由于浅部煤炭资源的枯竭，国内矿区大部分转入深部开采，而深部地质条件更加复杂、多样，伴随的冲击地压等动力灾害频次增多，释放能量增大，造成的破坏更加严重[1-3]。如东保卫煤矿的“7·22”冲击地压事故，事故使-500回风巷里段120 m范围内底臌0.5～1.8 m，上帮煤体移动0.5～1.2 m，局部片帮，片帮最大宽度0.8 m，巷道剩余最小高度0.8 m，造成2人死亡，1人重伤，经调查分析为7.0 m厚的黄白色粗砂岩基本顶断裂引起;千秋煤矿“11·3”冲击地压事故，震级达4.1级，使21221掘进下巷巷道里段约400 m范围内发生不同程度的变形，造成10人死亡，64人受伤，危害巨大，经事故调查分析，由落差达50～500 m的F16逆断层错动引起。可以看出，不同地质条件下的矿井发生冲击地压的原因存在不同，体现了冲击地压类型的多样性。
针对不同类型的冲击地压，朱斯陶等[4]以东北某矿掘进巷道冲击地压为背景，研究了高静载下冲击地压发生机制，给出了应力估算方法;潘俊锋等[5]研究了高家堡煤矿盘区巷道群冲击地压发生机理，认为事故由底煤及褶曲构造提供的时机静载荷与煤柱中静载荷叠加产生，为静载型冲击地压;刘少虹等[6]构建了坚硬岩浆岩顶板的三角悬臂梁理论模型，分析了坚硬岩浆岩顶板破断诱发冲击地压的机制，并给出了防治措施;王宏伟等[7]从断层倾角、断层切向刚度、构造应力等方面研究了断层构造失稳诱发冲击地压的机制，认为断层面应力或滑移量突增是发生断层型冲击地压的前兆信息;吕进国等[8]采用理论分析、相似模拟及数值模拟分析了逆断层附近自然状态和回采扰动下应力分布特征，揭示了逆断层诱发冲击地压的机制。
由上所述，学者们以冲击地压案例为导向，针对性的研究了各类型冲击地压发生机制，取得了显著的成果。但对冲击地压系统性的研究较少，特别是基于分类下的冲击地压发生机理、发生准则及预测和防治措施的系统性研究。因此，笔者将在研究已有分类方法基础上，给出一种新的分类方法，在此基础上，系统性的分析各类型冲击地压发生机理、发生准则等，提出有针对性的监测和防治措施，实现分类防治，降低矿井冲击地压危害，保障井下人员的安全。
1 冲击地压的分类方法
对于冲击地压分类的研究，国内外学者从不同的角度给出了冲击地压的分类方法:张少泉等根据围岩构造和应力状态的变化将冲击地压分为顶板冒落型、顶板开裂型、矿柱冲击型和断层错动型[9];RICE根据煤岩受动载或静载下的破坏形式将冲击地压分为静载引起的应力型冲击地压和动载引起的震动型冲击地压;姜耀东等根据高应力状态下煤岩体突然失稳破坏将冲击地压分为材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压[10];钱七虎根据动力破坏形式将冲击地压分为应变型冲击地压和剪切型冲击地压[11];何满朝等根据煤岩冲击失稳中能量的聚积和转化将冲击地压分为单一能量诱发型冲击地压和复合能量转化诱发型冲击地压[12]。此外，根据冲击地压发生的物理特征分为压力型、突发型、暴裂型;根据冲击地压震级和抛出的煤量分为轻微冲击、中等冲击、强烈冲击;根据参与冲击的岩体分为煤层冲击和岩层冲击;根据煤岩体应力来源和加载方式分为重力型、构造型、震动型、综合型;根据显现强度和破坏力分为弹射、煤炮、微冲击、强冲击;根据发生的位置分为煤柱冲击地压、工作面冲击地压、顶板冲击地压、断层冲击地压、采空区冲击地压、巷道冲击地压[13]。
根据上述分类，可将冲击地压分类方法概括为两方面:依据冲击地压显现特征的分类方法和依据应力状态的分类方法。前者分类方法不能体现冲击地压发生的本质，对冲击地压的预测和防治指导作用小。后者认为是应力状态不同下的煤岩体失稳破坏结果，揭示了部分类型冲击地压发生的机理，但分类不够全面，没有给出不同类型冲击地压发生准则和发生时释放能量的理论公式。
冲击地压现象的本质是剩余能量的突然释放，从能量来源的角度分类研究，本文将冲击地压分为3种类型:煤体贮存及释放能量型(Ⅰ)、顶板贮存及释放能量型(Ⅱ)、断层带及围岩贮存及释放能量型(Ⅲ)。
2 3种类型冲击地压的破坏失稳机理、发生准则及释放能量
2.1 扰动响应失稳判别准则
由基本构件组成的所有物体系统，在一定条件下将处于静态或动态平衡状态，若受到任意微小扰动后，仍能保持在原形态附近的小邻域内，则这个系统是稳定的。反之，若系统在任意的扰动下不能保持原有的平衡状态，则发生系统失稳现象，并释放系统能量。
对于矿井，井下巷道的开挖、工作面的回采或顶板岩层的垮断等活动势必对周围煤岩体变形系统[14]产生扰动。假设处于平衡状态下的煤岩变形系统受外载荷的微小扰动为Δp，或巷道开挖(工作面回采)的微小扰动Δa，则煤岩体变形系统的塑性软化变形区特征深度ρ将产生增量Δρ，特征位移u(顶板下沉量或巷道收敛位移)产生增量Δu。若响应Δρ或Δu是有界的或有限的，则平衡状态是稳定的。即对于任意给定数ε >0，总有δ>0存在，使得当扰动Δp或Δa满足条件:
|Δp|≤δ或|Δa|≤δ
(1)
而响应Δρ或Δu总可以满足下面不等式:
|Δρ|≤ε或|Δu|≤ε
(2)
若系统处于非稳定平衡状态，则任意扰动Δp或Δa将导致塑性软化变形区或特征位移无限增大，即冲击地压发生的扰动响应失稳判别准则:
(3)
或
(4)
或
(5)
或
(6)
2.2 煤体贮存及释放能量型冲击地压
2.2.1 变形破坏失稳机理
Ⅰ型冲击地压释放能量主体为煤体，由煤体压缩失稳并释放贮存的煤体弹性能产生。在采掘活动形成的采煤工作面、巷道、煤柱等处的煤岩体变形系统中，煤体抗压强度远低于围岩的抗压强度。在集中应力作用下，煤岩体变形系统中部分煤体超过峰值强度而处于塑性软化状态，成为煤岩体变形系统中薄弱部分，将此部分煤体视为受载体。系统其余煤岩体还未超过抗压强度而处于弹性状态，视为加载体，这样，煤岩体变形系统将由塑性应变软化状态的受载体和弹性状态的加载体共同组成，处于平衡状态。若受到扰动后能够恢复原来的平衡状态，煤岩系统是稳定的。若受到扰动后不能恢复原平衡状态并继续偏离平衡状态，则煤岩体变形系统发生失稳破坏，弹性区储存的弹性能释放并破坏塑性区而发生Ⅰ型冲击地压。
2.2.2 发生准则
巷道作为井下主要的煤岩体变形系统，其断面形式由地质条件和开采技术条件决定，如矩形、半圆拱形等。虽然圆形巷道采用较少，但其结构简单，且其围岩塑性区特征深度与其他巷道偏差不大[15]，因此，本文以圆形巷道发生Ⅰ型冲击地压为例进行分析，如图1所示。
图1 圆形巷道分析模型
Fig.1 Analysis model of circular roadway
记巷道半径为a，支护应力为ps，在无限远处受静水压力p的作用，由于集中应力的作用，巷道表面附近成为塑性软化区，深部仍为弹性区。沿巷道轴线取单位长度，则为轴对称平面应变问题。
将煤样单轴压缩下的应力-应变曲线简化为双线性结构，如图2所示。峰前为弹性阶段，弹性模量为E;峰后为软化阶段，斜率的绝对值为软化模量λ，单轴抗压强度为σc。定义K=λ/E为冲击倾向性指数，则由扰动响应失稳判别准则可得Ⅰ型冲击地压发生的临界应力Pcr:
(7)
由式(7)可以看出，在不考虑支护应力下，临界应力Pcr由煤体固有属性单轴抗压强度σc和冲击倾向性指数K决定，与单轴抗压强度σc呈正比，与冲击倾向性指数K呈反比。
图2 煤体单压双线性本构模型
Fig.2 Bilinear constitutive model of coal compression
2.2.3 释放能量
冲击地压发生时，煤岩变形系统中弹性区释放所储存的弹性能，一部分能量用于破坏塑性变形区煤体和支护的消耗，剩余能量以冲击形式释放出来。根据扰动响应失稳理论，单位长度巷道在临界状态下弹性区贮存的最小能量W为
(8)
式中，ν为泊松比。
以抚顺泰和煤矿地质条件为例，泊松比ν=0.25，巷道半径a=2 m，单轴抗压强度σc=11.59 MPa，弹性模量E=3.2 GPa，其临界状态下弹性区贮存能量W与冲击倾向性指数K的关系如图3所示。
图3 弹性区贮存能量W与冲击倾向性指数K关系
Fig.3 Relationship of elastic area energy W and rock bust tendency index K
由图3可知，K值对冲击地压释放能量影响较大。当K值较大时，煤体脆性强，弹性区贮存能量W小，冲击时震级较小;当K值较小时，煤体塑性强，弹性区贮存能量W大，冲击时震级较大。
2.3 顶板贮存及释放能量型冲击地压
2.3.1 变形破坏失稳机理
Ⅱ型冲击地压多由坚硬、致密完整且厚的顶板岩层断裂引起，如图4所示。由于顶板坚硬且厚，在一定开采距离下未断裂垮落，在其上覆岩层载荷和自身重力作用下弯曲变形，并于采空区中心附近的顶板下部出现较大拉应力。随着采空区进一步的扩大，顶板下部岩石拉伸应力超过峰值拉伸强度，成为非稳定的拉伸应变软化材料。此时，处在顶板两端起支撑作用的煤体也在较高的应力下出现非稳定的拉伸应变软化区，这样，顶板-煤层变形系统将由稳定材料的顶板弹性区Vre、煤层弹性区Vce和非稳定的顶板拉伸软化区Vrs、煤层软化区Vcs组成。根据扰动响应失稳理论，系统将随着软化区扩大而进入非稳定状态，在一定扰动下顶板断裂失稳，释放顶板弹性区贮存的能量并向煤层传递，使煤层受到冲击破坏，发生Ⅱ型冲击地压。
图4 顶板-煤层变形系统
Fig.4 Roof-coal seam deformed system
2.3.2 发生准则
将图4中煤层简化为具有刚度系数m的弹性地基，采空区跨度为L，顶板厚度为H，其自重和上覆岩层载荷为p，均匀分布于顶板上表面。岩石拉伸应力-应变曲线简化为双线性形式，如图5所示，σt为抗拉强度，E为拉伸弹性模量。则发生Ⅱ型冲击地压的临界采空区跨度Lcr可由下式得到
(9)
式中，
图5 岩石单拉双线性本构模型
Fig.5 Bilinear constitutive model of rock tensile
根据式(9)，在顶板载荷、厚度等条件一定下，临界采空区跨度Lcr与顶板抗拉强度σt呈正比，即顶板越坚硬，临界采空区跨度Lcr越大，与实际相符。
2.3.3 释放能量
Ⅱ型冲击地压发生时，顶板拉伸变形贮存的弹性能释放，以动载的形式作用煤体上，使煤体发生破坏。顶板取单位宽度，则顶板在临界采空区跨度下贮存能量W为
(10)
式中,
根据冲击地压矿井房山煤矿地质条件，在约25 m厚基本顶顶板抗拉强度σt变化下，顶板贮存能量W与临界采空区跨度Lcr关系如图6所示。
图6 顶板贮存能量W与临界采空区跨度Lcr关系
Fig.6 Relationship of roof storage energy W and critical goaf span Lcr
由图6可以看出，临界采空区跨度Lcr与顶板贮存能量W呈正比，对于抗拉强度越大的顶板，Lcr越大，失稳垮断时释放能量也越大。
2.4 断层带及围岩贮存及释放能量型冲击地压
2.4.1 变形破坏失稳机理
Ⅲ型冲击地压多发生在深部开采且采掘活动接近断层处，由断层上下盘错动引起，因此须考虑断层带及围岩组成的断层带及围岩系统，如图7所示。在煤层开采前，断层及其附近煤岩体处于平衡状态，随着开采的进行，开采区域影响范围内煤岩层中应力将进行调整，而断层的存在破坏了煤岩层的连续性，势必在断层带区域产生附加切应力。一般情况下，对于断层带内岩石，其强度往往小于断层带围岩的强度，在附加切应力作用下，断层带内岩石将最先破坏。因此，在较大的开采扰动下，附加切应力使断层带内岩石进入峰后软化阶段。此时，断层带及围岩系统就由处于弹性阶段的断层带围岩(稳定材料)和处于应变软化阶段的断层带内岩石(非稳定材料)组成，根据扰动响应失稳理论，该变形系统处于非稳定状态，在达到一定条件下失稳，发生Ⅲ型冲击地压。
图7 断层带及围岩系统
Fig.7 Fault zone and surrounding rock deformed system
2.4.2 发生准则
将断层带及围岩系统简化为如图8所示模型，设断层的落差为h，断层带的宽度为2l，断层带产生的剪切位移为u，远场的剪切位移为S，围岩的宽度为2X，剪切模量为G。远场处作用的切应力为τs，上覆岩层等对断层的载荷大小为P。则断层带内岩石及上、下盘围岩内的剪切变形分别为
(11)
设断层带岩石介质的非线性本构关系为τ=f(P,γ)，如图9所示。则由应力连续性可得
(12)
根据扰动响应失稳准则可得微小扰动下冲击地压发生条件为
(13)
由式(13)可以看出，Ⅲ型冲击地压发生的必要条件为断层带岩石进入峰后应变软化阶段。
图8 断层带及围岩系统分析模型
Fig.8 Analysis model of fault zone and surrounding rock system
图9 断层带岩石应力应变曲线
Fig.9 Stress-strain curve of fault zone rock
2.4.3 释放能量
由图8可以看出，设断层错动后断层带的剪切位移为u1，远场的剪切位移为S1，沿断层走向取单位厚度，则Ⅲ型冲击地压释放能量W为
(14)
一般情况下，式(14)中第1项远大于第2项，即Ⅲ型冲击地压释放能量量级主要由式中第1项决定。可以看出，能量W不仅与断层带及围岩系统岩性有关，且与断层落差h成正比例关系，量级一般107以上，较Ⅰ型冲击地压和Ⅱ型冲击地压释放能量大。
3 分类方法在冲击地压监测预警中的应用
由上述分析可知，3种类型冲击地压释放能量主体、发生准则和释放能量大小不同，因此，结合不同预测方法的原理，有针对性的采取监测和预警方法，提高冲击地压监测预警的准确性。
3.1 煤体贮存及释放能量型冲击地压
由式(7)可知，发生Ⅰ型冲击地压的条件为煤体应力达到临界应力Pcr，而临界应力可由实验室测定的单轴抗压强度、冲击倾向性指数及支护参数计算得到。以临界应力Pcr为指标，通过应力在线、电磁辐射[16]、电荷感应[17]等方法直接或间接测定煤体应力，对冲击地压危险性进行评价，实现冲击地压的监测预警。
根据式(8),(10),(14)及各类型冲击地压发生机理可知，3种类型冲击地压能量贮存和释放主体的结构、岩性不同，能量释放大小不同，显现特征也不同。对于Ⅰ型冲击地压，能量贮存及释放主体为煤体，与岩体相比，整体结构较松散、层节理发育、强度低、弹性小、各向异性突出，产生破裂时延展速度快，产生的应力波振动频率较高、传播距离较近、携带的能量较少，震级一般为0.1～2.6 级，震动频率12～18 Hz，持续时间不大于8 s，起始震幅大，衰减快。如图10所示，为平煤十一矿2010-01-15 22122开切眼掘进过程中发生的Ⅰ型冲击地压微震波形。在进行微震监测时，可根据微震特征判别冲击地压类型。
图10 煤体贮存及释放能量型冲击地压波形[18]
Fig.10 Wave forms of coal type rock burst[18]
3.2 顶板贮存及释放能量型冲击地压
由式(9)可知，Ⅱ型冲击地压发生条件为采空区上方坚硬岩层达到极限跨度Lcr，在扰动下垮断产生。因此，可采用顶板离层仪等监测方法，监测诱冲顶板的变形情况，特别是在接近极限跨度Lcr时，预测冲击地压的发生。
根据式(10)，Ⅱ型冲击地压震级较大。一般为2～3级，震动频率3～18 Hz，持续时间不小于4 s，波形中S波较强，衰减慢，频率偏低。如图11所示，为忻州窑煤矿8929工作面2008-07-17发生的Ⅱ型冲击地压微震波形。
图11 顶板贮存及释放能量型冲击地压波形[19]
Fig.11 Wave forms of roof type rock burst[19]
3.3 断层带及围岩贮存及释放能量型冲击地压
由式(12)可知，当断层带岩石进入峰后应变软化阶段，断层带及围岩变形系统处于非稳定状态，在外界扰动下发生Ⅲ型冲击地压。因此，可通过监测断层带处应力状态预测冲击地压的发生，但断层带处应力不易监测，常以微震监测为主，通过断层附近小能量事件推断断层处应力集中程度，评价断层诱发冲击地压的危险性。
根据式(14)分析，该类型冲击地压释放能量大。一般大于3.0级，震动频率1～5 Hz，波形与天然地震相似，S波强，持继时间长、频率低。图12为某矿84采区边界处断层错动的微震波形。
图12 断层带及围岩贮存及释放能量型冲击地压波形[20]
Fig.12 Wave forms of fault zone and surrounding rock type rock burst[20]
4 分类方法在冲击地压防治中的应用
对于不同地质和开采技术条件下的矿井，发生冲击地压的类型不同，可能是冲击地压类型中的一种或者多种。应首先明确冲击地压类型，依据发生准则制定防治措施，使不满足发生条件，并从根本上降低、转移或消耗能量贮存主体的能量，降低冲击地压危险性。
4.1 煤体贮存及释放能量型冲击地压防治
由Ⅰ型冲击地压发生准则，煤体应力达到临界应力时发生冲击地压，那么，防治该类型冲击地压的实质为降低煤体应力使达不到临界应力Pcr或提高临界应力Pcr。
根据研究和实践，降低煤体应力的措施包括合理开采布局、开采保护层、大直径钻孔卸压等，也是目前煤矿冲击地压防治的主要措施。对于提高临界应力Pcr的措施，由式(7)知，临界应力Pcr与支护应力ps呈正比，与冲击倾向性指数K呈反比。因此，可通过提高支护应力和降低冲击倾向性指数提高临界应力。合理的提高支护强度是防治措施之一，但根据式(7)，支护应力对临界应力影响相对较小。由室内试验，提高煤层含水率能够大幅度的降低冲击倾向性指数，如图13所示。因此，煤层注水[21]是提高临界应力Pcr，降低Ⅰ型冲击地压危险性有效措施。
图13 冲击倾向性指数K与含水率Y关系
Fig.13 Relationship of rock bust tendency index K and moisture content Y
4.2 顶板贮存及释放能量型冲击地压防治
由Ⅱ型冲击地压发生机理和发生准则的分析，该类型冲击地压防治的实质在于如何防止诱冲顶板在极限跨度Lcr下断裂并释放能量。因此，可从维护顶板完整性或在达到极限跨度Lcr前破坏顶板的完整性两方面制定防治措施。
根据文献[22]研究，较高充填率的充填开采措施可控制煤层基本顶岩层不发生跨断，基本顶上方岩层不发生离层，仅整体弯曲下沉。因此，充填开采能有效的防治Ⅱ型冲击地压，与文献[23]中充填开采防治冲击地压研究结果相符。而从破坏顶板完整性的角度，断顶爆破是常用措施，其使诱冲顶板不具备储存高能量的能力，消除了顶板的诱冲作用。
4.3 断层带及围岩贮存及释放能量型冲击地压防治
对于Ⅲ型冲击地压，是由开采扰动下产生附加切应力的作用，使断层带岩石超过峰值强度，进入应变软化阶段，在扰动下发生断层错动释放能量引起。因此，防治的关键在于降低断层处应力集中程度。在开采设计中，采用合理的开采布局，留设足够宽的煤柱，是降低断层处附加切应力[24]，维护断层稳定性的有效措施。若需穿过断层，可在距断层一定的距离采用松动卸压爆破措施，降低断层处冲击危险性。
5 结 论
(1)从能量贮存及释放主体的角度将冲击地压划分为3种类型:煤体贮存及释放能量型冲击地压、顶板贮存及释放能量型冲击地压、断层带及围岩贮存及释放能量型冲击地压。
(2)3种类型冲击地压均为变形系统中部分区域进入软化阶段，使变形系统处于非稳定状态，在任意扰动下失稳发生。根据建立的力学模型，给出了各类型冲击地压发生的临界条件确定方法和释放能量估算公式。
(3)提出了应力在线、电荷感应等以临界应力Pcr为指标的煤体贮存及释放能量型冲击地压监测方法，开采保护层、煤层注水等降低煤体实际应力或提高临界应力Pcr的防治措施;针对顶板贮存及释放能量型冲击地压能量主体的顶板离层监测方法，充填开采、深孔断顶等维持顶板完整性或预先破坏顶板完整性的防治措施;断层带及围岩贮存及释放能量型冲击地压的微震监测方法，以及留设足够煤柱等使断层带岩石处于峰前稳定状态的防治措施。
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