煤礦沖擊地壓啟動(dòng)理論及其成套技術(shù)體系研究

潘 俊 鋒

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

發(fā)生機(jī)理、危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警以及綜合防治是煤礦沖擊地壓災(zāi)害防治的四大環(huán)節(jié)。一切與沖擊地壓有關(guān)的技術(shù)、裝備研究以及工程施工，都離不開正確的理論指導(dǎo)，沒有核心理論思想貫穿始終的技術(shù)與工程活動(dòng)，甚至裝備研發(fā)都是盲目的。因此，沖擊地壓研究核心分為兩大部分，一是沖擊地壓發(fā)生的理論認(rèn)識(shí);二是基于沖擊地壓發(fā)生理論認(rèn)識(shí)的成套技術(shù)體系。

理論認(rèn)識(shí)研究是沖擊地壓研究不可逾越的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。多年來，人們一直嘗試著去認(rèn)識(shí)沖擊地壓，期間形成了“強(qiáng)度理論”、“剛度理論”、“能量理論”、“沖擊傾向性理論[1-3]”以及后來的“失穩(wěn)理論[4-5]”和“三因素機(jī)理[6]”、“強(qiáng)度弱化減沖理論[7-9]”等觀點(diǎn)。這些理論都從不同側(cè)面揭示了沖擊地壓發(fā)生條件與原理，對(duì)于沖擊地壓研究起到了很大的推進(jìn)作用。但是，傳統(tǒng)的沖擊地壓理論認(rèn)識(shí)在與實(shí)際采場(chǎng)、巷道等工程結(jié)構(gòu)問題相對(duì)應(yīng)，下一步如何監(jiān)測(cè)、如何防治等方面尚需進(jìn)一步發(fā)展。

沖擊地壓評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)與防治是基于理論認(rèn)識(shí)的工程活動(dòng)。目前礦井出現(xiàn)沖擊地壓多參照法規(guī)要求，結(jié)合災(zāi)害程度開展監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)應(yīng)用，由于缺乏針對(duì)礦井不同時(shí)期的、科學(xué)的技術(shù)體系指導(dǎo)，沖擊地壓防治效果甚微，尤其是對(duì)于建設(shè)礦井或新出現(xiàn)沖擊地壓的礦井，面對(duì)層出不窮的監(jiān)測(cè)與防治方法望而卻步，難以決策，一些技術(shù)成熟的礦井也是經(jīng)歷了漫長的教訓(xùn)與經(jīng)驗(yàn)積累過程[10-11]。為此，貫穿于沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)與防治全過程的理論，并基于此理論適用于礦井全周期的全鏈條式防沖技術(shù)體系急需建立。

本文從揭示沖擊地壓的材料-結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)啟動(dòng)原理出發(fā)，完善沖擊啟動(dòng)理論認(rèn)識(shí)，將煤礦沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)與防治指導(dǎo)理論關(guān)聯(lián)并統(tǒng)一起來，針對(duì)生產(chǎn)期礦井，提出在沖擊啟動(dòng)類型確定基礎(chǔ)上，以誘發(fā)沖擊啟動(dòng)載荷源為中心，分源監(jiān)測(cè)，分源防治，以“卸”為主，以“支”為輔，“卸、支”耦合防沖作用的思想;針對(duì)建設(shè)期礦井，提出集中靜載荷疏導(dǎo)的區(qū)域防范沖擊地壓的理論與技術(shù)體系，最終從另一新視角建立了適應(yīng)礦井全周期的沖擊地壓防治成套理論技術(shù)體系。經(jīng)過多年來的實(shí)踐檢驗(yàn)，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 沖擊地壓啟動(dòng)原理

1.1 沖擊地壓演化的“黑箱理論”認(rèn)識(shí)

沖擊地壓啟動(dòng)是沖擊地壓整個(gè)物理演化過程中的局部環(huán)節(jié)，為了分解得到整個(gè)沖擊地壓發(fā)生物理演化的各個(gè)階段，本文從重新認(rèn)識(shí)沖擊地壓概念著手，然后采用控制論中的黑箱方法進(jìn)行問題解決。

1.1.1 沖擊地壓概念傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)

就沖擊地壓定義而言，我國《煤礦安全規(guī)程》對(duì)其定義為:井巷或工作面周圍煤(巖)體，由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。由于歷時(shí)暫短，人類對(duì)于沖擊地壓的認(rèn)識(shí)以結(jié)果性的現(xiàn)象冠名，目前對(duì)沖擊地壓的研究也是極其抽象的，類似的還有煤與瓦斯突出、巖爆、礦震等，尚未實(shí)現(xiàn)自身演化過程的解析，對(duì)沖擊地壓的評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)、防治都是通過間接信息來完成，而諸如能量、應(yīng)力等信息與沖擊地壓發(fā)生并不是完全線性關(guān)系;微震、地音、電磁輻射等信息甚至不是正相關(guān)關(guān)系，因而沖擊地壓尚未被掌控。上述定義的意義在于警示人們，這不是常規(guī)礦壓現(xiàn)象，沖擊地壓之所以劃歸于動(dòng)力災(zāi)害，是因?yàn)闆_擊地壓發(fā)生是有別于常規(guī)的礦壓顯現(xiàn)，其發(fā)生破壞是由里向外，并且里邊先于外邊、快于外邊圍巖破壞，否則難以集聚較大能量。

1.1.2 沖擊地壓演化過程黑箱方法分解

在控制論中，通常稱未知的區(qū)域或者系統(tǒng)為“黑箱”，而稱全知的區(qū)域或系統(tǒng)為“白箱”，稱處于“黑箱”和“白箱”之間或者部分可知黑箱為“灰箱”。黑箱研究方法是通過分析黑箱中“輸入”、“輸出”的變量，來分析有關(guān)黑箱內(nèi)部情況的推理，探索、發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑箱的感知。只知道輸入和輸出，而對(duì)于中間過程不清楚，這是黑箱認(rèn)識(shí)的特點(diǎn)，對(duì)于沖擊地壓來說，我們知道采掘區(qū)域的地質(zhì)、開采條件及采掘活動(dòng)(輸入信息)，而在某一時(shí)刻發(fā)生沖擊地壓(輸出信息)，對(duì)于沖擊地壓如何形成，演化歷程不清楚。文獻(xiàn)[12]分析認(rèn)為:沖擊地壓黑箱中經(jīng)歷了3個(gè)階段，邏輯關(guān)系是:沖擊啟動(dòng)—沖擊能量傳遞—沖擊地壓顯現(xiàn)。這樣，我們對(duì)沖擊地壓的認(rèn)識(shí)，如圖1所示，就進(jìn)入“灰箱”階段，我們對(duì)沖擊地壓在灰箱中的發(fā)展歷程有了間接了解。

影響沖擊地壓發(fā)生的因素很多，雖然復(fù)雜多變，但最終都得歸結(jié)于為沖擊啟動(dòng)階段提供載荷源，有的提供靜載荷源，有的提供動(dòng)載荷源，所以，黑箱階段我們認(rèn)識(shí)到，沖擊地壓黑箱中輸入地質(zhì)、開采條件，輸出的是災(zāi)害。而在灰箱認(rèn)識(shí)階段，本文認(rèn)為輸入的地質(zhì)、開采條件實(shí)質(zhì)上是影響沖擊地壓啟動(dòng)的載荷源，輸出的是灰箱中矛盾激化，平衡后高速剩余能量的釋放，誰阻擋誰就受到破壞，表面上看就是破壞或者災(zāi)害，如圖1所示。

圖1 沖擊地壓物理過程的黑箱方法分解Fig.1 Physical process decomposition of rockburst by black box method

顯然無論是區(qū)域開采活動(dòng)還是局部采掘活動(dòng)對(duì)沖擊能量傳遞階段、沖擊地壓顯現(xiàn)階段影響較小，并且即使有影響，一旦進(jìn)入后兩個(gè)階段，幾秒的過程，人類是無法干預(yù)的，從這個(gè)角度分析，沖擊地壓防治研究也是必須針對(duì)誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的載荷源。

1.1.3 巖體全應(yīng)力應(yīng)變與沖擊地壓演化過程

巖體和混凝土等材料的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，對(duì)照沖擊地壓物理演化過程，對(duì)于沖擊危險(xiǎn)性煤巖體來說，OA階段為材料的內(nèi)部裂隙被壓實(shí);AB階段為應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)近似線性地增長，伴有體積變化，也是沖擊載荷體基礎(chǔ)靜載荷積累階段;BC階段為載荷聚集階段，煤巖體應(yīng)力與應(yīng)變之間表現(xiàn)出明顯的非線性增長，材料的微裂紋也在不斷發(fā)生和發(fā)展，此階段距離沖擊啟動(dòng)點(diǎn)C存在2種加載途徑，一是繼續(xù)獲得靜載荷增量，二是獲得外界動(dòng)載荷增量。整個(gè)OC階段為沖擊啟動(dòng)前的孕育階段，即動(dòng)、靜載荷加載階段，存在載荷不足夭折的煤炮發(fā)生情況，C點(diǎn)為臨界點(diǎn)，也是沖擊啟動(dòng)點(diǎn)，此時(shí)，EJ+ED-EC>0(EJ,ED,EC分別代表集中靜載荷、集中動(dòng)載荷、巖體動(dòng)力破壞所需要的最小載荷)。CD階段為剩余沖擊能量對(duì)圍巖做功階段，過程中包含了對(duì)載體及阻擋物的破壞，即沖擊地壓顯現(xiàn)。由此可見，沖擊地壓演化實(shí)質(zhì)在巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線中對(duì)應(yīng)的是巖體峰后發(fā)展的過程，區(qū)別于無沖擊危險(xiǎn)煤巖體，沖擊危險(xiǎn)性煤巖體將普通煤巖體一個(gè)月的破壞發(fā)展歷程用幾秒鐘來完成，所以歸類為災(zāi)害。

圖2 沖擊地壓與巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Rock burst and full stress strain curve of rock mass

在達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)積聚于材料內(nèi)部的應(yīng)變能的數(shù)值記為W1，從裂縫到破壞整個(gè)過程所消耗的能量記為W2。若W1>W2，則材料破壞后仍剩余一部分能量，這部分變形能的突然釋放會(huì)伴隨有沖擊，沖擊啟動(dòng);若W1

從沖擊煤巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，誘發(fā)沖擊地壓的各種載荷源，實(shí)質(zhì)是影響沖擊地壓的沖擊啟動(dòng)環(huán)節(jié)，誘發(fā)沖擊啟動(dòng)，而不是全過程影響。

1.2 沖擊地壓工程結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)極限方程

為了方便研究，本文界定由頂板-煤層-底板、空洞組成的工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞失穩(wěn)為結(jié)構(gòu)失穩(wěn);與此相對(duì)而言，定義組合巖層組成的工程結(jié)構(gòu)體中的單一巖性破壞、失穩(wěn)為材料失穩(wěn)。

本文認(rèn)為沖擊啟動(dòng)機(jī)理和沖擊地壓發(fā)生機(jī)理是2個(gè)不同的概念。沖擊啟動(dòng)機(jī)理是研究主導(dǎo)沖擊地壓過程完成的啟動(dòng)區(qū)發(fā)生失穩(wěn)并產(chǎn)生剩余動(dòng)載荷的內(nèi)在原理，重點(diǎn)在于沖擊地壓為什么進(jìn)入啟動(dòng)階段;而沖擊地壓發(fā)生機(jī)理則是研究從沖擊啟動(dòng)—沖擊能量傳遞—沖擊地壓顯現(xiàn)整個(gè)全過程的內(nèi)在原理，更多的是揭示沖擊地壓為什么顯現(xiàn)了。本節(jié)著重研究沖擊啟動(dòng)的內(nèi)在原理。

1.2.1 巷道承載的類建筑結(jié)構(gòu)模型

煤礦井下巷道主承載區(qū)承受載荷隨著周邊采掘活動(dòng)、采礦面積等在變化，如圖3所示，巷道開挖，載荷重新分布，巷道主承載區(qū)載荷局部化集中，但是隨著本工作面不斷推進(jìn)，工作面超前支承壓力將與巷道主承載區(qū)載荷產(chǎn)出疊加效應(yīng)，因此巷道的承受載荷發(fā)生變化(此處僅給出眾多情況中的一個(gè)例子)，因此，圖3為變載荷的巷道承載的類建筑結(jié)構(gòu)模型，圖中P1,P2示意圍壓。本文的研究將著重研究變載荷的巷道承載的類建筑結(jié)構(gòu)模型失穩(wěn)機(jī)理。

1.2.2 類建筑結(jié)構(gòu)主承載體極限平衡方程

(1)彈性主承載體黏滑沖擊條件。

為了方便研究，本部分選取一側(cè)巷幫進(jìn)行分析。圖4為巷道側(cè)幫塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖區(qū)分布圖。在彈塑性變形過程中，巷幫煤體中垂直應(yīng)力σy、水平應(yīng)力σx以及原巖應(yīng)力σ0如圖4所示。如果彈性承載區(qū)瞬間沖進(jìn)巷道空間可能會(huì)發(fā)生黏滑錯(cuò)動(dòng)[13]。

圖3 沖擊地壓巷道類建筑結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Model of tunnel construction with rock burst

圖4 巷道幫部應(yīng)力分區(qū)Fig.4 Stress zoning map of laneway

如圖5所示，建立巷道側(cè)幫主承載區(qū)微單元承載力學(xué)模型。圖5中塑性區(qū)寬度x0由式(1)計(jì)算[13，16]。

(1)

圖5 主承載區(qū)微單元承載力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of microelement bearing in main bearing area

巷道側(cè)幫起到主承載作用的彈性區(qū)可以看作由無數(shù)個(gè)長度為dx的微單元組成。在該工程體中，沖擊地壓的破壞是由里向外。那么長度為dx的煤體單元處于極限穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其兩側(cè)受到水平應(yīng)力之差應(yīng)該和頂?shù)装鍖?duì)其靜摩擦力相當(dāng)，即

(2)

式中，f0為煤層與頂?shù)装鍘r層的靜摩擦因數(shù)。因煤體微單元在極限平衡狀態(tài)時(shí)是靜載的，故上式可以簡化為

Mdσx=2f0σydx(3)

為此，巷道側(cè)幫彈性區(qū)長度從x=0到x=l的煤體發(fā)生黏滑性沖擊的必要條件是下列積分式(4)有解。顯然下式中彈性區(qū)長度l在時(shí)變過程結(jié)束后，基本確定，只有σy是變量，并且隨著外界開采條件變化較大，要使得該彈性區(qū)不產(chǎn)生黏滑錯(cuò)動(dòng)，巷幫側(cè)向垂直應(yīng)力σy大小存在臨界值，如果大于臨界值，煤體與頂?shù)装瀹a(chǎn)生的靜摩擦力大于水平應(yīng)力，將不能產(chǎn)生滑動(dòng)，而實(shí)際上給定巷道水平應(yīng)力大小基本給定，巷幫垂直應(yīng)力始終在變，這一條件很容易達(dá)到，所以，彈性區(qū)發(fā)生整體黏滑錯(cuò)動(dòng)幾率小[16]。

(2)判斷巷道側(cè)幫塑性區(qū)是否發(fā)生沖擊。

巷幫沖擊啟動(dòng)區(qū)為其彈性主承載區(qū)，當(dāng)動(dòng)力性黏滑錯(cuò)動(dòng)發(fā)生后，彈性區(qū)釋放大量的彈性能，除去導(dǎo)致煤體破壞消耗的能量，剩余沖擊性彈性能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能以圍巖為傳遞載體球面輻射，巷道幫部塑性區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)將阻止其傳遞。如果塑性區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)未能消耗完沖擊能量，塑性區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)將受到破壞，并向巷道空間移動(dòng)，造成沖擊地壓顯現(xiàn)。如圖6所示，此時(shí)巷道塑性區(qū)整體受力，并造成沖擊地壓顯現(xiàn)的條件為

式中，x0由式(1)求得。隨著開采擾動(dòng)環(huán)境的改變，巷幫垂直應(yīng)力σy一般呈增大趨勢(shì)，再加上沖擊地壓礦井往往增大支護(hù)強(qiáng)度，所以該式很難成立，因而塑性區(qū)發(fā)生黏滑錯(cuò)動(dòng)沖擊的幾率也很低。

圖6 巷道側(cè)幫塑性區(qū)受力分析Fig.6 Stress analysis of plastic zone in side of roadway

綜上，通過類建筑結(jié)構(gòu)主承載區(qū)、塑性區(qū)動(dòng)力學(xué)方程解析分析，無論是可能的沖擊啟動(dòng)區(qū)(巷幫主承載彈性區(qū))，還是巷幫淺部圍巖的塑性區(qū)，隨著巷幫垂直應(yīng)力σy增大，也增大了煤體與頂?shù)装宓撵o摩擦阻力，所以難以產(chǎn)生黏滑錯(cuò)動(dòng)沖擊[16]。

總之，本文分析全煤巷道模型，沖擊啟動(dòng)區(qū)不會(huì)發(fā)生向巷道空間的黏滑錯(cuò)動(dòng)沖擊。

1.2.3 類建筑結(jié)構(gòu)主承載體地基極限平衡方程

通過上文分析表明，類建筑結(jié)構(gòu)主承載體不會(huì)發(fā)生與頂?shù)装宓酿せ瑳_擊，而巷道沖擊地壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)為底板瞬間鼓起，下面主要分析巷道底板鼓起機(jī)制。

(1)工程結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力分布和力學(xué)模型。

Pa=nP0(6)

式中，n為應(yīng)力集中系數(shù)，一般取1.5～4.0。

圖7 巷道側(cè)向支承壓力分布[14] Fig.7 Distribution of lateral support pressure in laneway[14]

圖7中支承壓力帶影響寬度B可由下式確定:

(7)

此時(shí)，可將圖3和7類建筑結(jié)構(gòu)體進(jìn)行結(jié)合，考慮到該建筑結(jié)構(gòu)上覆載荷在變化，因此簡化為圖8所示模型。此時(shí)巷道可被看作為一座由3部分組成的構(gòu)筑物:巷道頂板與上覆巖體為上部結(jié)構(gòu)物，兩幫主承載區(qū)可視為構(gòu)筑物基礎(chǔ)，底板巖體可視為地基。上部結(jié)構(gòu)物的荷載是通過基礎(chǔ)傳遞到地基上。圖8中，基礎(chǔ)寬度等于支承壓力帶影響寬度B，q為回填層、道床壓力或底板支護(hù)反力，α=45°-φ/2。

圖8 巷道底板動(dòng)力失穩(wěn)力學(xué)模型[14]Fig.8 Dynamic dynamic instability model of roadway floor[14]

(2)巷道底臌的極限平衡。

在高度集中支承壓力(上部載荷)作用下的巷道底板巖體(地基)，當(dāng)承受應(yīng)力達(dá)到或超過極限承載力時(shí)，巖體將由彈性應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成塑性應(yīng)力狀態(tài)，巖體中將出現(xiàn)連續(xù)的剪切滑移面。此時(shí)，底板巖體中形成AOC主動(dòng)狀態(tài)區(qū)，ADF被動(dòng)狀態(tài)區(qū)和兩者間的ACD過渡區(qū)，在底板水平應(yīng)力N作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(圖8)[14，16]。

根據(jù)太沙基理論，圖8中OCDF范圍內(nèi)的巷道底板巖體處于極限平衡和塑性狀態(tài)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的寬度B上的側(cè)向極限平均集中應(yīng)力(或者底板的極限承載力)計(jì)算[14]為

(8)

其中，Nq=eπtanφtan 2(45°+φ/2);Nc=(Nq-1)cotφ;Nr≈2(Nq+1)tanφ，Nr，Nq，Nc為承載力系數(shù)，并且都是巷道底板巖體內(nèi)摩擦角的函數(shù);c，φ，γ分別為巖層的黏聚力、內(nèi)摩擦角和容重。

在寬度B范圍內(nèi)側(cè)幫集中應(yīng)力的平均值近似為

(9)

圖9 主承載區(qū)集中應(yīng)力與應(yīng)力集中系數(shù)關(guān)系Fig.9 Concentrated stress and stress concentration coefficient in the main bearing area

由式(8)可得，主要條件給定，類建筑物地基極限承載力就確定，為一個(gè)常數(shù);而由式(9)及圖9可得，寬度為B的主承載區(qū)集中應(yīng)力與該位置應(yīng)力集中系數(shù)成一次函數(shù)關(guān)系。如果應(yīng)力集中系數(shù)n足夠大，當(dāng)Pn>Pu時(shí)，即側(cè)向集中應(yīng)力大于底板巖體極限承載力，巷道底板巖體將產(chǎn)生整體塑性剪切破壞，剪切破壞體沿OCDF連續(xù)滑動(dòng)面從底板向巷道內(nèi)鼓出，因而引起底臌發(fā)生。

1.3 沖擊啟動(dòng)的材料-結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)理

沖擊地壓發(fā)生往往是兩幫、底板聯(lián)動(dòng)破壞，但究竟是哪個(gè)先破壞，誰帶動(dòng)誰，本部分建立二者聯(lián)動(dòng)力學(xué)模型如圖10所示。圖10中將類建筑結(jié)構(gòu)中的承重墻放回巷道兩幫圍巖分區(qū)中，則對(duì)應(yīng)于巷幫彈性區(qū)，也是巷道工程結(jié)構(gòu)的主承載體。

圖10 主承載區(qū)、地基聯(lián)合承載力學(xué)模型Fig.10 Mechanical model of main bearing area and foundation

圖10模型中寬度為B的主承載區(qū)由無數(shù)個(gè)dx單元組成，由前文分析可得，沖擊地壓發(fā)生時(shí)，該部分煤體難以發(fā)生向巷道空間的黏滑錯(cuò)動(dòng)沖擊，因此主承載區(qū)將持續(xù)進(jìn)行能量儲(chǔ)存，直至達(dá)到強(qiáng)度承受極限，動(dòng)力性破壞發(fā)生。根據(jù)巖體動(dòng)力破壞的最小能量原理:無論在一維、二維或三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體動(dòng)力破壞所需要的能量總是一維應(yīng)力狀態(tài)下破壞所消耗的能量[15]。

要完成上述過程，主承載區(qū)集中載荷Pn必須足夠大，而在Pn增大過程中，其載荷值將可能達(dá)到底板的極限承載力Pu值，從而使得地基處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。由于底板的沖擊傾向性，底臌不會(huì)輕易發(fā)生，能量儲(chǔ)存起來。當(dāng)主承載區(qū)煤體時(shí)機(jī)成熟，發(fā)生材料失穩(wěn)破壞，并瞬間釋放動(dòng)載荷誘發(fā)底板瞬間底臌，而此時(shí)整個(gè)工程結(jié)構(gòu)體由于地基錯(cuò)動(dòng)發(fā)生整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，沖擊啟動(dòng)過程完成。值得注意的是，在整個(gè)沖擊啟動(dòng)過程中，水平應(yīng)力尤其是底板中的水平構(gòu)造應(yīng)力起到推動(dòng)作用，圖10中水平應(yīng)力N促使主動(dòng)破壞區(qū)地基OCA區(qū)域產(chǎn)生向巷道正下方底板運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)[16]。

圖10為靜載荷主導(dǎo)的巷道沖擊啟動(dòng)過程揭示，圖11以采場(chǎng)模型為例，在靜載荷基礎(chǔ)上考慮了動(dòng)載荷擾動(dòng)、加載。

綜上，可見沖擊啟動(dòng)是啟動(dòng)區(qū)材料強(qiáng)度不夠而發(fā)生材料破壞，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性不夠而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的結(jié)果，由于整個(gè)系統(tǒng)的沖擊傾向性，外在表現(xiàn)出材料-結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)。

圖11 采場(chǎng)底板動(dòng)力失穩(wěn)力學(xué)模型Fig.11 Mechanical model of dynamic instability of stope floor

2 沖擊地壓理論與防治技術(shù)體系建立

2.1 沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)與防治統(tǒng)一指導(dǎo)理論

2.1.1 煤礦沖擊地壓主要啟動(dòng)類型

井田區(qū)域、局部開采對(duì)沖擊地壓發(fā)生的影響因素復(fù)雜多變，但最終都?xì)w結(jié)到提供兩類載荷源(集中靜載荷、集中動(dòng)載荷)。兩類載荷影響沖擊地壓發(fā)生，實(shí)質(zhì)是影響沖擊地壓的沖擊啟動(dòng)環(huán)節(jié)，而不是全過程影響。從誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的載荷源來分，沖擊地壓主要存在2種類型:集中靜載荷型和集中動(dòng)載荷型(動(dòng)靜載疊加型)，其它因素的變化都屬于載荷源內(nèi)部組合模式的變化，而不改變沖擊啟動(dòng)類型。

如圖12所示，淺部礦井因埋深淺，重應(yīng)力等基礎(chǔ)靜載荷相對(duì)不足，主要存在一種沖擊形式，即動(dòng)、靜載疊加沖擊型;深部礦井因埋深大，重應(yīng)力、水平應(yīng)力等基礎(chǔ)靜載荷相對(duì)充足，達(dá)到?jīng)_擊臨界值對(duì)載荷增量要求較低，主要存在兩種沖擊形式:微動(dòng)載沖擊型、純靜載沖擊型。因此，煤礦沖擊地壓防控，靜載荷主導(dǎo)，兼顧動(dòng)載荷應(yīng)開展“分源”防治。

圖12 沖擊地壓啟動(dòng)類型與開采深度的關(guān)系Fig.12 Starting type and mining depth of rock burst

2.1.2 沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)與防治關(guān)聯(lián)指導(dǎo)理論

(1)沖擊地壓啟動(dòng)理論

文獻(xiàn)[12]早在2012年通過沖擊地壓發(fā)生過程剖析與案例驗(yàn)證，得到?jīng)_擊地壓發(fā)生的時(shí)間序列與空間序列對(duì)應(yīng)關(guān)系;揭示了誘發(fā)沖擊地壓啟動(dòng)的兩類載荷源內(nèi)外因關(guān)系;給出了沖擊地壓的可能啟動(dòng)區(qū)域。針對(duì)沖擊地壓兩幫、底板聯(lián)動(dòng)的啟動(dòng)過程，前文專門揭示了沖擊地壓的材料-結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)啟動(dòng)原理，從而將沖擊啟動(dòng)理論完善為:沖擊地壓發(fā)生是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，依次經(jīng)歷沖擊啟動(dòng)—沖擊能量傳遞—沖擊地壓顯現(xiàn)3個(gè)階段;沖擊啟動(dòng)是單一結(jié)構(gòu)體突破材料強(qiáng)度極限，材料失穩(wěn)，導(dǎo)致聯(lián)合結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的結(jié)果;采動(dòng)圍巖近場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷的積聚是沖擊啟動(dòng)的內(nèi)因，采動(dòng)圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)系統(tǒng)外集中動(dòng)載荷對(duì)靜載荷的擾動(dòng)、加載是沖擊啟動(dòng)的外因;可能的沖擊啟動(dòng)區(qū)為極限平衡區(qū)應(yīng)力峰值最大區(qū)，沖擊啟動(dòng)的能量判據(jù)為EJ+ED-EC<0。

(2)沖擊地壓啟動(dòng)理論工程指導(dǎo)意義

包括了4個(gè)方面:① 將沖擊地壓機(jī)理研究提前至沖擊啟動(dòng)階段;② 沖擊地壓監(jiān)測(cè)可從采動(dòng)圍巖近場(chǎng)靜載荷和遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)載荷兩方面分源監(jiān)測(cè)。③ 沖擊地壓的防治，核心是2個(gè)階段:① 阻止沖擊啟動(dòng);② 如果沖擊啟動(dòng)，降低能量總量和減小剩余能量釋放速度。具體結(jié)合分源監(jiān)測(cè)開展分源治理;④ 指出了采動(dòng)圍巖近場(chǎng)應(yīng)力峰值區(qū)為可能的沖擊啟動(dòng)區(qū)。示意流程如圖13所示，以誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的靜、動(dòng)載荷源為中心開展分源監(jiān)測(cè)、分源防治。

圖13 沖擊地壓分源防治流程Fig.13 Flow chart of rock burst prevention from the source of the load

2.2 沖擊地壓防治成套技術(shù)體系

課題組以沖擊地壓物理演化過程剖析為切入點(diǎn)，以誘發(fā)沖擊啟動(dòng)載荷源為主線，基于沖擊啟動(dòng)理論分別對(duì)沖擊地壓機(jī)理、預(yù)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、防治等各環(huán)節(jié)開展了系統(tǒng)性研究，在實(shí)踐應(yīng)用基礎(chǔ)上建立煤礦沖擊地壓理論與成套技術(shù)體系，如圖14所示。

圖14 煤礦沖擊地壓成套理論技術(shù)體系Fig.14 A complete set of theoretical and technical system drawings for rock burst

該體系具有以下執(zhí)行要求:

(1)煤礦沖擊地壓成套理論技術(shù)體系，所述理論為沖擊啟動(dòng)理論，所述技術(shù)體系為在機(jī)理、評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治過程中建立在沖擊啟動(dòng)理論指導(dǎo)基礎(chǔ)的技術(shù)應(yīng)用。

(2)沖擊啟動(dòng)理論，包含了4層認(rèn)識(shí):指出了沖擊地壓的物理過程;分析了沖擊啟動(dòng)載荷源的內(nèi)外因關(guān)系;揭示了沖擊啟動(dòng)區(qū)以及啟動(dòng)原理;分析了沖擊啟動(dòng)的分類與載荷判據(jù)。對(duì)于沖擊啟動(dòng)理論所劃分的兩種沖擊地壓類型，本體系都適用。

(3)基于沖擊啟動(dòng)理論的沖擊地壓防治主要包括了礦井建設(shè)階段的區(qū)域防范與生產(chǎn)階段的局部防治。

將采掘空間沖擊地壓發(fā)生的條件聯(lián)系到井田范圍來講，井田區(qū)域范圍不合理的開采為后期局部沖擊地壓啟動(dòng)主要提供集中靜載荷。礦井生產(chǎn)階段，沖擊地壓的發(fā)生，從誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的載荷源來分，沖擊地壓主要存在2種類型:集中靜載荷型和集中動(dòng)載荷型，其它因素的變化都屬于載荷源內(nèi)部組合模式的變化，而不改變沖擊啟動(dòng)類型。因此針對(duì)每一起沖擊地壓案例，首先要辨別沖擊啟動(dòng)類型。

(4)針對(duì)建設(shè)階段(圖14中開采前)，井田范圍集中靜載荷的遷移，集中，不能通過爆破卸壓等手段來干擾，也不能采取手段來堵，最為有效的方法就是“疏導(dǎo)”，即通過區(qū)域集中靜載荷“疏導(dǎo)”理念與方法體系來開展沖擊地壓防范[17]。

對(duì)于生產(chǎn)階段(圖14中開采中)，由于采掘空間采空區(qū)日益形成，動(dòng)載荷源產(chǎn)生，所以沖擊地壓防治，應(yīng)該在沖擊啟動(dòng)類型確定基礎(chǔ)上，以載荷源為中心，分源監(jiān)測(cè)，分源治理，以“卸壓”為主，以“支護(hù)”為輔，“卸、支”耦合作用。

(5)沖擊啟動(dòng)的判別準(zhǔn)則為采掘空間極限平衡區(qū)集中靜載荷與遠(yuǎn)場(chǎng)系統(tǒng)外集中動(dòng)載荷之和大于主承載區(qū)動(dòng)力破壞所需要的最小能量。無論哪種類型沖擊啟動(dòng)，采場(chǎng)、巷道沖擊啟動(dòng)實(shí)質(zhì)是極限平衡區(qū)靜載荷集中，是內(nèi)因，外界動(dòng)載荷起到促進(jìn)作用，底板、煤壁只是能量傳遞與釋放的載體，即沖擊地壓顯現(xiàn)位置。

(6)煤礦沖擊地壓成套理論技術(shù)體系建立，下一步精細(xì)化、精度化工作仍在進(jìn)行中。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 礦井地質(zhì)和開采條件

陜西彬長礦區(qū)某新建礦井，埋深900 m左右，井田構(gòu)造總體形態(tài)為一走向北東～北東東，傾向北西的單斜，發(fā)育有次級(jí)波狀起伏，傾角2°～7°。主采煤層為4煤層，為單一近水平煤層，煤層厚度為0～15 m，煤層直接頂為粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖，其厚度為4～25 m，煤層直接底為鋁質(zhì)泥巖及泥巖組成。

一盤區(qū)位于礦井西翼北部，為該礦的首采盤區(qū)，周邊均為實(shí)體煤。一盤區(qū)計(jì)劃共布置工作面5個(gè)(101,103,104,105,106)，4煤層為該區(qū)惟一開采煤層。一盤區(qū)4煤層賦存深度在800～1 000 m之間。一盤區(qū)3條大巷掘進(jìn)揭煤后陸續(xù)發(fā)生沖擊地壓。

3.2 沖擊地壓防治理論與技術(shù)體系應(yīng)用

3.2.1 礦井建設(shè)階段

分析認(rèn)為該礦埋深較大，采掘空間基礎(chǔ)靜載荷較為充足，應(yīng)從開拓、準(zhǔn)備階段就進(jìn)行靜載荷疏導(dǎo)，以降低后期局部解危的難度和強(qiáng)度。依據(jù)沖擊地壓防治的成套理論與技術(shù)體系:① 進(jìn)行了煤巖層沖擊傾向性鑒別，認(rèn)為煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂?shù)装鍨槿鯖_擊傾向性，進(jìn)入防沖程序。② 基于最大水平主應(yīng)力方向調(diào)整了一盤區(qū)大巷方向，并將一盤區(qū)大巷外延段以及二盤區(qū)大巷調(diào)整至頂板巖層中，以降低巷道極限平衡區(qū)應(yīng)力集中程度。③ 將礦井原計(jì)劃采用的分層綜采，基于防沖角度，調(diào)整為一次采全厚的綜放開采工藝。由于頂煤的墊層作用，以降低采場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性。④ 將原來設(shè)計(jì)的盤區(qū)兩翼開采，調(diào)整為多盤區(qū)單翼“一區(qū)一面”開采，避免了采掘擾動(dòng)應(yīng)力疊加影響。⑤ 將原來設(shè)計(jì)的工作面區(qū)段煤柱由20 m調(diào)整為6 m沿空掘巷布置，降低了區(qū)段煤柱應(yīng)力集中程度。

依據(jù)前文建立的理論與技術(shù)體系，針對(duì)首采面開采前，以集中靜載荷疏導(dǎo)為目標(biāo)，通過優(yōu)化礦井開拓、準(zhǔn)備階段的設(shè)計(jì)，達(dá)到了該礦沖擊地壓源頭治理目標(biāo)。

3.2.2 礦井生產(chǎn)階段

(1)動(dòng)、靜載荷源分源監(jiān)測(cè)

伴隨著首采工作面的推進(jìn)，礦井采空區(qū)逐漸出現(xiàn)，頂板動(dòng)載荷源產(chǎn)生，依據(jù)沖擊地壓防治的成套理論與技術(shù)體系，需要開展誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的集中靜載荷源、集中動(dòng)載荷源分源監(jiān)測(cè)、分源治理。如圖15所示，礦井安裝了波蘭ARAMIS ME 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行頂板動(dòng)載荷源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，101首采工作面附近共布置6個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷各布置1臺(tái)拾震器S4，S5;101回風(fēng)巷安設(shè)2個(gè)拾震探頭T6，T7;101運(yùn)輸巷安設(shè)2個(gè)拾震探頭T8，T9，對(duì)101工作面形成環(huán)狀包圍，用于監(jiān)測(cè)工作面微震事件，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖15所示。

圖15 動(dòng)載荷監(jiān)測(cè)傳感器布置方案Fig.15 Layout plan of dynamic load monitoring sensor

對(duì)于深部集中靜載荷監(jiān)測(cè)，101工作面采用KJ21沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在采掘空間圍巖埋設(shè)高精度應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采動(dòng)圍巖近場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)靜載荷的積聚及變化，從沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)因角度監(jiān)測(cè)并警示應(yīng)力或能量狀態(tài)，從而為減災(zāi)避災(zāi)提供指導(dǎo)?；仫L(fēng)巷和運(yùn)輸巷壓力傳感器安裝在工作面?zhèn)龋蚤_切眼前方10 m開始，每間隔25 m一組，每組2個(gè)測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)深度分別為7，15 m，鉆孔直徑45 mm。每組2個(gè)測(cè)點(diǎn)間距不超過1 m;輔助運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷傳感器安裝在煤柱側(cè)，具體布置如圖16所示。圖17表明，工作面推進(jìn)后動(dòng)載事件增長迅速。

圖16 靜載荷監(jiān)測(cè)傳感器布置方案Fig.16 Layout plan of static load monitoring sensor

圖17 工作面回采前后微震事件對(duì)比Fig.17 Contrast diagram of microseismic events before and after recovery of working face

(2)動(dòng)、靜載荷源分源治理與效果

在工作面回采過程中，除了加強(qiáng)支護(hù)，延長工作面超前支護(hù)距離外，主要根據(jù)煤體應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)到的巷道高集中應(yīng)力采用了大直徑鉆孔卸壓，針對(duì)微震定位到的動(dòng)載荷源主要為上覆25 m厚的砂巖頂板，采用了頂板預(yù)裂爆破方法處理。堅(jiān)持以“卸壓”為主，以“支護(hù)”為輔，“卸、支”耦合作用的沖擊地壓局部防治理念。在實(shí)施解危工作之前，101工作面絕大部分區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)均小于0.75，其中處于0.5≤C<0.75之間的中等危險(xiǎn)區(qū)域分布較為集中，大約為工作面整體區(qū)域的1/5。在實(shí)施卸壓工作之后，工作面沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)處于0.5≤C<0.75的中等危險(xiǎn)區(qū)域呈零散分布，大約為工作面整體區(qū)域的1/8?？梢?，通過實(shí)施解危工作，大部分中等危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)性有所降低，轉(zhuǎn)變?yōu)槿跷ｋU(xiǎn)區(qū)域，解危工作成效較為顯著。

截止本文發(fā)稿，礦井一盤區(qū)大巷、二盤區(qū)大巷掘進(jìn)到位，安全回采了4個(gè)工作面。

4 討 論

沖擊地壓終究是一個(gè)專業(yè)問題，為了便于廣大工程技術(shù)人員領(lǐng)會(huì)其中的原理，筆者長期思考總結(jié)的3個(gè)防沖理念，與大家交流。

(1)沖擊地壓機(jī)理——水杯理論。與沖擊啟動(dòng)理論對(duì)應(yīng)，以杯子里的水溢出為沖擊，杯子已有水為基礎(chǔ)水位(基礎(chǔ)靜載荷)，水溢出有兩種途徑:一種是緊貼杯壁細(xì)流注水(純靜載荷沖擊);一種是外力搖晃溢出(對(duì)應(yīng)外界動(dòng)載荷擾動(dòng))。無論哪種情況，杯子里必須得有基礎(chǔ)水量(沖擊地壓基礎(chǔ)靜載荷)，這是內(nèi)因。水是否溢出在于獲取細(xì)流(相對(duì)靜載荷)或搖晃(動(dòng)載荷)的時(shí)機(jī)。

(2)沖擊地壓預(yù)警——手表原理。沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警是世界難題，為了達(dá)到較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，無論是從載荷源分布上、還是從空間位置等角度，人們都想到多種方法綜合監(jiān)測(cè)，但都是一個(gè)結(jié)果，是否危險(xiǎn)，正如同戴多塊手表，而每塊時(shí)間都不一樣，因此沖擊地壓多種方法監(jiān)測(cè)預(yù)警必須要考慮各自權(quán)重貢獻(xiàn)。

(3)沖擊地壓防治——泄水任務(wù)。沖擊地壓采掘巷道，從走向上來看，各個(gè)區(qū)域因地質(zhì)、開采環(huán)境的不同，應(yīng)力分布極不均勻，但達(dá)到?jīng)_擊的條件基本相似，對(duì)于防沖工作者來講，通俗的說，就是沿巷道走向兩幫放置了兩排同規(guī)格的無數(shù)個(gè)水杯，而各個(gè)水杯的基礎(chǔ)水位高低不同，后期將面臨著獲得細(xì)流或者晃動(dòng)增量，目前我們還做不到預(yù)測(cè)水什么時(shí)候滿，所以主要任務(wù)是泄水，評(píng)估出較高水位，及時(shí)泄水，以提高其后期獲取的增量門檻。

5 結(jié) 論

(1)采用黑箱研究方法分解沖擊地壓物理過程，將沖擊地壓由“黑箱”認(rèn)識(shí)推進(jìn)到“灰箱”認(rèn)識(shí)階段。

(2)將沖擊地壓機(jī)理研究提前至啟動(dòng)階段。指出頂板-煤層-底板，空洞組合工程結(jié)構(gòu)體，其沖擊啟動(dòng)原理為彈脆性單一結(jié)構(gòu)體突破材料強(qiáng)度極限，材料失穩(wěn)，導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)的結(jié)果。

(3)將沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)與防治指導(dǎo)理論關(guān)聯(lián)并統(tǒng)一起來，通過近10 a的研究與工程實(shí)踐，基于沖擊啟動(dòng)理論建立了適應(yīng)礦井全周期的沖擊地壓防治理論及技術(shù)體系，工程應(yīng)用效果良好。