《冲击地压主控因素与防控》系统介绍了作者近年来在冲击地压主控因素及防治工程方面的理论与实践研究成果，内容主要包括冲击地压致灾基本原理、冲击地压致灾地质因素、冲击地压致灾开采因素、冲击地压防治工程构架等。针对冲击地压孕灾环境条件复杂多变的情况，《冲击地压主控因素与防控》在致灾机制剖析的基础上，着力构建涵盖主控因素辨识、监测预警、卸压及支护的防治工程框架，为矿井安全生产提供科学依据与技术支撑。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 冲击地压灾害及其地质工程条件 1
1.2 冲击地压孕灾机理 2
1.3 冲击地压防治复杂性 4
1.4 冲击地压防治工程基本路径 4
参考文献 6
第2章 冲击地压致灾基本原理 8
2.1 煤岩破坏失稳力学形态 8
2.1.1 煤岩流变失稳破坏 8
2.1.2 煤岩瞬时突变失稳破坏 16
2.2 影响煤岩冲击破坏主要因素 21
2.3 冲击地压假说 28
2.3.1 传统冲击地压假说 28
2.3.2 基于围岩刚度差异性试验诱冲机理讨论 40
2.3.3 能量驱动冲击理论假说 48
2.3.4 失稳突变理论假说 51
2.3.5 三准则理论假说 53
2.3.6 三因素理论假说 53
2.3.7 冲击启动理论假说 54
2.3.8 动静载叠加诱冲理论假说 54
2.3.9 扰动响应失稳理论假说 55
参考文献 57
第3章 冲击地压致灾地质因素 61
3.1 煤岩冲击倾向性 61
3.1.1 煤岩冲击倾向性传统评价指标及方法 61
3.1.2 深部煤岩冲击倾向性评价指标体系 67
3.1.3 深部煤岩冲击倾向性*优模糊评价方法 71
3.2 埋藏深度 73
3.2.1 冲击地压与埋藏深度 73
3.2.2 冲击地压发生的临界深度 75
3.3 地质构造 77
3.3.1 地质构造诱冲机制 77
3.3.2 地质构造诱冲案例分析 102
3.4 坚硬顶板 109
3.4.1 坚硬顶板的定义与特征 109
3.4.2 坚硬顶板破断结构力学分析 112
3.4.3 坚硬顶板诱冲力学机理 115
3.4.4 坚硬顶板型冲击地压案例分析 120
参考文献 121
第4章 冲击地压致灾开采因素 125
4.1 开采卸荷 125
4.1.1 开采卸荷引起动能估算 125
4.1.2 工程影响因素分析 130
4.2 煤柱 137
4.2.1 煤柱应力集中及失稳分析 137
4.2.2 不同层位叠加煤柱应力集中及失稳分析 144
4.2.3 煤柱诱发冲击地压案例分析 148
4.3 采空区 150
4.3.1 采空区周边应力分布特征及其对冲击危险性的影响 150
4.3.2 采场空间结构演化及其对冲击危险性的影响 153
4.3.3 沿空侧顶板破断对沿空巷道冲击危险性的影响 155
参考文献 158
第5章 冲击地压防治工程构架 161
5.1 冲击地压主控因素判别及风险排查 161
5.1.1 冲击地压主控因素判别方法 161
5.1.2 基于主控因素分析的冲击地压矿井风险排查 165
5.2 冲击地压监测方法 191
5.2.1 微震监测 192
5.2.2 震动波CT 监测 193
5.2.3 地表沉降监测 194
5.2.4 钻屑法监测 197
5.2.5 应力在线监测 200
5.2.6 地音监测 201
5.2.7 电磁辐射监测 205
5.2.8 电荷感应监测 209
5.3 工作面危险性评价方法 210
5.3.1 综合指数法 210
5.3.2 多因素叠加法 222
5.3.3 可能性指数法 225
5.3.4 工程类比法 228
5.3.5 数值模拟法 231
5.4 冲击地压卸压防治技术 235
5.4.1 下行开采卸压 235
5.4.2 上行开采卸压 238
5.4.3 煤层钻孔卸压 251
5.4.4 煤层爆破卸压 254
5.4.5 顶板深孔爆破卸压 256
5.4.6 顶板水压致裂卸压 258
5.4.7 断底卸压 260
5.5 冲击地压支护技术 261
5.5.1 冲击地压巷道支护理论 261
5.5.2 大变形吸能锚杆(索)支护 263
5.5.3 吸能防冲液压支架 277
5.5.4 冲击危险巷道卸支协同支护理论与技术 284
参考文献 287

第1章 绪论
　　1.1 冲击地压灾害及其地质工程条件
　　冲击地压是世界范围内煤矿开采中*严重的自然灾害之一，它以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变形能，抛出煤岩体，会造成支架损坏、片帮、冒顶、巷道堵塞、人员伤亡，并产生巨大的响声和岩体震动，如图1.1所示。岩体震动时间持续几秒到几十秒，抛出的煤岩体重达几吨到几百吨。
　　图1.1 2012年朝阳煤矿冲击地压井下破坏情况(单位：m)
　　据记载，英国在1738年在世界上*次报道了煤矿中发生的冲击地压现象，1858年在英国南史塔福煤田的Groveland煤矿发生了一起冲击地压事故，造成了1人死亡，随后加拿大、美国、俄罗斯等地也相继出现冲击地压灾害，尤其是加拿大的Springhill 2号煤矿于1958年10月23日发生冲击地压事故造成75人死亡和1960年1月南非Coalbrook煤矿发生冲击地压事故造成437人死亡，震惊了全球。随后，出现冲击地压比较严重的有苏联、南非、德国、美国、加拿大、波兰、英国等20多个国家。
　　我国*早记录的冲击地压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿，随后北京、河北、山东等多个地区的数十个矿井相继发生冲击地压现象。截至2024年，我国现有冲击地压矿井138处，分布在山东、陕西、内蒙古、甘肃、新疆等13个地区。近年来，我国影响*大的一次冲击地压事故是2018年10月20日发生在山东能源龙矿集团山东龙郓煤业有限公司的事故，造成21人死亡，引起了国家高度重视。
　　对于冲击地压灾害，其发生的地质条件与开采条件主要有以下几个方面。
　　1.地质条件
　　(1)煤岩结构及其力学性质。
　　煤岩的冲击倾向性越大，发生冲击地压的可能性就越大；坚硬、厚度大、整体性强的顶板岩层易导致冲击地压，如门头沟煤矿作为全国有名的冲击地压矿井，其主要诱冲条件之一是顶板极为坚硬。
　　(2)地质构造。
　　地质构造是导致冲击地压发生的主要地质因素之一，褶*、断层、煤层倾角及厚度突变等都会影响冲击地压的发生。例如，向斜轴部易于形成冲击地压，门头沟井田冲击地压发生的严重区域就在向斜构造中心部位；断裂若是一个开采边界，且回采方向朝向断层面，则冲击危险性增加；在煤层倾角和厚度突变地带，往往因残余构造应力积聚而易发生冲击地压。
　　2.开采条件
　　(1)开采深度。
　　大量研究表明，地应力与埋藏深度呈正相关关系，在一定开采深度后才开始发生冲击地压，此深度称为冲击地压临界深度。开采实践表明，在我国中东部地区如山东、河南等采深超过800m，西部地区如内蒙古、陕西、新疆、甘肃等采深超过550m的大部分矿井具有冲击动力灾害风险，且随着深度增加风险程度越来越高，开采深度与冲击地压发生的概率呈正相关关系。谭云亮等对2006～2022年发生人员伤亡的冲击地压事故矿井的采深统计表明，采深超800m的事故占比55%。
　　(2)开采方法。
　　煤层开采会在采掘空间周围形成高应力集中区，促使接近极限状态的煤岩体破坏失稳从而诱发冲击地压。不同的开采方法对冲击地压的影响也不同，如门头沟煤矿在20世纪80年代初，因采用房柱式采煤方法，导致冲击地压灾害频发，从1985年开始先后在五槽煤、二槽煤取消房柱实施长壁工作面开采，有效避免了冲击地压灾害的发生。近年来，大量实践发现，留设大尺寸煤柱不仅对同煤层相邻工作面带来冲击地压风险，而且上部煤层留设煤柱对其下部煤层巷道将产生高应力集中，易诱发冲击地压灾害。同时，受侧向采空区岩层活动影响，约有90%的冲击地压现象发生在沿空侧巷道内。
　　1.2 冲击地压孕灾机理
　　冲击地压发生机理是研究冲击地压防治的理论基础。一般认为，*早的冲击地压发生机理是1951年库克提出的强度理论及相继提出的刚度理论与能量理论。强度理论的基本观点以材料所受的载荷达到其强度极限就会开始破坏这一认识为基础，即认为当矿山压力大于煤体？围岩力学系统的综合强度时，将会发生冲击地压。库克等通过刚性压力试验发现，当试件的刚度大于试验机机构的刚度时，破坏是不稳定的，煤岩体呈现突然的脆性破坏。20世纪70年代，布莱克(Black)认为矿山结构的刚度大于矿山负荷系统的刚度是产生冲击地压的必要条件。然而，这一观点与工程实际似乎难以相符：对于压力试验系统是成立的，因为压力试验机不允许产生塑性变形；而在实际的煤岩组合系统中，刚度与强度往往成正比，刚度较大坚硬顶板夹持煤层要比刚度较小软弱顶板夹持煤层更容易发生冲击地压，因为刚度较小软弱岩层受力变形乃至破坏，无法释放出多余弹性应变能补给煤体，缺少了煤层发生冲击地压的外部补给能量源。
　　能量理论是目前学术界普遍认可的观点，即认为当矿体？围岩系统在力学平衡状态失稳所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击地压。当然，多余能量有多少转化为驱动动能是值得研究的课题。
　　冲击倾向性理论已经成为评价冲击地压是否发生的重要依据，*早的冲击倾向性理论是由波兰和俄罗斯学者提出的。我国学者在这方面做了大量工作，提出了用煤样的动态破坏时间DT、弹性能指数WET、冲击能量指数KE及单轴抗压强度RC四项指标综合判别煤的冲击倾向的试验方法。
　　我国在冲击地压机理研究方面，与国外相比起步较晚。老一辈专家作出了突出贡献，例如，李玉生基于国际上冲击地压机理解释的基本观点，提出了强度理论、能量理论和冲击倾向性理论同时满足的条件下，冲击地压才会发生；章梦涛提出了冲击地压的变形系统失稳理论，即认为冲击地压是煤岩体内高应力区处于非稳定状态时，在外界扰动下的动力失稳过程；张万斌等对冲击倾向性理论进行了完善和补充，提出了符合我国煤矿实际的冲击倾向性指标；宋振骐等则认为采动支承压力集中是诱发冲击地压的力源，*次从开采扰动角度解释冲击地压发生机理。
　　随着我国煤炭开采向深部进军，冲击地压灾害日趋严重，在老一辈专家的影响和带领下，许多中青年学者在冲击地压机理研究方面也作出了突出贡献。例如，齐庆新等提出了冲击地压冲击倾向性、高应力、煤岩结构的三因素理论，认为冲击地压实质是具有冲击倾向性的煤岩结构体在高应力(构造应力、自重应力)的作用下发生变形，局部形成高应力集中并积聚能量，在采动力的扰动下，沿煤岩结构弱面或接触面发生黏滑并释放大量能量的动力现象；潘一山等在总结三十多年冲击地压理论研究成果的基础上，提出了冲击扰动响应失稳理论，认为冲击地压是煤岩变形系统在扰动响应下趋于无限大而发生的失稳，给出了冲击地压扰动响应失稳条件，并按扰动响应失稳理论推导了圆形巷道发生冲击地压的解析解；姜耀东等从断续煤岩体破坏、外载作用、岩石卸压与能量释放角度，对冲击地压发生机理进行了科学阐释；潘俊锋等提出了冲击启动理论，认为冲击地压发生依次经历冲击启动、冲击能量传递、冲击地压显现三个阶段；谭云亮等从开采引起煤层支承压力迁移诱发动能定量计算出发，提出了冲击地压动能驱动理论；窦林名等则从动静载叠加角度揭示了冲击地压发生原理；韩军等探讨了坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制；张修峰等、朱斯陶等探讨了不同类型的冲击地压孕灾机理等。
　　构建冲击地压防治理论至关重要，窦林名等提出了冲击地压的强度弱化减冲理论，即采取措施使煤岩体松散，降低其强度和冲击倾向性，使应力高峰区向岩体深部转移，并降低应力集中程度，使发生冲击地压的强度降低，从而防止冲击地压的发生。齐庆新等提出了冲击地压防治的应力控制理论，即改变煤岩体的应力状态或控制高应力的产生。事实上，冲击地压防治理论的本质是在低应力区(或人为营造低应力区)进行巷道施工与利用。
　　1.3 冲击地压防治复杂性
　　随着我国煤矿开采深度增加和采掘范围扩大，冲击地压灾害不仅在强度和频度上呈现出明显增加态势，致灾类型及特点也呈现多元化，给冲击地压防治工程带来了极大困难。对冲击地压分类后进行相应防治，成为关注的焦点。Ortlepp将冲击地压分为应变冲击型、屈*膨胀型、剪切破坏型、煤柱冲击型和断层滑移型。窦林名等将冲击地压划分为重力型、构造型、坚硬顶板型和煤柱型。谭云亮等根据冲击地压孕灾前兆信息特点，把深部冲击地压划分为应变型、坚硬顶板型和断层型，给出了相应的防治技术应用顺序。齐庆新等根据我国煤矿近年来冲击地压发生的条件和特点，将冲击地压矿井分为浅部冲击地压矿井、深部冲击地压矿井、构造冲击地压矿井、坚硬顶板冲击地压矿井和煤柱冲击地压矿井五类。然而，由于冲击地压孕灾影响因素多且复杂，如地质环境、顶板岩层的结构特征、采动应力与覆岩自重应力、构造应力相互叠加，在动静载组合作用下，易诱发大采深重力型冲击、坚硬顶板型冲击、构造型冲击、采动与构造耦合型冲击、煤柱应力集中型冲击等不同类型的冲击地压灾害；多种类型并存或相互叠加，使冲击地压识别不易量化。在冲击地压从机理认知走向防冲工程的进程中，*要任务是厘清冲击地压孕灾主控因素。
　　冲击地压的影响因素分析是有效进行防冲的前提。吕大钊把矿井掘进期间冲击地压发生的主要影响因素归结为煤岩冲击倾向性、开采深度、褶*和断层构造、巷道布置以及底煤厚度；王业常等认为应当考虑冲击地压开采深度、煤岩冲击倾向性、顶板岩层的结构特征、煤层厚度及变化特征、构造特征、开采技术以及组织管理等因素；魏来等认为矿井冲击地压主要影响因素为煤层倾角、开采工艺、开采深度、顶板岩层的结构特征、地质构造等。谭云亮等在上百个冲击地压矿井致灾评价分析的基础上，将冲击地压主控因素概括为煤岩冲击倾向性、开采深度、坚硬顶板和地质构造4类地质(客观)主控因素，以及煤柱、采空区和采掘卸荷3类开采(主观)主控因素。潘俊锋等通过分析陕西省近10年来24座矿井发生的85起冲击地压案例，基于主控因素将冲击地压划分为坚硬顶板主导型、地质构造主导型和宽煤柱主导型，并分别提出了弱化坚硬顶板、释放构造应力和转移煤柱高集中应力的分类防治方法。上述研究表明，准确判识矿井冲击地压主控因素，有助于提高致灾诱因诊断的准确性和防治措施的针对性。
　　1.4 冲击地压防治工程基本路径
　　近年来，许多学者在冲击地压孕灾机理洞察的基础上，在防控技术方面也进行了大量研究工作。在卸压防控方面，谭云亮等揭示了深部煤巷帮部卸？固协同控制机理，研发了深部煤巷帮部失稳？固协同控制防冲技术；齐庆新等提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想，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；顾士坦等针对某矿区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题，采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂卸顶压协同控制，降低工作面采掘期间的冲击危险性；窦林名等针对煤与瓦斯突出和冲击地压动力灾害，基于冲击地压灾害控制解危技术的强度弱化减冲理论，形成了某矿井瓦斯/CO？突出？冲击地压双防技术体系，建立了适用于某矿急倾斜特厚煤层水平分段开采的冲击地压防治体系；翟明华等通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律，采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据，提出了辨识关键工作面的方法，针对山东能源集团有限公司3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井进行了保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等。
　　在抗冲支护方面，刘军等在义马千米深井跃进煤矿冲击地压防治实践的基础上，总结了深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护防冲技术；潘一山等、唐治等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；潘俊锋等开发了冲击地压动静载荷分源防控、顶板人造解放层等技术，并提出了深部冲击地压智能防控方法与发展路径；翟明华等提出了以分类治理为核心思想的冲击地压分类？评价？解危？预警？检验？支护？管理七模块治理技术体系，通过对矿井采深、地层条件、煤层条件、构造条件、开采方法和边界条件进行分析，提出了以8种不同的外部力源类型和10种典型巷道围岩结构形式两两组合的深井冲击地压综合分类方法，在分类基础上对冲击地压的评价、解危、预警、检验、支护和管理技术进行了分析和优选。