冲击地压地质因素调查内容及预报方法的探讨

朱建军

摘要：冲击地压是矿井灾害的一种，是由于工作面、巷道周围的煤岩体在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能突然释放而产生的一种以急剧变化为特征的动力现象，给矿井的安全生产构成了严重威胁。本文着重从矿井地质的角度来分析和研究，阐述地质工作开展内容，从煤系岩性及其组合、地质构造、水文地质、瓦斯地质等几方面进行地质因素调查，提出地质预测预报方法。

关键词：冲击地压；地应力；地质因素调查；预测预报

中图分类号：P315文献标识码： A

引言

为了全面掌握目前我国冲击地压的发生情况和防治现状，统计分析了近年来我国冲击地压发生的区域、条件、特点以及防治手段和效果。分析结果表明:随着我国煤矿采深的日益加大，冲击地压灾害将越来越严重；坚硬厚层顶板条件和断层、褶曲等构造是冲击地压发生的主要地质因素；开采形成的煤柱应力集中和动载是冲击地压发生的主要开采技术因素。

一、冲击地压发生条件分析

1、冲击倾向性

冲击地压矿井的煤体冲击倾向性情况:无冲击倾向3个、弱冲击倾向和强冲击倾向均为23个。由波兰学者最早提出的冲击倾向性理论，我国采用了其中的弹性能指数、冲击能指数和动态破坏时间3个指标作为煤层的冲击倾向性指标，根据对近年来的冲击倾向性试验结果分析并结合冲击地压发生实际地质条件，又增加了煤的单轴抗压强度为冲击倾向性指标之一，对于顶板岩层的冲击倾向性，则采用了由我国提出的顶板弯曲能量指数。经对已发冲击地压矿中煤体冲击倾向性统计结果，大部分发生冲击地压矿井的煤层都具有冲击倾向性。但在一些没有冲击倾向性的矿井也发生了冲击地压，如徐州权台矿、平顶山十矿和北京大安山矿均为软弱无冲击倾向煤层。煤岩冲击倾向性测定结果只是对煤岩样进行单轴试验的实验室结果，无法真实反映煤岩结构和原岩应力状态。为了使煤岩冲击倾向冲击地压的地质因素调查内容冲击地压地质调查的内容：一是调查矿井煤（岩）层的力学性质、地质构造的力学性质及展布特征，水和瓦斯赋存情况及活动规律，掌握矿井冲击地压的地质基础资料；二是分析矿井冲击地压发生的原因及其作用特点，以掌握它的显现规律，配合生产部门提供安全作业所需要的地质资料。

冲击倾向性测定更能充分反映煤岩层实际状态和特点，近年来，我国科研人员开展了煤、岩组合模型的冲击倾向性试验测定工作，已经取得初步成果。在考虑原位煤体的冲击危险时，还有学者提出了包含冲击倾向性指标和煤体受力状态的冲击危险性系数评价其诱发冲击地压发生的可能性，具有一定的合理性。综合指数法则考虑了包括岩体应力、岩体特性(包括煤岩冲击倾向性)和煤层特征的综合指标。把煤岩的冲击倾向性与煤岩结构、地质异常条件、煤岩受力状态和采动影响等因素相结合，用动态综合指标以更有效地评价冲击危险性是今后的主要研究方向。

2、开采技术因素

开采技术因素对冲击地压的影响因素主要有3个:本煤层开采形成的孤岛煤柱、煤层群开采条件下形成的上覆煤柱以及放炮震动。孤岛煤柱冲击地压矿井26个，如:义马千秋；兖州济三、济二、东滩、鲍店；新汶协庄；徐州张集；平顶山十一矿；开滦唐山、赵各庄等。上覆煤柱冲击地压矿井11个，如:新汶华丰、大同同家梁、忻州窑；鹤岗峻德等。放炮震动冲击地压矿井6个，如:新汶良庄；开滦赵各庄；鹤岗南山；七台河新兴；北京木城涧等。

从开采技术因素来看，开采孤岛煤柱和在上覆煤柱下进行开采等引起的采动应力集中是冲击地压发生的主要诱因，由于很多煤矿的开采设计方案不合理或由于采掘接替紧张而形成了很多孤岛开采局面，统计中有孤岛开采的煤矿26个，占统计总数的39%。由于孤岛或半孤岛开采，在开采中形成多个支承压力叠加，造成了应力急剧集中和冲击地压危险。在多煤层开采中，上层煤开采遗留下的煤柱将对下层煤开采形成应力集中条件，统计中有上覆煤柱影响的矿井有11个，占统计总数的16%。一些煤矿还同时存在孤岛煤柱和上覆煤柱的情况，这无疑加重了冲击地压的危险程度，如大同同家梁煤矿、开滦唐山、赵各庄矿和鹤岗峻德矿。根据以上统计数据和冲击地压的“三因素”机理，可以认为，开采中形成的煤柱产生的应力集中是冲击地压最大的一个力源因素。另外，放炮震动也极有可能造成动载而诱发冲击地压，如新汶良庄矿、枣庄八一矿、开滦赵各庄矿、鹤岗南山矿、七台河新兴矿和北京木城涧矿。

二、冲击地压的地质因素调查内容

1、煤系岩性及其组合因素调查

煤岩层的物理力学性质是构成冲击地压活动最直接的影响因素。对于含煤地层的地质调查，应仔细分析已有的煤岩巷实测剖面和钻孔资料，对煤层顶底板、含水岩层、坚脆砂岩层、松软泥岩层等，要逐层分析它们沿走向和倾向方向上的变化，受地质构造破坏的情况。在垂直方向上要系统研究各个煤岩层的层次及组合情况，统计顶底板的特征，含水层组的结构，含有潜在危险地层的指标及它们和煤层之间的间距。最后在采掘工程平面图上圈出有冲击地压潜在危险的区域，为设计和采掘部门提供参考。

2、地质构造因素调查

冲击地压的形成及其显现的形式、特点和强烈程度，均于地质构造密切相关。要以地质力学的理论作指导，判断所研究区域所属的构造体系，划分构造形式，并进一步分析构造体系复合联合的关系，了解某些地应力叠加所产生的构造形迹，以确定构造体系的复合联合部位，对所研究区域作出综合评价。例如在不同构造体系的复合部位，断裂交叉点附近，旋转构造收敛部，断裂的两端，在平面分布上断裂反复转弯的部位，同一断层倾向变成反向的转折点附近，断裂两侧差异运动较剧烈的部位，褶曲轴部和翼部的交界附近及冲断层或逆掩断层的上盘等，均为构造应力集中特别是应力高度集中的地段，应为冲击地压研究的重点区域。

3、水文地质因素调查

矿井水的浸润渗透，改变了岩石的力学性质，降低了岩体强度，从而引起围岩的变形与破坏，在采动影响下，原有岩体的水文地质结构被破坏，引起地下水运动状态的改变，使巷道或工作面局部应力集中，易发生地下水压力的冲溃现象。故进行水文地质调查时，应观测地下水的水位、水压，含水层分布与煤层的间距，隔水层性质及其组合关系等，特别要注意出现与冲击地压伴生的突水现象。

三、矿井冲击地压的地质预报方法

由于矿井冲击地压的严重危害性，有必要对冲击地压现象进行综合分析，观测冲击地压现象的前兆，通过仪表测量及钻孔探测等技术手段掌握冲击地压发生的规律，对可能发生的冲击地压现象进行地质预报。

1、冲击地压的前兆

1.1宏观前兆：煤层顶底板移近量增大，活动急剧，出现掉顶或底鼓现象。巷道煤壁松动，片帮次数增多。煤炮声增大加密。钻眼钻屑量增大，每米增加2～3倍以上。钻具推动力降低，甚至无须推进而自动向前推进。

1.2微观前兆：

微震地点集中，次数频繁，并逐渐加密。微震强度逐渐增大，一般在间隔数小时至十几小时后就会突然发生。煤岩层的弹性波速增加，采动影响下的地应力明显集中。

2、根据现场仪表观测预报

通过在掘进头或工作面内安装顶板动态仪，观测顶板下沉速度，当顶板下沉速度急剧变化并超过某一限度时，就有可能出现冲击地压现象。

3、根据地质力学方法预报

应用地质力学原理，确定构造应力集中部位，对煤岩层的物理力学性质进行综合分析，概略地得出工作区内有无发生冲击地压危险的评价，进而根据地应力的空间分布，煤岩层的埋藏条件，与工作区内巷道、工作面之间的组合关系，提出发生冲击地压条件及其强度、位置和时间的可能性预报。

4、根据钻孔岩芯变形预报

利用已有的钻孔或专门布置取得的岩芯进行仔细鉴定。研究所在地区煤岩层埋藏条件，分析地应力对煤岩层的影响。一般在坚硬岩层中，如果岩芯呈圆片状，并出现鳞片凸起，则表明此处应力增高，可能有冲击地压发生的危险；如果岩芯呈圆柱状则表明地层无异常现象。在煤层中可采用“钻屑法”即向待测煤层中施工一钻孔取粉，根据煤量、粒度大小及有无动力现象，同高应力区钻屑量进行对比，以预测和判定工作区内有无冲击地压发生的可能。

结束语

建议在对深部冲击地压的研究中应注意以下几个问题:采用物探方法对开采前工作面或掘进工作面前方的地质构造进行探测并结合煤岩性质和采动影响给出冲击地压危险的综合指标；研究深部高瓦斯矿中出现的冲击地压要考虑瓦斯含量或瓦斯压力的影响；对冲击地压的监测应分区域采用多层次的综合监测手段，并研究多源监测数据的综合处理方法；重视冲击地压防治中的开采设计理论的研究，力争从源头上减轻冲击危险；同时，提高巷道的防冲能力。

参考文献

［1］何满潮，谢和平，彭苏萍等．深部开采岩体力学研究［J］．岩石力学与工程学报，2012，24(16)．

［2］齐庆新，窦林名．冲击地压理论与技术［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2011．

［3］王淑坤，齐庆新．我国煤岩冲击倾向研究的进展［J］．煤矿开采，2012，3(3)．