冲击地压预报及防治

发布网友 发布时间：2022-06-07 04:46

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热心网友 时间：2023-10-16 03:27

冲击地压是井工方式采矿诱发的一种特殊动力工程地质现象，它是由于开采活动破坏了原岩应力状态，导致围岩应力高度集中，矿层及围岩产生急剧变形，当其单位面积上压力增加到引起变形率超过矿层及围岩塑性变形最大可能速率时，矿层及其围岩中积蓄的弹性能突然释放，矿层及围岩产生大位移和破坏，伴随发生震动（矿震）、冲击波、破裂声响等动力工程地质现象，这种动力工程地质现象在金属矿山及非金属矿山都有所见，而以煤炭矿山尤为突出。因此，下面以煤炭矿山为对象，对这一问题展开讨论。

对煤炭矿山来说，从20世纪30年代以来，先后在我国抚顺、开滦、枣庄、北票、门头沟、南桐等煤矿开始陆续发生冲击地压。这是煤矿井工开采深度加大伴随发生的一种工程地质灾害现象。而且随着采深不断增加，冲击地压产生的次数日益增多，成灾强度日益猛烈，危害程度愈益严重。京西煤矿的门头沟矿1947年开始发生冲击地压，据统计，该矿自1976年9月到1980年底，由月平均53次增加到498次，其中产生矿震里氏震级2.2级以上的由月平均24.2次增加到83.9次，由此可见问题之严重，这是必须及早重视的一个矿山地质工程问题。

1.冲击地压产生地点及深度

冲击地压既发生在回采工作面，也发生在掘进工作面。如抚顺煤矿井工开采多数发生在回采工作面，天池煤矿则多发生在掘进工作面。这种现象既发生在煤层顶板，也发生在煤层底板；在掘进工作面也有发生在巷道两帮，但多数是发生在煤层内。

冲击地压与采掘深度关系极大，如枣庄八一矿井开采深度140m时，冲击地压发生不明显；采深达185m，煤巷掘进时，出现少量冲击地压；当采深达370m时，冲击地压明显地增加；而采深达500m时，冲击地压显现十分剧烈。大量事实表明，冲击地压发生存在有一个临界深度。上述的枣庄矿为185m，抚顺煤矿为280m，天池煤矿为240m，门头沟煤矿为240m，开滦煤矿和唐山煤矿为500m，大同煤矿忻州窑矿为236～270m，南桐煤矿的砚石台矿采深－160m时才出现，显然，冲击地压发生系与地应力水平及煤层和围岩强度有关。

2.冲击地压预报

冲击地压的发生是有规律的，其形成过程主要表现为应力积累、积蓄的能量突然释放，关键是受作用力和煤体（岩体）变形破坏规律控制的。冲击地压显现规律可以帮助我们认识这个问题。已出现的冲击地压的显现特征有两类：其一为顶、底板弯折，伴随着炸帮；另一类为巷道片帮、煤爆、岩爆。而一般在一个矿区同一个采掘水平上显现的方式类同。如大同煤矿忻州窑矿采掘进入二水平，开采9#、10#，11#煤时，都产生过冲击地压，其显现方式大体相同，是以顶、底板折断，伴随着炸帮的形式发生。著者认为，这一现象与该地区地应力特征有关。据著者实测，大同煤矿云岗矿的地应力测量测得的水平应力分量约为垂直分量的两倍。显然，破坏理应先在顶、底板发生，继而诱发两帮炸裂，这是符合实际的。其发生形式为能量积累和释放。20世纪60年代以来，许多研究冲击地压的学者认为，应将煤层—围岩，即顶板岩层—煤层—底板岩层视为统一的承载体系，如果该承载体系的力学平衡状态遭到破坏时，则突然释放出大量的弹性能量，如果该弹性能远远大于该体系本身的弹性能时，就会发生冲击地压。承载系统越脆，变形消耗的能量愈小，释放的弹性能愈大、愈快，发生冲击地压的可能性愈大。目前采用释放弹性能与耗损能量比K_E和总变形的能量比K_W作为预测产生冲击地压可能性指标。一般认为，K_E≥6和K _W≥0.7时有发生冲击地压危险，生产中必须采取防治措施。

K_E及K_W系根据煤及围岩应力应变曲线特征来定。（图13-1）。煤或围岩加载-卸载释放弹性能与系统内保存的弹性能分别为S₄及S₃。为取得K_E及K_W值一般采用单轴压循环加载方式做应力应变曲线，取单轴压应力水平相当于破坏应力的80%左右的变形曲线来定，如图13-1中△OAH为可释放的弹性能S₄，而△ABH为耗损的变形能S₃。

图13-1 材料应力应变曲线特征

地质工程学原理

地质工程学原理

地质工程学原理

地质工程学原理

著者认为，上面的判据仅表明发生冲击地压的可能条件之一，而不是充分条件。另一个条件是：承载系统内煤层和顶、底板发生破坏条件，即：

（1）如由材料强度不足而引起冲击地压时，其判据为

地质工程学原理

式中：σ_c为材料单轴压破坏强度；σ_t为巷道或采场周边的最大切向力；η为稳定性系数，η＜1时，将发生破坏。

（2）承载系统为板裂结构岩体时，其破坏判据为

地质工程学原理

式中：P为作用于板裂体上的有效力；P_cr为板裂体溃曲破坏临界载荷：

地质工程学原理

当η＜1时，有产生破坏的条件，能量判据K_E，K_W加上破坏判据才是预报冲击地压的充分条件，为此，在预报冲击地压时，必须取得岩石力学性质参数E、μ、σ_c及地应力资料。

3.冲击地压防治

根据上面的分析，产生冲击地压实际上有地应力和煤及围岩力学性质两个条件。为了消除第一个条件，一方面从巷道布置、巷道断面选型着手，尽量消除巷道周边产生大的切向应力的可能；另一方面，采用适当的岩体改造措施，减小煤和围岩内的应力差σ_t-σ_r。为了实现第二个条件，应采取适当的岩体改造措施降低煤和围岩材料的刚度或提高其强度。为了降低材料的刚度可采用注水技术使系统内材料软化或采用高压水劈裂的方法降低系统的刚度；为了提高材料强度可采用灌浆或预应力锚索方法加固。究竟采用哪种处理技术要由施工技术可能和经济比较来定，如果材料脆性度很高，掘进后就可能产生冲击地压，没有时间来做支护和锚固，显然支护和锚固方案是不可行的，那就必须采取降低系统刚度的预处理措施来防治冲击地压的发生。