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第 41 卷第 6 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 41No. 6 2013 年6 月 Coal Science and TechnologyJune2013 冲击地压防治关键理论与技术分析 姜福兴， 魏全德， 姚顺利， 王存文， 曲效成 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京100013 摘要 基于 50 多个煤矿的防冲实践总结， 介绍了 13 个冲击地压治理的关键理论和相关技术， 并重 点阐述冲击地压治理的成套体系中的开采前危险性评价、 开采设计方案优化、 开采前危险区的防冲预 处理、 开采过程中监测预警、 开采过程中的危险区解危、 解危效果检验、 工作面安全管理、 防治经验总 结等 8 个重要环节， 并提出在实践方面需要建立防冲的组织体系、 技术体系、 管理体系和闭环式的工 作流程， 且在技术方面需做到在冲击地压危险区进行 “强卸压、 强监测和强防护” 的防冲技术。 关键词 冲击地压; 矿震; 冲击地压防治理论; 冲击地压防治技术; 监测预警 中图分类号 TD324文献标志码 A 文章编号 0253 2336 2013 06 0006 04 Key Theory and Technical Analysis on Mine Pressure Bumping Prevention and Control JIANG Fu- xing， WEI Quan- de， YAO Shun- li， WANG Cun- wen， QU Xiao- cheng School of Civil and Environment Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing100083， China Abstract Based on the practice sammarization of the mine pressure bumping prevention and control in over 50 mines， the paper introduced the key theory of 13 mine pressure bumping control and the related technologies The paper stated the eight important links of the risk - uation before the coal mining operation， optimization of the mining design plan， the pre treatment of the mine pressure bumping prevention in the risk zone before the coal mining operation， monitoring and early warning during the coal mining process， danger relieving of the risk zone during the mining process， inspection of the danger relieving effect， safety management of the coal mining face and prevention and control experience summarization in the completed set system of the mine pressure bumping control The paper provided the organization system， technical system， management system， closed loop working process to be established in the mine pressure bumping prevention and control from a view of the practices A mine pressure bumping prevention technology with enhanced pressure releasing， enhanced monitoring and measuring and enhanced prevention should be conducted in the mine pressure bumping danger zone Key wordsmine pressure bumping; mine seismic; mine pressure bumping prevention and control theory; mine pressure bumping preven- tion and control technology; monitoring and early warning 收稿日期 2013 02 11; 责任编辑 杨正凯 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51274022， 51174016 ; 国家重点基础研究发展计划 973 计划资助项目 2010CB226803 作者简介 姜福兴 1962 ， 男， 江苏常州人， 教授， 博士生导师， 博士。E mail jiangfuxing1163. com 引用格式 姜福兴， 魏全德， 姚顺利， 等 冲击地压防治关键理论与技术分析J 煤炭科学技术， 2013， 41 6 6 9 0引言 根据 2012 年国家煤矿生产安全监察局组织的 调研结果显示， 截至 2012 年 6 月， 我国发生冲击地 压灾害的国有煤矿 142 个， 主要分布在山东、 河南、 黑龙江、 辽宁、 甘肃、 湖南、 河北、 新疆、 江苏等省区， 其中， 山东省约占总数的 1/31 4 。2011 年以来， 我 国发生了重大冲击地压事故 20 多起， 造成 200 多人 伤亡， 摧毁巷道数千米， 严重影响了安全生产， 随着 开采深度的快速增加， 冲击地压灾害呈现“矿井数 量增长越来越快、 灾害程度越来越严重” 的不良局 面 4 6 。总体来看， 我国煤矿冲击地压灾害防治的 水平和效果极不平衡， 有些省份和企业已经建立了 成套防冲技术和管理体系， 冲击地压灾害基本达到 了可控的状态， 而有些省份和企业尽管发生严重的 冲击 地 压 灾 害， 但 没 有 建 立 起 有 效 的 防 控 体 系 7 10 。按照煤矿冲击地压防冲现状， 可以将煤矿 分为 3 类 第一类是冲击地压显现矿井， 即曾经发 6 DOI10.13199/j.cst.2013.06.12.jiangfx.008 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 姜福兴等 冲击地压防治关键理论与技术分析2013 年第 6 期 生冲击灾害、 已经构建防冲体系、 基本找到防冲方法 的矿井 如山东能源集团华丰、 古城等煤矿 。这类 矿井防冲的重点为稳定产量的前提下， 密切关注开 采条件变化而引起的冲击地压危险的不确定性。 第二类是临界冲击矿井， 即经常发生煤炮或小冲击、 没有构建防冲体系、 冲击机理不清、 防冲重视程度不 够的矿井。第三类是老矿井与小矿井， 即虽有冲 击危险性， 但由于经济条件和技术力量的限制， 难以 开展系统的治理工作。基于此， 笔者根据我国煤矿 冲击地压的发展现状， 结合我国煤矿冲击地压理论 技术等实际水平， 分析了冲击地压防治关键理论与 技术， 以期达到有效防治冲击地压的目的。 1冲击地压防治的关键理论 冲击地压防治难度大的重要原因是未从理论上 全面揭示冲击地压发生的地层与开采结构特征、 冲 击地压发生机理模型、 冲击地压治理机理模型、 冲击 地压监测预警模型和开采条件与防冲措施匹配模 型， 理论研究不足导致防治技术的盲目性。一种倾 向是采用所有防冲措施， 导致效率低下、 成本增加; 另一种倾向是不可治理论， 不治理或简单应付， 导致 生产环境十分危险。综合近年来冲击地压防治理论 的新进展， 提出以下冲击地压防治关键理论。 1 明确“矿震与冲击地压” 的关系。尽管矿震 与冲击地压的定义已经出现很长时间， 但是， 基于灾 害控制的需要， 正确区分“矿震与冲击地压” 现象， 是治理矿井动力灾害的前提。矿震是指矿区范围 内有震感的动力现象， 引起矿震的 4 个主要原因为 厚层坚硬岩层断裂与运动、 构造活化、 矿柱破裂和采 动围岩大范围运动; 冲击地压是指采场与巷道周 围的灾害性动力现象; 矿震与冲击地压的关系是 矿震能够诱发冲击地压、 强烈的冲击地压能够引起 矿震; 微震是指采动引起岩体破坏时产生的动力 现象。由上述定义可知， 治理原发性矿震是很困难 的， 而治理 “采场与巷道周围的灾害性动力现象” 即 冲击地压， 是可实现的。正确区分灾害性质后， 可以 确定正确的开采设计、 卸压措施和监测预警措施。 2 采用“上覆岩层的空间结构理论” 进行动力 灾害区域预测。进入深部开采后， 决定采场周围应 力分布的采场上覆岩层范围， 已经远超出了工作面 直接顶和基本顶的范畴， 需要采用“上覆岩层的空 间结构理论” ， 研究相邻采场的影响、 多层结构运动 引起的多次冲击和矿震、 采空区一次“见方” 和多重 “见方” 等阶段引起的冲击地压等。 3 采用“水平应力突变理论” 预测矿震及其诱 发型冲击地压。当顶板中存在坚硬厚岩层时， 容易 发生矿震及其诱发的冲击地压灾害， 而这类灾害的 预测是比较困难的 11 13 。基于厚层坚硬岩层中水 平应力突变、 水平应力超过岩层强度作为判据， 可以 估计矿震发生的位置。通过在兖矿集团南屯、 鲍店 等煤矿进行试验， 具有较好的实用价值。矿震诱发 冲击地压的主要原因是关键岩层中水平应力突变引 起围岩中垂直应力突变。根据矿震诱发冲击地压的 力学机理， 可以对矿震发生的位置和强度进行预测， 并圈定动力灾害危险区， 采用关键部位断顶和在煤 层中打大直径卸压孔等措施， 防止“震冲” 型动力 灾害的发生。 4 采用“动静应力场理论” 进行工作面巷道 的合理布置和评价冲击危险区。有些矿井是沿空巷 道发生冲击地压， 有些矿井是实体煤中的巷道发生 冲击地压， 有些矿井是沿空和实体煤巷道都发生冲 击地压， 其主要原因为如果沿空巷道处于相邻采空 区运动着的岩层结构影响区， 则该工作面开采扰动 与该岩层结构运动叠加后， 形成巨大的“交变动应 力场” ， 从而引起冲击， 因此， 合理的巷道煤柱宽度 避开该动应力场 是防冲的关键参数。相邻采空 区上方的高位岩层能够将地层压力传递到很远的侧 向煤体上， 而且该应力场几乎不随该工作面的开采 而变化， 因此， 称之为“静应力场” 。如果巷道开口 位置的应力达到了冲击临界值， 则在该区域中布置 的巷道将存在冲击危险。由此可见， 冲击地压煤矿 区段煤柱宽度和工作面斜长决定了巷道的冲击危险 性。对于两条巷道均发生冲击地压的最典型的布置 参数为采深大于 600 m， 区段煤柱宽度 10 20 m， 工 作面斜长 70 130 m， 煤层或顶板具有冲击倾向性。 5 采用“构造应力与采动应力耦合理论” 预测 区域性动力灾害。大量动力灾害是与断层、 褶曲和 相变构造相关的， 而且是由采动应力“触发” 的。因 此， 地质探查是防冲的重要基础工作。 6 采用“膨胀冲击理论” 指导厚及特厚煤层防 冲设计。在冲击地压治理领域， 厚及特厚煤层、 高瓦 斯煤层和软煤层冲击地压评估和治理理论还处于起 步阶段， 大量观测表明， 厚及特厚煤层破裂后， 体积 膨胀产生了 “应力均化和应力集中” 现象， 这是造成 7 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2013 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术 第 41 卷 大体积、 大范围冲击的重要原因 如义马煤田冲击 地压影响范围达到500 多 m 。根据研究， 如果采用 大直径钻孔煤层卸压， 则厚及特厚煤层的卸压钻孔 孔间距 D 2/ 4h ， 其中 为塌孔程度系 数， 1; 为卸压孔直径， m; h 为煤层厚度， m; 为煤层的有效卸压应变率。 7 底板的“屈曲冲击理论” 与防止底板冲击的 卸压设计。底板冲击大致分为 2 大类 岩石底板的 屈曲失稳冲击和厚底煤的剪胀型冲击。对应的防止 底板冲击的卸压措施有 2 条 提前切断底板， 即缩 小底板宽度， 提前释放应力; 两帮深孔卸压， 相当 于扩大了底板宽度， 增加底板的挠度， 把冲击变形转 化为柔性变形。断底和两帮深孔卸压参数及方式需 要结合具体采深、 煤厚、 底板等情况进行专项设计。 8 采用“应力三向化防冲理论” 确定卸压孔的 合理深度。通过煤帮深孔大直径钻孔卸压或小药量 爆破卸压， 将煤帮附近的高应力向深部转移， 深部煤 体处于三向应力状态， 其三向抗压强度是煤帮附近 单向状态的 2 3 倍， 人为造成巷道围岩附近的低应 力圈， 实现围岩始终处于“低密度低强度” 状态， 而其外围是三向应力状态煤体上的高应力区。这种 防冲理论称为 “应力三向化防冲理论” ， 结合煤体强 度和厚度、 采深， 可以确定卸压孔的合理深度。 9 采用“当量采深理论” 判断煤柱型采场或煤 柱本身的冲击危险性。近年来发生了多起埋深小于 500 m 的煤层冲击地压事故， 其中 断层煤柱、 孤岛 工作面、 上 下 山煤柱、 大巷煤柱占了很大比例， 尤 其是终采线附近的联络巷和硐室， 该类型冲击地压 事故在 2012 年发生了 6 起。这些煤柱上的应力非 常高， 折算成开采深度后， 相当于当量采深达到了发 生冲击地压的临界值。例如， 煤层埋深 500 m， 但是 煤柱上的应力集中系数达到 2， 则其当量采深达到 了 1 000 m， 应该按照 1 000 m 采深来评价其冲击危 险性。 10 采用 “区域性应力转移理论” 判断深部条带 开采区域的冲击危险性。如果一次冲击影响范围超 过 300 m， 则一般属于区域性应力转移的结果。典 型的开采条件为条带开采时剩余条带的开采 连续 开采到第 2 个条带以上 、 特厚煤层放顶煤开采、 巨 厚坚硬岩层覆盖、 大型构造 断层、 褶曲、 相变等 应 力控制区域。如果这些条件组合在一起， 动力显现 就更加复杂。华东地区村庄和水体压煤严重， 很多 煤矿采用条带开采设计， 边搬迁、 边开采， 导致井下 开采顺序混乱， 应力分布复杂， 最后开采的条带冲击 危险性明显增高， 容易发生“区域性应力转移” 导致 大范围、 高强度的冲击地压。 11 采用 “防冲卸压与大变形平衡控制理论” 确 定卸压程度与巷道支护的协调关系。冲击危险区卸 压后， 围岩和支护体受到不同程度的破坏， 必须加强 支护， 防止出现围岩大变形和震动“晃倒” 支护体。 笔者在现场考察冲击地压事故原因时， 发现支护不 合理是发生事故和引起大变形的重要原因。因此， 在卸压措施中， 必须包含对支护措施的说明。 12 基于灾害控制理念14 16 的“冲击危险性实 时监测预警 预报 ” 。所有针对冲击地压监测预警 的目的， 是为了提前发现危险区和危险程度， 提前进 行卸压和支护处理， 达到“不发生冲击” 或“发生冲 击但不引起灾害” 的目的。而不是为了预报准确的 冲击时间， 如果把精力投到预报冲击发生的时间上， 那是非常困难的。基于预防灾害的监测预警理念， 目前在我国冲击地压煤矿， 大部分都采用“冲击地 压在线监测预警系统” 预报工作面附近的危险地段 和危险程度， 采用微地震监测系统监测震动位置、 能 量和岩层活动性。至 2013 年 4 月， 已经有多个煤矿 建成了煤矿冲击地压集中监测中心 图 1 。由图 1 可知， 左侧 3 个界面为掘进工作面冲击危险性无线 监测预警系统， 中间为主采工作面冲击危险性监测 预警系统， 右上方为微地震监测系统， 右下方为其他 回采工作面冲击危险性监测预警系统。依靠冲击危 险性监测预警系统设定的预警临界值， 采取停止生 产、 撤出工作人员、 卸压、 加强支护等不同等级的措 施， 取得了很好的效果。为了实现多层次监测预警 和监管， 目前部分矿区已经建成了冲击地压远程实 时监控系统及远程诊断系统。 图 1煤矿冲击地压集中监控中心 13 冲击地压发生可能性的多因素耦合评价方 法。该方法是一种实用的半定量动力灾害危险性评 价方法。引起冲击地压的原因大部分是多种因素综 8 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 姜福兴等 冲击地压防治关键理论与技术分析2013 年第 6 期 合作用的结果， 因此， 需要综合考虑采矿、 地质、 煤 层、 岩层等条件， 进行冲击地压发生可能性的多因素 耦合评价。以往采用的综合评价法是对煤层和工作 面的宏观评价， 不能满足制定具体防冲措施的需要。 笔者研究的多因素耦合评价方法已经在 50 多个工 作面进行了应用， 在应用过程中不断改进， 取得了较 好的效果， 评价结果如图 2 所示。 图 2回采工作面冲击危险性多因素耦合评价结果 2冲击地压治理的实用技术体系 冲击地压治理的关键是形成体系， 体系中缺了 环节， 就容易发生事故。经过生产和科研单位多年 的探索， 提出了防冲过程中的 8 个重要环节 开采 前进行冲击地压危险性评价; 基于防冲的开采设 计方案优化; 开采前危险区的防冲预处理; 开采 过程中的监测预警; 开采过程中的危险区解危; 解危效果检验; 冲击地压工作面的现场施工安 全管理; 冲击地压防治经验的总结。 在具体做法上， 需要建立防冲“三个体系和一 个流程” ， 即组织体系 防冲人员 、 技术体系 技术、 装备投入 、 管理体系 相关防冲管理制度 和闭环 式的工作流程。在技术体系中， 重点要做到危险区 “三强” 防冲技术， 即强卸压、 强监测和强防护， 其 中， 强卸压是基于三向承载、 分级承载和应力转移、 应力恢复的理论; 强监测是指实时监测、 危险性监 测、 危险区监测和危险性检验; 强防护包括危险区强 支护和人员及装备的强防护 2 个方面。 3结语 矿震及冲击地压诱发的煤与瓦斯突出是煤矿群 死群伤的主要灾害之一， 其发生机理和治理技术尚 不完善， 以地应力为主导的震动场、 地应力场和瓦斯 压力场 “三场耦合” 的煤 岩 瓦斯突出问题， 是今 后重点攻关的方向。冲击地压灾害发生机理复杂， 其治理仍是世界性难题。随着煤矿开采深度和开采 范围的扩大， 对冲击地压防治措施的要求将日益严 格。基于目前的技术和装备水平， 大部分冲击地压 是可以治理的。对于大部分煤矿， 做到领导重视、 技 术人员投入、 措施落实到位、 装备先进和管理严密， 冲击地压灾害可以得到有效控制。对于巨厚煤层、 巨厚硬岩、 超深井、 急倾斜、 瓦斯参数、 地应力异常等 特殊条件下的冲击地压治理问题， 需要持续地研究。 参考文献 1潘一山， 李忠华， 章梦涛 . 我国冲击地压分布、 类型、 机理及防 治研究J 岩石力学与工程学报， 2003， 22 11 1844 1851 2窦林名， 何学秋 . 冲击矿压防治理论与技术M 徐州 中国 矿业大学出版社， 2001 10 120 3齐庆新， 刘天泉， 史元伟 . 冲击地压的摩擦滑动失稳机理J 矿山压力与顶板管理， 1995， 12 1 174 177 4李学华， 梁顺， 姚强岭， 等 冲击倾向性围岩沿空掘巷防冲控 制原理及应用J 采矿与安全工程学报， 2012， 29 6 751 759 5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 1809 6王宏伟， 姜耀东， 杨忠东， 等 长壁孤岛工作面煤岩冲击危险性 区域多参量预测J 煤炭学报， 2012， 37 11 1790 1795 7章梦涛， 徐曾和， 潘一山 冲击地压与突出的统一失稳理论 J 煤炭学报， 1991， 16 4 48 53 8李铁， 蔡美峰 深部开采冲击地压与瓦斯的相关性探讨J 煤炭学报， 2005， 30 5 562 567 9孟贤正， 汪长明， 唐兵 具有突出和冲击地压双重危险煤层 工作面的动力灾害预测理论与实践J 矿业安全与环保， 2007， 34 3 1 5 10李世愚， 和雪松， 潘科， 等 矿山地震、 瓦斯突出、 煤岩体破 裂 煤矿安全中的科学问题J 中国学术期刊文摘， 2007， 13 16 136 145 11和雪松， 李世愚， 潘科， 等 矿山地震与瓦斯突出的相关性 及其在震源物理研究中的意义J 地震学报， 2007， 29 3 314 327 12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 1065 1069 13李忠华， 潘一山， 纪海汛， 等 瓦斯煤层冲击地压防治技术及 应用M 北京 国防工业出版社， 2009 20 100 14周世宁 . 瓦斯在煤层中流动的机理J 煤炭学报， 1990， 15 1 15 24 15姜福兴 . 微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用J 岩石力学与工程学报， 2002， 21 2 147 149 16曲效成， 姜福兴， 于正兴， 等 基于当量钻屑法的冲击地压监 测预警技术研究及应用J 岩石力学与工程学报， 2011， 30 11 2346 2351 9 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et