施應該是改變其所處的應力場分布。方法有：煤層注水、卸壓巷、開采解放層、卸壓爆破、機械振動方法致生巖體裂隙、采區合理布置、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生斷裂。方法有：高壓水射流鉆孔割縫、開采解放層。

3 結語

在對我國煤礦面臨的沖擊地壓問題的嚴峻性分析的基礎上，對沖擊地壓本質的界定和發生機理進行了分析，提出了沖擊地壓的分類，并對于斷層錯動型、煤體壓縮型、頂板斷裂型沖擊地壓的發生機理進行了簡單闡述，同時提出了對應的沖擊地壓防治技術。

［1］藍航,齊慶新,潘俊鋒,等.我國煤礦沖擊地壓特點及防治技術分析[J].煤炭科學技術,2011(01):11-15.

［2］姜耀東,潘一山,姜福興,等.我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治[J].煤炭學報,2014(02):205-213.

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

［4］潘俊鋒,毛德兵,藍航,等.我國煤礦沖擊地壓防治技術研究現狀及展望[J].煤炭科學技術,2013(06).

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

［6］沈明榮.巖體力學[M].同濟大學出版社,2006.

［7］潘一山,李忠華,章夢濤.我國沖擊地壓分布、類型、機理及防治研究[J].巖石力學與工程學報,2003(11).