姜耀東，潘一山，姜福興，竇林名，鞠 楊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；4.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

我國(guó)煤炭開(kāi)采中的沖擊地壓機(jī)理和防治

姜耀東1，2，潘一山3，姜福興2，4，竇林名5，鞠 楊1，2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；4.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

總結(jié)了我國(guó)煤礦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)，分析了沖擊地壓、巖爆和礦震之間存在的聯(lián)系和區(qū)別，建立了煤礦沖擊地壓的3種力學(xué)模型：材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。提煉出煤炭開(kāi)采中的沖擊地壓研究需要解決的4個(gè)方面的科學(xué)問(wèn)題：地質(zhì)賦存環(huán)境對(duì)沖擊地壓的作用機(jī)制及量化分析方法、深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征、采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理、煤礦沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治方法，總結(jié)歸納了近年來(lái)我國(guó)在沖擊地壓機(jī)理與防治技術(shù)方面的研究成果以及存在問(wèn)題，指出了今后我國(guó)煤礦提高沖擊地壓防治水平的努力方向。

沖擊地壓；煤炭開(kāi)采；沖擊地壓分類；沖擊地壓防治；機(jī)理

隨著煤炭資源開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的增加，礦井沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害日益加劇，嚴(yán)重地威脅著煤礦開(kāi)采的安全[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1985年我國(guó)沖擊地壓煤礦有32個(gè)，而2011年底，發(fā)生沖擊地壓的礦井就多達(dá)142個(gè)，同時(shí)，全國(guó)有近50個(gè)礦井開(kāi)采深度達(dá)到或超過(guò)1 000 m；2006—2013年，先后有新汶、撫順、華亭、北京、義馬、阜新、鶴崗、七臺(tái)河、平頂山等煤炭生產(chǎn)企業(yè)因沖擊地壓而導(dǎo)致的重大傷亡事故多達(dá)35次，造成300余人死亡，上千人受傷。沖擊地壓的破壞程度也呈增大趨勢(shì)，僅2011-11-03發(fā)生在河南義馬千秋煤礦的一起沖擊地壓事故[2]就造成10人死亡，64人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2 748.48萬(wàn)元。

統(tǒng)計(jì)分析表明，各種類型的礦井都有沖擊地壓發(fā)生的報(bào)告，各類煤層都發(fā)生過(guò)沖擊現(xiàn)象，地質(zhì)構(gòu)造從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，礫巖、砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖頂板都發(fā)生過(guò)沖擊地壓。開(kāi)采深度最淺的只有157 m，2011-03-24神華新疆有限責(zé)任公司烏東煤礦北采區(qū)發(fā)生沖擊地壓造成1人死亡，2人受傷。但隨著深部開(kāi)采深度的增加，沖擊地壓的頻度和強(qiáng)度都在增加。從采煤方法來(lái)講，長(zhǎng)壁、短壁、房柱式、放頂煤、分層開(kāi)采等都發(fā)生過(guò)沖擊地壓；從采煤工藝來(lái)講，綜采、普采、炮采、水采、水砂充填等各種工藝也都發(fā)生過(guò)沖擊地壓。

煤礦沖擊地壓不僅危害程度大，影響面廣，而且是誘發(fā)其它煤礦重大事故的根源。沖擊地壓的發(fā)生可能誘發(fā)瓦斯異常涌出、瓦斯爆炸等重特大災(zāi)害[3]。2003年淮北蘆嶺煤礦“5·13”沖擊地壓誘發(fā)瓦斯爆炸事故，造成84人死亡；2005年“2·14”阜新孫家灣煤礦瓦斯突出就是因沖擊地壓誘發(fā)大量瓦斯涌出，進(jìn)而發(fā)生特大瓦斯爆炸，死亡214人；新汶華豐煤礦在開(kāi)采山西組4煤層過(guò)程中，頻繁發(fā)生沖擊地壓，沖擊地壓又導(dǎo)致頂板水的大量突出，在該礦工作面突水量增大的次數(shù)與沖擊地壓發(fā)生的次數(shù)成正相關(guān)[4]。

我國(guó)是采煤大國(guó)，2012年中國(guó)采出了36.5億t原煤，占世界煤炭總產(chǎn)量的47.5%，加之煤田地質(zhì)條件的復(fù)雜性，我國(guó)的煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}尤為突出。學(xué)術(shù)界對(duì)煤礦沖擊地壓的機(jī)理和防治問(wèn)題一直非常重視[5-7]，2001年11月的175次香山科學(xué)會(huì)議、2010年7月的中國(guó)科協(xié)51次新觀點(diǎn)新學(xué)說(shuō)“巖爆機(jī)理探索”學(xué)術(shù)沙龍、2012年11月的中國(guó)工程院巖爆突水工程科技論壇、2013年8月全國(guó)防治煤礦沖擊地壓高端論壇等都把煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}作為重點(diǎn)探討；2004年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)設(shè)立的重大項(xiàng)目“深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用”、2010年國(guó)家科技部設(shè)立的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“煤炭深部開(kāi)采中的動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與防治基礎(chǔ)研究”也是重點(diǎn)研究煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}。但是由于問(wèn)題的復(fù)雜性，目前對(duì)沖擊地壓的機(jī)理和防治技術(shù)的研究還不夠充分，需進(jìn)行長(zhǎng)期艱苦的探索和實(shí)踐才可能取得突破進(jìn)展。

1 沖擊地壓的界定與分類

1.1 沖擊地壓的界定

沖擊地壓、巖爆與礦震[8-9]是地下工程和采礦工程領(lǐng)域常見(jiàn)的巖石動(dòng)力破壞現(xiàn)象，但一直以來(lái)人們對(duì)于沖擊地壓、礦震和巖爆等術(shù)語(yǔ)的理解仍不夠清晰。由于行業(yè)背景的差異，在我國(guó)水電交通隧道等行業(yè)將這種現(xiàn)象稱之為巖爆，而在煤礦和冶金等采礦行業(yè)稱之為沖擊地壓或礦震。全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定公布的這3個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義分別如下：

沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體，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。

巖爆是指地下工程開(kāi)挖過(guò)程中由于應(yīng)力釋放出現(xiàn)圍巖表面自行松弛破壞并噴射出來(lái)的現(xiàn)象。

礦震是指井巷或工作面周圍煤巖體中突然在瞬間發(fā)生伴有巨響和沖擊波的震動(dòng)但不發(fā)生煤巖拋出的彈性變形能釋放現(xiàn)象。

現(xiàn)在巖石力學(xué)界的部分學(xué)者認(rèn)為沖擊地壓和巖爆是同一巖石動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，把沖擊地壓和巖爆作為同義詞合并，但有煤礦行業(yè)背景的學(xué)者并不認(rèn)同這種觀點(diǎn)，這在2010年7月的中國(guó)科協(xié)51次新觀點(diǎn)新學(xué)說(shuō)“巖爆機(jī)理探索”學(xué)術(shù)沙龍上討論爭(zhēng)論中表現(xiàn)得尤其突出。

這種理解上的差異是由于行業(yè)對(duì)工程的要求不同所產(chǎn)生的。在煤炭行業(yè)，由于井巷或工作面工程的相對(duì)臨時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性要求，通常是可以容忍井巷或工作面的圍巖發(fā)生變形或破壞，只要圍巖結(jié)構(gòu)不失穩(wěn)而滿足安全生產(chǎn)要求即可；而水電交通行業(yè)的隧道等地下工程是百年大計(jì)，這些工程是不能容許圍巖發(fā)生破壞和產(chǎn)生大變形的。另外，采動(dòng)應(yīng)力的存在是煤礦等礦業(yè)工程的一大特點(diǎn)，水電交通行業(yè)的隧道工程擾動(dòng)應(yīng)力影響的范圍和程度與煤礦采動(dòng)引起的擾動(dòng)存在數(shù)量級(jí)別的差異。

沖擊地壓和巖爆的共同點(diǎn)是“在地應(yīng)力高的巖體中開(kāi)挖硐室，由于圍巖應(yīng)力突然釋放，巖塊破裂并拋出的動(dòng)力現(xiàn)象”。差異在于，采礦工程中把這種動(dòng)力現(xiàn)象是否產(chǎn)生“破壞性”、是否成為“災(zāi)害”作為是否發(fā)生沖擊地壓的標(biāo)志。如果這種動(dòng)力破壞沒(méi)有成為“災(zāi)害”、不影響安全生產(chǎn)，可以不予理睬，即可以不采取治理措施，否則就要采取治理措施。因此，煤炭行業(yè)通常只把需要采取治理措施的巖石破壞動(dòng)力現(xiàn)象稱為沖擊地壓。這種是否產(chǎn)生“破壞性”、是否成為“災(zāi)害”的確定對(duì)采礦行業(yè)是十分必要的，因?yàn)閲?guó)家《煤礦安全規(guī)程》和《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》中對(duì)沖擊地壓礦井有特殊的防治要求，這將直接影響煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。

另外國(guó)際上關(guān)于巖爆的定義也是多樣的，有興趣的讀者可參考文獻(xiàn)[10]。

礦震是在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下，受開(kāi)采活動(dòng)影響而發(fā)生的一種誘發(fā)地震。礦震除了可由采礦活動(dòng)引起外，地面活動(dòng)、采空區(qū)頂板冒落、煤層片幫、沖擊地壓和巖爆等都有可能誘發(fā)礦震。盡管有許多礦震并不造成災(zāi)害，但有些礦震可能會(huì)誘發(fā)沖擊地壓，反過(guò)來(lái)強(qiáng)烈的沖擊地壓也能夠引起礦震。

1.2 沖擊地壓的分類

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度提出了不同的沖擊地壓分類方法。如按沖擊地壓發(fā)生位置可分為煤層沖擊地壓、頂板沖擊地壓和底板沖擊地壓；按沖擊壓力來(lái)源可分為重力型、構(gòu)造型和重力-構(gòu)造型；按沖擊能量大小可分為微沖擊、弱沖擊、中等沖擊、強(qiáng)沖擊和災(zāi)難性沖擊類型等[11]；Rice從煤巖材料受載類型和破壞形式將沖擊地壓分為受靜載引起的應(yīng)力型沖擊失穩(wěn)和受動(dòng)載引起的震動(dòng)型沖擊失穩(wěn)；佩圖霍夫根據(jù)沖擊地壓與工作面的位置關(guān)系將沖擊地壓分為兩類：一類是發(fā)生在工作面的由采掘活動(dòng)直接引起的沖擊地壓，另一類是遠(yuǎn)離工作面，由于礦區(qū)或井田內(nèi)大區(qū)域范圍的應(yīng)力重分布引起的沖擊地壓[12]；潘一山等[13]根據(jù)對(duì)我國(guó)沖擊地壓現(xiàn)狀的研究，將之分為煤體壓縮型沖擊地壓、頂板斷裂型沖擊地壓和斷層錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓3種基本類型；何滿潮等[14]通過(guò)對(duì)煤巖沖擊失穩(wěn)的能量聚積和轉(zhuǎn)化特征的研究，建立了以復(fù)合型能量轉(zhuǎn)化為中心的煤巖沖擊失穩(wěn)分類體系，將沖擊地壓分為單一能量誘發(fā)型和復(fù)合能量轉(zhuǎn)化誘發(fā)型兩大類，其中單一能量型又可分為固體能量誘發(fā)型、氣體能量誘發(fā)型、液體能量誘發(fā)型、頂板垮落能量誘發(fā)型和構(gòu)造能量誘發(fā)型，該分類方法較以往的按沖擊能量特征分類更突出煤巖沖擊失穩(wěn)的本源和主要影響因素。

更多的學(xué)者按照煤巖沖擊失穩(wěn)的物理特征進(jìn)行分類研究，總結(jié)起來(lái)可將沖擊地壓分為3類：① 巖爆型沖擊地壓，是指在高應(yīng)力作用下，煤巖材料發(fā)生彈射、爆炸式的破壞；② 頂板垮落型沖擊地壓，上覆厚且堅(jiān)硬的頂板懸伸在礦柱上，達(dá)到一定跨度折斷或垮落時(shí)對(duì)礦柱形成壓力波，引起礦柱煤體的瞬時(shí)破壞；③ 構(gòu)造型沖擊地壓，構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤巖體發(fā)生突然的失穩(wěn)沖擊。

沖擊地壓現(xiàn)象的本質(zhì)是高應(yīng)力狀態(tài)作用下煤巖體的突然失穩(wěn)破壞。從應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致煤巖體的突然失穩(wěn)破壞的本質(zhì)對(duì)沖擊地壓的進(jìn)行分類研究，本文將煤礦沖擊地壓分為3類：材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。

(1)材料失穩(wěn)型沖擊地壓。

材料失穩(wěn)型沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體在開(kāi)挖過(guò)程中，煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度后，煤巖材料內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展、貫通、匯聚，并導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的煤巖體發(fā)生彈射、爆炸式的破壞而發(fā)生的沖擊突出。材料失穩(wěn)型沖擊地壓如圖1(a)所示。

圖1 沖擊地壓的三種類型示意圖Fig.1 The scheme of three types of coal bump

(2)滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓。

滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓如圖1(b)所示，是指在采動(dòng)影響下由于頂?shù)装迮c煤層剛度的不同而導(dǎo)致的煤層滑移錯(cuò)動(dòng)沖擊擠出，如Lippmann研究的煤層平動(dòng)突出模型[15]；或井巷附近的斷層、構(gòu)造或結(jié)構(gòu)面的滑移錯(cuò)動(dòng)誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。

(3)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。

井巷或工作面周圍巖體，由于采動(dòng)應(yīng)力或頂板大面積懸頂突然破斷或礦震誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，經(jīng)常是煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出而發(fā)生整體井巷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如圖1(c)所示。如孤島工作面的開(kāi)采、煤柱的回收、堅(jiān)硬頂板下的煤層開(kāi)采等。例如2008-06-05千秋煤礦發(fā)生的一起沖擊地壓事故，采場(chǎng)圍巖瞬間釋放的巨大能量致使105 m長(zhǎng)的巷道工程發(fā)生沖擊突出破壞。

在煤炭開(kāi)采實(shí)踐中，第2,3類的沖擊地壓所引發(fā)的破壞通常比第1類更劇烈，這類沖擊地壓沖出煤量大、動(dòng)能多、震動(dòng)大，往往造成巨大的破壞和嚴(yán)重后果。

2 沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與防治研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

生產(chǎn)實(shí)踐表明煤礦沖擊地壓這種動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生時(shí)一般沒(méi)有明顯的宏觀前兆，具有突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、巨大破壞性特征，事先難以確定發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度。從力學(xué)本質(zhì)上講煤礦沖擊地壓是特定地質(zhì)賦存條件下的煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動(dòng)在變形破壞過(guò)程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，是其外部荷載環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反映，其形成過(guò)程非常復(fù)雜，涉及地質(zhì)、采礦、地球物理、巖石力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科，同時(shí)該問(wèn)題具有明顯的時(shí)空演化特征。

與地下廠房、水電硐室、地鐵隧道等其它行業(yè)地下工程相比，煤礦開(kāi)采具有十分鮮明的特征：① 開(kāi)采空間范圍大。我國(guó)深部煤礦普遍采用長(zhǎng)壁開(kāi)采方法，形成了數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)立方米的開(kāi)采空間，開(kāi)采范圍之大、采動(dòng)波及之廣是其他任何地下工程不能比擬的。② 開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)烈。大空間快速推采的長(zhǎng)壁開(kāi)采方法對(duì)圍巖形成強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)，引起上覆巖層垮落、地表大面積變形沉降，尤其是對(duì)于深部一礦一面集中開(kāi)采的千萬(wàn)噸級(jí)礦井而言，開(kāi)采所導(dǎo)致大范圍的強(qiáng)烈擾動(dòng)更是淺部開(kāi)采和其它地下工程所不能比擬的。③ 介質(zhì)屬性和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。除了深部煤田地質(zhì)賦存條件的復(fù)雜性外，大范圍開(kāi)采對(duì)采掘空間周圍煤巖體形成反復(fù)擾動(dòng)，使之多次經(jīng)歷變形、破壞過(guò)程，致使煤巖體的介質(zhì)屬性既具有斷續(xù)結(jié)構(gòu)特征，又具有破斷介質(zhì)屬性；工作面處于高地應(yīng)力和強(qiáng)卸荷共同作用下，采掘誘致地應(yīng)力重分布時(shí)空關(guān)系復(fù)雜，高應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移、傳遞引起的煤巖體能量耗散與能量釋放過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征明顯，極易誘發(fā)沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。

我國(guó)學(xué)者通過(guò)多年研究，提出煤炭開(kāi)采中沖擊地壓機(jī)理和防治技術(shù)領(lǐng)域需解決的4個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：

(1)地質(zhì)賦存條件對(duì)沖擊地壓的作用機(jī)制及量化分析方法。

在長(zhǎng)期的地質(zhì)演變過(guò)程中深部煤巖體內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的變形能，其儲(chǔ)能程度和原巖應(yīng)力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分，也取決于地質(zhì)構(gòu)造、斷層、褶曲的程度。同時(shí)深部煤層開(kāi)采時(shí)堅(jiān)硬頂板(特別是厚層砂巖頂板)的運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)也是導(dǎo)致礦柱和采場(chǎng)巷道工作面發(fā)生瞬時(shí)沖擊動(dòng)力災(zāi)害的誘因。因此沖擊地壓災(zāi)害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力異常密切相關(guān)，如何科學(xué)定量描述地質(zhì)賦存條件的作用機(jī)制及其與煤礦沖擊地壓災(zāi)害的相關(guān)性是一個(gè)共性科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)研究這一科學(xué)問(wèn)題，揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造和原巖應(yīng)力條件對(duì)煤礦深井動(dòng)力災(zāi)害成災(zāi)的作用機(jī)制。

(2)深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征。

深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結(jié)構(gòu)。深部煤炭的集中開(kāi)采強(qiáng)烈擾動(dòng)使得采場(chǎng)和巷道周圍的煤巖體不可避免地發(fā)生變形和破壞從而形成斷續(xù)結(jié)構(gòu)。在多次開(kāi)采擾動(dòng)和長(zhǎng)期的流變過(guò)程中，這種斷續(xù)結(jié)構(gòu)煤巖體會(huì)出現(xiàn)新的破裂和強(qiáng)度不斷衰減的循環(huán)過(guò)程，從而導(dǎo)致大變形、強(qiáng)流變和超低摩擦效應(yīng)，在一定條件下將會(huì)引起沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。在深部煤炭開(kāi)采工程中，巷道圍巖的破壞并不意味著巷道的失效，圍巖的突發(fā)性動(dòng)力破壞是由于斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結(jié)果。因此通過(guò)探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征這一科學(xué)問(wèn)題，研究斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及破裂后的變形破壞特征，研究允許圍巖破壞但限制其變形發(fā)展的穩(wěn)定條件，從而搞清楚巷道圍巖破裂后(峰后)的力學(xué)響應(yīng)、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動(dòng)力失穩(wěn)控制對(duì)策。

(3)采動(dòng)應(yīng)力分布、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理。

開(kāi)采前煤巖體處于深部三維應(yīng)力平衡狀態(tài)下，開(kāi)采活動(dòng)打破了原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致采場(chǎng)三維空間中的宏觀應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的重新分布，這種應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化與發(fā)展必然為動(dòng)力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。因此通過(guò)研究采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理，可以揭示深部裂隙煤巖體在開(kāi)采過(guò)程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系。

(4)沖擊地壓的多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治的理論與方法。

在沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害孕育發(fā)展過(guò)程中，煤巖體中應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化并同時(shí)伴隨能量的釋放，其中，微震、聲發(fā)射、電磁輻射就是這種釋放過(guò)程的物理效應(yīng)之一。研究煤巖體在變形破壞過(guò)程中的應(yīng)力、微震、聲發(fā)射、電磁輻射等前兆信息規(guī)律，通過(guò)監(jiān)測(cè)、分析井巷和采場(chǎng)附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動(dòng)等前兆信息的多參量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，就可以建立沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)和有效防治。同時(shí)從沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的條件入手，探討開(kāi)拓開(kāi)采巷道布置方式、開(kāi)采順序、保護(hù)層開(kāi)采等方法控制應(yīng)力分布的機(jī)理；研究新礦井在開(kāi)采設(shè)計(jì)階段或已生產(chǎn)礦井對(duì)未開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行合理開(kāi)采設(shè)計(jì)與保護(hù)層開(kāi)采對(duì)防止沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理，提出煤礦深部開(kāi)采的優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)理論與方法。

3 沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù)研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

3.1 煤礦發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)構(gòu)造條件及相互作用機(jī)制

深部煤礦沖擊地壓的形成與礦井深部區(qū)域地質(zhì)特征、構(gòu)造形成演化過(guò)程及區(qū)域應(yīng)力環(huán)境等因素有著密切的關(guān)系，深部煤層所經(jīng)歷地質(zhì)演化控制著煤層的產(chǎn)狀、展布和厚度，影響著地質(zhì)構(gòu)造的賦存、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)或殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布。地質(zhì)的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了多種地質(zhì)構(gòu)造，而這些構(gòu)造的特征直接決定著礦井地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生條件，也是誘發(fā)煤礦沖擊地壓的主要因素。研究表明煤巖的沖擊傾向性、斷層和褶曲賦存狀況、上覆巖層賦存條件是誘發(fā)沖擊地壓的主要地質(zhì)條件。

煤層沖擊傾向性指標(biāo)最早由波蘭學(xué)者提出，我國(guó)目前用彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間和單軸抗壓強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)作為煤層的沖擊傾向性指標(biāo)。通過(guò)對(duì)近10年我國(guó)發(fā)生沖擊地壓的礦井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中強(qiáng)沖擊傾向性占29%，中等沖擊傾向性占8%，弱沖擊傾向性占38%，未做沖擊傾向性鑒定占25%，說(shuō)明大部分發(fā)生沖擊地壓礦井的煤層都具有沖擊傾向性。但在一些沒(méi)有沖擊傾向性的礦井也發(fā)生了沖擊地壓，如徐州權(quán)臺(tái)礦、平頂山十礦和北京大安山礦均為軟弱無(wú)沖擊傾向煤層。考慮到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的煤巖沖擊傾向性測(cè)定只是針對(duì)煤巖樣進(jìn)行的單軸實(shí)驗(yàn)，未能體現(xiàn)煤巖體大尺度結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力的影響，建議將煤巖的沖擊傾向性與煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)異常條件、煤巖受力狀態(tài)和采動(dòng)影響等因素聯(lián)系起來(lái)對(duì)煤層沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的另一個(gè)主要地質(zhì)因素為斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了煤礦沖擊地壓的發(fā)生與向斜軸部、特別是構(gòu)造變化區(qū)、斷層附近、煤層傾角變化帶、煤層褶皺、構(gòu)造應(yīng)力帶等區(qū)域的關(guān)系[16-18]。我國(guó)學(xué)者一個(gè)重要的研究進(jìn)展就是發(fā)現(xiàn)了不同斷層類型與沖擊地壓發(fā)生的關(guān)聯(lián)性[19]，地質(zhì)構(gòu)造控制的沖擊地壓分為增壓和減壓2種類型，工作面過(guò)逆斷層時(shí)為增壓型，如義馬、鮑店等礦區(qū)的向斜沖構(gòu)造，容易引發(fā)強(qiáng)烈的沖擊地壓；工作面過(guò)正斷層時(shí)為減壓型，不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。義馬煤田位于東北邊界的岸上斷層、西北邊界的扣門(mén)山—坡頭斷層及南部邊界的F16逆沖斷層所組成的三角形斷塊范圍內(nèi)，位于這一范圍內(nèi)的躍進(jìn)煤礦和千秋煤礦都是沖擊地壓的重災(zāi)區(qū)。2011-11-03，義煤集團(tuán)千秋煤礦21221掘進(jìn)工作面下巷發(fā)生能量0.35 GJ、震級(jí)4.1級(jí)的沖擊地壓事故，造成10人死亡，60余人受傷。

確定斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造類型非常重要。目前對(duì)誘發(fā)深部煤礦沖擊地壓的地質(zhì)條件的精細(xì)探測(cè)主要集中在煤層賦存形態(tài)和小斷層的精確描述。國(guó)內(nèi)外在對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)技術(shù)主要有探地雷達(dá)技術(shù)、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、三維地震勘探技術(shù)等。而對(duì)于探測(cè)數(shù)據(jù)的成像方法研究動(dòng)向則是從各向同性疊前時(shí)間成像向各向異性疊前深度成像發(fā)展[20-22]。

上覆巖層狀況(包括堅(jiān)硬頂板、巨厚覆巖)也是影響沖擊地壓是否發(fā)生的重要因素，在受到采動(dòng)影響的條件下，由于堅(jiān)硬頂板不能及時(shí)垮落，大面積懸頂而導(dǎo)致應(yīng)力和能量集聚，從而形成動(dòng)載誘發(fā)沖擊地壓或礦震，如新汶、大同和兗州等礦區(qū)。

今后應(yīng)針對(duì)我國(guó)深部煤炭資源開(kāi)采的實(shí)際情況，研究深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)性質(zhì)與動(dòng)力突出之間的關(guān)系，從本質(zhì)上把握煤、巖石的宏觀力學(xué)特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性；研究煤層斷層褶曲構(gòu)造特征與構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律，建立地球物理信號(hào)精細(xì)探測(cè)響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測(cè)方法；研究煤巖石礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述，構(gòu)建煤、巖石組分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)沖擊傾向性的判別準(zhǔn)則。

3.2 煤礦沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理

如前所述，我國(guó)是世界上采煤量最多的國(guó)家，也是沖擊地壓發(fā)生最多的國(guó)家，因此學(xué)術(shù)界對(duì)煤礦沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理非?；钴S，將沖擊地壓過(guò)程作為動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析，基于彈性、塑性理論和穩(wěn)定性理論，對(duì)沖擊地壓的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，先后提出了剛度理論、強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向理論、變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論、剪切滑移理論、三準(zhǔn)則理論、“三因素”理論、強(qiáng)度弱化減沖理論、復(fù)合型厚煤層“震沖”機(jī)理、巖體動(dòng)力失穩(wěn)的折迭突變機(jī)理、沖擊啟動(dòng)理論、煤巖組合沖擊機(jī)理、沖擊地壓和突出的統(tǒng)一失穩(wěn)理論等[23-25]。文獻(xiàn)資料表明，我國(guó)是提出沖擊地壓機(jī)理和理論最多的國(guó)家。

沖擊機(jī)理研究大致可分為3類：第1類是從研究煤巖材料的物理力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，分析煤巖體失穩(wěn)破壞特點(diǎn)以及誘使其失穩(wěn)的固有因素，同時(shí)利用混沌、分叉等非線性理論來(lái)研究沖擊失穩(wěn)過(guò)程；第2類是從研究突出區(qū)域所處的地質(zhì)構(gòu)造以及變形局部化出發(fā)，分析地質(zhì)弱面和煤巖體幾何結(jié)構(gòu)和沖擊地壓之間的相互關(guān)系；第3類是研究工程擾動(dòng)(如放炮所產(chǎn)生的震動(dòng)波等)和采動(dòng)影響與沖擊地壓之間的關(guān)系。

應(yīng)當(dāng)指出，盡管目前關(guān)于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的觀點(diǎn)或?qū)W說(shuō)較多，但還不能有效用于解釋和指導(dǎo)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治。例如比較有影響的“三因素”理論，認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓必須同時(shí)具備三因素，即內(nèi)存因素煤巖體具有沖擊傾向性，應(yīng)力因素即有超過(guò)煤巖體破壞強(qiáng)度的應(yīng)力作用，結(jié)構(gòu)條件即具有弱面和容易引起突變滑動(dòng)的層狀介面，只有同時(shí)具備這3個(gè)條件才會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，否則不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。但如前所述，在一些測(cè)定為無(wú)沖擊傾向性煤層的礦井也發(fā)生了沖擊地壓。

究其原因，并不是學(xué)者們?cè)跊_擊地壓機(jī)理方面的研究方法不對(duì)，問(wèn)題的關(guān)鍵在于如前所述沖擊地壓存在3種不同的分類，每一種理論可以去解釋一種條件下發(fā)生的沖擊地壓，很難用統(tǒng)一的理論去解釋所有的沖擊地壓現(xiàn)象。同時(shí)，沖擊地壓的機(jī)理研究非常重要，只有充分理解了其機(jī)理才可能采取合理的監(jiān)測(cè)與防治措施。

深部煤礦開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化與發(fā)展必然為沖擊地壓的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。沖擊地壓是一種能量釋放在時(shí)間上非穩(wěn)定、在空間上非均勻的過(guò)程；即從時(shí)間上看，煤巖體中能量釋放速率大于消耗能量速率，則系統(tǒng)的破壞是不穩(wěn)定的；從空間上看，各點(diǎn)處的能量釋放量構(gòu)成了空間能量釋放梯度。在總釋放量相同的條件下，如果能量釋放的空間分布是不均勻的，或者說(shuō)是集中在某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)上，則在這些點(diǎn)上所釋放的能量就有可能克服周圍煤巖體的阻力，從而形成沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害。在高應(yīng)力和強(qiáng)擾動(dòng)的深部開(kāi)采環(huán)境中，采動(dòng)空間能量場(chǎng)的時(shí)空演化過(guò)程直接決定了沖擊地壓的發(fā)生特點(diǎn)和孕育條件。這種沖擊地壓的能量場(chǎng)觀點(diǎn)就有助于我們?nèi)パ芯繀^(qū)域性監(jiān)測(cè)技術(shù)，例如地震波CT 技術(shù)和微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。

隨著開(kāi)采深度和開(kāi)采擾動(dòng)的增加，多因素耦合致災(zāi)機(jī)理的特點(diǎn)也越發(fā)明顯[26-27]。研究深部裂隙煤巖體在開(kāi)采過(guò)程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系，利用非線性分叉理論和混沌動(dòng)力學(xué)來(lái)研究煤巖體細(xì)觀破裂演化誘致煤巖體發(fā)生的沖擊地壓的全過(guò)程應(yīng)成為今后主要的攻關(guān)方向，也必將為探索沖擊地壓災(zāi)害機(jī)理與防治的新途徑。

3.3 采動(dòng)覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與沖擊地壓孕災(zāi)過(guò)程

我國(guó)煤礦普遍采用長(zhǎng)壁開(kāi)采方法，隨著采場(chǎng)的不斷推進(jìn)，覆巖空間結(jié)構(gòu)是在變化之中，其采動(dòng)應(yīng)力的大小和分布范圍也是在變化之中，存在“第一次來(lái)壓”和“正常推進(jìn)”兩種采動(dòng)應(yīng)力分布特征。針對(duì)深部開(kāi)采條件下覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)耦合特點(diǎn)以及應(yīng)力與能量突變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，我國(guó)學(xué)者提出了 “覆巖空間結(jié)構(gòu)-空間應(yīng)力場(chǎng)-區(qū)域性沖擊”與“局部應(yīng)力異常-微震”的深部動(dòng)力災(zāi)害多尺度非線性動(dòng)力學(xué)模型[28]，研究相鄰采場(chǎng)的影響、多層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起的多次沖擊和礦震、采空區(qū)一次“見(jiàn)方”和多重“見(jiàn)方”等階段引起的沖擊地壓等，采用“動(dòng)-靜應(yīng)力場(chǎng)理論”進(jìn)行工作面巷道的合理布置和評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，從而揭示不同尺度、不同量級(jí)動(dòng)力災(zāi)害相互耦合的孕災(zāi)過(guò)程和觸發(fā)機(jī)制。

根據(jù)姜福興的研究，典型的覆巖空間結(jié)構(gòu)可分為4種[28-29]：一面采空(四周為實(shí)體煤)的首采工作面，兩面采空的工作面，因跳采而留下的三面采空孤島工作面，因跳采和厚煤層由分層轉(zhuǎn)為放頂煤開(kāi)采而形成的四面采空的孤島工作面。從開(kāi)采技術(shù)因素來(lái)看，要盡量避免由于開(kāi)采設(shè)計(jì)方案不合理或由于采掘接替緊張而形成的孤島工作面。在四面采空的孤島工作面空間結(jié)構(gòu)中，當(dāng)放頂煤工作面推進(jìn)到接近上分層工作面的停采線時(shí)，煤柱將發(fā)生2種可能的災(zāi)害：一是煤柱突然破裂失穩(wěn)，發(fā)生沖擊地壓或煤層突出；二是煤柱逐漸破裂，工作面巷道圍巖快速變形從而封堵巷道和工作面內(nèi)煤壁大面積片幫。

今后要進(jìn)一步研究深部煤炭開(kāi)采中上覆巖層整體彎曲帶中三維宏觀應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律，探索長(zhǎng)壁工作面在不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同開(kāi)采方法條件下的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)在上覆巖層彎曲帶和斷裂帶中分布與轉(zhuǎn)移特征，研究直接頂和基本頂在裂隙與垮落過(guò)程中的應(yīng)力變化特征，研究煤柱和巷道圍巖中采動(dòng)支承壓力分布規(guī)律和位移變形的變化規(guī)律，揭示煤巖動(dòng)力災(zāi)害的采動(dòng)效應(yīng)機(jī)理。研究煤層厚度、工作面長(zhǎng)度與推進(jìn)速度等參數(shù)對(duì)基本頂和直接頂破斷與垮落過(guò)程的影響規(guī)律，探索不同層位關(guān)鍵巖層的破斷形式、影響范圍、瞬間能量釋放和傳播的巖體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，得到堅(jiān)硬頂板第1次裂斷或周期性裂斷時(shí)的能量釋放特征。探索局部動(dòng)力災(zāi)害的耦合效應(yīng)、激增機(jī)制及誘發(fā)頂板與巷道整體動(dòng)力失穩(wěn)的互饋效應(yīng)與觸發(fā)條件，建立考慮覆巖結(jié)構(gòu)局部動(dòng)力破壞與支護(hù)體系互饋?zhàn)饔玫母矌r空間運(yùn)動(dòng)及變形的理論模型和調(diào)控方法。

3.4 煤礦沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與綜合防治方法

近年來(lái)我國(guó)在沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，一些高技術(shù)含量的監(jiān)測(cè)設(shè)備被引入到?jīng)_擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警中來(lái)。目前，我國(guó)煤礦監(jiān)測(cè)預(yù)警沖擊地壓的主要方法有礦壓觀測(cè)法、鉆屑法、頂板動(dòng)態(tài)儀、鉆孔應(yīng)力測(cè)量法、電磁輻射法、地音法、微震法、地震CT 技術(shù)、電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。從物理本質(zhì)分類，礦壓觀測(cè)法、鉆屑法、頂板動(dòng)態(tài)儀、鉆孔應(yīng)力測(cè)量法屬于基于巖石力學(xué)原理的直觀接觸式監(jiān)測(cè)方法，主要以監(jiān)測(cè)沖擊地壓發(fā)生前圍巖變形、離層、應(yīng)力變化、動(dòng)力現(xiàn)象等特征為主；而電磁輻射法、地音法、微震法、地震CT 技術(shù)、電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)屬于地球物理方法。地音和微震都是的監(jiān)測(cè)煤巖破裂時(shí)的震動(dòng)效應(yīng)，區(qū)別在于各自接收震動(dòng)事件的頻率范圍不同。地音接收高頻低能事件，而微震接收低頻高能事件。電磁輻射法和電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是測(cè)量煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中程度，地震CT 技術(shù)是通過(guò)聲發(fā)射來(lái)反演煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布圖像。在上述各種方法中，鉆屑法、微震法和地音法是較常用的沖擊地壓監(jiān)測(cè)手段。鉆屑法由德國(guó)首先提出，我國(guó)《沖擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》都將鉆屑法作為確定沖擊危險(xiǎn)程度和采取措施后的效果檢驗(yàn)方法。微震法和地音法在我國(guó)一些沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重的煤礦都已應(yīng)用，如新汶華豐礦、徐州三河尖礦、義馬千秋礦和撫順老虎臺(tái)礦等。

竇林名研制了 Seicom分布式廣域網(wǎng)微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KJ-100頂板離層遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[30-31]，并進(jìn)行了礦震遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，可以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)和監(jiān)測(cè)礦井同時(shí)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。姜福興自行研制了“震動(dòng)場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)”一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[29]，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)煤巖體在變形和破壞過(guò)程中，裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、摩擦?xí)r內(nèi)部積聚的能量以應(yīng)力波的形式釋放，產(chǎn)生微震事件，借助專業(yè)化的數(shù)據(jù)處理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)在三維空間中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定巖體中微震事件發(fā)生的位置、量級(jí)，從而對(duì)煤巖體的變形破壞的活動(dòng)范圍、穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢(shì)做出定性、定量評(píng)價(jià)，確定危險(xiǎn)區(qū)域；通過(guò)監(jiān)測(cè)采動(dòng)應(yīng)力變化，比較不同時(shí)刻每個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)力的變化量和應(yīng)力梯度等值線的變化，可以評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性和沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。這種具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“震動(dòng)場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)”一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)微地震定位和采動(dòng)應(yīng)力的變化，目前在我國(guó)60多個(gè)煤礦應(yīng)用，已經(jīng)成為實(shí)時(shí)沖擊危險(xiǎn)性預(yù)警的主要手段。該多指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)在原理上優(yōu)先于單指標(biāo)的在原理上優(yōu)先于波蘭的 ARAMIS MPE 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。天地科技股份有限公司采礦所也開(kāi)展了采用便攜式微震儀對(duì)解危效果井下檢驗(yàn)的嘗試[32-33]。

圖2 沖擊危險(xiǎn)的多參量綜合監(jiān)測(cè)體系Fig.2 Flow chart for assessing disaster potential of coal bumps

由于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性，沖擊危險(xiǎn)的前兆信息及多參量監(jiān)測(cè)判別技術(shù)正逐漸成為沖擊地壓主要監(jiān)測(cè)預(yù)警模式，其原理如圖2所示。應(yīng)當(dāng)指出，不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理不同，監(jiān)測(cè)對(duì)象、有效精度、監(jiān)測(cè)范圍也不同，如何從這些前兆信息中判別得出的正確的預(yù)警結(jié)果仍有很長(zhǎng)的路要走。例如義馬千秋煤礦雖然安裝了ARAMIS、ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KBD-5、KBD-7電磁輻射儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備，但還是未能對(duì)2011年發(fā)生的“11·3”沖擊地壓事故做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

沖擊地壓的防治技術(shù)可概括地分為3種：一是采用采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以避免沖擊地壓的發(fā)生，包括優(yōu)化開(kāi)拓布置、解放層開(kāi)采、無(wú)煤柱開(kāi)采、預(yù)掘卸壓巷、寬巷掘進(jìn)、寬巷留柱法等；二是對(duì)已具有沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行解危，避免高應(yīng)力集中和改善煤巖體介質(zhì)性質(zhì)以減弱積聚彈性能的能力，包括頂板深孔爆破、煤層卸載爆破、煤層高壓注水、大孔卸壓法、定向水力壓裂法、高壓水射流切槽、斷底爆破法、預(yù)掘卸壓硐室、煤層高壓水力壓裂、底板切槽法等；三是采用更有效的支護(hù)方法，通過(guò)增大支護(hù)強(qiáng)度或改善支護(hù)方式以提高支護(hù)體抵抗沖擊的能力，這是一種被動(dòng)防護(hù)方法，如沖擊震動(dòng)巷道圍巖剛?cè)嵝钅苤ёo(hù)法、高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿U型鋼支護(hù)法、門(mén)式液壓支架(或垛式液壓支架)法、恒阻大變形錨桿(索)支護(hù)法等。應(yīng)當(dāng)指出，開(kāi)采設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是從源頭上消除應(yīng)力高度集中，降低沖擊地壓危險(xiǎn)的一類方法，目前許多沖擊地壓礦井由于在開(kāi)采設(shè)計(jì)階段沒(méi)有考慮開(kāi)采中的應(yīng)力疊加和集中問(wèn)題，從而造成了后期開(kāi)采生產(chǎn)中出現(xiàn)了孤島煤柱開(kāi)采和上覆煤柱下方開(kāi)采的局面，如果通過(guò)巷道布置優(yōu)化和保護(hù)層開(kāi)采等開(kāi)采設(shè)計(jì)優(yōu)化手段可達(dá)到消除應(yīng)力多次疊加產(chǎn)生的應(yīng)力高度集中的目的。

沖擊地壓的技術(shù)管理體系和防沖工作流程設(shè)計(jì)也十分重要，如山東能源集團(tuán)制定了嚴(yán)格的沖擊地壓礦井和嚴(yán)重沖擊地壓煤層開(kāi)采生產(chǎn)中的8項(xiàng)管理規(guī)定：開(kāi)采前進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、開(kāi)采設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、開(kāi)采前的防沖預(yù)處理、開(kāi)采過(guò)程中的監(jiān)測(cè)預(yù)警、開(kāi)采過(guò)程中的危險(xiǎn)區(qū)解危、解危效果檢驗(yàn)、沖擊地壓工作面的安全管理、沖擊地壓防治經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，建立了防沖“三個(gè)體系和一個(gè)流程”，即組織體系(防沖人員)、技術(shù)體系(技術(shù)、裝備投入)、管理體系(相關(guān)防沖管理制度)和閉環(huán)式的工作流程，在技術(shù)體系中，重點(diǎn)要做到危險(xiǎn)區(qū)“三強(qiáng)”防沖技術(shù)，即強(qiáng)卸壓、強(qiáng)監(jiān)測(cè)和強(qiáng)防護(hù)，取得了較好的防沖效果。

為滿足深部煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的重大需求，深井沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論、技術(shù)和手段均有待完善。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)沖擊地壓防治方法的機(jī)理研究滯后于沖擊地壓防治的實(shí)踐，因此對(duì)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理及防治方法的理論研究仍是今后沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害研究的長(zhǎng)期目標(biāo)。在裝備預(yù)警監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)、改變采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布、改善局部煤巖體性質(zhì)等方面入手，研究深部煤礦沖擊地壓的理論和沖擊地壓解危技術(shù)方法，建立適合我國(guó)煤礦深部沖擊地壓綜合防治的理論與技術(shù)體系，是最終實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓等煤巖沖擊地壓有效防治的重要保障。

4 結(jié) 論

(1)煤礦沖擊地壓的本質(zhì)是煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動(dòng)在變形破壞過(guò)程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，根據(jù)失穩(wěn)形式和失穩(wěn)機(jī)理對(duì)沖擊地壓進(jìn)行分類，可分為：材料失穩(wěn)型沖擊、滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊3種類型。

(2)煤炭開(kāi)采中的沖擊地壓?jiǎn)栴}研究需要解決4個(gè)方面的科學(xué)問(wèn)題：地質(zhì)賦存環(huán)境對(duì)沖擊地壓的作用機(jī)制及量化分析方法、深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征、采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理、煤礦沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治方法，這些問(wèn)題的解決有利于揭示沖擊地壓的機(jī)理并提出行之有效的防治方法，保障煤炭資源的安全高效開(kāi)采。

(3)我國(guó)煤炭深部開(kāi)采中沖擊地壓?jiǎn)栴}的研究取得了一系列的研究成果，但仍需在深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征、煤巖層空間結(jié)構(gòu)與動(dòng)力災(zāi)害的關(guān)系，深部開(kāi)采中的采場(chǎng)應(yīng)力空間演化規(guī)律與致災(zāi)機(jī)理，沖擊地壓防治方法的理論研究等方面做進(jìn)一步的探索。

由于篇幅所限，文中省略了大量圖表和公式，并感謝王濤、祝捷等同志對(duì)本文形成做出的貢獻(xiàn)。

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StateoftheartreviewonmechanismandpreventionofcoalbumpsinChina

JIANG Yao-dong1,2,PAN Yi-shan3,JIANG Fu-xing2，4,DOU Lin-ming5,JU Yang1，2

(1.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China;2.StateKeyLabofCoalResourcesandSafeMining，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083，China;3.SchoolofMechanicsandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China;4.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;5.SchoolofMiningEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116，China)

The features of coal bumps happened in Chinese coal mines were described.The definition of terminology among coal bumps,rock bursts and mine tremors were discussed.The mechanisms of coal bumps were classified into three models.These are bounce failure of openings surrounding rock or coal,translatory burst of coal seam between roof and floor or slipping burst of geologic faults,and structure sudden destabilization of an entire pillar or massive strata around mining panels.Moreover,four key issues in research point of view for fully understanding and better controlling phenomena of coal bumps were discussed.These issues involve the geological conditions relevant to coal bumps and the quantitative analysis method,the properties and engineering behaviour of discontinuous rock masses under the dynamic loading,the multi-factor coupling interaction mechanisms between coal bumps and space-time distribution of mining-induced stresses and energy in mining disturbed region,and the monitor-detect prevention and control methods of coal bumps.Finally,significant development and existing problem in controlling coal bumps in China were reviewed,and recent trends and a path forward on control of coal bumps in future were also pointed out.

coal bumps；coal mining；classification of coal bumps；prevention of coal bump;mechanism

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0024

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226800)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174213)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(SKLCRSM11KFB08)

姜耀東(1958—)，男，江蘇海安人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail：jiangyd@cumtb.edu.cn

TD324

A

0253-9993(2014)02-0205-09

姜耀東，潘一山，姜福興,等.我國(guó)煤炭開(kāi)采中的沖擊地壓機(jī)理和防治[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):205-213.

Jiang Yaodong,Pan Yishan,Jiang Fuxing,et al.State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):205-213.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0024