第1章概述
煤矿冲击地压是采掘工作面、井下巷道以及煤柱硐室等周围煤岩体在采动影响下积聚在内部的高弹性应变能突然、剧烈地释放而诱发的动力破坏现象，发生时多造成帮部煤岩体的抛出、顶板的错动下沉或底板瞬间底鼓、巷道内的瓦斯异常涌出等，所产生的剧烈震动和挤压空气形成的气浪往往会造成生产设备倾倒侧翻、巷道堵塞和人员伤亡，具有突发性强、破坏性大的特点，给煤矿安全生产和矿工生命安全造成了较大威胁。
冲击地压是一种地下采矿工程中常见的动力灾害，人类*早有关冲击地压的记录发生在1738年的英国斯塔福德郡南区煤矿，距今已有280多年的历史，期间世界上几乎所有采矿国家都不同程度地受到冲击地压的威胁，记录到的冲击地压有3万多次[1]。南非于1915年建立了专门针对煤与金属矿山动力失稳矿山冲击的委员会。波兰于20世纪60年代对冲击地压开展研究，其提出的冲击倾向性试验和煤岩体声学监测等方法至今仍被广泛应用。德国主要从冲击地压的防治方面出发，提出了钻孔卸压法等手段。我国对冲击地压的研究是从20世纪60年代开始的。煤炭工业部在1980年颁布了一部适应中国煤炭工业发展、符合煤矿安全生产实际情况的《煤矿安全规程》[2]。全国性的煤矿冲击地压调研工作于1985年完成。煤炭工业部于1987年颁布实施了《冲击地压煤层安全开采暂行规定》[3]，其中包括冲击地压预测和防治试行规范。进入21世纪后，随着我国煤矿安全监察监管体制的改变和对煤矿冲击地压的重视，在2004年修订的《煤矿安全规程》[4]中，增设了10条关于冲击地压煤层冲击倾向性鉴定、预测和防治的规定，对指导煤矿冲击地压的防治起到了积极的作用。
2005年科技部设立了“十一五”国家科技支撑计划课题“深部开采煤岩动力灾害多参量识别与解危关键技术及装备”，*次在973计划项目中设立有关煤岩动力灾害的项目，在这期间，冲击地压研究工作得到了重视和认可。同时，2010年和2011年，科技部相继批复了“煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究”和“深部煤炭开发中的煤与瓦斯共采理论”两个973计划项目。2016年修订的《煤矿安全规程》[5]将冲击地压防治提升到一个新的高度，由之前的10条相关内容表述提升至一个*立章节进行规范。2018年，国家煤矿安全监察局发布了《防治煤矿冲击地压细则》[6]，进一步将冲击地压的界定分类、监测预警、区域和局部防治技术以及安全防护等方面进行了系统规范。2010～2020年，《冲击地压测定、监测与防治方法》（GB/T25217）系列国家标准[7-20]的出台，标志着我国在冲击地压管理和冲击地压防治的法律法规体系基本建成。
1.1研究背景及意义
煤炭作为全球赋存*为丰富的化石能源，推动着世界工业的发展和人类文明的进步。BP Statistical Review of World Energy2020[21]指出，煤炭在世界一次能源结构中的主导地位未来30年不动摇。2019年中国能源消费及增长分别占全球的24%和34%，是世界上*大的能源消费国。随着全球工业一体化及人与自然协调发展的需求增加，近年来中国的能源结构调整持续改进，但富煤、少气、贫油的能源赋存结构和稳定性差、波动强的新能源供给特点，决定了未来我国能源生产消费依旧以煤炭为主的格局不会改变[22]。
深部开采已成为目前煤炭资源开发的发展趋势[23]。深部复杂的工程地质构造环境、较高的工程地质应力环境和大范围高强度集约型开采所引起的工程地质扰动使得冲击地压、顶板大面积来压以及煤与瓦斯等煤岩动力灾害愈加凸显，其发生频度和强度明显增加。截至2023年底，我国国有大中型矿山中有1281对突出矿，160余对冲击地压矿井[24]。据不完全统计，2008～2018年，仅我国东部地区就发生重特大冲击地压事故达17起。2018年10月20日，山东龙郓煤业有限公司龙郓煤矿1303泄水巷掘进工作面附近发生重大冲击地压事故[25]。2019年6月9日和8月2日，吉林龙家堡矿业有限责任公司龙家堡煤矿和河北开滦集团有限公司唐山矿业分公司唐山煤矿先后发生冲击地压事故[26]。2020年2月22日，山东新巨龙能源有限责任公司龙堌煤矿-810水平二采区南翼2305S综放工作面上平巷发生一起较大的冲击地压事故[27]。2021年10月11日，陕西彬长矿业集团有限公司胡家河煤矿402104工作面回风顺槽超前支架向外10m范围内因冲击地压发生局部冒顶事故[28]。尽管多年来由于煤矿生产技术水平的提升以及安全管理重视程度的提高，我国煤炭百万吨死亡率由9.713（1978年）下降至0.094（2023年），但煤矿顶板事故48%的发生率，仍占据煤矿五大典型灾害之*，而冲击地压恰恰是顶板事故的主要类型之一，已成为影响我国煤矿安全生产和矿区人民正常生活的严重灾害[24]。
我国主要成煤时期分别为石炭纪、二叠纪和侏罗纪。其中，以“燕山运动”为标志地质构造运动的侏罗纪时期形成煤田*多，储量*丰富，主要分布在山西、山东、陕西、内蒙古、新疆等地区，如东胜煤田、大同煤田、彬长黄陇煤田等[29]。西北地区侏罗纪煤是大型河流相和湖泊相沉积体系下高位泥炭沼泽的产物，煤层上方多含厚硬岩层结构。西北地区60%以上矿井的主采煤层上方100m范围内大多含有厚度在8～15m、普氏系数在4以上且层间距离较小的厚度大、强度高、距离近、整体性强、垮冒性差的厚硬岩层结构，易造成工作面后及侧向采空区悬顶长度过大，诱发工作面采场附近动压显现，已成为该区煤矿安全生产中的*大杀手和安全隐患。西北地区部分矿井厚硬顶板煤矿动压破坏如图1.1所示。
图1.1西北地区部分矿井厚硬顶板煤矿动压破坏
随着我国东部地区煤炭资源开采转入深部而新建煤矿资源开发整体向西北地区转移，西北地区侏罗纪时期成煤量占我国各成煤时期煤炭总量的39.6%，尤其是山西、陕西、内蒙古地区更是未来我国煤炭能源的主要供应地。然而，根据内蒙古神府煤田浅部煤层开采的经验，以陕西、内蒙古地区为代表的西北地区深部煤炭开采工作面大多沿用浅部双巷布置方式，相邻工作面间留有18～45m的较大区段煤柱，即上一个工作面轨道顺槽做下一个工作面的回风顺槽，巷道需要先后经历二次采掘扰动的影响。在深部高地应力和高采动应力的影响下，2010～2020年，陕西彬长矿区以及内蒙古地区冲击地压事故频发且数量呈上升趋势[30，31]。表1.1为陕西、内蒙古地区部分冲击地压矿井统计情况。
陕西、内蒙古地区冲击地压显现大多发生在受二次采掘扰动影响的回风顺槽煤巷之中。区别于工作面后采空区上覆厚硬岩层达到极限跨距时，按照一定步距周期破断并*终形成“O-X”型破断结构，采动巷道上覆厚硬岩层结构位于上工作面采空区边缘并在区段煤柱上方局部形成弧形三角块铰接结构，其中厚硬岩层采空区侧向破断方式、破断位置及其与区段煤柱的相互位置关系，直接影响区段煤柱的应力分布和结构强度[32-36]。然而，目前对于采动巷道上部岩层破断特征的研究大多基于煤层上方仅存在单一厚硬岩层开展，对宽区段煤柱采动巷道上方存在厚硬岩层情况下的顶板侧向破断特征及其对区段煤柱受力稳定性的影响研究较少。因此，分析二次采掘扰动影响下巷道上覆厚硬岩层侧向不同破断位置对区段煤柱受力特征的影响，建立上覆厚硬岩层侧向不同破断结构下区段煤柱力学模型和失稳判据，对于得到冲击地压的发生机理，指导现场冲击地压的防治具有重要的理论意义。
陕西、内蒙古地区煤层平均开采深度超过500m，工作面平均倾向长度达150m以上，深部复杂多变的高地应力环境和机械化集约型高强度开采引起的强采动应力，使得采动巷道初始应力环境明显高于实体煤巷道。对于上覆存在厚硬岩层的采动巷道，上工作面开采结束后，顶板厚硬岩层在区段煤柱上方发生侧向回转、下沉并形成弧形三角块铰接结构，区段煤柱发生挤压变形，采空区侧上部煤体压碎并承载挤压应力；当本工作面回采时，在超前支承压力和侧向应力的影响下，弧形三角块结构失稳，区段煤柱进一步压缩变形，破碎岩体失去对上部覆岩结构的承载能力并进一步加剧其侧向回转下沉，区段煤柱承受载荷进一步增加，直至采空区侧煤帮挤出、顶板急剧下沉并诱发煤柱冲击失稳，是多重应力作用与侧向覆岩结构失稳耦合作用的结果。因此，对于上覆厚硬岩层的采动巷道冲击地压的防治，有必要从结构优化和应力控制的双重角度开展研究。
本书以内蒙古乌审旗矿区典型冲击地压矿井为工程研究背景，在对上覆存在厚硬岩层的采动巷道围岩结构及矿压显现特征研究的基础上，分析上覆厚硬岩层采动巷道围岩稳定性的主要影响因素，通过自研模拟顶板垮断加载装置和加工大尺寸煤岩试样模拟分析上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱的受力特征，分析采动巷道区段煤柱侧向厚硬顶板结构破断特征及应力传递机制，建立采动巷道上覆高低位厚硬岩层侧向破断结构形式及力学模型，得到二次采掘扰动影响下区段煤柱结构的变形特征及应力分布特征，研究深孔顶板定向水压致裂技术与深孔顶板预裂爆破技术在优化侧向顶板破断结构及控制区段煤柱应力状态的适用性和关键技术参数，建立以区段煤柱侧向厚硬岩层破断结构优化和围岩应力控制为核心的深部采动巷道冲击地压力构协同防控技术体系，为我国陕西、内蒙古地区深部煤炭资源的安全高效开采提供参考。
1.2国内外研究现状
1.2.1采动巷道形成机制及顶板破断特征研究现状
采动巷道的形成与巷道布置方式密切相关。不同巷道布置方式下二次采动巷道形成机制如图1.2所示。一方面，为了缓解采掘接续紧张，方便大型机械化装备运输及提高煤炭产量，工作面采用双巷或多巷布置，巷道之间留设区段煤柱，一条巷道（留巷）先后服务两个工作面的回采，图1.2（a）中的本区段工作面运输平巷为下一工作面的回风平巷，在二次或多次采动的影响下，预留巷道成为二次采动巷道。另一方面，为了*大限度地提高煤炭资源回收率，减小或取消区段煤柱，降低巷道掘进率和缩短工作面准备时间，通过对上一工作面加强支护已备下一工作面复用（沿空留巷）或在本工作面后采空区侧附近另掘一条巷道（沿空掘巷），掘进过程中受本工作面侧向顶板运动影响显著，如图1.2（b）所示。
采动巷道区段煤柱侧向厚硬顶板运动规律和破断方式受区段煤柱宽度和上一工作面及本工作面开采后上覆岩层运动及破断特征影响显著。因此，工作面采场覆岩运动及破断特征对指导采动巷道区段煤柱侧向顶板破断结构的研究具有很强的参考性。
图1.2不同巷道布置方式下二次采动巷道形成机制
围绕采场上覆岩层运动及破断规律，结合现场矿压显现特征，研究者先后提出了悬臂岩梁假说、压力拱假说、铰接岩梁假说、预成裂隙假说，并建立了上覆岩层弹性基础梁模型[37]。
我国在该领域取得突破性进展始于20世纪70年代末期。钱鸣高等[38-40]通过总结大量的生产实践经验和观测数据，在完善预成裂隙假说和铰接岩梁假说的基础上，建立了上覆岩层开采后砌体梁结构力学模型，将采场覆岩横向分为煤壁支撑区、离层区、重新压实区，纵向分为垮落带、裂隙带、弯*下沉带，对砌体梁结构中的关键岩块的滑落和回转变形进行了着重分析并给出了“S-R”平衡条件，通过对基本顶在不同边界条件下（四周固支、三固一简、两固两简、一固三简）的破断步距进行分析，揭示了采空区顶板“O-X”型破断规律，合理解释了采场矿压周期性显现的特征。
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