1. 引言
社会经济的发展离不开能源的支撑作为保障，虽然煤炭资源消耗总量逐年下降，但煤炭资源消耗率占比仍超过57%以上，仍然是不可或缺的重要能源。当前我国生产矿井逐渐开采深部煤层，受地压影响的矿井数量逐年增加，由2012年的142对迅速增长至2017年的177对 [1]。巷道开挖一旦进入深部地层，其动力地质灾害发生屡见不鲜，对国民经济的发展和社会的稳定势必造成恶劣影响。我国煤矿冲击地压最早发生在1933年辽宁抚顺胜利煤矿，据最新的煤矿安全网和相关文献资料统计，2016~2020年11月期间，因冲击地压造成煤矿顶板和片帮伤人事故共计约102起，造成190人员死亡和难以估量的经济损失。与此同时，煤与瓦斯突出等动力地质灾害造成伤亡事故也时有发生。例如，2016年黑龙江龙煤集团鹤岗矿业公司峻德煤矿突发“9·25”冲击地压事故，造成5人死亡，直接经济损失459.8万元；2017年山西省朔州市中煤担水沟煤业公司4203工作面运输顺槽发生一起“1·17”冒顶事故，造成10名矿工遇难，直接经济损失1517.46万元；2018年山东能源集团龙郓煤业有限公司1303工作面泄水巷及3号联络巷发生的“10·20”重大冲击地压事故，造成21人死亡、4人受伤，直接经济损失5639.8万元；2019年河北开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司风井煤柱区F5010联络巷发生一起“8·2”较大冲击地压事故，这也是河北省历史上第一起冲击地压事故，共造成7人死亡；2019年吉林省龙家堡矿业有限责任公司305综采工作面运输顺槽发生一起“6·9”较大冲击地压事故，造成9人遇难，12人受伤，经济损失1906.06万元；2020年山东新巨龙能源有限责任公司龙堌矿井“2·22”冲击地压事故造成4人遇难。诸如此类的事故还有很多，无一不让人感到触目惊心。可见，冲击地压已成为威胁我国深部煤炭资源开发的主要制约因素。
基于深部开采面临的冲击地压问题，德国、波兰、南非及前苏联等国外学者最初对冲击地压的基本理论开展研究，后期我国学者加以学习引进。比如，Cook和佩图霍夫等先后根据刚性压力机理而提出了刚度理论，认为当矿山的结构刚度大于矿山负载系统的刚度时，就会发生冲击地压，矿山结构的刚度视为达到极限强度后的应力应变曲线下降段的刚度 [2] [3] [4]。在前人的理论研究基础上，我国学者从不同的角度对冲击地压理论研究，提出了具有代表性的理论成果并形成了一套完整的监测预警系统及地压灾害治理技术，从传统的钻屑法、锚杆(索)压力监测逐渐发展为微震方法、声发射技术和电磁辐射监测。本文在总结冲击地压发生机理，分析冲击地压监测预警方法及灾害预防治理技术的基础上，以具体的工程实例为研究背景，结合相似材料模拟和数值模拟法对近年来逐渐突显的淮南矿区深部煤矿冲击地压问题进行分析，进一步阐明冲击地压形成机制和保护层开采对于冲击地压防治技术具体的应用。
2. 冲击地压研究理论与成果
随着国外矿井陆续闭坑，在建矿井数量和开采范围的缩小，同时我国内煤矿则面临着不断向深部开采的现状问题。目前我国是全球受冲击地压影响严重的煤炭主要生产国。据不完全统计，煤炭开采深度在以8~12 m/a的速度增加，中东部煤矿每年以10~25 m的速度向深部延伸趋势，全国煤矿数量约为5300处，开采深度在800 m以上的矿井139处，超过千米深的煤矿约55处，其中山东新汶集团孙村煤矿最大开采深度已超过1500 m [5]，冲击地压灾害的监测与治理已成为安全开采迫在眉睫需要攻克的技术难题。经过几十年的不懈努力和研究，专家学者们总结出一系列新的冲击地压理论与成果。
2.1. 冲击地压致灾理论的发展
20世纪60年代，国外学者Cook等采用强度理论解释了冲击地压发生的机理，认为煤岩体破坏的实质是煤岩体所承受的外部载荷超过起强度极限所造成。巷道一旦开挖，围岩卸压随后产生变形破裂区，应力转移至相邻岩体，使其形成应力集中，当超过岩层的极限强度就会产生瞬间的能量释放；随后他们在总结南非地区多年的冲击地压研究成果后提出能量理论，即当采掘范围不断扩大，“矿体–围岩”系统原始应力平衡状态被打破时，认为冲击地压产生的原因是消耗能量小于所释放的能量 [6]；同一矿区内，即使煤层所在的地质条件和开采技术类似，但由于各煤层具有不同的物理力学性质，决定了部分煤层具有发生冲击地压的可能性，而有些煤层不具有冲击倾向性。这表明煤岩体产生冲击破坏力的大小是由煤岩介质的物理特性所决定，是介质本身的固有属性，即煤岩体的冲击倾向性 [7]；失稳理论认为煤岩变形系统平衡状态的稳定性是冲击地压是否发生的首要条件。若系统状态是非稳定的，则可能失稳而发生冲击地压，否则不会发生。根据狄里希瑞力学变形系统稳定性判别准则，即取决于变形系统势能是否存在极值。当系统势能存在极小值时，系统为稳定的；存在极大值时，则系统为不稳定的，若此时受到扰动，变形系统发生失稳，形成冲击地压，即能量形式的失稳准则 [8]。
近几十年来，齐庆新、史元伟等 [9] [10] 提出了冲击地压的“三因素理论”，即煤岩层的冲击倾向性因素、岩体软弱结构面因素和应力集中与扰动破坏因素，前两个因素为煤岩体的内在因素，第三个因素为外在因素。一旦同时具备以上三个因素，即具有冲击倾向性的煤岩体在应力集中和扰动作用下，将在煤岩体软弱结构面处发生滑移破坏，随之导致冲击地压的发生；潘俊峰、宁宇等 [11] [12] 提出了“冲击启动理论”，认为冲击地压发生依次经历冲击启动、冲击能量传递、冲击地压显现三个阶段。冲击地压启动的能量来源于采场围岩近场系统集中静载荷和远场系统集中动载荷，分别是启动的内因和外因，潜在的冲击启动区为极限平衡区，冲击启动的能量判据为E静 + E动 − Ec > 0；李玉生等 [13] 在总结国外经典理论的基础上，综合分析煤岩体的破坏准则、能量准则和冲击倾向性准则，得出了冲击地压产生的充分条件，即“三准则理论”；潘一山 [14] 认为煤岩变形系统的稳定性问题是由控制量、扰动量和响应量所影响，其中扰动量和响应量存在临界指标，控制量又决定了其临界指标。他提出了冲击地压扰动响应失稳发生的机理，并得出圆形巷道冲击地压的扰动响应失稳的判据解析解；齐庆新、李小璐等 [15] 从冲击地压防治角度出发，通过现场实践、相似模拟和数值模拟方法分析了应力控制下的冲击地压发生机理，提出了地压防治的“应力控制理论”，认为冲击地压的发生是由于应力的变化所引起的，冲击地压的防控实质上就是调整煤岩体的应力分布及降低高应力集中程度；窦林名、陆菜平等 [16] 提出了冲击地压治理的“强度弱化减冲理论”，从致灾源头入手找到降低冲击地压发生的工程技术措施，即对冲击危险区域的煤岩体进行卸压爆破使其松动，降低煤岩体的冲击倾向性，同时应力集中区向围岩深部转移，并降低应力集中程度，削弱冲击强度，起到了抑制冲击地压发生的作用。
2.2. 冲击地压破坏特征
冲击地压俗称“岩爆”，是指煤矿井巷或工作面周五煤(岩)体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤(岩)体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。冲击地压灾害的显著特点是突发性、形式复杂多样、震动性等，冲击地压发生前通常没有明显的宏观征兆，以片帮、冒顶、鼓底、煤与瓦斯突出等表现形式出现，并出现有不同程度的震感。通过对国内大量的冲击地压事故分析，总结出其主要特征如下：
1) 冲击地压的发生常与褶曲、断层等地质构造有密切关系，地压灾害出现大部分在构造异常及煤层揉皱变异性大的部位，主要受构造应力集中的控制；
2) 若覆盖于煤层之上的直接顶和基本顶是由厚度且力学强度大的岩层组成，即为冲击地压的“关键层”。关键层部位易产生应力集中，积聚大量的弹性势能，一旦超过冲击启动能量，就会产生顶板冲击；
3) 工作面冲击地压发生之后常伴随着煤与瓦斯突出、冲击浪波及矿震等次生动力现象，动力导致巷道支护变形破坏，液压支架倾倒，设备和人员被煤(岩)体掩埋；
4) 孤岛工作面开采的特殊性，其超前支承压力比常规开采较高，孤岛工作面前方煤体的四个边角处都出现很高的应力集中，发生冲击危险的可能性最大，这也是多数冲击地压发生在巷道处的主要原因。
3. 冲击地压监测与防治
3.1. 冲击地压监测方法
井下巷道冲击地压监测方法主要有钻屑法、锚杆(索)压力监测、微震监测、地音监测和电磁辐射技术。钻屑法、锚杆(索)压力监测为传统的检测手段，需要施工短钻孔，监测范围受钻孔数量和分布情况控制 [17] [18]。随着技术的不断发展，微震方法、地音监测和电磁辐射技术在矿压监测方面得到广泛应用，不仅可以实现在线监测，而且比传统的监测预警方法更为快捷、准确，如图1所示。
钻屑法预测：根据钻进时钻孔排出的煤岩粉量定性判断是否存在冲击地压危险。若钻孔进入无冲击地压煤岩体内时，排出的煤岩粉大致与钻孔直径掏空钻屑量相等。倘若钻入到高应力的煤岩体中，钻屑量会明显增大，伴随着孔内异响。随着不断钻进，则会出现顶钻、卡钻甚至钻杆抱死的情况。
Figure 1. Rockburst theory and monitoring and prevention technology
图1. 冲击地压理论与监测防治技术
锚杆(索)压力监测：将锚杆和锚索锚固于巷道顶板和两帮，通过安装在锚杆(索)端部的测力计现场或在线监测矿压变化，锚杆(索)布置距离为50 m，且第一个测点距离迎头不应超过50 m。因此，随着巷道不断向前开挖，测站点也要动态前移，保证距离满足监测要求。
微震监测：在巷道掘进时，煤岩体会发生破裂并以弹性波的形式向外释放能量，产生微震事件。微震事件的震动频率范围在0~150 Hz，能量大于100 J。进行微震监测传感器布设前，必须要将工作面进行优化分区。拾震器一般安装在工作面收作线外一定的距离，其有效接收距离通常在500~3000 m。根据微震监测的结果确定划分冲击危险区域。
地音(AE发射)监测：地音监测与微震监测类似，也是监测煤岩体破坏产生的弹性波，其震动频率高，频率大约在150~3000 Hz范围，震动能量一般为0~103 J。与微震不同的是，地音具有高频率、低能量的特点。研究表明，地音是煤岩体内应力释放的前兆，地音信号的强弱、大小等指标反映岩体受力的情况。地音监测系统是通过对近场煤岩破坏启动发生的地音信号的响应，可以实现约200 m范围的危险源探测。
电磁辐射技术：电磁辐射是一种非接触式监测技术，其原理是当受压力作用的煤岩体产生形变的同时会出现电磁辐射。大量观测资料表明，电磁辐射强度和载荷呈正相关，电磁辐射越强说明载荷越大，煤岩体受到的压力越大。反过来，当煤岩体承受的压力越来越大，监测到的电磁辐射强度也会增强，其产生冲击地压的概率就会增大。
3.2. 冲击地压防治技术
目前煤矿冲击地压治理防控的主要方法有开采保护层、煤体注水、预裂爆破、大直径钻孔卸压、水压致裂法等。开采保护层是煤矿冲击地压防控的区域治理方法，与瓦斯灾害治理思路类似。优先开采不具有冲击倾向性或冲击倾向性弱的煤层，使得受到冲击地压威胁的临近被保护煤层的高应力集中削弱，原岩储存的强大能量提前被释放，大大降低了冲击地压发生的可能性。如图2所示，石门揭煤期间在迎头和两帮布置循环卸压钻孔。回采工作面的煤体注水是在煤壁上施工钻孔，通过向孔内注水，以此来增加煤层的含水率。煤层的冲击特性与其含水率之间存在一定的关联性，通常含水率越高的煤岩体其弹性能则越低，进而煤层冲击危险性就越小。因此，煤层注水不仅可以降尘，同时也能起到降压减灾的作用。预裂爆破一般是解决顶板坚硬岩层冲击事故发生的有效措施，工作面液压支架向前移，架后顶板岩层会垮落，倘若是坚硬岩层则支架挪移后较长距离，顶板可能都不会垮落，出现大面积的悬顶。此时就需要采取主动预防措施，定期预裂爆破放顶，否则当坚硬顶板内应力集中超过其极限强度，就会发生大面积的顶板冒落，产生冲击地压事故。大孔径卸压就是在巷道顶底板或两帮利用液压坑道钻机向应力集中危险区施工大直径钻孔，通常直径大于95 mm，致使原岩的高应力解除，改变应力分布情况，应力集中向深部转移。水压致裂法能改造岩体结构，使致密岩石出现裂缝和扩张，降低岩石的整体强度。另一方面促进岩石的水化作用，降低岩石的力学性能。致裂后的硬岩层其冲击倾向性大大减弱，顶板岩层受力后及时垮落，采空区后方不会出现大范围的悬顶，消除了突然冒顶而导致的冲击地压、冲击波浪等危害。
(a) 钻孔平面图 (b) 钻孔剖面图
Figure 2. Pressure relief drilling design during uncovering coal on the cross-cut
图2. 石门揭煤卸压钻孔布置
4. 冲击地压理论的模拟研究
根据冲击地压灾害发生机理特征，本文以淮南矿区深部主采煤层开采为研究实例，利用基于有限元理论的RFPA2D数值方法模拟分析煤层回采期间，采空区内的顶底板裂隙发育及周期来压导致顶板垮落的情况。同时，在室内搭建相似材料模型，模拟下保活层开采对上部被保护层的卸压作用，从而起到了防治冲击地压灾害的发生作用。
4.1. RFPA2D数值模拟
目前淮南矿区大部分煤矿主采煤层为13-1煤和11-2煤，煤层赋存稳定，储量丰富。但在煤岩巷开掘过程中，时常发生顶板垮落砸伤人员和设备的现象。本文为研究煤层开采后顶板垮落规律，对研究区的地质条件进行概化，建立了100 m × 200 m的几何模型，由100 × 200个单元格组成，同时在模型顶部施加10 MPa的不变荷载，水平方向固定位移(图3所示)。假设同一岩层内各单元格为均质、各向同性材料，岩体内发育不同程度的节理裂隙，强度、弹性模量及泊松比等参数服从Weibull分布。具体物理力学参数见表1所示。
强度：
(1)
弹性模量：
(2)
f宏观、E宏观为岩石在实验室测量值；f细观、E细观为数值模拟输入值；m为材料的均值度。
具体模型从上到下分为10层，岩层破裂遵循Mohr-Coulomb准则。11-2煤从距左侧40 m开始开挖，推进步距为10 m，共模拟开挖5步。
Table 1. Physical and mechanical parameters of coal and rock
表1. 模拟岩层物理力学参数
由于11-2煤层顶底板岩性为粉砂岩，岩石力学性质较好，岩层相对较稳定。当煤层向工作面前方开挖10 m时，工作面开切眼和迎头前方出现不明显的集中应力，煤层顶板未出现裂隙。煤层开挖20 m和30 m时，在采空区顶板处逐渐出现裂隙发育现象，两端的应力集中程度较开挖初期有所增加。随着综采液压支架不断前移，当11-2煤层开挖至40 m时，采空区内顶板岩层的裂隙充分发育，在自重和地应力共同影响作用下，顶板出现大面积地垮落，同时裂隙向顶板上方延伸发育，进而前期聚集的地应力得到释放。当工作面向前回采50 m后，采空区顶板岩层垮落的范围不断扩大，伪顶彻底垮落，直接顶岩层内裂隙高度增加，最大裂隙高度约为28 m。由于岩层内软弱结构面的存在，顶板岩层逐渐显露出“离层”的现象。在11-2煤开采影响作用下，顶板破坏及应力分布如图4所示。
4.2. 相似材料模拟
通过在室内搭建相似材料模型，以此研究开采冲击倾向性弱的下保护层对上部具有冲击倾向性的被保护层卸压的冲击地压防治技术。本文建立的模型长高宽规格为300 m × 140 m，11-2煤与13-1煤的垂距约为50 m，11-2煤层从距左侧50 m处开始挖掘，总开挖长度为200 m，如图5(a)所示。随着工作面煤层不断被开采，煤层顶板出现周期性垮落，未垮落的顶板岩层出现裂缝发育和扩张。从图5(b)中可以看出，采区上覆的13-1煤层出现不同程度的沉降，13-1煤层与11-2煤顶板冒落带之间的地层发育大面积的裂缝，且裂隙一直延伸到13-1煤层顶板20 m附近。根据“应力控制理论”及“强度弱化减冲理论”等相关地压理论，煤层及围岩裂隙的形成和扩张打破了应力集中区的聚能效应，使初始集中应力向采区更远处转移，重新建立的高应力集中区远离采区安全空间范围外，降低了冲击地压发生的概率，确保了被保护煤层的安全回采。
(a) 开采前 
(b) 开采后
Figure 5. Similar material simulation experiment
图5. 相似材料模拟实验
5. 结论
针对我国煤矿不断向深部开采的现状，矿井冲击地压灾害事故日渐突显，在借鉴国外煤矿冲击地压防治与采掘工程岩层控制理论和经验的基础上，形成了以围绕冲击地压发生致灾机理、监测防控方面特有的研究成果。
1) 本文主要介绍近年来国内专家学者提出的冲击地压理论和监测预警及防治技术，如“三因素理论”、“冲击启动理论”、“三准则理论”、“应力控制理论”等。煤矿生产企业建立了多个完善的监测系统平台，实现了井上下信号稳定传输，做到实时监控，同时采取水力压裂、煤层注水、保护层开采、钻孔卸压等方法改变煤岩体的冲击倾向性和应力集中区的分布，起到地压灾害防治的目的。
2) 以具体工程实例为背景，分别利用RFPA2D岩石破碎有限元数值模拟和相似材料模型分析淮南矿区主采煤层顶板垮落破坏的地压规律及保护层开采的冲击地压防治技术。阐明了集中应力超过岩石的极限强度后，岩石首先会产生裂隙，继续发展为顶板岩层垮落。保护层开采改变了被保护煤层及围岩的完整性，降低了冲击地压发生的概率，起到防控的效果。
基金项目
安徽省自然科学基金项目(1908085ME145)；安徽理工大学研究生创新基金项目(2020CX2004)。
NOTES
*通讯作者。