(1)冒頂和幫塌
1.頂板冒落特征及其影響因素
地下洞室開挖後，由於卸荷回彈以及應力和水分的重新分布，圍巖特性往往會發生較大變化。如果圍巖不能承受回彈應力或重分布應力的作用，就會發生變形或破壞。圍巖變形破壞的形式和特征不僅與巖體中的初始應力狀態和溶洞形狀有關，而且主要取決於圍巖的巖性和結構(表92)。
冒頂事故是最常見的礦山地質災害之壹，威脅著煤礦工人的人身安全。據不完全統計，我國各種礦山每年因工傷死亡的40%是由礦山冒頂造成的，死亡頻率居各類礦山地質災害之首。
表9-2圍巖變形破壞形式及其與圍巖和結構的關系
繼續的
(根據張倬元等人，1994)
湖南錫礦山南礦的采礦實踐表明，當失去支撐能力的礦柱達到整個采場礦柱的60%左右時，采空區頂板可能會垮塌。壹個采空區的冒落會引起相鄰采空區的連鎖反應，導致采場地壓急劇增大，采場和巷道破壞嚴重，造成人員傷亡。美、英、日等國金屬礦山冒頂事故造成的死亡人數均占井下事故死亡總人數的1/3 ~ 1/2，日本為40.7%，美國為30.2%，英國、俄羅斯、波蘭、比利時約為30% ~ 50%。
我國冶金礦山的冒頂等地壓災害占全部人員傷亡的25% ~ 27%；在近年來大中型煤礦發生的重大死亡事故中，冒頂災害約占30%。
頂板垮落或邊墻垮落的征兆包括:從頂板落下的爐渣由小到大，由稀到密，裂隙數量和寬度增加，煤壁煤質在高壓下軟化，支架被壓斷，瓦斯湧出量突然增加，淋水量增加。
2.采空區處理方法
防止采空區大冒的處理方法可以概括為“充填”、“冒落”、“支護”、“封閉”(隋鵬程，1998)。
1)充填法:采空區開采後，應及時用礫石、尾礦砂、水砂、混凝土等物質充填采空區，以支撐頂板，減輕其對上覆巖土的壓力。比如湖南錫礦山南礦，三次落後，新采區地壓劇增，地表持續下沈。為確保安全，對采空區進行了充分充填，充填率達到90.6%，緩解了地壓活動。
2)崩落法:指深孔爆破使采空區圍巖崩落，充填采空區的方法。
3)支護方法:用支柱或支架支撐采空區，防止危險變形。
4)封閉法:常用於處理遠離主礦體，圍巖坍塌後不會影響主礦體和其他礦體開采的孤立小采空區。封閉這些小采空區的主要目的是防止圍巖突然冒落時空氣沖擊波對人員和設備的危害。
為有效防止冒頂和坍塌，還必須采取合理的開采方案，避免片面追求產量和棄貧，堅決杜絕開采保護煤柱的濫采行為；采用合理的設計方案進行科學的頂板管理；根據圍巖應力集中和分布形式，利用聲發射監測技術等方法確定地應力，預測頂板來壓強度和時間，從而掌握地壓規律，及時采取有效措施；制定科學合理的工作面作業規程、支護規程和采空區處理規程。
(2)巖爆
巖爆又稱巖爆，是指強地壓作用下的脆性煤、礦體或巖體在其極限平衡狀態被破壞時，突然向自由空間釋放能量的動力現象。它是由采礦或隧道挖掘活動誘發的地震。它發生在煤礦、金屬礦和各種人工坑道中。
巖爆發生時，巖石碎塊或煤塊突然從圍巖中彈出，拋出的巖石大小不壹，最大的直徑達到幾米甚至幾十米，最小的只有幾厘米甚至更小。大規模巖爆通常伴隨著強烈的空氣翻騰噪聲，甚至使周圍巖體發生振動。巖爆會破壞洞穴中的采礦設備和配套設施，有時還會造成人員傷亡。
巖爆的類型和特征
由於位置和釋放能量的不同，巖爆表現出許多不同的類型，其特征也不同(張倬元等，1994)。
1)圍巖表面巖石破裂引起的巖爆:大部分發生在深埋隧道或其他類型地下洞室中的中小型巖爆都屬於這種類型。巖爆常發出類似機關槍射擊的爆裂聲，故稱巖石射擊。壹般發生在新掘工作面附近。開挖爆破後2 ~ 3小時，圍巖表層巖石發生爆炸，同時從洞壁圍巖中彈出或剝離出中間厚邊薄的不規則片狀巖石。這種巖爆多發生在地表平坦、有堅硬結節或表面較弱的地方，且多平行於巖壁發生，事前無明顯預兆。
2)礦柱圍巖破壞引起的巖爆:在埋深較大的礦井中，由於圍巖應力較大，往往會破壞礦柱或圍巖，引起巖爆。這種巖爆通常伴隨著劇烈的氣浪和巨響，甚至伴隨著圍巖巖體的強烈震動，破壞力極大，往往對地下開采造成嚴重危害，稱為礦震或巖爆。在煤礦中，這種沖擊地壓多發生在離巷道壁有壹定距離的區域。這種巖爆在四川綿竹天池煤礦發生過多次，最大的壹次把20噸左右的煤甩出20米遠。
3)斷層錯動引起的巖爆:當開挖的洞室或隧道與潛在的活動斷層以小角度相交時，由於開挖作用在斷層面上的法向應力較小，降低了斷層面上的摩擦阻力，往往使斷層突然移動，形成巖爆。這種沖擊地壓壹般發生在構造活躍地區的深井中，破壞性大，影響範圍廣。
2.巖爆發生的條件和機理。
巖爆是洞室圍巖突然釋放大量潛能的嚴重脆性破壞。從產生條件看，高儲能體的存在及其應力接近巖體極限強度是巖爆發生的內在條件，而某些因素的觸發則是巖爆發生的外因(張倬元等，1994)。
圍巖中高儲能體的形成必須滿足兩個條件:①巖體能儲存較大的彈性應變能；②巖體中的應力高度集中。彈性巖體儲能最大，受力變形時能儲存的彈性應變能非常大，而塑性巖體沒有儲存彈性應變能的能力。
從應力條件來看，圍巖高應力集中區的形成首先需要高的原巖應力。但在構造應力高度集中的地區，淺埋隧道也會發生巖爆，甚至可能發生在地表的基坑或采石場。
洞室圍巖表面巖爆常發生在以下高壓集中區:洞室開挖形成的最大壓應力集中區、圍巖表面高變異應力和殘余應力分布區、巖性條件決定的局部應力集中區、斷層、軟弱破碎巖壁或巖脈等軟弱結構面附近形成的應力集中區。
破壞地下洞室的巖爆主要有三種形式:巖體膨脹、巖爆和振動誘發崩落。巖體膨脹是指由於巖石破裂或結構失穩而導致巖體體積增大的現象。如果膨脹量大，過程劇烈，會對洞室造成危害。當來自遠處的擾動地震波能量較高時，洞室圍巖碎塊能以極快的速度(可達2 ~ 3m/s)直接噴入洞室，形成災害，這就是以巖爆形式出現的巖爆。振動誘發巖石崩落是洞室頂部有松散巖石或軟弱面時，在擾動地震波和巨大重力勢能作用下發生的現象。
3.巖爆的預測與預防
(1)巖爆的監測與預測
巖爆災害預測包括巖爆強度、時間和地點的預測。由於地下工程開挖和巖爆本身的復雜性，巖爆預測需要考慮地質條件、開挖和擾動等多種因素。以往的巖爆記錄是預測未來巖爆的重要參考資料。
巖爆預測可分為兩個方面:①在實驗室測定煤巖或巖塊的力學參數，根據彈性變形能指數判斷巖爆發生的概率和危險程度；(2)現場觀察，即通過觀察聲音和振動，觀察和測量掘進工作面鉆孔時的鉆屑數量等。，來預測預測。目前國內外常用的巖爆預測方法有鉆屑法、地球物理法、位移測試法、濕度法、溫度變化法、統計法(張斌等，1999)。
1)鉆屑法或巖芯餅率法:對於強度較高的巖石，如果鉆取的巖芯取出後地表出現餅現象，說明地下存在較高的地應力，可根據壹定厚度的巖芯中巖餅數量的相對大小來判斷。鉆井過程中的動態響應如破裂聲、摩擦聲和鉆井中的卡鉆現象也可用於輔助判斷。
2)地震波預測法:利用巖爆(誘發地震)的信息預測未來開挖過程中的巖爆，建立巖爆的數量、大小、分布與地應力場變化的關系，從而預測大中型巖爆的時空位置、數量和大小。此外，單道地震儀還可用於隧道掌子面及前方巖體的監測，如沿水平線每1 m逐點測試巖石的彈性波速度，利用強度概念推斷巖爆的可能性。
3)聲發射(A-E)法:聲發射A-E法是聲發射法。該方法的建立是基於巖石破壞前的聲發射實驗結果，是對巖爆孕育過程最直接的監測和預測方法。其基本參數是大事件的能量率和頻率，能在壹定程度上反映巖體中的破裂程度和應力增長率。巖爆前通常有壹段能量積累期，是聲發射的平靜期，可視為巖爆前兆。該方法有望在現場直接定量監測巖爆，是壹種很有發展前景的監測預報方法。
巖爆預測是地下工程地質勘探的重要任務之壹。國內外學者在總結現有實踐經驗和研究成果的基礎上，建立了壹些可行的標準。在挪威，采用Barton的方法，單軸抗壓強度(Re)與原地應力的比值(σ1) (α=Re/σ1)作為巖爆的判據:
1)當α = 5 ~ 2.5時，發生中度巖爆；
2)當α < 2.5時，發生嚴重巖爆。
在我國的壹些工程實踐中，經常采用巴頓方法進行預測。如貴州天生橋電站，根據巴頓法判斷隧道施工可能發生中度巖爆，工程開挖的實際情況證明預測基本成功(張倬元等，1994)。
另外，由於巖爆是壹種誘發地震，因此可以用地震震級和發生時間的預測方法來預測巖爆的震級和發生概率。
(2)巖爆的防治
雖然目前還難以徹底解決巖爆問題，但在實踐中已經探索出了壹些行之有效的方法，可以根據開挖工程的實際情況采取不同的防治方法。
1)設計階段預防對策:
孔軸的選擇:壹般認為孔軸方向應與最大主應力方向平行，以改善洞室結構的受力狀況。而使洞室相對穩定的應力條件是圍巖不產生拉應力，壓應力分布均勻，切向壓應力最小。在選擇軸線方向時，應從多方面進行比較選擇，以減少高地應力帶來的不利因素。
洞室斷面形狀的選擇:壹般來說，洞室的斷面形狀有圓形、橢圓形、矩形和倒U形。當斷面寬高比等於側壓系數時，可以綜合考慮各種因素來確定洞室的斷面形狀。
2)施工階段的預防對策:
預應力解除法:在高應力區，洞室開挖後容易產生超高的應力集中。為有效消除應力集中現象，可采用預切割法、表面爆破誘導法和超前鉆孔應力解除法提前釋放地應力。在巖爆危險區鉆淺孔，爆破會在圍巖表面造成松動區，可有效防止破壞性巖爆。開采煤層時，首先將無沖擊地壓或壹般沖擊地壓的煤層作為卸壓層開采。開采時，采用綜合垮落法管理頂板，不留煤柱；對於不易冒頂的頂板，應采用深孔爆破法或強高壓註水法強制放頂。
噴水或鉆孔註水能促進圍巖軟化:在容易發生巖爆的洞室地段，可在爆破後立即對工作面新暴露的圍巖進行噴水，既能降塵又能釋放圍巖應力。由於註水降低了裂紋尖端的能量，裂紋擴展的可能性降低，裂紋周圍的熱能轉化為地震能量的效率降低。從而降低劇烈爆裂的風險。
選擇合適的開挖方法:巖爆是高壓集中的結果。因此，可以采用分步開挖的方式，人為地給圍巖體提供壹定的變形空間，使其內部的高應力緩慢降低，從而達到防止巖爆的目的。
減少巖體暴露的時間和面積:在短進尺、多循環施工過程中，應及時提供支護，盡量減少巖體暴露的時間和面積，防止或減少巖爆。
巖爆的處理措施:壹旦發生巖爆，立即停止並完全避開，詳細觀察巖爆並如實記錄，仔細檢查工作面、邊墻或拱頂，及時處理和加固發生巖爆的區域。
3)合理選擇圍巖支護加固措施:開挖洞室周圍或掌子面前方的圍巖將由單向受力狀態變為三向受力狀態，同時圍巖加固措施還可以防止巖體彈射坍塌。主要支護加固措施有:①噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土加固；(2)鋼筋網和噴射混凝土加固；(3)周邊錨桿加固；④格柵鋼架加固；⑤必要時可采用超前支護。
(3)煤與瓦斯突出
在煤炭地下開采過程中，大量煤(巖)粉和瓦斯(CH4、CO2)突然從煤(巖)壁向采掘工作面噴出，稱為煤與瓦斯突出。大量帶壓氣體從煤或圍巖的裂隙中高速噴出的現象稱為瓦斯噴出。突出和井噴都是在地應力和瓦斯壓力的綜合作用下，伴隨著聲音和劇烈的應力釋放效應的現象。煤與瓦斯突出會破壞巷道設施和通風系統，使巷道充滿瓦斯和煤粉，造成井下礦工窒息或被埋，甚至引起井下火災或瓦斯爆炸。因此，煤與瓦斯突出是煤炭行業嚴重的礦井地質災害。
1.煤與瓦斯突出的特征及影響因素
煤與瓦斯突出是地應力和瓦斯體積膨脹力共同作用的結果，通常以地應力為主，瓦斯膨脹力為輔。煤與瓦斯突出的基本特征是固體煤(粉)在瓦斯流的作用下快速長距離運動，煤、碎塊和粉塵被分選堆積，越小的顆粒被甩得越遠。在突出過程中，大量的氣體(CH4或CO2)被噴出。由於瓦斯壓力遠大於巷道中的通風壓力，噴出的氣體通常是逆風的。煤與瓦斯突出具有明顯的動力效應，可攜帶巨石，推翻礦車，破壞設備，破壞巷道支護設施。
突出煤層具有瓦斯擴散快、濕度低、煤的機械強度低、變化大、滲透性差的特點，大多屬於受構造作用破壞嚴重的“構造煤”。突出的數量和強度隨著煤層厚度的增加而增加，突出最嚴重的煤層壹般是最厚的主煤層。突出時間多發生在放炮落煤過程中。
煤與瓦斯突出災害隨著開采深度的增加而增加，其主要影響因素有地質構造條件、地應力分布、煤質軟硬程度、煤層產狀、厚度及埋深等。壹般來說，煤層深度大，突出次數多，強度也大。
另外，水力沖孔和振動爆破可以在人工控制的地應力作用下使高壓瓦斯煤突出。
2.煤與瓦斯突出的預防措施
預防煤與瓦斯突出主要有四項技術措施:
1)首先開采無突出危險性或突出危險性較小的煤層。由於開采的影響，地應力以彈性勢緩慢釋放，煤層因卸壓而膨脹變形，滲透性增大，或因層間巖石移動而形成裂隙和孔隙，具有突出危險的煤層瓦斯壓力和瓦斯含量明顯降低，從而避免或降低煤與瓦斯突出的危險。
2)在有突出危險的煤層中，均勻布置鉆孔，提前壹定時間抽采瓦斯，以降低瓦斯壓力和瓦斯含量，降低地應力，增加煤層強度。
3)在工作面前方壹定距離的煤體中預先打壹定數量的大直徑鉆孔，使煤層中的瓦斯提前釋放。
4)采用堵、排、排等綜合方法處理洞內積聚的瓦斯。
為了防止煤與瓦斯突出造成的嚴重危害，必須加強煤層頂板管理和地應力監測，加強對從業人員的安全教育。