世界上幾乎所有國(guó)家都不同程度地受到?jīng)_擊地壓的威脅。 1783年英國(guó)在世界上首先報(bào)導(dǎo)了煤礦中所發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象。以后在前蘇聯(lián)、南非、德國(guó)、美國(guó)、加拿大、印度、英國(guó)等幾十個(gè)國(guó)家和地區(qū)，沖擊地壓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。
在我國(guó)，沖擊地壓最早于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦。以后，隨著開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，北京、撫順、棗莊、開(kāi)灤、大同、北票、南桐等礦區(qū)的許多礦井，都先后有沖擊地壓現(xiàn)象發(fā)生。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，沖擊地壓的危害將更加突出。
一 、沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理
沖擊地壓又稱巖爆，是指井巷或工作面周?chē)鷰r體，由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象。它具有很大的破壞性，是煤礦重大災(zāi)害之一。
1992年以前，我國(guó)有50余個(gè)煤礦發(fā)生了沖擊地壓。比較突出的有北京礦務(wù)局門(mén)頭溝煤礦、撫順礦務(wù)局龍風(fēng)煤礦、棗莊礦務(wù)局陶莊煤礦、大同礦務(wù)局忻州窯煤礦、四川省天池煤礦和新汶礦務(wù)局華豐煤礦等。
（一）我國(guó)煤礦沖擊地壓顯現(xiàn)具有如下特征：
1、突發(fā)性。發(fā)生前一般無(wú)明顯前兆，沖擊過(guò)程短暫，持續(xù)時(shí)間為幾秒到幾十秒。
2、一般表現(xiàn)為煤爆(煤壁爆裂、小塊拋射)。淺部沖擊 (發(fā)生在煤壁2m～6m范圍內(nèi)，破壞性大)和深部沖擊(發(fā)生在煤體深處，聲如悶雷，破壞程度不同)。最常見(jiàn)的是煤層沖擊，也有頂板沖擊和底板沖擊，少數(shù)礦井發(fā)生了巖爆。在煤層沖擊中，多數(shù)表現(xiàn)為煤塊拋出，少數(shù)為數(shù)十平方米煤體整體移動(dòng)，并伴有巨大聲響、巖體震動(dòng)和沖擊波。
3、具有破壞性。往往造成煤壁片幫、頂板下沉、底鼓、支架折損、巷道堵塞、人員傷亡。
4、具有復(fù)雜性。在自然地質(zhì)條件上，除褐煤以外的各煤種，采深從200m～1000m，地質(zhì)構(gòu)造從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，煤層厚度從薄層到特厚層，傾角從水平到急斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖等，都發(fā)生過(guò)沖擊地壓；在采煤方法和采煤工藝等技術(shù)條件方面，不論水采、炮采、普采或是綜采，采空區(qū)處理采用全部垮落法或是水力充填法，是長(zhǎng)壁、短壁、房柱式開(kāi)采或是柱式開(kāi)采，都發(fā)生過(guò)沖擊地壓。只是無(wú)煤柱長(zhǎng)壁開(kāi)采法沖擊次數(shù)較少。
（二）沖擊地壓的分類(lèi)
沖擊地壓可根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)、顯現(xiàn)強(qiáng)度和發(fā)生的不同地點(diǎn)和位置進(jìn)行分類(lèi)。 1、根據(jù)原巖(煤)體的應(yīng)力狀態(tài)分類(lèi)
(1)重力應(yīng)力型沖擊地壓。主要受重力作用，沒(méi)有或只有極小構(gòu)造應(yīng)力影響的條件下引起的沖擊地壓。如棗莊、撫順、開(kāi)灤等礦區(qū)發(fā)生的沖擊地壓。
(2)構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓。主要受構(gòu)造應(yīng)力(構(gòu)造應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)巖層自重應(yīng)力)的作用引起的沖擊地壓，如北票礦務(wù)局和天池煤礦發(fā)生的沖擊地壓。
(3)中間型或重力～構(gòu)造型沖擊地壓。主要受重力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用引起的沖擊地壓。
2、根據(jù)沖擊的顯現(xiàn)強(qiáng)度分類(lèi)
(1)彈射。一些單個(gè)碎塊從處于高應(yīng)力狀態(tài)下的煤或巖體上射落，并伴有強(qiáng)烈聲響，屬于微沖擊現(xiàn)象。
(2)礦震。它是煤、巖內(nèi)部的沖擊地壓，即深部的煤或巖體發(fā)生破壞，煤、巖并不向已采空間拋出，只有片帶或塌落現(xiàn)象，但煤或巖體產(chǎn)生明顯震動(dòng)，伴有巨大聲響，有時(shí)產(chǎn)生煤塵。較弱的礦震稱為微震，也稱為煤炮。
(3)弱沖擊。煤或巖石向已采空間拋出，但破壞性不很大，對(duì)支架、機(jī)器和設(shè)備基本上沒(méi)有損壞；圍巖產(chǎn)生震動(dòng)，一般震級(jí)在2.2級(jí)以下，伴有很大聲響；產(chǎn)生煤塵，在瓦斯煤層中可能有大量瓦斯涌出。
(4)強(qiáng)沖擊。部分煤或巖石急劇破碎，大量向已采空間拋出，出現(xiàn)支架折損、設(shè)備移動(dòng)和圍巖震動(dòng)，震級(jí)在2.3級(jí)以上，伴有巨大聲響，形成大量煤塵和產(chǎn)生沖擊波。
3、根據(jù)震級(jí)強(qiáng)度和拋出的煤量分類(lèi)
(1)輕微沖擊：拋出煤量在10t以下，震級(jí)在1級(jí)以下的沖擊地壓。
(2)中等沖擊：拋出煤量在10t～50t以下，震級(jí)在1級(jí)～ 2級(jí)的沖擊地壓。
(3)強(qiáng)烈沖擊：拋出煤量在50t以上，震級(jí)在2級(jí)以上的沖擊地壓。
一般面波震級(jí)Ms=1時(shí)，礦區(qū)附近部分居民有震感；Ms=2時(shí)，對(duì)井上下有不同程度的破壞；Ms>2時(shí)，地面建筑物將出現(xiàn)明顯裂縫破壞。
4、根據(jù)發(fā)生的地點(diǎn)和位置分類(lèi)
(1)煤體沖擊。發(fā)生在煤體內(nèi)，根據(jù)沖擊深度和強(qiáng)度又分為表面、淺部和深部沖擊。
(2)圍巖沖擊。發(fā)生在頂?shù)装鍘r層內(nèi)，根據(jù)位置有頂板沖擊和底板沖擊。
(三)沖擊地壓成因的機(jī)理
對(duì)沖擊地壓成因和機(jī)理的解釋主要有強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向理論和失穩(wěn)理論。
1、強(qiáng)度理論
該理論認(rèn)為，沖擊地壓發(fā)生的條件是礦山壓力大于煤體——圍巖力學(xué)系統(tǒng)的綜合強(qiáng)度。
其機(jī)理為：較堅(jiān)硬的頂?shù)装蹇蓪⒚后w夾緊，阻礙了深部煤體自身或煤體——圍巖交界處的變形(見(jiàn)圖1)。由于平行于層面的摩擦阻力和側(cè)向阻力阻礙了煤體沿層面的移動(dòng)，使煤體更加壓實(shí)，承受更高的壓力，積蓄較多的彈性能。從極限平衡和彈性能釋放的意義上來(lái)看，夾持起了閉鎖作用。在煤體夾持帶內(nèi)，壓力高、并儲(chǔ)存有相當(dāng)高的彈性能，高壓帶和彈性能積聚區(qū)可位于煤壁附近。一旦高應(yīng)力突然加大或系統(tǒng)阻力突然減小時(shí)，煤體可產(chǎn)生突然破壞和運(yùn)動(dòng)，拋向已采空間，形成沖擊地壓。

2、能量理論
該理論認(rèn)為：當(dāng)?shù)V體與圍巖系統(tǒng)的力學(xué)平衡狀態(tài)破壞后所釋放的能量大于其破壞所消耗能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生沖擊地壓。剛性理論也是一種能量理論，它認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓的條件是：礦山結(jié)構(gòu)（礦體）的剛度大于礦山負(fù)荷系(圍巖)的剛度，即系統(tǒng)內(nèi)所儲(chǔ)存的能量大于消耗于破壞和運(yùn)動(dòng)的能量時(shí)，將發(fā)生沖擊地壓。但這種理論并未得到充分證實(shí)，即在圍巖剛度大于煤體剛度的條件下也發(fā)生了沖擊地壓。
3、沖擊傾向理論
該理論認(rèn)為：發(fā)生沖擊地壓的條件是煤體的沖擊傾向度大于實(shí)驗(yàn)所確定的極限值?？衫靡恍┰囼?yàn)或?qū)崪y(cè)指標(biāo)對(duì)發(fā)生沖擊礦壓可能程度進(jìn)行估計(jì)或預(yù)測(cè)，這種指標(biāo)的量度稱為沖擊傾向度。其條件是：介質(zhì)實(shí)際的沖擊傾向度大于規(guī)定的極限值。
這些指標(biāo)主要有：彈性變形指數(shù)、有效沖擊能指數(shù)、極限剛度比、破壞速度指數(shù)等。
上述三種理論提出了發(fā)生沖擊地壓的三個(gè)準(zhǔn)則，即強(qiáng)度準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則和沖擊傾向度準(zhǔn)則。其中強(qiáng)度準(zhǔn)則是煤體破壞準(zhǔn)則，能量準(zhǔn)則和沖擊傾向度準(zhǔn)則是突然破壞準(zhǔn)則。三個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)成立，才是產(chǎn)生沖擊地壓的充分必要條件。
4、失穩(wěn)理論
近年來(lái)，我國(guó)一些學(xué)者認(rèn)為：根據(jù)巖石全應(yīng)力——應(yīng)變曲線，在上凸硬化階段，煤、巖抗變形(包括裂紋和裂縫)的能力是增大的，介質(zhì)是穩(wěn)定的；在下凹軟化階段，由于外載超過(guò)其峰值強(qiáng)度，裂紋迅速傳播和擴(kuò)展，發(fā)生微裂紋密集而連通的現(xiàn)象，使其抗變形能力降低，介質(zhì)是非穩(wěn)定的。在非穩(wěn)定的平衡狀態(tài)中，一旦遇有外界微小擾動(dòng)，則有可能失穩(wěn)，從而在瞬間釋放大量能量，發(fā)生急劇、猛烈的破壞，即沖擊地壓。由此，介質(zhì)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是發(fā)生沖擊的重要條件之一。雖然有時(shí)外載未達(dá)到峰值強(qiáng)度，但由于煤巖的蠕變性質(zhì)，在長(zhǎng)期作用下其變形會(huì)隨時(shí)間而增大，進(jìn)入軟化階段。這種靜疲勞現(xiàn)象，可以使介質(zhì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在失穩(wěn)過(guò)程中系統(tǒng)所釋放的能量可使煤巖從靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)過(guò)程，即發(fā)生急劇、猛烈的破壞。
（四）沖擊地壓的影響因素
1、地質(zhì)因素
主要包括開(kāi)采深度、地質(zhì)構(gòu)造、煤巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性等。
開(kāi)采深度的加大使地應(yīng)力值增加。一般在達(dá)到一定開(kāi)采深度后才開(kāi)始發(fā)生沖擊地壓，此深度稱為沖擊地壓臨界深度。臨界深度值隨條件不同而異，一般大于200 m，總的趨勢(shì)是隨采深增加，沖擊危險(xiǎn)性增加。這主要是由于隨采深增加，原巖應(yīng)力增大的緣故。
地質(zhì)構(gòu)造如褶曲、斷裂、煤層傾角及厚度突然變化等也影響沖擊地壓的發(fā)生。寬緩向斜軸部易于形成沖擊地壓；斷裂如是一個(gè)開(kāi)采邊界，若回采方向朝向斷層面，則沖擊危險(xiǎn)增加；煤層傾角和厚度局部突然變化地帶，實(shí)際是局部地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力積聚地帶，因而極易發(fā)生沖擊地壓。
煤巖結(jié)構(gòu)及性能也是沖擊地壓影響的主要因素。堅(jiān)硬、厚層、整體性強(qiáng)的頂板(老頂)，易形成沖擊地壓；直接頂厚度適中、與老頂組合性好、不易冒落，沖擊危險(xiǎn)較大；煤的強(qiáng)度高、彈性模量大、含水量低、變質(zhì)程度高、暗煤比例大，一般沖擊傾向較強(qiáng)。
2、開(kāi)采技術(shù)因素
開(kāi)采多煤層時(shí)，任何造成應(yīng)力集中的因素，如開(kāi)采程序不合理、本層回采不干凈、相鄰兩層開(kāi)采錯(cuò)距不合適等，均對(duì)防治沖擊地壓不利。從防治沖擊地壓的角度而言，璧式開(kāi)采優(yōu)于柱式開(kāi)采，旱采優(yōu)于水采，直線工作面優(yōu)于曲線工作面，冒落法優(yōu)于充填法。煤柱和開(kāi)采邊界是最主要的應(yīng)力集中因素，應(yīng)盡量避免和減少這些因素的有害影響。
國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐表明，沖擊地壓往往伴隨著井下生產(chǎn)過(guò)程的某些工序(如爆破、冒頂、采煤等)而發(fā)生，這些因素稱為誘導(dǎo)因素。誘導(dǎo)因素本身的能量可能很小，但其誘發(fā)沖擊地壓而釋放的能量及其破壞性卻很大。因而，誘導(dǎo)因素也是發(fā)生沖擊地壓的一個(gè)不可忽視的因素。
二、沖擊地壓的預(yù)報(bào)
（一）WET法
該方法是波蘭采礦研究總院提出的，用于測(cè)定煤層沖擊傾向。WET為彈性能與永久變形消耗能之比。波蘭采礦研究總院規(guī)定：WET>5為強(qiáng)沖擊傾向；2<WET<5為弱沖擊傾向； WET<2為無(wú)沖擊傾向。該方法雖存在一些不足之處，但基本適于我國(guó)情況，可作為煤層沖擊傾向鑒定指標(biāo)之一。
（二）彈性變形法
它是前蘇聯(lián)礦山測(cè)量研究院提出的用于測(cè)定沖擊地壓的方法。即在載荷不小于強(qiáng)度極限80％的條件下，用反復(fù)加載和卸載循環(huán)得到的彈性變形量與總變形量之比(K)，作為衡量沖擊傾向度的指標(biāo)。當(dāng)K≥0.7時(shí)，有發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。
(三) 煤巖強(qiáng)度和彈性系數(shù)法
該方法是用煤巖的單向抗壓強(qiáng)度或彈性模量的絕對(duì)值，作為衡量沖擊傾向度的指標(biāo)。這種方法較為簡(jiǎn)單，經(jīng)常用作輔助指標(biāo)。其指標(biāo)的界限值必須根據(jù)各礦井的試樣進(jìn)行試驗(yàn)確定。
我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定：“開(kāi)采沖擊地壓煤層時(shí)，沖擊危險(xiǎn)程度和采取措施后的實(shí)際效率，可采用鉆粉率指標(biāo)法、地音法、微震法等方法確定”。
1、鉆粉率指標(biāo)法
鉆粉率指標(biāo)法又稱為鉆粉率指數(shù)法或鉆孔檢驗(yàn)法。它是用小直徑(42mm～45mm)鉆孔，根據(jù)打鉆不同深度時(shí)排出的鉆屑量及其變化規(guī)律來(lái)判斷巖體內(nèi)應(yīng)力集中情況，鑒別發(fā)生沖擊地壓的傾向和位置。在鉆進(jìn)過(guò)程中，在規(guī)定的防范深度范圍內(nèi)，出現(xiàn)危險(xiǎn)煤粉量測(cè)值或鉆桿被卡死的現(xiàn)象，則認(rèn)為具有沖擊危險(xiǎn)，應(yīng)采取相應(yīng)的解危措施。
2、地音、微震監(jiān)測(cè)法
巖石在壓力作用下發(fā)生變形和開(kāi)裂破壞過(guò)程中，必然以脈沖形式釋放彈性能，產(chǎn)生應(yīng)力波或聲發(fā)射現(xiàn)象。這種聲發(fā)射亦稱為地音。顯然，聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱反映了煤巖體破壞時(shí)的能量釋放過(guò)程。由此可知，地音監(jiān)測(cè)法的原理是，用微震儀或拾震器連續(xù)或間斷地監(jiān)測(cè)巖體的地音現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)得的地音波或微震波的變化規(guī)律與正常波的對(duì)比，判斷煤層或巖體發(fā)生沖擊傾向度。
[例5—1]山東肥城礦務(wù)局陶莊煤礦用微震儀研究了發(fā)生沖擊礦壓的規(guī)律，結(jié)論為：微震由小而大，間有大小起伏，次數(shù)和聲響頻繁；在一組密集的微震之后變得平靜，是產(chǎn)生沖擊礦壓的前兆現(xiàn)象；稀疏和分散的微震是正常應(yīng)力釋放現(xiàn)象，無(wú)沖擊危險(xiǎn)。
根據(jù)震相曲線和地震學(xué)的知識(shí)，則可以計(jì)算出發(fā)生沖擊地壓的震源位置。由于各種煤巖體的地音和微震特性不同，并且又具有不均質(zhì)性和各向異性等特點(diǎn)，其傳播速度有很大差異。此外，各處的地質(zhì)和開(kāi)采條件也不相同，礦井下又常有強(qiáng)烈的環(huán)境噪音干擾，地音或微震信號(hào)在煤巖體中產(chǎn)生和傳播情況將是很復(fù)雜的，可能產(chǎn)生多次的反射、折射和繞射，還可能發(fā)生波型變換等現(xiàn)象。因而在使用中應(yīng)注意與其他預(yù)測(cè)方法綜合使用，特別是與鉆屑法綜合使用，以保證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
（四）工程地震探測(cè)法
用人工方法造成地震，探測(cè)這種地震波的傳插速度，編制出波速與時(shí)間的關(guān)系圖，波速增大段表示有較大的應(yīng)力作用，結(jié)合地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件分析、判斷發(fā)生沖擊地壓的傾向度。
（五）綜合測(cè)定法
為了能夠更準(zhǔn)確地判斷出發(fā)生沖擊地壓的地點(diǎn)和時(shí)間，可同時(shí)采用上述兩種以上的方法，根據(jù)多因素的變化，綜合加以確定。國(guó)內(nèi)外常使用的是鉆屑法、地音監(jiān)測(cè)法、地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件分析的綜合方法。