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钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析

摘要：随着经济发展对煤炭的需求增加，煤炭开采方向变成了深层煤炭资源。深层开采对技

术的要求比浅层开采高，其中最大的难题之一就是冲击地压。本文基于钻孔卸压防治冲击地

压机理及影响因素分析展开论述。

关键词：钻孔卸压防治；冲击地压机理；影响因素分析

引言

近年来，我国煤炭深部开采，尤其是近800m采深的特厚煤层矿井，除了常见的动静叠

加型冲击地压外，出现了一些新现象，即纯静载荷自发型冲击。此类冲击地压发生区域往往

为巷道基础静载荷充足区域，如地质构造、相变带、邻近巷道群、采空区等影响的巷道区

域，且具有如下特点:①自发性:在无外力扰动的情况下发生，如采掘活动、顶板运动、矿震

等;②时滞性:在成型巷道已稳定并进行2次支护较长一段时间之后突然发生。此类冲击地压

隐蔽性非常强，自发性和时滞性的特点是其区别于常规冲击地压的重要特征。

1巷道煤体冲击地压发生机制

齐庆新提出的冲击地压应力控制理论认为，高应力水平是煤岩体发生冲击地压的必要条

件，其在动力扰动作用下极易发生非稳定性失稳，从而诱发冲击地压。巷道开挖或者工作面

煤体采出后，引起煤岩体应力重新分布，巷帮表面煤体发生破坏，并扩展至弹性应力边界，

形成一定程度的应力集中。若煤体性质坚硬或顶板悬露面积过大，则应力集中区域离巷帮表

面较近且应力集中程度较大，当煤体中应力大于其极限强度时，煤体发生破坏，储存在煤体

及顶底板中的弹性能突然释放，由于弹性能释放区域距离巷帮表面较近，其形成的应力波对

巷帮煤体的破坏程度很大，甚至使煤体大量涌出，呈现冲击地压显现。

2钻孔卸压防冲机理

由于孔边应力集中的作用，钻孔周围一定范围内的煤体应力大大降低形成卸压区，当在

煤体中合理布置卸压钻孔，使各钻孔卸压区之间相互连接、贯通，形成一条弱化带，其破坏

了煤体的承载结构，使煤体在顶底板岩层夹持作用下发生相对滑动，煤体与岩层的界面内摩

擦角及粘聚力随之大大下降，煤体中应力平衡区范围显著增大，使峰值位置向煤体深部转移

且峰值逐渐减小，极限平衡区煤体应力大大降低，破坏了其发生冲击地压的应力条件，降低

了煤岩体的冲击危险性，同时卸压后的煤体对深部煤体和巷道顶底板中发生的动力显现起到

吸能保护作用，降低了深部煤岩体失稳对巷道空间的影响，从而防治冲击地压的发生。

3深部开采冲击地压防控难点

(1)埋深大，由重应力、水平应力构成的基础静载荷充足，冲击地压发生门槛降低，防

控范围点多面广，新建矿井开拓期间大巷就能发生冲击。(2)与浅部相比，地层结构复杂，

远场高位覆岩结构调整，近场低位顶板垮断，都可以提供冲击动载荷源。(3)煤层埋深大，

传统卸压方法，应力恢复快，卸压时效短，需要强卸压、勤卸压施工，卸压过程中冲击地压

伤亡事故频发。(4)受“压、剪、挤、推”连续作用，87%巷道底板大变形、冲击剧烈，成为

能量释放通道，底板冲击显现难以解决。总的来说，我国煤炭深部开采冲击地压特征表现为

发生门槛降低，冲击显现位置点多面广，发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大，防治范

围扩大，应力恢复快，高强度、长时效卸压要求突出。

4冲击地压应力波作用

大量理论研究与工程实践表明，冲击地压的发生与动载扰动因素有关。根据岩石动力学

理论，这些动载在煤岩体中以应力波的形式进行传播，因此有必要从应力波的角度揭示冲击

地压形成机理。在开采过程中，应力波的产生与煤岩体的破断行为有关，主要包括高位坚硬

顶板破断与深部应力集中区煤体破断行为。当煤层上方覆存高位厚硬岩层时，随着煤层开采

活动的进行，岩层下覆离层空间逐渐扩大，下覆岩层对高位顶板的支撑作用逐渐减少。当达

到顶板抗拉强度时，将开始在顶板岩梁内弯矩最大处随机地出现微裂纹，随着弯矩的进一步

增大，大量微裂纹逐渐汇聚成宏观主破断面，最终形成高位顶板破断，并在此过程中释放出

大量弹性能，形成冲击应力波。冲击应力波通过顶板传播到煤层中，首先在煤层中造成大量

裂纹扩展，形成一定程度的能量衰减。应力波传播到采掘空间后，处于采动应力(静载)作用

下的煤岩体在动载应力波的综合作用下发生动态破坏，大范围煤体发生严重破坏时将形成冲

击地压灾害。另一方面，对于应力集中区煤体破断震源，煤岩体在未受到采动影响时处于原

始应力状态，工作面回采后，煤岩体内部应力开始重新分布，工作面前方深部煤体垂直应力

将超过原岩应力。随着工作面逐渐推进，前方深部煤体垂直应力不断升高，并开始在煤体内

部形成大量随机分布的微观裂纹，一旦大范围煤体内部垂直应力超过其抗剪强度后，微观裂

纹将迅速汇聚形成大尺度煤体破断，并产生高强度应力波。应力波进一步传播