冲击地压的发生机理与防治方法

2014-10-22毛瑞彪赵阳升

山西煤炭 2014年6期

毛瑞彪，赵阳升

（太原理工大学采煤工艺研究所，太原 030024）

冲击地压是指由于工作面的开采与巷道的掘进，引起煤（岩）内局部高度的应力集中，使煤（岩）体内局部的弹性能量在时间上稳定的积累并通过易传播的路径向弱势面传递累积，在煤岩内部不断地产生软弱结构，引起煤（岩）局部的破裂、损伤、失稳与滑动,当受到某些外部扰动后，煤（岩）储存的弹性势能瞬间释放的现象。这种现象通常只能持续几秒至几十秒，过程中会产生剧烈的振动，并伴随着大量的煤（岩）块抛出，是煤矿安全生产的严重威胁[1]。

1 冲击地压的破坏机理分析

当煤（岩）体在受到开掘扰动后，在局部范围内应力状态从原始三维应力状态向二维或一维变化，由于应力状态发生改变，采掘面周围的煤（岩）体相当于经历了卸围压的过程，随着围压的降低，煤（岩）体的脆性会逐渐的显现，煤（岩）内部发生破坏岩体向碎裂结构发展，岩体内部产生次生软弱结构面，岩体内部所储存的弹性势能会通过易传播路径累积在这些弱势面上，不断加大软弱结构的范围，同时产生高度的应力集中，此时的岩体已经从原始静力平衡态过渡到了一种动力平衡状态；在岩体受到一定的外部扰动时这种动力平衡状态会瞬间破坏，释能量将煤（岩）体向自由面抛出，造成事故。

由于煤的开采使煤岩体的应力状态向单向转化，无论煤（岩）体在初始时以何种应力状态存在，破坏煤（岩）体所需消耗的能量等同于单向应力状态破坏时的破坏能量[2]，即破坏所需最小能量[3]或（单轴破坏破坏能量为单轴剪切破坏能量为三轴应力状态破坏所需能量：由三轴应力破坏准则——库仑-莫尔准则可得三轴应力下的破坏能量为：

三轴应力状态下岩体破坏所余能量为：

WC称为动力破坏弹性余能。岩体从原始的三维应力状态到冲击地压发生，整个系统内部的能量是守恒的，弹性余能大部分情况下转换为四周结构体的剧烈振动和破碎岩体抛出时的动能。从系统平衡的角度来讲，冲击地压的发生使系统从一个高能量的平衡状态向一个低能量的平衡状态转变，系统更趋向于稳定。

综上所述，如果煤(岩)体原先处于很高的地应力状态，根据库仑-莫尔准则，处于三维弹性平衡状态时的煤(岩)体所承载的应力值越高，煤（岩）在原始应力状态下赋存的弹性势能越大，开采时能量时向四周传递扩散最后储存在软弱结构面上的能量也就越多，应力集中的情况越严重，发生冲击地压几率越大，释放的能量越多。这说明冲击地压不只会发生在深部煤层，在浅部煤层如果构造应力很大，也会产生岩体较高的应力承载，进而发生冲击地压现象。

2 冲击地压的诱发因素

1）影响因素。有坚硬顶板、挖掘深度、地质构造因素、煤体冲击倾向性、构造应力集中等[4]。随着采深的增加，竖直方向应力增加，由于侧向应力的存在，水平应力也增大，煤（岩）体承载的应力增大，其内部赋存的能量也增大；冲击倾向性越强，煤（岩）体更易发生冲击地压；愈是坚硬的煤岩，煤岩的脆性愈大，塑性愈小，其断裂往往是突发性的，所释放的能量也较大。

2）促使冲击地压发生的因素可概括为内部因素和外部因素。内部因素有：煤岩的冲击倾向性，高度应力集中，煤岩体自身的力学特性和煤岩体内部软弱结构与易滑移结构面等。外部因素有：构造应力，地质条件和开采作业的扰动等。归咎冲击地压产生原因，高度的应力集中所产生的弹性能累积，是产生冲击地压的根本原因[5]。

3 现有冲击地压的防治方法

1）放能钻孔法。在煤体中应力集中或潜在的应力集中区，施工一系列的大直径钻孔，产生自由空间面，改变煤体内部的应力分布及其特性，从而降低煤体—围岩系统内部的能量。这种方法的使用范围广，操作简单，钻孔周围卸压效果好。但是这种方法的卸压范围较小。

2）煤层高压注水。通过高压水管向冲击地压区注水使围压软化的方法。这种方法需要较长的时间才能见效，而且由于煤体的不均质性和内部裂隙发育程度不同，在一定时间内煤体湿润程度差异性极大，影响解危、减震的效果。

3）深孔控制爆破。先向煤层深部打钻孔，通过钻孔安放炸药，引爆炸药后，产生冲击波和振动，使药包周围煤体产生破裂，结构变的松散，解除冲击危险，从而防治冲击地压的发生。这种方法能够快速的起效，但爆破的位置应选在中硬以上煤层中才能取得较好的防治效果。

4）水力割缝卸压是一种防治冲击地压的新兴方法[6]。水力割缝是通过高压水射流对煤体冲剥，在煤体内横向产生40～60 mm高，1.5～2.0 m宽的缝隙，释放煤体积攒的能量，从而降低岩体内部的应力集中。李超等[7]利用高压水射流对煤体进行割缝的方法防治冲击地压,并采用KBD5电磁辐射监测仪对其试验结果进行监测说明割缝对浅层煤体的应力卸载效果最佳，应力在缝隙周围重新分布,从而使高应力在从浅部向深部转移。