冲击地压是矿山采动诱发煤岩体变形能瞬时释放,在地下采掘空间引起煤岩体剧烈震动和挤出的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的地质构造条件日趋复杂,我国越来越多的矿井开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频频发生且日趋严重。冲击地压的孕育和显现是在特定地质构造条件和地层特征下,在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚、非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质条件和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。大同矿区典型的冲击地压矿井一般具有坚硬的煤层和顶底板组合结构,在多煤层高强度开采条件下,多个矿井先后发生了不同程度的浅源冲击动力灾害,且冲击地压发生的强度和频率随着开采深度的增加和开采强度的加剧不断提高。在显现深度相对较浅的情况下,自重应力对冲击地压的显现特征不再起到决定性的作用,采动应力和构造应力的共同作用导致了冲击地压的频频发生。本文针对大同矿区典型煤岩层组合条件和复杂采掘条件,以引发大同矿区冲击地压的两大根本因素——坚硬煤岩组合和采动应力为突破点,在考虑冲击地压发生的“顶板-煤层”组合结构特点的基础上,探索冲击危险区域煤岩体物理力学性质和组合形式与采动应力的相互作用机制,对大同坚硬煤层及顶底板组合条件下采动影响引起的应力转移集中与能量积聚的响应规律和综合防冲体系进行探索。论文在上述相关方面开展的研究工作主要有:1.调研分析了大同矿区各矿井的冲击地压显现特征。通过对煤岩体性质、地质条件、开采技术条件等进行分析,探讨了各影响因素对大同矿区冲击地压发生的影响。结合冲击地压发生实例,分析了不同因素组合情况下的冲击地压发生情况。采掘布置情况、坚硬顶板的冒落情况、采动应力的动态变化同煤层赋存条件和地质构造影响共同决定了大同矿区浅源冲击地压显现的时空特点,随着采掘技术的更新和防冲工作的深入,新近开采的工作面冲击多发生于邻空巷道一侧,约占总频次的84%,分析大同矿区冲击地压发生的主要影响因素有:厚层坚硬顶板积聚弯曲变形能,坚硬煤体弹脆性显著;高强度开采,采动附加应力重分布导致的不均匀集中;大同矿区各井田内揭露的断层多为落差较小的高角度正断层,并不是矿区多发冲击地压的主控因素。2.考虑冲击地压发生的“顶板-煤层”组合结构,进行了0.006mm/min~0.12mm/min加载速率范围内的六组ф50mm×100mm标准尺寸的单轴组合样品试验,通过分析组合体结构在不同加载条件下的应力应变发展过程和声发射响应特征,初步得到了组合体破坏的三种基本形式以及可能的突变条件:(1)在加载速率为0.006mm/min和0.012mm/min时,煤体的塑性变形得到充分发展,顶板岩体的变形则相对缓慢的均匀释放,在峰后阶段贯通裂隙面产生滑动导致试样的最终破坏;在加载速率为0.03mm/min和0.04mm/min时,在峰前阶段塑性裂隙得不到充分发展,在峰前阶段末期和整个峰后阶段,煤体应力处于不断的调整过程之中,煤体破坏过程中岩体变形呈阶梯状松弛并释放弹性能,直至最终各层裂结构发生失稳;在加载速率为0.06mm/min和0.12mm/min时,较大的加载速率导致煤体应力无法缓慢调整,最终在上部岩样和煤体本身的能量集中释放作用下,岩体变形在煤体最终破坏时一次性松弛释放,发生突然的脆性破坏。(2)能量释放率表现为阶段性匀速增长和瞬时性的突增两种形式。沿贯通面破坏的试样强度明显偏低,最终破坏也相对平静。加载速率较大时累积能量的增加速率也较为缓慢,在峰值位置应力无法缓慢调整而发生应力突降和脆性破坏。试样存在50khz和150khz两个明显的频率分布带,分别对应着煤体和岩体的裂隙发育主频率范围。(3)试样的变形破坏呈现明显发展过程,2#试样表面煤体破坏不明显,最终沿贯通裂缝破坏;而3#、4#试样在破坏前表层劈裂发展,煤体劈裂的发育导致最终结构丧失承载能力;5#试样在较大的加载速率条件下表面煤体张拉破坏,伴随内部承载结构的削弱,最终发生整体突然失稳。根据组合试样的破坏特点,提出了煤岩组合体具有损伤和粘脆性特征的突变模型。组合体的破坏随能量释放剧烈程度的不同也相应分为渐进破坏、劈裂破坏和整体破坏三种形式。3.进行了不同加载条件下“砂岩-煤”组合结构的摩擦滑动特性,并考虑顶板下沉影响建立坚硬顶底板条件下煤层滑移冲击模型,对不同因素影响下煤层滑移冲击的危险性和“煤层-底板”整体冲击模式进行分析。(1)根据剪应力和监测点位移的演化特征及声发射特征值的阶段性变化,可将组合试样摩擦滑动分为压缩蓄能、滑动启动、整体滑动3个阶段。滑动位移的发展和剪切应力的提高以及声发射参数之间有比较吻合的阶段性对应关系,滑动启动过程伴随着接触面局部颗粒破坏和弹性能的释放,累计释放能量在滑动启动阶段基本呈线性快速增长,声发射幅值也在此阶段达到峰值。5#试样在滑动启动阶段出现了明显的粘滑失稳,“砂岩-煤”的动摩擦系数约为0.36,而发生粘滑失稳的摩擦系数仅为0.11,高轴压条件下的粘滑失稳是煤层滑移冲击危险因素。(2)针对冲击地压危险性的两大影响因素——顶板垮落情况和煤层强度分布,探讨了不同参数条件下垂直应力和高应力塑性区的状态变化。塑性区长度随采深变化分别为0.5m、1.5m、2.4m、2.8m,应力峰值也从11.2mpa逐渐变化到47.8mpa,扰动区长度也随之增加。随煤体强度的弱化,塑性区长度分别为1.5m、1.8m、2.3m、2.9m,应力峰值从21.5mpa逐渐降低到14.1mpa,扰动区长度基本不变。随侧压系数的增加,塑性区和扰动区的长度范围基本呈线性增加。(3)对煤层滑移冲击连锁发生的巷道底鼓进行了模拟,在煤体突出后,竖向卸压导致巷道底鼓量激增至300mm,煤层和顶底板均参与冲击,而破坏则以煤层滑移突出和底板的整体式冲击为主,厚层坚硬顶板一般不发生破坏。4.针对冲击地压危险性的两大影响因素:顶板垮落情况和煤层强度分布,研究了不同煤岩组合结构条件下,工作面采掘过程中冲击地压危险性评价的实用方法,通过划分危险区,模拟分析了两类冲击地压解危措施的解危效果和适用性:(1)随侧压系数的增大,煤体应力水平提高,此时煤柱和工作面前方煤体中的塑性区范围随围压的增大有所减少,但应力水平却相应增加,高应力单元范围有所减少,应力峰值基本呈增加的趋势。(2)在顶板放顶不到位的情况下,巷道工作面侧煤体应力显著提高,煤柱受挤压作用,储存了更大的能量,工作面悬板增加了工作面前方煤体的应力水平,且峰值位置向煤壁浅部发展。(3)随邻空区悬板宽度的增加,煤体应力水平提高,此时煤柱和工作面前方煤体中的塑性区范围有所减少,但应力水平却相应增加,高应力单元范围有所减少,但煤柱中部的弹性区域则在较高的夹持作用下积聚大量能量,增大了巷道侧煤柱向巷道冲出和潜在的巷帮煤体滑移失稳的危险。(4)随煤层强度的弱化,塑性区范围显著增大,应力峰值向深部转移且有所降低。在不同因素组合作用下形成的应力分布和能量分布状态直接决定了高应力塑性区的分布范围。5.大同矿区坚硬顶板随时间的垮落特征决定了煤体的破坏发展过程,这其中既包括工作面上方坚硬顶板的垮落,又有以盘区为尺度,发展更为缓慢,释放也更为剧烈的整体垮落,这一过程通过监测预警手段得到了很好的体现,通过对解危措施的实施效果进行实时反馈,不断丰富监测数据分析和解危实践。6.冲击危险区域合理准确的初步划分是实施监测预警的基础。冲击危险性程度随采掘的时空发展不断变化,在时间“见方”时和回采末期是需特殊注意的时刻,而在空间位置特性上着重划分了3个危险区域:(1)开采应力集中区域;(2)煤层赋存异常区域;(3)地质构造影响区域。矿压观测法、钻屑法、微震法和电磁辐射法等监测措施共同构成了大同矿区“区域-局部-定点”冲击地压监测预警体系。合理的支护手段和开采优化设计是防冲的基础,而强效的人工放顶是保证大同矿区免受冲击地压影响的关键,煤层弱化则是整体防治的中间环节,通过检验解危效果选定有效且可行的层次化解危措施,初步形成了动态的大同矿区冲击地压综合防治体系。