煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术.pdf

第 45 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 5 2020 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2020 移动阅读 齐庆新,潘一山,李海涛,等. 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术[J]. 煤炭学报,2020,45 51567-1584. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0453 QI Qingxin,PAN Yishan,LI Haitao,et al. Theoretical basis and key technology of prevention and control of coal-rock dynamic disasters in deep coal mining[J]. Journal of China Coal Society,2020,4551567-1584. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0453 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与 关键技术 齐庆新1,2,4,5,潘一山3,4,李海涛1,2,姜德义6,舒龙勇2,5,赵善坤2,5,张永将7,潘俊锋2,8,李宏艳2,5,潘鹏志9 1. 煤炭科学研究总院 深部开采与冲击地压研究院,北京 100013; 2. 煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013; 3. 辽宁大学,辽宁 沈阳 110036; 4. 辽宁工程技术大学 矿业学院,辽宁 阜新 123000; 5. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013; 6. 重庆大学 资源与环境学院,重庆 401331; 7. 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039; 8. 天地科技股份有限公司 开采 设计事业部,北京 100013; 9. 中国科学院 武汉岩土力学研究所,湖北 武汉 430071 摘 要煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度 显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的 有效供给。 针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因 素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等 3 个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和 煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”理论,确定了我 国煤矿典型冲击地压的 4 种类型煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动 型,分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面 凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与 成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤 岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的 建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。 关键词煤岩动力灾害;冲击地压;广义“三因素”理论;冲击地压巷道“三级”吸能支护;井上下联合 抽采防突 中图分类号TD324 文献标志码A 文章编号0253-9993202005-1567-18 收稿日期2020-03-20 修回日期2020-05-10 责任编辑常 琛 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0804200;国家自然科学基金资助项目51874176,51704164 作者简介齐庆新1964,男,吉林九台人,研究员,博士生导师,博士。 Tel010-84262771,E-mailQiqingxin X263． net Theoretical basis and key technology of prevention and control of coal-rock dynamic disasters in deep coal mining QI Qingxin1,2,4,5,PAN Yishan3,4,LI Haitao1,2,JIANG Deyi6,SHU Longyong2,5,ZHAO Shankun2,5, ZHANG Yongjiang7,PAN Junfeng2,8,LI Hongyan2,5,PAN Pengzhi9 1. Deep Mining and Rock Burst Research Institute,China Academy of Coal Science,Beijing 100013,China; 2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3. Liaoning University,Shenyang 110036,China; 4. College of Mining,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 5. Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 6. College of Re- source and Environmental Science,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 7. Chongqing Research Institute,China Coal Technology Engineering Group,Chongqing 400039,China; 8. Coal Mining and Design Department,Tiandi Science and Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100013,China; 9. Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 AbstractThe occurrence condition of coal and rock strata determines the more complex occurrence mechanism of coal-rock dynamic disasters in deep mining conditions with the significantly increasing difficulty of prevention and con- trol technology. How to solve the problem of prevention and control of coal-rock dynamic disasters in deep coal mining directly affects the safety of coal mines production and the efficient energy supply in China. This paper focused on the scientific proposition that “Research on the prevention and control technology of coal-rock dynamic disasters in deep coal mining”. Based on the “Three Factors” theory in rock burst and the hypothesis of comprehensive effect in coal and gas outburst,the paper has clarified some vague concepts in the items of theoretical basis,key technology and in- dustry practices in prevention and control of coal-rock dynamic disasters,and established a generalized “Three Fac- tors” theory to describe the mechanism of rock burst and coal and gas outburst,which is “Physical Factor”,“Stress Factors” and “Structural Factors”. Consequently,four types of typical rock burst in China’s coal mines was identi- fiedcoal seam material instability type,coal seam structure instability type,roof fracture type,and fault slippage type. In addition,the paper analyzes the main factors that affect the rock burst and outburst,condenses prevention and con- trol technology with different sources in multi-scales for coal-rock dynamic disasters from the aspects of ideology,prin- ciples,s. This paper also proposes a “three-level” energy-absorbing and packaged technology for the rock burst roadway support,and develops a combined surface and underground extraction prevention and control tech- nology for coal and gas outburst mines,and a combination of ultra-high pressure water jet “cross-cutting and vertical- breaking” coal-rock dynamic disaster prevention and control technology,of which application tests have been carried out on the site. The establishment and improvement of theories and key technologies for the prevention and control of coal-rock dynamic disasters in the deep coal mines could provide a scientific basis for the future prevention and control of coal-rock dynamic disasters in China. Key wordscoal-rock dynamic disaster;coal bump rock burst;generalized “Three-Factor” theory;“three-level” energy-absorbing support for rock burst roadway;outburst prevention technology by combining surface and underground extraction 近 10 a 来,我国煤矿开采中的煤岩动力现象频 繁显现,灾害时有发生,如2017 年河南登封兴峪“1 4”煤与瓦斯突出事故、辽宁红阳三矿“1111”冲击 地压事故、2018 年贵州盘州梓木嘎“86”煤与瓦斯 突出事故、山东龙郓“1020”冲击地压事故、2019 年 吉林龙家堡“69” 冲击地压事故、贵州安龙广隆 “1217”煤与瓦斯突出事故、2020 年山东龙堌“2 22”事故[1-2]等。 因此,进一步提升煤岩动力灾害防 控技术的有效性已刻不容缓。 我国从“十五”开始就高度重视煤矿安全生产, 特别从机制体制方面,成立了国家煤矿安全监察局, 由此将煤矿安全的监管监察上升至国家行为。 同时, 对于煤岩动力灾害的研究,国家从“十一五”开始就 陆续通过国家重点基础研究发展计划973 计划、国 家科技支撑计划等加强科技攻关投入。 特别是“十 三五”期间,国家先后确定了“煤矿典型动力灾害风 险判识及监控预警技术研究”2016YFC0801400和 “煤 矿 深 部 开 采 煤 岩 动 力 灾 害 防 控 技 术 研 究 2017YFC0804200”两个国家重点研发计划项目,以 开展针对煤矿煤岩动力灾害的专项研究工作。 通过 “十五”、“十一五”,特别是“十三五”以来对煤岩动 力灾害的研究,我国已从国家层面形成了系列化的煤 岩动力灾害防治技术标准、规程及细则等,并建立了 较为系统的煤岩动力灾害防控技术体系。 我国煤矿 煤岩动力灾害防控已逐步走上了“管理有法可依、执 法有据可查”的科学轨道。 同时,也需要清楚地认识到,我国煤矿煤岩动力 灾害防控仍存在很多待解难题。 仅就冲击地压而言, 目前的防治煤矿冲击地压细则中明确规定,我国 冲击地压防治应当坚持“区域先行,局部跟进,分区 管理,分类防治”的原则,但针对具体冲击地压矿井, 如何在防控技术研究中体现实际开采地质条件的差 异并给出对策,如何完成区域-局部措施的合理选择 及有效配合,冲击地压灾害和冲击地压矿井如何分 类,又如何以此为据实施分区管理和分类防治等等诸 多问题,均需在冲击地压灾害防治的实践中找到解决 方案。 同样,煤与瓦斯突出灾害及复合煤岩动力灾害 的防控也面临类似挑战。 本文以“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术 研究”的总体研究思路和技术架构[3]为基础,针对我 国煤岩动力灾害防治中遇到的相关技术问题,从概念 认知、理论基础及关键技术等方面论述了项目组 3 a 8651 第 5 期齐庆新等煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术 来的研究工作和取得的主要进展。 1 煤岩动力灾害防控中的主要概念 本文研究的煤岩动力灾害,仅指冲击地压、煤与 瓦斯突出和 2 者的复合煤岩动力灾害。 不同于常规 的冒顶、底臌、片帮等灾害,对于煤矿开采过程中的煤 岩动力灾害往往更强调其“动力”特征,即突然、猛 烈、急剧地破坏。 与之相关,对于煤岩动力灾害的防 控,需要明确以下 5 个主要概念 1冲击倾向性。 冲击倾向性是煤岩体的一种固有力学属性,反映 煤岩材料产生冲击破坏的能力。 基于我国煤矿开采 条件和煤岩层赋存的特点,在实际冲击地压研究中分 别给出了煤和岩层的冲击倾向性定义。 其中,煤的冲 击倾向性定义为煤体具有的积聚变形能并产生冲击 破坏的性质[4];岩层的冲击倾向性定义为岩层积聚 变形能并具有产生冲击破坏的性质[5]。 煤岩自身所 固有的冲击倾向性是一种与受力条件等无关的自然 属性。 当然,煤矿开采条件下煤岩冲击倾向性的表征指 标与其他矿山和地下岩体工程中表征岩爆倾向性的 指标还是有所不同的。 比如强度脆性系数在用来表 征岩爆倾向性时,是一种常用且适用的指标[6],但在 表征煤岩冲击倾向性时,是不适用的,且与其他冲击 倾向性指标不相关[7]。 这在一定程度上体现了冲击 地压与岩爆的差异性[8]。 2冲击危险性。 冲击危险性描述煤岩体发生冲击地压的危害程 度或危险程度,具体指现场开采条件下发生冲击地压 的可能性及其危害程度的大小。 除煤岩冲击倾向性, 还与矿山地质和开采条件,如采深、煤岩层厚度、煤柱 宽度、煤岩体受力条件等因素相关[9]。 目前,我国多 采用综合指数法、经验类比分析法、微震监测法、采动 应力监测法等实现煤岩层冲击危险性的评价,但在科 学性和系统性方面仍需进一步提炼。 需要强调的是,冲击倾向性与冲击危险性是完全 不同的两个概念,必须区别对待。 如前所述,冲击倾 向性是与环境无关的煤岩体固有性质,而冲击危险性 则与受力状态、边界条件及工艺过程密切相关。 举例 示之某煤矿具有一强冲击倾向性煤层,经评价该煤 层某区域处于中等冲击危险性的状态图 1a煤块 A,则该煤块无论是处于原位抑或是实验室,其冲击 倾向性均为强冲击倾向性,不因地点环境而变;但其 冲击危险性则将由于所处环境不同而改变井下原位 环境中,该煤块具有中等冲击危险性,而处于实验室 自由状态下,该块煤则不具有冲击危险性图1b放 置于桌面的煤块 A。 此外,冲击倾向性通常以实验 室测试为主要获得手段,而冲击危险性则往往需要基 于井下实测数据的分析才可实现评价。 图 1 击倾向性与冲击危险性异同表征示意 Fig． 1 Schematic representation of the similarities and differe- nces between bursting liability and bursting risk 然而,在实际研究与工程中,对于冲击倾向性和 冲击危险性的认识仍存在不同程度的偏差或错误,尤 其是在研究非煤矿山、隧道等地下工程中的岩爆问题 时,往往将岩爆倾向性、冲击倾向性、可能性、危险性 作为同一概念使用,通常对此并不加以区分[10-13]。 3冲击危险性评估和冲击危险性评价。 冲击危险性评估和冲击危险性评价是在冲击地 压防控不同阶段开展的研究工作。 其差异主要体现 在冲击危险性评估是在矿区规划、矿井建设可行性 研究及矿井初步设计阶段,针对煤岩层在未来开采过 程中冲击地压发生可能性开展的研究工作,具体方法 可采用经验类比、理论分析及数值模拟计算等,评估 结果通常是定性的或趋势性的;冲击危险性评价则是 在矿井建设期间或生产期间开展的针对煤岩层是否 具有冲击危险性开展的研究工作,主要通过实测方法 进行定性的、具有明确结论的评价。 4突出危险性与突出危险性评价。 突出危险性是指具有潜在突出能量的含瓦斯煤 岩体在采掘扰动作用下发生突出的可能性及其危害 程度的大小。 煤岩突出危险性受地应力原岩应力 和采动应力、煤岩中气体压力和煤岩吸附解吸特 性、煤岩物理力学性质、地质结构环境特征、矿井采掘 施工条件等因素综合影响,其中煤岩吸附解吸特性和 物理力学性质等因素是煤岩固有的介质属性,诸如瓦 斯放散初速度 Δp、坚固性系数 f 值、煤的破坏类型等 9651 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 均属于该范畴。 现行防治煤与瓦斯突出细则中规 定,我国防治煤与瓦斯突出基本流程主要包括突出 危险性评估与鉴定、两个“四位一体”综合防突措施 设计。 其中评估与鉴定具体包括建井前突出危险性 评估、突出危险性鉴定、开拓前区域突出危险性评估、 开拓后突出煤层区域突出危险性预测、工作面突出危 险性预测等环节。 在突出防治领域虽然没有突出危险性评价的专 门概念,但防突工程实践中很多工作本质上都属于突 出危险性评价范畴。 例如建井前突出危险性评估是 指新建矿井在可行性研究阶段,根据地质勘查资料和 邻近生产矿井资料等对井田范围内采掘工作面可能 揭露的所有平均厚度在 0． 3 m 及以上的煤层进行的 突出危险性评价;突出危险性鉴定是指在建井期间或 生产期间,依据矿井实际发生的瓦斯动力现象或实测 的突出危险性鉴定指标进行的煤层突出危险性评价 工作;开拓前区域突出危险性评估、开拓后突出煤层 区域突出危险性预测、工作面突出危险性预测等属于 矿井建井后的不同阶段开展的突出危险性评价工作, 其主要目的分别是指导开拓设计、区域防突措施和局 部防突措施的制定与实施。 5冲击地压矿井和煤与瓦斯突出矿井。 目前,冲击地压矿井的确定在防治煤矿冲击地 压细则中已有明确规定“有冲击地压煤层的矿井 为冲击地压矿井”。 但笔者认为,冲击地压防控作为 贯穿矿井全生命周期的工作,在冲击地压矿井的定义 中同样应当有所体现,其表述应加以补充,即“有冲 击地压煤层的矿井为冲击地压矿井,或发生过冲击地 压的矿井为冲击地压矿井,或评估为有冲击危险性煤 层的矿井为冲击地压矿井”。 以此在矿区规划、矿井 建设和矿井生产等不同阶段按照“区域先行,局部跟 进,分区管理,分类防治”的基本原则。 实现对于冲 击地压的全面防控。 对于煤与瓦斯突出矿井,煤矿安全规程2016 版和煤矿瓦斯等级鉴定办法中明确指出“突出 煤岩层是指在矿井井田范围内发生过煤岩与瓦 斯二氧化碳突出的煤岩层或者经过鉴定、认定 为有突出危险的煤岩层;而煤岩与瓦斯二氧化 碳突出矿井是指在矿井开拓、生产范围内有突出 煤岩层的矿井”。 然而,煤矿现场防突工程实践已 经证明,现行突出危险性评估、鉴定的指标与方法存 在一定不足,特别是未考虑地应力、地质构造及不同 地区煤质差异等因素的影响,致使所得结论可能存在 偏差,典型情况包括[14]① 按照单项指标法所得的 突出鉴定结论,可能不足以支撑对于煤层突出危险性 的判定,如突出煤层和非突出煤层的瓦斯放散初速度 Δp 相差不大,不存在一个明显能划分煤层突出危险 性的临界值图 2;又如煤矿深部或松软破碎煤层发 生突出时的瓦斯压力并未超过 0． 74 MPa阳泉矿区 寺家庄煤矿最小突出压力仅 0． 23 MPa,豫西重力滑 动构造影响区内二1煤突出的最小瓦斯含量仅 4． 00 m3/ t。 ② 依据现行突出危险性鉴定指标和流 程所得结论的科学性仍有待提高,防治煤与瓦斯突 出细则规定开展突出煤层鉴定工作的过程中,测压 钻孔的布置应根据煤层范围大小、地质构造复杂程度 等综合确定,但同一地质单元内沿煤层走向和倾向分 别不应少于 2 个和 3 个测点,且应当确保在该地质单 元内埋深最大及标高最低的开拓工程部位布置有测 点。 煤层突出危险性及突出危险程度受地质构造影 响作用明显,依据现有方法布置测点,难以做到测点 布置在最危险或突出参数最大值区域,测定的参数不 能确定是否为煤层区域的极值。 出于管理及安全角 度考虑,多数鉴定机构在开展突出煤层鉴定工作中, 对于无突出危险的鉴定结论通常会明确给出鉴定标 高或埋深或者用拐点坐标圈定出鉴定范围。 图 2 不同地区瓦斯放散初速度 Δp 统计规律[14] Fig． 2 Statistical law of initial speed of methane diffusion in different areas[14] 2 煤岩动力灾害防控理论基础 2． 1 广义“三因素”理论的建立 基于煤岩体的层状特征及其发生冲击地压的特 点,笔者针对冲击地压提出了的“三因素”机理[9,15]。 同时,在煤与瓦斯突出的各种发生机理中,综合作用 假说具有普遍性。 这两种“机理”或“假说”可以较好 地解释冲击地压和煤与瓦斯突出的发生机理,也得到 了较为广泛的认同,成为认识冲击地压和煤与瓦斯突 出的基本共识。 在冲击地压“三因素”机理模型中,“内在因素”、 “力源因素”和“结构因素”是影响冲击地压发生最为 主要的 3 个因素,并由此构成了冲击地压发生的必要 0751 第 5 期齐庆新等煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术 条件,缺一不可。 具体而言,“内在因素”是指煤岩体 自身所具有的性质,即冲击倾向性;“力源因素”是指 煤岩体的高度的应力集中或高度的能量贮存与动态 扰动;“结构因素”是指发生冲击地压的煤岩体具有 弱面和容易引起突变滑动的层状介面,存在断层或薄 软层结构。 在煤与瓦斯突出的综合作用假说中,认为煤与瓦 斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综 合作用的结果,并指出,在煤与瓦斯突出形成过程中, 地应力、瓦斯气体及其压力起到促进突出发生的动力 作用,而煤体则起到阻碍突出发生的阻力作用。 地应 力、瓦斯和煤体 3 者紧密相联,共同影响煤与瓦斯突 出的发生。 进一步对比分析冲击地压“三因素”机理和煤与 瓦斯突出的综合作用假说可知冲击地压中的“内在 因素”与突出中煤的物理力学性质可概括为“物性因 素”;冲击地压中的“力源因素”与突出的地应力、瓦 斯压力可概括为“应力因素”;而无论是冲击地压还 是煤与瓦斯突出,其发生冲击与突出破坏所处的煤岩 系统,均具有顶底板夹持煤层的相同结构,进而可将 其概括为“结构因素”。 由此,冲击地压和煤与瓦斯突出的发生机理都可 以用“物性因素”、“应力因素”和“结构因素”进行概 括,为区别冲击地压的“三因素”机理,将其称为广义 “三因素”机理或理论。 当然,冲击地压“三因素”机 理并未像煤与瓦斯突出的综合作用假说一样,强调了 发生过程中“动力”和“阻力”的概念,但其关键均集 中于“应力因素”,这一决定动力现象发生与否最为 主要的因素。 至于“物性因素”和“结构因素”,基本 由发生冲击地压或煤与瓦斯突出煤岩体所具有的自 然条件所决定,也正是因为有了这样的“物性因素” 和“结构因素”条件,才使其能够在“应力因素”的作 用下出现动力破坏,造成灾害的发生。 上述的分析表明,冲击地压和煤与瓦斯突出的发 生机理可以用“物性因素”、“应力因素”及“结构因素” 来描述,即煤矿动力灾害的广义“三因素”理论。 当然, 关于冲击地压和煤与瓦斯突出的发生机理的共性研 究,章梦涛等[16]早在 30 多年前就基于佩图霍夫的基 本概念提出了冲击地压和煤与瓦斯突出的统一失稳理 论。 从该角度而言,综合冲击地压“三因素”机理和煤 与瓦斯突出综合作用假说,并由此提出的煤岩动力灾 害广义“三因素”理论是具有理论依据的,能够为煤矿 煤岩动力灾害的防控提供更为基础的支撑。 需要补充的是,广义“三因素”理论所提供的基 础支撑具体表现为,从理论上明确了煤岩动力灾害防 控应从改变煤岩体的“物性因素”、“应力因素”和“结 构因素”入手,以实现不同尺度、不同应力源或载荷 源、不同结构与构造、不同煤岩层的控制,防止煤岩动 力灾害的发生。 2． 2 冲击地压与冲击地压矿井类型确定 2． 2． 1 冲击地压类型划分 冲击地压是煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于 弹性能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现 象,常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。 但 是,由于煤岩体中弹性能释放的主体、载荷类型与来 源、发生时间与位置、有无断层与褶曲等具体条件的 不同,导致冲击地压的类型各异。 因此,对冲击地压 进行分类,并采取针对性的有效防治措施,对于实现 对冲击地压的分类防治具有重要意义。 目前,国际上主要基于冲击现象和内在机理而将 冲击地压分为两类,即应变型冲击地压和滑移型冲击 地压[17]。 就我国而言,目前尚未形成公认的冲击地 压分类标准和方法,更多的是不同学者从各自角度出 发而提出的冲击地压分类结果。 潘一山等[18]将冲击 地压分为 3 类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。 窦林名等[19]按照冲 击地压位置及影响因素的不同,将冲击地压分为 4 种 类型,即煤柱型、坚硬顶板型、褶曲构造型和断层型。 谭云亮等[20]将冲击地压分为深部应变型、断层滑移 型和坚硬顶板型 3 种类型。 潘俊锋等[21]针对我国煤 矿深部开采冲击地压问题,从动静载荷源的角度,将 冲击地压分为深部动静载叠加型、深部高静载加载 型、深部高静载卸荷型 3 种类型。 姜耀东等[22]将我 国煤矿冲击地压分为 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。 事实上,由于冲击地压具有受煤岩层结构、采动 等多因素综合影响的特性,在实际发生冲击地压时, 往往会被直观的描述为诸如顶板冲击地压、煤层冲击 地压、动载冲击地压、断层冲击地压、掘进工作面冲击 地压、强烈冲击地压等不同类型。 这些冲击地压类 型,或者是按参与冲击地压的岩体类别划分,或者是 按应力来源和加载形式划分,或者是按破坏与显现程 度划分,或者是按冲击的震级及抛出煤量划分。 为实现冲击地压科学分类,更好地指导冲击地压 防控工作,在进行冲击地压分类时,应针对煤矿冲击 地压特点,并考虑以下 4 个要素 1冲击地压发生机理要素。 煤岩体系统发生 冲击地压,其破坏机理只有两类,即材料失稳破坏和 结构失稳破坏。 2冲击地压发生位置要素。 从煤岩层位置角 1751 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 度可分为顶板冲击、底板冲击、煤层冲击;从掘进和回 采角度可分为巷道冲击、回采工作面冲击、回采工作 面前方巷道冲击、回采工作面后方巷道冲击。 3冲击地压发生载荷力源要素。 发生冲击 地压的载荷可分为静载荷和动载荷两类。 4冲击地压发生周围条件要素。 发生冲击地 压周围条件要素可分为断层冲击、煤层相变带冲击、 向斜轴附近冲击等。 由此,通过上述 4 个要素的选择完成对于冲击地 压的描述和分类,将能够充分体现冲击破坏的多重属 性。 为便于理论研究和工程应用,综合考虑上述 4 个 要素,并结合我国 80 多年冲击地压发生实例,我们将 典型的冲击地压综合划分为煤层材料失稳型、煤层结 构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型等 4 种类 型图 3。 该划分方式综合了以上 4 个要素,并基本 涵盖了我国煤矿冲击地压的主要类型。 限于篇幅,其 他详细说明将另文论述。 图 3 煤矿典型冲击地压类型发生机理与破坏示意 Fig． 3 Schematic diagram of the mechanism and destruction of typical rockbusrt type in coal mine 需要强调的是,冲击地压的类型和岩爆的类型存 在显著的区别。 在国际岩石力学界,通常认为岩爆和 冲击地压是同一个概念,只是表述不同而已,可分为 应变型岩爆和滑移型岩爆两类。 而对于我国的煤矿 冲击地压而言,其发生远比岩爆复杂,最为主要的原 因是采动影响和由此导致的不同开采空间结构失稳, 与地下隧道、水利工程的受力条件和边界条件是完全 不同的。 也正因为如此,才使得冲击地压的类型比岩 爆的类型多而复杂。 2． 2． 2 冲击地压矿井类型 关于冲击地压矿井类型,通常认为与冲击地压类 型对应,其实完全不然 已有的相关文献表明,国内 外关于冲击地压类型的研究成果较多,而对冲击地压 矿井类型的研究则几乎空白,仅有煤科院冲击地压团 队对此开展过针对性的研究工作[23],并从现场防治 冲击地压的角度,把冲击地压矿井划分为 5 类,即浅 部冲击地压矿井、深部冲击地压矿井、构造冲击地压 矿井、坚硬顶板冲击地压矿井和煤柱冲击地压矿井。 冲击地压矿井类型的不同,其冲击地压防治方法和重 点也不同,具体请参见相关文献。 2． 3 冲击与突出危险性探测技术 2． 3． 1 冲击危险性探测及评价 煤层的冲击危险性不同于冲击倾向性,不同的时 间、地点,甚至同一地点在不同时刻的冲击危险性都 将会发生改变。 因此,如何确定煤层是否具有冲击危 险性,在具体阶段将会具有何种冲击危险程度,对冲 击地压矿井的冲击地压煤层开采而言,都是必须要解 决的问题。 目前的理论认为,影响冲击危险性的因素包括生 产因素和地质因素两类。 理论上,可以根据地质因 素常量建立力学模型,并在此基础上施加生产因 素变量即采动条件的影响,以此确定冲击危险性。 但事实上,每一个地质参数的准确获得,都是十分困 难的事情。 这就涉及到直接影响评价冲击危险性参 量与指标的探测问题,即冲击危险性探测是开展冲击 危险性评价工作的基础,有了冲击危险性探测,获得 2751 第 5 期齐庆新等煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术 具体参量和指标,才能在此基础上开展冲击危险性评 价工作。 鉴于此,这里的冲击危险性评价是指基于冲 击危险性探测获得的相关指标和参量而进行的冲击 危险性评价。 我国对于冲击危险性探测的理论与工程研究,始 于 20 世纪 90 年代初期,主要采用锤击波速法,以锤 击作为激发源,产生地震波的折射与反射,而震动波 在煤体中的传播速度与煤体应力状态高度相关,通过 确定震动波纵波波速与煤岩体相对应力之间的关系, 即可获得煤岩体支承压力分布或冲击危险性[24]。 进入 21 世纪后,特别是近 10 a 来,我国利用地 震波 CT 探测技术和微震反演技术开展冲击危险性 探测理论技术研究工作,并取得了良好的工程应用效 果。 巩思园[25]从理论、实验及工程角度探讨了微震 震动波波速层析成像原理、方法,建立了基于微震信 号的波速层析成像模型并通过现场实验、数值计算和 理论分析获得了高精度波速场,提出波速异常、波速 梯度异常和应力集中系数 3 个危险性指标预测冲击 危险性。 夏双等[26]开展了基于微震 CT 反演的冲击 危险性评价指标的研究,有效地评价了具体回采工作 面的冲击危险性。 刘少虹等[27-28]基于地音监测与电 磁波 CT 探测技术和地震波和电磁波 CT 联合探测技 术,采用波速异常系数、波速梯度系数、吸收系数异常 指数和吸收系数梯度指数等指标表征煤岩体状态并 进而给出采掘空间冲击危险性评价方法。 姜福兴 等[29]通过采动应力监测和分析的方法,以及微震、地 音和应力联合监测的方法,对冲击危险性进行评价。 需要指出的是,无论从方法上还是技术上,冲击 危险性探测都是一项复杂且技术难度极高的工作。 一方面,是由于煤岩体自身所处地质环境的复杂性; 另一方面,与冲击危险性表征指标和参数的不确定性 也有直接关系。 因此,针对具体条件找到适合的方 法、技术,以及配套的指标、参数,实现煤岩体物性参 数、结构参数、力学参数、受力状态等的清楚表述,才 能在此基础上做出正确的冲击危险性评价。 为此,我们通过采用应力-钻屑-微震-地震 CT 等综合技术,完成对巷道和回采工作面煤体冲击危险 性的表征,并据此提出“透明采场”的表征原理[3],即 充分量化各类探测信息,以此建立模型,通过软件完 成可视化,实现对探测区域的“透明”表征[27-28]。 2． 3． 2 煤与瓦斯突出危险性探测与预测 煤岩层中突出危险区具有典型的局部分布特征, 其仅占整个开采区域面积的 5 20 [30],故进行突 出危险区超前探测和煤岩层突出危险性评价意义重 大,国内外学者也从未间断过突出危险性探测和预测 新方法的研究工作。 发展至今,煤与瓦斯突出危险探 测主要包含接触式和非接触式两类手段,其中接触式 探测主要通过钻孔施工过程中发生的各种物理现 象如顶钻、夹钻、吸钻、喷孔等和测定的各种突出预 测参数如瓦斯含量、瓦斯压力、钻屑量、钻屑瓦斯解吸 指标等来判断煤层突出危险性,该类方法获得的物理 现象和数据较为直观,但存在工程量大、探测范围有 限以点代面、一孔之见等显著缺点;非接触式探测主 要是利用物探设备和手段如微震、无线电波透视