目前我国煤矿冲击地压灾害研究现状及展望

目前我国煤矿冲击地压灾害研究现状及展望（续）

2013-06-18 10:39:01| 分类： 研究进展 | 标签：冲击矿压 冲击地压会议 冲击地压 岩爆 潘俊锋 |举报|字号 订阅 2 目前冲击地压机理、监测与防治现状 2.1 冲击地压发生过程与发生机制研究

冲击地压发生过程与发生机制研究是后期监测与防治的基础。20世纪50年代末c.T.阿尔维申及60年代中期英国学者COOK［3］等提出了煤体与围岩力学平衡状态破坏后所释放的能量大于消耗的能量时，就会发生冲击地压。Petukhov［4］在他所提出的冲击地压机理中也引入了刚度条件，并进一步把矿山结构的刚度明确为达到峰值后的刚度。

我国学者李玉生［5］认为冲击地压机理可用强度准则、能量准则及冲击倾向准则加以概括。强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向准则是突然破坏准则。三个准则同时满足，是产生冲击地压的必要和充分条件。章梦涛［6］提出冲击地压失稳理论。齐庆新［7］等认为冲击地压发生过程实质就是煤岩地层受力过程中的瞬间滑动过程。这种过程用摩擦滑动理论解释，即为粘滑过程。冲击地压的发生可概括为“三因素”机理。潘一山［8］通过对冲击地压发生的机理分析指出，煤岩体变形局部化开始条件和煤岩体冲击地压发生启动条件是一样的，即冲击地压启动后的变形破坏过程就是煤岩体变形局部化的过

程。赵阳升［9］等提出了岩体动力破坏的最小能量原理：无论在一维二维或三维应力状态下岩体动力破坏所需要的能量总是一维应力状态下破坏所消耗的能量。潘立友［10］将煤体的破裂变形分为三个阶段：弹性阶段、非线性阶段与突变阶段。用三个特征量描述了煤体扩容变化的过程：体积压缩、稳定扩容及扩容突变。建立了冲击地压的扩容模型，扩容理论解释了冲击地压前兆信息的稳定性与突变性，是冲击地压前兆信息识别的理论基础。姜耀东［11］等认为煤层平动冲击失稳是一种典型的煤岩冲击失稳类型。应用Hoek-Brown准则建立煤层平动冲击失稳的力学模型。潘俊锋［12］针对巷道冲击地压显现主要表现为底板冲击，建立了巷道冲击地压发生工程结构模型，揭示了全煤巷道底板冲击启动实质来自于两帮高集中应力区，底板只是能量传递与释放的载体，即冲击地压显现位置。

此外，姜福兴［13］等针对软硬分层相间的复合型厚煤层综放工作面发生的动力灾害事故，提出了复合型厚煤层综放工作面“震-冲”型动力灾害的概念。窦林名［14］等提出冲击地压的强度弱化减冲理论。高明仕［15］等根据巷道冲击震动破坏的原因和机理，建立了冲击地压巷道围岩稳定性控制的强弱强结构力学模型。为了将冲击地压机理向防治延伸，对今后的冲击地压监测与防治指导具有可操作性，潘俊锋

［16］

等在大量冲击地压防治案例基础上，将冲击地压重新分为集中静

载荷型和集中动载荷型，建立两种类型的工程结构模型，分析了各自冲击启动的能量判据，提出了冲击启动理论，揭示了浅部开采也可以

发生冲击地压的原因，并为冲击地压演化过程时间序列与空间序列研究奠定基础。

2.2 目前冲击地压灾害的主要监测模式

表4为统计的近12年间我国煤矿监测预警冲击地压的主要方法，冲击地压预警方法众多，对于不同矿区，可能采用一种方法，也可能采用几种方法进行综合监测，因此形成了不同的预警模式［17］。

（1）单一人工探测式

单一人工探测式主要在一些以前未出现过，目前有冲击地压迹象的省份或矿区应用。采用钻屑法、钻孔应力监测、顶板离层观测、巷道变形观测中的一种方法。这种模式由于人员工作量较大，单一的监测结果缺乏验证、比较，因此预警可靠度最低，甚至不能警示灾害的发生。

（2）综合矿压观测式

综合矿压观测式主要是将岩石力学方法中的几种方法组合起来使用，例如钻屑法、顶板离层观测、巷道变形观测、钻孔应力监测，甚至将采场的支架、巷道的立柱工作阻力监测组合进来。这种模式主要在一些已经出现，但是冲击地压显现较轻的省份或矿区应用，虽然能将监测结果进行横向比较，相互验证，但是都是近距离监测，监测结

果往往难以满足指导冲击地压防治的要求。

（3）单一物探监测式

单一物探监测式，主要是采用电磁辐射仪、微震监测系统、地音（声发射）监测系统中的一种来监测预警冲击地压。这种模式以监测煤岩中的集中动载荷源为目标，忽视了围岩近场集中静载荷是冲击启动的内因，主要应用在冲击地压事件较多，已经出现过破坏性冲击地压的矿井，虽然考虑到了采掘活动空间远场围岩的破坏对冲击启动的促进作用，但是由于各自监测原理及有效监测半径的不同，使用效果差异较大，并且单一方法缺乏验证。

（4）多参量综合监测式

多参量综合监测式，是将岩石力学方法与地球物理方法相组合的一种监测预警模式。这种模式投入的人力、物力相对较大，是我国典型的冲击地压矿井主要应用模式，例如新汶华丰矿、抚顺老虎台矿、临沂古城矿、徐州三河尖矿、义马千秋、跃进矿、甘肃华亭矿等。该模式考虑到了各种手段的局限性，采用综合的思想，甚至只要能用上，所有监测手段同时用，实践证明冲击地压监测预警仍然是重大难题。

表4 冲击地压的监测手段统计

冲击地压监测使用该手段的手段 矿压观测法 钻屑法 顶板动态仪 钻孔应力计 电磁辐射法 地音法 微震法 矿井个数 68 70 31 47 38 9 39 2.3 目前冲击地压灾害的主要防治模式

表5为统计的近12年间我国煤矿防治冲击地压的主要方法，其中区域性防范方法又包括了优化开拓布置、解放层开采、无煤柱开采、预掘卸压巷、宽巷掘进、宽巷留柱法、煤层注水、高压水射流切槽等；局部主动解危方法有包括了顶板深孔爆破、煤层卸载爆破、煤层高压注水、大孔卸压法、定向水力压裂法、断底爆破法、预掘卸压硐室、煤层高压水力压裂、底板切槽法等。冲击地压防治方法不像监测方法对开采、地质条件适应能力强，防治方法必须结合实际开采条件，比如说很多矿就是单一煤层开采，谈何解放层开采。由于认识和技术水平与力量的差异，目前我国冲击地压矿井防治模式大体分以下五种：

（1）煤岩性质改变式

并非所有煤层都可以发生冲击地压，发生冲击地压的煤体通常具有冲击倾向性，一般情况下，煤层注水可以改变煤岩的冲击倾向度，又由于煤层注水可以起到降尘、防煤层自燃、操作工艺简单，投资小等，煤层注水几乎是所有冲击地压矿井首选，尤其是一些冲击地压初步显现的易自然发火煤层开采矿井。但是，该方法从改变煤岩冲击性质角度出发，防冲效率较低，不能应急，此外，笔者前期研究成果表明［18］：并非所有冲击地压煤层都注水有效，应通过实验室浸水时间效应来确定是否适合注水，并且指导注水强度、注水时机确定及效果评价。

（2）临时卸压式

临时卸压式，是指一些矿井在开采初期没有冲击地压显现，后期突显冲击地压，往往通过相关知识学习，临时组织队伍，由于没有系统的监测设备，只能针对冲击过的区域，围岩变形大的区域，临时采用煤层爆破、打大孔径等简单常规的方法卸卸压。这种模式采用“补漏”的思想，实质上是出于一种被动状态，哪边发火向哪边跑，往往顾此失彼或无济于事。

（3）循环卸压式

在一些有几年冲击地压发生史的矿井，初步已经做了一些研究，

上了基本的监测手段，结合以往冲击地压发生案例，而采用在工作面超前支护区，地质构造区，本工作面以及与邻近工作面采空区“见方”区依据顶板活动周期规律及煤体应力监测结果、微震事件分布情况等进行按部就班的循环式卸压爆破、打大孔径；存在坚硬顶板的薄及中厚煤层并进行周期性预裂断顶。此种防冲模式，具有一定的科学性，但是对于能量较大，区域性构造控制型冲击地压一般难以应对。

（4）加强支护式

笔者曾经到过好多初步出现冲击地压显现的矿井，由于冲击地压一般都发生在巷道，因此，好多矿井首先想到的是加强支护，除了常规的锚网索支护外，外围是36U或40U拱形棚，再外为大立柱上顶、下登的钢梁，或者研究吸能支护材料。实际上，冲击地压发生经历三个阶段：冲击启动—冲击能量传递—冲击地压显现［16］，作者前期曾经研究过，支护改变围岩的应力环境是有限的，加强支护所起的作用侧重于后两个阶段，因此说不能阻止冲击地压启动，更多的通过降低冲击地压能量总量和降低释放速度，从而达到降低灾害程度。此外，作者研究发现巷道冲击往往有方向性，并且一般与煤层倾角正交，大立柱等外围支护抗侧向动载冲击弱，往往由于地板突起而失稳，几起重大伤亡的冲击地压事故调查，人员多为支护设备歪倒碰撞致死。

（5）综合防治式

综合防治式包括了三个层次，第一层次为工作面回采之前在区域

实施一些区域防范性措施，最为常见的为开采解放层、沿空掘巷等；第二层次为在区域防范性措施基础上在采掘空间局部采取一些解危措施，包括了煤体卸压爆破、顶底板预裂爆破、大孔径卸压等；第三层次为个体防护性研究，包括了采掘空间强力支护，人员防护服的穿戴等。综合防治式，笔者提出：总体思路为以“卸”为主，以“支”为辅，“卸”“支”耦合作用［19］。目前该防治模式已经在国内典型冲击地压矿井应用广泛，依据系统的监测预警设备指导，使得矿井冲击地压防治能力得到快速提高。

表5冲击地压防治手段的统计

冲击地压防治手段 区域防范方法 主动解危方法 加强支护方法 使用该手段的矿井个数 21 55 40

3 问题与下一步工作 3.1 主要问题

笔者通过文献统计结合自身的研究工作，认为目前我国冲击地压防治存在以下几方面问题：

（1）基础理论研究不够，缺乏指导意义的理论

冲击地压的发生机理是人们对灾害发生原理的理性认识，冲击地压监测、防治是在认识的基础上开展的施工性活动。目前用于解释冲击地压发生的观点或学说，基本都还停留在理论阶段，没有针对各自观点指出今后如何监测、如何防治，因而造成机理、监测与防治相互脱节。

此外，目前用于冲击地压的监测方法、防治方法，人们只质疑其预测不准，防治效果不佳，而没有思考其能预测吗，能防治吗。由于缺乏或者没有正确的基础理论指导，又不受行业监管及功能、精度、原理等方面的准入门槛限制，各种设备打着“新”字层出不穷。过了一阵后，又回到原点，研究其理论基础是什么。

（2）冲击危险性预评价研究重视不够

目前冲击地压研究主要还是“三步走”，机理、监测、防治，对预评价重视不够，导致各个环节遗留隐患。比如说在矿井建设期间不做冲击地压危险性预评价，导致井田区域性开拓布置没有考虑防冲；冲击地压实时监测前不做预评价，导致监测设备盲目布置，顾此失彼；工作面开采前不通过预评价进行预卸压，导致开采时冲击危险进一步增强，防治强度加大，甚至不能解危；矿井重大扩修、开巷等工程前，或者解危措施后不做危险性评价，导致灾害发生。

（3）冲击地压危险源监测缺乏针对性，没有时间、空间概念

监测预警是冲击地压研究各环节中最为薄弱的一部分，除了受技术能力限制，监测设备自身存在的缺陷之外，人们受冲击地压的地质、开采等众多复杂因素影响，在设备使用上缺乏规则或理论指导，因而布置传感器时缺乏空间概念，要么原理不同的设备交错使用，要么同原理的设备平行使用［20］。

此外，在监测预警效果不佳时，就采取了综合监测，即几乎所有的设备一起使用，造成人力、物力成本大增，长期以来，疲惫不堪，难以坚持的同时，不同监测系统的监测原理不同，监测对象、有效精度纵向范围也不同，最终得出的预警结果横向相比经常相互矛盾，难以指导现场抢险避灾决策。

[12]潘俊锋.半孤岛面全煤巷道底板冲击启动原理分析[J].煤炭学报，2011，36（S2）：332-337.

[13]姜福兴，王平，冯增强，等.复合型厚煤层震-冲型动力灾害机理、预测与控制[J].煤炭学报，2009，34(12):1605-1609.

[14]窦林名，陆菜平，牟宗龙，等.冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用[J].煤炭学报，2005，5(30):690-694.

[15]高明仕，窦林名，张农，等.冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析[J].岩土力学，2008，29(2):359-363.

[16]潘俊锋，宁宇，毛德兵，等. 煤矿开采冲击地压启动理论[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31(3)：586–596.

[17]鞠文君，潘俊锋. 我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望[J].煤矿开采，2012，17（6）：1-5

[18]潘俊锋，宁宇，蓝航，等.基于千秋矿冲击性煤样浸水时间效应的煤层注水方法[J].煤炭学报，2012（S1）：19-25.

[19]潘俊锋，宁宇，秦子晗，等.基于冲击启动理论的深孔区间爆破疏压技术[J].岩石力学与工程学报，2012，31（7）：1414-1421. [20]潘俊锋，蓝航，毛德兵，等.冲击地压危险源层次化辨识理论研究

[J].岩石力学与工程学报，2011，30（S1）:2844-2849.

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