我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制

第34卷第11期岩石力学与工程学报VOL34NO112015年11月CHINESEJOURNALOFROCKMECHANICSANDENGINEERINGNOV，2015收稿日期20150731；修回日期20150828基金项目国家重点基础研究发展计划973项目2010CB226800；国家自然科学基金资助项目51174213作者简介姜耀东1958，男，博士，1982年毕业于中国矿业大学力学专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学与采矿工程方面的教学与研究工作。EMAILJIANGYDCUMTBEDUCNDOI1013722/JCNKIJRME20151076我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制姜耀东1，2，赵毅鑫1，31中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083；2中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京100083；3中国矿业大学资源与安全工程学院，北京100083摘要从机制研究、预警技术和防治方法3个方面出发，概述我国冲击地压研究现状。从地质赋存条件与冲击地压相互作用机制、采动应力和能量场时空演化规律与致灾机制、覆岩空间结构与冲击突出触发机制等方面阐述近年来我国冲击地压机制研究的热点问题及相关成果；介绍冲击地压监测预警系统的主要技术体系，包括“震动场应力动态”一体化监测预警系统、冲击危险预测与监测预警体系、ZOS矿用分布式微震监测系统、无线冲击地压实时监测预警系统和冲击地压电荷监测技术；探讨快速让位吸能防冲支护技术、新型恒阻大变形锚杆索支护技术、基于应力控制的冲击地压区域防范技术体系对冲击地压的防治作用及其在大同、义马等矿区的应用情况。关键词采矿工程；冲击地压；机制；监测预警；防治中图分类号TD32文献标识码A文章编号10006915201511218817STATEOFTHEARTINVESTIGATIONONMECHANISM，FORECASTANDCONTROLOFCOALBUMPSINCHINAJIANGYAODONG1，2，ZHAOYIXIN1，31STATEKEYLABORATORYOFCOALRESOURCESANDSAFEMINING，CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，BEIJING100083，CHINA；2SCHOOLOFMECHANICSANDCIVILENGINEERING，CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，BEIJING100083，CHINA；3SCHOOLOFRESOURCESANDSAFETYENGINEERING，CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，BEIJING100083，CHINAABSTRACTANOVERVIEWOFTHEINVESTIGATIONSONCOALBUMPSINCHINAISPRESENTEDFROMTHREEASPECTSMECHANISM，FORECASTANDCONTROLTHEKEYISSUESANDTHECORRESPONDINGSCIENTIFICACHIEVEMENTSOFINVESTIGATIONSONCOALBUMPSINRECENTYEARSAREREPORTEDTHESEISSUESINVOLVETHEGEOLOGICALCONDITIONSRELATEDTOCOALBUMPSANDTHEQUANTITATIVEANALYSISMETHOD，THETIMESPACEDISTRIBUTIONOFMININGINDUCEDSTRESSANDENERGYINMININGDISTURBEDREGION，ANDTHESPATIALSTRUCTURESOFOVERLYINGSTRATAANDITSMECHANISMOFCOALBUMPTRIGGERINGSEVERALTECHNICALSYSTEMSOFMONITORINGANDWARNINGFORCOALBUMPSAREINTRODUCEDTHESESYSTEMSINVOLVETHEINTEGRATEDMONITORINGSYSTEMOFSTRESSANDSEISMICFIELDS，THEMONITORINGANDDETECTINGSYSTEMOFCOALBUMPS，THEZOSDISTRIBUTEDMICROSEISMICMONITORINGSYSTEM，THEWIRELESSMONITORINGSYSTEMOFCOALBUMPSANDTHEELECTRICALCHARGEMONITORINGTECHNIQUEFINALLY，SOMENEWTECHNIQUESFORCONTROLLINGCOALBUMPSANDRELATEDAPPLICATIONINMININGGROUPSOFDATONGANDYIMAAREDISCUSSEDTHECONTROLMETHODSINCLUDETHEENERGYABSORPTIONANDANTISCOURSUPPORT，THEANCHORBOLTWITHCONSTANTRESISTANCEANDLARGEDEFORMATION，ANDTHEREGIONALPREVENTION陈宗基讲座第34卷第11期姜耀东等我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制2189TECHNICALSYSTEMBASEDONSTRESSCONTROLKEYWORDSMININGENGINEERING；COALBUMPS；MECHANISM；MONITORINGANDFORECAST；CONTROL1引言冲击地压指井巷或工作面周围煤岩体，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，具有很强的破坏性，是煤矿重大灾害之一。和水利、交通隧道等工程相比，由于采矿工程的相对临时性，通常把这种动力现象是否具有影响安全生产的“灾害破坏性”作为发生冲击地压的标志。随煤炭资源开采深度和开采强度的增加，冲击地压已成为国内外煤矿开采领域面临的主要灾害之一1。国际上，美国2007年UTAH州的CRANDALLCANYON矿发生严重的冲击地压灾害，造成9人死亡；2014年澳大利亚首个使用长壁综放采煤方法的AUSTAR矿发生冲击地压灾害，造成15M长的煤壁突然冲出，2人死亡。在国内，随着深部开采深度的增加，冲击地压的破坏程度也呈增大趋势。据不完全统计，1985年我国发生冲击地压的煤矿有32个，2014年底发生冲击地压的矿井已达147个。在20042014年期间，先后有平顶山、新汶、抚顺、七台河、华亭、义马、鹤岗、阜新等多个煤矿发生过冲击地压灾害多达35次，造成300余人死亡，上千人受伤。特别是2011年11月3日发生在河南千秋煤矿21221掘进工作面的冲击地压事故，巷道发生严重的挤压垮冒，将正在作业的矿工75人封堵其中，所幸的是救灾指挥及时，救出60余人，但这次事故最终仍造成10人死亡，60余人受伤。中央电视台等众多媒体进行了现场抢险跟踪报道，给全国人民进行了一次关于煤矿冲击地压灾害的科普教育。统计表明发生冲击地压的矿井，就采煤方法和采煤工艺而言，长壁、短壁、分层开采、放顶煤、房柱式，综采、普采、炮采、水采、水砂充填等都发生过冲击地压。2011年3月24日神新能源公司乌东煤矿北采区发生冲击地压，其埋深度仅有157M，造成了1人死亡、2人受伤。煤矿冲击地压有时还会诱发其他煤矿灾害的发生，如顶板突水甚至瓦斯爆炸等重大恶性事故23。新汶华丰矿山西组4煤层开采过程的研究表明，频繁发生的冲击地压与该矿工作面突水量增大的次数成正相关。2003年淮北芦岭煤矿“513”瓦斯爆炸事故，造成84人死亡，就是由冲击地压诱发的；再如2005年“214”阜新孙家湾煤矿瓦斯突出爆炸，造成214人死亡特重大事故，后来的事故调查表明也是因为冲击地压诱发大量瓦斯涌出爆炸。中国是产煤大国，2014年世界煤炭总产量8165亿T，中国产煤387亿T，占比474。与美国、澳大利亚等产煤国相比，我国煤田地质条件要复杂得多，因此我国的煤矿冲击地压问题尤为突出。行业管理部门和学术界对煤矿冲击地压的机制和防治问题一直非常重视46，近年来如2010年7月的中国科协“岩爆机制探索”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，同时也设立了国家重大项目研究煤矿冲击地压问题。目前人们对冲击地压机制和防治技术的研究虽然有进展，但由于问题的复杂性，在机制探索、预警技术和防治方法等方面仍需要进行深入的探索和实践才可能取得突破进展。本文是笔者作为首席科学家对所承担的国家科技部2010年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制与防治基础研究”项目的部分研究成果总结，重点阐述我国煤矿冲击地压研究在机制探索、预警技术和防治方法3个方面的研究现状。2冲击地压机制研究21煤矿工程特点与冲击地压分类冲击地压、岩爆与矿震78是地下工程和采矿工程领域常见的岩石动力破坏现象，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。应当指出，采矿行业的井巷工程和水电交通行业的隧道等地下工程由于工程性质的不同，对围岩稳定性的控制措施的要求是存在差异的。隧道等地下工程是百年大计，这些工程在完成后是不能容许2190岩石力学与工程学报2015年围岩发生破坏和产生大变形的。而采矿工程特别是煤矿，由于井巷工作面的相对临时性和低成本要求，通常是可以容忍井巷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。另外，采动应力的存在是煤矿开采的一大特点。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，开采扰动强烈，长壁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，从而导致围岩大变形、强流变和超低摩擦效应。巷道工作面围岩在高地应力和强卸荷共同作用下，地应力重新分布时空关系复杂，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，在一定条件下将会引起冲击地压动力灾害。因此在煤矿等采矿工程岩体力学中，要研究煤岩体变形破坏后再变形再破坏的特征，要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。煤矿发生的冲击地压灾害，通常有如下特点1危害性造成人员伤亡、巷道和设备破坏；2突发性没有明显的宏观前兆，极短时间内发生；3复杂性事先难以确定发生的时间、地点和强度；4诱发性可诱发其他煤矿灾害，如瓦斯爆炸和顶底板突水等。钱七虎9在引述了5种国际权威学者关于岩爆的机制和定义的基础上，将岩爆分为断层滑移或断裂滑移型和岩石破坏导致的应变型，并认为冲击地压发生机制是与断裂滑移型或剪切型岩爆为同一类型。冲击地压现象的本质是高应力状态作用下煤岩体结构的突然失稳破坏，但由于采掘空间和开采工艺的复杂性，很难用一种机制解释冲击地压发生的原因。传统的冲击地压分类方法十分繁多，例如按照冲击地压的发生位置，可将其分为煤层冲击地压、顶板冲击地压、底板冲击地压；按照重力来源，可将其分为重力型、构造型、重力构造型等等。姜耀东等10从应力状态导致煤岩体突然失稳破坏的本质，根据煤矿常见的地质构造和采掘工艺特征，将煤矿冲击地压分为材料失稳型、滑移错动型11和结构失稳型3类冲击地压，其变形失稳机制如图1所示。A材料失稳型B滑移错动型C结构失稳型图1冲击地压示意图FIG1SKETCHOFCOALBUMPS煤矿开采实践表明第二、三类冲击地压所引发的破坏通常比第一类更剧烈，这类冲击地压冲出煤量大、动能多，震动强，往往造成巨大的破坏和严重的后果。2008年6月5日义马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。再例如，在孤岛工作面的开采、煤柱的回收、坚硬顶板下的煤层开采等也常导致滑移错动型或结构失稳型冲击地压发生。22地质赋存条件与冲击地压相互作用机制国内外关于冲击地压的研究都表明，地质赋存条件与冲击地压现象存在相互作用机制。由于冲击顶板突出煤体断层顶板煤层断层底板底板冲击前工作面位置顶板煤层冲击前巷道边界顶板底板煤层冲击位置第34卷第11期姜耀东等我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制2191地压导致大量煤层突出，人们首先认为可能这些突出的煤层存在某种特殊的力学性质，即煤层冲击倾向性。随着研究的深入，人们进一步发现，冲击地压的发生也与矿井的地质构造和地应力环境特征等因素有着密切的关系。煤层冲击倾向性指标作为与煤地质物性相关的重要参数，由AKIDYBINSKI12最早提出。我国目前用冲击能指数、弹性能指数、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。对全国58个工作面冲击倾向性测试实验结果进行统计分析，这些数据主要来自山东、河北、北京、徐州、黑龙江、甘肃、河南、山西等地的生产矿井，具体如表1所示。通过对近10A我国发生冲击地压矿井的煤层冲击倾向性进行统计发现75的煤层均具有冲击倾向性，其中强冲击倾向性29，中等冲击倾向性8，弱冲击倾向性38。但在一些测试实验结果认为没有冲击倾向性的矿井也有冲击地压事故的报道，如平顶山十矿、徐州权台矿和北京大安山矿均为软弱无冲击倾向煤层。表1冲击倾向性测试地点统计表TABLE1LISTOFMINESITESWITHBUMPPRONETESTSCARRIEDOUT省份煤矿名称数量山东东滩，潘西，孙村，良庄，新窑，古城，滕东，鲍店，济宁二号，兴隆庄，南屯，唐口，岱庄生建，汶南，砚北，济宁三河口，微山金源，华丰，巨野，王家寨煤矿，王楼煤矿，西周矿业，兖州赵楼煤矿，阳城煤矿，莲花山煤矿，小港煤矿，羊泉煤矿，韩庄煤矿，汶河煤矿，郭屯，粱宝寺，金庄生建，滕东生建，彭庄煤矿，花园，单家村，七五煤矿，龙固38河北康城，赵各庄2北京大台，木城涧，大安山3江苏庞庄，张集，诧城，夹河，旗山，权台，张双楼，张小楼，三河尖煤矿9黑龙江鹤岗1甘肃华亭1河南义马千秋、跃进，平顶山十矿3山西天池煤矿1姜耀东等1314研究发现煤的冲击倾向性与其细观结构特征紧密相连，可以用煤体微晶参数来判断煤层冲击倾向性的大小。微晶参数值越大，表明冲击的危险性越大。同时，煤的微观结构特征在一定条件下能够反映煤层宏观构造的基本特征和受力破坏历史情况，不同冲击倾向煤层煤样的表面微观形貌和结构特征均有一定的代表性，可作为确定煤层冲击倾向性一种辅助依据。除上述细观结构特征外，有机显微组份也与其冲击倾向性密切相关。姜耀东等13的研究结果还表明冲击倾向性煤样在破坏前，加载点位移随载荷的增加而增加，表现出明显的非线性关系；峰后则表现出一定的黏性破坏特征。YXZHAO和YDJIANG15采用自行设计的多系统、同步监测试验机构，对冲击倾向性煤体分别进行单向加载和循环加载破坏试验，结果表明强冲击倾向性和非冲击倾向性煤体单轴压缩时的最终破坏前兆点分别为09和07个荷载强度比，说明强冲击倾向性煤体的失稳破坏更突然、更难于预测。JSHEPHERD等16的研究发现，断层和褶曲等地质构造是诱发冲击地压的一个主要因素。统计资料1719也表明，煤矿冲击地压常发生在向斜轴部，特别是在构造变化区、构造应力带、煤层褶皱、断层附近、煤层倾角变化带等区域。在这方面近年来的一个重要研究进展就是发现了断层类型与冲击地压的相互作用机制20，地质构造控制的冲击地压分为增压和减压2种类型工作面过正断层时为减压型，一般不易发生冲击地压；工作面过逆断层时为增压型，容易引发强烈的冲击地压，这就解释了义马、鲍店等矿区逆冲构造引发强烈冲击地压的原因。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，图2为义马F16逆冲构造区受力特征、形貌示意图及相似模拟结果。在这一范围内的跃进煤矿和千秋煤矿是冲击地压的重灾区，据统计20062011年9月来有记录的冲击地压合计56起，造成4335M巷道损坏，13人死亡，24人受伤，经济损失达10730万元。2010年8月11日，义马矿区跃进矿25110工作面下巷发生冲击地压，震级为27级，能量为9107J，造成2名作业人员轻伤；2011年11月3日，义煤矿区千秋煤矿21221掘进工作面下巷发生了冲击地压事故，后来的事故调查表明，这次冲击地压的能量达到35108J、震级达到41级的冲击地压事故，造成10人死亡，60余人受伤。AF16逆冲断层区域受力示意图重力采空区岩层下滑力水平推力F16H57M161307521221工作面2192岩石力学与工程学报2015年BF16逆冲断层区域三维模型图CF16逆冲断层相似模拟实验破坏前DF16逆冲断层相似模拟实验破坏后图2义马逆冲断层形貌、受力特征及相似模拟实验FIG2MORPHOLOGYOFTHRUSTFAULTINYIMACOALMINEANDITSMECHANICALCHARACTERISTICSASWELLASANALOGSIMULATION在煤矿地质地质赋存条件中的坚硬岩层也是冲击地压的主要影响因素之一，如大同矿区，顶、底板及煤层都较为坚硬，采掘关系复杂。通过对大同矿区煤峪口、同家梁、忻州窑等矿的系统调研，发现大同矿区冲击地压发生地点埋深较浅；下分层开采发生冲击概率大于上分层开采；采空区和煤柱影响比较大，坚硬顶板在煤层开采过程中断裂时所产生的震动和较大的脉冲应力极易诱发储存在周围煤体中的能量突然释放，进而形成冲击地压；靠近采空区一侧冲击地压产生频率和严重程度高于实体煤一侧，且具有区域性以及连续性特征21。23采动应力和能量场时空演化规律与致灾机制如前所述，采动应力的存在是煤矿开采的一大特点，主要是由于开采引起上覆岩层大范围移动甚至断裂导致应力重新分布，谢和平等22近年专门研究了无煤柱开采、放顶煤开采与保护层开采3种典型条件下采动应力的显现分布特征。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。由于开采工艺的复杂性，实际采区的应力分布是非常复杂的。图3为一个孤岛工作面在回采过程中矿山压力和能量积聚释放分布规律。通过分析计算孤岛工作面回采过程中矿山压力分布和能量积聚释放规律与采深、煤层厚度、构造应力和煤岩介质非均匀性之间的关系，得出随着煤层厚度、采深、水平应力的增加，工作面前方发生冲击破坏的可能性逐渐增大，而且危险区域逐渐向煤层内部转移。计算分析表明巷道与工作面所产生的叠加应力汇交处发生冲击破坏的危险程度最高。塑性状态垂直应力单位PA采空区采空区塑性区断层上盘滑移前位置断层上盘滑移后位置F16逆冲断层巨厚砾岩层回采工作面第34卷第11期姜耀东等我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制2193A第一次周期来压塑性状态垂直应力单位PAB第二次周期来压塑性状态垂直应力单位PAC第三次周期来压图3顶板周期垮落过程中顶底板及煤层能量演化过程FIG3ENERGYEVOLUTIONINROOF，FLOORANDCOALDURINGTHEROOFPERIODICCAVING冲击地压现象的复杂性主要由“煤体围岩”系统本身的复杂性23、其失稳过程最终可用应力与能量的驱动效应来描述。理论上讲冲击地压是由于煤岩体变形、微破裂演化最终导致宏观动力失稳，是一种能量释放在时间上非稳定、在空间上非均匀的过程24，煤矿开采过程中的应力场与能量场的动采空区塑性区采空区塑性区采空区塑性区采空区2194岩石力学与工程学报2015年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。从时间上看，如果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，从而形成冲击地压等动力灾害。基于非平衡热力学和耗散结构的有关理论可以解释开挖过程对煤岩冲击失稳孕育过程的影响。巷道未开挖时，“煤体围岩”系统可认为是一个封闭系统。如图4所示，在开挖阶段，煤体体积元内能守恒则是一个动态过程，取决于内力变化和热量流动。随着巷道开挖，巷道周边煤层进入非平衡态。在线性非平衡态热力学区域，当熵产生随时间的变化小于0时，系统偏离稳定态；而在非线性非平衡态热力学区域，当超熵产生等于0时，系统失稳24。图4冲击地压发生过程中能量的变化FIG4DIFFERENTSTAGESOFFREEENERGYSTOREDINTHE“COALSURROUNDING”SYSTEM潘俊峰等25用冲击启动理论来描述冲击地压的发生过程，认为冲击地压发生经历了冲击启动能量传递冲击显现3个阶段。如果把采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚看成是冲击启动的内因，把采动围岩远场系统外集中动载荷对静载荷的扰动、叠加看成是冲击启动的外因，可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区，则冲击启动的能量判据为E静E动EC01式中E静为煤壁极限平衡区缓慢积聚的压缩弹性能，E动为顶板断裂弹性能传递至煤壁极限平衡区的能量，EC为煤壁极限平衡区发生动力破坏所需的最小能量。冲击地压的发生过程，实际上是应力作用与煤岩体强度之间“矛盾”的发展过程26，用非平衡热力学和耗散结构的有关理论可以说明开挖过程对煤岩冲击失稳孕育过程的影响，但事实上如何用数学或数值计算方法确定在开采过程中的能量积聚与释放、能量场的时空演化规律以及动力灾变的能量触发条件与判别准则是很难的。24覆岩空间结构与冲击突出触发机制我国煤矿主要采用长壁采煤方法，如图5所示，随着采场推进，覆岩的空间结构将发生变化，从而影响采动应力大小和分布范围的变化规律。研究表明，采动应力存在“第一次来压”和“正常推进”2种特征27。图5覆岩空间结构与冲击突出触发机制示意图27FIG5SPATIALSTRUCTURESOFOVERLYINGSTRATAANDITSTRIGGERINGMECHANISMOFCOALBUMP27各类采场具有不同类型的覆岩空间结构的岩层范围、运动过程、力学机制，从而难以用统一的能量场理论进行分析和预测，通常根据具体的采矿条件进行分析。针对深部开采条件下采动应力场与覆岩空间结构运动耦合特点及应力与能量突变的动力学过程，不同学者提出了“覆岩空间结构空间应力场区域性冲击”模型、“动静应力场理论模型”、“局部应力异常微震”模型等来研究冲击地压的多尺度非线性动力学模型触发机制和矿震等现象28。姜福兴等29通过研究长壁采煤覆岩空间结构，认为覆岩空间结构有4种基本结构，即中间有支撑的“”型、中间无支撑的“O”型、“S”型和“C”型。采区与矿井范围内覆岩空间结构的关系，是由埋深、厚层坚硬顶板、工作面和采区之间煤柱及断层煤柱等共同决定的，是随着开采阶段的不同而变化的。“”型工作面对应于四面采空的孤岛工作面，“O”型对应于首采面，“S”型对应于两面采空工作面，“C”型对应于三面采空孤岛工作面。这样就可以用微震定位技术可监测空间结构的形成过程和影响范围，进而确定顶、底板破裂范围和程度，再结合不同覆岩空间结构的矿山压力理论，来预测冲击地压的发生。曹安业等30根据工作面上覆岩层边界状态的不同，将覆岩空间结构分为“OX”，“F”与“T”动载荷D叠加载荷SD静载荷S冲击临界载荷BMIN冲击矿压O第34卷第11期姜耀东等我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制2195型三类，顶板“OX”破断形成的“OX”结构为覆岩基本形式，同时又作为相邻工作面的边界条件，一侧为“OX”结构形成“F”型覆岩结构，两侧存在“OX”则形成“T”型覆岩结构。现场实测表明处于“F”覆岩结构下的开采工作面，其覆岩运动与应力场演化均比“OX”结构复杂，往往是采空区矿震频繁，从而引起采空区一侧的沿空巷道变形失稳破坏。再进一步“T”结构可分为两侧关键层断裂的对称短臂“T”结构，两侧主关键层断裂的对称长臂“T”结构，一侧关键层未断裂、一侧主关键层断裂的非对称“T”结构。覆岩的断裂与失稳复杂程度是按照“OX”“F”“T”型逐渐增加的31。煤矿开采中跳采形成的孤岛工作面由于容易产生应力集中，来压强度高，也是极易发生冲击地压的一类地质条件32。不同开采条件下长壁孤岛工作面回采时随着直接顶的随采随冒，采空区悬空面积的不断增大，使得老顶积聚大量的弹性能。若老顶发生周期性垮落，弹性能将瞬间释放，导致工作面和顺槽巷道极易冲击失稳33。据此，可采用微震监测等手段将孤岛工作面周期来压时顶底板和煤层的能量激增作为判断冲击失稳的前兆信息之一34。图6给出了工作面周边不同采空条件下回采工作面垂直应力的分布情况。A四面实体B一面采空C两面采空D三面采空E四面采空F一面断层、一面采空图6不同开采条件下坚硬顶板回采工作面煤层垂直应力场三维视图FIG63DVIEWOFVERTICALSTRESSFIELDFORMININGFACEWITHHARDROOFUNDERDIFFERENTMININGCONDITIONS2196岩石力学与工程学报2015年3冲击地压的预警技术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，一些先进的、具有自主知识产权的监测设备被用于冲击地压的监测预警中。目前，我国用于煤矿冲击地压监测预警的主要方法有直接接触式监测法和地球物理方法2类。直接接触式监测法包括钻屑法、钻孔应力测量法、顶板动态仪、矿压观测法等，其主要以监测冲击地压发生前围岩变形、受力等特征为主；地球物理方法主要包括电磁辐射法、微震法、地音法、地震CT技术、电荷感应监测等。地音和微震区别在于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。电荷感应监测和电磁辐射监测法均是为测定煤岩内应力集中的程度。地震CT技术是利用震动波反演煤岩体内应力分布情况。上述各方法中，钻屑法、微震法和地音法是较常用的冲击地压监测手段，目前已广泛应用于我国冲击地压矿井冲击灾害的监测预警中。31“震动场应力动态”一体化监测预警系统目前的冲击地压监测技术多是基于单物理量变化规律开发的，相应的监测仪器也只注重单物理量的监测。然而，冲击地压的影响因素众多，单物理量监测难以获得理想的效果。多参量实时、在线联合监测则是冲击地压监测预警的发展方向。窦林名等3536提出了“震动场应力动态”一体化监测预警系统。该系统形成了以震动波CT监测为主、采动应力为辅的空间“应力场”预警方法；其中以波速异常与波速梯度异常为震动波CT主要预警指标，煤体应力增量为应力监测主要预警指标，并通过建立不同时域内震动能量与煤岩破裂状态的耦合关系，提出冲击变形能物理模型与预警指标，即以地音能量或事件数偏差值为地音预警主要预警指标，以离层速度比为采空区离层监测主要预警指标，从而形成煤岩冲击危险“应力场震动场”的多参量预测与监测预警体系，实现了冲击危险分析预测与实时监测预警相结合、区域到局部逐级筛查的聚焦式预警见图7，现场应用效果良好，综合预测准确率达80以上。32冲击危险预测与监测预警体系影响冲击地压发生的因素主要分为五类，它们之间相互影响、相互制约的关系如图8所示。如果图7矿震震动波速度层析成像技术探测示意图FIG7WAVEVELOCITYTOMOGRAPHYFORDETECTINGOFCOALBUMP结构冲击矿压时间物性应力能量物理化学率相关性改变结构力学断裂力学损伤力学静力学转移、变化能量理论热力学定律时变动力学动力学时间流逝转移、转化变形、破坏图8影响冲击地压的五因素FIG8FIVEFACTORSINFLUENCETHECOALBUMP将冲击显现区域煤岩体视为一个系统冲击系统，则该系统的“五因素”必须达到一定条件冲击地压才能发生37。冲击危险多参量监测预警技术体系如图9所示。其目标为冲击危险性预测、应力监测预警、应力波监测预警，其预测和监测预警方法是综合指数与应力分析预测；钻屑、应力和震动波CT进行应力即时监测预警；微震、地音和电磁辐射进行应力波监测预警。通过冲击危险性的统一判别准则，确定冲击危险等级。冲击危险等级分为无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险。33ZOS矿用分布式微震监测系统ZOS微震监测系统是覆盖全矿井的分布式微震第34卷第11期姜耀东等我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制2197冲击危险多参量监测预警技术体系目标冲击危险性预测应力监测预警应力波监测预警综合指数法冲击危险多参量统一判别准则无冲击危险弱冲击危险强冲击危险中等冲击危险方法指标判据等级应力分析法钻屑法在线监测法震动波与弹性CT法微震法电磁辐射法地音法地质、采矿多因素指标地应力、构造应力、支承压力等波速、波速异常及波速梯度异常钻屑量及动力显现应力增量能量及频次冲击变形能指数强度及脉冲能量及事件数偏差图9冲击危险多参量监测预警技术体系示意图FIG9FLOWCHARTFORASSESSINGDISASTERPOTENTIALOFCOALBUMPS监测系统见图10。该系统可实现对全矿井采矿诱发微震信号的实时、远距离、自动监测，并给出信号的完全波形；进而可准确计算能量大于100J震动事件的发生时间、能量及空间位置，确定每次震动的类型，判断震动事件的发生力源，对矿井冲击危险程度进行评价。同时，该系统能分析出采空区覆岩层的破断情况，描述空间岩层结构运动和应力场的迁移规律，进而为煤矿的安全生产提供技术支持。图10ZOS分布式微震监测系统FIG10DISTRIBUTEDMONITORINGSYSTEMZOSFORCOALBUMP图11为矿震远程在线监控平台实物图和基本运行框架。该平台可以提供各个矿井微震监测系统数据的下载，基于远程的方式对微震活动情况进行实时管理和监控。通过专家对数据进行分析，然后将诊断结果通过平台上传并发送给各单位，各矿井可通过对诊断结果的分析制定相应的强矿压防治措施，保证煤矿的安全生产。34掘进面冲击地压无线实时监测预警系统掘进面冲击地压实时无线监测预警系统是利用当量钻屑量对冲击灾害进行预警防治。在冲击地压危险区发生冲击灾害之前，采动应力逐步增加，当应力达到煤体强度极限时，才可能发生冲击，而此时钻屑量将超过额定安全指标。钻孔围岩应力可用钻孔应力计监测的相对应力值得出，因此通过监测数据分析确定应力增量变化规律与钻屑量间的关系，并根据该规律可以间接得出钻屑量的多少，从而实现利用钻孔应力测量代替钻屑量监测的预警。基于上述原理，尹永明等38研发了KJ615掘进面冲击地压实时监测预警系统见图12。2198岩石力学与工程学报2015年传输发布井下矿山地震灾害监测系统矿山地震远程监测与研究中心客户端客户端客户端客户端分析人员分析人员分析人员分析人员传输发布传输发布发布传输分析人员客户端客户端分析人员客户端分析人员分析人员客户端矿山地震远程监测与研究中心井下矿山地震灾害监测系统图11矿震远程在线监测系统的整体运行框架图FIG11DIAGRAMOFTHEENTIREOPERATINGSYSTEMFORONLINEMONITORINGOFCOALBUMP图12掘进面无线冲击地压监测系统布置图FIG12SYSTEMLAYOUTOFTHEWIRELESSMONITORINGOFCOALBUMPSDURINGTUNNELING35冲击地压电荷监测技术冲击地压孕育过程中，煤岩变形破裂与瓦斯运移产生大量电荷。通过监测这些电荷辐射信息，可对冲击地压等动力灾害进行预测。潘一山等3941在煤岩变形破裂过程电荷辐射特性研究的基础上，获得了冲击地压和煤与瓦斯突出条件下，电荷辐射信号特征的差异；研制了在线式煤岩电荷辐射监测系统，该系统由电荷传感器、系统分机站、串口服务第34卷第11期姜耀东等我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制2199器、串口转换器及监测机等组成。电荷传感器具有高放大倍数、响应快速等特点，可对工作面超前煤体内电荷变化进行连续、实时监测。在动力灾害孕育过程中，煤岩体电荷信号出现异常变化，不同类型的动力灾害产生不同特征的电荷。因此，通过监测工作面前方煤岩体电荷信息，可判断动力灾害的类型与危险等级，最终实现对动力灾害的预测预报。4冲击地压的控制近些年，随着对冲击地压发生机制及围岩支护相互作用的深入认识，在中国开发了一些新的冲击地压防治技术及装备。可概括分为3类一是通过优化开采方法设计避免冲击地压，包括优化无煤柱开采、开拓布置、宽巷掘进、解放层开采、预掘卸压巷等；二是对具有煤岩冲击突出危险的区域进行卸压解危，包括顶板深孔爆破、大孔卸压法、煤层卸载爆破、煤层高压注水、底板切槽法等等；三是主动、被动支护相结合，刚性、柔性支护相搭配的支护方法，即增大支护强度或改善支护方式提高支护体抵抗冲击能力，如刚柔蓄能支护法、门式或垛式液压支架法、恒阻大变形锚杆索支护法等。41快速让位吸能防冲支护技术潘一山等42开发的快速让位吸能防冲支护技术源于非连续自应力块系上覆岩体与支护互馈作用的理论模型研究，研究发现利用刚性支护与柔性阻尼耗能机制相结合的方式可以增强围岩稳定性、增加支护围岩系统抵抗冲击的能力见图13。因此，快速让位吸能防冲支护技术的核心是利用一系列让位吸能构件、多级并联大流量卸压阀、让位吸能让冲支架、迈步式吸能防冲支架和防冲垛式支架等，实现整体支护结构对围岩冲击的快速让位吸能过程，从而避免支护体与围岩系统失稳破坏。AB图13防冲吸能支护设计及实物图FIG13DESIGNOFENERGYABSORPTIONANDANTISCOURSUPPORT42新型恒阻大变形锚杆索支护技术在深部煤矿开采和冲击动力扰动下，传统的小变形锚杆索并不适于深部巷道围岩非线性大变形破坏的控制；相反能够在围岩蠕变阶段提供恒定阻力和良好的延伸量，在冲击载荷下保持恒阻和吸能作用的锚杆索则有助于冲击地压等工程灾害的防治。何满潮等4344自主研发的恒阻大变形锚杆由恒阻装置和弹性杆体组成，能提供恒定的工作阻力和稳定变形量见图14，不仅适用于软岩巷道、深部巷道的围岩控制，也可有效控制冲击地压等动力灾害。图14恒阻大变形锚杆索示意图FIG14DIAGRAMOFTHEANCHORBOLTWITHCONSTANTRESISTANCEANDLARGEDEFORMATION43基于应力控制的冲击地压区域防范技术体系煤矿冲击地压往往发生在煤岩体中局部应力较为集中的区域。基于应力控制的冲击地压区域防治技术主要是以应力控制为中心，根据区域构造应力分布确定巷道合理布置位置和方向性；依据采动煤岩体应力分布规律和特点，通过选择合理开采方法、锚杆杆体恒阻体托盘恒阻大变形锚杆恒阻200KN，变形量1000MM锚索体恒阻体托盘恒阻大变形锚索恒阻350KN，变形量1000MM恒阻大变形巨型锚索恒阻850KN，变形量2000MM挡板导向头钢绞线承载板恒阻充填料隔板锁具力学传感器恒阻头恒阻体恒阻新材料套管六边形吸能防冲构件扩径式吸能防冲构件扩径式吸能防冲构件2200岩石力学与工程学报2015年工作面布置和合理煤柱尺寸等控制和转移局部采动应力，避免或降低高应力的集中，从而实现防治冲击地压的目标。该方法的核心理念是应力转移和应力释放，配以局部解危技术如卸压爆破、区间爆破、大钻孔卸压、水力压裂和煤层注水等，形成集中载荷疏解的冲击地压区域防范体系45。应当指出，开采方法优化设计是从源头上消除应力集中，降低冲击地压发生风险。如果巷道布置合理和使用保护层开采等方法，可消除开采中的围岩应力集中，进而避免因孤岛煤柱开采和上覆煤柱下开采等应力集中诱发冲击地压的现象10。44综合治理工程实例冲击地压的技术管理体系和防冲工作流程设计在综合治理中也发挥着重要作用。山东能源集团以控制“力源”为切入点，根据导致工作面冲击危险的“力源”差异，在不同的矿井采取不同的防冲技术，如古城煤矿的“重复卸压”技术、新巨龙煤矿的“可视化高强度卸压”技术和华丰煤矿的顶板底板煤层联合卸压”技术等。山东能源集团制定了冲击地压矿井和严重冲击地压煤层开采中的技术管理体系和防冲工作流程设计即开采前进行冲击地压危险性评价、开采设计方案优化和防冲预处理，开采过程中监测预警、危险区解危、解危效果检验、冲击地压工作面安全管理、冲击地压防治经验总结，做到重点危险区域的强卸压、强监测和强防护，取得了较好的防冲效果10。同样受冲击地压灾害困扰的义马煤业集团提出了针对冲击危险性较大的工作面和巷道的强化防治冲击地压危害“四强”防冲体系强监测、强卸压解危、强支护和强防护，形成了“三级”支护体系“一级”为强力锚网索支护、“二级”是强力锚网索O型可缩支架壁后充填支护、“三级”是在“二级”支护的基础上增加了防冲支架；并针对引起跃进矿25110工作面冲击地压的主要“力源”来自F16逆冲断层和上覆380600M不等的巨厚砂砾岩，采取“顶板煤层底板”多级卸压防冲技术，做到“有冲无灾”，实现安全回采见图15。同煤集团根据其所在区域矿井的“三硬”坚硬顶底板、坚硬煤层和坚硬底板条件及上层遗留煤柱应力集中等情况，综合应用“测、卸、放、支、护、避”六字冲击地压综合防治措施。其中，“测”为采用综合指数法、矿压分析预测法、钻屑法、SOS微A一级支护效果图B二级支护效果图C三级支护效果图图15义马煤业集团典型三级支护效果图FIG15PHOTOSOFTYPICALSUPPORTSTYLESFORROADWAYINYIMAMININGGROUP震监测法和KBD5电磁辐射法五种方法相结合的逐级预测预报体系；“卸”主要包括施工卸压孔、开切卸压槽和卸压爆破见图16、煤层注水等；“放”为强制放顶和邻面断顶、定向水力致裂顶板；“支”主要为加强超前支护；“护”即为护帮、护顶、护人员；“避”为生产衔接避开危险区、人员施工避开危险区，避免两翼工作面同时相向开采等。根据预测预第34卷第11期姜耀东等我国煤矿冲击地压的研究现状机制、预警与控制2201A底板卸压槽B巷帮卸压孔图16同煤集团防冲击地压典型卸压措施FIG16COMPARISONBETWEENTHEENERGYABSORPTIONANDANTISCOURBOLTSORANCHORS报，对随时可能发生冲击危险的地点，在某一时间内采用无人的工作制度，人员避开冲击地压危险区，待监测、检测无冲击危险后再继续进行作业。采用以上“六字”原则开展冲击地压防治后，同煤集团各生产矿井的冲击地压灾害得到了有效防治，基本实现了冲击地压危险煤层的安全生产。5结论针对中国目前煤矿开采中矿井动力灾害的主要特点，以控制冲击地压事故为目的，围绕地质赋存条件对冲击地压的作用机制、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制、冲击地压的多参量监测预警与防治技术方面开展研究；介绍了煤矿冲击地压发生的机制和规律、深部断续煤岩体的变形破坏规律和采动应力分布、能量场的时空演化特征，探讨了深部煤矿动力灾害的多参量监测预警技术与防治方法。总体而言，中国煤矿的冲击地压研究进展主要体现在1理论研究方面，地质赋存条件与冲击地压相互作用机制；采动应力和能量场时空演化规律与致灾机制；覆岩空间结构与冲击突出触发机制；冲击地压动静载孕灾理论等。2技术研发方面，研发了一批具有自主知识产权的科学仪器设备及方法，包括深部隐伏构造带发育特征综合探测技术与解释方法；“震动场应力动态”一体化监测预警系统；冲击危险预测与监测预警体系；ZOS矿用分布式微震监测系统；无线冲击地压实时监测预警系统；冲击地压电荷监测技术；快速让位吸能防冲支护技术；基于应力控制的冲击地压区域防范技术体系等。3工程应用方面，建设了几乎覆盖全行业的一批工程实践和应用示范基地，为解决煤炭行业的冲击地压灾害重大需求做出了实质性贡献，取得了良好的效果。上述成果形成了我国深部煤矿冲击地压“理论技术手段应用”一体化的灾害预测理论与技术防治体系，为解决国家重大需求做出了实质性贡献。但应该清醒地认识到，尽管在煤矿冲击地压灾害研究方面取得了一些研究进展，但由于问题的复杂性，仍需在深部煤岩层空间结构与动力灾害关系、诱发深部煤层冲击失稳的地质构造特征及条件、深部开采中的采场应力空间演化规律与致灾机制、冲击地压综合预警与防治技术等方面开展进一步探索和研究。参考文献REFERENCES1姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等煤岩冲击失稳的机制和实验研究M北京科学出版社，2009140JIANGYAODONG，ZHAOYIXIN，LIUWENGANG，ETALINVESTIGATIONONTHEMECHANISMOFCOALBUMPSANDRELATINGEXPERIMENTSMBEIJINGSCIENCEPRESS，2009140INCHINESE2李铁，蔡美峰，王金安，等深部开采冲击地压与瓦斯的相关性探讨J煤炭学报，2005，305562567LITIE，CAIMEIFENG，WANGJINAN，ETALDISCUSSIONONRELATIVITYBETWEENROCKBURSTANDGASINDEEPEXPLOITATIONJJOURNALOFCHINACOALSOCIETY，2005，305562567INCHINESE3景继东，施龙青，李子林，等华丰煤矿顶板突水机制研究J中2202岩石力学与工程学报2015年国矿业大学学报，2006，355642647JINGJIDONG，SHILONGQING，LIZILIN，ETALMECHANISMOFWATERINRUSHFROMROOFINHUAFENGMINEJJOURNALOFCHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，2006，355642647INCHINESE4何满潮，谢和平，彭苏萍，等深部开采岩体力学研究J岩石力学与工程学报，2005，241628032813HEMANCHAO，XIEHEPING，PENGSUPING，ETALSTUDYONROCKMECHANICSINDEEPMININGENGINEERINGJCHINESEJOURNALOFROCKMECHANICSANDENGINEERING，2005，241628032813INCHINESE5姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等深采煤层巷道平动式冲击失稳三维模型研究J岩石力学与工程学报，2005，241628642869JIANGYAODONG，ZHAOYIXIN，LIUWENGANG，ETALINVESTIGATIONONTHREEDIMENSIONALMODELOFINSTABILITYOFTRANSLATORYCOALBUMPSINDEEPMININGJCHINESEJOURNALOFROCKMECHANICSANDENGINEERING，2005，241628642869INCHINESE6张新荣，刘文岗，姜耀东，等深井冲击地压特征及煤岩结构动力失稳分析J中国矿业，2008，1719397ZHANGXINRONG，LIUWENGANG，JIANGYAODONG，ETALCOALBUMPCHARACTERSANDDYNAMICINSTABILITYANALYSISOFCOALROCKSTRUCTUREINDEEPMINEJCHINAMININGMAGAZINE，2008，1719397INCHINESE7潘俊锋，毛德兵，蓝航，等我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望J煤炭科学技术，2013，4162125PANJUNFENG，MAODEBING，LANHANG，ETALSTUDYSTATUSANDPROSPECTS