沖擊地壓的發生機理與防治方法

毛瑞彪，趙陽升

（太原理工大學 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）內局部高度的應力集中，使煤（巖）體內局部的彈性能量在時間上穩定的積累并通過易傳播的路徑向弱勢面傳遞累積，在煤巖內部不斷地產生軟弱結構，引起煤（巖）局部的破裂、損傷、失穩與滑動,當受到某些外部擾動后，煤（巖）儲存的彈性勢能瞬間釋放的現象。這種現象通常只能持續幾秒至幾十秒，過程中會產生劇烈的振動，并伴隨著大量的煤（巖）塊拋出，是煤礦安全生產的嚴重威脅[1]。

1 沖擊地壓的破壞機理分析

當煤（巖）體在受到開掘擾動后，在局部范圍內應力狀態從原始三維應力狀態向二維或一維變化，由于應力狀態發生改變，采掘面周圍的煤（巖）體相當于經歷了卸圍壓的過程，隨著圍壓的降低，煤（巖）體的脆性會逐漸的顯現，煤（巖）內部發生破壞巖體向碎裂結構發展，巖體內部產生次生軟弱結構面，巖體內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，不斷加大軟弱結構的范圍，同時產生高度的應力集中，此時的巖體已經從原始靜力平衡態過渡到了一種動力平衡狀態；在巖體受到一定的外部擾動時這種動力平衡狀態會瞬間破壞，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力狀態向單向轉化，無論煤（巖）體在初始時以何種應力狀態存在，破壞煤（巖）體所需消耗的能量等同于單向應力狀態破壞時的破壞能量[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力狀態破壞所需能量：由三軸應力破壞準則——庫侖-莫爾準則可得三軸應力下的破壞能量為：

三軸應力狀態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力狀態到沖擊地壓發生，整個系統內部的能量是守恒的，彈性余能大部分情況下轉換為四周結構體的劇烈振動和破碎巖體拋出時的動能。從系統平衡的角度來講，沖擊地壓的發生使系統從一個高能量的平衡狀態向一個低能量的平衡狀態轉變，系統更趨向于穩定。

綜上所述，如果煤(巖)體原先處于很高的地應力狀態，根據庫侖-莫爾準則，處于三維彈性平衡狀態時的煤(巖)體所承載的應力值越高，煤（巖）在原始應力狀態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構面上的能量也就越多，應力集中的情況越嚴重，發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生在深部煤層，在淺部煤層如果構造應力很大，也會產生巖體較高的應力承載，進而發生沖擊地壓現象。

2 沖擊地壓的誘發因素

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

2）促使沖擊地壓發生的因素可概括為內部因素和外部因素。內部因素有：煤巖的沖擊傾向性，高度應力集中，煤巖體自身的力學特性和煤巖體內部軟弱結構與易滑移結構面等。外部因素有：構造應力，地質條件和開采作業的擾動等。歸咎沖擊地壓產生原因，高度的應力集中所產生的彈性能累積，是產生沖擊地壓的根本原因[5]。

3 現有沖擊地壓的防治方法

1）放能鉆孔法。在煤體中應力集中或潛在的應力集中區，施工一系列的大直徑鉆孔，產生自由空間面，改變煤體內部的應力分布及其特性，從而降低煤體—圍巖系統內部的能量。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性和內部裂隙發育程度不同，在一定時間內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，產生沖擊波和振動，使藥包周圍煤體產生破裂，結構變的松散，解除沖擊危險，從而防治沖擊地壓的發生。這種方法能夠快速的起效，但爆破的位置應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，在煤體內橫向產生40～60 mm高，1.5～2.0 m寬的縫隙，釋放煤體積攢的能量，從而降低巖體內部的應力集中。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電磁輻射監測儀對其試驗結果進行監測說明割縫對淺層煤體的應力卸載效果最佳，應力在縫隙周圍重新分布,從而使高應力在從淺部向深部轉移。

4 結束語

1）沖擊地壓的發生是能量在煤巖體內部積聚的結果，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）高應力是沖擊地壓的充分必要條件。3）現有沖擊地壓防治方法都是通過卸圍壓來釋放煤巖體內部積聚的能量，從而減弱煤巖體內部的應力集中，防治沖擊地壓現象。

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

[2]徐文全.采動空間圍巖應力監測技術及應用研究[D].徐州：中國礦業大學，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].巖石力學與工程學報,2003(11):1781-1783.

[4]趙本均，騰學軍.沖擊地壓及其防治[M].北京：煤炭工業出版社，1995.

[5]宋振騏,盧國志,彭林軍,等.煤礦沖擊地壓事故預測控制及其動力信息系統[J].山東科技大學學報(自然科學版)，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].煤炭科學技術，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.