一、什么是沖擊地壓?

　　沖擊地壓又稱巖爆，是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產生突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象。它具有很大的破壞性，是煤礦重大災害之一。

　　1992年以前，我國有50余個煤礦發(fā)生了沖擊地壓。比較突出的有北京礦務局門頭溝煤礦、撫順礦務局龍風煤礦、棗莊礦務局陶莊煤礦、大同礦務局忻州窯煤礦、四川省天池煤礦和新汶礦務局華豐煤礦等。2008年6月5日15時57分，河南省澠池縣果園鄉(xiāng)附近發(fā)生3.5級地震，3分鐘后，義煤集團公司千秋煤礦突發(fā)沖擊地壓，造成750米至850米處巷道瞬間被毀，正在該段修理巷道的20名礦工被困井下。沖擊地壓發(fā)生后，義煤集團公司迅速成立了搶險救災領導小組，緊急啟動應急救援預案，實施搶險救援。至6月6日4時，20名被困礦工中9人死亡，11人獲救。

　　世界上幾乎所有國家都不同程度地受到沖擊地壓的威脅。1783年，英國在世界上首先報道了煤礦中所發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象。以后在前蘇聯(lián)、南非、德國、美國、加拿大、印度、英國等幾十個國家和地區(qū)，沖擊地壓現(xiàn)象時有發(fā)生。

　　在我國，沖擊地壓最早于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦。以后，隨著開采深度的增加和開采范圍的不斷擴大，北京、撫順、棗莊、開灤、大同、北票、南桐等礦區(qū)的許多礦井，都先后有沖擊地壓現(xiàn)象發(fā)生。

　　二、沖擊地壓成因的機理

　　1、強度理論

　　該理論認為，沖擊地壓發(fā)生的條件是礦山壓力大于煤體——圍巖力學系統(tǒng)的綜合強度。其機理為：較堅硬的頂?shù)装蹇蓪⒚后w夾緊，阻礙了深部煤體自身或煤體。由于平行于層面的摩擦阻力和側向阻力阻礙了煤體沿層面的移動，使煤體更加壓實，承受更大的壓力，積蓄較多的彈性能。從極限平衡和彈性能釋放的意義上來看，夾持起了閉鎖作用。在煤體夾持帶內，壓力高，并儲存有相當高的彈性能，高壓帶和彈性能積聚區(qū)可位于煤壁附近。一旦高應力突然加大或系統(tǒng)阻力突然減小時，煤體可產生突然破壞和運動，拋向已采空間，形成沖擊地壓。

　　2、能量理論

　　該理論認為：當?shù)V體與圍巖系統(tǒng)的力學平衡狀態(tài)破壞后所釋放的能量大于其破壞所消耗能量時，就會發(fā)生沖擊地壓。剛性理論也是一種能量理論，它認為發(fā)生沖擊地壓的條件是：礦山結構(礦體)的剛度大于礦山負荷系(圍巖)的剛度，即系統(tǒng)內所儲存的能量大于消耗于破壞和運動的能量時，將發(fā)生沖擊地壓。但這種理論并未得到充分證實，即在圍巖剛度大于煤體剛度的條件下也發(fā)生了沖擊地壓。

　　3、沖擊傾向理論

　　該理論認為：發(fā)生沖擊地壓的條件是煤體的沖擊傾向度大于實驗所確定的極限值?？衫靡恍┰囼灮驅崪y指標對發(fā)生沖擊礦壓可能程度進行估計或預測，這種指標的量度稱為沖擊傾向度。其條件是：介質實際的沖擊傾向度大于規(guī)定的極限值。

　　上述三種理論提出了發(fā)生沖擊地壓的三個準則，即強度準則、能量準則和沖擊傾向度準則。其中強度準則是煤體破壞準則，能量準則和沖擊傾向度準則是突然破壞準則。三個準則同時成立，才是產生沖擊地壓的充分必要條件。

　　4、失穩(wěn)理論

　　近年我國一些學者認為：根據(jù)巖石全應力——應變曲線，在上凸硬化階段，煤、巖抗變形(包括裂紋和裂縫)的能力是增大的，介質是穩(wěn)定的;在下凹軟化階段，由于外載超過其峰值強度，裂紋迅速傳播和擴展，發(fā)生微裂紋密集而連通的現(xiàn)象，使其抗變形能力降低，介質是非穩(wěn)定的。在非穩(wěn)定的平衡狀態(tài)中，一旦遇有外界微小擾動，則有可能失穩(wěn)，從而在瞬間釋放大量能量，發(fā)生急劇、猛烈的破壞，即沖擊地壓。由此，介質的強度和穩(wěn)定性是發(fā)生沖擊的重要條件之一。雖然有時外載未達到峰值強度，但由于煤巖的蠕變性質，在長期作用下其變形會隨時間而增大，進入軟化階段。這種靜疲勞現(xiàn)象，可以使介質處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在失穩(wěn)過程中，系統(tǒng)所釋放的能量可使煤巖從靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)過程，即發(fā)生急劇、猛烈的破壞。

　　三、我國煤礦沖擊地壓特征

　　1、突發(fā)性。發(fā)生前一般無明顯前兆，沖擊過程短暫，持續(xù)時間為幾秒到幾十秒。

　　2、一般表現(xiàn)為煤爆(煤壁爆裂、小塊拋射)。淺部沖擊(發(fā)生在煤壁2m~6m范圍內，破壞性大)和深部沖擊(發(fā)生在煤體深處，聲如悶雷，破壞程度不同)。最常見的是煤層沖擊，也有頂板沖擊和底板沖擊，少數(shù)礦井發(fā)生了巖爆。在煤層沖擊中，多數(shù)表現(xiàn)為煤塊拋出，少數(shù)為數(shù)十平方米煤體整體移動，并伴有巨大聲響、巖體震動和沖擊波。

　　3、具有破壞性。往往造成煤壁片幫、頂板下沉、底鼓、支架折損、巷道堵塞、人員傷亡。

　　4、具有復雜性。在自然地質條件上，除褐煤以外的各煤種，采深從200m~1000m，地質構造從簡單到復雜，煤層厚度從薄層到特厚層，傾角從水平到急斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁巖等，都發(fā)生過沖擊地壓;在采煤方法和采煤工藝等技術條件方面，不論水采、炮采、普采或是綜采，采空區(qū)處理采用全部垮落法或是水力充填法，是長壁、短壁、房柱式開采或是柱式開采，都發(fā)生過沖擊地壓，只是無煤柱長壁開采法沖擊次數(shù)較少。

　　四、煤礦沖擊地壓的解危措施

　　在煤層開采中，生產地質條件極為復雜。因此，在煤層開采過程中必須對這些地段進行及時處理，以保證安全生產。這種對已形成沖擊危險或具有潛在沖擊危險地段的處理措施稱為解危措施。

　　按照沖擊地壓發(fā)生的強度條件和能量條件，工作面附近煤層被頂?shù)装寰o緊地夾持著，承受極高的載荷，雖并未破碎，卻積聚大量的變形能。這時煤體和圍巖形成的三軸壓縮應力與礦山壓力處于臨界平衡狀態(tài)。采取的各種卸壓解危措施，正是為了減緩這種臨界狀態(tài)，把夾持狀態(tài)下煤層的側向約束解除掉，使已形成的局部高壓力分散轉移到較廣區(qū)域。由于卸壓措施造成煤體局部破裂，降低了強度，應力重新分布，從而釋放或降低了煤巖體中的彈性能，使工作面前方一定范圍內成為安全區(qū)。

　　1、誘發(fā)爆破誘發(fā)爆破是在監(jiān)測到有沖擊危險的情況下，利用較多藥量進行爆破，人為地誘發(fā)沖擊地壓，使沖擊地壓發(fā)生在一定的時間和地點，從而避免更大損害的一種解危措施。

　　2、實行誘發(fā)爆破必須慎重行事。作為輔助手段，誘發(fā)爆破只有在存在嚴重沖擊危險的情況下，其他方法無效或無法實施時才應用。實施地點多用于煤柱回收時，與鉆屑法檢測孔配合互用?？拙?m~5m，孔深按沖擊危險區(qū)范圍確定?？善叫凶呦蚧騼A斜布置，也可混合布置。一般采用深孔爆破法，鉆大量較長的鉆孔直達高應力帶。采用大藥量、集中裝藥和同時引爆的方法，以便使煤巖體強烈震動，誘發(fā)沖擊地壓，或造成煤體強烈卸壓、釋放能量，把高應力帶移向煤體深部。集中爆破的藥量越多，誘發(fā)沖擊地壓的可能性越大。因為這樣在煤體中造成的動應力就大，動應力疊加在原來存于煤體中的靜應力上的總和越大，超過臨界應力值機會就愈多，就會誘發(fā)沖擊地壓。

　　實施誘發(fā)爆破應按《煤礦安全規(guī)程》的有關規(guī)定施工。實施前必須采用鉆屑法確定沖擊危險地點，加固支架，掩護或撤出機械設備及電纜工具等。爆破時必須設專人警戒所有通往爆破地點的通道。躲炮半徑不得小于150m，躲炮時間30min以上。

　　誘發(fā)爆破應作為爆破卸壓的輔助手段，用于特殊情況下。其效果是有限的，不能保證按時誘發(fā)，有時一小時后才發(fā)生沖擊地壓。而且大藥量同時引爆，必然造成一定程度的破壞作用，所以要慎重行事。

　　2、爆破卸壓

　　爆破卸壓是指對形成沖擊危險的煤體，用爆破方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。實施爆破卸壓應采取深孔爆破方法，孔深應達到支承壓力峰值區(qū)。裝藥位置越靠近峰值區(qū)，炸藥威力越大，爆破解除煤層應力的效果越好。該法適用于頂板比較完整的條件下或作為煤層注水時的輔助措施。

　　爆破卸壓能同時局部解除沖擊地壓發(fā)生的強度條件和能量條件，即在有沖擊地壓危險的工作面卸壓和在近煤壁一定寬度的條帶內破壞煤的結構(但不落煤)，使它不能積聚彈性能或達不到威脅安全的程度。這樣在工作面前方形成一條卸壓保護帶，隔絕了工作空間處于煤層深處的高應力區(qū)。顯然，從防治沖擊地壓的角度看，應用盡量多的炸藥爆破出盡量寬的保護帶，但實際上要達到這個目的，目前技術條件還不夠。不過根據(jù)多年的觀測實踐證明，如果能保證在工作面前方和巷道兩幫始終保持一個寬5m~10m的保護帶，就能防止沖擊地壓的危害。

　　可以采用爆破斷頂?shù)姆椒ㄟM行爆破卸壓，即在待采煤層隔離煤柱一側的老采空區(qū)內，對采空區(qū)頂板內造成寬約6m、深約6m~8m的斷溝，用以削弱采空區(qū)與待采區(qū)之間的頂板連續(xù)性、減小待采煤層開采時的應力集中，以消除沖擊地壓危害。

　　爆破參數(shù)和施工工藝應按《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》確定。

　　爆破卸壓屬于內部爆破，主要物理作用是使煤層產生大量裂隙。試驗表明，爆破使炮孔周圍形成破碎區(qū)和裂隙區(qū)，破碎區(qū)遠小于裂隙區(qū)。徑向裂隙穿過切向裂隙，說明徑向裂隙擴展在前，切向裂隙形成在后。炸藥爆炸后，沖擊波首先使煤體破裂。繼之爆破產生氣體進一步使煤體破裂，在氣體壓力作用下，煤體沿徑向移動，形成切向拉應力，產生徑向拉破裂。隨著裂隙的擴展，氣體通過裂隙擴散到煤體中，與煤體產生熱交換。同時，氣體的體積增大，而溫度和壓力下降。當裂隙前端的應力強度小于斷裂韌性時，裂隙停止擴展。當壓力小于臨界值時，因原先受壓貯存于煤體中的彈性能釋放，使煤體向炮孔中心移動，在煤體中產生徑向拉伸作用，導致切向破裂。但徑向裂隙的擴展遠大于切向裂隙。造成煤層性質變化的主要因素是徑向裂隙。

　　根據(jù)彈塑性理論，把采煤工作面簡化為平面應變的力學模型。以龍風煤礦采煤工作面為例的計算結果表明，爆破卸壓使煤壁前方的支承壓力重新分布，應力梯度變小，峰值壓力移往煤體深部7m以遠屈服區(qū)，比爆破前增大近一倍，能量密度明顯減小。

　　實施爆破卸壓前必須先進行鉆屑法檢測，確認有沖擊危險時才進行爆破卸壓，爆破以后還要用鉆屑法檢查卸壓效果。如果在實施范圍內仍有高應力存在，則應進行第二次爆破，直至解除沖擊危險為止。

　　為了安全生產，通過爆破卸壓在工作面前方和巷道兩幫形成一個有足夠寬度(大于3倍采高)的卸壓保護帶。所以，對巷道兩幫，爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度;對采煤工作面，爆破卸壓的深度應等于保護帶寬度加上工作面進度。

　　爆破孔的孔深取決于卸壓深度。由于孔深藥量多，為使藥卷能裝到孔底，可先把藥卷裝在軟管里或用非金屬材料綁扎后進行裝藥。爆破孔布置方式應根據(jù)具體條件確定。通常用煤電鉆打眼，孔徑50mm~55mm，孔間距4m~10m，每孔裝藥量按不超過孔深一半計算，一般為1.5k8~3.5kg。鉆孔不裝藥部分必須填滿水炮泥或黏土炮泥。躲炮距離100m~150m，躲炮時間30min~40min。

　　3、改變煤層的物理力學性能

　　改變煤層的物理力學性能主要有：高壓注水、放松動炮和鉆孔槽卸壓等方法。

　　(1)高壓注水是通過注水，人為地在煤巖內部造成一系列的弱面，并使其軟化，以降低煤的強度和增加塑性變形量。注水后，煤的濕度平均增加1.0%~2.2%時，可使其單向受壓的塑性變形量增加13.3%~14.5%。

　　(2)放松動炮，是通過放炮人為地釋放煤體內部集中應力區(qū)積聚的能量。在采煤工作面使用時，一般是在工作面沿走向打4m~6m深的炮眼，進行松動爆破。它的作用是可以誘發(fā)沖擊地壓和在煤壁前方經常保持一個破碎保護帶，使最大支撐壓力轉入煤體深處，隨后即便發(fā)生沖擊地壓，對采煤工作面的威脅也大為降低。

　　(3)鉆孔槽卸壓是用大直徑鉆孔或切割溝槽使煤體松動，以達到卸壓效果。卸載鉆孔的深度一般應穿過應力增高帶，在掘進石門揭開有沖擊危險的煤層時，應距煤層5m~8m處停止掘進，使鉆孔穿透煤層，進行卸壓。

　　此外，還可依靠選擇最佳采煤方法、回采設備、開采參數(shù)和工作制度等方法，局部降低煤層邊緣的沖擊危險程度。例如，當開采有沖擊危險的單一煤層時，應采用直線式長壁工作面的前進式采煤方法，并在巷道側不留煤柱。對有沖擊危險的厚煤層，應采用傾斜分層長壁式采煤方法。上分層的開采厚度應當最小。

　　開采有沖擊危險的煤層時，無論是在采煤工作面還是在掘進工作面，都應采用支撐力大的可縮性金屬支架。

　　五、沖擊地壓的預報

　　(一)WET法

　　該方法是波蘭采礦研究總院提出的，用于測定煤層沖擊傾向。WET為彈性能與永久變形消耗能之比。波蘭采礦研究總院規(guī)定：WET>5為強沖擊傾向;2

　　(二)彈性變形法

　　它是前蘇聯(lián)礦山測量研究院提出的用于測定沖擊地壓的方法。即在載荷不小于強度極限80%的條件下，用反復加載和卸載循環(huán)得到的彈性變形量與總變形量之比(K)，作為衡量沖擊傾向度的指標。當K≥0.7時，有發(fā)生沖擊地壓的危險。

　　(三)煤巖強度和彈性系數(shù)法

　　該方法是用煤巖的單向抗壓強度或彈性模量的絕對值，作為衡量沖擊傾向度的指標。這種方法較為簡單，經常用作輔助指標。其指標的界限值必須根據(jù)各礦井的試樣進行試驗確定。

　　我國《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定：“開采沖擊地壓煤層時，沖擊危險程度和采取措施后的實際效率，可采用鉆粉率指標法、地音法、微震法等方法確定”。

　　1、鉆粉率指標法鉆粉率指標法又稱為鉆粉率指數(shù)法或鉆孔檢驗法。它是用小直徑(42mm~45mm)鉆孔，根據(jù)打鉆不同深度時排出的鉆屑量及其變化規(guī)律來判斷巖體內應力集中情況，鑒別發(fā)生沖擊地壓的傾向和位置。鉆進過程中，在規(guī)定的防范深度范圍內，出現(xiàn)危險煤粉量測值或鉆桿被卡死的現(xiàn)象，則認為具有沖擊危險，應采取相應的解危措施。

　　2、地音、微震監(jiān)測法巖石在壓力作用下發(fā)生變形和開裂破壞過程中，必然以脈沖形式釋放彈性能，產生應力波或聲發(fā)射現(xiàn)象。這種聲發(fā)射亦稱為地音。顯然，聲發(fā)射信號的強弱反映了煤巖體破壞時的能量釋放過程。由此可知，地音監(jiān)測法的原理是，用微震儀或拾震器連續(xù)或間斷地監(jiān)測巖體的地音現(xiàn)象。根據(jù)測得的地音波或微震波的變化規(guī)律與正常波的對比，判斷煤層或巖體發(fā)生沖擊傾向度。山東肥城礦務局陶莊煤礦用微震儀研究了發(fā)生沖擊礦壓的規(guī)律，結論為：微震由小而大，間有大小起伏，次數(shù)和聲響頻繁;在一組密集的微震之后變得平靜，是產生沖擊礦壓的前兆現(xiàn)象;稀疏和分散的微震是正常應力釋放現(xiàn)象，無沖擊危險。

　　根據(jù)震相曲線和地震學的知識，則可以計算出發(fā)生沖擊地壓的震源位置。由于各種煤巖體的地音和微震特性不同，并且又具有不均質性和各向異性等特點，其傳播速度有很大差異。此外，各處的地質和開采條件也不相同，礦井下又常有強烈的環(huán)境噪音干擾，地音或微震信號在煤巖體中產生和傳播情況將是很復雜的，可能產生多次的反射、折射和繞射，還可能發(fā)生波型變換等現(xiàn)象。因而在使用中應注意與其他預測方法綜合使用，特別是與鉆屑法綜合使用，以保證預測的準確性。

　　(四)工程地震探測法

　　用人工方法造成地震，探測這種地震波的傳播速度，編制出波速與時間的關系圖，波速增大段表示有較大的應力作用，結合地質和開采技術條件分析、判斷發(fā)生沖擊地壓的傾向度。

　　(五)電磁輻射儀監(jiān)測法

　　煤巖電磁輻射監(jiān)測的原理是：利用電磁輻射儀接收采掘生產過程中煤巖體在礦壓作用下產生、發(fā)射電磁輻射的信號，即監(jiān)測到的電磁輻射強度能反映出煤巖體內部應力的變化尺度及破壞程度的特征信息。煤(巖)體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤巖體的變形破裂過程密切相關，電磁輻射信息綜合反映了沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖災害動力現(xiàn)象的主要影響因素。電磁輻射強度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強度，脈沖數(shù)主要反映了煤巖體變形及破裂的頻次。

　　利用KBD5礦用本安型礦井沖擊地壓電磁輻射監(jiān)測儀，通過接收采礦工作面煤巖體變型破裂過程中產生的電磁輻射信息來預測煤巖動力災害的危險性。即通過井下某一測點電磁強度最大值Emax.強度平均值Eavg和脈沖數(shù)N來確定是否有礦井沖擊地壓危險。將測試數(shù)據(jù)傳送到微機中后，可以用圖及表格的方式顯示，是否達到電磁輻射強度臨界值。觀測范圍主要是工作面及上、下兩巷，工作面從上、下端頭5米開始，每15米在硬幫設一個固定測點，上下巷從工作面硬幫往外5米開始，每15米在回風道下幫及溜子道上幫各設1個固定測點。當工作面開采與測點間距離小于5米時，上、下巷往外及時補加測點，保證上、下巷各有8個測點觀測。經觀測結果初步確定為，強度值達到30MV時，或某一點、某區(qū)域連續(xù)處于高的觀測值時，應立即向礦、區(qū)調度及主管領導匯報。確認有沖擊危險時，立即向采區(qū)下達危險通知單，采區(qū)接到危險通知單后立即下令停止作業(yè)，采取解危措施。

　　(六)綜合測定法

　　為了能夠更準確地判斷出發(fā)生沖擊地壓的地點和時間，可同時采用上述兩種以上的方法，根據(jù)多因素的變化，綜合加以確定。國內外常使用的是鉆屑法、地音監(jiān)測法、地質及開采技術條件分析的綜合方法。