第1章绪论
1.1研究背景和意义
煤炭是国家能源的主要来源之一，也是国家经济的重要支柱之一。2020年国家统计局[1]和煤炭工业协会[2]发布的数据显示（图1.1、图1.2），近年来，水电、核电等清洁能源消费[1]占比逐年上升，而煤炭消费占比虽然逐年下降，但煤炭仍占我国能源消费总量的大部分。2020年和2021年煤炭消费量分别占能源消费总量的56.80%和56.00%，煤炭需求量仍旧十分巨大[3-4]。预计到2030年，煤炭仍将占一次能源消费的46%左右[5]。
随着浅部煤炭资源的枯竭，煤炭开采以每年10～25m的速度向深部延伸[6]。一方面，深部煤炭资源丰富，深部开采可迅速提高煤炭产量，例如，部分深采矿井年产量可达2500万t以上；另一方面，与浅部煤炭资源相比，深部煤炭资源的赋存条件更加复杂，在高地应力、高强度开采条件下使得矿井冲击显现事故愈发频繁，加之大型地质构造的存在，导致冲击地压致灾因素更加复杂，给煤炭资源安全、高效开采和成本管控都带来了极大的技术挑战[7-8]。经国家矿山安全监察局统计，我国冲击地压矿井从1985年的32个增加到了2019年的180多个[9]。
尽管我国学者对冲击地压已经开展长达几十年的研究，但目前对冲击地压发生机制和防控技术的研究仍处于探索阶段，尤其在近直立硬厚岩柱、上覆硬厚岩层、复合断层等大型地质体控制下的冲击地压发生机制及防控技术等方面的研究仍面临巨大挑战。同时，冲击地压的显现不仅与大型地质体结构密切相关，矿井与矿井之间、矿井多煤层之间或矿井不同采区之间等矿井群条件下的开采活动（包括掘进和回采）将受到相互扰动的影响。在大型地质体控制下，开采导致的矿井群井间或者工作面间的应力扰动范围更大，扰动程度更加剧烈，诱发相邻矿井工作面煤岩动力灾害的危险性更高[10]。例如，国家能源集团神华新疆有限公司乌东煤矿南采区发生“2 27”较大冲击地压事故[11]，该煤矿属于典型的近直立特厚煤层，两相邻煤层间存在硬厚岩柱，B3+6煤层发生冲击地压时煤层开采深度仅为300m，冲击显现范围却达150m。河南大有能源股份有限公司义马矿区大部分区域煤层顶板赋存巨厚砾岩，该矿区分布有杨村、耿村、千秋、跃进和常村5对生产矿井，经过数十年开采，*大采深已达1060m。其中，千秋、跃进两矿砾岩厚度*大，厚达数百米，*厚达700余米（含砂、砾岩互层，*厚近900m）。在对义马矿区累计发生导致巷道变形损坏的107次冲击事件统计中[12]，600m以浅发生18次，约占17%；600～700m发生46次，约占43%；超过700m深的发生43次，约占40%。冲击地压灾害严重的跃进矿井累计发生37次，其中，700m以浅发生1次，约占3%；700～900m发生6次，约占16%；超过900m深的发生30次，约占81%。据相关统计发现，冲击事件大多集中发生在顶板坚硬砾岩层厚度比较大的区域。山东新巨龙能源有限责任公司龙堌煤矿“2 22”较大冲击地压事故[13]。事故区域埋深985～1010m，冲击显现发生在2305S上平巷，此时相邻的2304S工作面已回采完毕，事故发生时2305S工作面正在过FD8断层，FD8断层与工作面形成三角区，FD8与FD6断层形成楔形地堑结构，且煤层上方60m范围内存在厚度为18～40m的砂岩复合坚硬顶板，冲击影响因素复杂，冲击机理不明，常规的煤层注水和大直径钻孔卸压等防治措施难以满足防治需求。
对于此类大型地质体控制下矿井群的冲击地压发生机理和防控问题，需要在已有的研究成果和工程实践认知的基础上，针对不同大型地质构造条件来揭示冲击地压发生机制，进而提出针对性的防控方法，为解决大型地质构造条件下矿井群开采过程中冲击地压问题提供理论指导和技术支撑。
本书以新疆乌东煤矿、河南义马矿区和山东龙堌煤矿等大型地质体控制下的冲击地压灾害矿井为研究对象，综合现场监测、理论分析和数值模拟等研究手段，揭示大型地质体控制下矿井群冲击地压发生的机制，提出针对性的冲击地压控制方法，为大型地质体控制下矿井群冲击地压防治提供理论借鉴和技术探索，具有较高的现实意义。
1.2国内外研究进展
为深入理解和认识大型地质体控制下矿井群冲击地压，实现冲击地压的“防”和“治”，需要对国内外在该方面的研究进展开展深度的调查，透过煤矿冲击地压灾害的现象，探寻其发生的本质，进而掌握其发生规律，为灾害防控提供支撑。
1.2.1冲击地压的界定
李玉生教授在研究考证中指出，我国“冲击地压”一词*早出现在1959年由煤炭工业出版社出版的俄文专著中译本[14-15]。其实，“冲击地压”一词的称谓有很多，如“冲击矿压”“矿山冲击”“岩爆”“煤爆”“rock burst”“coal bump”“rock bump”“pressure bump”“strain burst”等。中文书面语较为常用的还是“冲击地压”，“coal burst”目前，对煤矿开采，英文书面语中“rock burst”“coal bump”“rock bump”都较为常见。
一般意义上，冲击地压、岩爆和矿震等动力破坏，较为简单的划分是：煤矿行业开采产生的动力破坏称为冲击地压或矿震；而水电、隧道、金属矿、露天矿等开挖产生的动力破坏称为岩爆。为了更加明确地对三者进行区分，全国科学技术名词审定委员会审定公布了三者的明确定义[16]：将地下工程开挖过程中由于应力释放等出现围岩表面自行松弛破坏并喷射的现象称为“岩爆”；一般将采矿过程中能产生动力灾害，且对巷道和工作面具有极强破坏性，以至于必须采取相应手段和措施进行治理，否则会影响安全生产的现象称为“冲击地压”；而将那些虽然有动力显现，但并无重大破坏且不影响矿井生产，不需要采取相应的措施和手段进行治理的现象称为矿震，尽管一些矿震并不会直接造成动力灾害，但岩体内积聚的高能量释放后极容易诱发冲击地压，不容小觑。反之，部分冲击地压也会引发矿震[17]。在对冲击地压研究的过程中，不同学者对三者之间的关系进行过探讨[16-20]。事实上，尽管冲击地压和岩爆之间有一定的相似性，或者两者在一定条件下可以互为因果，但是无论是在现象、构成介质的岩性上，还是发生机制和防控方法上都具有实质性的差别。
1.2.2冲击地压发生机理
1.冲击地压经典理论
冲击地压是煤矿开采过程中不可避免的威胁，国内外专家学者对冲击地压机理的研究已有近百年历史，国外冲击地压发生案例的*早记载是1738年发生在英国南史塔福煤田的冲击地压事故，此后苏联、美国、南非等几十个国家或地区都发生过冲击地压灾害事故[21]。冲击地压事故在我国*早发生在20世纪30年代的辽宁抚顺矿区胜利煤矿，仅在1933～1996年，全国冲击地压矿井冲击地压累计发生超4000次[22]，平均每年发生60余次。国外冲击地压发生机理的研究工作开始于19世纪末至20世纪初[21，23]，由南非、波兰、捷克斯洛伐克、德国、苏联等早期进入深部开采的国家*先开展，关于采矿和地震关系的第一篇文字记载来自1872年捷克斯洛伐克的Kladno煤矿[24]。我国于20世纪60年代着手开展冲击地压机理研究[25]，到20世纪80年代对冲击地压已形成比较系统的研究[26-28]。随着灾害治理难度日益凸显，研究工作也逐渐深入。自20世纪90年代至今，我国煤炭工业进入了高速发展的时期，社会经济快速及可持续发展极大增加了煤炭需求量，为保障煤矿的安全生产，国内外煤炭科技工作者针对不同开采条件、不同开采方法条件下的冲击地压发生机理进行探索，提出了许多经典的冲击地压理论，对煤矿冲击地压机理的研究逐渐从表面现象的观察和描述上升至对煤岩物理行为的揭示，从定性认识发展到本构关系的论证[29]，以及借助数学和力学的手段进行量化研究。
冲击地压机理研究过程中形成了几大经典理论，后续几乎所有的冲击地压机理研究工作都是在这基础上进行补充和完善的。冲击地压经典理论按照提出的时间顺序分别为强度理论[30]、刚度理论[31]、能量理论[32]、冲击倾向性理论[31，33]、变形失稳理论[34]等。冲击地压研究中煤岩体强度问题是*先被关注到的点。从力学角度，材料发生破坏是由于材料所受荷载达到自身极限强度。类比到煤岩体，当煤岩体承受的荷载达到自身强度极限便会发生冲击地压，这就形成了经典的冲击地压强度理论[14，35]。强度理论中*为著名的是德国学者布霍依诺提出的夹持煤岩体理论[28]，受观测手段和力学水平的限制，该理论主要着眼于煤岩体应力，认为当巷道或采场的围岩应力达到煤岩体极限强度时，冲击地压便会发生。随着对冲击地压现象理解的深入，夹持煤岩体理论的缺陷也逐渐凸显。实际上，煤层开采过程中煤岩体局部小范围破裂现象很常见，煤岩体破裂说明局部范围内部的煤岩体已达到自身极限强度，但其不会发生冲击地压[36]，说明强度理论中煤岩体极限强度应力是冲击地压发生的必要条件，而不是充分条件。20世纪60年代中期，南非学者Cook认为冲击地压释放的能量和矿山开采过程中围岩势能之间必然存在某种联系[35]，在对南非金矿冲击地压研究过程中总结了南非金矿15年的冲击地压发生规律，结合现场破坏及诱发的岩石整体抛出动力现象，将研究对象从煤岩体扩大到“矿体-围岩”系统，从而提出著名的能量理论[14，23，32，35]，即在“矿体-围岩”系统中，当煤岩体力学平衡状态被破坏所释放的能量大于其消耗的能量时就会发生冲击地压。当然，该理论存在一定的缺陷，对围岩达到能量释放及煤岩体达到平衡状态和破坏时的条件不够明确和完善。
在刚度试验机问世后，苏联学者佩图霍夫[26]*先发现柔性试验机测试的岩石试样破坏更加剧烈。此后南非学者Cook[32]和Deist[37]也发现不同刚度试验机试验时试样破坏剧烈程度不同，从而提出刚性压力机理论。在此基础上，Cook等[38]把矿柱与围岩的关系比拟成刚度试验机与试件的关系，把矿柱式开采过程中发生冲击地压的原因解释为矿柱刚度大于围岩刚度，这成为刚度理论的雏形。20世纪70年代，美国学者布莱克对刚性压力机理论进行完善并将其普遍化[21-22]。1984年苏联学者佩图霍夫补充了刚度条件，明确了矿山结构刚度量化方法，进而形成较为完善的刚度理论[26]。刚度理论的核心思想与能量理论如出一辙，都只给出冲击地压发生的必要条件，而并未给出充分条件，包括此后以能量理论为核心思想的冲击倾向理论及其组合理论都未对能量释放的方式进行解释[30，39-40]。
冲击倾向性理论*早由苏联和波兰学者提出，Bieniawski等[41-42]认为煤岩体力学性质与煤矿冲击地压的发生有密切关系，建立了煤层冲击倾向性与冲击地压之间的初步联系。尽管我国对冲击倾向性的研究起步较晚，但对冲击倾向性理论的完善做了大量工作，并制定了煤岩冲击倾向性鉴定国家标准。冲击倾向性理论的局限性在于没有考虑地质构造环境的影响，仅从煤岩体自身的冲击危险性来判断冲击地压是否会发生是片面的，矿井赋存应力环境条件对冲击地压的发生同样至关重要。
在刚度理论形成发展的同时，1979年，Salamon和Wagner[43]首次指出煤岩体加载过程中会出现应变软化，并基于德鲁克（Drucker）准则提出了冲击地压煤岩失稳准则。此后，煤岩体失稳也成为冲击地压机理研究的另一突破口。1983年，Zubelewicz和Mroz[44]采用数值计算的方法对冲击地压进行了研究，认为冲击地压是一种动力条件下的非稳定问题。1985年，由辽宁抚顺矿务局和阜新矿业学院组成冲击地压研究组[45]，探讨了冲击地压发生机理，同样认为煤岩体达到极限强度后具有应变软化的性质，从而使煤岩体发生局部变形导致裂隙扩展失稳，进而引发冲击地压。*终，国内外学者以煤岩体机理为出发点，将冲击地压的发生归因为煤岩体的力学失稳，提出了冲击地压变形失稳理论。该理论认为煤岩体变形系统平衡状态的稳定性是冲击地压是否发生的先决条件，当煤岩体系统处于非稳定状态时，很可能发生冲击地压。冲击地压变形失稳理论在能量理论的基础上增加了对煤岩体应变软化的考虑，即煤岩体系统满足具有应
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