煤礦深部開采沖擊地壓災(zāi)害結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)架構(gòu)

張俊文，宋治祥，劉金亮，董續(xù)凱，張 楊，齊慶新，趙善坤，秦 凱，陳見行，顏廷杰，王 龍，趙 寧

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.山東能源新礦集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東 泰安 271413；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；5.煤炭科學(xué)研究總院煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引 言

隨著淺部礦物資源逐漸枯竭，資源開發(fā)不斷走向地球深部，深部災(zāi)害成為必須解決的戰(zhàn)略科技問題。 煤炭是我國的主體能源，埋深2 000 m 以淺的煤炭資源總量為5.9 萬億t，其中埋深超過1 000 m的占50%以上，主要分布在我國中東部地區(qū)，該地區(qū)的煤礦大部分已進(jìn)入深部開采［1-2］。 隨著我國煤礦開采強(qiáng)度和開采深度不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一［3-4］。

多年來，相關(guān)研究人員在沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、預(yù)測預(yù)警、控制方法等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了重要進(jìn)展。 在發(fā)生機(jī)理方面，相繼提出了強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論［5］、三準(zhǔn)則［6］、材料失穩(wěn)理論［7-8］、三因素機(jī)理［9］、沖擊傾向性理論［10-11］、強(qiáng)度弱化減沖理論［12］、沖擊啟動(dòng)理論［13］、應(yīng)力控制理論［14］、沖擊擾動(dòng)響應(yīng)失穩(wěn)理論［15］等。 在沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警方面，鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測、地音法、聲發(fā)射［16］、微震監(jiān)測［17］、電磁輻射［18］等方法在實(shí)驗(yàn)室及工程現(xiàn)場中發(fā)揮了重要作用，這些監(jiān)測預(yù)警方法不僅可以監(jiān)測沖擊地壓發(fā)生的位置和時(shí)間，而且也可測定釋放的能量及相關(guān)震動(dòng)參量，對(duì)沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警發(fā)揮了積極作用。 在沖擊地壓控制方面，普遍采用采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)、切縫、鉆孔、爆破、水力壓裂、切頂?shù)热斯ば秹悍椒ㄒ郧笳{(diào)整高應(yīng)力狀態(tài)，或采用更有效的支護(hù)方法，如沖擊震動(dòng)巷道圍巖高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿+U 型鋼支護(hù)法、防沖液壓支架［19］、恒阻大變形錨桿（索）支護(hù)法［20］等。 這些研究成果對(duì)我國沖擊地壓防治，特別是淺部開采發(fā)揮了重要作用。

隨著煤礦進(jìn)入深部開采，原巖應(yīng)力增大，瓦斯壓力增加，圍巖應(yīng)力場的復(fù)雜性、圍巖的大變形和強(qiáng)流變性、動(dòng)力響應(yīng)的突變性、深部巖體的脆延轉(zhuǎn)化特性等，使得深部礦井沖擊地壓災(zāi)害表現(xiàn)出與淺部不同的特征［21］：強(qiáng)度更大；破壞影響范圍更廣；空間位置分布更加分散；發(fā)生更突然；復(fù)合災(zāi)害增多。 深部開采沖擊地壓防控仍然面臨重大難題，國內(nèi)外沖擊地壓災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生，沖擊地壓災(zāi)害不管在致災(zāi)條件、致災(zāi)過程，還是在控制手段等方面取得的理論成果及技術(shù)水平與深部煤炭資源安全高效開采的需求相差甚遠(yuǎn)。 因此，煤礦沖擊地壓災(zāi)害的有效治理仍然是嚴(yán)重制約煤炭深部安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。 盡快突破煤礦深部開采中沖擊地壓災(zāi)害的關(guān)鍵技術(shù)難題，尋求沖擊地壓致災(zāi)演化、監(jiān)測預(yù)警及治災(zāi)控制的科學(xué)規(guī)律，達(dá)到對(duì)沖擊地壓災(zāi)害的有效治理已迫在眉睫。

針對(duì)煤礦深部開采沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警及綜合防治問題，筆者凝練了煤礦深部開采沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理及綜合防控的關(guān)鍵科學(xué)問題，提出了沖擊地壓災(zāi)害防治的結(jié)構(gòu)調(diào)控理念及科學(xué)內(nèi)涵，確立了深部沖擊地壓災(zāi)害多參量監(jiān)測預(yù)警及結(jié)構(gòu)調(diào)控減沖的技術(shù)架構(gòu)，為有效遏制沖擊地壓災(zāi)害提供科學(xué)支撐及技術(shù)保障。

1 深部開采沖擊地壓災(zāi)害結(jié)構(gòu)調(diào)控的科學(xué)內(nèi)涵

沖擊地壓是指煤礦井巷或采煤工作面周圍煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、急劇破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤（巖）體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等。 為揭示沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，強(qiáng)度、剛度、能量、三準(zhǔn)則、三因素、變形系統(tǒng)失穩(wěn)、沖擊啟動(dòng)、應(yīng)力控制等理論等論點(diǎn)相繼提出，這些理論在一定程度上較好地解釋了沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，對(duì)沖擊地壓的有效防治做出了重要貢獻(xiàn)。 但隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害仍呈增長趨勢，傳統(tǒng)的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及防治理念已不能滿足深部安全開采的需要。 因此，有必要追溯深部開采沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及有效防控的深層次原因。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，傳統(tǒng)的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理基本都是將應(yīng)力和能量作為主要影響因素，普遍認(rèn)為沖擊地壓是由于煤巖體中彈性能的大量聚集，當(dāng)達(dá)到一定的極限后，煤巖體突然失穩(wěn)，沖擊地壓災(zāi)害隨之發(fā)生。 沖擊地壓防治是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從系統(tǒng)工程角度看，巖石力學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是保證巖石力學(xué)系統(tǒng)功能和整體作用的基礎(chǔ)，系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)信息是系統(tǒng)控制變量的一個(gè)構(gòu)成部分。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的改變，其功能和整體作用就會(huì)改變。 處于臨界或不穩(wěn)定狀態(tài)的巖石力學(xué)系統(tǒng)，通過調(diào)整、優(yōu)化其結(jié)構(gòu)形式，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加固，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，防止系統(tǒng)失穩(wěn)［22］。 因此，一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化是引起應(yīng)力變化及轉(zhuǎn)移的根本原因，應(yīng)力僅是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的外在顯現(xiàn)形式。 傳統(tǒng)應(yīng)力控制與結(jié)構(gòu)調(diào)控防治沖擊地壓對(duì)比如圖1所示，2 種方法均采用工程卸壓手段，前者強(qiáng)調(diào)對(duì)已形成的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移，而后者突出對(duì)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)控，使之不形成高應(yīng)力。

圖1 沖擊地壓應(yīng)力控制與結(jié)構(gòu)調(diào)控理念對(duì)比Fig.1 Concepts comparison of stress control and structural modulation in rock burst

深部開采沖擊地壓災(zāi)害結(jié)構(gòu)調(diào)控主要由區(qū)域子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控和局部子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控組成。 區(qū)域子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控包括了空間調(diào)控、工藝調(diào)控和采法調(diào)控；局部子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控由圍巖調(diào)控和卸壓調(diào)控2部分組成。 具體到區(qū)域調(diào)控和局部調(diào)控又有較多工藝可供選擇，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控的技術(shù)思路如圖2 所示，對(duì)于區(qū)域子系統(tǒng)，通過采用空間巷道布置、開采方法等進(jìn)行調(diào)控；對(duì)于局部子系統(tǒng)，通過采用圍巖改性、水壓致裂、卸壓爆破等進(jìn)行調(diào)控。

圖2 沖擊地壓結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)路線Fig.2 Technical route for structural control of rock burst

2 深部沖擊地壓災(zāi)害結(jié)構(gòu)調(diào)控核心科學(xué)問題

2.1 擾動(dòng)作用下沖擊性煤巖體應(yīng)力場時(shí)空演變

具有高應(yīng)力或高變形能的沖擊性煤巖體在外部動(dòng)態(tài)擾動(dòng)作用下，使得沖擊能沿軟弱結(jié)構(gòu)面或易引起突變滑動(dòng)的層狀界面突然釋放而引起沖擊地壓災(zāi)害。掌握煤巖體應(yīng)力場分布特征對(duì)于煤礦安全開采、災(zāi)害防治至關(guān)重要。 煤巖體應(yīng)力場分布與煤巖介質(zhì)材料、圍巖結(jié)構(gòu)、開采擾動(dòng)、水化作用等密切相關(guān)，具有與時(shí)間、空間有關(guān)的動(dòng)態(tài)演變特征。 在卸荷作用下，三維應(yīng)力場形態(tài)、卸荷邊界及圍巖應(yīng)力場時(shí)空演化規(guī)律又關(guān)系著卸荷范圍內(nèi)應(yīng)力演變力學(xué)機(jī)制。

2.2 深部沖擊地壓多元前兆信息耦合辨識(shí)及預(yù)警

沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警是一個(gè)多維空間的信息描述問題，需要運(yùn)用多學(xué)科，多種觀測方法，對(duì)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析和處理，通過不同尺度范圍的監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)多元前兆信息識(shí)別及預(yù)警。 如微震、應(yīng)力監(jiān)測、電磁輻射及地音監(jiān)測各有優(yōu)勢及特點(diǎn)，且監(jiān)測范圍的尺度不同，如應(yīng)力監(jiān)測為點(diǎn)監(jiān)測，地音法和電磁輻射法為局部監(jiān)測，微震法為區(qū)域監(jiān)測。 將這4 種監(jiān)測信息進(jìn)行耦合可彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)的不足，基本可以對(duì)采區(qū)范圍內(nèi)不同尺度的煤巖體破裂信息進(jìn)行監(jiān)測。 多種監(jiān)測信息不是簡單的組合，需要利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源監(jiān)測數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)一描述、特征分析及建模，構(gòu)建一種分析算法，進(jìn)行多元前兆信息耦合辨識(shí)及預(yù)警。

2.3 深部高應(yīng)力煤巖體的結(jié)構(gòu)調(diào)控及減沖機(jī)制

采區(qū)巷道優(yōu)化布置是一種比較直接且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)調(diào)控方式，負(fù)煤柱開采自然形成矸石層，可顯著耗散上覆巖層突然斷裂產(chǎn)生的彈性能或動(dòng)能。 除此之外，水力壓裂／深孔爆破或大直徑鉆孔方式通過參數(shù)的優(yōu)化可改變煤巖體空間結(jié)構(gòu)或內(nèi)生結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)又直接影響著煤巖體中的應(yīng)力場分布，如在低應(yīng)力場中進(jìn)行采掘活動(dòng)會(huì)有效降低沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。 因此，結(jié)構(gòu)調(diào)控的不同方式、不同參數(shù)優(yōu)化后的減沖效應(yīng)顯得尤為重要。

3 深部開采沖擊地壓災(zāi)害結(jié)構(gòu)調(diào)控涵蓋內(nèi)容

3.1 沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生機(jī)理

3.1.1 沖擊性煤巖體損傷破裂材料效應(yīng)

煤巖體是沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的直接載體，包括煤體、巖體及煤巖組合體。 不同的煤巖材料具有不同的力學(xué)特性，并非所有的煤巖材料都發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，只是沖擊性煤巖體材料。 地應(yīng)力形成的靜載荷和工程擾動(dòng)形成的動(dòng)載荷是沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的直接誘因，為研究靜動(dòng)載荷造成沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理，常采用試驗(yàn)手段進(jìn)行模擬，從而獲得沖擊性煤巖體在靜態(tài)加卸載、動(dòng)靜組合加卸載下的極限強(qiáng)度、變形特征、變形損傷及卸荷抗剪強(qiáng)度等特征，進(jìn)而確定不同沖擊性煤巖體在高應(yīng)力下的巖石力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律、能量演化規(guī)律及其災(zāi)變機(jī)制，沖擊性煤巖體材料效應(yīng)試驗(yàn)原理如圖3 所示。

圖3 沖擊性煤巖體材料效應(yīng)試驗(yàn)原理Fig.3 Test principle of material effect for impacted coal and rock mass

3.1.2 沖擊性煤巖體損傷破裂結(jié)構(gòu)效應(yīng)

沖擊地壓的三因素理論［9］較系統(tǒng)地解釋了沖擊地壓發(fā)生的3 個(gè)因素：內(nèi)在因素（煤巖的沖擊傾向性）、力源因素（高度的應(yīng)力集中或高變形能的賦存與外部的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)）和結(jié)構(gòu)因素（具有軟弱結(jié)構(gòu)面和易于引起突變滑動(dòng)的層狀介面），并被國內(nèi)外學(xué)者廣泛引用。 三因素理論僅提出了影響沖擊地壓發(fā)生的3 個(gè)關(guān)鍵因素，但未對(duì)各個(gè)影響因素展開系統(tǒng)研究。 因此，沖擊性煤巖體損傷破裂結(jié)構(gòu)效應(yīng)需揭示沖擊性煤巖體微元能量演化規(guī)律（圖4），分析含裂隙及不同層理的煤巖體破壞與沖擊地壓發(fā)生機(jī)理之間的關(guān)系（圖5），構(gòu)建含結(jié)構(gòu)弱面的沖擊性煤巖體強(qiáng)度特征模型，并分析其破壞特征。

圖4 沖擊性煤巖體微元能量演化模型Fig.4 Micro-element energy evolution model for impacted coal and rock mass

圖5 沖擊性煤巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)Fig.5 Structural effects of impacted coal rock masses

3.2 沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警

3.2.1 應(yīng)力場演化與沖擊震動(dòng)之間的相關(guān)性

堅(jiān)硬頂板斷裂、關(guān)鍵塊體滑落失穩(wěn)、爆破等產(chǎn)生的震動(dòng)波是誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的能量來源，采場圍巖的應(yīng)力場演化與沖擊震動(dòng)有密切關(guān)聯(lián)。 當(dāng)沖擊動(dòng)載作用于煤巖體后，煤巖體首先發(fā)生結(jié)構(gòu)演變，進(jìn)而促使采動(dòng)應(yīng)力場發(fā)生遷移或應(yīng)力驟增，發(fā)生沖擊地壓。 因此，沖擊地壓災(zāi)害孕育過程中沖擊震動(dòng)的時(shí)空演化規(guī)律，不同類型沖擊地壓自發(fā)或誘導(dǎo)形成沖擊地壓的前兆信息特征，沖擊地壓的震級(jí)強(qiáng)度、震級(jí)能量與煤巖性質(zhì)、開采擾動(dòng)、巷道圍巖應(yīng)力-應(yīng)變及空間位置之間的關(guān)系等都是研究重點(diǎn)。

圖6 動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊地壓原理［23-25］Fig.6 Principle of dynamic and static load superposition induced rock burst［23-25］

3.2.2 沖擊地壓多元前兆信息耦合試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在受載作用下，煤巖體破裂會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射、電磁輻射信號(hào)，通過分析應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射、電磁輻射等多元前兆信息，可以獲得位移場、能量場、電磁場隨應(yīng)力場變化的規(guī)律，進(jìn)而得到煤巖破裂的閾值及判別準(zhǔn)則，應(yīng)力-聲發(fā)射-電磁輻射耦合試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7 所示。

圖7 應(yīng)力-聲發(fā)射-電磁輻射耦合試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.7 Stress-acoustic emission-electromagnetic radiation coupling test model

3.2.3 沖擊地壓災(zāi)害多元前兆信息監(jiān)測

微震、應(yīng)力監(jiān)測、電磁輻射及地音監(jiān)測是沖擊地壓礦井常用的監(jiān)測手段，各監(jiān)測數(shù)據(jù)不完全一致，甚至在預(yù)警結(jié)果上出現(xiàn)相悖的情況，導(dǎo)致煤礦現(xiàn)場無法正確選擇監(jiān)測預(yù)警方法，且部分礦井安裝了多種監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)場工作人員通常無法分析多個(gè)系統(tǒng)生成的海量數(shù)據(jù)，造成一定程度的數(shù)據(jù)浪費(fèi)和預(yù)測結(jié)果的失真。 微震、應(yīng)力、電磁輻射及地音由于監(jiān)測頻率、能級(jí)不同，實(shí)際監(jiān)測的范圍及尺度有差別，因此應(yīng)按照監(jiān)測的空間尺度進(jìn)行布局。 如圖8 所示的監(jiān)測包含巷道尺度、工作面尺度及采區(qū)尺度，監(jiān)測的尺度范圍由小到大，覆蓋面大且沒有盲區(qū)。 將應(yīng)力的增幅、增速，電磁輻射強(qiáng)度、脈沖變化率，地音的能量、頻次，微震的震源集中度、沖擊變形能指數(shù)等進(jìn)行歸一化處理的基礎(chǔ)上建立耦合預(yù)警模型。

圖8 應(yīng)力-電磁輻射-地音-微震監(jiān)測多元前兆信息監(jiān)測Fig.8 Multiple precursor information monitoring of stress-electromagnetic radiation-ground sound-microseismic monitoring

3.2.4 沖擊地壓災(zāi)害多元監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)架構(gòu)

采集工程現(xiàn)場微震、應(yīng)力監(jiān)測、電磁輻射及地音監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)信息，利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，構(gòu)建多源監(jiān)測數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)一描述、特征分析及模型，應(yīng)用信息特征提取、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計(jì)算機(jī)編程等手段，形成由數(shù)據(jù)采集傳輸、分析計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化和決策支持組成的沖擊地壓遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖9 所示。

圖9 應(yīng)力-電磁輻射-地音-微震監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 System architecture of stress-electromagnetic radiation-ground sound-microseismic monitoring and warning platform

3.3 沖擊地壓結(jié)構(gòu)調(diào)控方法

3.3.1 覆巖結(jié)構(gòu)調(diào)控

工作面回采后頂板正常會(huì)發(fā)生周期性垮落，上覆巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)。 由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，有的工作面頂板垮落步距大、巖層厚、強(qiáng)度高，且難以形成鉸接結(jié)構(gòu)，如果頂板突然失穩(wěn)，會(huì)形成沖擊地壓災(zāi)害的動(dòng)力源，危險(xiǎn)性極大。 為此，需要提前進(jìn)行覆巖結(jié)構(gòu)調(diào)控，如于斌教授提出的地面壓裂法［26］，這是一種有效的結(jié)構(gòu)調(diào)控方法；另外，可以采用巷道優(yōu)化布置方法，不需要任何的輔助設(shè)備，不僅無任何附加成本，還提高了煤炭采出率，增加了經(jīng)濟(jì)效益。 如負(fù)煤柱開采技術(shù)，該技術(shù)不僅適用于單一煤層，也適用于多煤層開采。 如圖10 所示，單一煤層開采后，鄰空側(cè)自上而下的“覆巖-矸石層-底板”結(jié)構(gòu)構(gòu)成了“彈-塑-彈”力學(xué)模型，矸石層起到耗散能作用；對(duì)于多煤層開采，一個(gè)煤層可作為保護(hù)層，另一強(qiáng)沖擊煤層再采用負(fù)煤柱開采，鄰空側(cè)自上而下的“覆巖-裂隙卸壓帶-底板”結(jié)構(gòu)也構(gòu)成“彈-塑-彈”力學(xué)模型，層間裂隙卸壓帶起到耗散能作用。 因此，負(fù)煤柱開采充分利用了工作面開采自然形成的覆巖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了防沖目的，屬于結(jié)構(gòu)調(diào)控的范疇。

圖10 負(fù)煤柱開采結(jié)構(gòu)調(diào)控力學(xué)模型Fig.10 Mechanical model of structural control for negative coal pillar mining

3.3.2 采場結(jié)構(gòu)調(diào)控

采場結(jié)構(gòu)調(diào)控主要采用水力壓裂或深孔預(yù)裂爆破法。 水力壓裂是指裂紋由于其內(nèi)部液體壓力的作用而開裂并擴(kuò)展的過程，有時(shí)也稱作水壓致裂或水力劈裂，主要起壓裂和軟化作用。 深孔頂板定向水壓致裂／頂板預(yù)裂爆破技術(shù)其核心在于根據(jù)主應(yīng)力的方向不同，通過在煤層上方堅(jiān)硬巖層中預(yù)先人為制造裂縫，促使頂板內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弱面，隨著工作面的推采，利用礦山壓力的作用促使完整厚硬頂板在預(yù)制結(jié)構(gòu)弱面處發(fā)生垮斷，破壞頂板積聚彈性變形能和連續(xù)傳遞高應(yīng)力的能力，進(jìn)而達(dá)到防沖解危的目的。 防治煤柱型及工作面沖擊的水力壓裂、深孔爆破結(jié)構(gòu)調(diào)控如圖11 所示。

圖11 采場結(jié)構(gòu)調(diào)控示意［27］Fig.11 Schematic diagram of working face structural control［27］

3.3.3 圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)控

圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)控主要采用大直徑鉆孔法。 大直徑鉆孔本質(zhì)是通過改變巷道圍巖的內(nèi)生結(jié)構(gòu)，在鉆孔四周形成一個(gè)弱化帶，引起巷道周邊圍巖內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道周邊附近圍巖處于低應(yīng)力區(qū)。 當(dāng)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，一方面大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出；另一方面卸壓區(qū)內(nèi)頂?shù)装宓拈]合產(chǎn)生“楔形”阻力帶，也能夠防止煤體沖出導(dǎo)致的災(zāi)害。 大直徑鉆孔與煤體硬度、鉆孔直徑、鉆孔間距、鉆孔深度、鉆孔角度等參數(shù)密切相關(guān)。 若大直徑鉆孔參數(shù)未達(dá)到卸壓的閾值，可能起不到結(jié)構(gòu)調(diào)控減沖的目的；若鉆孔參數(shù)超出了卸壓閾值一定范圍，可能破壞煤壁的完整性，增加巷道圍巖的支護(hù)難度。 大直徑鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)控示意如圖12 所示。

圖12 大直徑鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)控示意Fig.12 Schematic of structural control of large diameter drilling

4 工程應(yīng)用

山東某礦是我國典型的沖擊地壓礦井，開采深度已經(jīng)達(dá)到了1 300 m，為了應(yīng)對(duì)沖擊地壓災(zāi)害帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，成功應(yīng)用了沖擊地壓結(jié)構(gòu)調(diào)控理念，在覆巖尺度上采用了負(fù)煤柱開采技術(shù)，采場尺度上采用了深孔爆破切頂卸壓技術(shù)，巷道尺度上采用了大直徑鉆孔卸壓技術(shù)。 同時(shí)在工作面采用應(yīng)力、微震、地音、電磁輻射、鉆屑量等多種監(jiān)測預(yù)警措施，實(shí)現(xiàn)了深部煤炭資源的安全開采。

該煤礦共5 個(gè)可采煤層，其中4 號(hào)煤層為主采煤層，平均厚6.2 m，如果首先開采4 號(hào)主采煤層，則沖擊地壓災(zāi)害危險(xiǎn)性極大。 因此，基于結(jié)構(gòu)調(diào)控防治沖擊地壓理念首先開采1 號(hào)、6 號(hào)薄煤層（作為中部4 號(hào)煤層的保護(hù)層）形成一定范圍的低應(yīng)力區(qū)，以保證4 號(hào)煤層首采工作面的安全開采，4 號(hào)煤層下一個(gè)工作面再采用負(fù)煤柱巷道布置（系統(tǒng)布置如圖10 所示）。 通過對(duì)比采用負(fù)煤柱及開采保護(hù)層前后的掘進(jìn)工作面微震數(shù)據(jù)（圖13、圖14）發(fā)現(xiàn)：采用負(fù)煤柱及開采保護(hù)層的掘進(jìn)工作面微震事件能量及頻次都有很大程度減少，且微震能量與頻次基本呈正相關(guān)關(guān)系，頻次越高，釋放的能量越多，說明能量被多次釋放，保障了巷道的安全掘進(jìn)；相反，傳統(tǒng)開采常有大能量事件發(fā)生，負(fù)煤柱及開采保護(hù)層形成的卸壓結(jié)構(gòu)對(duì)掘進(jìn)工作面均有明顯的卸壓減沖作用，且巷道長期無明顯變形。 從保護(hù)層開采和負(fù)煤柱對(duì)比看，負(fù)煤柱的平均能量事件相對(duì)更小，因此卸壓效果更好。

圖13 微震事件分布Fig.13 Distribution of microseismic events

圖14 開采微震事件能量及頻次對(duì)比Fig.14 Comparison of energy and frequency of microseismic events

5 結(jié) 論

1）提出了沖擊地壓災(zāi)害防控的結(jié)構(gòu)調(diào)控理念及科學(xué)內(nèi)涵，煤巖體結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場演化的根源，沖擊地壓災(zāi)害防控應(yīng)從調(diào)控煤巖體結(jié)構(gòu)入手。在采區(qū)尺度范圍內(nèi)，煤巖體結(jié)構(gòu)包含巷道圍巖結(jié)構(gòu)、采場結(jié)構(gòu)及覆巖結(jié)構(gòu)。

2）提出了由應(yīng)力、電磁輻射、地音、微震組成的多尺度監(jiān)測預(yù)警體系，通過不同尺度范圍的監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)巷道、采場及覆巖結(jié)構(gòu)破裂的多元前兆信息識(shí)別及預(yù)警。

3）在應(yīng)力-電磁輻射-地音-微震監(jiān)測構(gòu)成的多元監(jiān)測預(yù)警基礎(chǔ)上，提出了沖擊地壓災(zāi)害防控的結(jié)構(gòu)調(diào)控手段，包括負(fù)煤柱開采、開采保護(hù)層、水力壓裂／深孔爆破及大直徑鉆孔。

4）通過在山東某礦的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)調(diào)控理念防治沖擊地壓災(zāi)害的可行性及科學(xué)性。