煤矿冲击地压是指井巷或工作面周围煤（岩）体由于弹性应变能的瞬时释放而产生的突然、急剧且剧烈的动力破坏现象，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。《复杂地质赋存环境与冲击地压互馈机制= Correlation Mechanism between Complex Geological Environment and Coal Bursts》主要围绕煤矿复杂地质赋存环境与冲击地压的相关性展开研究，分析煤岩冲击倾向性、高水平原岩应力场、断层和褶皱构造、巨厚坚硬覆岩、孤岛工作面开采等因素诱发冲击地压的机制，揭示煤矿复杂地质赋存环境诱发冲击地压的内因和外因，为实现冲击地压的预测和防治提供理论支撑。

本书可供从事冲击地压机理、预警和防治的科研工作者及工程技术人
员阅读，也可供高等院校工程力学、矿业工程、岩土工程等专业的师生教
学参考。

第1章 复杂地质赋存环境与冲击地压
　　煤矿冲击地压是指井巷或工作面周围煤(岩)体由于弹性应变能的瞬时释放而产生的突然、急剧且剧烈的动力破坏现象，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。煤矿冲击地压不仅危害程度大，影响面广，而且是诱发其他煤矿重大事故的根源。复杂地质赋存环境是冲击失稳灾害的主要动力源泉。因此，开展复杂地质赋存环境下冲击地压发生机理研究具有十分重要的科学意义。
　　1.1 冲击地压机理的研究背景及意义
　　随着煤炭开采深度的增加和开采强度的不断增大，冲击地压等典型动力灾害事故已成为国内外煤矿安全开采领域面临的主要灾害之一[1，2]。近年来，我国煤矿冲击地压矿井数量快速增加，由2012年的142处迅速增至2017年的177处煤矿发生过冲击地压事故，造成了大量的人员伤亡和严重的生态环境破坏，如图1-1所示。在国内，2019年8月2日，河北省唐山煤矿风井煤柱区F5010联络巷发生冲击地压事故，致7人死亡；2018年10月20日，山东省龙郓煤矿1303泄水巷掘进工作面附近发生冲击地压事故，造成21人死亡。在国外，2014年，澳大利亚Austar矿的**长壁综放工作面发生冲击地压事故，造成2人死亡；2007年，美国Utah州的Crandall Canyon煤矿发生严重的冲击地压事故，造成9人死亡[3，4]。因此，冲击地压等动力灾害机理、预测和防治等方面的研究是目前煤炭资源安全开采的研究热点。
　　图1-1 我国部分冲击地压矿井数量分布(截至2017年1月)
　　研究表明[5]，深部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。2016年12月，国家发展改革委、国家能源局在《煤炭工业发展“十三五”规划》中指出，强化科技创新，加强煤矿灾害机理基础研究，重点支持矿井带压开采及冲击地压预测防治，推进复杂地质条件下煤矿安全开采等重大技术示范工程，为煤矿安全开采提供基础保障[6]。为此，2009年9月和2016年7月，科技部分别启动了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”(2010CB226800)重大项目和国家重点研发计划“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”(2016YFC0801400)项目[7，8]，探索煤矿冲击地压动力效应与复杂地质构造条件、原岩应力环境及煤岩细观组分之间的相互作用机制，通过定量描述地质赋存环境与煤矿动力灾害的相关性，揭示地质构造和原岩应力场对煤矿深井动力灾害成灾的作用机制，为深部煤矿安全开采提供了关键理论与技术保障，并为相关科学问题的研究打下了良好的基础。
　　煤矿复杂地质赋存环境包括煤岩固有的冲击倾向性、高水平原岩应力、坚硬岩层、逆断层和褶皱构造。冲击倾向性作为煤岩固有属性，其一直是判断采场是否发生冲击地压的重要指标[9]。近年来，我国有近50个矿井开采深度达到或超过1000m，高水平原岩应力环境和复杂地质赋存条件是除冲击倾向性之外诱发冲击地压的主要原因。2004年6月6日，北京昊华能源股份有限公司木城涧煤矿发生冲击地压事故，破坏巷道500多米，造成12人死亡。研究表明[10]，京西煤田受燕山中晚期和喜马拉雅山多次造山运动的复合叠加改造，*大主应力比华北地区高39.9%，而且煤炭资源主要赋存于倒转型地层和逆断层为主的挤压型或者压扭性褶皱和断裂构造带中，复杂地质环境下冲击事故十分频繁。2011年11月3日，河南义马千秋煤矿21221工作面发生严重冲击地压事故，380m巷道严重破坏，同时造成10人死亡、60余人受伤。义马矿区是国内典型的复杂地质构造异常区域，域内F16断层失稳活化，使附近工作面和巷道高度应力集中，为冲击地压的发生积聚了能量，提供了动载条件[11]。
　　因此，复杂地质赋存环境是冲击地压发生的主要动力源泉，研究复杂地质赋存环境下冲击倾向性煤体的瞬时失稳机理不仅可以探究煤体具有冲击倾向性的原因，还能够掌握诱导冲击倾向性煤体失稳的机理，对研究冲击地压发生机理具有十分重要的科学意义和工程指导价值。
　　1.2 地质构造与冲击地压相关性
　　深部煤矿冲击地压是煤岩固有属性、内部结构、外部荷载和地质构造综合作用的结果，其形成过程非常复杂。针对复杂地质赋存环境下冲击失稳机理，国内外学者做了大量的研究。
　　1.2.1 煤岩冲击倾向性对冲击地压的影响
　　冲击地压事故的发生有很多因素，但普遍认为，冲击地压与煤岩冲击倾向性密切相关，可以称为煤的固有属性。一般来讲，煤的冲击倾向性由一组指标决定，包括单轴抗压强度、弹性能量指数、冲击能量指数和动态破坏时间。Kidybiński[12]利用这四个指标研究了煤岩体积聚和释放弹性应变能的能力，评估了煤的冲击倾向性，并对煤的冲击倾向性进行了分类。Lippmann等[13]基于研究岩石材料的渐进破裂过程和单轴压缩试验中的应力-应变曲线，分析了这四种冲击倾向性指数报告的文献，并比较了它们的优势和局限性。Haramy和Kneisley[14]指出，煤具有储存应变能的能力，并强烈建议采用弹性能量指数来评估煤的冲击倾向性。Singh[15]进行了一系列试验来探索可用于衡量煤的冲击倾向性的参数，他引入了冲击能量指数作为衡量煤的冲击倾向性的参数。Lee等[16]使用弹性能量指数来评估隧道中存在的高冲击倾向性。苏承东等[17]利用上述4个指标评价了城郊煤矿煤层的冲击倾向性，并研究了这些指标之间的相关性。王宏伟等[18]通过这些指标研究了煤的固有性质，并研究了导致冲击倾向性的内外因素之间的关系。
　　为了深入了解冲击倾向性与冲击地压之间的关系，除了这四个指标之外，学者还进行了大量基于能量积聚和释放的研究获得新的冲击倾向性指数，如剩余能量指数、修正脆性指数、能量耗散指数、冲击能量速度、能量释放速度。张绪言等[19]提出了剩余能量释放速度指数来评估煤岩体每秒释放的能量。齐庆新等[20]指出，煤材料的脆性指数和含水率也可用于研究煤的冲击倾向性。在研究冲击应变能与波速之间关系的基础上，蔡武[21]引入了冲击应变能指数来定量绘制中国煤矿冲击地压风险等值线。Faradonbeh和Taheri[22]旨在通过基于遗传算法的神经网络、C4.5算法和基因表达编程三个新指标来评估冲击地压的风险。通过考虑当前可用的数据库，Afraei等[4]提出了综合预测变量，结合煤层的上覆岩层厚度、抗拉强度和脆性比来评估冲击地压的风险。Gale[23]指出冲击地压与能量有关，综合运用破坏速度、应变能抗力、地震能和气体能量指数来评估冲击倾向性风险。宫凤强等[24]提出了残余弹性能量指数来定量研究储存弹性能量密度、耗散能量密度和总输入能量密度之间的关系。
　　实际上，煤的冲击倾向性与煤的细观组分和微观结构密切相关。张志镇和高峰[25]发现，冲击倾向性与岩石材料的不均匀程度有关。冯增朝和赵阳升[26]指出，具有冲击倾向性的煤的内部性质取决于其微观均匀程度。潘结南等[27]揭示了岩石内部的组成和结构对岩石的冲击倾向性有重要作用，发现岩体的强度和杨氏模量随着非晶石英含量的增加而增加，随着蒙脱石和高岭石含量的增加而减少。苏承东等[28]进行了一系列单轴压缩试验，发现具有强冲击倾向性的煤样中的裂纹扩展极为剧烈。王宏伟等[29]指出，具有强冲击倾向性的煤样含有大量的非结晶石英。宋晓艳[30]采用扫描电子显微镜和电磁辐射的方法研究了煤样的强度、组分和微观结构，指出冲击倾向性煤的破坏特征是脆性破坏。
　　1.2.2 高水平原岩应力场环境对冲击地压的影响
　　研究地质构造及其演化特征对于分析冲击地压机理至关重要，而地壳岩石圈应力状态和原岩应力场的分布规律是研究地质构造特征及诱发冲击动力失稳的基础。从20世纪90年代开始，在以Zoback[31]为首的多国科学家的共同努力下，启动了“世界应力图”编制项目，建立了全球构造应力数据库，全面系统地反映地壳岩石圈应力场的总体和分区特征。我国学者在大量现场实测的基础上，对中国大陆及邻区现代构造应力场分布特征同样做了深入的研究。谢富仁等[32]以《中国大陆地壳应力环境基础数据库》海量数据为基础，总结了中国大陆及邻区现代构造应力场的基本特征，并将构造应力场划分为四级应力区，初步分析了控制中国大陆及邻区现代构造应力场分布的动力学环境。研究结果显示，华北应力区主要力源为太平洋板块向西部欧亚大陆的俯冲作用，应力结构变化复杂，*大主压应力以由东向西方向为主。
　　关于国内地区地壳应力场分布等方面的研究，学者也开展了大量的研究工作。秦向辉等[33]在北京地区开展了5个深孔原岩应力测量，分析了北京地区地壳浅表层应力状态，指出北京地区的原岩应力结构与主要断层等地质构造密切相关，同时研究发现，京西地区断层存在失稳滑动的可能性。潘一山等[34]测定了大安山地区原岩应力场分布特征，测量结果与华北地区区域构造应力场变化规律基本一致，为矿区深部开采中巷道支护和冲击地压防治提供了理论依据和可靠的基础数据。徐志斌等[35]在实测京西矿区不同规模的断层和褶皱构造的基础上，指出由于地壳运动，京西煤田的挤压应力场由南东向指向北西向，在京西大安山—千军台一带形成了多种褶皱和逆断层构造。在上述研究成果的基础上，徐志斌和洪流[36]采用有限元分析法，进一步论述了京西煤田燕山早期逆冲推覆构造的特征及组合样式，为京西煤田安全开采和动力灾害防治提供了理论依据。
　　1.2.3 复杂地质构造与冲击地压相关性
　　断层和褶皱构造的孕育、发展到*终形成，从根本上来说是一个处于非稳定状态下的构造应力场随着时间和空间推移不断演化的过程。实践证明，由于地壳岩层运动过程中断层和褶皱构造各处的残余构造应力分布极不均匀，在工作面采掘扰动的影响下，极易造成煤和岩石中累积的能量瞬时释放。
　　据统计，发生在地质构造(主要指断层、褶皱、相变)附近的冲击地压次数占所有冲击地压发生次数的70%以上。因此，冲击地压和复杂地质构造的相关性也成为当前的研究热点。窦林名等[37]研究了冲击地压的主要影响因素，针对地质构造，将冲击地压分为褶曲构造型和断层构造型。姜福兴等[38]基于复杂多样的地质和开采环境，指出工作面开采时遇到断层、褶皱的向斜核部或翼部、构造相变带等区域时，发生冲击地压的可能性极大。张平松等[39]通过地震类透射CT方法探测了工作面中的断层构造，指出断层和煤层变薄区等是影响煤矿安全生产的主要地质因素。Guo等[40]在分析大量冲击地压案例的基础上，指出地质构造失稳扰动是诱发冲击地压的主要形式。来兴平等[41]通过现场监测和理论分析研究了断层诱发矿区动力灾害的机理，确定了断层带动压影响的剧烈区域。张宏伟等[42]利用地质动力区划和构造凹地反差强度评价方法，建立了冲击地压地质动力条件评价方法和指标体系。韩军[43]分析了地质构造、新构造运动、原岩应力场、地壳应变能等参数，从构造动力环境、地质动力环境、原岩应力环境和能量环境等方面揭示了复杂地质构造区域冲击地压的形成机制。国外，Rice[44]从地震学的角度指出断层区域的摩擦和剪切在动力灾害中占主导作用。Christopher和Michael[45]指出，必须同时考虑原岩应力、地质构造、开采技术等综合因素，才能较为准确地预测冲击地压的发生。Sainoki和Mitri[46]在考虑断层倾角、落差、断层面粗糙程度等因素的基础上，采用断层滑移量、移动速度和断层面上剪应力等参量揭示了逆断层作为主要的挤压型地质构造诱发冲击地压的机理。
　　1.2.4 巨厚顶板瞬时失稳诱发冲击地压的机理
　　上覆岩层运移会导致矿山压力的变化，而影响覆岩运动的主要因素有覆岩结构、岩层组

目录
前言
第1章 复杂地质赋存环境与冲击地压 1
1.1 冲击地压机理的研究背景及意义 1
1.2 地质构造与冲击地压相关性 3
1.2.1 煤岩冲击倾向性对冲击地压的影响 3
1.2.2 高水平原岩应力场环境对冲击地压的影响 4
1.2.3 复杂地质构造与冲击地压相关性 5
1.2.4 巨厚顶板瞬时失稳诱发冲击地压的机理 5
1.2.5 孤岛工作面开采诱发冲击地压的机理 6
参考文献 7
第2章 复杂地质环境诱发冲击地压案例分析 11
2.1 义马矿区冲击地压事故 11
2.1.1 义马矿区冲击地压事故及特征 11
2.1.2 义马矿区冲击地压诱因分析 14
2.2 鸡西矿区冲击地压事故 16
2.2.1 鸡西矿区冲击地压事故及特征 16
2.2.2 鸡西矿区冲击地压诱因分析 17
2.3 京西矿区冲击地压事故 19
2.3.1 京西矿区冲击地压事故及特征 19
2.3.2 京西矿区冲击地压诱因分析 20
2.4 唐山煤矿冲击地压事故 23
2.4.1 唐山煤矿冲击地压事故及特征 23
2.4.2 唐山煤矿冲击地压诱因分析 24
2.5 龙郓煤矿冲击地压事故 25
2.5.1 龙郓煤矿冲击地压事故及特征 25
2.5.2 龙郓煤矿冲击地压诱因分析 26
参考文献 27
第3章 复杂地质环境诱发冲击地压的内因 29
3.1 高水平原岩应力环境特征 29
3.1.1 京西矿区 29
3.1.2 义马矿区 32
3.1.3 鸡西矿区 33
3.1.4 黄岩汇煤矿 34
3.2 冲击倾向性煤体的细观结构特征 36
3.2.1 煤体矿物组分的X射线衍射分析 37
3.2.2 煤体细观结构的CT扫描分析 38
3.2.3 煤体细观结构的SEM分析 39
3.3 煤体的冲击倾向性鉴定 41
3.4 煤体冲击倾向性指标与力学参数的相关性 43
3.4.1 冲击倾向性煤样数据库的建立 43
3.4.2 冲击倾向性指标的数值分析方案 46
3.4.3 单轴抗压强度和黏聚力的关系 57
3.4.4 弹性能量指数和黏聚力的关系 57
3.4.5 冲击能量指数和黏聚力的关系 58
3.4.6 动态破坏时间和黏聚力的关系 58
3.4.7 非均质煤体力学参数与冲击倾向性的关系 59
3.4.8 基于Weibull分布的非均质煤体冲击倾向性 66
参考文献 72
第4章 单体断层滑移失稳诱发冲击地压的机理 74
4.1 单体断层滑移失稳前兆信息的相似模拟实验 74
4.1.1 相似模型的建立 74
4.1.2 断层面初始强度分析 78
4.1.3 上覆岩层的运动规律 79
4.1.4 断层面上的位移场演化特征 88
4.1.5 断层面上的应力场演化特征 92
4.2 单体断层滑移失稳的声发射特征 96
4.2.1 声发射实验方案 96
4.2.2 断层滑移失稳的能量变化特征 97
4.2.3 断层面应力场与能量场之间的联系 100
4.2.4 断层面位移场和能量场之间的联系 101
4.3 断层失稳诱发冲击地压的影响因素分析 102
4.3.1 数值模拟方案 102
4.3.2 断层倾角对滑移失稳的影响 103
4.3.3 断层切向刚度对滑移失稳的影响 104
4.3.4 侧压系数对滑移失稳的影响 105
4.3.5 水平构造应力对滑移失稳的影响 106
4.4 不同地质因素对断层面应力场演化特征的影响 108
4.4.1 数值模拟方案 108
4.4.2 循环开采时工作面的应力场演化特征 110
4.4.3 侧压系数对断层面应力场演化特征的影响 115
参考文献 121
第5章 双体断层滑移失稳诱发冲击地压的机理 123
5.1 双体断层区域巷道的矿压显现规律 123
5.1.1 工程地质背景 123
5.1.2 现场监测方案 124
5.1.3 监测结果及分析 125
5.2 双体断层赋存条件下相似模拟实验方案 128
5.2.1 相似模型制作 129
5.2.2 相似模型监测方案 130
5.2.3 相似模拟实验开采过程及结果分析 131
5.3 工作面回采诱发双体断层失稳的前兆信息 133
5.3.1 工作面回采诱发第一条断层失稳的前兆信息 133
5.3.2 工作面回采诱发第二条断层失稳的前兆信息 136
参考文献 141
第6章 褶皱构造不均匀应力场对冲击地压的影响机制 144
6.1 褶皱构造赋存下工作面开采相似模拟实验 144
6.1.1 相似模拟实验 144
6.1.2 顶板垮落规律 146
6.1.3 上覆岩层位移场演化规律 148
6.1.4 顶板应力场演化规律 149
6.2 褶皱构造数值模型的建立 151
6.2.1 数值模型概况 152
6.2.2 模拟方案的确定 153
6.2.3 褶皱构造原岩应力场分布规律 154
6.3 工作面过褶皱轴部应力场分布规律 154
6.3.1 过向斜和背斜轴部应力场演化特征 154
6.3.2 工作面过褶皱轴部超前支撑压力特征分析 157
6.4 工作面过褶皱翼部应力场分布规律 159
6.4.1 向斜仰采和背斜俯采阶段应力场分布规律 159
6.4.2 不同推进方向超前支撑压力特征分析 162
参考文献 164
第7章 巨厚坚硬覆岩持续非稳定运移诱发冲击地压机理 166
7.1 巨厚顶板失稳区域的覆岩运移规律 166
7.1.1 相似模型的建立 166
7.1.2 相似模拟实验覆岩垮落结果分析 168
7.1.3 巨厚坚硬覆岩采动应力分析 169
7.2 巨厚坚硬覆岩运移特征数值模拟 170
7.2.1 数值模型的建立 170
7.2.2 上覆岩层垮落模拟分析 173
7.2.3 巨厚坚硬覆岩采动应力对比 176
7.3 巨厚覆岩顶板冲击失稳区域的变形特征 176
7.3.1 工程背景 176
7.3.2 顶板失稳区域的现场监测布置 177
7.3.3 顶板失稳区域的破碎区分布特征 181
7.3.4 顶板失稳区域的巷道变形特征 183
7.3.5 顶板失稳区域的顶板离层特征 185
7.4 巨厚覆岩顶板失稳区域的应力特征 187
7.4.1 顶板失稳区域地应力分布特征 187
7.4.2 顶板失稳区域锚杆受力特征 187
参考文献 188
第8章 孤岛工作面异常矿压显现诱发冲击地压机理 190
8.1 典型孤岛工作面工程地质概况 190
8.1.1 唐山煤矿地质条件 190
8.1.2 工作面地质概况 191
8.2 孤岛工作面煤岩冲击危险性区域 193
8.2.1 孤岛工作面超前支承压力的监测与分析 193
8.2.2 孤岛工作面顶板活动规律的监测与分析 194
8.2.3 孤岛工作面电磁辐射的监测与分析 196
8.3 孤岛工作面应力场及能量场的演化规律 198
8.3.1 数值模型的建立 199
8.3.2 孤岛工作面回采过程中应力场的分布规律 202
8.3.3 孤岛工作面冲击失稳能量场的演化规律 204
参考文献 210