核心提示：　　基金項目：國家重點基礎研究發展規劃（973）資助項目（2010CB226800）；國家自然科學基金資助項目（51174213）；中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點。）材料失穩型（b）滑移錯動型

　　基金項目：國家重點基礎研究發展規劃（973）資助項目（2010CB226800）；國家自然科學基金資助項目（51174213）；中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點。）材料失穩型（b）滑移錯動型（c）結構災穩型沖擊地壓的三種類型示意圖滑移錯動型沖擊地壓。

　　滑移錯動型沖擊地壓如（b）所示，是指在采動影響下由于頂底板與煤層剛度的不同而導致的煤層滑移錯動沖擊擠出，如Lippmann研究的煤層平動突出模型5；或井巷附近的斷層、構造或結構面的滑移錯動誘發而產生突然劇烈破壞的動力現象。

　　結構失穩型沖擊地壓。

　　井巷或工作面周圍巖體，由于采動應力或頂板大面積懸頂突然破斷或礦震誘發而產生突然劇烈破壞的動力現象，經常是煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出而發生整體井巷結構失穩，如（c）所示。如孤島工作面的開采、煤柱的回收、堅硬頂板下的煤層開采等。例如2008-06-05千秋煤礦發生的一起沖擊地壓事故，采場圍巖瞬間釋放的巨大能量致使105m長的巷道工程發生沖擊突出破壞。

　　在煤炭開采實踐中，第2，3類的沖擊地壓所引發的破壞通常比第1類更劇烈，這類沖擊地壓沖出煤量大、動能多、震動大，往往造成巨大的破壞和嚴重后果。

　　2沖擊地壓發生機理與防治研究中的關鍵科學問題生產實踐表明煤礦沖擊地壓這種動力災害現象發生時一般沒有明顯的宏觀前兆，具有突發性、瞬時震動性、巨大破壞性特征，事先難以確定發生的時間、地點和強度。從力學本質上講煤礦沖擊地壓是特定地質賦存條件下的煤巖體系統由于采礦活動在變形破壞過程中能量的穩定態積聚、非穩定態釋放的非線性動力學過程，是其外部荷載環境、內部結構、構造及其物理力學性質的綜合反映，其形成過程非常復雜，涉及地質、采礦、地球物理、巖石力學和非線性動力學等交叉學科，同時該問題具有明顯的時空演化特征。

　　與地下廠房、水電硐室、地鐵隧道等其它行業地下工程相比，煤礦開采具有十分鮮明的特征：①開采空間范圍大。我國深部煤礦普遍采用長壁開采方法，形成了數十萬甚至數百萬立方米的開采空間，開采范圍之大、采動波及之廣是其他任何地下工程不能比擬的。②開采擾動強烈。大空間快速推采的長壁開采方法對圍巖形成強烈開采擾動，引起上覆巖層垮落、地表大面積變形沉降，尤其是對于深部一礦一面集中開采的千萬噸級礦井而言，開采所導致大范圍的強烈擾動更是淺部開采和其它地下工程所不能比擬的。③介質屬性和應力狀態復雜。除了深部煤田地質賦存條件的復雜性外，大范圍開采對采掘空間周圍煤巖體形成反復擾動，使之多次經歷變形、破壞過程，致使煤巖體的介質屬性既具有斷續結構特征，又具有破斷介質屬性；工作面處于高地應力和強卸荷共同作用下，采掘誘致地應力重分布時空關系復雜，高應力釋放、轉移、傳遞引起的煤巖體能量耗散與能量釋放過程的動力學特征明顯，極易誘發沖擊地壓動力災害。

　　我國學者通過多年研究，提出煤炭開采中沖擊地壓機理和防治技術領域需解決的4個關鍵科學問題：地質賦存條件對沖擊地壓的作用機制及量化分析方法。

　　在長期的地質演變過程中深部煤巖體內蘊藏著巨大的變形能，其儲能程度和原巖應力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分，也取決于地質構造、斷層、褶曲的程度。同時深部煤層開采時堅硬頂板（特別是厚層砂巖頂板）的運動失穩也是導致礦柱和采場巷道工作面發生瞬時沖擊動力災害的誘因。

　　因此沖擊地壓災害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應力場和構造應力異常密切相關，如何科學定量描述地質賦存條件的作用機制及其與煤礦沖擊地壓災害的相關性是個共性科學問題。通過研究這科學問題，揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質構造和原巖應力條件對煤礦深井動力災害成災的作用機制。

　　深部斷續煤巖體的變形破壞規律和工程動力響應特征。

　　深部煤巖體通常為含有節理裂隙的層狀結構。

　　深部煤炭的集中開采強烈擾動使得采場和巷道周圍的煤巖體不可避免地發生變形和破壞從而形成斷續結構。在多次開采擾動和長期的流變過程中，這種斷續結構煤巖體會出現新的破裂和強度不斷衰減的循環過程，從而導致大變形、強流變和超低摩擦效應，在一定條件下將會引起沖擊地壓動力災害。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，圍巖的突發性動力破壞是由于斷續煤巖體結構特征、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結果。因此通過探索深部斷續煤巖體的變形破壞規律和工程動力響應特征這一科學問題，研究斷續煤巖體結構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展的穩定條件，從而搞清楚巷道圍巖破裂后（峰后）的力學響應、圍巖失穩特性及其演化規律和動力失穩控制對策。

　　采動應力分布、能量場的時空演化規律與多因素耦合致災機理。

　　開采前煤巖體處于深部三維應力平衡狀態下，開采活動打破了原有的應力平衡，導致采場三維空間中的宏觀應力場與能量場的重新分布，這種應力場與能量場的動態演化與發展必然為動力災害的孕育、發生和發展創造條件。因此通過研究采動應力分布和能量場的時空演化規律與多因素耦合致災機理，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制、能量場的時空演化規律以及動力災變的能量觸發條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動力失穩的模型與判別準則和能量分析體系。

　　沖擊地壓的多參量監測預警與防治的理論與方法。

　　在沖擊地壓動力災害孕育發展過程中，煤巖體中應力狀態將發生變化并同時伴隨能量的釋放，其中，微震、聲發射、電磁輻射就是這種釋放過程的物理效應之。研究煤巖體在變形破壞過程中的應力、微震、聲發射、電磁輻射等前兆信息規律，通過監測、分析井巷和采場附近煤巖體的應力變化及微震、聲發射和電磁輻射活動等前兆信息的多參量動態變化趨勢，就可以建立沖擊地壓監測預警系統進行預警預報和有效防治。同時從沖擊地壓等動力災害發生的條件入手，探討開拓開采巷道布置方式、開采順序、保護層開采等方法控制應力分布的機理；研究新礦井在開采設計階段或已生產礦井對未開采區域進行合理開采設計與保護層開采對防止沖擊地壓等動力災害發生的機理，提出煤礦深部開采的優化開采設計理論與方法。

　　3沖擊地壓發生機理與防治技術研究現狀及存在問題3.1煤礦發生沖擊地壓的地質構造條件及相互作用機制深部煤礦沖擊地壓的形成與礦井深部區域地質特征、構造形成演化過程及區域應力環境等因素有著密切的關系，深部煤層所經歷地質演化控制著煤層的產狀、展布和厚度，影響著地質構造的賦存、構造應力場或殘余應力場的分布。地質的動力運動產生了多種地質構造，而這些構造的特征直接決定著礦井地質災害的發生條件，也是誘發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沖擊地壓的主要地質條件。

　　煤層沖擊傾向性指標最早由波蘭學者提出，我國目前用彈性能指數、沖擊能指數、動態破壞時間和單軸抗壓強度4個指標作為煤層的沖擊傾向性指標。通過對近10年我國發生沖擊地壓的礦井進行統計發現，其中強沖擊傾向性占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%，說明大部分發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生了沖擊地壓，如徐州權臺礦、平頂山十礦和北京大安山礦均為軟弱無沖擊傾向煤層。考慮到。應當指出，不同監測系統的監測原理不同，監測對象、有效精度、監測范圍也不同，如何從這些前兆信息中判別得出的正確的預警結果仍有很長的路要走。例如義馬千秋煤礦雖然安裝了ARAMIS、ESG微震監測系統和KBD-5、KBD -7電磁輻射儀等監測設備，但還是未能對2011年發生的“11.3”沖擊地壓事故做出預測預報。

　　沖擊地壓的防治技術可概括地分為3種：一是采用采礦優化設計方法以避免沖擊地壓的發生，包括優化開拓布置、解放層開采、無煤柱開采、預掘卸壓巷、寬巷掘進、寬巷留柱法等；二是對已具有沖擊危險的區域進行解危，避免高應力集中和改善煤巖體介質性質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方法，通過增大支護強度或改善支護方式以提高支護體抵抗沖擊的能力，這是種被動防護方法，如沖擊震動巷道圍巖剛柔蓄能支護法、高預應力、強力錨桿U型鋼支護法、門式液壓支架（或垛式液壓支架）法、恒阻大變形錨桿（索）支護法等。應當指出，開采設計優化方法是從源頭上消除應力高度集中，降低沖擊地壓危險的一類方法，目前許多沖擊地壓礦井由于在開采設計階段沒有考慮開采中的應力疊加和集中問題，從而造成了后期開采生產中出現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化和保護層開采等開采設計優化手段可達到消除應力多次疊加產生的應力高度集中的目的。

　　沖擊地壓的技術管理體系和防沖工作流程設計也十分重要，如山東能源集團制定了嚴格的沖擊地壓礦井和嚴重沖擊地壓煤層開采生產中的8項管理規定：開采前進行沖擊地壓危險性評價、開采設計方案優化、開采前的防沖預處理、開采過程中的監測預警、開采過程中的危險區解危、解危效果檢驗、沖擊地壓工作面的安全管理、沖擊地壓防治經驗的總結，建立了防沖‘’三個體系和一個流程“即組織體系（防沖人員）、技術體系（技術、裝備投入）、管理體系（相關防沖管理制度）和閉環式的工作流程，在技術體系中，重點要做到危險區‘’三強”防沖技術，即強卸壓、強監測和強防護，取得了較好的防沖效果。

　　為滿足深部煤礦沖擊地壓監測預警的重大需求，深井沖擊地壓的監測預警理論、技術和手段均有待完善。同時，國內外對沖擊地壓防治方法的機理研究滯后于沖擊地壓防治的實踐，因此對沖擊地壓等動力災害機理及防治方法的理論研究仍是今后沖擊地壓動力災害研究的長期目標。在裝備預警監測設備的基礎上，從優化開采設計、改變采動應力場分布、改善局部煤巖體性質等方面入手，研究深部煤礦沖擊地壓的理論和沖擊地壓解危技術方法，建立適合我國煤礦深部沖擊地壓綜合防治的理論與技術體系，是最終實現對沖擊地壓等煤巖沖擊地壓有效防治的重要保障。

　　4結論煤礦沖擊地壓的本質是煤巖體系統由于采礦活動在變形破壞過程中能量的穩定態積聚、非穩定態釋放的非線性動力學過程，根據失穩形式和失穩機理對沖擊地壓進行分類，可分為：材料失穩型沖擊、滑移錯動型沖擊和結構失穩型沖擊3種類型。

　　煤炭開采中的沖擊地壓問題研究需要解決4個方面的科學問題：地質賦存環境對沖擊地壓的作用機制及量化分析方法、深部斷續煤巖體的變形破壞規律和工程動力響應特征、采動應力分布和能量場的時空演化規律與多因素耦合致災機理、煤礦沖擊地壓的監測預警與防治方法，這些問題的解決有利于揭示沖擊地壓的機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。

　　我國煤炭深部開采中沖擊地壓問題的研究取得了系列的研究成果，但仍需在深部煤層地質構造特征、煤巖層空間結構與動力災害的關系，深部開采中的采場應力空間演化規律與致災機理，沖擊地壓防治方法的理論研究等方面做進一步的探索。

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