煤礦深部開采煤巖動力災害防控理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)

齊慶新,潘一山，李海濤，姜德義，舒龍勇，趙善坤，張永將，潘俊鋒，李宏艷，潘鵬志

(1.煤炭科學研究總院 深部開采與沖擊地壓研究院，北京 100013; 2.煤炭科學研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013; 3.遼寧大學,遼寧 沈陽 110036; 4.遼寧工程技術(shù)大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000; 5.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 6.重慶大學 資源與環(huán)境學院，重慶 401331; 7.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039; 8.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013; 9.中國科學院 武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071)

近10 a來，我國煤礦開采中的煤巖動力現(xiàn)象頻繁顯現(xiàn)，災害時有發(fā)生，如2017年河南登封興峪“1·4”煤與瓦斯突出事故、遼寧紅陽三礦“11·11”沖擊地壓事故、2018年貴州盤州梓木嘎“8·6”煤與瓦斯突出事故、山東龍鄆“10·20”沖擊地壓事故、2019年吉林龍家堡“6·9”沖擊地壓事故、貴州安龍廣隆“12·17”煤與瓦斯突出事故、2020年山東龍堌“2·22”事故[1-2]等。因此，進一步提升煤巖動力災害防控技術(shù)的有效性已刻不容緩。

我國從“十五”開始就高度重視煤礦安全生產(chǎn)，特別從機制體制方面，成立了國家煤礦安全監(jiān)察局，由此將煤礦安全的監(jiān)管監(jiān)察上升至國家行為。同時，對于煤巖動力災害的研究，國家從“十一五”開始就陸續(xù)通過國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)、國家科技支撐計劃等加強科技攻關(guān)投入。特別是“十三五”期間，國家先后確定了“煤礦典型動力災害風險判識及監(jiān)控預警技術(shù)研究”(2016YFC0801400)和“煤礦深部開采煤巖動力災害防控技術(shù)研究(2017YFC0804200)”兩個國家重點研發(fā)計劃項目，以開展針對煤礦煤巖動力災害的專項研究工作。通過“十五”、“十一五”，特別是“十三五”以來對煤巖動力災害的研究，我國已從國家層面形成了系列化的煤巖動力災害防治技術(shù)標準、規(guī)程及細則等，并建立了較為系統(tǒng)的煤巖動力災害防控技術(shù)體系。我國煤礦煤巖動力災害防控已逐步走上了“管理有法可依、執(zhí)法有據(jù)可查”的科學軌道。

同時，也需要清楚地認識到，我國煤礦煤巖動力災害防控仍存在很多待解難題。僅就沖擊地壓而言，目前的《防治煤礦沖擊地壓細則》中明確規(guī)定，我國沖擊地壓防治應當堅持“區(qū)域先行，局部跟進，分區(qū)管理，分類防治”的原則，但針對具體沖擊地壓礦井，如何在防控技術(shù)研究中體現(xiàn)實際開采地質(zhì)條件的差異并給出對策，如何完成區(qū)域-局部措施的合理選擇及有效配合，沖擊地壓災害和沖擊地壓礦井如何分類，又如何以此為據(jù)實施分區(qū)管理和分類防治等等諸多問題，均需在沖擊地壓災害防治的實踐中找到解決方案。同樣，煤與瓦斯突出災害及復合煤巖動力災害的防控也面臨類似挑戰(zhàn)。

本文以“煤礦深部開采煤巖動力災害防控技術(shù)研究”的總體研究思路和技術(shù)架構(gòu)[3]為基礎(chǔ)，針對我國煤巖動力災害防治中遇到的相關(guān)技術(shù)問題，從概念認知、理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)等方面論述了項目組3 a來的研究工作和取得的主要進展。

1 煤巖動力災害防控中的主要概念

本文研究的煤巖動力災害，僅指沖擊地壓、煤與瓦斯突出和2者的復合煤巖動力災害。不同于常規(guī)的冒頂、底臌、片幫等災害，對于煤礦開采過程中的煤巖動力災害往往更強調(diào)其“動力”特征，即突然、猛烈、急劇地破壞。與之相關(guān)，對于煤巖動力災害的防控，需要明確以下5個主要概念:

(1)沖擊傾向性。

沖擊傾向性是煤巖體的一種固有力學屬性，反映煤巖材料產(chǎn)生沖擊破壞的能力?；谖覈旱V開采條件和煤巖層賦存的特點，在實際沖擊地壓研究中分別給出了煤和巖層的沖擊傾向性定義。其中，煤的沖擊傾向性定義為:煤體具有的積聚變形能并產(chǎn)生沖擊破壞的性質(zhì)[4];巖層的沖擊傾向性定義為:巖層積聚變形能并具有產(chǎn)生沖擊破壞的性質(zhì)[5]。煤巖自身所固有的沖擊傾向性是一種與受力條件等無關(guān)的自然屬性。

當然，煤礦開采條件下煤巖沖擊傾向性的表征指標與其他礦山和地下巖體工程中表征巖爆傾向性的指標還是有所不同的。比如強度脆性系數(shù)在用來表征巖爆傾向性時，是一種常用且適用的指標[6]，但在表征煤巖沖擊傾向性時，是不適用的，且與其他沖擊傾向性指標不相關(guān)[7]。這在一定程度上體現(xiàn)了沖擊地壓與巖爆的差異性[8]。

(2)沖擊危險性。

沖擊危險性描述煤巖體發(fā)生沖擊地壓的危害程度或危險程度，具體指現(xiàn)場開采條件下發(fā)生沖擊地壓的可能性及其危害程度的大小。除煤巖沖擊傾向性，還與礦山地質(zhì)和開采條件，如采深、煤巖層厚度、煤柱寬度、煤巖體受力條件等因素相關(guān)[9]。目前，我國多采用綜合指數(shù)法、經(jīng)驗類比分析法、微震監(jiān)測法、采動應力監(jiān)測法等實現(xiàn)煤巖層沖擊危險性的評價，但在科學性和系統(tǒng)性方面仍需進一步提煉。

需要強調(diào)的是，沖擊傾向性與沖擊危險性是完全不同的兩個概念，必須區(qū)別對待。如前所述，沖擊傾向性是與環(huán)境無關(guān)的煤巖體固有性質(zhì)，而沖擊危險性則與受力狀態(tài)、邊界條件及工藝過程密切相關(guān)。舉例示之:某煤礦具有一強沖擊傾向性煤層，經(jīng)評價該煤層某區(qū)域處于中等沖擊危險性的狀態(tài)(圖1(a)煤塊A)，則該煤塊無論是處于原位抑或是實驗室，其沖擊傾向性均為強沖擊傾向性，不因地點環(huán)境而變;但其沖擊危險性則將由于所處環(huán)境不同而改變:井下原位環(huán)境中，該煤塊具有中等沖擊危險性，而處于實驗室自由狀態(tài)下，該塊煤則不具有沖擊危險性(圖1(b)放置于桌面的煤塊A)。此外，沖擊傾向性通常以實驗室測試為主要獲得手段，而沖擊危險性則往往需要基于井下實測數(shù)據(jù)的分析才可實現(xiàn)評價。

圖1 擊傾向性與沖擊危險性異同表征示意Fig.1 Schematic representation of the similarities and differe-nces between bursting liability and bursting risk

然而，在實際研究與工程中，對于沖擊傾向性和沖擊危險性的認識仍存在不同程度的偏差或錯誤，尤其是在研究非煤礦山、隧道等地下工程中的巖爆問題時，往往將巖爆傾向性、沖擊傾向性、可能性、危險性作為同一概念使用，通常對此并不加以區(qū)分[10-13]。

(3)沖擊危險性評估和沖擊危險性評價。

沖擊危險性評估和沖擊危險性評價是在沖擊地壓防控不同階段開展的研究工作。其差異主要體現(xiàn)在:沖擊危險性評估是在礦區(qū)規(guī)劃、礦井建設可行性研究及礦井初步設計階段，針對煤巖層在未來開采過程中沖擊地壓發(fā)生可能性開展的研究工作，具體方法可采用經(jīng)驗類比、理論分析及數(shù)值模擬計算等，評估結(jié)果通常是定性的或趨勢性的;沖擊危險性評價則是在礦井建設期間或生產(chǎn)期間開展的針對煤巖層是否具有沖擊危險性開展的研究工作，主要通過實測方法進行定性的、具有明確結(jié)論的評價。

(4)突出危險性與突出危險性評價。

突出危險性是指具有潛在突出能量的含瓦斯煤巖體在采掘擾動作用下發(fā)生突出的可能性及其危害程度的大小。煤巖突出危險性受地應力(原巖應力和采動應力)、煤巖中氣體壓力和煤巖吸附解吸特性、煤巖物理力學性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境特征、礦井采掘施工條件等因素綜合影響，其中煤巖吸附解吸特性和物理力學性質(zhì)等因素是煤巖固有的介質(zhì)屬性，諸如瓦斯放散初速度Δp、堅固性系數(shù)f值、煤的破壞類型等均屬于該范疇?，F(xiàn)行《防治煤與瓦斯突出細則》中規(guī)定，我國防治煤與瓦斯突出基本流程主要包括:突出危險性評估與鑒定、兩個“四位一體”綜合防突措施設計。其中評估與鑒定具體包括:建井前突出危險性評估、突出危險性鑒定、開拓前區(qū)域突出危險性評估、開拓后突出煤層區(qū)域突出危險性預測、工作面突出危險性預測等環(huán)節(jié)。

在突出防治領(lǐng)域雖然沒有突出危險性評價的專門概念，但防突工程實踐中很多工作本質(zhì)上都屬于突出危險性評價范疇。例如:建井前突出危險性評估是指新建礦井在可行性研究階段，根據(jù)地質(zhì)勘查資料和鄰近生產(chǎn)礦井資料等對井田范圍內(nèi)采掘工作面可能揭露的所有平均厚度在0.3 m及以上的煤層進行的突出危險性評價;突出危險性鑒定是指在建井期間或生產(chǎn)期間，依據(jù)礦井實際發(fā)生的瓦斯動力現(xiàn)象或?qū)崪y的突出危險性鑒定指標進行的煤層突出危險性評價工作;開拓前區(qū)域突出危險性評估、開拓后突出煤層區(qū)域突出危險性預測、工作面突出危險性預測等屬于礦井建井后的不同階段開展的突出危險性評價工作，其主要目的分別是指導開拓設計、區(qū)域防突措施和局部防突措施的制定與實施。

(5)沖擊地壓礦井和煤與瓦斯突出礦井。

目前，沖擊地壓礦井的確定在《防治煤礦沖擊地壓細則》中已有明確規(guī)定:“有沖擊地壓煤層的礦井為沖擊地壓礦井”。但筆者認為，沖擊地壓防控作為貫穿礦井全生命周期的工作，在沖擊地壓礦井的定義中同樣應當有所體現(xiàn)，其表述應加以補充，即“有沖擊地壓煤層的礦井為沖擊地壓礦井，或發(fā)生過沖擊地壓的礦井為沖擊地壓礦井，或評估為有沖擊危險性煤層的礦井為沖擊地壓礦井”。以此在礦區(qū)規(guī)劃、礦井建設和礦井生產(chǎn)等不同階段按照“區(qū)域先行，局部跟進，分區(qū)管理，分類防治”的基本原則。實現(xiàn)對于沖擊地壓的全面防控。

對于煤與瓦斯突出礦井，《煤礦安全規(guī)程》(2016版)和《煤礦瓦斯等級鑒定辦法》中明確指出:“突出煤(巖)層是指在礦井井田范圍內(nèi)發(fā)生過煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出的煤(巖)層或者經(jīng)過鑒定、認定為有突出危險的煤(巖)層;而煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井是指在礦井開拓、生產(chǎn)范圍內(nèi)有突出煤(巖)層的礦井”。然而，煤礦現(xiàn)場防突工程實踐已經(jīng)證明，現(xiàn)行突出危險性評估、鑒定的指標與方法存在一定不足，特別是未考慮地應力、地質(zhì)構(gòu)造及不同地區(qū)煤質(zhì)差異等因素的影響，致使所得結(jié)論可能存在偏差，典型情況包括[14]:① 按照單項指標法所得的突出鑒定結(jié)論，可能不足以支撐對于煤層突出危險性的判定，如突出煤層和非突出煤層的瓦斯放散初速度Δp相差不大，不存在一個明顯能劃分煤層突出危險性的臨界值(圖2);又如煤礦深部或松軟破碎煤層發(fā)生突出時的瓦斯壓力并未超過0.74 MPa(陽泉礦區(qū)寺家莊煤礦最小突出壓力僅0.23 MPa，豫西重力滑動構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)二1煤突出的最小瓦斯含量僅4.00 m3/t)。② 依據(jù)現(xiàn)行突出危險性鑒定指標和流程所得結(jié)論的科學性仍有待提高，《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定開展突出煤層鑒定工作的過程中，測壓鉆孔的布置應根據(jù)煤層范圍大小、地質(zhì)構(gòu)造復雜程度等綜合確定，但同一地質(zhì)單元內(nèi)沿煤層走向和傾向分別不應少于2個和3個測點，且應當確保在該地質(zhì)單元內(nèi)埋深最大及標高最低的開拓工程部位布置有測點。煤層突出危險性及突出危險程度受地質(zhì)構(gòu)造影響作用明顯，依據(jù)現(xiàn)有方法布置測點，難以做到測點布置在最危險或突出參數(shù)最大值區(qū)域，測定的參數(shù)不能確定是否為煤層區(qū)域的極值。出于管理及安全角度考慮,多數(shù)鑒定機構(gòu)在開展突出煤層鑒定工作中,對于無突出危險的鑒定結(jié)論通常會明確給出鑒定標高(或埋深)或者用拐點坐標圈定出鑒定范圍。

圖2 不同地區(qū)瓦斯放散初速度Δp統(tǒng)計規(guī)律[14]Fig.2 Statistical law of initial speed of methane diffusion in different areas[14]

2 煤巖動力災害防控理論基礎(chǔ)

2.1 廣義“三因素”理論的建立

基于煤巖體的層狀特征及其發(fā)生沖擊地壓的特點，筆者針對沖擊地壓提出了的“三因素”機理[9,15]。同時，在煤與瓦斯突出的各種發(fā)生機理中，綜合作用假說具有普遍性。這兩種“機理”或“假說”可以較好地解釋沖擊地壓和煤與瓦斯突出的發(fā)生機理，也得到了較為廣泛的認同，成為認識沖擊地壓和煤與瓦斯突出的基本共識。

在沖擊地壓“三因素”機理模型中，“內(nèi)在因素”、“力源因素”和“結(jié)構(gòu)因素”是影響沖擊地壓發(fā)生最為主要的3個因素，并由此構(gòu)成了沖擊地壓發(fā)生的必要條件，缺一不可。具體而言，“內(nèi)在因素”是指煤巖體自身所具有的性質(zhì)，即沖擊傾向性;“力源因素”是指煤巖體的高度的應力集中或高度的能量貯存與動態(tài)擾動;“結(jié)構(gòu)因素”是指發(fā)生沖擊地壓的煤巖體具有弱面和容易引起突變滑動的層狀介面，存在斷層或薄軟層結(jié)構(gòu)。

在煤與瓦斯突出的綜合作用假說中，認為煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果，并指出，在煤與瓦斯突出形成過程中，地應力、瓦斯氣體及其壓力起到促進突出發(fā)生的動力作用，而煤體則起到阻礙突出發(fā)生的阻力作用。地應力、瓦斯和煤體3者緊密相聯(lián)，共同影響煤與瓦斯突出的發(fā)生。

進一步對比分析沖擊地壓“三因素”機理和煤與瓦斯突出的綜合作用假說可知:沖擊地壓中的“內(nèi)在因素”與突出中煤的物理力學性質(zhì)可概括為“物性因素”;沖擊地壓中的“力源因素”與突出的地應力、瓦斯壓力可概括為“應力因素”;而無論是沖擊地壓還是煤與瓦斯突出，其發(fā)生沖擊與突出破壞所處的煤巖系統(tǒng)，均具有頂?shù)装鍔A持煤層的相同結(jié)構(gòu)，進而可將其概括為“結(jié)構(gòu)因素”。

由此，沖擊地壓和煤與瓦斯突出的發(fā)生機理都可以用“物性因素”、“應力因素”和“結(jié)構(gòu)因素”進行概括，為區(qū)別沖擊地壓的“三因素”機理，將其稱為廣義“三因素”機理或理論。當然，沖擊地壓“三因素”機理并未像煤與瓦斯突出的綜合作用假說一樣，強調(diào)了發(fā)生過程中“動力”和“阻力”的概念，但其關(guān)鍵均集中于“應力因素”，這一決定動力現(xiàn)象發(fā)生與否最為主要的因素。至于“物性因素”和“結(jié)構(gòu)因素”，基本由發(fā)生沖擊地壓或煤與瓦斯突出煤巖體所具有的自然條件所決定，也正是因為有了這樣的“物性因素”和“結(jié)構(gòu)因素”條件，才使其能夠在“應力因素”的作用下出現(xiàn)動力破壞，造成災害的發(fā)生。

上述的分析表明，沖擊地壓和煤與瓦斯突出的發(fā)生機理可以用“物性因素”、“應力因素”及“結(jié)構(gòu)因素”來描述，即煤礦動力災害的廣義“三因素”理論。當然，關(guān)于沖擊地壓和煤與瓦斯突出的發(fā)生機理的共性研究，章夢濤等[16]早在30多年前就基于佩圖霍夫的基本概念提出了沖擊地壓和煤與瓦斯突出的統(tǒng)一失穩(wěn)理論。從該角度而言，綜合沖擊地壓“三因素”機理和煤與瓦斯突出綜合作用假說，并由此提出的煤巖動力災害廣義“三因素”理論是具有理論依據(jù)的，能夠為煤礦煤巖動力災害的防控提供更為基礎(chǔ)的支撐。

需要補充的是，廣義“三因素”理論所提供的基礎(chǔ)支撐具體表現(xiàn)為，從理論上明確了煤巖動力災害防控應從改變煤巖體的“物性因素”、“應力因素”和“結(jié)構(gòu)因素”入手，以實現(xiàn)不同尺度、不同應力源或載荷源、不同結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、不同煤巖層的控制，防止煤巖動力災害的發(fā)生。

2.2 沖擊地壓與沖擊地壓礦井類型確定

2.2.1沖擊地壓類型劃分

沖擊地壓是煤礦井巷或工作面周圍煤巖體由于彈性能的瞬時釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常伴有煤巖體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等。但是，由于煤巖體中彈性能釋放的主體、載荷類型與來源、發(fā)生時間與位置、有無斷層與褶曲等具體條件的不同，導致沖擊地壓的類型各異。因此，對沖擊地壓進行分類，并采取針對性的有效防治措施，對于實現(xiàn)對沖擊地壓的分類防治具有重要意義。

目前，國際上主要基于沖擊現(xiàn)象和內(nèi)在機理而將沖擊地壓分為兩類，即應變型沖擊地壓和滑移型沖擊地壓[17]。就我國而言，目前尚未形成公認的沖擊地壓分類標準和方法，更多的是不同學者從各自角度出發(fā)而提出的沖擊地壓分類結(jié)果。潘一山等[18]將沖擊地壓分為3類: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。竇林名等[19]按照沖擊地壓位置及影響因素的不同，將沖擊地壓分為4種類型，即煤柱型、堅硬頂板型、褶曲構(gòu)造型和斷層型。譚云亮等[20]將沖擊地壓分為深部應變型、斷層滑移型和堅硬頂板型3種類型。潘俊鋒等[21]針對我國煤礦深部開采沖擊地壓問題，從動靜載荷源的角度，將沖擊地壓分為深部動靜載疊加型、深部高靜載加載型、深部高靜載卸荷型3種類型。姜耀東等[22]將我國煤礦沖擊地壓分為3 類:材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯動型沖擊地壓和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。

事實上，由于沖擊地壓具有受煤巖層結(jié)構(gòu)、采動等多因素綜合影響的特性，在實際發(fā)生沖擊地壓時，往往會被直觀的描述為諸如頂板沖擊地壓、煤層沖擊地壓、動載沖擊地壓、斷層沖擊地壓、掘進工作面沖擊地壓、強烈沖擊地壓等不同類型。這些沖擊地壓類型，或者是按參與沖擊地壓的巖體類別劃分，或者是按應力來源和加載形式劃分，或者是按破壞與顯現(xiàn)程度劃分，或者是按沖擊的震級及拋出煤量劃分。

為實現(xiàn)沖擊地壓科學分類，更好地指導沖擊地壓防控工作，在進行沖擊地壓分類時，應針對煤礦沖擊地壓特點，并考慮以下4個要素:

(1)沖擊地壓發(fā)生機理要素。煤巖體系統(tǒng)發(fā)生沖擊地壓，其破壞機理只有兩類，即材料失穩(wěn)破壞和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

(2)沖擊地壓發(fā)生位置要素。從煤巖層位置角度可分為頂板沖擊、底板沖擊、煤層沖擊;從掘進和回采角度可分為巷道沖擊、回采工作面沖擊、回采工作面前方巷道沖擊、回采工作面后方巷道沖擊。

(3)沖擊地壓發(fā)生載荷(力源)要素。發(fā)生沖擊地壓的載荷可分為靜載荷和動載荷兩類。

(4)沖擊地壓發(fā)生周圍條件要素。發(fā)生沖擊地壓周圍條件要素可分為斷層沖擊、煤層相變帶沖擊、向斜軸附近沖擊等。

由此，通過上述4個要素的選擇完成對于沖擊地壓的描述和分類，將能夠充分體現(xiàn)沖擊破壞的多重屬性。

為便于理論研究和工程應用，綜合考慮上述4個要素，并結(jié)合我國80多年沖擊地壓發(fā)生實例，我們將典型的沖擊地壓綜合劃分為煤層材料失穩(wěn)型、煤層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型、頂板斷裂型、斷層滑移錯動型等4 種類型(圖3)。該劃分方式綜合了以上4個要素，并基本涵蓋了我國煤礦沖擊地壓的主要類型。限于篇幅，其他詳細說明將另文論述。

圖3 煤礦典型沖擊地壓類型發(fā)生機理與破壞示意Fig.3 Schematic diagram of the mechanism and destruction of typical rockbusrt type in coal mine

需要強調(diào)的是，沖擊地壓的類型和巖爆的類型存在顯著的區(qū)別。在國際巖石力學界，通常認為巖爆和沖擊地壓是同一個概念，只是表述不同而已，可分為應變型巖爆和滑移型巖爆兩類。而對于我國的煤礦沖擊地壓而言，其發(fā)生遠比巖爆復雜，最為主要的原因是采動影響和由此導致的不同開采空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，與地下隧道、水利工程的受力條件和邊界條件是完全不同的。也正因為如此，才使得沖擊地壓的類型比巖爆的類型多而復雜。

2.2.2沖擊地壓礦井類型

關(guān)于沖擊地壓礦井類型，通常認為與沖擊地壓類型對應，其實完全不然！已有的相關(guān)文獻表明，國內(nèi)外關(guān)于沖擊地壓類型的研究成果較多，而對沖擊地壓礦井類型的研究則幾乎空白，僅有煤科院沖擊地壓團隊對此開展過針對性的研究工作[23]，并從現(xiàn)場防治沖擊地壓的角度，把沖擊地壓礦井劃分為5類，即淺部沖擊地壓礦井、深部沖擊地壓礦井、構(gòu)造沖擊地壓礦井、堅硬頂板沖擊地壓礦井和煤柱沖擊地壓礦井。沖擊地壓礦井類型的不同，其沖擊地壓防治方法和重點也不同，具體請參見相關(guān)文獻。

2.3 沖擊與突出危險性探測技術(shù)

2.3.1沖擊危險性探測及評價

煤層的沖擊危險性不同于沖擊傾向性，不同的時間、地點，甚至同一地點在不同時刻的沖擊危險性都將會發(fā)生改變。因此，如何確定煤層是否具有沖擊危險性，在具體階段將會具有何種沖擊危險程度，對沖擊地壓礦井的沖擊地壓煤層開采而言，都是必須要解決的問題。

目前的理論認為，影響沖擊危險性的因素包括生產(chǎn)因素和地質(zhì)因素兩類。理論上，可以根據(jù)地質(zhì)因素(常量)建立力學模型，并在此基礎(chǔ)上施加生產(chǎn)因素(變量)即采動條件的影響，以此確定沖擊危險性。但事實上，每一個地質(zhì)參數(shù)的準確獲得，都是十分困難的事情。這就涉及到直接影響評價沖擊危險性參量與指標的探測問題，即沖擊危險性探測是開展沖擊危險性評價工作的基礎(chǔ)，有了沖擊危險性探測，獲得具體參量和指標，才能在此基礎(chǔ)上開展沖擊危險性評價工作。鑒于此，這里的沖擊危險性評價是指基于沖擊危險性探測獲得的相關(guān)指標和參量而進行的沖擊危險性評價。

我國對于沖擊危險性探測的理論與工程研究，始于20世紀90年代初期，主要采用錘擊波速法，以錘擊作為激發(fā)源，產(chǎn)生地震波的折射與反射，而震動波在煤體中的傳播速度與煤體應力狀態(tài)高度相關(guān)，通過確定震動波縱波波速與煤巖體相對應力之間的關(guān)系，即可獲得煤巖體支承壓力分布或沖擊危險性[24]。

進入21世紀后，特別是近10 a來，我國利用地震波CT探測技術(shù)和微震反演技術(shù)開展沖擊危險性探測理論技術(shù)研究工作，并取得了良好的工程應用效果。鞏思園[25]從理論、實驗及工程角度探討了微震震動波波速層析成像原理、方法，建立了基于微震信號的波速層析成像模型并通過現(xiàn)場實驗、數(shù)值計算和理論分析獲得了高精度波速場，提出波速異常、波速梯度異常和應力集中系數(shù)3個危險性指標預測沖擊危險性。夏雙等[26]開展了基于微震CT反演的沖擊危險性評價指標的研究，有效地評價了具體回采工作面的沖擊危險性。劉少虹等[27-28]基于地音監(jiān)測與電磁波CT 探測技術(shù)和地震波和電磁波CT 聯(lián)合探測技術(shù)，采用波速異常系數(shù)、波速梯度系數(shù)、吸收系數(shù)異常指數(shù)和吸收系數(shù)梯度指數(shù)等指標表征煤巖體狀態(tài)并進而給出采掘空間沖擊危險性評價方法。姜福興等[29]通過采動應力監(jiān)測和分析的方法，以及微震、地音和應力聯(lián)合監(jiān)測的方法，對沖擊危險性進行評價。

需要指出的是，無論從方法上還是技術(shù)上，沖擊危險性探測都是一項復雜且技術(shù)難度極高的工作。一方面，是由于煤巖體自身所處地質(zhì)環(huán)境的復雜性;另一方面，與沖擊危險性表征指標和參數(shù)的不確定性也有直接關(guān)系。因此，針對具體條件找到適合的方法、技術(shù)，以及配套的指標、參數(shù)，實現(xiàn)煤巖體物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、力學參數(shù)、受力狀態(tài)等的清楚表述，才能在此基礎(chǔ)上做出正確的沖擊危險性評價。

為此，我們通過采用應力-鉆屑-微震-地震CT等綜合技術(shù)，完成對巷道和回采工作面煤體沖擊危險性的表征，并據(jù)此提出“透明采場”的表征原理[3]，即充分量化各類探測信息，以此建立模型，通過軟件完成可視化，實現(xiàn)對探測區(qū)域的“透明”表征[27-28]。

2.3.2煤與瓦斯突出危險性探測與預測

煤巖層中突出危險區(qū)具有典型的局部分布特征，其僅占整個開采區(qū)域面積的5%～20%[30]，故進行突出危險區(qū)超前探測和煤巖層突出危險性評價意義重大，國內(nèi)外學者也從未間斷過突出危險性探測和預測新方法的研究工作。發(fā)展至今，煤與瓦斯突出危險探測主要包含接觸式和非接觸式兩類手段，其中接觸式探測主要通過鉆孔施工過程中發(fā)生的各種物理現(xiàn)象(如頂鉆、夾鉆、吸鉆、噴孔等)和測定的各種突出預測參數(shù)(如瓦斯含量、瓦斯壓力、鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標等)來判斷煤層突出危險性，該類方法獲得的物理現(xiàn)象和數(shù)據(jù)較為直觀，但存在工程量大、探測范圍有限(以點代面、一孔之見)等顯著缺點;非接觸式探測主要是利用物探設備和手段(如微震、無線電波透視、電磁輻射、三維地震勘探、瑞利波探測等)獲取相關(guān)特征信息(地質(zhì)構(gòu)造、地應力變化、煤層變化、含氣量大小等)，用來判斷采掘工作面范圍內(nèi)是否存在潛在的危險性，雖然該類方法工程量以及對正常作業(yè)的影響都較小，但卻存在著多解性和準確性低等問題。

當前，我國煤礦實際防突工程實踐中，多數(shù)礦井是遵照《防治煤與瓦斯突出細則》等相關(guān)規(guī)定，嚴格執(zhí)行兩個“四位一體”綜合防突措施，實際開展的突出危險性探測與預測工作可分為區(qū)域預測和局部預測兩部分，采用的方法多是測定相關(guān)突出預測指標。但由于突出發(fā)生是地應力、瓦斯、煤巖介質(zhì)屬性、地質(zhì)構(gòu)造和開采條件等多因素耦合的結(jié)果，單一突出預測指標難以綜合反映煤層突出危險性大小，其臨界值也會隨著地質(zhì)條件和開采條件的改變而發(fā)生變化，故近年來發(fā)生了多起“低指標突出”、預測措施作用后的區(qū)域突出的現(xiàn)象。針對以上工程技術(shù)問題，我們將突出發(fā)生機理研究與現(xiàn)場工程結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了描述突出發(fā)生位置工程環(huán)境特征的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體模型，并指出突出發(fā)生位置除應具備地應力、瓦斯和煤的物理力學性質(zhì)3個主控因素外，3者還必須共同作用形成特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境(即“關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體”)[31]?；谝陨险J識我們進而提出了煤與瓦斯突出危險“層層遞進-精準辨識”的理論方法[32](圖4)，具體包括3個層次:采用物探和鉆探相結(jié)合的手段，超前探測采掘工作面周圍存在的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu);采用微震和瓦斯涌出實時監(jiān)測相結(jié)合的方法，動態(tài)分析采掘擾動條件下采掘工作面前方煤體結(jié)構(gòu)、地應力和瓦斯大小變化特征;采用隨鉆測定相關(guān)特征參數(shù)和預測指標的方法，進一步驗證超前探測和實時監(jiān)測的辨識結(jié)果。未來通過重點發(fā)展物探和鉆探相結(jié)合的精細探測技術(shù)，引入大數(shù)據(jù)分析和機器學習算法等訓練綜合判識模型，開發(fā)以“超前探測異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)，實時監(jiān)測采掘工作面微震信號和瓦斯涌出時序變化特征，隨鉆測定各種特征參數(shù)和預測指標”為核心的綜合預警系統(tǒng)，有望實現(xiàn)突出災害多元信息綜合監(jiān)測與智能預警，更好地服務于煤與瓦斯突出防治工作。

圖4 煤與瓦斯突出危險精準辨識原理示意[32]Fig.4 Principle of precision identification method for coal and gas outburst hazard[32]

2.4 影響沖擊地壓的主要因素分析

不同于前述煤巖動力災害機理中具有概括性的“物性因素”、“應力因素”和“結(jié)構(gòu)因素”，本節(jié)主要分析宏觀的、具體的、可量化的、與生產(chǎn)地質(zhì)條件密切相關(guān)的因素，如采深、煤厚、煤層之上頂板巖層厚度(直接頂、基本頂、上覆巖層及累厚)、工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、頂板來壓步距、斷層、采空區(qū)懸頂面積等(圖5(a))。

圖5 影響沖擊地壓主要因素的工程示意Fig.5 Engineering schematic diagram of main factors affecting rockburst in coal mine

采深對沖擊地壓的影響是顯而易見的，因其能夠直接影響煤巖體的應力大小，而應力又是影響沖擊地壓最為主要的因素。在我國，盡管采深160 m的煤巖層也發(fā)生過沖擊地壓，但通常情況下，采深400 m才是被廣泛認可的沖擊地壓臨界危險深度。

煤厚(或采高)與沖擊地壓的發(fā)生存在相關(guān)性，尤其近年來發(fā)生的災害性沖擊地壓事故，基本發(fā)生在厚度大于3.5 m甚至更厚的煤層中。同時，煤層越厚或采高越大，沖擊地壓造成的破壞往往越嚴重。

至于煤層上方巖層厚度對沖擊地壓的影響，一方面體現(xiàn)在整層厚度上，另一方面則體現(xiàn)在巖層強度(或儲存彈性能的能力)上。也正因如此，《防治煤礦沖擊地壓細則》中明確指出:“埋深超過400 m的煤層，且煤層上方100 m范圍內(nèi)存在單層存度超過10 m、單軸抗壓強度大于60 MPa的堅硬巖層……,應當進行煤層(巖層)沖擊傾向性鑒定”，可見巖層厚度對沖擊地壓發(fā)生的重要影響。需要說明的是，《細則》中的規(guī)定是關(guān)注煤層之上100 m以內(nèi)的頂板巖層，而工程實踐表明，很多大范圍沖擊地壓事故中，由于采高(煤層厚度)較大，頂板巖層完整性好，能夠?qū)_擊地壓產(chǎn)生影響的不止是100 m之內(nèi)的巖層，有時可達200 m甚至更高，如新汶華豐煤礦和義馬千秋煤礦，距離煤層之上300 m的砂礫巖頂板對沖擊地壓的發(fā)生同樣會產(chǎn)生影響。

對于工作面長度、區(qū)段煤柱的寬度及頂板來壓距對沖擊地壓的影響，基本都是通過影響回采工作面周圍煤巖體的應力分布和應力集中程度而產(chǎn)生作用，限于篇幅，不再贅述。

斷層對沖擊地壓的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是斷層的活動會直接誘發(fā)沖擊地壓，另一個是斷層附近也是應力高度集中區(qū)域。

采空區(qū)懸頂面積對沖擊地壓影響的理論研究一直被忽視，但在工程實踐中卻無法回避。常規(guī)礦壓中的頂板大面積來壓實質(zhì)就是采空區(qū)懸頂面積的問題。在沖擊地壓的工程實踐中，5 000 m2的采空區(qū)懸頂面積通常被認為是發(fā)生沖擊地壓的臨界值，在一般的情況下，如果采空區(qū)懸頂面積S大于5 000 m2，回采工作面發(fā)生沖擊地壓的危險將陡增(圖5(b))。雖然該值來源于工程實踐，但回采工作面礦壓理論卻可為其提供支撐依據(jù)，甚至還可將其同頂板來壓步距L、工作面長度B緊緊聯(lián)系在一起，3者關(guān)系可簡單地用式(1)表示：

S=LB

(1)

實踐表明，在回采工作面長度為120～320 m的條件下，采空區(qū)懸頂面積與頂板來壓步距、工作面長度呈正相關(guān)關(guān)系，而頂板來壓步距與工作面長度相對于采空區(qū)懸頂面積呈倒數(shù)關(guān)系，并且可以將采空區(qū)懸頂面積作為評價沖擊危險性的一個指標。但如果工作面長度大于320 m，達到400 m甚至500 m時，該關(guān)系式是否仍能成立，是否還可以將采空區(qū)懸頂面積作為評價沖擊危險性指標，值得進一步研究。

2.5 煤與瓦斯突出的主要影響因素

地質(zhì)構(gòu)造對突出的控制作用最為顯著。盡管在一些地質(zhì)條件相對簡單的區(qū)域也會發(fā)生突出，但多數(shù)典型突出及大強度突出均發(fā)生在構(gòu)造破壞帶，同一礦井、同一煤層不同位置的突出危險性往往也存在明顯差異，前述的突出危險區(qū)的帶狀分布特征主要源于地質(zhì)構(gòu)造對其的控制作用。例如:向斜軸部地區(qū)、斷層或褶曲交匯地區(qū)，火成巖影響的交混或鄰近地區(qū)、煤層扭轉(zhuǎn)區(qū)、煤層厚度和傾角驟變區(qū)、壓性或壓扭性斷層地帶等都是突出易發(fā)地區(qū)[33]。另外，發(fā)生特大型突出的煤層幾乎都發(fā)育有厚度不等的軟分層，或是煤層整體比較松軟，破壞類型較高;在地質(zhì)構(gòu)造變化帶附近往往會形成強烈的揉皺煤，層理和節(jié)理遭到嚴重破壞，這更有利于突出的發(fā)生。

采深對突出存在重要影響，但突出危險程度與采深并不存在線性關(guān)系。對同一礦區(qū)的同一煤層，由于隨著開采深度的增加，煤巖體地應力和瓦斯壓力也相應增大，故突出危險性也會呈現(xiàn)整體增大的趨勢。一般具體礦井或具體煤層會存在一個開始發(fā)生突出的深度(即始突深度)，通常比瓦斯風化帶的深度深一倍以上。隨開采深度增加，突出危險性整體增大的直接表現(xiàn)為:突出次數(shù)增多、突出強度增大、突出危險區(qū)域面積擴大，但突出危險程度和開采深度間并非簡單的線性關(guān)系。這主要是由于水平應力大小對突出危險性也存在重要影響，且其普遍大于垂直應力，與垂直應力的比值也并不是恒定不變的。突出礦井主應力大小和方向主要取決于區(qū)域構(gòu)造應力場，而不單受開采深度的影響。

煤與瓦斯突出的次數(shù)和強度，往往隨著煤層厚度特別是軟分層厚度的增加而增多，厚煤層或相互接近的煤層群條件下，突出危險性一般比單一薄煤層大[34]。對于同一煤層而言，當其厚度由薄變厚時，突出危險性有增大趨勢。例如:2018-08-16平煤十三礦發(fā)生于己15-1711111回采工作面的突出事故，事故調(diào)查過程中勘查得出突出位置附近煤層厚度變化較大，雖然工作面回采前采用順層鉆孔進行了大面積預抽，但由于順層鉆孔鉆進未發(fā)現(xiàn)煤層厚度變異區(qū)、鉆孔向頂板發(fā)生飄移，造成煤層變厚區(qū)內(nèi)底部煤層瓦斯未抽采達標，回采工作面接近該區(qū)時發(fā)生了突出煤量301 t、瓦斯量約10 123.33 m3的典型突出事故。

與沖擊地壓災害不同，突出主要發(fā)生在采掘工作面臨空面附近，而極少發(fā)生在采空區(qū)、已掘成的巷道或已回采區(qū)內(nèi)的掘進工作面中。統(tǒng)計資料顯示，采掘工作面發(fā)生突出的概率由大到小分別為:平巷、回采工作面、上山、石門、下山、大直徑鉆孔及其他。在各種類型的巷道中，雖然石門揭煤、井筒揭煤突出發(fā)生的總次數(shù)不多，但此類突出的強度最大，絕大多數(shù)特大型突出均發(fā)生在石門揭煤工作面;而回采工作面內(nèi)發(fā)生的突出往往強度較小，大部分是煤的突然壓出，并且屬于突然擠出類型。

采掘工作面附近存在應力集中帶(如鄰近層留有煤柱、相向采掘的工作面逐漸接近、巷道開口或兩巷貫通前在集中應力帶內(nèi)掘進巷道等條件)，在其中掘進巷道時突出危險性會倍增，突出次數(shù)和強度均會提升。此外，采掘作業(yè)往往會激發(fā)突出，特別是落煤與震動放炮等作業(yè)，不僅可引起應力狀態(tài)的突變，而且作業(yè)時產(chǎn)生的動載荷作用在采掘面前方煤體上會造成煤突然破碎。大約有50%以上的突出災害發(fā)生在放炮作業(yè)過程中，并且放炮誘發(fā)突出的平均強度往往較大。風鎬落煤時的突出次數(shù)雖不多，但強度一般也較大。近年來隨著機械化水平的提升，掘進機、采煤機誘發(fā)的突出次數(shù)也有增大趨勢，支護、打鉆和手鎬落煤作業(yè)也可能誘發(fā)突出，還有部分突出是發(fā)生在無作業(yè)的情況下(主要是延遲型突出)。

3 深部開采煤巖動力災害防控關(guān)鍵技術(shù)

在煤礦深部開采煤巖動力災害防控中，各種防控技術(shù)都是基于廣義“三因素”理論開展的，或改變“物性因素”，或改變“應力因素”，或改變“結(jié)構(gòu)因素”，而事實上，改變“應力因素”是最為廣泛使用的，這也是煤礦開采采動影響特點所決定的。這里主要探討的是單一的、具體的防控沖擊地壓或煤與瓦斯突出的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 沖擊地壓多尺度分源防控技術(shù)

3.1.1基本思想

由前述廣義“三因素”理論可知，既然“物性因素”、“應力因素”和“結(jié)構(gòu)因素”是導致沖擊地壓發(fā)生的主要因素，那我們就可以從改變這3個因素入手，使煤巖層及其組成的系統(tǒng)失去大量積聚彈性能的能力將是沖擊地壓防控的基本邏輯。同時，可以明確的是，在防控沖擊地壓時，應針對前述4種不同的典型煤礦沖擊地壓類型，采取針對性的措施，或改變“物性因素”，或改變“應力因素”，或改變“結(jié)構(gòu)因素”。當然，由于各類型沖擊地壓的發(fā)生機理不同，沖擊引起的破壞范圍和釋放能量大小也將是不同的。通常情況下，煤層材料失穩(wěn)型沖擊地壓，沖擊破壞的應力源往往是煤層所承受的靜載荷，破壞范圍相對較小，一般是幾米至十幾米，釋放的能量一般為102～104J，通常不會超過105J。而斷層滑移錯動型沖擊地壓，沖擊破壞的應力源往往來自采礦引起的較大斷層的滑移與錯動，同時往往會有礦井或礦區(qū)范圍內(nèi)采場失穩(wěn)而引起的動載荷作用，破壞范圍小則幾十米，大則上百米甚至幾百米，釋放的能量小則105J，大則107～108J，甚至達到109J。因此，在實際沖擊地壓防控過程中，應針對不同沖擊地壓類型，從不同尺度、不同應力源進行防控。

3.1.2方法與原則

按照“區(qū)域先行，局部跟進，分區(qū)管理，分類防治”的原則，在實際沖擊地壓防控過程中，更主要的是按照先區(qū)域后局部的方式，實現(xiàn)區(qū)域和局部兩類防沖方法的有效配合，并在此基礎(chǔ)上實施分區(qū)管理和分類防治。

(1)區(qū)域。區(qū)域方法是沖擊地壓防控中最應首先采取的方法，也是積極主動、事半功倍的方法。從廣義“三因素”理論，并結(jié)合大范圍、礦井及礦區(qū)防沖的思想看，區(qū)域方法中能夠改變的主要是“應力因素”和“結(jié)構(gòu)因素”。具體而言，一方面通過優(yōu)化合理開采布局，確定開采順序及回采參數(shù)，確保開采過程中應力集中程度最低，最大限度地降低“應力因素”對沖擊地壓的影響;另一方面，通過對控制礦井或礦區(qū)的堅硬厚巖層實施地面或井下斷裂，使煤巖體承載結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，實現(xiàn)對“結(jié)構(gòu)因素”的控制。當然，實施頂板斷裂的同時，也改變了其積聚彈性能的能力，在一定程度上“物性因素”也得到了控制。通常情況下，區(qū)域防控方法大多是在開拓開采前開展的工作，從礦區(qū)、礦井及采區(qū)或盤區(qū)等尺度上開展防控工作，具體的方法包括開采布置優(yōu)化、保護層開采、地面或井下頂板巖層爆破或水壓致裂等。

(2)局部。采用局部方法防控沖擊地壓，往往是針對具體的開采布置，通過事先沖擊危險性評價，在明確沖擊危險性存在并需要采取防沖措施降低其沖擊危險性的條件下開展的。局部防沖一方面從采區(qū)或盤區(qū)、回采工作面、巷道的尺度上開展，另一方面要確定應力的形成、來源及特性，進而從改變“應力因素”、“物性因素”和“結(jié)構(gòu)因素”角度設計措施降低或消除沖擊危險性。針對具體條件，首先要確定 “應力因素”、“物性因素”和“結(jié)構(gòu)因素”中的哪個因素是影響沖擊危險性或可能導致沖擊地壓發(fā)生的主要因素;其次，再從控制各因素的角度提出防控沖擊地壓的方法措施。具體而言，通過對煤層實施注水、爆破或卸壓鉆孔，對頂板實施水壓致裂或爆破[35-36]，對底板實施斷裂爆破[37]，對巷道進行加強支護，對斷層進行爆破，對局部軟弱層實施加固，等等。最終實現(xiàn)原位弱化改性的“物性因素”控制、應力大小改變和動靜載作用形式轉(zhuǎn)變的“應力因素”控制和結(jié)構(gòu)加固與斷層弱化的“結(jié)構(gòu)因素”控制。

綜合區(qū)域和局部方法與措施，即構(gòu)成了多尺度分源防控沖擊地壓的技術(shù)體系。

3.1.3技術(shù)關(guān)鍵

煤礦深部開采多尺度分源防控沖擊地壓的技術(shù)關(guān)鍵，在于明確何種尺度下應如何控制應力源(類型與大小)。在礦區(qū)或礦井群尺度下，相鄰礦井間存在井間開采擾動導致應力轉(zhuǎn)移并誘發(fā)沖擊地壓的情況，據(jù)此提出“以弱化礦井間高應力傳遞結(jié)構(gòu)鏈為核心的井間‘弱鏈增耗’防沖技術(shù)和避免井間相鄰工作面同時布置的協(xié)調(diào)開采防沖技術(shù)，破壞或弱化沖擊地壓發(fā)生的應力和能量傳遞條件，從而有效防止沖擊地壓的發(fā)生”[38](圖6(a))。在礦井、采區(qū)或盤區(qū)的尺度下，合理優(yōu)化開采順序，或保護層開采，使動載荷應力源轉(zhuǎn)化為靜載荷應力源，使靜載荷應力源降到最低，沖擊地壓防控的核心就是“降低靜載荷集中程度，并兼顧動載荷源消除，即實現(xiàn)靜、動載荷源分源防治”[21](圖6(b))。在回采工作面、掘進工作面和巷道的尺度下，在控制井間應力轉(zhuǎn)移、動靜載荷應力源轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，針對性地采取措施，或改變煤體物性增加抗沖擊的阻力，或使煤體的應力向煤層深部轉(zhuǎn)移，或強化底板支護而使巷道總體受力均勻合理，或弱化頂板、斷層結(jié)構(gòu)避免高度應力集中和動載荷的產(chǎn)生，從物性、應力和結(jié)構(gòu)3方面防控沖擊地壓(圖6(c))。

區(qū)域、局部及2者相結(jié)合的防沖技術(shù)關(guān)鍵在于如何降低煤巖體的應力水平，如何避免動載荷的產(chǎn)生，如何使斷層等結(jié)構(gòu)不形成高應力集中。綜合而言，實現(xiàn)沖擊地壓有效防控的關(guān)鍵，在于應力控制[39-40]。

3.2 深部開采沖擊地壓巷道支護技術(shù)

煤礦沖擊地壓絕大部分發(fā)生在煤巷中，約占煤礦沖擊地壓的80%以上。巷道是一個復雜的煤巖力學系統(tǒng)，由煤層、頂板、底板、支護體構(gòu)成。在無沖擊危險性煤層，且無需考慮沖擊地壓的巷道中，其支護往往只需使得巷道允許變形與支護體強度和變形之間滿足一定的關(guān)系即可，即“合理的‘支架-圍巖’相互作用關(guān)系應取支架工作特性曲線2圍巖位移特性曲線1的交點保持在離C點不遠的左側(cè)，如圖7中的E點”[41](圖7中，P為支架阻力或支護反力，U為巷道圍巖徑向位移或變形)。但在沖擊地壓煤層中，巷道的支護則需額外考慮抵抗沖擊載荷作用，因此需要提高巷道支護強度。過去，我國煤礦主要采用錨桿配U型鋼作為防治巷道沖擊地壓的主要支護形式，并以此為基礎(chǔ)，在采動應力影響顯著區(qū)域采用單體支柱、垛式液壓支架、門式液壓支架作為巷道的加強支護措施，在一定程度上起到了較好的效果。但是，在深部開采條件下，上述沖擊地壓巷道支護通常難以充分滿足防沖要求。鑒于此，我們在以往剛?cè)嵋惑w化吸能支護技術(shù)[42]、快速吸能讓位支護[43]研究成果的基礎(chǔ)上，提出深部開采沖擊地壓巷道“三級”吸能支護思想與成套技術(shù)[44-45]。

圖6 基于不同沖擊地壓類型的沖擊地壓防控技術(shù)Fig.6 Prevention and control technology Based on different types of rock burst

圖7 “支架-圍巖”相互作用原理示意[41]Fig.7 Schematic diagram of the “support-wall” interaction principle[41]

具體而言，深部開采沖擊地壓巷道“三級”吸能支護理論與技術(shù)體系可表述為:針對傳統(tǒng)基于靜力學設計理念的巷道支護技術(shù)難以有效支護深部高地應力和強沖擊荷載雙重作用巷道的事實，我們建立了沖擊載荷作用下支護與圍巖耦合作用動力學模型，并深入研究了沖擊載荷作用下巷道圍巖的動力學破壞特征、圍巖與支護的互饋機制以及支護-圍巖系統(tǒng)能量耗散規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，創(chuàng)新研發(fā)了:高沖擊韌性強力錨桿，錨桿桿體屈服強度達到721 MPa，抗拉強度為859 MPa，直徑22 mm 的桿體屈服力274 kN，最大承載力343 kN，沖擊吸收功147 J，最大力延伸率9%，斷后延伸率22%，錨桿桿尾螺紋段最大承載力331 kN，達到桿體的96.5%[46];穩(wěn)構(gòu)恒阻吸能“O型”棚，確保強沖擊荷載作用下整架環(huán)向收縮量超過1 080 mm時仍保持有效支護，吸收能量超過500 kJ;吸能液壓支架，實現(xiàn)吸能讓位阻力為2 010 kN，讓位位移為200 mm，沖擊下讓位速度為2.2 m/s，讓位吸能為402 kJ。由此，形成了包括高沖擊韌性強力支護錨桿一級吸能(圖8(a))、穩(wěn)構(gòu)恒阻吸能“O型”棚二級吸能(圖8(b))、吸能液壓支架三級吸能(圖8(c))在內(nèi)的“三級”吸能支護技術(shù)(圖8(d))，構(gòu)建了完整的沖擊地壓巷道吸能支護技術(shù)體系，從而實現(xiàn)沖擊地壓巷道的吸能防沖支護。目前，我們正在義馬耿村、撫順老虎臺等煤礦，組織集“高沖擊韌性強力錨桿、穩(wěn)構(gòu)恒阻吸能‘O型’棚、吸能液壓支架 ”為一體的“三級”吸能防沖支護成套裝備工業(yè)性示范及應用。

圖8 煤礦深部開采沖擊地壓巷道三級吸能支護技術(shù)體系原理Fig.8 Schematic diagram of the three-level energy-absorbing support technology system for deep mining roadway with rock burst

3.3 煤與瓦斯突出井上下聯(lián)合抽采防突技術(shù)

對于煤與瓦斯突出而言，我國多年來已經(jīng)形成“先區(qū)域、后局部”的兩級“四位一體”綜合防突技術(shù)體系。其中，區(qū)域防突措施主要是開采保護層和區(qū)域煤層瓦斯預抽，在無保護層開采的區(qū)域，多采用井下穿層鉆孔及順層鉆孔預抽來防控煤與瓦斯突出的發(fā)生。然而，根據(jù)新的《煤礦安全規(guī)程》和《防治煤與瓦斯突出細則》的相關(guān)明確規(guī)定:對于突出礦井的防突工作，必須建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)，必須采取先抽后采的方式，必須堅持區(qū)域綜合防突措施先行、局部綜合防突措施補充的原則。尤其是在深部高地應力、高瓦斯壓力、低滲透突出煤層的條件下，亟需探索新的更加有效的防突理念和防突技術(shù)。

近年來，伴隨著煤礦機械自動化和智能化水平的整體提升，頂板水平井分段壓裂、多分支水平井聯(lián)合抽采、采動井抽采卸壓瓦斯等新型地面抽采技術(shù)和順煤層長鉆孔分段水力壓裂、長鉆孔氣相壓裂、超高壓水力割縫、高壓水力分段造穴等井下抽采技術(shù)均取得了長足的進步，諸如遠距離遙控鉆機等自動化裝備在高突礦井也得以推廣應用。

為此，我們揭示了煤礦深部開采卸荷消能與煤巖介質(zhì)屬性改造的協(xié)同防突機理[47]，構(gòu)建了煤與瓦斯突出卸壓消能與介質(zhì)屬性改造的協(xié)同防控方法[48]，突破傳統(tǒng)單一井下防突思路的局限，提出了井上下聯(lián)合瓦斯時空銜接抽采防突技術(shù)。具體而言，煤與瓦斯突出井上下聯(lián)合抽采防突技術(shù)體現(xiàn)在區(qū)域和局部兩個層面:對于區(qū)域?qū)用?，在以往瓦斯抽采“三區(qū)”(規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)和生產(chǎn)區(qū))”[49]的基礎(chǔ)上，分析“三區(qū)”對應的采煤工程與瓦斯抽采工程的時空變量，系統(tǒng)分析井上、井下抽采技術(shù)的時空分布特征及其約束條件，建立井上下聯(lián)合抽采防突時空銜接模式和井上下聯(lián)合抽采防突時空銜接評價模型，針對深部開采突出礦井高瓦斯壓力、高瓦斯含量的瓦斯賦存特征，按照“地面井先抽后建”、“井下鉆孔預抽防突”、“井上下聯(lián)合抽排達標”的原則，形成具有不同時空接替特征的“三區(qū)”遞進式多源聯(lián)合抽采方式，進而揭示煤炭開采“三區(qū)”的井上下聯(lián)合抽采時空轉(zhuǎn)換機制，形成井上下多源聯(lián)合區(qū)域抽采防突方法;對于局部層面，針對突出、低滲煤層難抽問題，提出了“壓-鉆-沖”一體化增透消突新技術(shù)，包括煤層鉆孔分級造穴、水力大直徑分級造穴、徑向小半徑回轉(zhuǎn)煤層網(wǎng)狀鉆孔抽采防突方法與裝備，實現(xiàn)“大直徑?jīng)_孔造穴-水力壓裂-徑向回轉(zhuǎn)水力噴射鉆進”一體化施工，使煤體在水力射流的作用下從鉆孔大量排出，有效增大了影響半徑，達到轉(zhuǎn)移煤層地應力、降低煤層內(nèi)瓦斯壓力、提高煤體整體透氣性的局部防突目的。綜合區(qū)域和局部層面的思想與技術(shù)，從而形成了“礦井-區(qū)域-局部”逐級遞進的井上下聯(lián)合抽采新型防突技術(shù)(圖9)。

煤與瓦斯突出井上下聯(lián)合抽采防控技術(shù)目前正在新集煤礦、朱集西煤礦和沈陽紅陽二礦進行現(xiàn)場試驗。

3.4 復合煤巖動力災害防控技術(shù)

近年來，在我國煤礦深部開采過程中，沖擊地壓和煤與瓦斯突出并存的復合煤巖動力災害時有發(fā)生。然而，以往更多的是對復合煤巖動力災害機理及監(jiān)測預警技術(shù)的研究，針對復合煤巖動力災害防控技術(shù)的研究則相對較少。當然，沖擊地壓防控技術(shù)和煤與瓦斯突出防控技術(shù)可以考慮用于復合煤巖動力災害的防控，但由于復合煤巖動力災害轉(zhuǎn)化機制的復雜性，以突出為主的煤層在消突后可能因煤層變硬而沖擊危險性增加，而以沖擊為主的煤層在消除沖擊危險后往往不會增大突出危險性，從而使得復合煤巖動力災害的防控變得困難。為此，我們在分析沖擊地壓和煤與瓦斯突出防控技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出復合煤巖動力災害“橫切縱斷”卸荷消能一體化防控技術(shù)，通過橫向切縫卸荷消除靜載作用下的突出危險，通過縱向切斷頂板消除動載作用下的沖擊危險(圖10)。

圖9 井上下分區(qū)-分源聯(lián)合抽采防突時空關(guān)系與關(guān)鍵技術(shù)Fig.9 Spatial-temporal relationship and key technologies of combined up-down partitioning-split-source extraction to prevent outburst

圖10 復合煤巖動力災害超高壓“橫切縱斷”一體化防控技術(shù)Fig.10 Ultra-high pressure “cross-cut and vertical-break” integrated prevention and control technology for composite coal and rock power disasters

目前切割壓力為60～100 MPa的超高壓水射流“橫切縱斷”防治復合煤巖動力災害技術(shù)已經(jīng)成功在新集二礦進行應用，結(jié)果表明，超高壓水射流“橫切縱斷”技術(shù)，抽采瓦斯純量提高3.5倍，有效抽采瓦斯時間縮短38%，大范圍地改變了煤體及厚層堅硬頂板的裂隙狀態(tài)，增大了煤體滲透率，增加了煤體中瓦斯解析自由面，提高了瓦斯抽采鉆孔透氣能力，有效提升了煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害一體化的防治效果。

4 深部開采煤巖動力災害防控工程實踐

在煤礦深部開采煤巖動力災害防控的工程實踐中，沒有哪種單一的技術(shù)可以完全達到災害防控的目的，更主要是采用不同的區(qū)域、局部以及2者結(jié)合的防控技術(shù)，以期達到防控沖擊地壓或煤與瓦斯突出的效果?，F(xiàn)結(jié)合兩個具體的沖擊地壓和煤與瓦斯突出防控工程，針對區(qū)域與局部結(jié)合防沖、井上下聯(lián)合防突的綜合防控技術(shù)分別進行闡述。

4.1 沖擊地壓防控工程實踐

針對內(nèi)蒙古巴彥高勒煤礦的實際開采條件，在前期回采過程中出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象后，我們開展了針對性的沖擊地壓防控實踐。

巴彥高勒煤礦位于鄂爾多斯市境內(nèi)呼吉爾特勘查區(qū)南部，井田構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構(gòu)造形態(tài)一致，總體為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向300°～320°，地層傾角1°～3°，地層產(chǎn)狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂和褶皺構(gòu)造，亦無巖漿巖侵入，礦井地質(zhì)簡單。

首采11盤區(qū)的首采煤層3-1煤層，無保護層開采，煤層開采深度超600 m，全區(qū)發(fā)育、全區(qū)可采，可采厚度3.09～6.25 m，平均5.39 m，層位穩(wěn)定，厚度變化小。頂?shù)装鍘r石以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，其次為中細粒砂巖及粗粒砂巖。首采11盤區(qū)南北向回采，工作面長260 m、走向長度3 600 m，終采線與3-1煤層大巷間留設100 m寬大巷保護煤柱，區(qū)段煤柱寬30 m，雙巷布置，上一工作面輔助運輸巷兼做下一工作面的回風巷。

礦井原設計中并未考慮沖擊地壓問題，在實際回采過程中，首采工作面礦壓顯現(xiàn)也相對平穩(wěn)，并未出現(xiàn)明顯的動力破壞現(xiàn)象，但當回采第2個工作面時，隨著工作面的推進，工作面后方的留巷礦壓顯著增大，并開始發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，尤其是回風巷受2次采動影響時，巷幫水平變形、底臌嚴重，甚至在回采后期，對應的3-1煤層大巷巷幫也監(jiān)測到了開裂現(xiàn)象。

為此，我們基于已有成果和認識，首先開展了圍巖松動圈探測、物理力學參數(shù)測試、地應力測試、PASAT應力探測等基礎(chǔ)性探測與測定工作，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)條件，重點分析了地應力、煤層開采深度、堅硬厚頂板巖層結(jié)構(gòu)、區(qū)段煤柱寬度等沖擊地壓主控因素，認為該礦是典型的深部沖擊地壓礦井和煤柱沖擊地壓礦井，并依據(jù)應力控制思想，提出了該礦沖擊地壓防控的基本原則:調(diào)整盤區(qū)布置、調(diào)整巷道布置、對頂板巖層及時處理，加強回采工作面超前支護。具體而言，在區(qū)域應力調(diào)控方面:根據(jù)礦區(qū)地應力主控方向，改變原11盤區(qū)南北向巷道布置方案為東西向布置巷道，停止11盤區(qū)開采，調(diào)整為礦區(qū)南北兩側(cè)12盤區(qū)和13盤區(qū)聯(lián)合開采，改“兩進一回”式巷道布置為“一進一回”式布置，將原來30 m區(qū)段大煤柱改為6 m區(qū)段小煤柱，工作面終采線至大巷距離由原來100 m增加到不小于200 m;在局部卸壓解危方面:在工作面開切眼與終采線位置提前采取頂板處理措施，在超前工作面不小于300 m處開始開展煤層和頂板卸壓工作，在回風巷道沿空側(cè)采用頂板深孔爆破技術(shù)、實體煤側(cè)巷道采用定向水力壓裂技術(shù)進行頂板預卸壓，對煤層采用大直徑鉆孔卸壓實現(xiàn)應力的轉(zhuǎn)移和釋放，巷道超前支護采取吸能讓壓耦合支護技術(shù)提高沿空側(cè)回風巷的支護強度和抗沖擊能力(圖11)。

圖11 巴彥高勒煤礦沖擊地壓防控技術(shù)實施布置Fig.11 Layout of the implementation of the rockburst prevention and control technology in the Bayangol Coal Mine

通過采取上述區(qū)域和局部防沖技術(shù)，沖擊地壓現(xiàn)象顯著下降，基本不再發(fā)生破壞性、事故性的沖擊地壓，實現(xiàn)了沖擊地壓的有效防控。

4.2 煤與瓦斯突出防控工程實踐

以往煤與瓦斯突出防控工程多集中于井下，進而使得采掘工程過于緊張，防突效果也不甚理想。針對上述問題，我們以朱集西煤礦的煤層群開采為工程背景，開展了煤層群井上下聯(lián)合抽采防突技術(shù)的工程實踐。

朱集西礦為千米深井，目前主采標高-962 m(地面標高+23.23 m)的一水平13-1,11-2煤層，兩煤層平均厚度分別為3.8 m和1.6 m，平均傾角5°，均為突出煤層，兩煤層層間距73 m。礦井首采突出危險性相對較小的11-2煤層作為保護層，同時預抽13-1煤層卸壓瓦斯。采用井上下聯(lián)合抽采的方式進行煤層群突出防治。即11-2煤層采用井下鉆孔預抽的區(qū)域防突措施，13-1煤層采用井上下聯(lián)合抽采防突技術(shù)，將地面鉆井與井下抽采進行優(yōu)勢互補，最大限度降低時空條件對瓦斯抽采工程的限制。井上下聯(lián)合抽采防突布置示意如圖12(a)所示。

圖12 朱集西礦井上(地面井)與井下底板穿層孔聯(lián)合抽采防突布置Fig.12 Layout of combined extraction of anti-outburst in the upper (surface well) and the bottom floor through hole of Zhujixi Coal Mine

根據(jù)遠距離煤層群井上下聯(lián)合抽采防突時空關(guān)系，11-2煤層首采工作面煤巷采用底板巷施工穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯的區(qū)域防突措施，回采工作面則采用順層長鉆孔預抽瓦斯的區(qū)域防突措施，實現(xiàn)常規(guī)保護層瓦斯抽采與防突;13-1煤層則采用井上下聯(lián)合抽采防突技術(shù)，地面鉆井均超前11-2煤層工作面20 m開始抽采13-1煤層卸壓瓦斯，并在地面鉆井周圍50 m以外的區(qū)域采用井下穿層鉆孔抽采13-1煤層卸壓瓦斯，實現(xiàn)地面鉆井抽采與井下穿層鉆孔聯(lián)合抽采防突(圖12(b))。

現(xiàn)場實測結(jié)果表明，11-2煤層回采對上覆13-1煤層起到了預期的卸壓保護作用，卸壓線分別內(nèi)錯保護層工作面37.2,11.8 m，在傾向、走向方向的有效卸壓角分別為63.7°，80.8°。同時，13-1煤層采用地面井和井下穿層鉆孔聯(lián)合抽采的區(qū)域消突措施，至工作面回采完畢，共抽排瓦斯量1 283.14萬m3，預抽率為81.4%，實測13-1煤層殘余瓦斯含量為2.17～5.25 m3/t。煤巷掘進期間實測最大鉆屑量S=3.2 kg/m，最大鉆屑解吸指標K1 max=0.13 mL/(g·min1/2)，未出現(xiàn)預測指標超標及瓦斯動力現(xiàn)象，取得了良好的防突效果。

5 結(jié) 論

(1)通過全面分析沖擊地壓“三因素”機理和煤與瓦斯突出綜合作用假說，建立了煤巖動力災害廣義“三因素”理論，并據(jù)此將我國煤礦典型沖擊地壓劃分為煤層材料失穩(wěn)型、煤層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型、頂板斷裂型、斷層滑移錯動型共4種類型。

(2)對煤礦煤巖動力災害防控中的主要概念如沖擊傾向性、沖擊危險性、沖擊危險性評估、沖擊危險性評價、突出危險性、突出危險性評價、沖擊地壓礦井、煤與瓦斯突出礦井等概念，給出了其基本內(nèi)涵，澄清了一些模糊概念和認識，并進行了比較分析。

(3)分析了采深、頂板巖層厚度、工作面長度、采空區(qū)懸頂面積等對沖擊地壓的影響和地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯壓力、煤層中軟層厚度、采掘工藝等對煤與瓦斯突出的影響，特別給出了采空區(qū)懸頂面積和工作面長度對沖擊地壓影響的量化表達。

(4)針對深部開采沖擊地壓災害類型與特點，提出了沖擊地壓多尺度分源防控技術(shù)，其技術(shù)關(guān)鍵在于明確了不同尺度下應力源控制方法，即礦區(qū)或礦井群尺度下“以弱化礦井間高應力傳遞結(jié)構(gòu)鏈為核心的井間‘弱鏈增耗’防沖技術(shù)和避免井間相鄰工作面同時布置的協(xié)調(diào)開采防沖技術(shù)，破壞或弱化沖擊地壓發(fā)生的應力和能量傳遞條件，從而有效防止沖擊地壓的發(fā)生”、礦井或采區(qū)或盤區(qū)尺度下“降低靜載荷集中程度，并兼顧消除動載荷源，實現(xiàn)靜、動載荷源分源防治”、采掘工作面和巷道尺度下“改變煤體物性增加抗沖擊的阻力，使煤體的應力向煤層深部轉(zhuǎn)移，爆破或水力壓裂弱化頂板、斷層結(jié)構(gòu)避免高度應力集中和動載荷的產(chǎn)生，從物性、應力和結(jié)構(gòu)3方面防控沖擊地壓”。

(5)提出深部開采沖擊地壓巷道“三級”吸能支護思想與成套技術(shù)，研發(fā)了高沖擊韌性強力錨桿、穩(wěn)構(gòu)恒阻吸能“O型”棚和吸能液壓支架，由此形成了包括高沖擊韌性強力錨桿支護一級吸能、穩(wěn)構(gòu)恒阻吸能“O型”棚2級吸能、吸能液壓支架三級吸能的沖擊地壓巷道“三級”吸能支護技術(shù)。

(6)通過揭示煤礦深部開采卸荷消能與煤巖介質(zhì)屬性改造的協(xié)同防突機理并構(gòu)建煤與瓦斯突出卸壓消能與介質(zhì)屬性改造的協(xié)同防控方法，提出了井上下聯(lián)合瓦斯時空銜接抽采防突技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域和局部防突。

(7)應用超高壓水射流技術(shù)，提出復合煤巖動力災害“橫切縱斷”卸荷消能一體化防控技術(shù)，通過橫向切縫卸荷消除靜載作用下的突出危險，通過縱向切斷頂板消除動載作用下的沖擊危險。

(8)通過在內(nèi)蒙古巴彥高勒煤礦開展的區(qū)域與局部結(jié)合的沖擊地壓防治和安徽朱集西煤礦開展的煤層群井上下聯(lián)合抽采防突，現(xiàn)場工程實踐取得了較好的應用效果。

致謝煤礦深部開采煤巖動力災害防控技術(shù)研究項目開展近3 a來，24個參研單位100余名科研人員緊緊圍繞“深部煤巖動力災害孕災條件和時空防控機制”“深部開采復合煤巖動力災害轉(zhuǎn)化機制”2個科學問題和“深部煤巖動力災害危險性區(qū)域精準探測技術(shù)”“深部煤巖體原位改性與應力調(diào)控防沖技術(shù)”“深部煤體卸壓增透與時空抽采防突技術(shù)”“深部復合煤巖動力災害一體化防控技術(shù)”4個關(guān)鍵技術(shù)開展研究，本文介紹的只是研究成果的一部分，其他主要成果，如大型地質(zhì)體控制下井間聯(lián)動誘沖機制與防沖技術(shù)、復合加載試驗機、臨界應力指數(shù)法巷道沖擊危險性評價等，本專輯的其他論文將做重點介紹。

同時，本文的研究工作也同時得到了項目組其他課題人員的參加和幫助，在此一并表示感謝！