冲击地压是影响煤矿安全生产的主要灾害之一,具有多因素耦合致灾、非线性演化、瞬时突发、破坏强等特点。由于冲击地压的复杂性及灾害性,依然需要对冲击地压致灾机理展开深入研究。厚层坚硬煤系地层是孕育冲击地压的主要地质环境之一,本文在广泛调研冲击地压现象的基础上,结合同煤集团忻州窑矿厚层坚硬煤系地层的地质条件,采用统计调研、力学实验、正交试验、数值模拟、理论分析等方法,就地质赋存条件与冲击地压的相关性、基于真实地层厚度比的组合煤岩体变形破坏特性、厚层坚硬地层冲击地压致灾机理、基于地质赋存条件与采动因素的冲击危险性评价方法、厚层坚硬地层条件下的冲击地压防治技术等方面展开研究,具体的工作包括以下几方面:1.煤系地层地质赋存条件与冲击地压的相关性(1)将中国冲击地压矿井在地图中标注发现中国冲击地压矿井在平面分布上具有北多南少、东多西少的特点,且冲击地压矿井的空间分布具有一定聚集特征;对忻州窑、三河尖、千秋煤矿三个矿井共179次事故的统计表明冲击地压发生的时间并没有集中在某一时间,冲击地压发生时间离散性较强;从冲击特征而言,冲击前一般煤炮频繁,在超前巷道高发,底板及两帮是受破坏较为严重的区域;(2)对地质赋存因素的统计调研表明:(1)冲击危险性区域一般处于煤层合并区,该区域煤层厚度增大,冲击危险性煤层上方至少存在一层厚层坚硬砂岩;(2)从工程岩体分级角度而言,冲击危险性矿井的煤样一般难以达到坚硬岩石的类别,但具备强冲击或弱冲击危险性。岩石的抗压强度普遍高于煤层,且大部分顶底板岩石能接近或达到工程硬岩标准;(3)冲击地压矿井的地应力水平较高,地应力分布要比普通矿井的地应力场更为复杂;(4)在大量冲击倾向性鉴定的基础上,冲击地压矿井煤样主要表现出弱冲击特性,其次为强冲击,所占比例最少的是无冲击,现有的冲击倾向性评价对强、弱、无的区分度不足;(5)不同倾角、埋深、构造、瓦斯、水文环境都可能发生冲击失稳,但相对而言,构造活动对冲击地压的形成影响更大更直接;(3)厚层坚硬煤系地层、地质构造及高地应力环境对冲击地压的形成具有重要影响,属于主要影响因素,厚层坚硬地层为冲击地压所需的高应力和高能量环境提供物质基础,使得冲击地压频发具备物质条件。地层倾角、开采深度、瓦斯及气流、水文条件等对冲击地压的孕育产生一定影响,属于亚影响因素。2.基于真实地层厚度比的坚硬组合煤岩破坏特性(1)煤的单轴抗压实验表明,在煤的强度变化幅度不大的条件下,相同加载条件下出现了单斜面剪切破坏、圆锥形破坏、柱状劈裂等不同的破坏形态,说明煤的细观组成具有离散性和随机性,其破坏形态不仅取决于试验机与材料端面的摩擦力,还与材料本身的非均匀性有关;(2)采用正交实验法研究rfpa中输入的内摩擦角、单轴抗压强度、压拉比、弹性模量、泊松比、均质度对输出结果的影响,表明rfpa中弹性模量和均质度对输出结果有重要影响,二者数值较高时,输出强度随之增加,运算时步也会增加,而输入的单轴抗压强度对输出强度有显著影响,但其对加载步的影响并不十分显著,其余因素对输出结果的影响相对较弱;(3)单轴加载条件下:(1)二体真实比组合体与二体等比组合体相比,顶-煤组合的强度有显著提升,而煤-底组合的强度变化并不明显,二体组合时破坏主要以煤层破坏为主;(2)三体真实比组合体强度低于二体顶-煤组合强度、高于煤-底组合体强度,当煤体在组合体中比例较大时,会使得组合体的强度更趋近于煤体的单体强度,而顶板比例提高时,组合体强度有增大趋势;(4)单轴条件下孔洞结构对组合体破坏的研究表明:(1)相同尺寸孔洞位于组合体不同位置时,对组合体峰值强度影响不大,与无孔洞相比,孔洞位于顶板时强度略有增加,其他两种情况下略有下降;(2)受孔洞结构影响,组合体在峰后出现应力调整,顶板的应力调整最为明显;(3)孔洞周围会形成初始应力集中,特别是矩形孔洞的左右两帮应力集中明显,应力集中程度与所在层位地层强度成反比,地层强度越大,孔洞两帮初始应力集中程度越小;(4)顶板中的孔洞对裂纹扩展影响较小,煤层及底板中的孔洞会影响裂纹的形成和扩展;(5)孔洞大小对组合体强度有显著影响,孔洞尺寸越大,组合体的强度越低,峰后应力调整越明显;(6)组合体中主裂纹扩展后次生裂纹发育造成煤及底板呈破碎性破坏,而顶板主要以劈裂破坏为主;(5)三轴围压下组合体破坏特性研究表明:(1)施加围压后,组合体峰值强度明显提高,随着围压的增大,组合体峰值强度有增大趋势,达到破坏所需运算时步越多;(2)组合体峰后发生突然破坏,随着围压的增大,应力跌落范围有增大趋势;(3)围压越大,裂纹扩展的空间越小,组合体在较小形变时即发生破坏,而单轴条件下破坏范围更大;(4)三轴加载时组合体的破坏主要集中在煤体及底板,顶板受到影响较小,顶板未出现劈裂破坏;(5)相同围压下,组合体中煤层高度越大,峰值应力越低,但反之不完全成立。3.厚层坚硬煤系地层冲击地压机理采用理论分析、现场观测、现场调研等方法研究了厚层坚硬煤系地层中的冲击地压机理,并将其概括为:(1)煤层开挖后,开采空间附近应力重分布,其中在巷壁附近存在一高应力范围,当应力峰值超过煤体破坏强度时,首先在煤体中自下而上形成塑性破坏区,根据不同的应力环境,塑性破坏区有可能发育到煤壁,也有可能仅以塑性带的形式出现在煤体中,对于后者,塑性带两侧的煤体依然具有一定承载力。在垂直载荷居高不下时,塑性带不断发育并形成一定范围,煤体既有可能在垂直载荷作用下直接失稳,也有可能在动载扰动影响下失稳,前者类似于单轴压缩实验条件下的组合体破坏,而后者则有动载扰动所造成的应力叠加效应;(2)不同形式的动载以应力波的形式在煤岩体中传递,应力波传递到塑性区范围时与原有应力相叠加,造成开采空间内的煤岩体冲击失稳,其中底鼓与垂直方向应力增加有关,而片帮、顶煤冒落既有可能是垂直应力作用,也有可能是水平方向的应力作用,或者二者兼而有之;(3)厚层坚硬地层对冲击地压的影响体现在三方面,其一是促使开采空间周围的应力集中有靠近煤壁的趋势;其二是塑性带以外的煤体具有一定完整性和承载力,从而能够保证其在出现塑性带后不发生冲击失稳;第三是厚层坚硬地层条件下动载扰动的扰动力更大更强,扰动过程中传递更大的力和更多的能量,造成失稳过程突然急剧。4.地质赋存与采动影响下的冲击危险性评价及实例分析(1)在回采前的冲击危险性评价,将厚层坚硬煤系地层和高地应力这两个因素作为主因素,煤系地层满足厚层坚硬条件且符合高应力水平时,认为开采煤层具有冲击危险性。采动影响下,应结合地质赋存条件与开采条件对煤系地层中的应力重分布进行评估,并按照应力水平和演化阶段将其划分为不同的冲击危险等级;(2)按照煤层自上而下的评价原则,忻州窑矿从9煤开始在井田范围开始符合厚层地层条件,11煤与12煤及其合并层内不仅满足厚硬条件,而且存在高地应力区域,且该区域构造活动显著,综合判断该区域开采过程中存在冲击失稳风险。在当前开采技术下忻州窑矿8533工作面在开采过程中存在多个冲击危险区,其中临空煤柱、多巷交汇等区域存在较大冲击危险。(3)数值模拟表明,原岩应力水平越高,采动影响后应力增加越明显,高原岩应力有利于形成高地应力环境。厚层坚硬顶板条件下,直接顶内的应力水平要高于基本顶,在连续回采过程中,本工作面见方及下一工作面初次来压期间是冲击危险较为严重的时期,连续回采造成高应力在临空煤柱累加,使得煤柱及其临近区域冲击失稳风险增大。同时开掘两巷及工艺巷或分步开掘巷道对最终的应力场分布影响不大,但在初采期间工作面附近应力演化会受到一定影响,越晚开掘巷道,应力增加相对变慢。留设工艺巷造成工艺巷附近应力水平升高,工作面前方及其更前方多巷交汇区域、工作面端头等区域是应力升高较为明显的区域,开采工作面留设多条工艺巷会造成冲击危险性增高。5.厚层坚硬地层冲击地压防治方法(1)厚层坚硬地层冲击地压防治中存在多巷交汇、防灾技术可重复性差等缺点,造成冲击解危措施不能有效发挥作用,提出利用上巷防冲的技术思路,并利用两带高度及钻孔总长度的计算确定上巷合理位置;(2)厚层坚硬顶板条件下,上巷布置在远离开采层的空间更为稳定,而在充填条件下,顶板内的应力分布较为平缓,受采动影响应力增量不大,与垮落法管理顶板相比,充填开采更有利于上巷的维护,上巷充填可避免多巷交汇出现从而降低冲击风险,上巷充填开采相对于开设工艺巷而言在技术上更具优势,但本工作面的充填对距离该面较远的位置影响较小;(3)采用条带开采时,充填体的支护作用具有时效性,与充填体直接接触的顶板岩层发生缓慢下沉,充填体需具备足够的强度方能保证充填体及顶板的长期稳定;充填体有助于缓解距离较近的围岩体内的应力集中,但对于远离充填体的老塘采空区,由于部分区域在此前的回采中已形成高应力环境,充填体对距离较远的应力集中作用有限;从顶板的塑性区发育及顶板破坏而言,充填体面积越大,越有助于缓解充填体上方顶板的应力集中,顶板破坏的时间被逐渐延后,从而可以降低顶板来压造成的冲击风险;(4)煤柱的稳定有赖于采动影响后形成的二次地应力环境,当高地应力环境已经形成时,充填本工作面对于保护远离该工作面的临空煤柱稳定作用有限;(5)对于连续回采的工作面,采用工作面交替充填时从首采工作面开始充填要优于从第二个工作面开始充填,首采面充填后能够抑制高地应力环境的形成,从而保证首采面与下一工作面间煤柱的稳定性。原岩应力在采动重分布后保持较低增长水平,非充填工作面处于两较低地应力场中间,有利于顶板维护和安全开采。此时,未充填面与下一充填面之间的煤柱存在高应力集中区,在生产中需对此煤柱区域进行重点监控。