近年来,随着经济转型、产业结构调整、天然气等清洁能源消费比重增加以及煤炭产能过剩等原因,导致我国煤炭消费占比呈减小趋势,但整体占比依旧保持在60%以上。我国煤炭资源消费的高占比局面迫使开采强度持续处于较高的状态,这也导致众多矿区浅部煤炭资源日益枯竭,因此不得不被迫转向开采埋藏较深的煤层,甚至是复杂地质构造区内的煤田。而当对处于褶曲、断层等复杂地质构造影响范围内的煤层进行开采时,很容易受开采扰动和强构造应力扰动影响而诱发冲击矿压事故。本文以两种典型地质构造条件下工作面采掘期间冲击矿压的显现及破坏特征为立足点,围绕典型断层构造区采掘活动的矿震分布规律和典型褶曲构造区采掘活动的矿震分布规律进行了详细的分析,为宝积山煤矿位于向斜构造翼部且临近F46大断层这一特殊多重构造区内7采区的开采研究提供了切入点。综合运用现场调研、理论建模分析、实验室试验、数值模拟计算和现场工程实践等手段,对动载或静载主导动静载叠加作用诱发冲击矿压的关联性、工作面采空区及沿空巷道两侧煤体中支承应力与煤层倾角变化的演化规律、不规则工作面开采扰动条件下断层滑移活化规律及覆岩破断特征、多重构造区冲击矿压的防控机理及其工业性试验等问题开展了系统的研究,得到的主要结论如下:(1)通过收集整理义马跃进煤矿和华亭砚北煤矿井田生产地质资料,统计分析跃进煤矿25110工作面采掘期间受临近F16逆冲断层及工作面内小断层构造影响下微震事件时空演化规律,以及砚北煤矿2502采区内工作面采掘期间受横跨工作面的向斜–背斜构造影响下微震事件时空演化规律,说明断层地质构造引起的剧烈动载荷和褶曲地质构造引起的高集中静载荷均能诱发采掘空间发生严重的冲击矿压显现。(2)煤岩体在较低的静载荷作用下,失稳破坏发生冲击矿压所需的弹性应变能主要由外在动载荷提供,此时动载荷在动静载叠加作用中起主导作用;煤岩体在高集中静载作用下,因其自身积聚了大量的弹性应变能,失稳破坏发生冲击矿压所需弹性应变能主要由内在的静载荷提供,此时静载荷在动静载叠加作用中起主导作用,动载荷在动静载叠加作用中起辅助诱导作用。(3)7采区内所采1#煤层冲击倾向性测试结果为:动态破坏时间DT=19.2、弹性能指数WET=4.26、冲击能指数KE=10.43和单轴抗压强度Rc=27.35 MPa,综合评价具有III类强冲击倾向性;煤层上方顶板冲击倾向性测试结果为:复合顶板弯曲能量指数UWQ=65.61 k J,具有II类弱冲击倾向性。(4)基于Winkler弹性地基假定建立了工作面沿煤层倾向的力学模型,并对工作面采空区上下两侧煤体中垂直压缩位移量分别进行求解计算,结果表明:随着煤层倾角从45°→0°递减变化时,采空区上下两侧实体煤中垂直压缩位移量峰值逐渐增大,峰值位置也逐渐向煤体深部转移;同一煤层倾角条件下,采空区下侧实体煤中峰值位移量明显大于上侧实体煤处,但峰值位置距离采空区煤壁距离要略小于上侧实体煤处;采空区上侧实体煤中垂直压缩位移量大于0.1 m的影响范围要大于下侧实体煤处;采空区上下两侧实体煤中垂直压缩位移量和煤体对上覆岩层垂直支承应力呈正相关性,因此垂直压缩位移量的分布规律能够直观反应出其对应的支承应力的分布变化规律。(5)数值模拟结果表明随着煤层倾角减小,本区段工作面回采期间应力场演化规律为:工作面上端头处峰值应力从43.67 MPa增大至136.59 MPa,煤层倾角在30°时开始出现L形区应力集中,且应力集中程度越来越高,形成了高集中静载;煤柱内峰值应力从86.18 MPa减小至57.33 MPa,煤柱内峰值应力减幅较L形区内峰值应力增幅要小,整体上呈现出高集中静载荷从煤柱侧向实体煤侧转移的规律;实体煤侧峰值点位置向工作面煤壁前方递增,由8.49 m增大至12.03 m,与巷帮煤壁距离递增,由3.79 m增大至8.05 m;煤柱侧峰值点位置同样向工作面煤壁前方递增,由4.51 m增大至9.58 m,与巷帮煤壁距离大致相同,保持在煤柱帮内4 m位置处。(6)基于Winkler弹性地基假定建立了沿空侧巷道沿煤层倾向的力学模型,并对巷道两帮煤体中垂直压缩位移量分别进行求解计算,结果表明:随着煤层倾角从45°→0°递减变化时,煤柱帮内垂直压缩位移量峰值位置基本保持在距巷帮煤壁4 m位置处,峰值位移量递减变化;实体煤帮内垂直压缩位移量峰值位置距巷帮煤壁距离递增变化,峰值位移量也递增变化;巷道两帮煤体中垂直压缩位移量和煤体对上覆岩层垂直支承应力呈正相关性,因此垂直压缩位移量的分布规律能够直观反应出其对应的支承应力的分布变化规律。说明随着煤层倾角变小,沿空巷道护巷窄煤柱因损伤破坏而呈现出承载能力减弱、应力集中减小的趋势,应力转移而致使实体煤帮呈现出应力集中增大的趋势。(7)根据“O-X”型破断理论,通过分别求解回转失稳和滑落失稳系数对沿空侧巷道顶板弧形三角块结构的稳定性进行了判定,结果表明:较小的煤层倾角能够很好地抑制关键块B发生滑落失稳的可能性,同时能够有效的促进关键块B发生回转失稳的可能性;较大的煤层埋深能够很好地促进关键块B发生滑落失稳和回转失稳的可能性;提高煤柱帮、顶板和实体煤帮支护强度均能够起到降低关键块B发生回转失稳的作用,且煤柱帮和顶板支护强度变化对回转失稳系数的敏感度较高,实体煤帮支护强度变化对回转失稳系数的敏感度较低。(8)数值模拟结果表明707不规则工作面回采期间,回采初期宽工作面(170 m)回采阶段,断层结构面上剪切位移量整体分布偏向于0 m,断层构造稳定性较好,不易发生滑移活化失稳;回采中期宽窄工作面(170 m→85 m)过度回采阶段,断层结构面上最大剪切位移量为0.142 m,断层构造稳定性急剧变差,极易诱发断层构造滑移活化失稳;回采末期窄工作面(85 m)回采阶段,断层结构面上最大剪切位移量为0.105 m,断层构造稳定性较宽窄工作面过度回采阶段要好,易发生断层构造滑移活化失稳。(9)建立断层地质构造带应力状态的力学模型,推导出断层上下盘之间发生相对滑动致使断层活化所需满足的条件如下:同一断层倾角θ条件下,随着侧压系数λ值的递增变化,其对应的ω(λ,θ)函数曲线呈单调递增变化规律(θ=0°和90°除外)。说明临近向斜地质构造轴部区域的断层,因受到较强的地质构造应力场影响而具有较大的λ值,因此断层处于稳定闭锁状态而积聚有大量弹性应变能。当受到开采扰动影响时容易瞬间滑动而将其积聚的大量弹性应变能释放,形成强烈的动载源。(10)707不规则工作面回采阶段的数值模拟结果表明:宽工作面回采阶段和宽窄工作面过度回采阶段采空区上覆岩层中关键层最大下沉位移量接近0.6 m,可认定此时关键层发生了破断;窄工作面回采阶段采空区上覆岩层中关键层最大下沉位移量接近0.16 m,可认定此时关键层下沉量较小未发生破断。基于薄板理论推导出的上覆岩层梯形体破断高度判据公式如下:根据采区内707不规则工作面设计开采位置处的地质柱状图,依据上述公式求解计算结果和数值模拟结果基本一致。(11)建立力学模型对比分析了覆岩中关键层破断前后对四周煤壁内支承应力的变化影响,计算分析表明:工作面采空区上覆岩中关键层的破断会导致沿工作面走向方向煤壁内超前支承应力的峰值应力和影响范围增大;同理可知沿工作面倾向方向煤壁内侧向支承应力的峰值应力和影响范围也随着关键层的破断而增大。可见,覆岩中关键层破断将会致使采空区四周煤体中的高集中应力及其影响范围进一步增大,形成更高的集中静载荷。(12)通过对实体煤帮自动卸压机理、矸石–三角煤柱让压及承载机理和矸石顶板卸压机理综合分析来看,错层位沿空巷道能够有效的降低冲击矿压的发生,且其关键技术在于破碎矸石顶板、矸石–三角煤柱及卸压实体煤帮组成的三位一体围岩卸让压结构。义马跃进煤矿临近F16逆冲大断层构造的25110工作面开采工程实例证实了该技术能够有效地防控巷道受强动载扰动而发生冲击矿压。(13)高压水射流有控卸压技术能够将巷帮内原本受高应力集中影响的煤体进行应力转移和释放,使得原有的应力状态重新分布。其对巷帮内中间处煤体卸压所形成的“弱结构”弹塑性区对冲击启动能量的传递有显著阻止作用,而巷帮内浅处煤体作为高压水射流卸压钻孔的保护区与支护系统构成了“强结构”区,其对冲击能量向巷道空间的释放具有二次阻止作用。华亭砚北煤矿位于向斜–背斜褶曲构造区内的250203工作面开采工程实例证实了该技术能够很好地防控巷道受高集中静载影响而发生冲击矿压。(14)706工作面作为冲击矿压显现频发的705工作面的接续开采面,与705工作面具有相似的工程地质条件。在706工作面开采期间,基于动静载叠加诱发冲击机理,对其实施巷道围岩卸压与加固协同控制技术。电磁辐射监测和矿压观测结果表明巷道围岩控制效果良好,尤其受回采动压影响易产生严重变形的煤柱帮也得到了很好的控制,说明该方案措施达到了预期的治理效果。