随着我国煤矿开采深度和强度的逐年增大,作为一种突变型灾害——冲击动力灾害发生的频次和烈度都急剧增加,并且85%的冲击动力灾害发生在巷道中,由冲击动力造成的巷道冲击破坏机理及其防控已成为矿井实现安全高效开采一个亟待解决的重大难题。近年来,河南义马煤田中部五对矿井(千秋矿、跃进矿、常村矿、耿村矿、杨村矿)累计发生百余次巷道冲击破坏事件,造成万余米巷道受到不同程度的破坏,其中发生在千秋矿21141工作面运输巷的冲击破坏次数所占比例最大。尽管许多学者对巷道冲击破坏机理及其防控技术开展了大量的研究,但至今依然没有对其发生机理形成统一的认识,使得巷道冲击破坏的预测预报和防控技术进展缓慢。本文以位于河南义马煤田中部的千秋矿为工程背景,采用现场调研、实验室试验、数值模拟等方法,分析了不同受载状态下煤体冲击破坏能量特征,并以巷道围岩塑性区形态特征为主线,研究了采动应力场特征、回采巷道塑性区演化规律以及不同应力条件对塑性区形态特征的影响,揭示了义马煤田回采巷道冲击破坏机理,归纳了巷道冲击破坏关键影响因素,形成了如下主要结论和创新性成果:1、获取了义马煤田巷道冲击破坏特征及发生规律。(1)义马煤田煤层上覆岩层厚度大,并受到逆断层影响,使得巷道处于复杂的高应力环境中,在采掘扰动、巷道扩修、巷内爆破等动载因素的作用下,导致巷道冲击破坏事件频发。巷道冲击破坏特征主要表现为巷道严重底臌、两帮大幅收缩、支护体严重损毁,甚至巷道合拢等。巷道冲击破坏多发生在工作面回采期间,发生位置埋深较大并且处于采动应力影响范围内。根据统计结果,在2006年～2015年间义马煤田累计发生108次巷道冲击破坏事件,其中埋深大于600m的巷道冲击破坏次数为90次,占巷道冲击破坏事件总数的83.3%,发生在工作面回采期间的巷道冲击破坏次数为55次,占事件总数的50.9%。在义马煤田中部五对矿井中,千秋矿发生的巷道冲击破坏次数最多,达41次,并且千秋矿事件总数的63.4%发生在工作面回采期间,占比为58.5%的事件发生在埋深超过600m的21141工作面运输巷。通过对发生在21141工作面运输巷冲击破坏微震监测前兆特征的分析,发现巷道冲击破坏发生前,微震监测最大能量波动不明显,但是每次能量的急剧增大均伴随有巷道冲击破坏事件的发生。(2)分析了不同受载状态下煤样试件的声发射信号的能量特征。不同受载状态下,在三轴压缩过程中试件的声发射信号随时间的变化经历了三个阶段,即静默期、爆发期和峰后释放期。在静默期试件内的原生裂隙闭合并发生弹性变形,整体的声发射振铃计数和能量均较少,压力机输入的能量大部分转化为试件的弹性能;在爆发期试件内的原生裂纹扩展、贯通,逐步形成宏观裂纹,声发射振铃计数和能量释放呈现爆发式增长,在试件达到峰值应力时,声发射振铃计数和能量释放也达到最大值;峰后释放期内随着应力的跌落声发射信号亦随之减弱甚至消失。加载速率和围压都对试件的冲击破坏有着显著影响。围压相同,随着加载速率的增大,试件声发射事件数量逐渐减少,能量峰值逐渐增大,试件破坏越严重;加载速率相同,随着围压的减小,试件声发射事件数量逐渐增多,能量峰值也具有逐渐增大的趋势,试件的破坏程度也越严重,并且试件上部的声发射事件明显多于下部。一定条件下的加载速率和围压均能诱发大能量事件,并导致试件发生冲击破坏。2、得到了义马煤田采动应力场特征以及回采巷道塑性区演化规律。(1)受工作面回采的影响,回采巷道区域主应力场的大小和方向将发生改变。沿回采巷道轴向最大主应力呈现先急剧增大后逐渐减小的趋势,减小的幅度越来越小,并且最大主应力峰值位置到工作面的距离为15m。最大主应力与x轴夹角随着到工作面距离的增大而逐渐增大并接近于竖直方向。最小主应力在距离工作面约25m处达到最大后,随着到工作面距离的增大而缓慢减小。在采动应力作用下,回采巷道塑性区的最大尺寸及其方向等特征发生明显变化。工作面推进至某一位置时,到工作面不同距离处的塑性区形态特征不同,随着到工作面距离的减小,回采巷道两肩角处塑性区不断向深部扩展,其形态由不规则逐渐演化成蝶形,并且受最大主应力的影响,塑性区蝶叶方向会发生偏转。某一位置处的塑性区形态特征也随着工作面的推进,由不规则形态逐渐演化成蝶形,蝶叶方向也会发生偏转。在21141工作面推进过程中,在工作面前方与21121工作面采空区相衔接的拐角处形成了应力集中“三角区”,在工作面推进距离分别为270m、400m和700m时,21141工作面前方最大主应力等值线分别近似呈“L”形、“L+U”形和“U”形分布。工作面前方20m范围内的最小主应力等值线密度相对较大,达到峰值后趋于稳定。(2)当双向载荷比值为1和1.5时,随着竖向载荷的增大,巷道围岩塑性区从不规则形态分别逐渐趋近于圆形和椭圆形;当双向载荷比值为3时,巷道围岩塑性区呈蝶形(或残缺蝶形)分布,随着竖向载荷的增大,蝶形塑性区的蝶叶逐渐向深部扩展,当竖向载荷达到某一极限值时,煤层会发生大范围破坏。3、发现了巷道围岩蝶形塑性区瞬时扩展特性。基于巷道围岩塑性区最大尺寸Rmax与边界载荷P1、P3之间的关系曲线(简称RPP曲线),阐明了不同应力条件下巷道围岩塑性区最大尺寸具有缓慢增加和急剧增大两种响应特征。巷道围岩非蝶形塑性区最大尺寸与竖向载荷之间呈线性关系,而蝶形塑性区最大尺寸与竖向载荷之间近似呈正指数关系。RPP曲线反映出蝶形塑性区对竖向载荷的增大是极其敏感的,在某些应力和围岩条件下,竖向载荷的略微增大,都会导致蝶形塑性区的瞬时扩展。只有巷道围岩出现蝶形塑性区后,才有可能发生塑性区的瞬时扩展,即巷道冲击破坏,并从能量角度出发,分析了外界扰动作用下巷道发生冲击破坏时围岩体内弹性能的变化特征。4、揭示了义马煤田回采巷道冲击破坏机理。在采动应力、断层等因素的影响下,回采巷道塑性区呈不均匀分布状态,由于受到采掘扰动、巷道扩修、巷内爆破等触发事件产生的扰动作用的影响,使得回采巷道区域应力场突然发生改变,巷道围岩双向载荷也随之发生明显改变,导致围岩蝶形(或残缺蝶形)塑性区出现瞬时扩展,并以震动、声响和煤岩体抛出的形式释放存储于体内和围岩系统中的大量弹性能,出现爆炸式破坏的动力现象。5、归纳了义马煤田回采巷道冲击破坏的关键影响因素。主应力的大小和围岩强度对巷道塑性区的形态特征均具有显著影响,并且主应力的大小对塑性区形态特征的影响程度要大于围岩强度。在一定的应力和围岩条件下,当巷道围岩存在蝶形塑性区时,最大主应力的增大和围岩强度的减小都会导致塑性区蝶叶出现扩展,并伴随能量释放。在某些条件下,当巷道围岩中不存在蝶形塑性区时,受到外界扰动作用后,巷道围岩瞬态塑性区也会呈蝶形分布。如果蝶形塑性区扩展是瞬时的,将诱发巷道冲击破坏。围岩强度减小时,巷道围岩非蝶形塑性区的不规则形态没有发生变化,并且不会诱发巷道冲击破坏。在此基础上介绍了巷道布置、大直径钻孔等在巷道冲击破坏防控方面的重要作用。