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[1-4]。随着我国煤矿开采强度和开采深度不断增加，冲击地压灾害已经成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一[5-6]。据不完全统计，全国冲击地压矿井数量由 1985 年的 32 个增加到现在的 180 多个，其中近 50 个矿井开采深度达到或超过 1 000 m[7-8]，冲击地压发生频率和烈度均有显著增加。
煤层开采达到一定深度后，一方面，煤岩体性质将由弹脆性向黏弹塑性转变，使得能量积聚方式由线弹性转变为黏弹非线性，尤其是深部高围压下煤岩积聚的能量远高于浅部[5，9]; 另一方面，煤岩体能量释放方式向非线性转变，此时能量释放无法通过一次性卸压来完成，需多次甚至持续性卸压让黏弹性变形能释放。当开挖卸荷尺度过大时，易导致积聚的高弹性能突发性释放，如“蠕变型”冲击地压便是深部开采冲击地压的一种形式[10]。特别是当上覆厚层坚硬顶板断裂、断层活化等产生动载作用于积聚高能量的采掘围岩时，极易造成强冲击[7，11]。因此，深部冲击地压监测防治难度更大，必须针对“深部”的特点开展冲击地压监测预警与卸压解危研究。
1 深部开采冲击地压致灾机理及类型
根据深部煤岩体赋存环境、力学性质和冲击地压主要影响因素[5-6]，也可将深部开采冲击地压分为应变型、断层滑移型和坚硬顶板型 3 类，但其致灾机理与浅部煤岩具有很大不同。
1. 1 深部应变型煤岩体在深部高应力作用下将发生脆-延转化，表现为持续的强流变性，可视为黏弹塑性介质[5]。深部采掘工程扰动后，采掘空间附近围岩应力重新分布，在高应力作用下发生黏弹性或黏弹塑性流变，基于 Kelvin，Burgers 等模型[43]，结合室内不同应力水平下砂岩的分级流变试验结果，构建深部围岩非线性黏弹塑性本构模型，具体如图 1 所示，其中曲线 b，c 的 表达式分别为 ε( t) = 1 E1 + 1 E2 1 - e - E2 η1 t ( ) [ ] σ0 + σ0 - σs1 η2 t， σs1 ≤ σ0 ≤ σs2 ( 1) ε( t) = 1 E1 + 1 E2 1 - e - E2 η1 t ( ) [ ] σ0 + σ0 - σs1 η2 t + σ0 - σs2 η3 t n ，σ0 ≥ σs2 ( 2) 式中，t 为流变时间; σ0为模型总应力; σs1，σs2为模型塑性参数; E1，E2为模型弹性参数; η1，η2，η3为模型黏性参数; n 为流变指数，大于 1 的整数。
采掘扰动后围岩积聚能量主要表现为 2 个特征: 一是在矿山压力作用下围岩应力重新分布，围岩内能量积聚明显大于能量释放与耗散之和，造成围岩破坏; 二是破坏围岩积聚的弹性应变能缓慢释放并驱动围岩深部产生塑性变形，到一定围岩深度后受高应力作用，这一过程到一定深度后会受到阻碍[10]，造成此区域应力集中不断增大。参考文献[44]的模拟方法，建立了如图 2( a) 所示的流变数值模型，研究不同流变时间作用下煤壁的支承压力演化规律，结果如图 2( b) 所示。随着流变时间增加，支承压力峰值向围岩深部转移到一定深度后受到阻碍，且支承压力峰值逐渐增大，如当流变时间从 0. 1 a 增大道 0. 5 a 时，最大应力集中系数从 1. 4 大到 1. 6。根据上述结果，可将深部应变型冲击地压的发生机制描述为: 深部开采巷道围岩在采掘扰动下围岩应力重新分布，围岩破坏深度逐渐增大直至稳定后，在高应力作用下应力集中程度不断增大，甚至进入流变状态，结合图 1 可知，此时围岩的应变会呈非线性快速增大，即积聚的能量会快速增多，当围岩积聚的能量大于其释放能量与耗散能量之和时，就会发生深部应变型冲击地压，具体如图 3 所示。
1. 2 深部坚硬顶板型随着开采深度增加，不仅煤体积聚的弹性应变能增多，且由于坚硬顶板的厚度及悬顶长度增加，其积聚的弯曲变形能也呈快速增加趋势。参考文献[45]的模拟方法，建立了如图 4 所示的 FLAC3D 岩梁数值模型，研究岩梁长度及厚度对岩梁能量积聚的演化规律，结果如图 5 所示。岩梁积聚能量随着岩梁长度或厚度的增大而呈非线性增大趋势，当 岩 梁 长 度 从 20 m 增大到 40 m 时，积聚能量从 0. 78 MJ 增大到 6. 57 MJ; 当岩梁厚度从 2 m 增大到 4 m 时，岩梁积聚能量从 1. 82 MJ 增大到 4. 98 MJ。浅部开采条件下，取坚硬顶板厚度、悬顶长度为 H1，L1 ; 深部开采条件下，取坚硬顶板厚度、悬顶长度为 H2，L2，有 H1
1. 3 深部断层滑移型断层滑移型冲击地压是由于采矿活动引起断层相对错动而猛烈释放能量的现象。在受开采扰动前，煤岩体内任意点的应力都是平衡的，假设断层滑移面的抗剪强度及其面上的剪应力分别为 τT，τ，判定断层是否发生滑移的条件[47]可表示为 τT ≤ τ 断层不滑移 { > τ 断层滑移 ( 3) 无外界开采扰动时，断层滑移面上的剪应力小于其抗剪强度，断层不发生滑动; 受采掘影响，易导致断层滑移面上的剪应力增大或抗剪强度减小，使断层滑移面上的剪应力大于其抗剪强度，造成断层发生滑移，产生冲击地压。
2 深部开采煤岩冲击倾向性评价
受深部复杂应力环境和煤岩体力学性质改变的影响，现有冲击倾向性评价指标体系存在不同程度高估或低估现象，无法完全满足深部开采煤层冲击倾向性评价要求。
2. 1 冲击倾向性指标冲击地压发生需要煤岩体满足一定物性条件，即煤岩具有冲击倾向性[48-51]。为定量衡量煤岩冲击倾向性大小，我国 2010 年制定以动态破坏时间( DT ) 、弹性能量指数( KE ) 、冲击能量指数( WET ) 和单轴抗压强度( RC ) 为核心的煤岩冲击倾向性评价的国家标准。但这些指标在应用过程中具有一定局限性，动态破坏时间无法反映煤岩破坏过程中的能量关系; 弹性能量指数不能反映煤岩破坏释放能量和破坏所需能量之间的关系; 冲击能量指数无法反映煤岩破坏过程中转化成动能的剩余能量大小，以及没有考虑塑性变形过程中所消耗的能量。冲击地压是顶底板及煤层在原岩应力和矿山采动应力共同作用下力与能量不连续传递的结果，其发生不仅取决于煤岩属性，而且与煤岩组合形式、应力环境、围岩性质等因素有着密切关系[17-22]。基于此，提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个冲击倾向性指标。
2. 2 冲击倾向性最优模糊评价方法传统的模糊评价方法一般采用线性加权平均，使评判结果趋于平均化，评判结果可靠性差，尤其是进入深部开采后评价指标较多且所占权重不同。为克服深部开采冲击倾向性评价指标权重人为影响，各类型冲击地压的评价指标权重应采用最优模糊评价方法确定，即在确定评价因素的评价等级和权值基础上，构造模糊评判矩阵，确定评价对象的所属等级[54]。
3 深部开采冲击地压监测预警
大量实践表明，深部 3 类冲击地压前兆信息差异性大，建立与深部三类冲击地压相适应的监测预警方法，能够更好实现对深部冲击地压的可靠预警。
3. 1 深部应变型深部应变型冲击地压是煤岩系统在变形过程中的能量稳定态积聚、非稳定态释放的非线性过程，煤岩体应力及积聚弹性能较大。冲击发生前，煤体应力、钻屑量、电磁辐射强度等信号持续升高，而微震呈现多微破裂事件、振荡变化，但微震事件频次和能量均较小。因此，建议以应力在线法和钻屑法监测为主、电磁辐射和声发射监测为辅，用应力或钻屑量增量梯度进行预警。
3. 2 深部坚硬顶板型深部坚硬顶板型冲击地压是顶板随工作面回采不断发生离层并产生大量微破裂，超过其极限状态时突然断裂失稳破坏的过程。在释放大量能量同时，应力会从静态到动态突然转变。冲击发生前，微震或声发射事件的能量和频率均增大，且煤体应力或钻屑量也呈增大趋势。因此，建议采用微震法监测顶板破裂事件增加作为远期预警，将煤体应力、钻屑量或声发射事件增大作为近期预警。
3. 3 深部断层滑移型深部断层滑移型冲击地压是由于断层面产生滑移、岩体加速滑动而产生，释放大量能量同时，也会造成煤体应力瞬间增大。由于断层滑移具有“持续滑动-突变”或“黏滑-间歇-突变”的特征，冲击发生前，能量会呈指数型增长趋势或多峰值特征。因此，建议采用微震或声发射监测断层活动性，以应力在线法和钻屑法监测断层引起的应力变化作为近期预警。
4 深部开采冲击地压卸压解危技术
4. 1 组合式解危方法基于深部应变型、坚硬顶板型和断层滑移型冲击地压发生机理，结合开采保护层、钻孔卸压、深孔爆破和、煤层注水等方法的卸压解危原理，提出了不同类型冲击地压的组合式解危方法，具体如图 16 所示。防治深部应变型冲击地压，需从 2 方面 入 手: ① 降低煤层冲击倾向性，如开采保护层和煤层注水; ② 减小工作面超前支承压力峰值及范围，如开采保护层、煤层注水、断底和大直径钻孔。几种解危方法优先顺序为: 开采保护层、大直径钻孔、断底、煤层注水。对于深部坚硬顶板型冲击地压，关键是控制厚层坚硬顶板断裂，其次是降低煤层冲击倾向性。开采保护层既可破坏顶板完整性，又能降低煤层冲击倾向性，是消除此类冲击危险的有效方法。深孔断顶爆破可避免坚硬顶板悬顶产生的应力集中，从根本上消除了坚硬顶板突然断裂对工作面产生的冲击。几种解危方法优先顺序为: 开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底、煤层注水。、
4. 2 典型冲击地压卸压解危实践 ( 1) 深部应变型。选用大直径钻孔在阳城煤矿 1304 工作面超前 80 m 范围内进行卸压后，采用钻孔应力在线监测系统对卸压前后工作面超前支承压力进行了实时监测，结果如图 18 所示。采用大直径钻孔卸压前，工作面超前支承压力峰值为 44. 5 MPa，位于工作面前方 40 ～ 45 m; 采用大直径钻孔卸压后，工作面超前支承压力峰值为 42. 5 MPa，但位于工作面前方 55 ～ 58 m。钻孔卸压降低了工作面超前支承压力，且使支承压力峰值向深部转移，降低了工作面冲击危险性。 2) 深部坚硬顶板型[55]。华丰煤矿 1411 工作面选用深孔断顶爆破和大直径钻孔进行卸压。工作面实施卸压解危措施后，采用钻屑法对卸压前后工作面煤壁前方 30 m 处进行了监测，监测结果如图 19 所示。 3) 深部断层滑移型。孙村煤矿 1411 工作面选用大直径钻孔作为常规卸压手段。工作面施工卸压钻孔后，对卸压前后微震监测数据进行了对比分析，结果如图 20 所示。卸压前，随着工作面回采接近断层，微震释放能量先增大后减小，释放最大能量约为 65 kJ; 卸压后，微震释放能量也是先增大后减小，但卸压后的最大微震能量为 41 kJ，仅为卸压前的 63. 07%，说明工作面卸压效果明显，冲击危险得到缓解。
5 结 论
( 1) 采掘扰动后围岩能量积聚呈黏弹非线性，深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果; 深部坚硬顶板型冲击地压是由顶板破断引起，但与浅部相比，煤层积聚弹性变形能和顶板积聚弯曲变形能均增大，转换为煤体抛出的动能增多; 深部断层受高集中应力和断层面两侧煤岩力学性质差异较大的影响，开采扰动下更易发生错动滑移，导致深部断层型冲击地压发生。 ( 2) 深部应变型冲击地压是应力集中和能量大量积聚的结果，应以能量和应力判据为主; 深部坚硬顶板型冲击地压是应力从静态到动态突然转变，以及释放大量能量的过程，也应以能量和应力判据为主; 深部断层滑移型冲击地压是释放能量从量变到质变，应以能量判据为主。基于各类冲击地压特点，提出了以深部冲击地压类型为导向的监测预警方法。 ( 3) 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水; 深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水; 深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水。研发了钻孔施工与预警同步一体化技术，可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息，对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。
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《煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究》来源：《煤炭学报》，作者：谭云亮1，2 ，郭伟耀1，2 ，辛恒奇3 ，赵同彬1，2 ，于凤海1，2 ，刘学生1，2
