我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治

核心提示：　　基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）资助项目（2010CB226800）；国家自然科学基金资助项目（51174213）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点。）材料失稳型（b）滑移错动型

　　基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）资助项目（2010CB226800）；国家自然科学基金资助项目（51174213）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点。）材料失稳型（b）滑移错动型（c）结构灾稳型冲击地压的三种类型示意图滑移错动型冲击地压。

　　滑移错动型冲击地压如（b）所示，是指在采动影响下由于顶底板与煤层刚度的不同而导致的煤层滑移错动冲击挤出，如Lippmann研究的煤层平动突出模型5；或井巷附近的断层、构造或结构面的滑移错动诱发而产生突然剧烈破坏的动力现象。

　　结构失稳型冲击地压。

　　井巷或工作面周围岩体，由于采动应力或顶板大面积悬顶突然破断或矿震诱发而产生突然剧烈破坏的动力现象，经常是煤柱或巷道围岩大面积的冲击突出而发生整体井巷结构失稳，如（c）所示。如孤岛工作面的开采、煤柱的回收、坚硬顶板下的煤层开采等。例如2008-06-05千秋煤矿发生的一起冲击地压事故，采场围岩瞬间释放的巨大能量致使105m长的巷道工程发生冲击突出破坏。

　　在煤炭开采实践中，第2，3类的冲击地压所引发的破坏通常比第1类更剧烈，这类冲击地压冲出煤量大、动能多、震动大，往往造成巨大的破坏和严重后果。

　　2冲击地压发生机理与防治研究中的关键科学问题生产实践表明煤矿冲击地压这种动力灾害现象发生时一般没有明显的宏观前兆，具有突发性、瞬时震动性、巨大破坏性特征，事先难以确定发生的时间、地点和强度。从力学本质上讲煤矿冲击地压是特定地质赋存条件下的煤岩体系统由于采矿活动在变形破坏过程中能量的稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学过程，是其外部荷载环境、内部结构、构造及其物理力学性质的综合反映，其形成过程非常复杂，涉及地质、采矿、地球物理、岩石力学和非线性动力学等交叉学科，同时该问题具有明显的时空演化特征。

　　与地下厂房、水电硐室、地铁隧道等其它行业地下工程相比，煤矿开采具有十分鲜明的特征：①开采空间范围大。我国深部煤矿普遍采用长壁开采方法，形成了数十万甚至数百万立方米的开采空间，开采范围之大、采动波及之广是其他任何地下工程不能比拟的。②开采扰动强烈。大空间快速推采的长壁开采方法对围岩形成强烈开采扰动，引起上覆岩层垮落、地表大面积变形沉降，尤其是对于深部一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言，开采所导致大范围的强烈扰动更是浅部开采和其它地下工程所不能比拟的。③介质属性和应力状态复杂。除了深部煤田地质赋存条件的复杂性外，大范围开采对采掘空间周围煤岩体形成反复扰动，使之多次经历变形、破坏过程，致使煤岩体的介质属性既具有断续结构特征，又具有破断介质属性；工作面处于高地应力和强卸荷共同作用下，采掘诱致地应力重分布时空关系复杂，高应力释放、转移、传递引起的煤岩体能量耗散与能量释放过程的动力学特征明显，极易诱发冲击地压动力灾害。

　　我国学者通过多年研究，提出煤炭开采中冲击地压机理和防治技术领域需解决的4个关键科学问题：地质赋存条件对冲击地压的作用机制及量化分析方法。

　　在长期的地质演变过程中深部煤岩体内蕴藏着巨大的变形能，其储能程度和原岩应力分布既取决于煤岩体的硬度、致密性和矿物成分，也取决于地质构造、断层、褶曲的程度。同时深部煤层开采时坚硬顶板（特别是厚层砂岩顶板）的运动失稳也是导致矿柱和采场巷道工作面发生瞬时冲击动力灾害的诱因。

　　因此冲击地压灾害与煤岩组分、断层、褶曲、原始应力场和构造应力异常密切相关，如何科学定量描述地质赋存条件的作用机制及其与煤矿冲击地压灾害的相关性是个共性科学问题。通过研究这科学问题，揭示煤岩体的冲击倾向性、地质构造和原岩应力条件对煤矿深井动力灾害成灾的作用机制。

　　深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征。

　　深部煤岩体通常为含有节理裂隙的层状结构。

　　深部煤炭的集中开采强烈扰动使得采场和巷道周围的煤岩体不可避免地发生变形和破坏从而形成断续结构。在多次开采扰动和长期的流变过程中，这种断续结构煤岩体会出现新的破裂和强度不断衰减的循环过程，从而导致大变形、强流变和超低摩擦效应，在一定条件下将会引起冲击地压动力灾害。在深部煤炭开采工程中，巷道围岩的破坏并不意味着巷道的失效，围岩的突发性动力破坏是由于断续煤岩体结构特征、外载荷作用、岩石卸压与能量释放的共同作用结果。因此通过探索深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征这一科学问题，研究断续煤岩体结构特征及破裂后的变形破坏特征，研究允许围岩破坏但限制其变形发展的稳定条件，从而搞清楚巷道围岩破裂后（峰后）的力学响应、围岩失稳特性及其演化规律和动力失稳控制对策。

　　采动应力分布、能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理。

　　开采前煤岩体处于深部三维应力平衡状态下，开采活动打破了原有的应力平衡，导致采场三维空间中的宏观应力场与能量场的重新分布，这种应力场与能量场的动态演化与发展必然为动力灾害的孕育、发生和发展创造条件。因此通过研究采动应力分布和能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理，可以揭示深部裂隙煤岩体在开采过程中的能量积聚与释放机制、能量场的时空演化规律以及动力灾变的能量触发条件，提出基于能量突变的深部煤岩体动力失稳的模型与判别准则和能量分析体系。

　　冲击地压的多参量监测预警与防治的理论与方法。

　　在冲击地压动力灾害孕育发展过程中，煤岩体中应力状态将发生变化并同时伴随能量的释放，其中，微震、声发射、电磁辐射就是这种释放过程的物理效应之。研究煤岩体在变形破坏过程中的应力、微震、声发射、电磁辐射等前兆信息规律，通过监测、分析井巷和采场附近煤岩体的应力变化及微震、声发射和电磁辐射活动等前兆信息的多参量动态变化趋势，就可以建立冲击地压监测预警系统进行预警预报和有效防治。同时从冲击地压等动力灾害发生的条件入手，探讨开拓开采巷道布置方式、开采顺序、保护层开采等方法控制应力分布的机理；研究新矿井在开采设计阶段或已生产矿井对未开采区域进行合理开采设计与保护层开采对防止冲击地压等动力灾害发生的机理，提出煤矿深部开采的优化开采设计理论与方法。

　　3冲击地压发生机理与防治技术研究现状及存在问题3.1煤矿发生冲击地压的地质构造条件及相互作用机制深部煤矿冲击地压的形成与矿井深部区域地质特征、构造形成演化过程及区域应力环境等因素有着密切的关系，深部煤层所经历地质演化控制着煤层的产状、展布和厚度，影响着地质构造的赋存、构造应力场或残余应力场的分布。地质的动力运动产生了多种地质构造，而这些构造的特征直接决定着矿井地质灾害的发生条件，也是诱发煤矿冲击地压的主要因素。

　　研究表明煤岩的冲击倾向性、断层和褶曲赋存状况、上覆岩层赋存条件是诱发冲击地压的主要地质条件。

　　煤层冲击倾向性指标最早由波兰学者提出，我国目前用弹性能指数、冲击能指数、动态破坏时间和单轴抗压强度4个指标作为煤层的冲击倾向性指标。通过对近10年我国发生冲击地压的矿井进行统计发现，其中强冲击倾向性占29%，中等冲击倾向性占8%，弱冲击倾向性占38%，未做冲击倾向性鉴定占25%，说明大部分发生冲击地压矿井的煤层都具有冲击倾向性。但在些没有冲击倾向性的矿井也发生了冲击地压，如徐州权台矿、平顶山十矿和北京大安山矿均为软弱无冲击倾向煤层。考虑到。应当指出，不同监测系统的监测原理不同，监测对象、有效精度、监测范围也不同，如何从这些前兆信息中判别得出的正确的预警结果仍有很长的路要走。例如义马千秋煤矿虽然安装了ARAMIS、ESG微震监测系统和KBD-5、KBD -7电磁辐射仪等监测设备，但还是未能对2011年发生的“11.3”冲击地压事故做出预测预报。

　　冲击地压的防治技术可概括地分为3种：一是采用采矿优化设计方法以避免冲击地压的发生，包括优化开拓布置、解放层开采、无煤柱开采、预掘卸压巷、宽巷掘进、宽巷留柱法等；二是对已具有冲击危险的区域进行解危，避免高应力集中和改善煤岩体介质性质以减弱积聚弹性能的能力，包括顶板深孔爆破、煤层卸载爆破、煤层高压注水、大孔卸压法、定向水力压裂法、高压水射流切槽、断底爆破法、预掘卸压硐室、煤层高压水力压裂、底板切槽法等；三是采用更有效的支护方法，通过增大支护强度或改善支护方式以提高支护体抵抗冲击的能力，这是种被动防护方法，如冲击震动巷道围岩刚柔蓄能支护法、高预应力、强力锚杆U型钢支护法、门式液压支架（或垛式液压支架）法、恒阻大变形锚杆（索）支护法等。应当指出，开采设计优化方法是从源头上消除应力高度集中，降低冲击地压危险的一类方法，目前许多冲击地压矿井由于在开采设计阶段没有考虑开采中的应力叠加和集中问题，从而造成了后期开采生产中出现了孤岛煤柱开采和上覆煤柱下方开采的局面，如果通过巷道布置优化和保护层开采等开采设计优化手段可达到消除应力多次叠加产生的应力高度集中的目的。

　　冲击地压的技术管理体系和防冲工作流程设计也十分重要，如山东能源集团制定了严格的冲击地压矿井和严重冲击地压煤层开采生产中的8项管理规定：开采前进行冲击地压危险性评价、开采设计方案优化、开采前的防冲预处理、开采过程中的监测预警、开采过程中的危险区解危、解危效果检验、冲击地压工作面的安全管理、冲击地压防治经验的总结，建立了防冲‘’三个体系和一个流程“即组织体系（防冲人员）、技术体系（技术、装备投入）、管理体系（相关防冲管理制度）和闭环式的工作流程，在技术体系中，重点要做到危险区‘’三强”防冲技术，即强卸压、强监测和强防护，取得了较好的防冲效果。

　　为满足深部煤矿冲击地压监测预警的重大需求，深井冲击地压的监测预警理论、技术和手段均有待完善。同时，国内外对冲击地压防治方法的机理研究滞后于冲击地压防治的实践，因此对冲击地压等动力灾害机理及防治方法的理论研究仍是今后冲击地压动力灾害研究的长期目标。在装备预警监测设备的基础上，从优化开采设计、改变采动应力场分布、改善局部煤岩体性质等方面入手，研究深部煤矿冲击地压的理论和冲击地压解危技术方法，建立适合我国煤矿深部冲击地压综合防治的理论与技术体系，是最终实现对冲击地压等煤岩冲击地压有效防治的重要保障。

　　4结论煤矿冲击地压的本质是煤岩体系统由于采矿活动在变形破坏过程中能量的稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学过程，根据失稳形式和失稳机理对冲击地压进行分类，可分为：材料失稳型冲击、滑移错动型冲击和结构失稳型冲击3种类型。

　　煤炭开采中的冲击地压问题研究需要解决4个方面的科学问题：地质赋存环境对冲击地压的作用机制及量化分析方法、深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征、采动应力分布和能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理、煤矿冲击地压的监测预警与防治方法，这些问题的解决有利于揭示冲击地压的机理并提出行之有效的防治方法，保障煤炭资源的安全高效开采。

　　我国煤炭深部开采中冲击地压问题的研究取得了系列的研究成果，但仍需在深部煤层地质构造特征、煤岩层空间结构与动力灾害的关系，深部开采中的采场应力空间演化规律与致灾机理，冲击地压防治方法的理论研究等方面做进一步的探索。

　　由于篇幅所限，文中省略了大量图表和公式，并感谢王涛、祝捷等同志对本文形成做出的贡献。