随着我国煤炭资源大规模步入深部开采，冲击地压发生的频度、强度与日俱增。实践证明，过去浅部开采防治冲击地压的思路和方法难以满足深部开采的条件[1]。探索深部开采条件下冲击地压防治理论与方法逐渐成为国内外学者及工程技术人员任务。早在1996年，毛仲玉等[2]总结了华丰矿5 a来在冲击地压发生机理、预测预报与防治等方面的研究和应用成果。潘立友等[3]研究了深部矿井构造区厚煤层冲击地压机理;王爱文等[4]采用相似模拟方法研究了断层作用下深部开采冲击地压原理;裴广文等[5]研究了深部开采过程中构造型冲击地压的能量级别预测方法;深部防治方面的文献主要有，谭云亮等[6]认为深部应变型冲击地压应优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压应优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压应优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水。潘俊锋等[7]针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理，并采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法开展了冲击地压灾害防治。为了解决冲击地压威胁深部智能开采与防冲人员安全问题，提出了深部冲击地压智能防控方法与发展路径[8]。刘军等[9]根据跃进煤矿冲击地压防治，总结了深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术。潘一山等[10]研制了具有吸能功能的巷道防冲液压支架及自移式巷道超前支架，已在部分矿井开展了现场应用。笔者等[11]揭示了我国煤炭深部开采冲击地压的特征、类型，开发了顶板动载荷“钻-切-压”一体化技术;煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术;巷道底角联排桩基阻断水平应力技术。齐庆新等[12]凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题，提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想，确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向，构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构。
实际上，深部开采与浅部的区别，核心在于煤层上覆岩层总厚度的变化，因而带来一系列差别，研究深部冲击地压防治，必须研究采动覆岩结构。诱发冲击地压的动、静载荷源都与覆岩结构及其运动密切相关。为了探索覆岩结构与冲击地压发生的相关性，姜福兴等[13-15]对长壁采场覆岩结构进行了探讨，并提出了采场覆岩的“载荷三带”结构模型。窦林名及其团队[16-18]对煤矿覆岩空间结构及演化规律进行了研究，分析了覆岩空间结构OX-F-T等特征。
上述针对深部冲击地压防治所做研究，主要以冲击地压自身发生条件或者原理为出发点，少数文献注意到了覆岩结构对冲击地压的影响，但仍处于冲击地压发生原理研究阶段，从深部采动覆岩结构特征角度开展冲击地压防治技术研究文献鲜有报道。
本文将深部开采覆岩结构特征研究向冲击地压防治技术延伸，揭示了深部开采冲击地压启动的2种载荷途径，提出了深部临空巷道强冲击危险区域的“双F、大L”力源结构模型，并给出了临空巷道、采场大L型力源区域冲击地压启动判据算法。提出了深部巷道冲击地压动、静载荷源分源防治方法。工程实践证明，该方法能够实现深部强冲危险工作面安全回采。
1 深部巷道冲击地压启动的2种载荷途径
煤矿井下采场、巷道形成过程也是围岩载荷局部化集中的过程，尤其是深部高地压环境，载荷局部化进程更快。如图1所示，巷道开挖后煤层迅速形成塑性区、弹性区及原岩区，在弹塑性时变过程中，巷帮煤体中垂直应力σy、水平应力σx以及原岩应力σ0也逐步形成，冲击地压潜在启动区处于弹性区范围。假设巷道走向无限长，巷道两帮围岩结构对称，从巷道侧向弹性区取出微单元煤体dx，研究其达到冲击启动条件历程与路径。
图1 巷道帮部应力分区[19]
Fig.1 Stress zoning of roadway rib side[19]
巷道弹性区微单元dx在三维应力状态下发生动力学冲击全过程如图2所示，图2中，OB阶段为巷道开挖，静载荷局部化集中后，微单元dx所获得的载荷，为诱发冲击启动的基础静载荷，从O点到C点总体为该微单元冲击启动孕育阶段，也是开采活动产生的动、静载荷加载至极限阶段。对于深部开采条件来说，自B点起，达到冲击启动点C有2种途径：一种途径是微单元dx继续获得静载荷增量，比如临近掘进巷道或者回采工作面过来造成的静载荷迁移、叠加;另一种途径是微单元dx获得静载荷没有变化，而是获得周边外界动载荷增量的扰动、加载，常见的是顶板断裂、爆破震动等。微单元dx通过2种途径满足冲击启动条件后，冲击地压进入发生历程，微单元dx在如图1所示的三维围岩条件下因强度不足先发生材料破坏，消耗能量，后又释放剩余的能量，进入冲击能量传递阶段，迫使巷道围岩结构因稳定性不够发生结构动力失稳，也就是危害围岩、人身安全的阶段，能量衰减殆尽，灾害结果形成就是冲击地压显现阶段。
图2 冲击地压启动载荷途径[19]
Fig.2 loading path of rock burst start-up[19]
以上分析可得，诱发深部冲击地压启动具有两大途径：一种是动、静载荷叠加途径;另一种是纯静载荷叠加途径，而对于历时几秒钟的冲击地压发生过程，上述2种途径主要作用在冲击启动条件形成阶段，不是后启动阶段。因此深部冲击地压发生条件研究应该重点研究诱发冲击启动的动、静载荷来源。
2 深部巷道冲击采动覆岩“双F、大L”力源结构
图3 悬空顶板导通形成大 L型力源区域
Fig.3 Large L-shaped force source area of conclucted hanging roof
深部开采煤层上覆巨厚岩层，由于岩性、层厚、上覆载荷等差异，在工作面临空巷道及本工作面后方沿垂高方向，形成长短不一的F型悬顶结构。回采工作面出口及与其连通的临空巷道超前300 m左右为冲击地压频繁发生区域。如图3所示，建立临空巷道侧工作面回采边界条件模型。图4分别为临空巷道侧向F型悬臂结构，采场后方F型悬臂结构示意。由于上述2种顶板F型悬臂结构，导致临空巷道、采场出口连通处形成大L型力源区域。在工作面距离较远时，临空巷道两帮仅受侧向F型悬臂结构影响，当工作面临近时，由于本工作面与相邻工作面采空区导通，上覆厚硬顶板悬空区域也导通，因此发生下沉-弯曲-回转幅度更大，悬而不垮造成加大弯曲弹性能储存在L区域，垮断时又造成较大动载荷作用在L区域煤岩体。下面分析该L型力源区域静、动载荷来源。
如图5所示，建立回采工作面临空侧受侧向、本面后方悬顶影响形成的临空巷道、采场“双F、大L”力源结构示意。由外国学者阿维尔申[20]的研究可得，临空巷道、采场大L型力源区域积聚的静载弹性能由体变弹性能Uv、形变弹性能Uf和顶板弯曲弹性能Uw三部分组成，即
UJ=Uv+Uf+Uw
(1)
其中，UJ为静载弹性能;L型力源区域煤体内由于体积压缩而积聚的弹性能近似计算为
(2)
式中，μ为泊松比;γ为容重，N/m3;H为埋深，m;E为弹性模量。
图4 临空巷道侧向F型悬臂结构
Fig.4 F-shaped cantilever structure
图5 临空巷道、采场“双F、大L”力源结构
Fig.5 Structure of “double-F-large-L” force source in empty roadway and stope
由于形状改变而积聚的弹性能近似计算为
(3)
其中顶板弯曲弹性能Uw，由于受双F、多层顶板悬顶影响，近似计算为
Uw=Uwc+Uwh
(4)
(5)
(6)
式中，q为顶板及上覆岩层附加载荷的单位长度载荷，N/m;L为顶板来压步距，m;L′为顶板悬臂长度;E为顶板岩层弹性模量，Pa;J为顶板端面惯性矩，m4;Uwc为顶板侧向弹性能;Uwh为顶板弹性能后方弹性能。
图5中，任何一处顶板断裂弹性能传递至煤壁极限平衡区的能量UD由下式计算:
UD=Ud0R-η
(7)
式中，Ud0为顶板断裂时释放的初始能量，可由微震监测出;R为顶板断裂位置与煤壁极限平衡区的距离，可由微震定位计算得到;η为煤岩介质中弹性波传播时的能量衰减指数。
由此，根据冲击地压发生的能量准则条件[21]，临空巷道、采场“双F、大L”力源结构区域，冲击地压发生方程为
UJ+Uc>Uc
(8)
其中,
为围岩极限平衡区内微单元dx达到临界强度，发生动力失稳所需要的最小能量。
3 深部巷道冲击地压动静载荷分源防治方法
以上以我国深部开采冲击地压发生最为频繁的回采工作面临空巷道冲击载荷条件为例，进行了冲击地压动、静载荷叠加路径分析。典型的案例诸如我国陕西彬长矿区，内蒙古鄂尔多斯矿区回风巷道冲击地压发生都具有这个特征。另外一些矿井例如义马矿区千秋煤矿、跃进煤矿、常村煤矿以及吉林龙家堡煤矿，临空巷道采用小煤柱沿空掘巷后，冲击地压主要显现在距离采场较近的实体煤侧巷道，其原理是高基础静载荷的巷道获得了本工作面后方F型悬臂结构加载，属于纯静载荷叠加路径。
总之，从防治角度来讲，促成冲击启动的载荷可以是集中静载荷，也可以是集中动载荷，但是从根本上讲，都是系统内集中静载荷必须达到临界条件。也就是集中动载荷如果参与，那就是帮助系统内集中静载荷达到临界条件，如果系统内集中静载荷不够大，来自于系统外的动载荷传递到静载荷集中区将被消耗，因此难以完成冲击启动。因此，目前虽然不能对2种载荷量进行量化评估，但是由采动覆岩“双F、大L”力源结构分析表明，诱发临空巷道冲击启动的载荷来源在空间上是确定的，如图6所示，F型悬顶垮断提供动载荷源，巷道两帮存在垂直应力静载荷，巷道底板高水平应力也属于静载荷源。为此，可对诱发冲击启动的动、静载荷源进行分源处置，如图7所示，即针对F型顶板悬臂断裂造成的动载荷源进行爆破预裂;针对巷道两帮煤体中垂直应力集中进行煤层爆破卸压;针对巷道底板高水平应力进行底板爆破，阻断其推动底板作用。
图6 临空巷道冲击载荷源空间分类[11]
Fig.6 Spatial classification of impact load sources in roadway[11]
图7 冲击载荷源分源防治技术
Fig.7 Prevention technology of rock burst with distinguish dynamic and static load source
4 工程实践
4.1 工程背景
陕西亭南煤矿开采深度700 m左右，主采煤层为4煤，具有强冲击倾向性，煤层赋存稳定，平均厚度15 m，平均倾角3°。煤层直接顶为粗粒砂岩，其厚度为6.46 m，基本顶为厚硬砂岩，平均厚度30.5 m。顶板具有强冲击倾向性。受埋深、相邻采空区及巷道交叉等多因素综合影响，二盘区206工作面回采期间发生41次冲击地压，38次发生在临空巷道、采场“双F、大L”力源结构影响区。紧跟接续的207工作面为本盘区第4个回采工作面，工作面走向长2 400 m，倾斜长200 m，上覆岩层活动范围大，岩层尚未稳定，危险性更大，多处两侧留设的30 m煤柱中又进行了矸石充填掘巷。在工作面尚未安装时就已经发生了3次冲击地压。工作面位置及历史冲击地压显现情况如图8所示。
图8 冲击地压显现位置
Fig.8 Location of rockburst
4.2 冲击地压动静载分源防治技术
矿井接续的207工作面地质、开采条件与206类似，但因紧密接续、煤柱结构复杂等因素，207工作面经专家组论证危险性更大。通过对206工作面回采期间冲击地压规律分析，38次冲击分布在临空巷道、采场“双F、大L”力源结构影响区。为此，笔者承接207工作面回采冲击地压防治研究任务后，迅速按照图8所示技术方案，采取冲击启动的动、静载荷源分源治理。
(1)顶板动载荷交叉扇形深孔爆破消源技术。
针对207工作面回风巷受本工作面及206采空区覆岩双F、大L力源结构影响形成强冲击危险区域，针对双F悬顶在回风巷道超前进行顶板倾斜方向、走向方向扇形深孔预裂爆破。顶板深孔预裂爆破的施工区域需要覆盖207工作面开切眼向外20 m至终采线向外约40 m范围。顶板处理高度为煤层以上垂高30 m，顶煤厚度按5.5 m计算，多数炮孔在垂向的投影均为35.5 m，其中，装药段的垂向投影为17 m，封孔段的垂向投影为13 m。巷道超前区域和沿工作面走向的爆破步距均设定为20 m。走向孔的开孔位置为钻场位置沿巷道走向向外平移2 m。
(2)煤层静载荷大直径钻孔疏压技术。
考虑到该煤层瓦斯含量高，回风巷两帮有瓦斯抽放钻孔，不能采取爆破，两帮采用了直径为150 mm的大直径钻孔。钻孔长度在回采帮为30 m，煤柱帮为24 m，钻孔间距分别为0.8,0.6 m。鉴于初次卸压完成后，应力容易恢复。因此，需要采取冲击地压应力在线监测系统，监测应力恢复情况。如发现应力恢复，说明已施工钻孔已失效，则需要在原钻孔之间，补打大直径卸压孔。
(3)底板水平应力深孔爆破阻断技术。
鉴于矿井受水平构造应力作用，冲击表现出底臌问题，在巷道两底角施工深孔爆破，驱赶并切断水平应力传递路径，阻止底板冲击滑移。钻孔深度为13 m，倾角为45°。走向间距为3 m，每孔装药量为12 kg。
在工作面推进过程中，上述3种技术组合方案严格落实，工作面日进尺保证每日不超过4 m。在该方案下，自2017年5月至2019年7月，工作面已安全回采结束，达到预期效果。
5 结 论
(1)分析认为深部开采高地压环境，载荷局部化进程快。诱发深部冲击地压启动具有两大途径，一种是动、静载荷叠加途径;另一种是纯静载荷叠加途径，上述2种途径主要作用在冲击启动条件形成阶段，不是后启动阶段。因此深部冲击地压发生条件研究应该重点研究诱发冲击启动的动、静载荷来源。
(2)认为深部工作面L型区域频繁发生冲击的原理，是在工作面距离较远时，临空巷道两帮仅受侧向F型悬臂结构影响，当工作面临近时，由于本面与相邻工作面采空区导通，上覆厚硬顶板悬空区域也导通，因此发生下沉—弯曲—回转幅度更大，悬而不垮造成较多弯曲弹性能储存在L区域，垮断时又造成较大动载荷作用在L区域煤岩体。提出了深部工作面临空巷道、采场“双F、大L”力源结构模型。
(3)采动覆岩“双F、大L”力源结构分析表明，诱发临空巷道冲击启动的载荷来源是空间确定的，提出了深部巷道冲击地压动、静载荷源分源防治方法。即针对F型顶板悬臂断裂造成的动载荷源进行爆破预裂;针对巷道两帮煤体中垂直应力集中进行煤层爆破卸压;针对巷道底板高水平应力进行底板爆破，阻断其推动底板作用。工程实践证明，该方法能够实现深部强冲危险工作面安全回采。
[1] 深部开采矿井灾害防治技术现状调研报告[R].北京:国家煤矿安全监察局科技装备司,2015.
[2] 毛仲玉,张修峰.深部开采冲击地压治理的研究[J].煤矿开采,1996(3):39-43.
MAO Zhongyu,ZHANG Xiufeng.Study on the treatment of rockburst in deep mining[J].Coal Mining,1996(3):39-43.
[3] 潘立友,孙刘伟,范宗乾.深部矿井构造区厚煤层冲击地压机理与应用[J].煤炭科学技术,2013,41(9):126-128,137.
PAN Liyou,SUN liuwei,FAN Zongqian.Mine pressure bump mechanism of thick seam in deep mine structure zone and application[J].Coal Science and Technology,2013,41(9):126-128,137.
[4] 王爱文,潘一山,李忠华,等.断层作用下深部开采诱发冲击地压相似试验研究[J].岩土力学,2014,35(9):2486-2492.
WANG Aiwen,PAN Yishan,LI Zhonghua,et al.Similar experimental study of rockburst induced bymining deep coal seam under fault action[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(9):2486-2492.
[5] 裴广文,纪洪广.深部开采过程中构造型冲击地压的能量级别预测[J].煤炭科学技术,2002,30(7):48-51.
PEI Guangwen,JI Hongguang.Prediction on energy classification of structure type pressure bump during deep mining operation[J].Coal Science and Technology,2002,30(7):48-51.
[6] 谭云亮,郭伟耀,辛恒奇,等.煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究[J].煤炭学报,2019,44(1):160-172.
TAN Yunliang,GUO Weiyao,XIN Hengqi,et al.Key technology of rock burst monitoring and control in deep coal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(1):160-172.
[7] 潘俊锋,刘少虹,秦子晗,等.深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治[J].煤炭学报,2018,43(10):2679-2686.
PAN Junfeng,LIU Shaohong,QIN Zihan,et al.Mechanism and prevention of concentrated static load type rock burst of roadway group in deep mining area[J].Journal of China Coal Society,2018,43(10):2679-2686.
[8] 潘俊锋,刘少虹,马文涛,等.深部冲击地压智能防控方法与发展路径[J].工矿自动化,2019,45(8):19-24.
PAN Junfeng,LIU Shaohong,MA Wentao,et al.Intelligent prevention and control method of deep rock burst and its development path[J].Industry and Mine Automation,2019,45(8):19-24.
[9] 刘军,欧阳振华,齐庆新,等.深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术[J].煤炭科学技术,2013,41(6):17-20.
LIU Jun,OUYANG Zhenhua,QI Qingxin,et al.Rigid-flexibility integrated energy absorption support technology applied in deep mine with pressure[J].Coal Science and Technology,2013,41(6):17-20.
[10] 潘一山,肖永惠,李国臻.巷道防冲液压支架研究及应用[J].煤炭学报,2020,45(5):90-99.
PAN Yishan,XIAO Yonghui,LI Guozhen.Research and application of hydraulic support for tunnel anti scour[J].Journal of China Coal Society,2020,45(5):90-99.
[11] 潘俊锋,齐庆新,刘少虹,等.我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术[J].煤炭学报,2020,45(5):111-121.
PAN Junfeng,QI Qingxin,LIU Shaohong,et al.Characteristics,types and prevention and control technologies of rock burst caused by deep coal mining in China[J].Journal of Coal,2020,45(5):111-121.
[12] 齐庆新,潘一山,舒龙勇,等.煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构[J].煤炭学报,2018,43(7):1801-1810.
QI Qingxin,PAN Yishan,SHU Longyong,et al.Theoretical and technical framework of multi-scale and multi-source prevention and control of coal and rock dynamic disasters in deep mining[J].Journal of China Coal Society,2018,43(7):1801-1810.
[13] 姜福兴,刘懿,张益超,等.采场覆岩的“载荷三带”结构模型及其在防冲领域的应用[J].岩石力学与工程学报,2016,35(12):2398-2408.
JIANG Fuxing,LIU Yi,ZHANG Yichao,et al.A three-zone structure loading model of overlying strata and itsapplication on rockburst prevention[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(12):2398-2408.
[14] 姜福兴,张兴民,杨淑华,等.长壁采场覆岩空间结构探讨[J].岩石力学与工程学报,2006,30(5):979-984.
JIANG Fuxing,ZHANG Xingmin,YANG Shuhua,et al.Discussion on overlying strata spatial structures of longwall in coal mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,30(5):979-984.
[15] 姜福兴.采场覆岩空间结构观点及其应用研究[J].采矿与安全工程学报,2006(1):30-33.
JIANG Fuxing.View point of spatial structures of overlying strataand its application in coal mine[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006(1):30-33.
[16] DOU Linming,HE Xueqiu,HE Hu,et al.Spatial structure evolution of overlying strata and inducing mechanism of rockburst in coal mine[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24(4):1255-1261.
[17] 窦林名,贺虎.煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(3):453-460.
DOU Linming,HE Hu.Study of OX-F-T spatial structure evolution of overlying strata in coal mines[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(3):453-460.
[18] 徐学锋,窦林名,曹安业,等.覆岩结构对冲击矿压的影响及其微震监测[J].采矿与安全工程学报,2011,28(1):11-15.
XU Xuefeng,DOU Linming,CAO Anye,et al.Effect of overlying strata structures on rock burst and micro-seismic monitoring analysis[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2011,28(1):11-15.
[19] 潘俊锋.煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系研究[J].煤炭学报,2019,44(1):173-182.
PAN Junfeng.Theory of rock burst start-up and its complete technology system[J].Journal of China Coal Society,2019,44(1):173-182.
[20] 阿维尔申.冲击地压[M].北京:煤炭工业出版社,1959:45-78.
[21] 潘俊锋,宁宇,毛德兵,等.煤矿开采冲击地压启动理论[J].岩石力学与工程学报,2012,31(3):586-596.
PAN Junfeng,NING Yu,MAO Debing,et al.Theory of rock burst start-up during coal mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(3):586-596.
