单麒源 SHAN Qi-yuan；商宇航 SHANG Yu-hang
（黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨 150022）
（School of Mining Engineering，Heilongjiang University of science ＆ Technology，Harbin 150022，China）
摘要： 通过对冲击地压与瓦斯之间的相互关系进行研究，分析了冲击地压与瓦斯之间的相互影响作用关系，总结了冲击地压与瓦斯的作用机理和过程，并提出冲击地压与瓦斯突出的防治方法。
Abstract： Through the study of the relationship between gas and rock burst， the mutual influence between rock burst and gas is analyzed， the mechanism and process of rock burst and gas is summarized， the control methods of rock burst and gas outburst are put forward.
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关键词 ： 冲击地压；瓦斯防治；机理研究
Key words： the impact pressure；gas prevention and control；the mechanism research
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0103-03
作者简介：单麒源（1985-），男，黑龙江鸡西人，助教，毕业于黑龙江科技大学，从事岩石力学与矿山压力的研究工作。
0 引言
近些年来浅部煤炭资源已经被开采殆尽，煤炭的开采深度逐年增大，煤层在受到较高的地应力和采动影响下，容易产生能量的集聚，从而诱发冲击地压。如果伴随着煤层瓦斯含量较高、瓦斯压力较大，还会诱发煤和瓦斯突出。本文将对冲击地压与煤和瓦斯突出两种矿压灾害进行讨论分析，研究其内在关系，并对其加以防治。
1 冲击地压与瓦斯统一认识
当煤被开挖出来，煤岩的原岩应力状态被破坏，原有的力学系统平衡被打破，产生应力和能量的集中，集聚的能量超过煤岩极限强度的时候就会发生冲击地压和瓦斯突出。这里面冲击地压通常忽略了瓦斯作用，而瓦斯突出则是考虑了地压因素。20世纪学术界普遍认为冲击地压是导致煤和瓦斯突出的主要原因之一，而随着开采深度的增加，瓦斯含量极度升高，这就让人们联想到是否是煤和瓦斯突出导致了冲击矿压的发生，同时煤矿开采过程中的采动影响引发的矿震也会使瓦斯涌出量增加[1]。
2 冲击地压与瓦斯相互关系
2.1 冲击对瓦斯灾害的影响
冲击地压及煤与瓦斯突出统一理论[2]。冲击地压和瓦斯突出都是在一定的开采方法和煤层地质赋存条件下发生的，是煤岩因采动影响发生失稳造成的[3]。冲击与突出是煤岩的活跃与稳定状态的转变，是一种自身能量的释放，两者之间相互促进、相互影响。
2.2 瓦斯含量对冲击破坏的影响
①瓦斯含量越高煤的强度越低。游离态瓦斯增加了孔隙压力，阻碍孔隙收缩，降低了煤体强度[4]。
②瓦斯含量越高煤的弹性模量越低。煤体颗粒表面被瓦斯吸附后，颗粒之间的粘聚力会变小，弹性模量降低。
③瓦斯含量越高煤的脆性度越大。煤体形成裂隙后，瓦斯会迅速涌入裂隙空间，煤体渗透力增加，促进裂隙发育，围压减小，脆性度增大，煤体就越容易被破坏。
2.3 瓦斯抽放对冲击破坏的影响
对于高瓦斯矿井必须采取瓦斯抽放措施。煤体的瓦斯被抽出，使煤体内部孔隙力下降，顶板压力从由瓦斯煤体共同承受转化为煤体独自承受，原有裂隙受到顶底板压力作用被压实，但整体性差并开始集聚能量，成为冲击地压发生的隐患[5]。
3 冲击地压与瓦斯突出发生机制
3.1 冲击地压与瓦斯发生过程
冲击地压是一种动力现象，它要在特定的开采条件和赋存条件下以煤体为介质，突发的一种破坏卸载过程[6]。受力环境、冲击倾向性、地质构造是判断冲击地压发生概率的重要基本依据。
3.2 煤岩体变形破坏机理
煤体在受到地应力和采动影响后，会在巷道2~3 m这个范围内形成一个平衡区。在这个平衡区里，煤体所承受的压力是靠煤体与顶板的摩擦力、巷道的应力拱来约束平衡的，一旦这些约束发生破坏就会使平衡打破，煤体失去了约束造成失稳破坏，也就是冲击地压或煤和瓦斯突出。
3.3 冲击地压与瓦斯突出发生机理
3.3.1 冲击地压和瓦斯突出形成机理的相似处
①煤体都会破坏和变形，而且都是在局部发生；
②破坏过程快，触不及防；
③破坏性质表现为脆性；
④都在应力集中区域或受采动影响严重区域；
⑤煤体破坏时释放大量能量，部分能量转化为煤岩抛出所需要的动能。
3.3.2 冲击地压和瓦斯突出形成机理的不同之处
①高应力集中是冲击地压发生的主因；高瓦斯压力是瓦斯突出发生的主因；
②瓦斯突出过程中有瓦斯进行参与，而冲击地压没有。
3.3.3 冲击地压与瓦斯突出的相互作用过程
当顶板岩石对煤体实施较大的压力时，煤体会产生应力集中。煤体内的瓦斯吸附力会变大，同时瓦斯受压膨胀使煤体孔隙内部的瓦斯压力也会变大，裂隙尖端的瓦斯压力转变成拉应力，会促使煤体原生裂隙进一步发育，如图1所示。
随着顶板压力和瓦斯压力的逐渐增大，煤体与瓦斯压力相互耦合作用，使得煤体的细小裂纹变成裂缝，煤体的抗压强度逐渐降低，发生软化，其极具的能量也会不断增加，煤体、顶板、瓦斯压力处于一个极限应力平衡状态，图2所示。
当煤体的裂隙贯通，抗压强度进一步减弱，整个受力平衡环境被打破，煤体发生失稳破坏，最终发生瓦斯突出或诱发冲击地压，如图3所示。
4 集贤矿冲击地压事故分析治理
集贤煤矿隶属于龙煤矿业集团股份有限公司双鸭山分公司，已经有多年的历史，近年来，随着矿井开采深度的增加，进入深部采区后，冲击地压等动力灾害显现日益增加，并出现高瓦斯区，实测瓦斯含量已高达14.72 m3/t，回采工作面绝对瓦斯涌出量已高达20 m3/min。冲击地压的频繁发生，给矿安全生产带来很大的压力。
2014年2月27日7时45分，在中一下九层左六片工作面，综二队机组割煤到尾时，顶板突然来压，造成工作面119～128节板煤壁片帮，片帮深达0.5～1.2m，机组下侧对口螺丝断两个。当天晚上21时49分，综二队机组割煤到尾，向下推煤2节板时，顶板来压，造成工作面119～128节板煤壁片帮，片帮深度达0.7～1.5m。工作面瓦斯报警浓度1.18%。机组对口螺丝断9个，机组4根丝杠变形，工作面溜子齿排断4个。
为了对该类安全事故进行防治，我们采用了大孔径钻孔卸压的方法，施工方案如下：
4.1 在工作面上帮打设煤体卸压孔 孔深12-15 m，间距1.5 m，角度和煤层倾角平行，孔径?准133 mm；位置：从切眼硬帮煤壁往外150 m起，每隔1.5 m打设一个，终止位置B1点前45 m；卸压孔打设位置：在煤层上分层中间，如图4所示。
4.2 工作面下帮煤体卸压孔 孔深50-60 m，间距3.0 m，角度和煤层倾角平行，孔径?准133 mm，在原下帮打设的瓦斯抽放眼中间打设；位置：从切眼硬帮煤壁往外150 m起，每隔3 m打设一个，终止位置B1点前45 m；卸压孔打设位置：在煤层上分层中间，如图5所示。
钻孔施工完毕后，用江沙、水泥对其封孔，封孔长度不小于200 mm。
经过对中一下九层左六片工作面进行钻孔卸载，避免工作面前方产生应力集中，使该工作面冲击矿压事故发生次数明显降低，治理效果较为良好。
5 结论
通过对冲击地压与瓦斯关系作用的分析研究，本文提出以下防治方案。
5.1 降低煤体承受应力可以有效避免冲击地压和瓦斯突出的发生
①选择适当的开采方法避免煤层应力集中。
②选择适当的方法降低煤体承受应力。
③开采解放层可以缓解区域应力集中。
④在煤层中钻孔注水、预裂爆破等方式进行卸压。
⑤通过轻度爆破诱发微度冲击地压发生进行卸压。
5.2 冲击地压和瓦斯突出预防不同之处
①瓦斯抽放对冲击地压的预防作用甚微；
②转移并改善应力集中对冲击地压预防比较有效。
另外，对于冲击地压倾向性较强的高瓦斯煤层，应注意以下几点进行预防：
①测定煤层瓦斯含量的临界值，在进行瓦斯抽放时，将瓦斯含量控制在临界值左右，可以同时预防瓦斯突出和冲击地压。
②加强瓦斯抽放工作力度，合理利用瓦斯资源，采取有效的矿压检测手段，预测评断冲击地压的危险性。
③在煤层中钻孔注水，要保证合理的水压、注入时间，要考虑到煤体中的瓦斯与水的相互作用，软化煤体，改善煤体应力状态。
④利用控制爆破技术对工作面坚硬顶板进行切顶，改善顶板应力状态。
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参考文献：
[1]王淑坤，齐庆新，曾永志.我国煤岩冲击倾向研究的进展[J].煤矿开采，1998（3）：30-32.
[2]张新江.煤矿冲击地压产生原因及防治措施[J].煤炭技术，2009（2）63-65.
[3]吕文玉，孟宪锐.冲击矿压及岩石巷道卸压爆破影响参数研究[J].中国矿业，2009（02）：72-73.
[4]李廷芥，王耀辉，张梅英，等.岩石裂纹的分形特性及岩爆机理研究[J].岩石力学与工程学报，2000（1）：6-10.
[5]谢雄刚，冯涛，王永，黄寿元.煤与瓦斯突出过程中能量动态平衡[J].煤炭学报，2010（07）：1120-1125.
[6]煤和瓦斯突出过程中地应力作用机理[J].东北大学学报，2009（09）：1326-1330.