我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 4年 2月 煤 炭 学 报 J OUR NAL OF C HI N A C OAL S OC I E T Y Vo l _ 3 9 No ． 2 F e b ． 2 0 1 4 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 ， 2 0 1 4， 3 9 2 2 0 5 2 1 3 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 3 ． 0 0 2 4 J i a n g Y a o d o n g ， P a n Y i s h a n ， J i a n g F u x i n g ， e t a 1 ． S t a t e o f t h e a r t r e v i e w o n m e c h a n i s m a n d p r e v e n t i o n o f c o al b u m p s i n C h i n a [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 4， 3 9 2 2 0 5 2 1 3 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 3 ． 0 0 2 4 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 2 ， 窦 林名 ， 鞠 杨 2 1 ． 中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 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， 北京1 0 0 0 8 3 ； 3 辽宁工程 技术 大学 力学与工程学院 ， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0； 4 ． 北京科 技大学 土木与环境工程学院 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 5 ． 中国矿业 大学 矿业 工程学 院 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 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。 关键词 冲击地压； 煤炭开采； 冲击地压分类； 冲击地压防治； 机理 中图分类号 T D 3 2 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 4 0 2 0 2 0 5 - 0 9 S t a t e o f t he a r t r e v i e w o n me c h a n i s m a n d p r e v e nt i o n o f c o a l bu m p s i n Chi n a J I ANG Ya o ． d o n g ， ， P AN Y i ． s h a n ， J I AN G F u ． x i n g ， ， DOU L i n mi n g ， J U Ya n g ， 1 ． S c h o o l o fMe c h a n i c s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g， C h i n a n ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e in g ， B e r i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b of C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ， C h i n a t of Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e lti n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 ． S c h o o l of Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， F u x i n 1 2 3 0 0 0， C h i n a； 4 ． C i v i l a nd E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， U n iv e r s it y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a ； 5 ． S c h o o l of Mi n i n g E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a Ab s t r a c t Th e f e a t u r e s o f c o a l b ump s h a p p e n e d i n Ch i ne s e c o a l mi n e s we r e d e s c r i be d． Th e d e fin i t i o n o f t e r mi n o l o g y a mo n g c o a l b ump s， r o c k b ur s t s a n d mi n e t r e mo r s we r e d i s c u s s e d． T he me c ha n i s ms o f c o a l b u mps we r e c l a s s i f i e d i n t o t h r e e mo d e l s ． Th e s e a r e b o u n c e f a i l u r e o f o p e n i n g s s u r r o u nd i n g r o c k o r c o a l ， t r a n s l a t o r y b u r s t o f c o a l s e a m b e t we e n r o o f a nd flo o r o r s l i p p i n g b u r s t o f g e o l o g i c f a u l t s， a n d s t r u c t u r e s u d d e n d e s t a b i l i z a t i o n o f a n e n t i r e pi l l a r o r ma s s i v e s t r a t a a r o un d mi ni n g p a n e l s ． Mo r e o v e r ， f o ur ke y i s s ue s i n r e s e a r c h p o i n t o f v i e w f o r f u l l y u n d e r s t a n d i n g a n d b e t t e r c o n t r o l l i n g p h e n o me n a o f c o a l b u mp s we r e d i s c u s s e d ． T h e s e i s s u e s i n v o l v e t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s r e l e v a n t t o c o a l b u mp s a n d t h e qu a n t i t a t i v e a n a l y s i s me t h o d， t h e pr o p e r t i e s a n d e n g i n e e r i n g b e h a v i o ur o f d i s c o n t i n u o us r o c k ma s s e s un d e r t he d y n a mi c l o a d i n g， t h e mul t i f a c t o r c o u p l i n g i n t e r a c t i o n me c h a ni s ms b e t we e n c o a l bu mps a nd s pa c e t i me di s t r i b ut i o n o f mi n i n g - i nd u c e d s t r e s s e s a n d e n e r g y i n mi n i n g d i s t u r b e d r e g i o n， a n d t h e mo n i t o r - d e t e c t p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l me t h o d s o f c o a l b u mp s ． F i n a l l y， s i g n i fi c a n t d e v e l o p me n t a n d e x i s t i n g p r o b l e m i n c o n t r o l l i n g c o a l b u mp s i n C h i n a we r e r e v i e we d， a n d r e c e n t t r e n d s a n d a p a t h f o r wa r d o n c o n t r o l o f c o a l b u mp s i n f u t u r e we r e a l s o p o i n t e d o u t ． Ke y wo r d s c o a l b u mp s ； c o a l mi n i n g ； c l a s s i f i c a t i 0 n o f c o a l b u mp s ； p r e v e n t i o n o f c o a l b u mp； me c h a n i s m 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 2 1 0 责任编辑 常琛 基金项目 国家重点基础研究发展规划 9 7 3 资助项 目 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 0 ； 国家 自 然科学基金资助项 目 5 1 1 7 4 2 1 3 ； 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 S K L C R S M1 1 K F B 0 8 作者简介 姜耀东 1 9 5 8 一 ， 男 ， 江苏海安人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 博 士。E ma i l j i a n g y d c u mtb ． e d u ． c n 煤 炭 学 报 2 0 1 4 年第3 9 卷 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 。据统计 ， 1 9 8 5年我 国冲击地压煤矿有 3 2个 ， 而 2 0 1 1 年底 ， 发生冲击地压的矿井就多达 1 4 2 个 ， 同 时， 全 国有 近 5 0个 矿 井开 采 深度 达 到或 超 过 1 0 0 0 m； 2 0 0 6 --2 0 1 3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 3 5次 ， 造 成3 0 0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 2 0 1 1 - 1 1 - 0 3发生在河南义马千秋 煤矿 的一起冲击地压事故 就造成 1 0人死亡 ， 6 4人 受伤 ， 直接经济损失 2 7 4 8 ． 4 8万元 。 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 1 5 7 m， 2 0 1 1 - 0 3 - 2 4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 J 。 2 0 0 3年淮北芦岭煤矿“ 5 1 3 ” 冲击地压诱 发瓦斯爆 炸事故 ， 造成 8 4人死亡 ； 2 0 0 5年“ 2 1 4 ” 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 2 1 4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 。 我国是采煤大 国， 2 0 1 2年 中国采 出了 3 6 ． 5亿 t 原煤 ， 占世界煤炭总产量 的 4 7 ． 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 J ， 2 0 0 1 年 1 1月的 1 7 5次香 山科学会议 、 2 0 1 0年 7月的中国科协 5 1次新观点新学说“ 岩爆机理探索” 学术沙龙 、 2 0 1 2年 1 1 月的中国工程院岩爆突水工程 科技论坛 、 2 0 1 3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 ； 2 0 0 4 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” 、 2 0 1 0年国家科技部设立 的国家重点基础研究发展计划 9 7 3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 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 2 0 1 0年 7月的中国科协 5 1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 煤 炭 学 报 2 0 1 4 年第3 9 卷 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 ， 第 2期 姜耀东等 我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治 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人 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 1 0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 2 9 ％ ， 中等 冲击 倾 向性 占 8 ％ ， 弱冲击倾 向性 占 3 8 ％ ， 未做 冲击倾 向性鉴定 占 2 5 ％， 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 J 。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 ， 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 、 西北边界的扣门山一坡头断层及南部 边界的 F 1 6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。2 0 1 1 1 1 0 3 ， 义 煤集 团千秋煤矿 2 1 2 2 1 掘进工作面下巷发生能量 0 ． 3 5 G J 、 震级 4 ． 1级的冲 击地压事故， 造成 1 0 人死亡， 6 0 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 、 T S P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 o ’ 。 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 内在屙 ； 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 。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 2 l 0 煤 炭 学 报 2 0 1 4 年第3 9 卷 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 空问上非均匀的过程； 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； 从空问上看 ， 各点处 的能量释放量构成 了空问能 量释放梯度。在总释放量相同的条件下 ， 如果能量释 放的空问分布是不均匀 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 C T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 。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 ， 覆岩空问结构是在变化之 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 构一 空 问应力场 一 区域性 冲击 ” 与 “ 局部应力异常一 微震 ” 的深部动力灾害多尺度非线 性动力学模型 ， 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 “ 动一 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 ， 典型的覆岩空问结构可分为 4种 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 面空问结构中， 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、 瞬问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 用的覆岩空问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 第2期 姜耀东等 我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治 2 1 1 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 、