[培训]目前我国煤矿冲击地压灾害研究现状及展望

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1、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。Petukhov4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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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手段使用该手段的矿井个数矿压观测法68钻屑法70顶板动态仪31钻孔应力计47电磁辐射法38地音法9微震法392.3 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

8、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

9、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”

10、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

11、，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

12、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使用该手段的矿井个数区域防范方法21主动解危方法55加强支护方法

13、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

14、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

15、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。（4）冲击地压防治被动，缺乏精细化研究 由于人们对冲击地压认识程度的不足及相关监管法规的不完善，

16、几乎所有矿井都是出现了冲击地压显现症状，才开始着手防治，因此能从根本上避免或降低冲击地压灾害的区域性防范措施欠缺。 局部性解危措施时，往往做完防冲专项设计，就一成不变，不再优化，甚至不研究该措施的适用条件，而有的措施是双刃剑，不科学就适得其反19。已经有几座矿井因为发生冲击地压而全矿停产，因此笔者认为，此类矿井不再是以生产为主的矿井，而是边研究边生产。 （5）冲击地压矿井技术管理不够成熟 在冲击地压矿井技术管理方面，大的方面：所要求的生产能力与灾害防治要求矛盾，即超能力生产；小的方面：存在人的不安全行为（包括领导的不安全指挥），例如采掘集中作业，多头扩修等。 （6）行业安全监管部门技术力量薄弱

17、 屡次冲击地压包括煤与瓦斯突出事故表明，目前我国煤炭行业监管部门也存在很多问题，尤其是对技术人才，技术水平的不重视，各级监管部门到了煤矿现场在事故发生前没有指出隐患或者不具备技术力量去监察隐患，主要做的工作是检查应该有什么，矿井是否有，至于到什么精度，实现什么效果一般难以监管，出了事故后，便有现成的法规对照，因此常常是事后的以罚代管。 （7） 冲击地压相关法律法规不健全? 我国目前的冲击地压规程还是原煤炭工业部 年制定的冲击地压规程，已不适应当今冲击地压矿井防治及生产的需要，亟需制定新的冲击地压规范以及相关法律法规。?3.2 下一步工作（1）重视基础概念、理论研究，目前我国对冲击地压的认识多数

18、还是引进波兰、德国的认识，比如“冲击地压”、“岩爆”“冲击倾向性”等名字都是外来词，国内这么多年一直忙于防治，而没有新的深入的认识。应该将冲击地压事件过程进行剖析，机理研究向防治延伸，从冲击地压发生原理角度开发预警设备、防治方法。（2）目前的冲击地压区域预评价方法，例如综合指数法、数量化理论等多依靠经验人为打分，钻屑法、应力计等为点测量，不能实现区域性实测评价，今后应开展基于集中静载荷的现场区域性实测技术，例如地震波CT技术是发展方向。（3）冲击地压监测预警模式设计分源、空间层次化，对冲击地压启动的内因：集中静载荷采用岩石力学方法监测预警，外因：集中动载荷采用地球物理方法进行监测预警。尤其是对

19、于集中动载荷型冲击地压的监测预警，由于其发生需要两种载荷源同时作用，地球物理方法，尤其是微震监测系统能够对井区岩层宏观运动作出监测，通过其监测到的事件密集区要及时视为局部监测的目标。除了以上监测预警技术方面发展趋势外，监测设备本身精度的提高也是必须的。目前有关冲击地压监测预警的手段也不少，还有新的手段在不断推出，层出不穷。但实际上现有手段研究还没有结束，修正算法，降低误差，提高精度是首要工作。（4）在冲击地压防治方面，目前深部开采冲击地压发生既有集中静载荷型，也有集中动载荷型；浅部开采冲击地压多数为集中动载荷型。目前面临的巨大难题，一是对于深部开采区冲击地压如何进行防治方法相互匹配，如何实现能

20、量置换或消化“量化研究”，即精细化研究需要手段；二是对于集中动载荷型冲击地压或者高位赋存巨厚坚硬岩层的矿井，明明知道巨厚坚硬顶板是主导隐患，但是目前没有技术能解决。今后需要研究高效、方便的坚硬巨厚顶板预裂或切割技术。4 结语言毕，作者根据自己所做过的研究结合自身在冲击地压防治实践过程的思考与实践，总结出冲击地压防治的3个理念如下：影响冲击地压发生的因素有几十种，并且煤矿开采最大的特点就是条件一直在变，没有绝对相同的开采条件，也就没有绝对成熟的防冲技术可以复制，抓住载荷源进行监测与处理以不变应万变，才能沉着应对冲击地压灾害，将使得冲击地压“复杂问题简单化”，这是防冲第1理念。能量是守恒的，此消彼

21、长，因此冲击地压防治，针对载荷源宜疏不宜堵，“疏”是防冲的第2理念。冲击地压监测手段有待改进，但防治方法不一定就需要创新，一成不变的防治方案是不能防冲的，边研究边设计才是科学可靠的防治思路，因此“精细化”研究是防冲的第3理念。 参考文献1潘俊锋，宁宇，杜涛涛，等.区域大范围防范冲击地压的理论与体系J.煤炭学报，2012，37（11）:1803-1810.2蓝航，齐庆新，潘俊锋，等. 我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析J. 煤炭科学技术，2011，39(1)：1115，65:437-446.4 Petukhov I M，Linkov A M.The theory of post-failure

22、deformations and the problem of stability in rock mechanicsJ . Int J Rock Mech Min Sci & Geomech Abstr，1979，16:57-76.5李玉生.冲击地压机理及其初步应用J中国矿业学院学报，1985，3:41-43.6章梦涛.冲击地压失稳理论与数值计算J岩石力学与工程学报，1987，6(3)：197-204.7齐庆新，史元伟，刘天泉.冲击地压粘滑失稳机理的实验研究J煤炭学报，1997，22(2):144-147.8潘一山.冲击地压发生和破坏过程研究博士学位论文D.北京:清华大学，1999:25-5

23、0.9赵阳升，冯增朝，常宗旭试论岩体动力破坏的最小能量原理J岩石力学与工程学报，2002，(21):1931-1933.10潘立友，蒋宇静，李兴伟，等.煤层冲击地压的扩容理论J岩石力学与工程学报，2002，21（S2）：2301-2303.11姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等深采煤层巷道平动式冲击失稳三维模型研究J岩石力学与工程学报，2005，24(16):2864-286912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):1605-16

24、09.14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)：586596.17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）：1-518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.