我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治

姜耀東，潘一山，姜福興，竇林名，鞠 楊

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000；4.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；5.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116)

我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治

姜耀東1，2，潘一山3，姜福興2，4，竇林名5，鞠 楊1，2

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000；4.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；5.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116)

總結了我國煤礦沖擊地壓災害發(fā)生的特點，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種力學模型：材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯動型沖擊地壓和結構失穩(wěn)型沖擊地壓。提煉出煤炭開采中的沖擊地壓研究需要解決的4個方面的科學問題：地質賦存環(huán)境對沖擊地壓的作用機制及量化分析方法、深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應特征、采動應力分布和能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災機理、煤礦沖擊地壓的監(jiān)測預警與防治方法，總結歸納了近年來我國在沖擊地壓機理與防治技術方面的研究成果以及存在問題，指出了今后我國煤礦提高沖擊地壓防治水平的努力方向。

沖擊地壓；煤炭開采；沖擊地壓分類；沖擊地壓防治；機理

隨著煤炭資源開采深度和開采強度的增加，礦井沖擊地壓等動力災害日益加劇，嚴重地威脅著煤礦開采的安全[1]。據(jù)統(tǒng)計，1985年我國沖擊地壓煤礦有32個，而2011年底，發(fā)生沖擊地壓的礦井就多達142個，同時，全國有近50個礦井開采深度達到或超過1 000 m；2006—2013年，先后有新汶、撫順、華亭、北京、義馬、阜新、鶴崗、七臺河、平頂山等煤炭生產(chǎn)企業(yè)因沖擊地壓而導致的重大傷亡事故多達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，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)濟損失2 748.48萬元。

統(tǒng)計分析表明，各種類型的礦井都有沖擊地壓發(fā)生的報告，各類煤層都發(fā)生過沖擊現(xiàn)象，地質構造從簡單到復雜，煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，礫巖、砂巖、灰?guī)r、油母頁巖頂板都發(fā)生過沖擊地壓。開采深度最淺的只有157 m，2011-03-24神華新疆有限責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。但隨著深部開采深度的增加，沖擊地壓的頻度和強度都在增加。從采煤方法來講，長壁、短壁、房柱式、放頂煤、分層開采等都發(fā)生過沖擊地壓；從采煤工藝來講，綜采、普采、炮采、水采、水砂充填等各種工藝也都發(fā)生過沖擊地壓。

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，進而發(fā)生特大瓦斯爆炸，死亡214人；新汶華豐煤礦在開采山西組4煤層過程中，頻繁發(fā)生沖擊地壓，沖擊地壓又導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[4]。

我國是采煤大國，2012年中國采出了36.5億t原煤，占世界煤炭總產(chǎn)量的47.5%，加之煤田地質條件的復雜性，我國的煤礦沖擊地壓問題尤為突出。學術界對煤礦沖擊地壓的機理和防治問題一直非常重視[5-7]，2001年11月的175次香山科學會議、2010年7月的中國科協(xié)51次新觀點新學說“巖爆機理探索”學術沙龍、2012年11月的中國工程院巖爆突水工程科技論壇、2013年8月全國防治煤礦沖擊地壓高端論壇等都把煤礦沖擊地壓問題作為重點探討；2004年國家自然科學基金委員會設立的重大項目“深部巖體力學基礎研究與應用”、2010年國家科技部設立的國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)“煤炭深部開采中的動力災害機理與防治基礎研究”也是重點研究煤礦沖擊地壓問題。但是由于問題的復雜性，目前對沖擊地壓的機理和防治技術的研究還不夠充分，需進行長期艱苦的探索和實踐才可能取得突破進展。

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域常見的巖石動力破壞現(xiàn)象，但一直以來人們對于沖擊地壓、礦震和巖爆等術語的理解仍不夠清晰。由于行業(yè)背景的差異，在我國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。全國科學技術名詞審定委員會審定公布的這3個術語的定義分別如下：

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釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動力現(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，是煤礦重大災害之一。

巖爆是指地下工程開挖過程中由于應力釋放出現(xiàn)圍巖表面自行松弛破壞并噴射出來的現(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)在巖石力學界的部分學者認為沖擊地壓和巖爆是同一巖石動力學現(xiàn)象，把沖擊地壓和巖爆作為同義詞合并，但有煤礦行業(yè)背景的學者并不認同這種觀點，這在2010年7月的中國科協(xié)51次新觀點新學說“巖爆機理探索”學術沙龍上討論爭論中表現(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臨時性和經(jīng)濟性要求，通常是可以容忍井巷或工作面的圍巖發(fā)生變形或破壞，只要圍巖結構不失穩(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，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，采動應力的存在是煤礦等礦業(yè)工程的一大特點，水電交通行業(yè)的隧道工程擾動應力影響的范圍和程度與煤礦采動引起的擾動存在數(shù)量級別的差異。

沖擊地壓和巖爆的共同點是“在地應力高的巖體中開挖硐室，由于圍巖應力突然釋放，巖塊破裂并拋出的動力現(xiàn)象”。差異在于，采礦工程中把這種動力現(xiàn)象是否產(chǎn)生“破壞性”、是否成為“災害”作為是否發(fā)生沖擊地壓的標志。如果這種動力破壞沒有成為“災害”、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“災害”的確定對采礦行業(yè)是十分必要的，因為國家《煤礦安全規(guī)程》和《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》中對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)濟效益。

另外國際上關于巖爆的定義也是多樣的，有興趣的讀者可參考文獻[10]。

礦震是在區(qū)域應力場作用下，受開采活動影響而發(fā)生的一種誘發(fā)地震。礦震除了可由采礦活動引起外，地面活動、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害，但有些礦震可能會誘發(fā)沖擊地壓，反過來強烈的沖擊地壓也能夠引起礦震。

1.2 沖擊地壓的分類

國內外學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；按沖擊壓力來源可分為重力型、構造型和重力-構造型；按沖擊能量大小可分為微沖擊、弱沖擊、中等沖擊、強沖擊和災難性沖擊類型等[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力型沖擊失穩(wěn)和受動載引起的震動型沖擊失穩(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直接引起的沖擊地壓，另一類是遠離工作面，由于礦區(qū)或井田內大區(qū)域范圍的應力重分布引起的沖擊地壓[12]；潘一山等[13]根據(jù)對我國沖擊地壓現(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動型沖擊地壓3種基本類型；何滿潮等[14]通過對煤巖沖擊失穩(wěn)的能量聚積和轉化特征的研究，建立了以復合型能量轉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)型和復合能量轉化誘發(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。

更多的學者按照煤巖沖擊失穩(wěn)的物理特征進行分類研究，總結起來可將沖擊地壓分為3類：① 巖爆型沖擊地壓，是指在高應力作用下，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，上覆厚且堅硬的頂板懸伸在礦柱上，達到一定跨度折斷或垮落時對礦柱形成壓力波，引起礦柱煤體的瞬時破壞；③ 構造型沖擊地壓，構造應力作用下，煤巖體發(fā)生突然的失穩(wěn)沖擊。

沖擊地壓現(xiàn)象的本質是高應力狀態(tài)作用下煤巖體的突然失穩(wěn)破壞。從應力狀態(tài)導致煤巖體的突然失穩(wěn)破壞的本質對沖擊地壓的進行分類研究，本文將煤礦沖擊地壓分為3類：材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯動型沖擊地壓和結構失穩(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挖過程中，煤巖體內應力集中達到一定程度后，煤巖材料內部裂紋不斷擴展、貫通、匯聚，并導致一定范圍內的煤巖體發(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)滑移錯動型沖擊地壓。

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

(3)結構失穩(wěn)型沖擊地壓。

井巷或工作面周圍巖體，由于采動應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)生整體井巷結構失穩(wěn)，如圖1(c)所示。如孤島工作面的開采、煤柱的回收、堅硬頂板下的煤層開采等。例如2008-06-05千秋煤礦發(fā)生的一起沖擊地壓事故，采場圍巖瞬間釋放的巨大能量致使105 m長的巷道工程發(fā)生沖擊突出破壞。

在煤炭開采實踐中，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、動能多、震動大，往往造成巨大的破壞和嚴重后果。

2 沖擊地壓發(fā)生機理與防治研究中的關鍵科學問題

生產(chǎn)實踐表明煤礦沖擊地壓這種動力災害現(xiàn)象發(fā)生時一般沒有明顯的宏觀前兆，具有突發(fā)性、瞬時震動性、巨大破壞性特征，事先難以確定發(fā)生的時間、地點和強度。從力學本質上講煤礦沖擊地壓是特定地質賦存條件下的煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動在變形破壞過程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動力學過程，是其外部荷載環(huán)境、內部結構、構造及其物理力學性質的綜合反映，其形成過程非常復雜，涉及地質、采礦、地球物理、巖石力學和非線性動力學等交叉學科，同時該問題具有明顯的時空演化特征。

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，煤礦開采具有十分鮮明的特征：① 開采空間范圍大。我國深部煤礦普遍采用長壁開采方法，形成了數(shù)十萬甚至數(shù)百萬立方米的開采空間，開采范圍之大、采動波及之廣是其他任何地下工程不能比擬的。② 開采擾動強烈。大空間快速推采的長壁開采方法對圍巖形成強烈開采擾動，引起上覆巖層垮落、地表大面積變形沉降，尤其是對于深部一礦一面集中開采的千萬噸級礦井而言，開采所導致大范圍的強烈擾動更是淺部開采和其它地下工程所不能比擬的。③ 介質屬性和應力狀態(tài)復雜。除了深部煤田地質賦存條件的復雜性外，大范圍開采對采掘空間周圍煤巖體形成反復擾動，使之多次經(jīng)歷變形、破壞過程，致使煤巖體的介質屬性既具有斷續(xù)結構特征，又具有破斷介質屬性；工作面處于高地應力和強卸荷共同作用下，采掘誘致地應力重分布時空關系復雜，高應力釋放、轉移、傳遞引起的煤巖體能量耗散與能量釋放過程的動力學特征明顯，極易誘發(fā)沖擊地壓動力災害。

我國學者通過多年研究，提出煤炭開采中沖擊地壓機理和防治技術領域需解決的4個關鍵科學問題：

(1)地質賦存條件對沖擊地壓的作用機制及量化分析方法。

在長期的地質演變過程中深部煤巖體內蘊藏著巨大的變形能，其儲能程度和原巖應力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分，也取決于地質構造、斷層、褶曲的程度。同時深部煤層開采時堅硬頂板(特別是厚層砂巖頂板)的運動失穩(wěn)也是導致礦柱和采場巷道工作面發(fā)生瞬時沖擊動力災害的誘因。因此沖擊地壓災害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應力場和構造應力異常密切相關，如何科學定量描述地質賦存條件的作用機制及其與煤礦沖擊地壓災害的相關性是一個共性科學問題。通過研究這一科學問題，揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質構造和原巖應力條件對煤礦深井動力災害成災的作用機制。

(2)深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應特征。

深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結構。深部煤炭的集中開采強烈擾動使得采場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)結構。在多次開采擾動和長期的流變過程中，這種斷續(xù)結構煤巖體會出現(xiàn)新的破裂和強度不斷衰減的循環(huán)過程，從而導致大變形、強流變和超低摩擦效應，在一定條件下將會引起沖擊地壓動力災害。在深部煤炭開采工程中，巷道圍巖的破壞并不意味著巷道的失效，圍巖的突發(fā)性動力破壞是由于斷續(xù)煤巖體結構特征、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結果。因此通過探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應特征這一科學問題，研究斷續(xù)煤巖體結構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)的力學響應、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動力失穩(wěn)控制對策。

(3)采動應力分布、能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災機理。

開采前煤巖體處于深部三維應力平衡狀態(tài)下，開采活動打破了原有的應力平衡，導致采場三維空間中的宏觀應力場與能量場的重新分布，這種應力場與能量場的動態(tài)演化與發(fā)展必然為動力災害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。因此通過研究采動應力分布和能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災機理，可以揭示深部裂隙煤巖體在開采過程中的能量積聚與釋放機制、能量場的時空演化規(guī)律以及動力災變的能量觸發(fā)條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動力失穩(wěn)的模型與判別準則和能量分析體系。

(4)沖擊地壓的多參量監(jiān)測預警與防治的理論與方法。

在沖擊地壓動力災害孕育發(fā)展過程中，煤巖體中應力狀態(tài)將發(fā)生變化并同時伴隨能量的釋放，其中，微震、聲發(fā)射、電磁輻射就是這種釋放過程的物理效應之一。研究煤巖體在變形破壞過程中的應力、微震、聲發(fā)射、電磁輻射等前兆信息規(guī)律，通過監(jiān)測、分析井巷和采場附近煤巖體的應力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動等前兆信息的多參量動態(tài)變化趨勢，就可以建立沖擊地壓監(jiān)測預警系統(tǒng)進行預警預報和有效防治。同時從沖擊地壓等動力災害發(fā)生的條件入手，探討開拓開采巷道布置方式、開采順序、保護層開采等方法控制應力分布的機理；研究新礦井在開采設計階段或已生產(chǎn)礦井對未開采區(qū)域進行合理開采設計與保護層開采對防止沖擊地壓等動力災害發(fā)生的機理，提出煤礦深部開采的優(yōu)化開采設計理論與方法。

3 沖擊地壓發(fā)生機理與防治技術研究現(xiàn)狀及存在問題

3.1 煤礦發(fā)生沖擊地壓的地質構造條件及相互作用機制

深部煤礦沖擊地壓的形成與礦井深部區(qū)域地質特征、構造形成演化過程及區(qū)域應力環(huán)境等因素有著密切的關系，深部煤層所經(jīng)歷地質演化控制著煤層的產(chǎn)狀、展布和厚度，影響著地質構造的賦存、構造應力場或殘余應力場的分布。地質的動力運動產(chǎn)生了多種地質構造，而這些構造的特征直接決定著礦井地質災害的發(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條件。

煤層沖擊傾向性指標最早由波蘭學者提出，我國目前用彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)、動態(tài)破壞時間和單軸抗壓強度4個指標作為煤層的沖擊傾向性指標。通過對近10年我國發(fā)生沖擊地壓的礦井進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其中強沖擊傾向性占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。但在一些沒有沖擊傾向性的礦井也發(fā)生了沖擊地壓，如徐州權臺礦、平頂山十礦和北京大安山礦均為軟弱無沖擊傾向煤層?？紤]到實驗室內進行的煤巖沖擊傾向性測定只是針對煤巖樣進行的單軸實驗，未能體現(xiàn)煤巖體大尺度結構面和地應力的影響，建議將煤巖的沖擊傾向性與煤巖結構、地質異常條件、煤巖受力狀態(tài)和采動影響等因素聯(lián)系起來對煤層沖擊危險性進行綜合評價。

誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的另一個主要地質因素為斷層和褶曲等地質構造，國內外學者研究了煤礦沖擊地壓的發(fā)生與向斜軸部、特別是構造變化區(qū)、斷層附近、煤層傾角變化帶、煤層褶皺、構造應力帶等區(qū)域的關系[16-18]。我國學者一個重要的研究進展就是發(fā)現(xiàn)了不同斷層類型與沖擊地壓發(fā)生的關聯(lián)性[19]，地質構造控制的沖擊地壓分為增壓和減壓2種類型，工作面過逆斷層時為增壓型，如義馬、鮑店等礦區(qū)的向斜沖構造，容易引發(fā)強烈的沖擊地壓；工作面過正斷層時為減壓型，不會發(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，位于這一范圍內的躍進煤礦和千秋煤礦都是沖擊地壓的重災區(qū)。2011-11-03，義煤集團千秋煤礦21221掘進工作面下巷發(fā)生能量0.35 GJ、震級4.1級的沖擊地壓事故，造成10人死亡，60余人受傷。

確定斷層和褶曲等地質構造類型非常重要。目前對誘發(fā)深部煤礦沖擊地壓的地質條件的精細探測主要集中在煤層賦存形態(tài)和小斷層的精確描述。國內外在對地質構造的探測技術主要有探地雷達技術、TSP超前地質預報技術、三維地震勘探技術等。而對于探測數(shù)據(jù)的成像方法研究動向則是從各向同性疊前時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，在受到采動影響的條件下，由于堅硬頂板不能及時垮落，大面積懸頂而導致應力和能量集聚，從而形成動載誘發(fā)沖擊地壓或礦震，如新汶、大同和兗州等礦區(qū)。

今后應針對我國深部煤炭資源開采的實際情況，研究深部煤層地質構造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結構、宏觀力學性質與動力突出之間的關系，從本質上把握煤、巖石的宏觀力學特性及其沖擊傾向性的內在屬性；研究煤層斷層褶曲構造特征與構造應力分布規(guī)律，建立地球物理信號精細探測響應特征和反演解釋理論和綜合探測方法；研究煤巖石礦物成分和細觀結構與沖擊傾向性的耦合關系和模型描述，構建煤、巖石組分和細觀結構沖擊傾向性的判別準則。

3.2 煤礦沖擊地壓的發(fā)生機理

如前所述，我國是世界上采煤量最多的國家，也是沖擊地壓發(fā)生最多的國家，因此學術界對煤礦沖擊地壓發(fā)生的機理非?；钴S，將沖擊地壓過程作為動力穩(wěn)定性問題進行分析，基于彈性、塑性理論和穩(wěn)定性理論，對沖擊地壓的機理進行了深入的研究，先后提出了剛度理論、強度理論、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、三準則理論、“三因素”理論、強度弱化減沖理論、復合型厚煤層“震沖”機理、巖體動力失穩(wěn)的折迭突變機理、沖擊啟動理論、煤巖組合沖擊機理、沖擊地壓和突出的統(tǒng)一失穩(wěn)理論等[23-25]。文獻資料表明，我國是提出沖擊地壓機理和理論最多的國家。

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

應當指出，盡管目前關于沖擊地壓發(fā)生機理的觀點或學說較多，但還不能有效用于解釋和指導沖擊地壓的監(jiān)測與防治。例如比較有影響的“三因素”理論，認為發(fā)生沖擊地壓必須同時具備三因素，即內存因素煤巖體具有沖擊傾向性，應力因素即有超過煤巖體破壞強度的應力作用，結構條件即具有弱面和容易引起突變滑動的層狀介面，只有同時具備這3個條件才會導致沖擊地壓的發(fā)生，否則不會發(fā)生沖擊地壓。但如前所述，在一些測定為無沖擊傾向性煤層的礦井也發(fā)生了沖擊地壓。

究其原因，并不是學者們在沖擊地壓機理方面的研究方法不對，問題的關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，沖擊地壓的機理研究非常重要，只有充分理解了其機理才可能采取合理的監(jiān)測與防治措施。

深部煤礦開采過程中的應力場與能量場的動態(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間上非穩(wěn)定、在空間上非均勻的過程；即從時間上看，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，各點處的能量釋放量構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，或者說是集中在某一點或某幾點上，則在這些點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力災害。在高應力和強擾動的深部開采環(huán)境中，采動空間能量場的時空演化過程直接決定了沖擊地壓的發(fā)生特點和孕育條件。這種沖擊地壓的能量場觀點就有助于我們去研究區(qū)域性監(jiān)測技術，例如地震波CT 技術和微震監(jiān)測技術。

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

3.3 采動覆巖空間結構運動與沖擊地壓孕災過程

我國煤礦普遍采用長壁開采方法，隨著采場的不斷推進，覆巖空間結構是在變化之中，其采動應力的大小和分布范圍也是在變化之中，存在“第一次來壓”和“正常推進”兩種采動應力分布特征。針對深部開采條件下覆巖空間結構運動與采動應力場耦合特點以及應力與能量突變的動力學過程，我國學者提出了 “覆巖空間結構-空間應力場-區(qū)域性沖擊”與“局部應力異常-微震”的深部動力災害多尺度非線性動力學模型[28]，研究相鄰采場的影響、多層結構運動引起的多次沖擊和礦震、采空區(qū)一次“見方”和多重“見方”等階段引起的沖擊地壓等，采用“動-靜應力場理論”進行工作面巷道的合理布置和評價沖擊危險區(qū)，從而揭示不同尺度、不同量級動力災害相互耦合的孕災過程和觸發(fā)機制。

根據(jù)姜福興的研究，典型的覆巖空間結構可分為4種[28-29]：一面采空(四周為實體煤)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為放頂煤開采而形成的四面采空的孤島工作面。從開采技術因素來看，要盡量避免由于開采設計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構中，當放頂煤工作面推進到接近上分層工作面的停采線時，煤柱將發(fā)生2種可能的災害：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煤壁大面積片幫。

今后要進一步研究深部煤炭開采中上覆巖層整體彎曲帶中三維宏觀應力場的時空分布規(guī)律，探索長壁工作面在不同采場結構參數(shù)和不同開采方法條件下的采動應力場在上覆巖層彎曲帶和斷裂帶中分布與轉移特征，研究直接頂和基本頂在裂隙與垮落過程中的應力變化特征，研究煤柱和巷道圍巖中采動支承壓力分布規(guī)律和位移變形的變化規(guī)律，揭示煤巖動力災害的采動效應機理。研究煤層厚度、工作面長度與推進速度等參數(shù)對基本頂和直接頂破斷與垮落過程的影響規(guī)律，探索不同層位關鍵巖層的破斷形式、影響范圍、瞬間能量釋放和傳播的巖體動力學效應，得到堅硬頂板第1次裂斷或周期性裂斷時的能量釋放特征。探索局部動力災害的耦合效應、激增機制及誘發(fā)頂板與巷道整體動力失穩(wěn)的互饋效應與觸發(fā)條件，建立考慮覆巖結構局部動力破壞與支護體系互饋作用的覆巖空間運動及變形的理論模型和調控方法。

3.4 煤礦沖擊地壓的監(jiān)測預警技術與綜合防治方法

近年來我國在沖擊地壓監(jiān)測預警技術方面取得了長足進展，一些高技術含量的監(jiān)測設備被引入到?jīng)_擊地壓的監(jiān)測預警中來。目前，我國煤礦監(jiān)測預警沖擊地壓的主要方法有礦壓觀測法、鉆屑法、頂板動態(tài)儀、鉆孔應力測量法、電磁輻射法、地音法、微震法、地震CT 技術、電荷感應監(jiān)測技術。從物理本質分類，礦壓觀測法、鉆屑法、頂板動態(tài)儀、鉆孔應力測量法屬于基于巖石力學原理的直觀接觸式監(jiān)測方法，主要以監(jiān)測沖擊地壓發(fā)生前圍巖變形、離層、應力變化、動力現(xiàn)象等特征為主；而電磁輻射法、地音法、微震法、地震CT 技術、電荷感應監(jiān)測技術屬于地球物理方法。地音和微震都是的監(jiān)測煤巖破裂時的震動效應，區(qū)別在于各自接收震動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監(jiān)測技術主要是測量煤巖體內應力集中程度，地震CT 技術是通過聲發(fā)射來反演煤巖體內的應力分布圖像。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)測手段。鉆屑法由德國首先提出，我國《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》都將鉆屑法作為確定沖擊危險程度和采取措施后的效果檢驗方法。微震法和地音法在我國一些沖擊地壓災害嚴重的煤礦都已應用，如新汶華豐礦、徐州三河尖礦、義馬千秋礦和撫順老虎臺礦等。

竇林名研制了 Seicom分布式廣域網(wǎng)微地震監(jiān)測系統(tǒng)和KJ-100頂板離層遙測監(jiān)控系統(tǒng)[30-31]，并進行了礦震遠程監(jiān)測系統(tǒng)的建設，可以在實驗內和監(jiān)測礦井同時分析實測數(shù)據(jù)。姜福興自行研制了“震動場-應力場”一體化監(jiān)測預警系統(tǒng)[29]，通過微震監(jiān)測技術監(jiān)測煤巖體在變形和破壞過程中，裂紋產(chǎn)生、擴展、摩擦時內部積聚的能量以應力波的形式釋放，產(chǎn)生微震事件，借助專業(yè)化的數(shù)據(jù)處理軟件，能夠實現(xiàn)在三維空間中實時準確地確定巖體中微震事件發(fā)生的位置、量級，從而對煤巖體的變形破壞的活動范圍、穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢做出定性、定量評價，確定危險區(qū)域；通過監(jiān)測采動應力變化，比較不同時刻每個測點的相對應力的變化量和應力梯度等值線的變化，可以評價沖擊危險性和沖擊危險區(qū)域。這種具有我國自主知識產(chǎn)權的“震動場-應力場”一體化監(jiān)測預警系統(tǒng)，同時監(jiān)測微地震定位和采動應力的變化，目前在我國60多個煤礦應用，已經(jīng)成為實時沖擊危險性預警的主要手段。該多指標預警系統(tǒng)在原理上優(yōu)先于單指標的在原理上優(yōu)先于波蘭的 ARAMIS MPE 微震監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)傳輸和實測數(shù)據(jù)分析。天地科技股份有限公司采礦所也開展了采用便攜式微震儀對解危效果井下檢驗的嘗試[32-33]。

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

由于沖擊地壓發(fā)生機理的復雜性，沖擊危險的前兆信息及多參量監(jiān)測判別技術正逐漸成為沖擊地壓主要監(jiān)測預警模式，其原理如圖2所示。應當指出，不同監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測原理不同，監(jiān)測對象、有效精度、監(jiān)測范圍也不同，如何從這些前兆信息中判別得出的正確的預警結果仍有很長的路要走。例如義馬千秋煤礦雖然安裝了ARAMIS、ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)和KBD-5、KBD-7電磁輻射儀等監(jiān)測設備，但還是未能對2011年發(fā)生的“11·3”沖擊地壓事故做出預測預報。

沖擊地壓的防治技術可概括地分為3種：一是采用采礦優(yōu)化設計方法以避免沖擊地壓的發(fā)生，包括優(yōu)化開拓布置、解放層開采、無煤柱開采、預掘卸壓巷、寬巷掘進、寬巷留柱法等；二是對已具有沖擊危險的區(qū)域進行解危，避免高應力集中和改善煤巖體介質性質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方法，通過增大支護強度或改善支護方式以提高支護體抵抗沖擊的能力，這是一種被動防護方法，如沖擊震動巷道圍巖剛柔蓄能支護法、高預應力、強力錨桿U型鋼支護法、門式液壓支架(或垛式液壓支架)法、恒阻大變形錨桿(索)支護法等。應當指出，開采設計優(yōu)化方法是從源頭上消除應力高度集中，降低沖擊地壓危險的一類方法，目前許多沖擊地壓礦井由于在開采設計階段沒有考慮開采中的應力疊加和集中問題，從而造成了后期開采生產(chǎn)中出現(xiàn)了孤島煤柱開采和上覆煤柱下方開采的局面，如果通過巷道布置優(yōu)化和保護層開采等開采設計優(yōu)化手段可達到消除應力多次疊加產(chǎn)生的應力高度集中的目的。

沖擊地壓的技術管理體系和防沖工作流程設計也十分重要，如山東能源集團制定了嚴格的沖擊地壓礦井和嚴重沖擊地壓煤層開采生產(chǎn)中的8項管理規(guī)定：開采前進行沖擊地壓危險性評價、開采設計方案優(yōu)化、開采前的防沖預處理、開采過程中的監(jiān)測預警、開采過程中的危險區(qū)解危、解危效果檢驗、沖擊地壓工作面的安全管理、沖擊地壓防治經(jīng)驗的總結，建立了防沖“三個體系和一個流程”，即組織體系(防沖人員)、技術體系(技術、裝備投入)、管理體系(相關防沖管理制度)和閉環(huán)式的工作流程，在技術體系中，重點要做到危險區(qū)“三強”防沖技術，即強卸壓、強監(jiān)測和強防護，取得了較好的防沖效果。

為滿足深部煤礦沖擊地壓監(jiān)測預警的重大需求，深井沖擊地壓的監(jiān)測預警理論、技術和手段均有待完善。同時，國內外對沖擊地壓防治方法的機理研究滯后于沖擊地壓防治的實踐，因此對沖擊地壓等動力災害機理及防治方法的理論研究仍是今后沖擊地壓動力災害研究的長期目標。在裝備預警監(jiān)測設備的基礎上，從優(yōu)化開采設計、改變采動應力場分布、改善局部煤巖體性質等方面入手，研究深部煤礦沖擊地壓的理論和沖擊地壓解危技術方法，建立適合我國煤礦深部沖擊地壓綜合防治的理論與技術體系，是最終實現(xiàn)對沖擊地壓等煤巖沖擊地壓有效防治的重要保障。

4 結 論

(1)煤礦沖擊地壓的本質是煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動在變形破壞過程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動力學過程，根據(jù)失穩(wěn)形式和失穩(wěn)機理對沖擊地壓進行分類，可分為：材料失穩(wěn)型沖擊、滑移錯動型沖擊和結構失穩(wěn)型沖擊3種類型。

(2)煤炭開采中的沖擊地壓問題研究需要解決4個方面的科學問題：地質賦存環(huán)境對沖擊地壓的作用機制及量化分析方法、深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應特征、采動應力分布和能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災機理、煤礦沖擊地壓的監(jiān)測預警與防治方法，這些問題的解決有利于揭示沖擊地壓的機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采。

(3)我國煤炭深部開采中沖擊地壓問題的研究取得了一系列的研究成果，但仍需在深部煤層地質構造特征、煤巖層空間結構與動力災害的關系，深部開采中的采場應力空間演化規(guī)律與致災機理，沖擊地壓防治方法的理論研究等方面做進一步的探索。

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

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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

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)資助項目(2010CB226800)；國家自然科學基金資助項目(51174213)；中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放基金資助項目(SKLCRSM11KFB08)

姜耀東(1958—)，男，江蘇海安人，教授，博士生導師，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.我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治[J].煤炭學報,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