核心提示：　　基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）資助項(xiàng)目（2010CB226800）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51174213）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)。）材料失穩(wěn)型（b）滑移錯(cuò)動(dòng)型

　　基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）資助項(xiàng)目（2010CB226800）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51174213）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)。）材料失穩(wěn)型（b）滑移錯(cuò)動(dòng)型（c）結(jié)構(gòu)災(zāi)穩(wěn)型沖擊地壓的三種類型示意圖滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓。

　　滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓如（b）所示，是指在采動(dòng)影響下由于頂?shù)装迮c煤層剛度的不同而導(dǎo)致的煤層滑移錯(cuò)動(dòng)沖擊擠出，如Lippmann研究的煤層平動(dòng)突出模型5；或井巷附近的斷層、構(gòu)造或結(jié)構(gòu)面的滑移錯(cuò)動(dòng)誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。

　　結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。

　　井巷或工作面周圍巖體，由于采動(dòng)應(yīng)力或頂板大面積懸頂突然破斷或礦震誘發(fā)而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，經(jīng)常是煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出而發(fā)生整體井巷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如（c）所示。如孤島工作面的開采、煤柱的回收、堅(jiān)硬頂板下的煤層開采等。例如2008-06-05千秋煤礦發(fā)生的一起沖擊地壓事故，采場(chǎng)圍巖瞬間釋放的巨大能量致使105m長(zhǎng)的巷道工程發(fā)生沖擊突出破壞。

　　在煤炭開采實(shí)踐中，第2，3類的沖擊地壓所引發(fā)的破壞通常比第1類更劇烈，這類沖擊地壓沖出煤量大、動(dòng)能多、震動(dòng)大，往往造成巨大的破壞和嚴(yán)重后果。

　　2沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與防治研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題生產(chǎn)實(shí)踐表明煤礦沖擊地壓這種動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生時(shí)一般沒有明顯的宏觀前兆，具有突發(fā)性、瞬時(shí)震動(dòng)性、巨大破壞性特征，事先難以確定發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度。從力學(xué)本質(zhì)上講煤礦沖擊地壓是特定地質(zhì)賦存條件下的煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動(dòng)在變形破壞過程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動(dòng)力學(xué)過程，是其外部荷載環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反映，其形成過程非常復(fù)雜，涉及地質(zhì)、采礦、地球物理、巖石力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科，同時(shí)該問題具有明顯的時(shí)空演化特征。

　　與地下廠房、水電硐室、地鐵隧道等其它行業(yè)地下工程相比，煤礦開采具有十分鮮明的特征：①開采空間范圍大。我國(guó)深部煤礦普遍采用長(zhǎng)壁開采方法，形成了數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)立方米的開采空間，開采范圍之大、采動(dòng)波及之廣是其他任何地下工程不能比擬的。②開采擾動(dòng)強(qiáng)烈。大空間快速推采的長(zhǎng)壁開采方法對(duì)圍巖形成強(qiáng)烈開采擾動(dòng)，引起上覆巖層垮落、地表大面積變形沉降，尤其是對(duì)于深部一礦一面集中開采的千萬(wàn)噸級(jí)礦井而言，開采所導(dǎo)致大范圍的強(qiáng)烈擾動(dòng)更是淺部開采和其它地下工程所不能比擬的。③介質(zhì)屬性和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。除了深部煤田地質(zhì)賦存條件的復(fù)雜性外，大范圍開采對(duì)采掘空間周圍煤巖體形成反復(fù)擾動(dòng)，使之多次經(jīng)歷變形、破壞過程，致使煤巖體的介質(zhì)屬性既具有斷續(xù)結(jié)構(gòu)特征，又具有破斷介質(zhì)屬性；工作面處于高地應(yīng)力和強(qiáng)卸荷共同作用下，采掘誘致地應(yīng)力重分布時(shí)空關(guān)系復(fù)雜，高應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移、傳遞引起的煤巖體能量耗散與能量釋放過程的動(dòng)力學(xué)特征明顯，極易誘發(fā)沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。

　　我國(guó)學(xué)者通過多年研究，提出煤炭開采中沖擊地壓機(jī)理和防治技術(shù)領(lǐng)域需解決的4個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：地質(zhì)賦存條件對(duì)沖擊地壓的作用機(jī)制及量化分析方法。

　　在長(zhǎng)期的地質(zhì)演變過程中深部煤巖體內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的變形能，其儲(chǔ)能程度和原巖應(yīng)力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分，也取決于地質(zhì)構(gòu)造、斷層、褶曲的程度。同時(shí)深部煤層開采時(shí)堅(jiān)硬頂板（特別是厚層砂巖頂板）的運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)也是導(dǎo)致礦柱和采場(chǎng)巷道工作面發(fā)生瞬時(shí)沖擊動(dòng)力災(zāi)害的誘因。

　　因此沖擊地壓災(zāi)害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力異常密切相關(guān)，如何科學(xué)定量描述地質(zhì)賦存條件的作用機(jī)制及其與煤礦沖擊地壓災(zāi)害的相關(guān)性是個(gè)共性科學(xué)問題。通過研究這科學(xué)問題，揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造和原巖應(yīng)力條件對(duì)煤礦深井動(dòng)力災(zāi)害成災(zāi)的作用機(jī)制。

　　深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征。

　　深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結(jié)構(gòu)。

　　深部煤炭的集中開采強(qiáng)烈擾動(dòng)使得采場(chǎng)和巷道周圍的煤巖體不可避免地發(fā)生變形和破壞從而形成斷續(xù)結(jié)構(gòu)。在多次開采擾動(dòng)和長(zhǎng)期的流變過程中，這種斷續(xù)結(jié)構(gòu)煤巖體會(huì)出現(xiàn)新的破裂和強(qiáng)度不斷衰減的循環(huán)過程，從而導(dǎo)致大變形、強(qiáng)流變和超低摩擦效應(yīng)，在一定條件下將會(huì)引起沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害。在深部煤炭開采工程中，巷道圍巖的破壞并不意味著巷道的失效，圍巖的突發(fā)性動(dòng)力破壞是由于斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結(jié)果。因此通過探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征這一科學(xué)問題，研究斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及破裂后的變形破壞特征，研究允許圍巖破壞但限制其變形發(fā)展的穩(wěn)定條件，從而搞清楚巷道圍巖破裂后（峰后）的力學(xué)響應(yīng)、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動(dòng)力失穩(wěn)控制對(duì)策。

　　采動(dòng)應(yīng)力分布、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理。

　　開采前煤巖體處于深部三維應(yīng)力平衡狀態(tài)下，開采活動(dòng)打破了原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致采場(chǎng)三維空間中的宏觀應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的重新分布，這種應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化與發(fā)展必然為動(dòng)力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。因此通過研究采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理，可以揭示深部裂隙煤巖體在開采過程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及動(dòng)力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系。

　　沖擊地壓的多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治的理論與方法。

　　在沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害孕育發(fā)展過程中，煤巖體中應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化并同時(shí)伴隨能量的釋放，其中，微震、聲發(fā)射、電磁輻射就是這種釋放過程的物理效應(yīng)之。研究煤巖體在變形破壞過程中的應(yīng)力、微震、聲發(fā)射、電磁輻射等前兆信息規(guī)律，通過監(jiān)測(cè)、分析井巷和采場(chǎng)附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動(dòng)等前兆信息的多參量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，就可以建立沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)和有效防治。同時(shí)從沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的條件入手，探討開拓開采巷道布置方式、開采順序、保護(hù)層開采等方法控制應(yīng)力分布的機(jī)理；研究新礦井在開采設(shè)計(jì)階段或已生產(chǎn)礦井對(duì)未開采區(qū)域進(jìn)行合理開采設(shè)計(jì)與保護(hù)層開采對(duì)防止沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理，提出煤礦深部開采的優(yōu)化開采設(shè)計(jì)理論與方法。

　　3沖擊地壓發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù)研究現(xiàn)狀及存在問題3.1煤礦發(fā)生沖擊地壓的地質(zhì)構(gòu)造條件及相互作用機(jī)制深部煤礦沖擊地壓的形成與礦井深部區(qū)域地質(zhì)特征、構(gòu)造形成演化過程及區(qū)域應(yīng)力環(huán)境等因素有著密切的關(guān)系，深部煤層所經(jīng)歷地質(zhì)演化控制著煤層的產(chǎn)狀、展布和厚度，影響著地質(zhì)構(gòu)造的賦存、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)或殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布。地質(zhì)的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了多種地質(zhì)構(gòu)造，而這些構(gòu)造的特征直接決定著礦井地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生條件，也是誘發(fā)煤礦沖擊地壓的主要因素。

　　研究表明煤巖的沖擊傾向性、斷層和褶曲賦存狀況、上覆巖層賦存條件是誘發(fā)沖擊地壓的主要地質(zhì)條件。

　　煤層沖擊傾向性指標(biāo)最早由波蘭學(xué)者提出，我國(guó)目前用彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間和單軸抗壓強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)作為煤層的沖擊傾向性指標(biāo)。通過對(duì)近10年我國(guó)發(fā)生沖擊地壓的礦井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中強(qiáng)沖擊傾向性占29%，中等沖擊傾向性占8%，弱沖擊傾向性占38%，未做沖擊傾向性鑒定占25%，說(shuō)明大部分發(fā)生沖擊地壓礦井的煤層都具有沖擊傾向性。但在些沒有沖擊傾向性的礦井也發(fā)生了沖擊地壓，如徐州權(quán)臺(tái)礦、平頂山十礦和北京大安山礦均為軟弱無(wú)沖擊傾向煤層。考慮到。應(yīng)當(dāng)指出，不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理不同，監(jiān)測(cè)對(duì)象、有效精度、監(jiān)測(cè)范圍也不同，如何從這些前兆信息中判別得出的正確的預(yù)警結(jié)果仍有很長(zhǎng)的路要走。例如義馬千秋煤礦雖然安裝了ARAMIS、ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KBD-5、KBD -7電磁輻射儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備，但還是未能對(duì)2011年發(fā)生的“11.3”沖擊地壓事故做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

　　沖擊地壓的防治技術(shù)可概括地分為3種：一是采用采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以避免沖擊地壓的發(fā)生，包括優(yōu)化開拓布置、解放層開采、無(wú)煤柱開采、預(yù)掘卸壓巷、寬巷掘進(jìn)、寬巷留柱法等；二是對(duì)已具有沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行解危，避免高應(yīng)力集中和改善煤巖體介質(zhì)性質(zhì)以減弱積聚彈性能的能力，包括頂板深孔爆破、煤層卸載爆破、煤層高壓注水、大孔卸壓法、定向水力壓裂法、高壓水射流切槽、斷底爆破法、預(yù)掘卸壓硐室、煤層高壓水力壓裂、底板切槽法等；三是采用更有效的支護(hù)方法，通過增大支護(hù)強(qiáng)度或改善支護(hù)方式以提高支護(hù)體抵抗沖擊的能力，這是種被動(dòng)防護(hù)方法，如沖擊震動(dòng)巷道圍巖剛?cè)嵝钅苤ёo(hù)法、高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿U型鋼支護(hù)法、門式液壓支架（或垛式液壓支架）法、恒阻大變形錨桿（索）支護(hù)法等。應(yīng)當(dāng)指出，開采設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是從源頭上消除應(yīng)力高度集中，降低沖擊地壓危險(xiǎn)的一類方法，目前許多沖擊地壓礦井由于在開采設(shè)計(jì)階段沒有考慮開采中的應(yīng)力疊加和集中問題，從而造成了后期開采生產(chǎn)中出現(xiàn)了孤島煤柱開采和上覆煤柱下方開采的局面，如果通過巷道布置優(yōu)化和保護(hù)層開采等開采設(shè)計(jì)優(yōu)化手段可達(dá)到消除應(yīng)力多次疊加產(chǎn)生的應(yīng)力高度集中的目的。

　　沖擊地壓的技術(shù)管理體系和防沖工作流程設(shè)計(jì)也十分重要，如山東能源集團(tuán)制定了嚴(yán)格的沖擊地壓礦井和嚴(yán)重沖擊地壓煤層開采生產(chǎn)中的8項(xiàng)管理規(guī)定：開采前進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、開采設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、開采前的防沖預(yù)處理、開采過程中的監(jiān)測(cè)預(yù)警、開采過程中的危險(xiǎn)區(qū)解危、解危效果檢驗(yàn)、沖擊地壓工作面的安全管理、沖擊地壓防治經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，建立了防沖‘’三個(gè)體系和一個(gè)流程“即組織體系（防沖人員）、技術(shù)體系（技術(shù)、裝備投入）、管理體系（相關(guān)防沖管理制度）和閉環(huán)式的工作流程，在技術(shù)體系中，重點(diǎn)要做到危險(xiǎn)區(qū)‘’三強(qiáng)”防沖技術(shù)，即強(qiáng)卸壓、強(qiáng)監(jiān)測(cè)和強(qiáng)防護(hù)，取得了較好的防沖效果。

　　為滿足深部煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的重大需求，深井沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警理論、技術(shù)和手段均有待完善。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)沖擊地壓防治方法的機(jī)理研究滯后于沖擊地壓防治的實(shí)踐，因此對(duì)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理及防治方法的理論研究仍是今后沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害研究的長(zhǎng)期目標(biāo)。在裝備預(yù)警監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化開采設(shè)計(jì)、改變采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布、改善局部煤巖體性質(zhì)等方面入手，研究深部煤礦沖擊地壓的理論和沖擊地壓解危技術(shù)方法，建立適合我國(guó)煤礦深部沖擊地壓綜合防治的理論與技術(shù)體系，是最終實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓等煤巖沖擊地壓有效防治的重要保障。

　　4結(jié)論煤礦沖擊地壓的本質(zhì)是煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動(dòng)在變形破壞過程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動(dòng)力學(xué)過程，根據(jù)失穩(wěn)形式和失穩(wěn)機(jī)理對(duì)沖擊地壓進(jìn)行分類，可分為：材料失穩(wěn)型沖擊、滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊3種類型。

　　煤炭開采中的沖擊地壓?jiǎn)栴}研究需要解決4個(gè)方面的科學(xué)問題：地質(zhì)賦存環(huán)境對(duì)沖擊地壓的作用機(jī)制及量化分析方法、深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動(dòng)力響應(yīng)特征、采動(dòng)應(yīng)力分布和能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理、煤礦沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治方法，這些問題的解決有利于揭示沖擊地壓的機(jī)理并提出行之有效的防治方法，保障煤炭資源的安全高效開采。

　　我國(guó)煤炭深部開采中沖擊地壓?jiǎn)栴}的研究取得了系列的研究成果，但仍需在深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征、煤巖層空間結(jié)構(gòu)與動(dòng)力災(zāi)害的關(guān)系，深部開采中的采場(chǎng)應(yīng)力空間演化規(guī)律與致災(zāi)機(jī)理，沖擊地壓防治方法的理論研究等方面做進(jìn)一步的探索。

　　由于篇幅所限，文中省略了大量圖表和公式，并感謝王濤、祝捷等同志對(duì)本文形成做出的貢獻(xiàn)。