我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治

姜耀东，潘一山，姜福兴，窦林名，鞠 杨

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；4.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；5.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治

姜耀东1，2，潘一山3，姜福兴2，4，窦林名5，鞠 杨1，2

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；4.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；5.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

总结了我国煤矿冲击地压灾害发生的特点，分析了冲击地压、岩爆和矿震之间存在的联系和区别，建立了煤矿冲击地压的3种力学模型：材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压。提炼出煤炭开采中的冲击地压研究需要解决的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，总结归纳了近年来我国在冲击地压机理与防治技术方面的研究成果以及存在问题，指出了今后我国煤矿提高冲击地压防治水平的努力方向。

冲击地压；煤炭开采；冲击地压分类；冲击地压防治；机理

随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，矿井冲击地压等动力灾害日益加剧，严重地威胁着煤矿开采的安全[1]。据统计，1985年我国冲击地压煤矿有32个，而2011年底，发生冲击地压的矿井就多达142个，同时，全国有近50个矿井开采深度达到或超过1 000 m；2006—2013年，先后有新汶、抚顺、华亭、北京、义马、阜新、鹤岗、七台河、平顶山等煤炭生产企业因冲击地压而导致的重大伤亡事故多达35次，造成300余人死亡，上千人受伤。冲击地压的破坏程度也呈增大趋势，仅2011-11-03发生在河南义马千秋煤矿的一起冲击地压事故[2]就造成10人死亡，64人受伤，直接经济损失2 748.48万元。

统计分析表明，各种类型的矿井都有冲击地压发生的报告，各类煤层都发生过冲击现象，地质构造从简单到复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，砾岩、砂岩、灰岩、油母页岩顶板都发生过冲击地压。开采深度最浅的只有157 m，2011-03-24神华新疆有限责任公司乌东煤矿北采区发生冲击地压造成1人死亡，2人受伤。但随着深部开采深度的增加，冲击地压的频度和强度都在增加。从采煤方法来讲，长壁、短壁、房柱式、放顶煤、分层开采等都发生过冲击地压；从采煤工艺来讲，综采、普采、炮采、水采、水砂充填等各种工艺也都发生过冲击地压。

煤矿冲击地压不仅危害程度大，影响面广，而且是诱发其它煤矿重大事故的根源。冲击地压的发生可能诱发瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸等重特大灾害[3]。2003年淮北芦岭煤矿“5·13”冲击地压诱发瓦斯爆炸事故，造成84人死亡；2005年“2·14”阜新孙家湾煤矿瓦斯突出就是因冲击地压诱发大量瓦斯涌出，进而发生特大瓦斯爆炸，死亡214人；新汶华丰煤矿在开采山西组4煤层过程中，频繁发生冲击地压，冲击地压又导致顶板水的大量突出，在该矿工作面突水量增大的次数与冲击地压发生的次数成正相关[4]。

我国是采煤大国，2012年中国采出了36.5亿t原煤，占世界煤炭总产量的47.5%，加之煤田地质条件的复杂性，我国的煤矿冲击地压问题尤为突出。学术界对煤矿冲击地压的机理和防治问题一直非常重视[5-7]，2001年11月的175次香山科学会议、2010年7月的中国科协51次新观点新学说“岩爆机理探索”学术沙龙、2012年11月的中国工程院岩爆突水工程科技论坛、2013年8月全国防治煤矿冲击地压高端论坛等都把煤矿冲击地压问题作为重点探讨；2004年国家自然科学基金委员会设立的重大项目“深部岩体力学基础研究与应用”、2010年国家科技部设立的国家重点基础研究发展计划(973计划)“煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究”也是重点研究煤矿冲击地压问题。但是由于问题的复杂性，目前对冲击地压的机理和防治技术的研究还不够充分，需进行长期艰苦的探索和实践才可能取得突破进展。

1 冲击地压的界定与分类

1.1 冲击地压的界定

冲击地压、岩爆与矿震[8-9]是地下工程和采矿工程领域常见的岩石动力破坏现象，但一直以来人们对于冲击地压、矿震和岩爆等术语的理解仍不够清晰。由于行业背景的差异，在我国水电交通隧道等行业将这种现象称之为岩爆，而在煤矿和冶金等采矿行业称之为冲击地压或矿震。全国科学技术名词审定委员会审定公布的这3个术语的定义分别如下：

冲击地压是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。

岩爆是指地下工程开挖过程中由于应力释放出现围岩表面自行松弛破坏并喷射出来的现象。

矿震是指井巷或工作面周围煤岩体中突然在瞬间发生伴有巨响和冲击波的震动但不发生煤岩抛出的弹性变形能释放现象。

现在岩石力学界的部分学者认为冲击地压和岩爆是同一岩石动力学现象，把冲击地压和岩爆作为同义词合并，但有煤矿行业背景的学者并不认同这种观点，这在2010年7月的中国科协51次新观点新学说“岩爆机理探索”学术沙龙上讨论争论中表现得尤其突出。

这种理解上的差异是由于行业对工程的要求不同所产生的。在煤炭行业，由于井巷或工作面工程的相对临时性和经济性要求，通常是可以容忍井巷或工作面的围岩发生变形或破坏，只要围岩结构不失稳而满足安全生产要求即可；而水电交通行业的隧道等地下工程是百年大计，这些工程是不能容许围岩发生破坏和产生大变形的。另外，采动应力的存在是煤矿等矿业工程的一大特点，水电交通行业的隧道工程扰动应力影响的范围和程度与煤矿采动引起的扰动存在数量级别的差异。

冲击地压和岩爆的共同点是“在地应力高的岩体中开挖硐室，由于围岩应力突然释放，岩块破裂并抛出的动力现象”。差异在于，采矿工程中把这种动力现象是否产生“破坏性”、是否成为“灾害”作为是否发生冲击地压的标志。如果这种动力破坏没有成为“灾害”、不影响安全生产，可以不予理睬，即可以不采取治理措施，否则就要采取治理措施。因此，煤炭行业通常只把需要采取治理措施的岩石破坏动力现象称为冲击地压。这种是否产生“破坏性”、是否成为“灾害”的确定对采矿行业是十分必要的，因为国家《煤矿安全规程》和《冲击地压煤层安全开采暂行规定》中对冲击地压矿井有特殊的防治要求，这将直接影响煤矿企业的生产安全和经济效益。

另外国际上关于岩爆的定义也是多样的，有兴趣的读者可参考文献[10]。

矿震是在区域应力场作用下，受开采活动影响而发生的一种诱发地震。矿震除了可由采矿活动引起外，地面活动、采空区顶板冒落、煤层片帮、冲击地压和岩爆等都有可能诱发矿震。尽管有许多矿震并不造成灾害，但有些矿震可能会诱发冲击地压，反过来强烈的冲击地压也能够引起矿震。

1.2 冲击地压的分类

国内外学者从不同的角度提出了不同的冲击地压分类方法。如按冲击地压发生位置可分为煤层冲击地压、顶板冲击地压和底板冲击地压；按冲击压力来源可分为重力型、构造型和重力-构造型；按冲击能量大小可分为微冲击、弱冲击、中等冲击、强冲击和灾难性冲击类型等[11]；Rice从煤岩材料受载类型和破坏形式将冲击地压分为受静载引起的应力型冲击失稳和受动载引起的震动型冲击失稳；佩图霍夫根据冲击地压与工作面的位置关系将冲击地压分为两类：一类是发生在工作面的由采掘活动直接引起的冲击地压，另一类是远离工作面，由于矿区或井田内大区域范围的应力重分布引起的冲击地压[12]；潘一山等[13]根据对我国冲击地压现状的研究，将之分为煤体压缩型冲击地压、顶板断裂型冲击地压和断层错动型冲击地压3种基本类型；何满潮等[14]通过对煤岩冲击失稳的能量聚积和转化特征的研究，建立了以复合型能量转化为中心的煤岩冲击失稳分类体系，将冲击地压分为单一能量诱发型和复合能量转化诱发型两大类，其中单一能量型又可分为固体能量诱发型、气体能量诱发型、液体能量诱发型、顶板垮落能量诱发型和构造能量诱发型，该分类方法较以往的按冲击能量特征分类更突出煤岩冲击失稳的本源和主要影响因素。

更多的学者按照煤岩冲击失稳的物理特征进行分类研究，总结起来可将冲击地压分为3类：① 岩爆型冲击地压，是指在高应力作用下，煤岩材料发生弹射、爆炸式的破坏；② 顶板垮落型冲击地压，上覆厚且坚硬的顶板悬伸在矿柱上，达到一定跨度折断或垮落时对矿柱形成压力波，引起矿柱煤体的瞬时破坏；③ 构造型冲击地压，构造应力作用下，煤岩体发生突然的失稳冲击。

冲击地压现象的本质是高应力状态作用下煤岩体的突然失稳破坏。从应力状态导致煤岩体的突然失稳破坏的本质对冲击地压的进行分类研究，本文将煤矿冲击地压分为3类：材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压。

(1)材料失稳型冲击地压。

材料失稳型冲击地压是指井巷或工作面周围岩体在开挖过程中，煤岩体内应力集中达到一定程度后，煤岩材料内部裂纹不断扩展、贯通、汇聚，并导致一定范围内的煤岩体发生弹射、爆炸式的破坏而发生的冲击突出。材料失稳型冲击地压如图1(a)所示。

图1 冲击地压的三种类型示意图Fig.1 The scheme of three types of coal bump

(2)滑移错动型冲击地压。

滑移错动型冲击地压如图1(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[15]；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。

(3)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，如图1(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105 m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：

(1)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一个共性科学问题。通过研究这一科学问题，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。

(2)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。

(3)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。

(4)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一。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。但在一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。考虑到实验室内进行的煤岩冲击倾向性测定只是针对煤岩样进行的单轴实验，未能体现煤岩体大尺度结构面和地应力的影响，建议将煤岩的冲击倾向性与煤岩结构、地质异常条件、煤岩受力状态和采动影响等因素联系起来对煤层冲击危险性进行综合评价。

诱发冲击地压发生的另一个主要地质因素为断层和褶曲等地质构造，国内外学者研究了煤矿冲击地压的发生与向斜轴部、特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层褶皱、构造应力带等区域的关系[16-18]。我国学者一个重要的研究进展就是发现了不同断层类型与冲击地压发生的关联性[19]，地质构造控制的冲击地压分为增压和减压2种类型，工作面过逆断层时为增压型，如义马、鲍店等矿区的向斜冲构造，容易引发强烈的冲击地压；工作面过正断层时为减压型，不会发生冲击地压。义马煤田位于东北边界的岸上断层、西北边界的扣门山—坡头断层及南部边界的F16逆冲断层所组成的三角形断块范围内，位于这一范围内的跃进煤矿和千秋煤矿都是冲击地压的重灾区。2011-11-03，义煤集团千秋煤矿21221掘进工作面下巷发生能量0.35 GJ、震级4.1级的冲击地压事故，造成10人死亡，60余人受伤。

确定断层和褶曲等地质构造类型非常重要。目前对诱发深部煤矿冲击地压的地质条件的精细探测主要集中在煤层赋存形态和小断层的精确描述。国内外在对地质构造的探测技术主要有探地雷达技术、TSP超前地质预报技术、三维地震勘探技术等。而对于探测数据的成像方法研究动向则是从各向同性叠前时间成像向各向异性叠前深度成像发展[20-22]。

上覆岩层状况(包括坚硬顶板、巨厚覆岩)也是影响冲击地压是否发生的重要因素，在受到采动影响的条件下，由于坚硬顶板不能及时垮落，大面积悬顶而导致应力和能量集聚，从而形成动载诱发冲击地压或矿震，如新汶、大同和兖州等矿区。

今后应针对我国深部煤炭资源开采的实际情况，研究深部煤层地质构造特征，探索煤层、顶底岩层空间结构、宏观力学性质与动力突出之间的关系，从本质上把握煤、岩石的宏观力学特性及其冲击倾向性的内在属性；研究煤层断层褶曲构造特征与构造应力分布规律，建立地球物理信号精细探测响应特征和反演解释理论和综合探测方法；研究煤岩石矿物成分和细观结构与冲击倾向性的耦合关系和模型描述，构建煤、岩石组分和细观结构冲击倾向性的判别准则。

3.2 煤矿冲击地压的发生机理

如前所述，我国是世界上采煤量最多的国家，也是冲击地压发生最多的国家，因此学术界对煤矿冲击地压发生的机理非常活跃，将冲击地压过程作为动力稳定性问题进行分析，基于弹性、塑性理论和稳定性理论，对冲击地压的机理进行了深入的研究，先后提出了刚度理论、强度理论、能量理论、冲击倾向理论、变形系统失稳理论、剪切滑移理论、三准则理论、“三因素”理论、强度弱化减冲理论、复合型厚煤层“震冲”机理、岩体动力失稳的折迭突变机理、冲击启动理论、煤岩组合冲击机理、冲击地压和突出的统一失稳理论等[23-25]。文献资料表明，我国是提出冲击地压机理和理论最多的国家。

冲击机理研究大致可分为3类：第1类是从研究煤岩材料的物理力学性质出发，分析煤岩体失稳破坏特点以及诱使其失稳的固有因素，同时利用混沌、分叉等非线性理论来研究冲击失稳过程；第2类是从研究突出区域所处的地质构造以及变形局部化出发，分析地质弱面和煤岩体几何结构和冲击地压之间的相互关系；第3类是研究工程扰动(如放炮所产生的震动波等)和采动影响与冲击地压之间的关系。

应当指出，尽管目前关于冲击地压发生机理的观点或学说较多，但还不能有效用于解释和指导冲击地压的监测与防治。例如比较有影响的“三因素”理论，认为发生冲击地压必须同时具备三因素，即内存因素煤岩体具有冲击倾向性，应力因素即有超过煤岩体破坏强度的应力作用，结构条件即具有弱面和容易引起突变滑动的层状介面，只有同时具备这3个条件才会导致冲击地压的发生，否则不会发生冲击地压。但如前所述，在一些测定为无冲击倾向性煤层的矿井也发生了冲击地压。

究其原因，并不是学者们在冲击地压机理方面的研究方法不对，问题的关键在于如前所述冲击地压存在3种不同的分类，每一种理论可以去解释一种条件下发生的冲击地压，很难用统一的理论去解释所有的冲击地压现象。同时，冲击地压的机理研究非常重要，只有充分理解了其机理才可能采取合理的监测与防治措施。

深部煤矿开采过程中的应力场与能量场的动态演化与发展必然为冲击地压的孕育、发生和发展创造条件。冲击地压是一种能量释放在时间上非稳定、在空间上非均匀的过程；即从时间上看，煤岩体中能量释放速率大于消耗能量速率，则系统的破坏是不稳定的；从空间上看，各点处的能量释放量构成了空间能量释放梯度。在总释放量相同的条件下，如果能量释放的空间分布是不均匀的，或者说是集中在某一点或某几点上，则在这些点上所释放的能量就有可能克服周围煤岩体的阻力，从而形成冲击地压等动力灾害。在高应力和强扰动的深部开采环境中，采动空间能量场的时空演化过程直接决定了冲击地压的发生特点和孕育条件。这种冲击地压的能量场观点就有助于我们去研究区域性监测技术，例如地震波CT 技术和微震监测技术。

随着开采深度和开采扰动的增加，多因素耦合致灾机理的特点也越发明显[26-27]。研究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，利用非线性分叉理论和混沌动力学来研究煤岩体细观破裂演化诱致煤岩体发生的冲击地压的全过程应成为今后主要的攻关方向，也必将为探索冲击地压灾害机理与防治的新途径。

3.3 采动覆岩空间结构运动与冲击地压孕灾过程

我国煤矿普遍采用长壁开采方法，随着采场的不断推进，覆岩空间结构是在变化之中，其采动应力的大小和分布范围也是在变化之中，存在“第一次来压”和“正常推进”两种采动应力分布特征。针对深部开采条件下覆岩空间结构运动与采动应力场耦合特点以及应力与能量突变的动力学过程，我国学者提出了 “覆岩空间结构-空间应力场-区域性冲击”与“局部应力异常-微震”的深部动力灾害多尺度非线性动力学模型[28]，研究相邻采场的影响、多层结构运动引起的多次冲击和矿震、采空区一次“见方”和多重“见方”等阶段引起的冲击地压等，采用“动-静应力场理论”进行工作面巷道的合理布置和评价冲击危险区，从而揭示不同尺度、不同量级动力灾害相互耦合的孕灾过程和触发机制。

根据姜福兴的研究，典型的覆岩空间结构可分为4种[28-29]：一面采空(四周为实体煤)的首采工作面，两面采空的工作面，因跳采而留下的三面采空孤岛工作面，因跳采和厚煤层由分层转为放顶煤开采而形成的四面采空的孤岛工作面。从开采技术因素来看，要尽量避免由于开采设计方案不合理或由于采掘接替紧张而形成的孤岛工作面。在四面采空的孤岛工作面空间结构中，当放顶煤工作面推进到接近上分层工作面的停采线时，煤柱将发生2种可能的灾害：一是煤柱突然破裂失稳，发生冲击地压或煤层突出；二是煤柱逐渐破裂，工作面巷道围岩快速变形从而封堵巷道和工作面内煤壁大面积片帮。

今后要进一步研究深部煤炭开采中上覆岩层整体弯曲带中三维宏观应力场的时空分布规律，探索长壁工作面在不同采场结构参数和不同开采方法条件下的采动应力场在上覆岩层弯曲带和断裂带中分布与转移特征，研究直接顶和基本顶在裂隙与垮落过程中的应力变化特征，研究煤柱和巷道围岩中采动支承压力分布规律和位移变形的变化规律，揭示煤岩动力灾害的采动效应机理。研究煤层厚度、工作面长度与推进速度等参数对基本顶和直接顶破断与垮落过程的影响规律，探索不同层位关键岩层的破断形式、影响范围、瞬间能量释放和传播的岩体动力学效应，得到坚硬顶板第1次裂断或周期性裂断时的能量释放特征。探索局部动力灾害的耦合效应、激增机制及诱发顶板与巷道整体动力失稳的互馈效应与触发条件，建立考虑覆岩结构局部动力破坏与支护体系互馈作用的覆岩空间运动及变形的理论模型和调控方法。

3.4 煤矿冲击地压的监测预警技术与综合防治方法

近年来我国在冲击地压监测预警技术方面取得了长足进展，一些高技术含量的监测设备被引入到冲击地压的监测预警中来。目前，我国煤矿监测预警冲击地压的主要方法有矿压观测法、钻屑法、顶板动态仪、钻孔应力测量法、电磁辐射法、地音法、微震法、地震CT 技术、电荷感应监测技术。从物理本质分类，矿压观测法、钻屑法、顶板动态仪、钻孔应力测量法属于基于岩石力学原理的直观接触式监测方法，主要以监测冲击地压发生前围岩变形、离层、应力变化、动力现象等特征为主；而电磁辐射法、地音法、微震法、地震CT 技术、电荷感应监测技术属于地球物理方法。地音和微震都是的监测煤岩破裂时的震动效应，区别在于各自接收震动事件的频率范围不同。地音接收高频低能事件，而微震接收低频高能事件。电磁辐射法和电荷感应监测技术主要是测量煤岩体内应力集中程度，地震CT 技术是通过声发射来反演煤岩体内的应力分布图像。在上述各种方法中，钻屑法、微震法和地音法是较常用的冲击地压监测手段。钻屑法由德国首先提出，我国《冲击地压煤层安全开采暂行规定》和《煤矿安全规程》都将钻屑法作为确定冲击危险程度和采取措施后的效果检验方法。微震法和地音法在我国一些冲击地压灾害严重的煤矿都已应用，如新汶华丰矿、徐州三河尖矿、义马千秋矿和抚顺老虎台矿等。

窦林名研制了 Seicom分布式广域网微地震监测系统和KJ-100顶板离层遥测监控系统[30-31]，并进行了矿震远程监测系统的建设，可以在实验内和监测矿井同时分析实测数据。姜福兴自行研制了“震动场-应力场”一体化监测预警系统[29]，通过微震监测技术监测煤岩体在变形和破坏过程中，裂纹产生、扩展、摩擦时内部积聚的能量以应力波的形式释放，产生微震事件，借助专业化的数据处理软件，能够实现在三维空间中实时准确地确定岩体中微震事件发生的位置、量级，从而对煤岩体的变形破坏的活动范围、稳定性及其发展趋势做出定性、定量评价，确定危险区域；通过监测采动应力变化，比较不同时刻每个测点的相对应力的变化量和应力梯度等值线的变化，可以评价冲击危险性和冲击危险区域。这种具有我国自主知识产权的“震动场-应力场”一体化监测预警系统，同时监测微地震定位和采动应力的变化，目前在我国60多个煤矿应用，已经成为实时冲击危险性预警的主要手段。该多指标预警系统在原理上优先于单指标的在原理上优先于波兰的 ARAMIS MPE 微震监测系统，并实现了远程数据传输和实测数据分析。天地科技股份有限公司采矿所也开展了采用便携式微震仪对解危效果井下检验的尝试[32-33]。

图2 冲击危险的多参量综合监测体系Fig.2 Flow chart for assessing disaster potential of coal bumps

由于冲击地压发生机理的复杂性，冲击危险的前兆信息及多参量监测判别技术正逐渐成为冲击地压主要监测预警模式，其原理如图2所示。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，这是一种被动防护方法，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

(1)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。

(2)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。

(3)我国煤炭深部开采中冲击地压问题的研究取得了一系列的研究成果，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。

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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，Fuxin123000，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

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实验室开放基金资助项目(SKLCRSM11KFB08)

姜耀东(1958—)，男，江苏海安人，教授，博士生导师，博士。E-mail：jiangyd@cumtb.edu.cn

TD324

A

0253-9993(2014)02-0205-09

姜耀东，潘一山，姜福兴,等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报,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