冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征,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、地质特征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。义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。本文运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机理及防治技术。首先,针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主;通过设计具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测、能量场监测,研究采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。其次,建立具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性,从向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性入手,对比分析向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,从断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性入手,对比分析断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析;得出构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机理。最后,提出义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、u型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行进行评价总结,同时根据回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系是适合义马矿区回采巷道的防冲支护。本文取得的创新性研究成果具体如下:1.依据义马矿区的工程地质特征和煤岩体冲击倾向性试验结果,对义马矿区11个工作面89次冲击事件的发生规律进行深入分析,得出:掘进冲击地压共发生29次,占32.6%,回采冲击地压共发生59次,占66.3%,其它冲击地压共发生1次,占1.1%,义马矿区冲击地压以回采冲击地压为主,但掘进冲击地压必须给予充分重视;工作面冲击地压共发生9次,占10.1%,巷道冲击地压共发生80次,占89.9%,义马矿区冲击地压以巷道冲击地压为主;结合冲击地压的发生时序和发生位置,得出义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,共发生51次,占57.3%;巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀受力是诱发下巷冲击地压的主要原因;冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主,并伴随上帮移出、下帮肩角鼓出等破坏;义马矿区回采巷道冲击地压发生的影响因素主要有向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动。2.设计具有向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,得到工作面直接顶垮落和老顶断裂变化规律,即直接顶初次垮落步距为35m,垮落高度2m,老顶初次垮落步距为85m,垮落高度为66m,老顶巨厚砾岩垮落高度已扩展至90m;得到巨厚砾岩断裂离层变化规律,即工作面回采90m时,巨厚砾岩在上覆岩层载荷的作用下,局部发生离层垮落,离层范围20m,垮落高度扩展至110m;得到断层滑移活化变化规律,即工作面回采95m时,断层有滑移失稳迹象;断层易发生滑移失稳破碎的区域是交界区、直接顶区和老顶区;断层滑移失稳加剧回采巷道围岩变形,尤其是断层滑移活化前,巷道底鼓变形更加严重,甚至发生巷道底板冲击。3.通过研究巷道围岩全阶段变化特征、距工作面不同距离巷道围岩变化特征、距断层不同距离巷道围岩变化特征、巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化特征和断层滑移活化时巷道围岩变化特征,得到了如下规律:(1)回采过程中的断层滑移活化阶段巷道围岩位移大于巨厚砾岩断裂离层阶段;随工作面推进巷道围岩能量场变化呈增大趋势;回采70m时,巷道围岩能量积聚较大;回采85m时,巷道围岩能量释放较大;回采95m时,巷道围岩能量急剧释放;工作面回采至断层距离28m时,断层发生失稳、滑移和活化,巷道围岩能量急剧释放,巷道变形以底鼓突变表现,巷道彻底破坏,甚至发生底板冲击。(2)巷道距工作面距离大于50m区域为巷道显现影响区,但巷道围岩变形很小;巷道距工作面距离10~50m区域为巷道显著影响区,巷道围岩变形有大幅度的增加;巷道距工作面距离小于10m区域为巷道突变影响区,巷道围岩变形急剧增加,甚至突变增加,巷道底鼓变形表现的尤为突出。(3)距断层下盘20m,巷道围岩变形最为严重;采动影响下巷道围岩变形,随着距断层下盘距离减小先是缓慢增加,再是非线性急剧增加,最后突变增加,尤其巷道底鼓表现的更为明显;巷道围岩顶底板变形明显大于两帮变形,其中底鼓最为严重,断层帮变形次之。(4)断层下盘煤岩体位移及移近速度明显大于断层上盘,断层下盘巷道围岩变形明显大于断层上盘;采动影响下断层滑移活化过程中巷道围岩变形最严重为巷道底鼓,右帮移近次之,顶板下沉和左帮移近较小。4.建立具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,采用3dec、flac3d和cdem数值软件计算得到如下规律:(1)采动影响下向斜轴部巷道围岩变形以底鼓为主,向斜翼部巷道围岩变形是底板和帮部同时变形;向斜轴部巷道围岩变形整体上大于向斜翼部,其中向斜轴部巷道底鼓量约为向斜翼部的2倍;向斜轴部巷道底板1~3m深度围岩变形剧烈,底板5~8m深度围岩较为稳定,而向斜翼部巷道底板1m深度围岩变形明显大于底板2~8m深度围岩,且底板2~8m深度围岩变形具有线性变化规律。(2)断层下盘附近围岩应力比断层上盘应力易转移;断层下盘底板围岩稳定后的应力小于断层上盘;断层下盘附近围岩能量比断层上盘易发生积聚和易释放;巷道围岩能量的释放以底板和帮部最为明显,断层下盘底板围岩能量瞬间变化幅度为1500kj/m3,明显大于断层上盘能量瞬间变化幅度914kj/m3,约为断层上盘能量释放的1.5倍;断层下盘巷道围岩塑性区以底板扩展为主,逐渐向左帮扩展,断层上盘巷道围岩塑性区也以底板扩展为主,但逐渐向右帮扩展;断层下盘巷道底鼓最大值为1.83m,明显大于断层上盘巷道底鼓最大值1.04m,约为断层上盘底鼓的1.8倍;巷道底板1~3m深度围岩变形较为严重,底板5~8m深度围岩较为稳定。(3)采动影响巨厚砾岩作用下巷道围岩趋于稳定后,砾岩厚度在50~190m时左帮围岩应力值大于底板围岩,帮部易发冲击,砾岩厚度在260~400m时左帮围岩应力值小于底板围岩,底板易发生冲击;巷道底板围岩垂直应力和水平应力在砾岩厚度50~190m时呈现波动变化,且应力值较小,在砾岩厚度260~400m时应力迅速增大,最后稳定在高应力状态,最大应力值分别为42mpa和37mpa。(4)采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩应力总体上呈现“几”字型分布;巷道底板和右帮围岩能量总体上呈现“一”字型分布,易发生围岩冲击;巷道顶板和左帮围岩能量总体呈现“厂”字型分布,不易发生围岩冲击。(5)巷道底板围岩随距工作面距离减小,水平应力对巷道围岩变形起到控制作用,且由于水平应力的大范围释放,易引发底板冲击地压,底板深部围岩水平应力对围岩变形起到关键控制作用,且底板1~3m深度围岩发生突变后,其应力值明显低于底板5~8m围岩应力;随距工作面距离减小,巷道围岩应力整体上由水平应力起到关键控制作用,垂直应力起到辅助作用。(6)回采巷道顶板、底板、右帮围岩能量随距断层距离减小能量变化不大,且能量值较低,底板能量值几乎都为0;巷道左帮围岩能量随距断层距离减小先升高后降低,再升高再降低,最后突变增加,距断层距离50m时为极小值点,距断层距离20m时为突变极小值点;随距断层距离减小巷道底板1~3m深度围岩能量整体上低于底板5~8m;巷道随距断层距离减小,巷道围岩变形呈现非线性增加,甚至急剧突变,尤其巷道底鼓表现的更为明显,底板1~3m深度围岩变形比较剧烈,底板5~8m围岩较为稳定,变形量较小;距断层60~100m时巷道围岩变形显现;巷道距断层20~60m时巷道围岩变形显著显现;巷道距断层10~20m时巷道围岩变形突变显现。5.提出构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机理,即采动影响或动载作用下,复杂构造应力释放主要造成围岩水平应力突变增加,其首先传递到断层帮,但帮部支护强度通常较高,因此应力迅速向底板转移并积聚大量能量,当巷道围岩积聚的能量大于其到达巷道煤壁所消耗的能量与煤壁强度的极限承载能之和时,自身围岩强度和支护强度都较低的底板是其能量释放的最佳位置,于是底板围岩急剧失稳、变形,甚至完全破坏,进而引发底板冲击。6.提出义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好的适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。