第三章冲击地压的影响因素Word文档格式.docx

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但这种移动要引起冲击地压还必须满足以下条件：

煤层强度和煤层与预底板相互粘结力的突然迅速降低或起润滑剂作用的物质增加或软弱夹层的存在以及煤层具有积蓄大量弹性能的性质。

法国普罗旺斯矿在厚度2.5m的褐煤层中发生了冲击地压，煤层顶底板均为厚而坚硬的石灰岩。

美国煤矿开采深度不大就发生冲击地压，主要根源可能是采用房柱式开采法遗留的煤柱和残柱区。

但自然地质条件仍具有煤层是缓倾斜，厚度4.7～7m，顶底板是厚层坚硬砂岩，存在断层等地质构造的影响等。

统观国内外冲击地压影响因素，主要的自然地质因素有：

煤层性质：

包括煤的冲击倾向、煤的强度、弹性和脆性等力学性质；

煤的厚度、埋藏深度以及煤的含水率、孔隙度、煤层结构等物理性质。

煤层顶底板性质：

赋存的坚硬岩层的厚度、强度、冲击倾向与煤层的粘结程度等。

地质构造：

褶曲构造（向斜、背斜）和断裂构造（断层、节理）情况，局部地应力异常，煤层厚度和倾角的突然变化等。

1．煤（岩）性质

煤（岩）的物理力学性质是发生冲击地压的内因。

煤岩的弹性、脆性和冲击倾向是关键因素。

一方面能把发生冲击地压所需的大量能量储存起来，另一方面又能发生脆性破坏，并瞬间释放弹性能。

我国主要冲击地压矿井的煤层力学性质如表3-1所示。

表3-1典型冲击地压煤层力学性质

矿井

煤层

抗压强度

MPa

坚固性系数f

弹性模量

泊松比

脆性

北京

门头沟

二槽

29.7

3.0

9000

0.21

五槽

25.3

2.5

6600

0.32

七槽

19.3

2.0

8200

0.29

抚顺

矿务局

三分层

12.9～13.8

1.3

2300～2500

0.31～0.42

极脆

四分层

11.18～17.75

1.5

2600～5100

0.26～0.48

脆

五分层

13.0～21.43

1.8

3000～3500

0.26～0.31

较脆

枣庄

陶庄矿

二层

15.6～20.3

1.5～2.0

5600

0.35

开滦

唐山矿

八层

22.4

2.2

7800

冲击地压发生的必要条件是积聚较多的弹性能，所以弹性大、脆性大是冲击危险煤层的基本特征。

沉积岩具有孔隙多，裂隙发育的特点，因而能够吸收水分。

煤岩一经湿润，减弱了内部颗粒间的粘结力，增加了塑性，改变了原来的弹性性质。

因此煤岩含水量增加，冲击危险就减少。

图3-1弹性变形指数

煤厚对发生冲击地压也有影响。

据波兰1952～1957年的统计资料，厚4～6m的煤层比在厚l～2m的发生冲击地压的次数大6倍。

不过其中也有采煤方法等因素的影响。

我国抚顺矿区的煤层特别厚，虽然顶板为几百米的油页岩、绿色页岩和松软的冲积层等软岩层，也同样发生冲击地压。

纵观国内外发生冲击地压的煤层物理力学性质，其共同特征是：

煤质脆而硬，天然含水率低（1％～3％），单轴抗压强度σc=10～30MPa，一般高于20MPa，弹性模量E＝（2～9）×

103MPa，一般大于3×

103MPa，泊松比（横向变形系数）μ=0.2～0.3，粘结力C=3～8MPa，内摩擦角φ=35°

～40°

，孔隙率n＝5％～10％。

然而对于发生冲击地压的最重要的力学性质，是在其受压破坏前的全部变形中的弹性变形部分所占比重很大，而塑性变形少（如图3-1）。

试验研究结果表明，有冲击地压危险的煤层，在其破坏前全部变形中，弹性变形占总变形的50％～80％，而无冲击地压危险的煤层则只占20％～50％。

有冲击地压危险的煤层还表现出强烈的脆性，即在破坏前主要为弹性变形，它可以在经过一段时间之后没有明显塑性变形的迹象而突然破坏。

根据断裂力学原理，煤岩材料中存在裂隙和封闭应力是其固有特征。

在低静水压力下裂隙可能是张开的，并有朝着最大主应力方向扩展的趋势。

在裂隙尖端前方出现压缩和拉伸两个区域，其中拉伸应力将使裂隙张开和传播。

所以尽管边界力为压缩力，在裂隙尖端的前方仍然能够产生拉应力，使裂隙在拉伸区传播并逐渐转向最大主应力方向。

由于裂隙的密集并合发展形成宏观裂隙，当满足了裂隙扩展条件（应力大于煤岩强度的应力条件和裂隙扩展释放率不小于裂隙扩展能量消耗率的能量条件）时，煤岩体可能发生失稳破坏。

在靠工作面的煤层边缘部位，处于支承压力作用之下，由于有冲击地压危险煤层的弹性变形大，便积累起大量的弹性变形能，特别是处于支承压力峰值区的煤层仍处于三向受压状态，积累的弹性能更大，要求恢复受压状态前的趋势也更强。

一旦外侧巷道或采场附近进行采掘或爆破，就使处于三向受力状态而且应力早已超过其强度并积蓄了大量弹性变形位能的煤层，借以本身的弹性恢复力量，迅速地使位能转化为动能发生冲击式的脆性破坏，并伴随声响和震动。

煤层具有冲击倾向性是发生冲击地压的必要条件。

大量的试验研究和生产实践表明，发生冲击地压的煤层具有突然破坏并瞬间释放大量弹性变形能的能力，而且各类煤层的储能和发生突然破坏的能力是不同的。

往往同一矿井，甚至同一采区，在几乎相同的自然地质和开采技术条件下，有的煤层发生冲击地压，有的不发生。

这种煤的冲击倾向是煤的固有属性，是受强度超过后的动力破坏过程中，能够积蓄和突然释放弹性变形能的岩相学结构控制的。

2．围岩性质

围岩性质主要是顶板岩性和厚度及其在煤层开采后的可冒性，是影响冲击地压的重要因素。

特别对老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层，底板也是坚硬岩层结构的冲击危险煤层更具冲击危险性。

厚层坚硬顶板的悬露下沉首先表现为煤层的缓慢加压或压缩，经过一段时间后可以集中在一天或几天的突然下沉，载荷极快上升达到很大的值。

在悬露面积很大时，不仅本身弯曲积蓄变形能，而且在附近地层中（特别是老顶折断处）形成支承压力。

当老顶折断时还会造成附加载荷，并传递到煤层上，通过煤层破坏释放变形能（包括位能），产生强烈的岩层震动引起冲击地压，而且底板也参与冲击地压的显现。

我国煤矿大多数冲击地压矿井的煤层顶板都十分坚硬，伪项或直接顶较薄甚至没有。

典型顶板特征列于表3-2中。

北京矿务局门头沟矿和房山矿、大同矿务局忻州窑矿、枣庄矿务局陶庄矿等矿井的煤层都具有十分坚硬的厚层砂岩顶板，采后形成大面积悬顶板，是发生冲击地压的典型顶板条件。

门头沟矿根据顶板等厚线图，综合大量冲击地压统计材料所作的分析表明，砂岩老顶厚度从5m到25m均有冲击地压发生，但从趋势上看，绝大部分发生在5～20m厚度内，而且在此范围内冲击次数随砂岩厚度增加而减少。

说明发生冲击地压的顶板厚度有个范围，小于下限厚度或大于上限厚度都不易形成冲击。

其原因可能是厚度太小，顶板随采随冒，难于形成较高的应力集中；

厚度过大，尽管开采后可以形成大面积悬顶，但在一定条件下（例如刀柱支撑）顶板岩层的能量积蓄和释放条件差，也不易形成冲击地压。

大同忻州窑矿冲击地压事故发生区的顶板大部分为厚层整体砂岩，从已发生的35次冲击地压区段的顶板来看，其中粗粒砂岩的20次，占57％，细砂岩顶板的10次，占28.6％。

表3-2顶板岩石物理力学特性

顶板岩层种类

厚度

（m）

单向抗压强度（MPa）

（104MPa）

冒落性

超前支承压力影响范围

天池矿

长兴灰岩

220

148

5.2~6.8

难冒

20

门头沟矿

中粒石英砂岩

10~20

130~190

6.1~6.8

20~30

10~40

130

4.3

30~40

龙凤矿

油母页岩

100~200

200

3.6~4.5

较难

15~20

砂岩

44

137

4000m2

冒落

25~30

房山矿

4槽煤

细砂岩

174

6.4~6.9

30

15槽煤

砾岩

5

5~7.7

忻州窑矿

中粒砂岩

10~15

80~160

4.0

60

图3-2煤体移动造成粉煤带和破碎带

枣庄矿务局对177次破坏性冲击地压的观测研究表明，90％以上的冲击地压发生在采场支承压力带，而发生时间多在工作面来压期间。

表明顶板中积蓄的变形能通过煤层破坏以动能形式释放参于冲击的特性。

当顶板岩梁将要折断时，应力将在岩梁断裂处集中，当岩梁完全折断后，应力又突然下降。

此时最易发生冲击地压。

对冲击地点的现场勘测发现，顶板留下明显的擦痕，在顶板和煤层的接触面上有数米至数十米范围的粉末煤呈透镜状分布（如图3-2）。

证明了顶底板夹持下煤层移动的事实。

图3-3为两个工作面顶板下沉量与冲击地压分布图。

可以看出，两个工作面在支承压力区内发生的22次冲击地压中，80％发生在支承压力峰值区。

而且无论是水采工作面还是旱采面，冲击地压爆发时刻的顶板下沉量范围均在40～95mm之间。

这可能是因为在此范围内顶底板围岩积蓄的变形能足以克服阻力，易产生冲击地压。

而顶板下沉量小于40mm的情况下所积蓄的能量尚不足以克服阻力，难以产生冲击地压。

对于顶板下沉量超过100mm后的情况，则因煤体被压酥发生塑性变形消耗能量，降低了冲击危险程度，所以也不易产生冲击地压。

图3-4是1984年至1989年通过对几个采场发生的33次破坏性冲击地压的观测，得出的冲击地压发生前的顶板动态曲线。

结果显示，冲击地压主要发生在顶底板移近速度上升段，这为预测预报提供了前兆信息。

图3-4冲击地压发生前顶板

动态曲线

图3-3顶板下沉量与冲击地压分布

a—420工作面（旱采）；

b—2801工作面（水采）

德国的鲁尔等矿区，发生冲击地压的煤层顶板绝大多数是厚层坚硬的砂岩。

砂岩确实对冲击地压的发生起很大作用。

顶底板内都有砂岩的煤层最具冲击危险性，经常发生冲击地压的阳光煤层、狄克班煤层等的顶板沙岩厚度最小为5m，最大为40m，底板砂岩厚度至少为2m，最大为20m。

这些煤层历来以稳定的顶板和优良的煤质闻名。

图3-5夹持煤体产生高侧压

围岩主要由砂岩构成。

实际情况表明，围岩的砂岩成分愈多，冲击的危险性愈大，围岩的泥质成分愈多，冲击的危险性愈小。

因而在德国把砂岩顶板列为冲击地压危险煤层的主要标志。

认为煤层顶底板内赋存有完整的能传递高压力的厚层砂岩层，能够阻碍煤层运动不能发生断裂和错动，也即砂岩顶底板可将煤体夹紧。

煤体的极限载荷与煤壁附近的煤体夹持效应是密切相关的。

煤体夹持限制了深部煤体自身或煤体一围岩交界处的卸载运动。

对弹性能而言，夹持起到了闭锁作用。

而且这种闭锁作用发生于煤壁附近，造成煤体夹持带产生高度应力集中和积蓄相当高的弹性能，而处于临界状态。

只要煤体载荷稍有增加就可能破坏。

当应力或能量大小足以酿成一次冲击地压时，则被压缩的煤体将产生冲击式的加速破坏。

就煤层而言，厚层坚硬、完整的顶底板的夹持作用，一方面使煤层在高压力作用下趋于侧向突然破裂或向采掘空间逐渐膨胀，另一方面它又以煤岩交界处的阻力和变形，阻碍上述过程的发展，因而使煤体积聚起很高的侧向压力（如图3-5）。

又导致在煤层和围岩交界处形成很高的剪应力和相应的高压力。

当煤体压力和剪应力达到一定数值后，就可能发生冲击地压。

在前苏联，冲击地压危险煤层的围岩条件与我国类似。

顶板大多数存在厚层砂岩或其它坚硬顶板。

佩图霍夫在阐述冲击地压机理，分析煤层边缘区应力状态冲击式变化规律时，把煤岩性质和煤层与围岩的相互作用条件视为首要因素。

认为冲击式变形是处于假塑性状态核（图3-6中的A带）的内部高压力和两侧B、C带岩石阻力之间乎衡顺序的破坏和恢复。

同时B带范围内周边部分煤层与项底板接触面的摩擦力和顶底板对煤层的夹紧力的作用，又对内压力产生阻力。

如果A带中的内压力超过B带周边阻力，B带煤岩就会向采空区一侧发生移动，直到重新建立平衡为止。

如果A带中的内部推力大到足以使B带中的煤岩能不断地向采空区一侧移动，那么A带中的煤岩就将发生雪崩式的破坏过程，产生冲击地压。

此外，由于煤层边缘砂岩弯曲形成剪切裂隙，使部分围岩主要是顶板瞬间移动，也能引起煤层边缘区冲击式破坏。

这中间顶底板的动态对上述过程有重大影响。

当其它条件相同时，顶底板对煤层夹持得越紧，煤层变形的冲击性就越强。

而煤层的夹紧程度首先取决于顶板悬梁的大小。

他认为不仅顶板而且底板都可能参于冲击地压的显现；

冲击时不是顶板单个分层简单的位移，而是由于卸压时岩石的膨胀产生震动过程造成的顶底板岩石瞬间靠拢。

冲击能量来自煤层和围岩的共同作用。

图3-6煤层边缘区状态示意图

A—塑性占优势地带；

B—塑性变形带或破坏带；

C—弹性变形带

波兰的西里西亚煤田，砂岩顶板的冒落相当猛烈，对煤层造成的冲击载荷大都成为严重冲击的原因。

波兰学者把冲击地压划分为两个基本类型，认为对冲击地压诱发和过程有决定性影响的是位于煤层之上的高强度厚层砂岩顶板的断裂。

其中第一类是由厚层高致密悬顶断裂引起震动并诱发的典型煤层冲击；

第二类直接与高致密顶板岩石有关的典型顶板冲击。

它与顶板中的水平压力大，顶板岩块相互接触区域的动力破碎有关。

这种水平压力是由于大的岩块在下沉过程中的水平倾倒或岩体中的自然水平应力（构造应力）引起的。

一般认为，冲击地压释放的能量来自煤层和围岩在冲击前所储存的弹性变形能。

全国冲击地压矿井情况的调查结果也表明，围岩性质是影响煤层冲击的主要因素。

围岩顶板参与冲击地压释放能量已被现场实践和实验室所证实。

震级较大的冲击地压发生时，煤体破碎所消耗的能量仅占总释放能量的百分之几，相差两个数量级。

说明震级较大的冲击地压释放出来的能量主要来自围岩特别是顶板冲击前积蓄的变形能。

而震级较小的冲击地压发生时，由煤体破碎所释放的能量占的比例较高，甚至超过了由地震震级换算的能量，说明这种情况下围岩释放能量很少。

众所周知，围岩应力（弹性能）是由自重应力、构造应力以及由采动引起的附加应力组成。

但自重应力在顶底板和煤层中变化不大，因而围岩能够释放的弹性能只能是由附加应力和构造应力特别是悬顶造成的应力集中所致。

国内外冲击地压实例都表明，绝大部分冲击地压发生在厚层坚硬顶板条件下，而且相当部分冲击地压又发生在工作面来压期间，足以证明顶底板参与冲击地压显现并释放变形能。

3．开采深度

随着我国煤炭生产的发展，矿井开采深度正在以每年平均加深8～10m的速度增加着。

世界各主要采矿国家的情况也基本如此。

矿井开采在向深部推进的同时，必将引起一系列安全问题。

其中单纯取决于深度的，且复杂而又相互关联的问题就是矿山压力和冲击地压危险问题。

由于矿山压力与开采深度成比例的增加，因此深部开采的回采工作，将会遇到矿山压力的严重干扰。

在条件恶劣的情况下，矿山压力将严重影响回采工作的安全和效益。

特别是冲击地压危险将随开采深度的增加而增加。

在更大的开采深度下，煤层边缘区的附加载荷更大，致使支承压力增加并传播迭加在煤层上方，使冲击危险的范围扩大。

特别是已采煤层边界或煤柱的附加载荷增加更大，使冲击危险范围更加扩大。

据前苏联的研究，深部围岩具有脆性特征，因此巷道壁都会产生岩石抛射现象。

根据顿巴斯矿区的统计资料，当围岩应力大于岩石抗压强度的50%时，巷道壁就会出现岩石抛射；

当大于80%时，则容易产生突出（冲击地压）。

所以随着开采深度的增加，冲击地压的危害将严重威胁矿井的安全生产。

开采深度愈大，煤体应力愈高，煤体变形和积蓄的弹性能也愈大。

就一定的开采技术条件下，具有冲击倾向的煤层都存在一个冲击地压发生的临界深度。

根据弹性理论，煤层在自然状态的三向应力条件（无采动影响）下，对于开采深度为H的煤层，煤体所承受的应力为：

（3-1）

（3-2）

此时煤体中单位体积所积蓄的弹性能，由体积改变和形状改变形成的弹性能两部分组成。

由于体积改变而形成的弹性能为:

（3-3）

由于形状改变而形成的弹性能为：

（3-4）

若令煤层中由于形状改变而形成的弹性能Uφ全部消耗于煤体的塑性变形和生成部分热量，而由体积改变形成的弹性能UV全部消耗于破碎煤体和使煤块获得一定的动能而产生运动或抛射。

在不计应力集中影响的情况下，由（3-3）式则有：

（3-5）

式中：

假设煤在单向载荷下的破碎强度为

，则用于破碎煤块的单位体积所需能量

为：

（3-6）

由于巷道周边煤体处于双向受力状态，所以其所需的破碎能量比U1要大，此时考虑系数K0（K0＞1），则破碎单位体积的能量U2为；

（3-7）

按冲击地压的能量条件有：

从而得到：

（3-8）

此处H就是发生冲击地压的临界深度。

释放出来的动能为：

（3-9）

显然上述情况仅是考虑自然应力状态，上述推导只具有物理意义。

因为对于具体矿井来讲，实际条件远比这些复杂的多。

上式仅在于说明达到一定开采深度是产生冲击地压的一个基本条件。

实际矿井冲击地压发生的临界深度的具体数值因煤层性质和地质条件的不同而各不相同。

影响冲击地压临界深度的因素很多，主要有煤体强度、煤的冲击倾向性、煤层自然含水率、顶底板和覆盖层性质、地质构造、构造应力大小和方向、开采技术因素等。

我国部分矿井发生冲击地压的始发深度和国外几个主要采矿国家的冲击地压始发深度统计于表3-3和表3-4中。

从中可以看出，冲击地压的始发深度一般为200～400m。

少数矿井达到500～

600m以上。

从我国目前冲击地压较严重矿井的冲击情况看，随着开采深度的延深，冲击地压发生的频度和强度增加。

我国几个典型冲击地压矿井的冲击地压的发生频度（强度）与开采深度的关系密切。

抚顺龙凤矿在开采-540m水平（采深640m）对每采百万吨煤冲击地压发生次数为0.07次，而开采-635m水平（采深730m）时增至0.125次。

四川重庆地区天池煤矿等在开采深度200～400m时冲击地压仅发生4次，每次平均冲击煤量5.8t，随着开采深度增加到400～500m、500～600m时，冲击地压的次数分别达到9次，冲击煤量分别为180t和1000t以上（见表3-5）。

表3-3我国部分矿井发生冲击地压的初始深度

名称

天池

抚顺、大同

城子

大台

陶庄

房山

唐山

初始深度m

240

250～300

330

460

480

520

540

表3-4国外矿井发生冲击地压的初始深度

国别

南非

美国

加拿大

前苏联

波兰

德国

英国

120~300

180

180～400

300

600

表3-5冲击地压次数与开采深度关系

冲击地压发生的次数和强度

开采深度（m）

200～400

400～500

500～600

600～700

发生次数

4

9

6

发生率（%）

14

32

22

发生强度（平均煤量）

5.8

1000

—

开采深度对冲击地压的影响在波兰和前苏联也有明显的反映。

波兰的统计表明，冲击地压发生次数随开采深度的延深，呈明显上升趋势，如表3-6所示。

表3-6波兰冲击地压次数与开采深度关系

开采深度（m）

100

238

292

332

386

445

553

百万吨煤冲击地压次数

12

23

39

83

142

4．地质构造

地质条件中的顶底板岩性、煤层性质和开采深度对冲击地压发生的影响是公认的。

诸如褶曲、断层等大构造以及一些小构造的影响也得到了公认。

根据国内各冲击地压矿井的冲击位置统计分析看，地质构造的影响是客观存在的，类似的情况还有波兰等国的统计结果。

诚然，其中有些冲击地压发生位置并没有褶曲和断层等地质构造的存在，但这里并不能以此否定地质构造影响。

问题在于具体分析地质构造影响的实质。

因为地质构造对冲击地压的影响可能是直接的，也可能是间接的。

通常，在地质构造带中尚存有一部分地壳运动的残余应力，形成构造应力。

在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常（如底板凸起、顶板下陷、煤层分岔、变薄和变厚等现象）等构造带。

冲击地压常发生在这些构造应力集中的区域。

天池和门头沟矿发生冲击地压的资料说明，在次一级向背斜构造的轴部，倾角大于45°

的翼部及其转折部位是构造应力易于集中的地带，发生冲击地压的危险性最大。

天池矿在地