沖擊地壓教材

沖擊地壓概述沖擊地壓的概念、特征及分類(lèi)一、沖擊地壓的概念沖擊地壓屬礦井動(dòng)力現(xiàn)象，是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式?？梢远x為：礦山井巷和采場(chǎng)周?chē)簬r體，由于變形能的釋放而產(chǎn)生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。簡(jiǎn)單地講，沖擊地壓就是煤（巖）體的突然破壞現(xiàn)象。它是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。沖擊地壓在我國(guó)不同地區(qū)的煤礦和不同書(shū)刊中有不同的稱(chēng)謂，常見(jiàn)的有“沖擊礦壓”、“礦山?jīng)_擊”、“煤爆”等。在具體礦山地質(zhì)條件下，礦井的開(kāi)拓準(zhǔn)備方式、開(kāi)采方法及其工藝參數(shù)一經(jīng)確定，也就基本確定了采場(chǎng)和巷道支架上的載荷特征和數(shù)值。隨著采掘工作的展開(kāi)，采場(chǎng)和巷道附近巖石中可能發(fā)生不同形式的變形和破壞過(guò)程，導(dǎo)致一系列礦山壓力現(xiàn)象的發(fā)生。這些過(guò)程的組合、范圍和強(qiáng)度可能各不相同，采掘巷道會(huì)表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。有的巷道可以保存很長(zhǎng)時(shí)間，而有的巷道掘出后很快就失去穩(wěn)定性。采場(chǎng)和巷道圍巖的破壞規(guī)模和延續(xù)時(shí)間的差異是很大的，規(guī)模上可以是圍巖產(chǎn)生破裂直至波及地表的大范圍巖層移動(dòng)；延時(shí)上可以是幾周、幾個(gè)月或幾年的緩慢破壞，直至突然發(fā)生沖擊式破壞。破壞過(guò)程也是隨著巖石的力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)因素和開(kāi)采技術(shù)條件的不同而變化的。因此，研究采場(chǎng)和巷道圍巖破壞現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)，對(duì)安全開(kāi)采具有重要意義。一般的礦山壓力現(xiàn)象及其顯現(xiàn)規(guī)律，諸如頂?shù)装彘]合、支架折損、冒頂、片幫和底鼓、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律等，都帶有一定的普遍性。在某些特定條件下發(fā)生的特殊的礦山壓力現(xiàn)象，例如，沖擊地壓、頂板大面積來(lái)壓、煤和瓦斯突出、礦震等礦山四大動(dòng)力現(xiàn)象，對(duì)生產(chǎn)及礦工安全都具有很大威脅。這些現(xiàn)象具有突然發(fā)生的特點(diǎn)，呈現(xiàn)明顯的動(dòng)力特征，它們之間既有區(qū)別又有聯(lián)系。其區(qū)別主要是發(fā)生機(jī)理各異，其聯(lián)系主要表現(xiàn)在它們可以互為誘發(fā)因素，都具有動(dòng)力特征，并且存在介于兩種動(dòng)力現(xiàn)象之間的“中間型”動(dòng)力現(xiàn)象。目前，上述動(dòng)力現(xiàn)象等有關(guān)術(shù)語(yǔ)的運(yùn)用已漸趨統(tǒng)一。沖擊地壓的同義詞有巖爆、煤爆、礦山?jīng)_擊、巖石突出等。英文的沖擊地壓為“RockBurst”、“RockBump”，俄文為“горныеудары”，而德文為“Gebirgsschlag”。對(duì)于礦震（Tremor）、煤和瓦斯突出（CoalandGasBurst）、頂板大面積來(lái)壓（ExtensiveRoofWeighting）等動(dòng)力現(xiàn)象，也有相應(yīng)的上述各種文字的詞名，以避免概念上的誤解。沖擊地壓、頂板大面積來(lái)壓、煤和瓦斯突出、礦震統(tǒng)屬礦山動(dòng)力現(xiàn)象。它們的發(fā)生機(jī)理各不相同，但可互為誘發(fā)因素，且都具有動(dòng)力特征。大面積頂板來(lái)壓原則上屬重力式突然破斷，一般以部分巖體緩慢破壞為先導(dǎo)，巖層整體破斷正是局部破裂不斷發(fā)展的結(jié)果。破斷的同時(shí)，已破壞巖體的位能突然轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而顯現(xiàn)彈性能的釋放，但大部分彈性能已在局部破裂時(shí)緩慢釋放。從顯現(xiàn)特點(diǎn)上它與沖擊地壓的區(qū)別在于沖擊地壓發(fā)生時(shí)頂板一般不垮落。煤和瓦斯突出是指瓦斯和煤同時(shí)向巷道內(nèi)突出，它和沖擊地壓在表現(xiàn)上有類(lèi)似性，發(fā)生時(shí)都出現(xiàn)煤體的破碎，而且有時(shí)兩者同時(shí)出現(xiàn)。其主要區(qū)別是，對(duì)沖擊地壓而言，彈性能的釋放是第一位因素，破壞較猛烈震動(dòng)更強(qiáng)烈，由已破裂的煤體中釋放出瓦斯則是次要的、第二位的因素。煤和瓦斯突出則相反，瓦斯釋放是第一位的因素，破壞較緩慢，震動(dòng)也較弱，而煤巖拋出則是第二位的因素。突出后大部分煤體破壞成碎煤，且具篩選性。礦震是指由于開(kāi)采活動(dòng)引起的礦山巖層震動(dòng)，它是巷道周?chē)橘|(zhì)突然在一瞬間發(fā)生震動(dòng)同時(shí)伴有巨聲、沖擊波、彈性回跳等作用而不發(fā)生煤、巖拋出的一種彈性能釋放現(xiàn)象。它是礦山巖層沖擊式破壞的一種表現(xiàn)形式，因而有別于天然地震，其發(fā)生原因是多方面的。沖擊地壓、瓦斯突出、大冒頂?shù)榷伎梢鸬V震，但多數(shù)是由于巖層的沉降運(yùn)動(dòng)引起的，它一般并不導(dǎo)致井巷工程的破壞。巖爆是發(fā)生在巖巷、金屬礦和地下隧洞中的沖擊地壓。一般表現(xiàn)為巖巷或隧道周一壁巖石成片狀破裂，巖片向坑道內(nèi)彈射，伴有“劈裂”聲，頂板掉塊，底板拱起，洞壁嚴(yán)重變形破壞、甚至大量巖石崩落。二、沖擊地壓的顯現(xiàn)特征沖擊地壓發(fā)生如同裝在煤巖里的大量炸藥爆炸一樣，煤和巖石突然被拋出，造成支架折損，片幫冒頂，巷道堵塞，傷及人員，并伴有巨大聲響和巖體震動(dòng)。監(jiān)測(cè)到的震動(dòng)頻率1Hz～1×104Hz以上，最大震級(jí)3.8級(jí)以上，有時(shí)在幾公里范圍內(nèi)的地面都能感覺(jué)到，形成大量煤塵和強(qiáng)烈的空氣波。在瓦斯煤層，往往還伴有大量瓦斯涌出。沖擊地壓發(fā)生前一般沒(méi)有明顯的宏觀前兆。相當(dāng)多的沖擊地壓是由爆破觸發(fā)的，發(fā)生過(guò)程短暫，持續(xù)震動(dòng)時(shí)間不超過(guò)幾十秒。在某些情況下，沖擊的同時(shí)還發(fā)生底鼓和煤巖壓入巷道等現(xiàn)象。概括起來(lái)，我國(guó)煤礦沖擊地壓的主要顯現(xiàn)特征表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）突發(fā)性：沖擊地壓發(fā)生前一般無(wú)明顯前兆，沖擊過(guò)程短暫，持續(xù)時(shí)間幾秒到0.5～2s秒，難已事先準(zhǔn)確確定發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)的強(qiáng)度。（2）多樣性：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2～6m范圍內(nèi)，破壞性大）和深部沖擊（發(fā)生在煤體深處，聲如悶雷，但破壞程度不同）。最常見(jiàn)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(dòng)，并伴有巨大聲響、巖體震動(dòng)和沖擊波；（3）破壞性：往往造成煤壁片幫、頂板可能有瞬間明顯下沉，但一般并不冒落；有時(shí)底板突然鼓起甚至接頂；常常有大量煤塊甚至上百立方米的煤體突然破碎并從煤壁拋出，堵塞巷道，破壞支架；從后果來(lái)看沖擊地壓往往造成人員傷亡和巨大的生產(chǎn)損失。（4）復(fù)雜性：在自然地質(zhì)條件上，除褐煤以外的各種煤種都記錄到?jīng)_擊現(xiàn)象，采深從200～1000m，地質(zhì)構(gòu)造從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，煤層從薄層到特厚層，傾角從水平到急斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖等都發(fā)生過(guò)沖擊地壓。在生產(chǎn)技術(shù)條件上，不論水采、炮采、機(jī)采或是綜采，全部垮落法或是水力充填法等各種采煤工藝，不論是長(zhǎng)壁、短壁、房柱式或是煤柱支撐式，分層開(kāi)采還是倒臺(tái)階開(kāi)采等各種采煤方法都出現(xiàn)了沖擊地壓，只有無(wú)煤柱長(zhǎng)壁開(kāi)采法沖擊次數(shù)較少。三、沖擊地壓的分類(lèi)沖擊地壓是一種復(fù)雜的礦山動(dòng)力現(xiàn)象，其生成環(huán)境、發(fā)生地點(diǎn)、宏觀和微觀上的顯現(xiàn)形態(tài)多種多樣，以及它的顯現(xiàn)強(qiáng)度和所造成的破壞程度相差很大。有的沖擊地壓影響范圍僅幾平方米或幾十平方米，有的卻波及范圍很廣，達(dá)幾千平方米；有的沖擊地壓發(fā)生時(shí)測(cè)得的地震能量不足10J，僅相當(dāng)于地震1級(jí)以下，有的則高達(dá)107J以上，相當(dāng)于地震級(jí)3.9級(jí)；有的震動(dòng)波衰減很快，僅能傳播1000～2000m；有的沖擊地壓震動(dòng)持續(xù)不了幾秒鐘，有的卻持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十秒。有的沖擊地壓僅為煤體沖擊，有的則頂?shù)装鍏⑴c沖擊。此外，由于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理存在不同的理論，提出各自不同的沖擊地壓發(fā)生條件和判別準(zhǔn)則?？陀^上不同礦井的沖擊地壓成因和特征也不同。即使同一礦井，由于地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采條件和開(kāi)采方法的差異，也使得沖擊地壓的成因、性質(zhì)、特征、震源部位和破壞程度不同。綜上所述，沖擊地壓存在不同種類(lèi)，不能用同一機(jī)理去解釋不同沖擊地壓的成因和現(xiàn)象，更不能用單一方法或措施去預(yù)測(cè)和防治沖擊地壓。因此要對(duì)沖擊地壓進(jìn)行分類(lèi)，并且出現(xiàn)了多種分類(lèi)方法。目前主要的、最有價(jià)值的分類(lèi)方法有以下幾種：（一）根據(jù)沖擊地壓的物理特征，按發(fā)生原因分（分為三類(lèi)）1．壓力型沖擊地壓其發(fā)生時(shí)，煤柱和巖石將產(chǎn)生爆炸式破壞，如同堅(jiān)硬的巖樣在試驗(yàn)機(jī)上加載至強(qiáng)度極限后發(fā)生爆炸式破壞一樣。2．突發(fā)型沖擊地壓其發(fā)生原因是突然加載。是礦層上伏的厚而堅(jiān)硬的老頂懸伸在礦柱上，先是夾緊礦柱并對(duì)它加載。當(dāng)達(dá)到一定跨度時(shí)發(fā)生折斷和垮落，同時(shí)產(chǎn)生壓力波，造成處于極限應(yīng)力狀態(tài)的礦柱發(fā)生瞬時(shí)破壞。3．爆裂型沖擊地壓其發(fā)生原因是在直接頂上部或直接底板下部存在塑性?shī)A層。例如，在剛性巖層之間的粘土夾層，一旦條件適當(dāng)被擠壓出來(lái)，造成頂?shù)装鍎傂詭r層以沖擊形式爆裂。（二）根據(jù)沖擊地壓的能量特征，按沖擊時(shí)釋放的地震能大小分（分五個(gè)等級(jí)，表1-1）。表1-1按能量特征分類(lèi)表沖擊地壓級(jí)別地震能（J）震中的地震烈度（級(jí)）微沖擊（射落、微震）＜10＜1弱沖擊10～1021～2中等沖擊102～1042～3.5強(qiáng)烈沖擊104～1073.5～5災(zāi)害性沖擊＞107＞51.微沖擊表現(xiàn)為小范圍巖石拋出和礦體微震動(dòng)，包括射落和微震。射落是表面的局部破壞，表現(xiàn)為單個(gè)煤（巖）塊彈出，并伴有射擊的聲響。微震是母體深部不產(chǎn)生粉碎和拋出的局部破壞，常伴有聲響和巖體微震動(dòng)。2.弱沖擊少量煤（巖）拋出的局部破壞，伴有明顯的聲響和地震效應(yīng)，但不造成嚴(yán)重?fù)p害。3.中等沖擊急劇的脆性破壞，拋出大量巖石，形成氣浪，造成幾米長(zhǎng)的巷道支架損壞和垮落，推移或損壞機(jī)電設(shè)備。4.強(qiáng)烈沖擊使長(zhǎng)達(dá)幾十米的巷道支架破壞的垮落，損壞機(jī)電設(shè)備，需要大量的修復(fù)工作。5.災(zāi)害性沖擊使整個(gè)采區(qū)或一個(gè)水平內(nèi)的巷道發(fā)生垮落。個(gè)別情況下波及全礦，造成整個(gè)礦井報(bào)廢。（三）根據(jù)參與沖擊的巖體類(lèi)別分（分為二類(lèi)）1．煤層沖擊（煤爆）產(chǎn)生于煤體—圍巖力學(xué)系統(tǒng)中的沖擊地壓，是煤礦沖擊地壓的主要顯現(xiàn)形式。2．巖層沖擊（巖爆）高強(qiáng)度脆性巖石瞬間釋放彈性能，巖塊從母體急劇、猛烈地拋出。對(duì)煤礦，是頂?shù)装鍘r層內(nèi)彈性能的突然釋放，又稱(chēng)圍巖沖擊。按沖擊位置又分頂板沖擊和底板沖擊。頂板沖擊按顯現(xiàn)形式又可分成典型的頂板沖擊和致密頂板巖層突然折斷形成的沖擊地壓，后者往往伴生強(qiáng)烈的煤層沖擊與底板沖擊。（四）根據(jù)煤巖體應(yīng)力來(lái)源及加載方式分（分為四種類(lèi)型）1．重力型主要受重力作用，沒(méi)有或只有少量構(gòu)造應(yīng)力的影響而引起的沖擊地壓。2．構(gòu)造型主要受構(gòu)造應(yīng)力作用引起的沖擊地壓。3．震動(dòng)型煤巖體受震動(dòng)載荷而產(chǎn)生的沖擊地壓，它與重力型沖擊地壓的區(qū)別在于載荷的類(lèi)型為脈沖式動(dòng)載，載荷方向與震動(dòng)波的傳播形式和途徑有關(guān)。4．綜合型受幾種載荷共同作用而引起的沖擊地壓。（五）根據(jù)顯現(xiàn)強(qiáng)度及其對(duì)煤和巖層、支架、設(shè)備的破壞程度分（分為四類(lèi)）彈射單個(gè)碎塊從煤巖體表面彈射出來(lái)，并伴有強(qiáng)烈的聲響。煤炮（深部沖擊）深部的煤巖體發(fā)生破壞，但煤或巖石不向已采空間內(nèi)拋出，只有片幫或散落現(xiàn)象，巖體震動(dòng)，伴有聲響，有時(shí)產(chǎn)生煤塵。3．微沖擊煤或巖石向已采空間拋出，但對(duì)支架和設(shè)備無(wú)損害，圍巖震動(dòng)，伴有很大聲響，產(chǎn)生煤塵，在瓦斯煤層中可能有大量瓦斯涌出。4．強(qiáng)沖擊圖1-1按顯現(xiàn)地點(diǎn)的沖擊地壓分類(lèi)部分煤或巖體急劇破壞，大量的煤或巖石向已采空間拋出，出現(xiàn)支架折損、設(shè)備移動(dòng)和圍巖強(qiáng)烈震動(dòng)，伴有巨大聲響，形成大量煤塵。強(qiáng)沖擊按顯現(xiàn)地點(diǎn)分為以下七類(lèi)：①在連續(xù)煤體中（圖1-1a）；②在被巷道切割的煤柱中（圖1-1b）；③在被巷道從煤體分離出來(lái)的煤柱中（圖1-1c④在煤層邊緣部分（圖1-1d）；⑤在掘進(jìn)的煤層巷道中（圖1-1e）；⑥在有底板或頂板破壞的巷道中（圖1-1⑦在掘進(jìn)的巖層巷道中。這種分類(lèi)方法便于分析支承壓力的分布情況，有利于制定防治措施。（六）我國(guó)的分類(lèi)我國(guó)目前使用的分類(lèi)方法是煤炭工業(yè)部于1983年9月頒布的《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》中公布的我國(guó)煤礦沖擊地壓統(tǒng)計(jì)分類(lèi)方法。該分類(lèi)法采用了世界上流行的，在我國(guó)得到公認(rèn)的兩類(lèi)分類(lèi)指標(biāo)。即：1．根據(jù)沖擊地壓的破壞后果分（分為三類(lèi)）1）一般沖擊地壓。對(duì)生產(chǎn)的破壞后果輕微，不需要進(jìn)行修復(fù)。此類(lèi)包括地震臺(tái)記錄到但未能定位的各種沖擊、震動(dòng)現(xiàn)象。由礦井沖擊地壓防治組填寫(xiě)Ⅱ類(lèi)記錄卡。2）破壞性沖擊地壓。對(duì)生產(chǎn)造成一定的破壞，需進(jìn)行修復(fù)工作。此類(lèi)沖擊地壓包括井下實(shí)際發(fā)生并已觀測(cè)到的，達(dá)到各礦自定的破壞性標(biāo)準(zhǔn)的沖擊地壓。由礦井沖擊地壓防治組負(fù)責(zé)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，填寫(xiě)Ⅰ類(lèi)記錄卡。3）沖擊地壓事故。由于沖擊地壓及其伴隨現(xiàn)象（冒頂、瓦斯突出等）造成的人員傷亡事故，或由于井巷或采場(chǎng)被破壞造成中斷工作8h以上的沖擊地壓。此類(lèi)沖擊地壓由礦井總工程師負(fù)責(zé)組織現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，填報(bào)I類(lèi)記錄卡，寫(xiě)出事故調(diào)查報(bào)告。2．根據(jù)地震儀或微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)記錄確定的沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，按里氏地震級(jí)分（分6級(jí)，表1-2）表1-2按顯現(xiàn)強(qiáng)度分類(lèi)等級(jí)123456里氏地震級(jí)0.5～1.01.1～1.51.6～2.02.1～2.52.6～3.0≥3.0沖擊地壓的歷史及現(xiàn)狀一、國(guó)內(nèi)沖擊地壓歷史及現(xiàn)狀我國(guó)最早記錄的沖擊地壓現(xiàn)象于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦，當(dāng)時(shí)的開(kāi)采深度為200m左右。50年代以前只有兩個(gè)礦井發(fā)生了沖擊地壓。50年代增加到7個(gè)，60年代為12個(gè)，70年代達(dá)到22個(gè)，進(jìn)入80年代以后，猛增到50多個(gè)。從1949年以來(lái)，已發(fā)生破壞性沖擊地壓2000多次，震級(jí)ML=0.5～3.8級(jí)，造成慘重的人員傷亡，破壞巷道約20km，停產(chǎn)1300多天。近年來(lái)，我國(guó)一些金屬礦山、水電與鐵路隧道工程也出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。以下是我國(guó)典型沖擊地壓礦區(qū)的情況。（一）北京礦務(wù)局沖擊地壓在北京礦務(wù)局屬于全局性問(wèn)題，10個(gè)生產(chǎn)礦井中，有5個(gè)礦井和1個(gè)坑口受到?jīng)_擊地壓的威脅。門(mén)頭溝煤礦是我國(guó)沖擊地壓最嚴(yán)重的礦井之一。該礦開(kāi)采侏羅紀(jì)無(wú)煙煤，屬低瓦斯礦井，可采煤層有一、二、五、七槽四層，層間距80～100m，厚度一般0.7～3.5m。各煤層頂板均為高強(qiáng)度的石英砂巖，平均厚度10～30m。煤層傾角由緩至急，在緩傾斜煤層中主要采用單一走向長(zhǎng)壁刀柱采煤法，沿走向每推進(jìn)35～40m留一刀柱，刀柱寬為采高的2～2.5倍。該礦的二、五、七槽均為沖擊地壓危險(xiǎn)煤層。該礦早在1947年就發(fā)生過(guò)沖擊地壓現(xiàn)象，至1985年底，共發(fā)生破壞性沖擊地壓303次。1959年8月3日，工作面放炮引起沖擊地壓，頂?shù)装逅查g移近0.3m，木支柱折斷600余根，有感震動(dòng)半徑5km，該礦1980年平均震動(dòng)記錄達(dá)500余次，亦屬我國(guó)震動(dòng)頻度最高者。（二）撫順礦務(wù)局撫順礦務(wù)局三個(gè)井工開(kāi)采的礦都有沖擊地壓發(fā)生，其中以勝利礦為最早，而龍鳳礦目前最為嚴(yán)重。龍鳳礦井田煤層生成于新生代第三紀(jì)，主煤層有三、四、五、六共四個(gè)自然層群，總厚6～50m，傾角0°～45°。煤層頂板為厚48～195m的油母頁(yè)巖，底板為76.5～115m的凝炭巖。該礦采用傾斜分層上行V形水砂充填采煤法。一般開(kāi)采第一人工分層時(shí)，頂板為煤層，底板為砂頁(yè)巖，無(wú)周期來(lái)壓顯現(xiàn)。沖擊地壓多發(fā)生于新采區(qū)第一分層開(kāi)采過(guò)程中，約占總數(shù)的83%。沖擊影響范圍達(dá)幾米到幾十米，冒頂高度1～3m，突出的煤達(dá)10～50t，嚴(yán)重時(shí)摧毀巷道達(dá)幾百米，地面有震感。1975～1983年共發(fā)生0.5級(jí)以上沖擊地壓675次，最大震級(jí)ML為2.5級(jí)，其中23次造成嚴(yán)重破壞。撫順礦務(wù)局是我國(guó)非堅(jiān)硬頂板、特厚煤層沖擊地壓的典型。（三）棗莊礦務(wù)局陶莊礦棗莊礦務(wù)局陶莊礦屬水、旱采并舉的礦井，采深400～700m，主采煤層為2～6m的厚煤層。煤的單軸抗壓強(qiáng)度約10～20MPa。頂板為砂巖，強(qiáng)度90～130MPa。自1966年至1985年10月共發(fā)生了147次破壞性沖擊地壓，沖擊強(qiáng)度一般不大，為1.5～2級(jí)左右。1982年1月27日水采區(qū)上山煤柱（寬160m）發(fā)生了該礦歷史上最大的一次沖擊地壓（3.6級(jí)），而且時(shí)隔25min后又發(fā)生一次（2.7級(jí)）。該沖擊區(qū)頂板砂巖厚達(dá)43m左右，為我國(guó)厚層砂巖頂板條件下發(fā)生沖擊地壓的典型。（四）開(kāi)灤礦務(wù)局唐山礦開(kāi)灤礦務(wù)局唐山礦的沖擊地壓大多發(fā)生在兩面或三面臨空的半島形或孤島形煤柱中，以及上層開(kāi)采遺留的殘柱下方的應(yīng)力傳遞區(qū)域。這種殘柱影響深度可達(dá)150m。在這些煤柱中掘進(jìn)回采巷道或進(jìn)行回采時(shí)發(fā)生沖擊地壓，以及位于這些煤柱下方的開(kāi)拓巷道（大巷、石門(mén)）受采動(dòng)影響也發(fā)生沖擊地壓。（五）徐州礦務(wù)局徐州礦務(wù)局主采下石盒子組、山西組、太原組煤層。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況較為復(fù)雜，煤層賦存條件為近水平、傾斜、急傾斜多種形式并存，且厚薄不一。特別是隨著可采煤層的逐步減少，各采區(qū)都在向復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶和深部延伸，因而給巷道和采場(chǎng)礦壓控制技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。例如，深部（軟巖）巷道支護(hù)技術(shù)和沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)防技術(shù)已面臨著較為嚴(yán)峻的形勢(shì)。徐州礦區(qū)原來(lái)被認(rèn)為不屬?zèng)_擊地壓威脅地區(qū)，由于采深增加和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響，使這一早已隱藏的危害被揭開(kāi)。自1991年以來(lái)，該局已發(fā)生較為嚴(yán)重的沖擊地壓事故近20次，造成多人傷亡，以及不同程度的巷道支護(hù)損壞。三河尖礦自1991年9月張集礦與三河尖礦同為“三硬”礦區(qū)，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。1994年8月到11月在9606綜采面共發(fā)生沖擊地壓事故3起。發(fā)生的地點(diǎn)比較集中，事故現(xiàn)場(chǎng)的特征基本相似，即發(fā)出巨大聲響，煤塵飛揚(yáng)，煤體突出且呈現(xiàn)粉末狀，沖擊波推倒大型物體，造成較大的人員傷亡。旗山礦與權(quán)臺(tái)礦同屬“三軟”礦井，傳統(tǒng)理論認(rèn)為不可能發(fā)生沖擊地壓，但事實(shí)上這兩個(gè)礦都曾發(fā)生了較為嚴(yán)重的沖擊地壓事故。（六）近幾年出現(xiàn)的沖擊地壓礦井近年來(lái)，我國(guó)東部大部分礦區(qū)的地下煤炭開(kāi)采也轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采，一些原來(lái)少見(jiàn)的沖擊地壓和礦井突水等災(zāi)害事故頻頻發(fā)生，這些現(xiàn)象在我國(guó)東部的大型現(xiàn)代化礦井尤為突出。例如，像兗州、新汶、大屯、徐州、淮南、淮北肥城等礦區(qū)，在采深不超過(guò)500m時(shí)從來(lái)沒(méi)發(fā)生過(guò)沖擊地壓事故，但采深超過(guò)500m后就出現(xiàn)了，并且隨著采深的增加，這種災(zāi)害起越來(lái)越嚴(yán)重，特別在被傳統(tǒng)理論認(rèn)為不可能發(fā)生沖擊地壓的“三軟”礦區(qū)（如徐州東部礦區(qū)）也發(fā)生了嚴(yán)重的沖擊地壓事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5年來(lái)，兗州、新汶、大屯、徐州四大現(xiàn)代化礦井累計(jì)發(fā)生二、我國(guó)沖擊地壓的顯現(xiàn)特點(diǎn)我國(guó)沖擊地壓除了突然性、瞬時(shí)震動(dòng)性和破壞性等顯現(xiàn)特征以外，從顯現(xiàn)情況和發(fā)生條件來(lái)看，具有以下特點(diǎn)：1．類(lèi)型多種多樣，災(zāi)害嚴(yán)重程度不同我國(guó)沖擊地壓一般表現(xiàn)為煤層沖擊，以破碎煤塊從煤壁拋出最為常見(jiàn)，也有極個(gè)別情況為上百立方米的煤整體滑移。我國(guó)煤礦也發(fā)生過(guò)頂板沖擊和底板沖擊。如房山礦發(fā)生一次沖擊地壓，底板突然鼓起并開(kāi)裂成5cm寬的裂縫。此外，我國(guó)有臺(tái)吉礦、大臺(tái)礦、八一礦、柴里礦及南桐一井等五個(gè)煤礦已發(fā)生43次典型的巖爆。各礦井沖擊地壓的強(qiáng)度、頻度、災(zāi)害程度、伴生災(zāi)害情況等差別很大。在統(tǒng)計(jì)的32個(gè)礦井中有24%的礦同時(shí)存在沖擊地壓及煤與瓦斯突出等兩種以上災(zāi)害。根據(jù)歷次沖擊地壓造成的人員傷亡與破壞生產(chǎn)情況以及當(dāng)前礦井的生產(chǎn)情況，可以將這32個(gè)礦井分為三類(lèi)四級(jí)，見(jiàn)表1-3。表1-3礦井沖擊災(zāi)害程度分級(jí)類(lèi)別礦井總數(shù)嚴(yán)重目前嚴(yán)重門(mén)頭溝、房山、大臺(tái)、龍風(fēng)、老虎臺(tái)、陶莊、唐山、天池、硯臺(tái)礦、臺(tái)吉礦、西安11曾經(jīng)嚴(yán)重勝利、城子2中等高德、五龍、營(yíng)城、長(zhǎng)溝峪、忻州窯、煤峪口、八一、五一、擂鼓、南桐一井10一般滴道、南山、鐵廠、牛心臺(tái)、木城澗、永定莊、柴里、花鼓山、冰溝92．發(fā)生條件極為復(fù)雜我國(guó)煤礦發(fā)生沖擊地壓的典型條件為：初始深度200～600m，煤的單向抗壓強(qiáng)度10～30MPa，頂板一般為厚10～40m的堅(jiān)硬砂巖，強(qiáng)度100～600MPa。然而，具體分析起來(lái)，我國(guó)沖擊地壓發(fā)生條件極為復(fù)雜。從自然地質(zhì)條件來(lái)看，除褐煤以外的各煤種都記錄到了沖擊現(xiàn)象，采深從200～800m，地質(zhì)構(gòu)造從極簡(jiǎn)單至極復(fù)雜，煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖等都發(fā)生過(guò)；從生產(chǎn)技術(shù)條件來(lái)看，水采、水砂充填、綜采、炮采、機(jī)采、手采等各種工藝，長(zhǎng)壁、短壁、巷柱、傾斜分層、水平分層、倒臺(tái)階、房柱式等各種方法都出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象。發(fā)展趨勢(shì)是礦井?dāng)?shù)量逐漸增多，災(zāi)害的危險(xiǎn)程度日趨嚴(yán)重1949年以前我國(guó)發(fā)生沖擊地壓的礦井只有12個(gè)，50年代增加為7個(gè)，60年代為12個(gè)，70年代為22個(gè)，截至1987年已猛增到35個(gè)，目前達(dá)70多個(gè)。而隨著開(kāi)采深度的增加、開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，近年來(lái)雖然采取了不少措施，但全國(guó)礦井?dāng)?shù)和總的沖擊次數(shù)并未減少?？梢?jiàn)，我國(guó)沖擊地壓的防治工作任務(wù)甚為艱巨，具有現(xiàn)實(shí)的迫切性和長(zhǎng)遠(yuǎn)的重大意義。三、我國(guó)沖擊地壓研究情況我國(guó)礦井的沖擊地壓從全局看，仍屬局部性災(zāi)害范疇。但其發(fā)展趨勢(shì)是嚴(yán)酷的。由于開(kāi)采深度及采掘范圍的擴(kuò)大，雖然采取了許多針對(duì)性措施，但沖擊地壓次數(shù)并未明顯降低。所以開(kāi)展沖擊地壓基本知識(shí)教育，加強(qiáng)沖擊地壓煤層安全生產(chǎn)管理，進(jìn)一步深入開(kāi)展沖擊地壓的預(yù)測(cè)和防治研究，仍是十分必要的。從20世紀(jì)60代開(kāi)始，一些沖擊地壓較嚴(yán)重的局礦，在生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)生產(chǎn)急需和可能條件，試驗(yàn)采取了一些防治措施，取得一定效果。近四十年來(lái)，隨著沖擊地壓災(zāi)害日趨嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)和防治工作得到煤炭部等各級(jí)主管部門(mén)的重視。投入資金引進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備、開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)防治。分別在天池、門(mén)頭溝、龍鳳、陶莊、唐山、房山等礦井，由科研與高校等單位參加，相繼開(kāi)展了有組織、有系統(tǒng)的科學(xué)研究工作，大大推動(dòng)了全國(guó)性煤礦沖擊地壓防治工作。與此同時(shí)，建立和健全各相關(guān)單位的沖擊地壓防治組織和管理機(jī)構(gòu)，沖擊地壓管理工作得到加強(qiáng)。1987年我國(guó)煤炭部正式頒布了《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》。標(biāo)志了我國(guó)煤礦沖擊地壓管理工作進(jìn)入有章可循的新階段。1．取得的研究成果據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦已經(jīng)試驗(yàn)或?qū)嵤┑臎_擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段有10多項(xiàng)，采取的治理措施也有10多項(xiàng)?？梢哉f(shuō)，世界各采礦國(guó)家現(xiàn)有的預(yù)測(cè)和防治措施，在我國(guó)大都得到不同程度的試驗(yàn)和應(yīng)用。而且在諸如綜合治理等方面已經(jīng)取得明顯效果。自20世紀(jì)70年代末以來(lái)，我國(guó)開(kāi)展了大量的沖擊地壓研究課題研究，通過(guò)專(zhuān)家鑒定，并在現(xiàn)場(chǎng)得到實(shí)施應(yīng)用。研究成果有的已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、大部分課題獲得省、市或部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。取得的主要研究成果有：1）沖擊地壓機(jī)理研究。已從沖擊地壓表面現(xiàn)象的觀察描述過(guò)渡到物理過(guò)程的揭示；從一般的理性認(rèn)識(shí)發(fā)展到對(duì)本構(gòu)關(guān)系的論證；進(jìn)而提出若干種機(jī)理假說(shuō)，其中沖擊地壓三準(zhǔn)則機(jī)理模型和變形系統(tǒng)失穩(wěn)模型具有一定的價(jià)值和特色。目前已經(jīng)能夠利用有關(guān)理論去解釋相應(yīng)的沖擊地壓現(xiàn)象，為預(yù)測(cè)和防治工作提供一定的理論基礎(chǔ)。2）煤層沖擊傾向試驗(yàn)研究。沖擊傾向試驗(yàn)是沖擊地壓預(yù)測(cè)的前提條件之一。其中彈性能指數(shù)WET、沖擊能指數(shù)KE和煤體動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT等三項(xiàng)指標(biāo)已列入《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》。3）鉆屑法的研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值分析，對(duì)鉆屑法的原理、鉆屑量組成、極限應(yīng)力、鉆孔擴(kuò)容等問(wèn)題進(jìn)行了研究。確定了沖擊地壓礦井的沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)，研制了專(zhuān)用配套機(jī)具。鉆屑法已在全國(guó)推廣應(yīng)用，是我國(guó)目前主要的預(yù)測(cè)方法之一。4）地音、微震、電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制和應(yīng)用。70年代研制的便攜式流動(dòng)地音儀已經(jīng)推廣應(yīng)用。80年代從波蘭引進(jìn)的SAK地音系統(tǒng)和SYLOK微震系統(tǒng)已在門(mén)頭溝、陶莊等礦安裝使用。此外還開(kāi)發(fā)了MAE地音裝置。近幾年，在多個(gè)礦區(qū)已成功使用電磁輻射監(jiān)測(cè)手段。5）煤層注水。已全面推廣應(yīng)用。6）煤層卸壓爆破。已全面推廣應(yīng)用。7）堅(jiān)硬頂板處理。使用了爆破及注水軟化等措施，有效地控制了大冒頂?shù)葲_擊地壓事故。8）水力割縫卸壓。已部分推廣應(yīng)用。2．研究單位及科研情況遼寧工程技術(shù)大學(xué)在沖擊地壓失穩(wěn)理論研究、礦井動(dòng)力現(xiàn)象區(qū)域預(yù)測(cè)、沖擊地壓監(jiān)測(cè)及防治等方面進(jìn)行了大量的研究工作，取得了很有價(jià)值的研究成果。特別是在用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)方面的研究成果已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，形成了具有特色的研究方向。遼寧工程技術(shù)大學(xué)相繼完成了國(guó)家“七五”、“八五”、“九五”攻關(guān)課題多項(xiàng)，與俄羅斯國(guó)家地質(zhì)力學(xué)與礦山測(cè)量研究院合作完成了“北票礦區(qū)地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃及巖體動(dòng)力現(xiàn)象預(yù)測(cè)和預(yù)防研究”等研究課題，取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。又先后在撫順礦務(wù)局、開(kāi)灤礦務(wù)局、平頂山煤業(yè)（集團(tuán)）公司等多個(gè)局礦開(kāi)展了沖擊地壓、煤與瓦斯突出和礦震等礦井動(dòng)力現(xiàn)象區(qū)域預(yù)測(cè)方面的研究工作，取得了明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。在雞西，遼源、淮北等礦區(qū)進(jìn)行了大量的沖擊傾向性測(cè)定和沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，卸壓爆破，鉆孔卸壓等解危措施研究及試驗(yàn)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)多年的科學(xué)研究和研究生培養(yǎng)，已經(jīng)形成了以教授、博士生導(dǎo)師為帶頭人的在沖擊地壓機(jī)理、預(yù)測(cè)及治理研究方面具有較高科研水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的研究隊(duì)伍。煤科總院北京開(kāi)采所在1981~1982年就開(kāi)展了“門(mén)頭溝煤礦二槽煤沖擊地壓防治與煤粉鉆孔法的試驗(yàn)研究”。在1984~1985年進(jìn)行了“地音與微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在門(mén)頭溝煤礦沖擊地壓防治中的應(yīng)用”，并進(jìn)行了煤的沖擊傾向研究。1986~1990年完成了國(guó)家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目“沖擊地壓預(yù)測(cè)與防治”。1987~1990年進(jìn)行了巖石沖擊傾向研究。1984年引進(jìn)了地音和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，1991年開(kāi)始了國(guó)產(chǎn)化的研究工作，1992年后研究出了地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)開(kāi)展“煤（巖）的沖擊傾向性試驗(yàn)研究”、“模糊綜合評(píng)判煤的沖擊傾向性的研究”、“巖石沖擊傾向性分類(lèi)及沖擊地壓預(yù)測(cè)的研究”等課題的綜合研究，于1987年主持制訂了煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“煤層沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法”，并于1998年對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，同時(shí)主持制訂了“巖石沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法”，是目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行煤巖沖擊傾向性鑒定的權(quán)威部門(mén)。多年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金、煤炭行業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃等的資助下，對(duì)含瓦斯煤巖的物理力學(xué)特性、含瓦斯煤巖流變破壞特性、煤與瓦斯突出的流變機(jī)理、單軸受載含瓦斯煤巖流變破壞電磁輻射特性、電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出等煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害技術(shù)及裝備方面進(jìn)行了大量的研究工作；提出了煤與瓦斯突出的“流變假說(shuō)”；提出了用電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)變化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的技術(shù)原理和方法；提出臨界值法和趨勢(shì)法兩種災(zāi)害危險(xiǎn)性識(shí)別方法；研制成功了具有非接觸、定向、連續(xù)、區(qū)域性監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)功能的KBD5礦用本安型煤與瓦斯突出（沖擊地壓）電磁輻射監(jiān)測(cè)儀，并進(jìn)行了成功的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了非接觸、定向及區(qū)域性（空間上）預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害。電磁輻射監(jiān)測(cè)儀在焦作礦務(wù)局、平頂山礦務(wù)局、邢臺(tái)礦務(wù)局、徐州礦務(wù)局和新汶礦務(wù)局已成功使用，且效果良好。此外，其它煤炭高校和科研單位、生產(chǎn)單位也都開(kāi)展了許多沖擊地壓研究項(xiàng)目，取得了較多的成果。近些年隨著新興學(xué)科的應(yīng)用，使沖擊地壓研究向非線性、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、信息化等方向發(fā)展。我國(guó)沖擊地壓總體研究處于國(guó)際先進(jìn)水平。四、國(guó)外沖擊地壓概況沖擊地壓是世界采礦業(yè)面臨的共同問(wèn)題。1738年英國(guó)在世界上首先報(bào)道了沖擊地壓現(xiàn)象。之后，前蘇聯(lián)、南非、德國(guó)、波蘭、美國(guó)、加拿大、日本、法國(guó)、印度、捷克、匈牙利、保加利亞、奧地利、新西蘭和安哥拉等都記錄了沖擊地壓。目前，有包括我國(guó)在內(nèi)的共18個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有沖擊地壓，這一事實(shí)表明，世界上幾乎所有采礦國(guó)家都不同程度地受到?jīng)_擊地壓的威脅。煤礦沖擊地壓最嚴(yán)重而且防治工作最有成效的國(guó)家是前蘇聯(lián)、波蘭和德國(guó)。（一）前蘇聯(lián)前蘇聯(lián)的沖擊地壓最早于1947年發(fā)生在吉謝羅夫礦區(qū)。目前共有9個(gè)礦區(qū)出現(xiàn)了沖擊地壓?jiǎn)栴}，1947～1970年共發(fā)生沖擊675次。發(fā)生沖擊地壓的一般條件是：初始深度為400～1860m，煤厚0.5～20m，在各種傾角、各個(gè)煤種（包括褐煤）中都記錄到?jīng)_擊地壓現(xiàn)象。多數(shù)情況下頂板為堅(jiān)硬砂巖，也有一些煤田是破碎頂板。開(kāi)采技術(shù)條件涉及到刀柱式或長(zhǎng)壁式等開(kāi)采方法；充填或垮落等頂板管理方法；整層或分層開(kāi)采情況。自1951年起，全蘇地質(zhì)力學(xué)及礦山測(cè)量研究院以及其他研究單位和高等院校等幾十個(gè)單位配合國(guó)家技術(shù)監(jiān)察部門(mén)與生產(chǎn)單位一起著手解決煤礦的沖擊地壓?jiǎn)栴}。經(jīng)過(guò)25年的努力，基本上形成了一整套防治沖擊地壓的組織管理系統(tǒng)，并制定了有關(guān)技術(shù)規(guī)程，發(fā)展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和預(yù)報(bào)方法，取得了良好效果，沖擊次數(shù)大為減少。1955～1977年沖擊危險(xiǎn)礦井?dāng)?shù)由8個(gè)增至36個(gè)，而年沖擊次數(shù)則由83次降至7次，1980年以后又降至5～6次。近年來(lái)發(fā)生的沖擊地壓是由于違反《在開(kāi)采有沖擊地壓傾向煤層的礦井采礦工作安全手冊(cè)》的規(guī)定所造成的。在前蘇聯(lián)金屬礦，沖擊地壓的頻度比煤礦要小得多，其主要形式為巖石彈射、震動(dòng)和微沖擊，主要發(fā)生在北烏拉爾鋁土礦等20余個(gè)礦山。開(kāi)始出現(xiàn)的深度為300～700m，主要巖石種類(lèi)為輝綠巖、正長(zhǎng)巖、花崗巖、凝灰?guī)r以及鐵礦石、鋁土礦石、銅礦石、鉀鹽礦石等，平均單向抗壓強(qiáng)度100～250MPa，最低25～30MPa。前蘇聯(lián)金屬礦防止沖擊地壓的基本措施原則上同煤礦的沒(méi)有差別。（二）波蘭波蘭有三個(gè)井工開(kāi)采煤田：上西里西亞、下西里西亞和魯布林。產(chǎn)量的98％來(lái)自上西里西亞煤田。該煤田中煤的強(qiáng)度為10～35MPa，煤厚0.5～20m（一般1.5～3.5m），傾角0°～45°（一般5°～15°），平均采深600m，頂板大都為堅(jiān)硬砂巖。長(zhǎng)壁工作面產(chǎn)量占99％，其中70％為垮落法開(kāi)采，其余為水砂充填。工作面平均長(zhǎng)150m，日產(chǎn)1300～1400t商品煤。機(jī)械化程度96.2％，其中綜采占83.沖擊地壓是波蘭煤礦重大災(zāi)害之一，最早記載于1958年。目前全國(guó)67個(gè)煤礦中36個(gè)有沖擊地壓危險(xiǎn)，產(chǎn)量占55％以上。目前開(kāi)采的400號(hào)、500號(hào)、600號(hào)、700號(hào)和800號(hào)煤層組中45％以上的煤層有沖擊地壓傾向，其中500號(hào)煤層組最為嚴(yán)重。開(kāi)始發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的平均采深約為400m，隨著采深的增加，沖擊地壓危險(xiǎn)越來(lái)越嚴(yán)重。沖擊地壓強(qiáng)度一般為105～109J，最大是1011J。1949～1982年，共發(fā)生破壞性沖擊地壓3097次，造成死亡401人，井巷破壞12萬(wàn)m。波蘭很重視沖擊地壓?jiǎn)栴}，早在60年代初期就著手大力開(kāi)展科學(xué)研究和防治工作。煤層的沖擊傾向?qū)嶒?yàn)室測(cè)定和井下測(cè)定是波蘭學(xué)者首先倡導(dǎo)并大力發(fā)展的。此外，在將巖體聲學(xué)以及地震法用于礦山?jīng)_擊危險(xiǎn)探測(cè)和監(jiān)測(cè)方面，居世界領(lǐng)先地位。由于采取綜合防治措施，保證了安全，促進(jìn)了生產(chǎn)。從戰(zhàn)后的1949年到現(xiàn)在，產(chǎn)量增加兩倍，沖擊地壓事故降低95%。（三）德國(guó)魯爾礦區(qū)是德國(guó)的主要產(chǎn)煤區(qū)，也是發(fā)生沖擊地壓的主要礦區(qū)。1910～1978年間共記載了危害性沖擊地壓283次，有沖擊傾向或危險(xiǎn)的煤層20余個(gè)，其中底克班克、陽(yáng)光和依達(dá)煤層具有最強(qiáng)的沖擊傾向，其抗壓強(qiáng)度10～20MPa，煤種為長(zhǎng)焰煤、氣煤和肥煤等。沖擊地壓發(fā)生深度590～1100m，其中850～1000m沖擊地壓數(shù)占75％左右，最大拋出量2000m3。發(fā)生沖擊地壓的煤厚為1～6m，其中主要為1.5～2m，傾角4°～44在德國(guó)，產(chǎn)生沖擊地壓的煤層頂板絕大部分是5～40m較厚的砂巖或其它堅(jiān)硬巖層，因而，認(rèn)為砂巖頂板是有沖擊地壓危險(xiǎn)煤層的主要標(biāo)志。德國(guó)是防治沖擊地壓較有成效的國(guó)家，其主要的工作基點(diǎn)在于實(shí)用。由德國(guó)所發(fā)展的鉆孔卸載法、鉆屑法以及其它方法在國(guó)際上享有較高聲譽(yù)。典型的沖擊地壓現(xiàn)象沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理沖擊傾向性鑒定彈性變形能沖擊地壓的巨大破壞性在于煤巖體瞬間釋放出大量的能量。從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)看，沖擊地壓的孕育和發(fā)生過(guò)程就是能量的積聚和突然釋放過(guò)程。為了說(shuō)明沖擊地壓這種現(xiàn)象，首先必須搞清彈性變形能的概念。地下巖體（包括煤體）處在復(fù)雜的和強(qiáng)大的自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和開(kāi)采的附加應(yīng)力場(chǎng)中。這樣，地下賦存的巖層和煤層，由于強(qiáng)大的應(yīng)力作用，必然導(dǎo)致其體積與形狀發(fā)生變化，即產(chǎn)生變形。這種變形是外力做功的結(jié)果。當(dāng)巖塊尚處于彈性狀態(tài)且變形不能解除時(shí)，外力做的功將以能量的形式儲(chǔ)存在巖體內(nèi)。這種由變形獲得的能量稱(chēng)為彈性變形能，也稱(chēng)為彈性位能，或簡(jiǎn)稱(chēng)為彈性能。因此，處于三向高應(yīng)力狀態(tài)下的地下巖體，可能儲(chǔ)存有大量的彈性能。由于在外力作用下巖體發(fā)生體積和形狀變化，所以巖體內(nèi)的彈性能分為由于體積變化和由于形狀變化而形成的彈性能，分別稱(chēng)為體變彈性能和形變彈性能。開(kāi)采活動(dòng)將改變?cè)瓗r的應(yīng)力狀態(tài)。一旦積聚的彈性能釋放出來(lái)，就會(huì)表現(xiàn)出一系列的礦山壓力現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)彈性能的力學(xué)分析，表明地下巖體中積聚的彈性能與應(yīng)力大小及煤巖體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。二、沖擊傾向煤層沖擊是沖擊地壓的最常見(jiàn)的顯現(xiàn)形式。因此煤的沖擊傾向是沖擊地壓機(jī)理研究的重要內(nèi)容之一。大量的沖擊地壓實(shí)例表明，同一礦井，在幾乎相同的自然地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件下，有些煤層發(fā)生沖擊地壓，有些則不發(fā)生。這就說(shuō)明發(fā)生沖擊地壓的煤體一般都具有一定的物理力學(xué)特性，決定其積聚能量并產(chǎn)生沖擊破壞的能力，這種能力可稱(chēng)之為沖擊傾向，是煤的固有屬性。圖2-1煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間煤層沖擊傾向鑒定，是進(jìn)行預(yù)測(cè)和治理的前提，也是管理工作的基礎(chǔ)。在地質(zhì)勘探階段，從勘探鉆孔取得煤芯，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤的沖擊傾向鑒定，其結(jié)果可作為礦井設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)，以便從開(kāi)采程序及方法、開(kāi)拓布置上采取措施，從根本上消除沖擊地壓的發(fā)生條件。在煤層開(kāi)采以后，通過(guò)進(jìn)一步的沖擊傾向鑒定工作，確定待采區(qū)的沖擊傾向級(jí)別，為生產(chǎn)、管理工作提供客觀的基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)。煤的沖擊傾向可以通過(guò)試驗(yàn)指標(biāo)加以度量。以下介紹三種較重要的指標(biāo)。煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間在常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)條件下，煤試件從極限強(qiáng)度到完全破壞所經(jīng)歷的瞬態(tài)延續(xù)時(shí)間稱(chēng)為煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間，見(jiàn)圖2-1。沖擊地壓之所以成為一種災(zāi)害，不僅在于煤體破壞釋放出的能量非常大，而目在于煤體沖擊破壞的過(guò)程短暫。顯然，破壞過(guò)程的長(zhǎng)短是能量積聚與耗散動(dòng)態(tài)特征的綜合反映。因此，煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間可以衡量沖擊傾向的程度。圖2-2斷裂速度的變化在一定條件下，煤樣的破壞時(shí)間取決于斷裂發(fā)展的速度。對(duì)巖塊斷裂機(jī)理的研究表明。巖石（包括煤）在壓縮下的脆性破裂分為三個(gè)階段，如圖2-2所示。圖2-3煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)1—材料試驗(yàn)機(jī)上加壓板；2—試件；3—載荷傳感器；4—試驗(yàn)機(jī)下加壓板；5—?jiǎng)討B(tài)應(yīng)變儀；6—模擬磁帶機(jī)；7—記憶示波器；8—X-Y函數(shù)記錄儀①?gòu)臄嗔验_(kāi)始出現(xiàn)到臨界能量釋放點(diǎn)，屬斷裂穩(wěn)定擴(kuò)展階段，斷裂速度從零開(kāi)始增大；②從臨界能量釋放到極限強(qiáng)度，屬斷裂不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，斷裂速度繼續(xù)增大并漸近于極限值VT，對(duì)于給定的介質(zhì)，VT為常值；③從極限強(qiáng)度到試件完全崩裂，屬斷裂的分叉與匯合階段，在普通試驗(yàn)機(jī)加載條件下，這一過(guò)程是在極高的速度下完成的。上述分析證明，在普通試驗(yàn)機(jī)加載條件下，脆性煤塊的破壞時(shí)間取決于斷裂分叉與匯合的速度，它反映了煤介質(zhì)的固有屬性。測(cè)試系統(tǒng)如圖2-3所示。試驗(yàn)方法與常規(guī)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同。在普通壓力試驗(yàn)機(jī)上，以加載速率控制方式對(duì)煤試件加載。加載速率取恒定值，約0.5～1.0MPa/S。利用載荷傳感器把試件所受的力變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大后，輸入模擬磁帶機(jī)進(jìn)行連續(xù)記錄至試件破壞、然后，用記憶示波器捕捉磁帶機(jī)回放過(guò)程中載荷信號(hào)的跌落過(guò)程。最后，測(cè)量載荷從峰值跌落回零的延續(xù)時(shí)間（以ms為測(cè)量單位），并用X—Y函數(shù)記錄儀繪制破壞過(guò)程中的載荷一時(shí)間曲線，便得到測(cè)量結(jié)果。圖2-4典型破壞過(guò)程曲線對(duì)我國(guó)和波蘭沖擊地壓情況不同的11個(gè)煤層，用共1070個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)的典型破壞過(guò)程曲線見(jiàn)圖2-4，可以看出，煤的沖擊傾向不同，它們?cè)跇O限強(qiáng)度后的斷裂不穩(wěn)定擴(kuò)展形式也不相同。強(qiáng)烈沖擊傾向的煤，斷裂擴(kuò)展異常迅速，試件急速喪失承載能力；中等沖擊傾向的煤，結(jié)構(gòu)失效和材料失效的階段分界比較明顯，試件首先經(jīng)歷較慢的承載能力降低的過(guò)程，以后才很快失去抵抗能力；無(wú)沖擊傾向的煤，斷裂擴(kuò)展比較緩慢，承載能力的降低呈現(xiàn)多次臺(tái)階式的發(fā)展過(guò)程，殘余強(qiáng)度表現(xiàn)明顯。這6種煤樣的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2-1。試驗(yàn)表明，所測(cè)11種煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT服從以下鑒定判據(jù)：DT≤50ms沖擊傾向強(qiáng)烈50＜DT≤500ms沖擊傾向中等DT＞500ms無(wú)沖擊傾向表2-1煤層DT試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)別取樣煤層的沖擊地壓顯現(xiàn)情況DT試驗(yàn)結(jié)果ms試件數(shù)量1強(qiáng)度和頻度均高（中國(guó)）35342強(qiáng)度和頻段均高（波蘭）14233強(qiáng)度和頻度均高（波蘭）11254強(qiáng)度較低（中國(guó)）254315強(qiáng)度較低（波蘭〕423396無(wú)沖擊礦井顯現(xiàn)（中國(guó)）250420DT作為煤的沖擊傾向鑒別指標(biāo)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①綜合反映了煤在加載系統(tǒng)作用下，能量變換的全過(guò)程，突出表現(xiàn)了煤的破壞動(dòng)態(tài)特點(diǎn)；②在一定范圍內(nèi)，不受加載速度、試驗(yàn)機(jī)剛度和試樣強(qiáng)度的影響，反映了煤的固有沖擊傾向?qū)傩?；③?duì)沖擊傾向敏感，沖擊傾向不同的煤，其DT有量級(jí)差別，便于分級(jí)；④試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，便于采用先進(jìn)的量測(cè)系統(tǒng)。2．彈性能指數(shù)WET彈性能指數(shù)WET是單位體積的煤破壞前在受力過(guò)程中所儲(chǔ)存的彈性變形能與消耗的能量的比值。顯然，煤受力后所消耗的能量越少，而儲(chǔ)存的能量越多。它發(fā)生沖擊地壓的可能性越大。因此，彈性能指數(shù)的大小反映了煤層的沖擊傾向性。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按WET對(duì)煤層沖擊傾向進(jìn)行鑒別的指標(biāo)如下:圖2-5彈性能指數(shù)WET≥5煤層具有強(qiáng)烈沖擊傾向2≤WET＜5煤層具有較弱沖擊傾向WET＜2煤層不具有沖擊傾向彈性能指數(shù)的具體測(cè)定方法如下：首先，對(duì)煤層進(jìn)行地質(zhì)分析，把煤層分成若干分層，對(duì)每個(gè)分層分別取樣、抽樣測(cè)定一批煤樣的極限強(qiáng)度平均值；然后在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，當(dāng)載荷加到強(qiáng)度的75％～85％時(shí)卸載。作出試塊的加載、卸載應(yīng)力—應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖2-5。卸載曲線下的面積A1代表試件儲(chǔ)存的變形能，而加載曲線和卸載曲線包圍的面積A2代表加載過(guò)程中試塊所消耗的能量。因此用下式求出WET：對(duì)整個(gè)煤層按分層厚度為權(quán)，進(jìn)行加權(quán)平均：（2-1）式中、、、……、—分別為整個(gè)煤層、第一分層、第二分層、……、第n分層的彈性能指數(shù)；M1、M2、……、Mn—分別為整個(gè)煤層、第一分層、第二分層、……、第n分層的厚度。彈性能指數(shù)WET是波蘭在50年代首先提出來(lái)的鑒別沖擊傾向指標(biāo)。目前，在波蘭、法國(guó)、日本等國(guó)家得到一定程度的推廣。我國(guó)和波蘭部分煤層的典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表2-2。表2-2煤層彈性能試驗(yàn)參數(shù)類(lèi)別取樣煤層沖擊地壓情況彈性能指數(shù)WET全應(yīng)力應(yīng)變曲線特征參量沖擊傾向Ⅱ類(lèi)曲線沖擊能系數(shù)K1強(qiáng)度和頻度均高（中國(guó)）5.20～9.56有8.3強(qiáng)烈2強(qiáng)度和頻段均高（波蘭）7.51～10.75有11.3～34.6強(qiáng)烈4強(qiáng)度較低（中國(guó)）2.42～2.70無(wú)3.0中等5強(qiáng)度較低（波蘭）2.53～3.16無(wú)3.5中等6無(wú)沖擊礦井顯現(xiàn)（中國(guó)）1.90～2.05無(wú)1.3無(wú)應(yīng)該指出，彈性能指數(shù)僅涉及煤塊在加載過(guò)程中儲(chǔ)存變形能的能力，沒(méi)有反映煤在破壞階段的能量釋放與消耗的特點(diǎn)。此外，煤塊的彈性能指數(shù)的測(cè)定存在一定困難，不夠方便和準(zhǔn)確。3．全應(yīng)力—應(yīng)變曲線單向壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線是研究煤巖材料變形破壞性質(zhì)的方便工具。包括從開(kāi)始加載到徹底破裂全部變形范圍的這種曲線稱(chēng)為單向壓縮全應(yīng)力—應(yīng)變曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)為全應(yīng)力—應(yīng)變曲線。圖2-6煤的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線煤屬于脆性材料，其典型的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2-6所示。圖中曲線OA段為壓密階段，AB段為彈性階段，BC為破裂發(fā)展階段．C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為煤的強(qiáng)度極限，又稱(chēng)為峰值強(qiáng)度。由此OAB又稱(chēng)為峰前特性曲線，而CD段相應(yīng)地稱(chēng)為峰后特性曲線、在CD段，材料抵抗載荷的能力隨著變形的增加而減少。D點(diǎn)稱(chēng)為完全破壞點(diǎn)，該點(diǎn)所保持的某一較小的應(yīng)力值稱(chēng)為殘余強(qiáng)度。由于這時(shí)試件已散裂，所以殘余強(qiáng)度反映了破裂碎塊之間的摩擦所產(chǎn)生的應(yīng)力。在討論煤的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線時(shí)，通常對(duì)“破壞”和“破裂”賦以不同的含義。破裂用來(lái)表示材料某一斷面的內(nèi)聚力喪失；而破壞則是材料抵抗載荷的能力不斷降低的連續(xù)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程從圖2-6中C點(diǎn)開(kāi)始，到D點(diǎn)結(jié)束。圖2-7兩類(lèi)全應(yīng)力—應(yīng)變曲線試驗(yàn)機(jī)剛度對(duì)全應(yīng)力—應(yīng)變曲線的特性有很大影響。試驗(yàn)機(jī)的剛度定義為力的變化量和相應(yīng)的工作臺(tái)位移的比值。利用普通試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行煤的單向壓縮試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)機(jī)剛度較小，在試件產(chǎn)生變形和積聚一定變形能的同時(shí)，試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)也相應(yīng)產(chǎn)生變形和積聚一部分變形能。如果試驗(yàn)機(jī)的剛度遠(yuǎn)小于試件的剛度，則在應(yīng)力超過(guò)試件的極限強(qiáng)度以后，隨著試件破裂的迅速發(fā)展抵抗載荷的能力降低，試驗(yàn)機(jī)的變形能就會(huì)通過(guò)試塊迅速地釋放，使試件出現(xiàn)炸裂式破壞、因此，為了得到全應(yīng)力—應(yīng)變曲線，就要使用剛性試驗(yàn)機(jī)或電液伺服控制試驗(yàn)機(jī)。圖2-8典型的實(shí)測(cè)全應(yīng)力—應(yīng)變曲線A0，A1—未注水樣；A4—注水樣；B—未注水弱沖擊傾向樣；C—無(wú)沖擊傾向樣研究表明，巖石（包括煤）的峰后特性可以分成兩類(lèi)（圖2-7）。I類(lèi)屬破裂穩(wěn)定傳播特性，在試件最大承載能力被超過(guò)以后，外力仍需做功以使試件進(jìn)一步破壞，使其承載能力進(jìn)一步降低；Ⅱ類(lèi)屬破裂非穩(wěn)定傳播特性，在試件最大承載能力剛被超過(guò)的瞬間，試件所積蓄的能量足夠保持裂隙的生長(zhǎng)并使其擴(kuò)展至整個(gè)試件。兩類(lèi)試件的分界線為圖（2-7）中的垂線CD。它代表所積蓄的能恰好能造成試件完全破壞這樣一種情況。因此，全應(yīng)力—應(yīng)變曲線的類(lèi)型能夠反映煤的沖擊傾向性能。為了定量地表達(dá)沖擊傾向的強(qiáng)弱，可以從I類(lèi)曲線中取峰值強(qiáng)度前后的面積之比作為鑒別指標(biāo)，見(jiàn)圖2-6，稱(chēng)為沖擊能系數(shù)K，它直觀地反映了蓄能和耗能情況。面積A代表試件在加載過(guò)程中所積蓄的能量，面積B是試件破壞過(guò)程中耗損的能量。顯然，如果煤的破壞所需要的能量越多，而它破壞時(shí)所消耗的能量越少，則這種煤越容易發(fā)生沖擊地壓。對(duì)實(shí)際沖擊地壓情況不同的煤層所進(jìn)行的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2-2，典型的曲線見(jiàn)圖2-8。根據(jù)這些試驗(yàn)所得出的鑒定判據(jù)如下：具有Ⅱ類(lèi)形狀峰后特性的煤或K≥5沖擊傾向強(qiáng)烈1.5≤K＜5沖擊傾向中等K＜1.5無(wú)沖擊傾向利用煤的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線反映煤的沖擊傾向有以下優(yōu)點(diǎn)：①全應(yīng)力—應(yīng)變曲線包含有關(guān)沖擊傾向的豐富信息，直觀和全面地反映了從蓄能到耗能的全部過(guò)程，對(duì)于揭示沖擊傾向的物理本質(zhì)具有重要意義。②在伺服控制試驗(yàn)條件下，各種煤樣盡管峰前特性或多或少具有相似之處，但峰后特性卻全然不同，明顯地反映了不同的破壞特點(diǎn)。③井下采場(chǎng)附近煤體具有結(jié)構(gòu)弱面，在不同程度上受到了支承壓力等的破壞，因此，試塊試驗(yàn)結(jié)果的峰后特性更接近于實(shí)際情況。其缺點(diǎn)是需要特殊的試驗(yàn)裝置，受應(yīng)變速率等因素影響較大，因此它的實(shí)用性受到一定的限制。上述三種鑒定煤的沖擊傾向的指標(biāo)均來(lái)自實(shí)驗(yàn)室，且僅涉及單向壓縮試驗(yàn)條件。今后的研究方向是探索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法和指標(biāo)，研究三向應(yīng)力狀態(tài)對(duì)沖擊傾向的影響。除了煤層可能具有沖擊傾向外，巖石也有沖擊傾向問(wèn)題。實(shí)際上，在發(fā)生嚴(yán)重沖擊地壓的地點(diǎn)，頂板往往是又厚又硬。為了標(biāo)定頂板的特性，從沖擊地壓防治的觀點(diǎn)加以分類(lèi)，已提出了一些指標(biāo)，其中最簡(jiǎn)單的是（2-2）式中Wf——頂板彈性能指數(shù)；n——從煤層垂直向上30m內(nèi)的分層數(shù)；W1、…、Wn——從底層算起，各分層厚（按m計(jì)）與該層權(quán)的乘積。權(quán)值，對(duì)砂巖、石灰?guī)r取2.0；對(duì)粉砂巖、泥巖、頁(yè)巖和煤取1.0。若算出的指數(shù)Wf為40～60，則頂板中累積的彈性能可能很大，這種頂板需要在工作面前方預(yù)先使其破裂，以避免發(fā)生嚴(yán)重的沖擊地壓；當(dāng)Wf為20～40時(shí)，則累積的能量不太大；如Wf在20以下，說(shuō)明頂板松軟易碎，不會(huì)產(chǎn)生沖擊地壓。機(jī)理研究概述沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的研究始于南非對(duì)金屬礦巖爆問(wèn)題的研究。早期的沖擊地壓強(qiáng)度理論，基于當(dāng)時(shí)的力學(xué)水平和實(shí)際觀測(cè)，主要著眼于煤巖體的破壞原因，認(rèn)為當(dāng)井巷和采場(chǎng)周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力達(dá)到煤巖極限強(qiáng)度時(shí)，巖層發(fā)生突然破壞，形成沖擊地壓。在強(qiáng)度理論指導(dǎo)下，采取的降低應(yīng)力集中措施，促進(jìn)了沖擊地壓的防治工作。然而，實(shí)際上井巷和采場(chǎng)周?chē)簬r體經(jīng)常出現(xiàn)局部超過(guò)其強(qiáng)度的現(xiàn)象，但并不發(fā)生沖擊地壓。這說(shuō)明應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度，只是煤巖開(kāi)始破壞的條件，而不是沖擊破壞的條件。60年代中期，庫(kù)克等在總結(jié)南非防治沖擊地壓經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)沖擊地壓發(fā)生時(shí)引起的地震和破壞，并猛烈拋出巖石等動(dòng)力現(xiàn)象的事實(shí)，認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓需要大量能量。而且這樣大的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被破壞巖體原儲(chǔ)存的變形能，所以圍巖必然也參與釋放能量。他們提出了隨著采掘范圍的不斷擴(kuò)大，“礦體－圍巖”系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時(shí)所釋放的能量大于消耗的能量時(shí)就發(fā)生沖擊地壓的理論。由于是從能量轉(zhuǎn)換角度建立的沖擊地壓發(fā)生理論，所以稱(chēng)能量理論。能量理論為沖擊地壓防治提出了采取降低“礦體－圍巖”系統(tǒng)破壞時(shí)所釋放的能量和增加消耗的能量，以避免或減緩沖擊地壓危害的新途徑。不過(guò)能量理論雖然說(shuō)明了沖擊地壓是在“礦體－圍巖”系統(tǒng)力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時(shí)，釋放的能量大于消耗的能量時(shí)發(fā)生，但沒(méi)有說(shuō)明力學(xué)平衡狀態(tài)的性質(zhì)及其破壞的條件，特別是圍巖釋放能量的條件，所以也是不夠完善的。剛性試驗(yàn)機(jī)問(wèn)世以后，庫(kù)克等根據(jù)用普通試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)時(shí)試件猛烈破壞，而用剛性試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)時(shí)則破壞并不猛烈，且可以得到應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，追其原因是試驗(yàn)機(jī)的剛度大于試件的剛度。把礦柱與圍巖的關(guān)系比擬為試件與試驗(yàn)機(jī)的關(guān)系，把礦柱中發(fā)生的沖擊地壓解釋為圍巖的剛度小于礦柱的剛度。70年代布萊克將其普遍化，并用于分析沖擊地壓?jiǎn)栴}，把礦體視為礦山結(jié)構(gòu)，把圍巖視為礦山負(fù)荷系統(tǒng)，提出了礦山結(jié)構(gòu)的剛度大于礦山負(fù)荷系統(tǒng)的剛度是產(chǎn)生沖擊地壓的必要條件。1984年佩圖霍夫在他提出的沖擊地壓發(fā)生理論中也引入了剛度條件，但他把礦山結(jié)構(gòu)的剛度明確為達(dá)到極限強(qiáng)度后的應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段的剛度。這種理論稱(chēng)剛度理論。事實(shí)上，這只是沖擊地壓發(fā)生的必要條件，還要有充分條件，而布萊克并沒(méi)有說(shuō)明。沖擊地壓的發(fā)生不僅與外部條件有關(guān)，而且與煤巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，以尋求一種或一組指標(biāo)來(lái)衡量煤巖介質(zhì)產(chǎn)生沖擊式破壞的能力。這種能力稱(chēng)之為沖擊傾向，是煤巖介質(zhì)的固有屬性，產(chǎn)生沖擊地壓的內(nèi)在因素，因此稱(chēng)其為沖擊傾向理論。基于上述理論的局限性，而后提出把不同理論的判別準(zhǔn)則組合在一起作為沖擊地壓發(fā)生理論的所謂組合理論。國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在這方面進(jìn)行過(guò)嘗試。例如強(qiáng)度理論缺乏沖擊地壓發(fā)生的充分條件，能量理論缺乏必要條件。把它們組合在一起可以互相補(bǔ)充，并視強(qiáng)度準(zhǔn)則為煤巖的破壞準(zhǔn)則，是沖擊地壓發(fā)生的必要條件；視能量準(zhǔn)則和沖擊傾向度準(zhǔn)則為煤巖突然破壞準(zhǔn)則，是沖擊地壓發(fā)生的充分條件。根據(jù)已揭示的煤巖變形破壞機(jī)理，礦體承受的應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度即開(kāi)始破壞。在“礦體－圍巖”組成的系統(tǒng)無(wú)外力做功的條件下，礦體與圍巖相互作用。由于礦體應(yīng)力已超過(guò)強(qiáng)度，其承載能力隨變形增大而降低，導(dǎo)致圍巖卸載和釋放能量。當(dāng)釋放能量大于所消耗的能量時(shí)，破壞過(guò)程將加速進(jìn)行，直至發(fā)生沖擊式破壞，即形成沖擊地壓。隨著剛性試驗(yàn)機(jī)和伺服控制試驗(yàn)機(jī)等現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)煤巖變形破壞機(jī)理有了更多的了解，認(rèn)識(shí)到煤巖的突然破壞是破裂的失穩(wěn)形式。1983年以后，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者把沖擊地壓視為力學(xué)的失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行論述，從煤巖破壞機(jī)理出發(fā)，提出沖擊地壓失穩(wěn)理論。認(rèn)為采掘造成應(yīng)力集中，部分煤巖體因進(jìn)入極限強(qiáng)度后變形而具有應(yīng)變軟化性質(zhì)。其周?chē)簬r體因尚未進(jìn)入極限強(qiáng)度后變形，力學(xué)性質(zhì)還不具有應(yīng)變軟化性質(zhì)，導(dǎo)致原來(lái)的煤巖系統(tǒng)變成由兩種不同性質(zhì)介質(zhì)組成的新系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在外界擾動(dòng)下將發(fā)生失穩(wěn)破壞。當(dāng)失穩(wěn)過(guò)程中系統(tǒng)釋放的能量大于消耗的能量時(shí)，多余的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而引起沖擊地壓。從煤巖破裂角度看，進(jìn)入強(qiáng)度后期的煤巖已開(kāi)始出現(xiàn)宏觀裂隙，當(dāng)系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，裂縫發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所消耗的能量時(shí)，發(fā)生沖擊地壓。第三節(jié)沖擊地壓發(fā)生的判別準(zhǔn)則沖擊地壓發(fā)生理論主要包括沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理和發(fā)生的判別準(zhǔn)則。前者指沖擊地壓發(fā)生的物理過(guò)程，后者是發(fā)生的充分及必要條件?；凇暗V體一圍巖”系統(tǒng)的力學(xué)平衡狀態(tài)破壞而釋放能量的認(rèn)識(shí)，本節(jié)根據(jù)國(guó)內(nèi)外沖擊地壓研究中傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論和近期提出的從能量積聚釋放形成沖擊的理論，著重介紹強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向理論和失穩(wěn)理論，并給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。一、強(qiáng)度理論從力學(xué)觀點(diǎn)看，沖擊地壓機(jī)理研究中，首先關(guān)注的是煤巖體的強(qiáng)度問(wèn)題，并逐步形成強(qiáng)度理論。早期的強(qiáng)度理論主要是圍繞巖體形成應(yīng)力集中的原因而提出多種假說(shuō)。近代的強(qiáng)度理論則主要著眼于“礦體－圍巖”力學(xué)系統(tǒng)極限平衡條件的分析推斷，并開(kāi)始用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行具體的定量分析。具有代表性的是“夾持”煤體理論。認(rèn)為煤體處于頂?shù)装鍔A持之中，夾持特性決定了“煤體圍巖”系統(tǒng)的力學(xué)特性。在煤體夾持帶不僅產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中和儲(chǔ)存相當(dāng)高的彈性能。而且高壓帶和高彈性能積聚區(qū)就位于煤壁附近，且承載能力儲(chǔ)備小。因此，只要煤體載荷稍有增加，就可能導(dǎo)致煤體破裂。其破裂形式取決于釋放的類(lèi)型和強(qiáng)度。如果應(yīng)力大小足以釀成一次沖擊地壓，則被壓縮的煤體將產(chǎn)生沖擊式加速破壞。這時(shí)煤體中原有的結(jié)構(gòu)弱面處或新破裂面處的強(qiáng)度急劇下降，煤體作為一個(gè)內(nèi)部具有一定破裂的整體，沖擊式地拋入巷道。若煤體夾持力不高，則煤體破裂和釋放能量通常并不能導(dǎo)致煤體強(qiáng)度大幅度下降。這時(shí)煤體破裂帶隨著煤壁變形、片幫而不斷擴(kuò)大，或是破裂帶擴(kuò)展而發(fā)生劈裂聲或微沖擊。由于井下煤巖體除了承受深度壓力和支承壓力作用外，還存在由于地質(zhì)構(gòu)造作用引起的構(gòu)造應(yīng)力和其它應(yīng)力。而且由于“煤體－圍巖”系統(tǒng)處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，內(nèi)部存在弱面，所以煤巖體的承載能力應(yīng)是煤體－圍巖系統(tǒng)的強(qiáng)度。只要外載大于承載能力，就會(huì)發(fā)生破壞。導(dǎo)致巖體破壞的決定因素，不是應(yīng)力本身，而是它與巖體強(qiáng)度的比值。當(dāng)煤巖應(yīng)力等于或大于煤巖系統(tǒng)的強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞。因此發(fā)生沖擊地壓的強(qiáng)度條件或強(qiáng)度判據(jù)為：（2-3）沖擊地壓的形成主要取決于煤巖體產(chǎn)生沖擊式破壞的能力，也就是力學(xué)中的儲(chǔ)能或脆性破壞的能力。關(guān)于沖擊地壓發(fā)生理論存在許多不同見(jiàn)解。主要有能量理論、剛度理論，沖擊傾向理論和失穩(wěn)理論。二、能量理論能量理論認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓需要大量能量，不僅礦體釋放能量，圍巖也釋放能量。提出隨著采掘范圍的不斷擴(kuò)大，“礦體－圍巖”系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時(shí)，可釋放的能量大于消耗的能量時(shí)就產(chǎn)生沖擊地壓?？紤]到發(fā)生沖擊地壓能量轉(zhuǎn)換的不均勻性和時(shí)間效應(yīng)，礦體和圍巖儲(chǔ)存的能量應(yīng)乘以釋放系數(shù)，以單位時(shí)間的能量釋放和消耗作為判據(jù)：（2-4）式中：WE——圍巖儲(chǔ)存的能量；WS——礦體儲(chǔ)存的能量；α——圍巖釋放能量有效系數(shù)；β——礦體釋放能量有效系數(shù)；Wd——消耗于“礦體－圍巖”交界處和礦體破壞阻力的能量。三、沖擊傾向理論沖擊傾向理論是基于發(fā)生沖擊地壓的煤巖介質(zhì)都有一定的力學(xué)特性，具有產(chǎn)生沖擊式破壞的能力——沖擊傾向。采用相應(yīng)的指標(biāo)或指標(biāo)組來(lái)度量介質(zhì)的沖擊傾向稱(chēng)沖擊傾向度。產(chǎn)生沖擊地壓的沖擊傾向判據(jù)是介質(zhì)實(shí)際的沖擊傾向度KE大于規(guī)定的極限值KE*，即（2-5）關(guān)于沖擊傾向的指標(biāo)很多，主要的有彈性能指數(shù)WET、沖擊能指數(shù)KE、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT等。其中彈性能指數(shù)WET應(yīng)用較廣。它是在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，加載至強(qiáng)度的70％～80％后卸載至零，然后根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線用圖形積分法求出彈性變形能與塑性變形能之比，即彈性能指數(shù)。并規(guī)定WET≥5屬?lài)?yán)重沖擊傾向，WET在2～5之間屬中等沖擊傾向；WET<2屬無(wú)沖擊傾向。四、組合理論組合理論是把強(qiáng)度理論、能量理論的判據(jù)以及把煤巖沖擊傾向指數(shù)是否達(dá)到極限值作為沖擊傾向度判據(jù)，組成了新的沖擊地壓判據(jù)：（2-6）式中：f1——采掘造成的附加應(yīng)力；f2——地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力；f3——巖層自重應(yīng)力；f4——其它應(yīng)力（瓦斯壓力、裂隙水壓力、溫度壓力等）；f5——煤體－圍巖交界處的應(yīng)力；KE——煤巖沖擊傾向指數(shù)；KE*——煤巖沖擊傾向指數(shù)極限值；σ*——煤體－圍巖系統(tǒng)的極限強(qiáng)度；式中①為強(qiáng)度條件，②③為突然破壞條件。三個(gè)條件同時(shí)滿足，才是產(chǎn)生沖擊地壓的充分必要條件。五、失穩(wěn)理論失穩(wěn)理論認(rèn)為煤巖變形系統(tǒng)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性質(zhì)是沖擊地壓發(fā)生與否的先決條件。如果系統(tǒng)狀態(tài)是非穩(wěn)定的，則可能失穩(wěn)而發(fā)生沖擊地壓，否則不會(huì)發(fā)生。因此，變形系統(tǒng)的平衡狀態(tài)非穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，就成了沖擊地壓可能發(fā)生的判別準(zhǔn)則。通常采用狄里希銳準(zhǔn)則，認(rèn)為系統(tǒng)的勢(shì)能有極值，若是極小值，則系統(tǒng)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。進(jìn)而得出，系統(tǒng)勢(shì)能的極值不是極小值，則平衡狀態(tài)是非穩(wěn)定的，在微小擾動(dòng)下將發(fā)生失穩(wěn)，它構(gòu)成沖擊地壓發(fā)生的必要條件。當(dāng)系統(tǒng)失穩(wěn)釋放的能量遠(yuǎn)大于消耗的能量時(shí)，才能有多余的能量轉(zhuǎn)化為拋出煤塊的動(dòng)能和地震能，它構(gòu)成沖擊地壓發(fā)生的充分條件，兩者共同組成沖擊地壓發(fā)生的失穩(wěn)理論判別準(zhǔn)則。如果滿足了必要條件，而沒(méi)有滿足充分條件，則只發(fā)生輕微的震動(dòng)現(xiàn)象，即礦井下經(jīng)常發(fā)生的微震現(xiàn)象。按彈塑性理論，變形系統(tǒng)勢(shì)能包括變形勢(shì)能和外力勢(shì)能，根據(jù)變分原理，勢(shì)能泛函（）的一次變分等于零，泛函的二次變分（）不大于零，則極值不是極小值，即有（2-7）（2-8）式（2-7）是變形系統(tǒng)的平衡條件，如上述是滿足的。式（2-8）才是變形系統(tǒng)平衡狀態(tài)非穩(wěn)定判別準(zhǔn)則，也是沖擊地壓發(fā)生的必要條件和數(shù)學(xué)描述。由于煤巖變形系統(tǒng)由兩部分組成，總勢(shì)能是兩部分的和。一般情況下應(yīng)變和剛度均是張量，所以用矩陣表示，把式（2-8）變?yōu)椋海?-9）式中、分別表示未進(jìn)入和已進(jìn)入極限強(qiáng)度后變形的煤巖（圍巖和裂隙區(qū)）體積；、分別表示該兩部分煤巖體的變形本構(gòu)方程；為應(yīng)變矩陣?？梢赃\(yùn)用變形體力學(xué)，采用數(shù)值計(jì)算方法求得煤巖體應(yīng)變場(chǎng)，再代入上式，可對(duì)具體條件下煤巖體能否發(fā)生沖擊地壓進(jìn)行判別。顯然，要使式（2-9）二項(xiàng)之和小于零，其中必有一項(xiàng)為負(fù)，且絕對(duì)值大于另一項(xiàng)，即必有一部分煤巖體進(jìn)入極限強(qiáng)度后變形，呈應(yīng)變軟化性質(zhì)。由于它和應(yīng)變?cè)隽康钠椒接嘘P(guān)，故而變形勢(shì)能的正負(fù)完全取決于剛度矩陣。而只有呈應(yīng)變軟化性質(zhì)的介質(zhì)剛度矩陣是負(fù)的，所以一部分煤巖體應(yīng)力必須超過(guò)極限強(qiáng)度，且進(jìn)入極限強(qiáng)度后變形的煤巖達(dá)到一定數(shù)量，才能使系統(tǒng)平衡狀態(tài)成為非穩(wěn)定的。沖擊地壓的影響因素我國(guó)煤礦沖擊地壓具有的突出特點(diǎn)：（1）沖擊類(lèi)型多種多樣：我國(guó)煤礦沖擊地壓一般表現(xiàn)為煤爆。在臺(tái)吉礦、大臺(tái)礦等部分煤礦以及金屬礦、鐵路和水電工程隧道中發(fā)生了巖爆現(xiàn)象。在煤礦，沖擊地壓以煤層沖擊最常見(jiàn)，也有頂板沖擊和底板沖擊。房山礦發(fā)生了底板突然鼓起并開(kāi)裂形成5cm寬裂縫的底板沖擊。在煤層沖擊中多數(shù)表現(xiàn)為破碎煤塊從煤壁拋出，也有極個(gè)別情況表現(xiàn)為數(shù)十立方米的礦體整體滑動(dòng)沖擊。（2）發(fā)生條件極為復(fù)雜：統(tǒng)而論之，我國(guó)煤礦發(fā)生沖擊地壓的典型條件為：開(kāi)始發(fā)生沖擊地壓的始發(fā)深度200～600m，煤的單軸抗壓強(qiáng)度10～30MPa，煤層厚度2～4m，頂板一般為厚10～40m的堅(jiān)硬砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度130～190MPa，在島形或半島形煤柱以及向斜軸部，斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶沖擊危險(xiǎn)性更大。我國(guó)已發(fā)生沖擊地壓的實(shí)際條件極為復(fù)雜。在自然條件上，除褐煤以外的各煤種都記錄到?jīng)_擊現(xiàn)象，采深從200～1000m，地質(zhì)構(gòu)造從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，煤層從薄層到特厚層，煤層傾角從水采到急傾斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖等都發(fā)生了沖擊地壓；從生產(chǎn)技術(shù)條件上看，不論水采、早采，各種采煤方法都出現(xiàn)了沖擊地壓現(xiàn)象。（3）發(fā)展趨勢(shì)漸趨嚴(yán)重：我國(guó)煤礦發(fā)生沖擊地壓的礦井?dāng)?shù)量逐年增多，災(zāi)害程度逐漸嚴(yán)重。隨著開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，近年來(lái)，雖然采取了不少措施，但沖擊地壓次數(shù)并未明顯減少。根據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，共發(fā)生破壞性沖擊地壓2000余次，傷亡幾百人，破壞生產(chǎn)巷道近20km。沖擊地壓危害主要是沖擊波和強(qiáng)烈震動(dòng)，造成冒頂、片幫、支架折損、堵塞巷道、摧毀設(shè)施、人員碰傷和窒息、生產(chǎn)被迫停頓。陶莊礦發(fā)生的3.8級(jí)沖擊地壓屬我國(guó)沖擊強(qiáng)度最高震級(jí)；門(mén)頭溝礦1985年3月至5月平均月沖擊160次，屬我國(guó)沖擊頻度最高記錄；城子礦一次沖擊地壓傷亡34人，屬我國(guó)沖擊地壓造成傷亡最慘重者。隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)的發(fā)展，礦井開(kāi)采深度增加，伴隨而來(lái)的是沖擊地壓造成的災(zāi)害必將日趨嚴(yán)重。所以有必要探討發(fā)生沖擊地壓的影響因素，以便有針對(duì)性地采取預(yù)測(cè)和預(yù)防措施。第一節(jié)自然地質(zhì)條件我國(guó)主要礦井發(fā)生沖擊的臨界深度為200～700m國(guó)外，特別是前蘇聯(lián)發(fā)生沖擊地壓礦井的自然地質(zhì)條件與我國(guó)差不多。煤層由緩傾斜煤層到急傾斜煤層，厚度由薄煤層到特厚煤層（15～20m），煤種由煙煤到褐煤都發(fā)生了沖擊地壓。波蘭煤礦的沖擊地壓始發(fā)深度為200m，發(fā)生沖擊地壓最多的是4～8m厚的煤層，厚度小于1m的煤層未發(fā)生過(guò)沖擊地壓。煤層堅(jiān)硬且暗煤占優(yōu)勢(shì)，包含大量暗煤，亮暗煤成分組成的煤層沖擊性最強(qiáng)。煤層老頂是厚層砂巖或其它堅(jiān)硬巖層，底板也是堅(jiān)硬巖層，地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶曲）對(duì)沖擊地壓有影響，在向斜軸部和斷層下盤(pán)易發(fā)生沖擊地壓。德國(guó)煤礦沖擊地壓的始發(fā)深度為300～400m，主要發(fā)生在厚度1～6m的緩傾斜煤層中，且大多數(shù)發(fā)生在地質(zhì)破壞少的區(qū)域。煤層頂?shù)装褰^大多數(shù)是厚層砂巖或其它堅(jiān)硬巖層。他們進(jìn)行的系統(tǒng)分析后認(rèn)為，煤層發(fā)生沖擊地壓的條件是：煤層的開(kāi)采深度至少250m，頂?shù)装迨呛駥訄?jiān)硬巖層；頂板能彎曲、快速傳遞應(yīng)力，造成煤壁附近高度應(yīng)力集中；煤層與頂?shù)装謇喂陶辰Y(jié)，超過(guò)這個(gè)粘結(jié)阻力煤層開(kāi)始移動(dòng)。但這種移動(dòng)要引起沖擊地壓還必須滿足以下條件：煤層強(qiáng)度和煤層與預(yù)底板相互粘結(jié)力的突然迅速降低或起潤(rùn)滑劑作用的物質(zhì)增加或軟弱夾層的存在以及煤層具有積蓄大量彈性能的性質(zhì)。法國(guó)普羅旺斯礦在厚度2.5m的褐煤層中發(fā)生了沖擊地壓，煤層頂?shù)装寰鶠楹穸鴪?jiān)硬的石灰?guī)r。美國(guó)煤礦開(kāi)采深度不大就發(fā)生沖擊地壓，主要根源可能是采用房柱式開(kāi)采法遺留的煤柱和殘柱區(qū)。但自然地質(zhì)條件仍具有煤層是緩傾斜，厚度4.7統(tǒng)觀國(guó)內(nèi)外沖擊地壓影響因素，主要的自然地質(zhì)因素有：煤層性質(zhì)：包括煤的沖擊傾向、煤的強(qiáng)度、彈性和脆性等力學(xué)性質(zhì)；煤的厚度、埋藏深度以及煤的含水率、孔隙度、煤層結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)。煤層頂?shù)装逍再|(zhì)：賦存的堅(jiān)硬巖層的厚度、強(qiáng)度、沖擊傾向與煤層的粘結(jié)程度等。地質(zhì)構(gòu)造：褶曲構(gòu)造（向斜、背斜）和斷裂構(gòu)造（斷層、節(jié)理）情況，局部地應(yīng)力異常，煤層厚度和傾角的突然變化等。1．煤（巖）性質(zhì)煤（巖）的物理力學(xué)性質(zhì)是發(fā)生沖擊地壓的內(nèi)因。煤巖的彈性、脆性和沖擊傾向是關(guān)鍵因素。一方面能把發(fā)生沖擊地壓所需的大量能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，另一方面又能發(fā)生脆性破壞，并瞬間釋放彈性能。我國(guó)主要沖擊地壓礦井的煤層力學(xué)性質(zhì)如表3-1所示。表3-1典型沖擊地壓煤層力學(xué)性質(zhì)礦井煤層抗壓強(qiáng)度MPa堅(jiān)固性系數(shù)f彈性模量MPa泊松比脆性北京門(mén)頭溝二槽29.73.090000.21五槽25.32.566000.32七槽19.32.082000.29撫順礦務(wù)局三分層12.9～13.81.32300～25000.31～0.42極脆四分層11.18～17.751.52600～51000.26～0.48脆五分層13.0～21.431.83000～35000.26～0.31較脆棗莊陶莊礦二層15.6～20.31.5～2.056000.35開(kāi)灤唐山礦八層22.42.278000.29沖擊地壓發(fā)生的必要條件是積聚較多的彈性能，所以彈性大、脆性大是沖擊危險(xiǎn)煤層的基本特征。沉積巖具有孔隙多，裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，因而能夠吸收水分。煤巖一經(jīng)濕潤(rùn)，減弱了內(nèi)部顆粒間的粘結(jié)力，增加了塑性，改變了原來(lái)的彈性性質(zhì)。因此煤巖含水量增加，沖擊危險(xiǎn)就減少。圖3-1彈性變形指數(shù)煤厚對(duì)發(fā)生沖擊地壓也有影響。據(jù)波蘭1952～1957年的統(tǒng)計(jì)資料，厚4～6m的煤層比在厚l～2m的發(fā)生沖擊地壓的次數(shù)大6倍。不過(guò)其中也有采煤方法等因素的影響。我國(guó)撫順礦區(qū)的煤層特別厚，雖然頂板為幾百米的油頁(yè)巖、綠色頁(yè)巖和松軟的沖積層等軟巖層，也同樣發(fā)生沖擊地壓。縱觀國(guó)內(nèi)外發(fā)生沖擊地壓的煤層物理力學(xué)性質(zhì)，其共同特征是：煤質(zhì)脆而硬，天然含水率低（1％～3％），單軸抗壓強(qiáng)度σc=10～30MPa，一般高于20MPa，彈性模量E＝（2～9）×103MPa，一般大于3×103MPa，泊松比（橫向變形系數(shù)）μ=0.2～0.3，粘結(jié)力C=3～8MPa，內(nèi)摩擦角φ=35°～40°，孔隙率n＝5％～10％。然而對(duì)于發(fā)生沖擊地壓的最重要的力學(xué)性質(zhì)，是在其受壓破壞前的全部變形中的彈性變形部分所占比重很大，而塑性變形少（如圖3-1）。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤層，在其破壞前全部變形中，彈性變形占總變形的50％～80％，而無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn)的煤層則只占20％～50％。有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤層還表現(xiàn)出強(qiáng)烈的脆性，即在破壞前主要為彈性變形，它可以在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后沒(méi)有明顯塑性變形的跡象而突然破壞。根據(jù)斷裂力學(xué)原理，煤巖材料中存在裂隙和封閉應(yīng)力是其固有特征。在低靜水壓力下裂隙可能是張開(kāi)的，并有朝著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展的趨勢(shì)。在裂隙尖端前方出現(xiàn)壓縮和拉伸兩個(gè)區(qū)域，其中拉伸應(yīng)力將使裂隙張開(kāi)和傳播。所以盡管邊界力為壓縮力，在裂隙尖端的前方仍然能夠產(chǎn)生拉應(yīng)力，使裂隙在拉伸區(qū)傳播并逐漸轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向。由于裂隙的密集并合發(fā)展形成宏觀裂隙，當(dāng)滿足了裂隙擴(kuò)展條件（應(yīng)力大于煤巖強(qiáng)度的應(yīng)力條件和裂隙擴(kuò)展釋放率不小于裂隙擴(kuò)展能量消耗率的能量條件）時(shí)，煤巖體可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。在靠工作面的煤層邊緣部位，處于支承壓力作用之下，由于有沖擊地壓危險(xiǎn)煤層的彈性變形大，便積累起大量的彈性變形能，特別是處于支承壓力峰值區(qū)的煤層仍處于三向受壓狀態(tài)，積累的彈性能更大，要求恢復(fù)受壓狀態(tài)前的趨勢(shì)也更強(qiáng)。一旦外側(cè)巷道或采場(chǎng)附近進(jìn)行采掘或爆破，就使處于三向受力狀態(tài)而且應(yīng)力早已超過(guò)其強(qiáng)度并積蓄了大量彈性變形位能的煤層，借以本身的彈性恢復(fù)力量，迅速地使位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能發(fā)生沖擊式的脆性破壞，并伴隨聲響和震動(dòng)。煤層具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓的必要條件。大量的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，發(fā)生沖擊地壓的煤層具有突然破壞并瞬間釋放大量彈性變形能的能力，而且各類(lèi)煤層的儲(chǔ)能和發(fā)生突然破壞的能力是不同的。往往同一礦井，甚至同一采區(qū)，在幾乎相同的自然地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件下，有的煤層發(fā)生沖擊地壓，有的不發(fā)生。這種煤的沖擊傾向是煤的固有屬性，是受強(qiáng)度超過(guò)后的動(dòng)力破壞過(guò)程中，能夠積蓄和突然釋放彈性變形能的巖相學(xué)結(jié)構(gòu)控制的。2．圍巖性質(zhì)圍巖性質(zhì)主要是頂板巖性和厚度及其在煤層開(kāi)采后的可冒性，是影響沖擊地壓的重要因素。特別對(duì)老頂是厚層砂巖或其它堅(jiān)硬巖層，底板也是堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)的沖擊危險(xiǎn)煤層更具沖擊危險(xiǎn)性。厚層堅(jiān)硬頂板的懸露下沉首先表現(xiàn)為煤層的緩慢加壓或壓縮，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后可以集中在一天或幾天的突然下沉，載荷極快上升達(dá)到很大的值。在懸露面積很大時(shí)，不僅本身彎曲積蓄變形能，而且在附近地層中（特別是老頂折斷處）形成支承壓力。當(dāng)老頂折斷時(shí)還會(huì)造成附加載荷，并傳遞到煤層上，通過(guò)煤層破壞釋放變形能（包括位能），產(chǎn)生強(qiáng)烈的巖層震動(dòng)引起沖擊地壓，而且底板也參與沖擊地壓的顯現(xiàn)。我國(guó)煤礦大多數(shù)沖擊地壓礦井的煤層頂板都十分堅(jiān)硬，偽項(xiàng)或直接頂較薄甚至沒(méi)有。典型頂板特征列于表3-2中。北京礦務(wù)局門(mén)頭溝礦和房山礦、大同礦務(wù)局忻州窯礦、棗莊礦務(wù)局陶莊礦等礦井的煤層都具有十分堅(jiān)硬的厚層砂巖頂板，采后形成大面積懸頂板，是發(fā)生沖擊地壓的典型頂板條件。門(mén)頭溝礦根據(jù)頂板等厚線圖，綜合大量沖擊地壓統(tǒng)計(jì)材料所作的分析表明，砂巖老頂厚度從5m到25m均有沖擊地壓發(fā)生，但從趨勢(shì)上看，絕大部分發(fā)生在5～20m厚度內(nèi)，而且在此范圍內(nèi)沖擊次數(shù)隨砂巖厚度增加而減少。說(shuō)明發(fā)生沖擊地壓的頂板厚度有個(gè)范圍，小于下限厚度或大于上限厚度都不易形成沖擊。其原因可能是厚度太小，頂板隨采隨冒，難于形成較高的應(yīng)力集中；厚度過(guò)大，盡管開(kāi)采后可以形成大面積懸頂，但在一定條件下（例如刀柱支撐）頂板巖層的能量積蓄和釋放條件差，也不易形成沖擊地壓。大同忻州窯礦沖擊地壓事故發(fā)生區(qū)的頂板大部分為厚層整體砂巖，從已發(fā)生的35次沖擊地壓區(qū)段的頂板來(lái)看，其中粗粒砂巖的20次，占57％，細(xì)砂巖頂板的10次，占28.6表3-2頂板巖石物理力學(xué)特性礦井頂板巖層種類(lèi)厚度（m）單向抗壓強(qiáng)度（MPa）彈性模量（104MPa）冒落性超前支承壓力影響范圍天池礦長(zhǎng)興灰?guī)r2201485.2~6.8難冒20門(mén)頭溝礦中粒石英砂巖10~20130~1906.1~6.8難冒20~30陶莊礦中粒石英砂巖10~401304.3難冒30~40龍鳳礦油母頁(yè)巖100~2002003.6~4.5較難15~20唐山礦砂巖441371.84000冒落25~30房山礦4槽煤細(xì)砂巖20~301746.4~6.9難冒3015槽煤礫巖52005~7.7難冒忻州窯礦中粒砂巖10~1580~1604.0難冒60圖3-2煤體移動(dòng)造成粉煤帶和破碎帶棗莊礦務(wù)局對(duì)177次破壞性沖擊地壓的觀測(cè)研究表明，90％以上的沖擊地壓發(fā)生在采場(chǎng)支承壓力帶，而發(fā)生時(shí)間多在工作面來(lái)壓期間。表明頂板中積蓄的變形能通過(guò)煤層破壞以動(dòng)能形式釋放參于沖擊的特性。當(dāng)頂板巖梁將要折斷時(shí)，應(yīng)力將在巖梁斷裂處集中，當(dāng)巖梁完全折斷后，應(yīng)力又突然下降。此時(shí)最易發(fā)生沖擊地壓。對(duì)沖擊地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，頂板留下明顯的擦痕，在頂板和煤層的接觸面上有數(shù)米至數(shù)十米范圍的粉末煤呈透鏡狀分布（如圖3-2）。證明了頂?shù)装鍔A持下煤層移動(dòng)的事實(shí)。圖3-3為兩個(gè)工作面頂板下沉量與沖擊地