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本书分为8个篇章：第一篇 绪论、第二篇 冲击地压物理演化过程、第三篇 冲击地压的冲击启动理论、第四篇 冲击地压的冲击危险性预评价技术、第五篇 冲击载荷源分源实时监测预警技术、第六篇 冲击地压载荷源综合治理技术、第七篇 冲击地压防治应用案例和第八篇 冲击地压防治理论与成套技术体系

冲击地压是发生在煤矿井工开采过程中的典型动力灾害之一,冲击地压更为严重的后果是可以诱发煤与瓦斯突出、煤层自然发火、冒顶等群死群伤的次生灾害。国外,从1738年英国的南史塔福煤田发生并第一次记载冲击地压以来,已有278年的历史,其间在世界上发生冲击地压的国家除我国外,还有英国、波兰、法国、德国、俄罗斯、乌克兰、南非、美国、日本、澳大利亚等23个国家和地区。目前国外发达国家因灾害及能源结构调整原因,冲击地压矿井陆续关闭,我国成为冲击地压灾害防治研究大国。我国最早记录的冲击地压发生在1933年抚顺矿区的胜利煤矿,当时造成80余人死亡。随后,北京、开滦、枣庄、新汶、兖州、义马、鹤岗、双鸭山、辽源等矿区都发生过重大冲击地压灾害。目前,我国冲击地压矿井数量已从1985年的32个发展到现在的170多个,分布于20多个省(市、自治区)。据不完全统计,就2000~2012年期间,全国煤矿共发生冲击地压事故304起,伤亡人数达509人,造成了巨大的经济损失,形成了不良的社会影响。

冲击地压发生次数随煤层开采深度增加,呈现非线性增长关系,而我国煤炭资源按深度分布的储量,埋深超过1 000 m的煤炭储量有2.5万亿t,约占总储量的53%,并且我国煤矿大多建于20世纪五六十年代,目前进入深部开采高峰期,煤矿冲击地压发生频度、强度及区域都在逐年增加。同时,随着井田、采区的充分采动,坚硬顶板下采空面积的不断加大,以及大功率、长运距、高可靠性综采与综放装备的应用,煤矿井下推进速度、开采强度不断加大,近几年浅部开采发生冲击地压的矿井也接连出现。

因此,加大冲击地压灾害防治研究,是保障占总储量53%以上的深部煤炭资源及浅部坚硬顶板条件下煤炭安全开采,保障我国经济持续快速发展和社会进步及人民生命、财产安全刻不容缓的重要任务。

冲击地压发生机理的研究是其有效防治的基础,近30多年来,人们一直尝试着去认识冲击地压,期间形成了“强度理论”、“刚度理论”、“能量理论”、“冲击倾向性理论”以及后来的“失稳理论”和“三因素机理”等等观点。这些理论都从不同侧面揭示了冲击地压发生条件与原理,对于冲击地压研究起到了应有的推进作用。

尽管如此,目前冲击地压监测、防治技术运用还是与机理有所脱节,缺乏从某一理论认识出发,进行后期监测、防治方法取舍、方案设计及技术开发,往往表现为多种同类型的监测设备平行使用或者监测没有空间、时间概念存在盲区,多种监测结果出现矛盾;防治措施缺乏针对性,设计错误或者破坏了围岩支护结构或者促进了冲击地压发生,尤其是对于新出现冲击地压的矿井,面对众多的不确定影响因素和层出不穷的监测与防治方法望而却步,难以决策;冲击地压灾害严重矿井,一般是只要发生一次灾害就全矿井、全煤层尽可能多地上手段,结果往往造成人力、物力以及经济上的疲惫,无法坚持,或者是顾此失彼,无的放矢。一些技术成熟的矿井也是经历了漫长的教训吸取与经验积累过程。为此,一部全面、系统介绍冲击地压防治理论与成套应用技术体系的著作急需面世,以便为全国冲击地压矿区、矿井灾害防治起到积极促进作用。

本书在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目、国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划项目、国家重点研发计划项目等基金资助下,以煤炭科学研究总院开采研究分院(天地科技股份有限公司开采设计事业部)近10年来,尤其是“十二五”期间在冲击地压领域所取得的80余项科研成果为基础,以对冲击地压概念及其机理重新认识为切入点,系统介绍了冲击地压启动理论及其成套应用技术。

冲击地压研究一般分为机理、预评价、监测预警、防治四环节,考虑到本书从重新认识冲击地压概念出发,从源头系统地对每一环节都进行了翔实的分解与介绍,因此,本书采用了篇、章、节形式编排,全书大结构通过八个篇幅来体现,每篇又按所涉及的理论、技术归类等设置若干章节。第一篇为绪论,对冲击地压进行总体概述及国内外研究现状介绍。第二篇为冲击地压物理演化过程剖析,介绍了冲击地压发生的影响因素及“三阶段”物理演化过程。第三篇为冲击地压的冲击启动理论,介绍了冲击地压的冲击启动理论及其分类、能量判据。第四篇为冲击地压的冲击危险性预评价技术,介绍了冲击危险性的宏观评判、计算机仿真及基于集中静载荷探测的地震CT原位评价技术。第五篇为冲击启动载荷源分源实时监测预警技术,介绍了监测预警冲击地压的理论基础;大范围集中动载荷微震监测技术;局部区域集中动载荷地音监测技术;集中静载荷在线监测技术;冲击地压分源权重综合监测预警系统。第六篇为诱发冲击启动载荷源综合治理技术,介绍了区域防范冲击地压的理论与技术;局部防治的采动围岩近场集中静载荷卸压;局部防治的采动围岩远场集中动载荷源消源;局部防治的采掘空间强力支护防冲降灾方法。第七篇为基于冲击启动理论的冲击地压防治实践,介绍了局部防治冲击地压的理论与技术体系;集中静载荷型冲击地压防治实践;集中动载荷型冲击地压防治实践。第八篇为冲击地压防治理论与成套技术体系建立,介绍了冲击地压科学防治理论与技术体系;冲击地压研究展望。

全书的整体构思、统稿和审定由潘俊锋负责。各章编写分工:第一章,潘俊锋;第二章,潘俊锋、毛德兵;第三、四、六章,潘俊锋;第五章,潘俊锋、王书文、杨磊、刘少虹;第七章,秦子晗;第八章,潘俊锋、秦子晗;第九章,王书文、毛德兵;第十章,潘俊锋、毛德兵;第十一章,夏永学、王传朋、陈法兵、李岩;第十二章,夏永学、冯美华、王传朋;第十三章,潘俊锋、王书文、毛德兵;第十四章,潘俊锋、秦子晗、冯美华、夏永学;第十五章,潘俊锋;第十六章,潘俊锋、王书文、蓝航;第十七章,潘俊锋、雷毅、杜涛涛;第十九章,潘俊锋;第二十章,潘俊锋、刘少虹、冯美华、王书文;第二十一章,潘俊锋、王书文;第二十二章,潘俊锋、毛德兵;第二十三章,潘俊锋。此外,第三章引用了潘立友教授文献;第十八章分别引用了康红普院士、潘一山教授文献。此外,采矿技术研究所冲击地压研究室的其他人员也参加了部分小节的编写与图件修改。

本书的特点是系统地从源头、从基础起步,强调理论与成套技术的结合,全书一个理论贯穿到所有冲击地压技术中,并进行了大量实践验证。另外,本书展示出了很多新观点、新认识、新思考、新技术、新知识,有些为尚未公开发表的科研成果及学术理论。本书所涉及的很多研究成果是与煤炭企业合作完成的。山东新汶、淄博、济宁、兖州,内蒙古平庄、上海庙,河南义马,陕西彬长、麟游,黑龙江鹤岗、七台河、双鸭山,吉林龙家堡,甘肃华亭,山西潞安,新疆等矿区矿井给予了大力支持与帮助。特别感谢钱鸣高院士的殷切指导,钱院士对本书的题目确定及今后冲击地压如何研究给予了宝贵建议。在本书的编写过程中,煤炭科学研究总院开采研究分院及采矿技术研究所的领导给予了大力支持。在此一并表示衷心的感谢,同时感谢所有引用及疏漏文献的作者。

由于作者水平有限,书中难免会出现错误或不当之处,敬请读者批评指正。

作　者

2016年4月15日

第一篇　绪　论

第一章　冲击地压概述3

1.1　冲击地压的基本术语3

1.2　冲击地压发生的特点3

1.3　冲击地压的传统分类5

1.4　冲击地压防治基本程序6

第二章　国内外研究现状8

2.1　冲击地压发生物理过程与机理研究8

2.2　冲击地压危险性预评价技术10

2.3　冲击地压实时监测预警技术11

2.4　冲击地压防治技术13

2.5　冲击地压机理向防治延伸的要求15

第二篇　冲击地压物理演化过程剖析

第三章　冲击地压发生的影响因素19

3.1　冲击地压发生的宏观条件19

3.2　地质赋存因素19

3.3　开采技术因素27

第四章　冲击地压“三阶段”物理演化过程33

4.1　冲击地压的黑箱研究方法33

4.2　冲击地压显现34

4.3　冲击启动34

4.4　冲击能量传递35

4.5　冲击地压黑箱的演化过程36

4.6　相关术语重新界定38

第三篇　冲击地压的冲击启动理论

第五章　冲击启动的材料-结构动力失稳机理41

5.1　工程结构体冲击启动区41

5.2　一维承载煤样材料失稳声发射试验54

5.3　考虑动载荷的一维承载煤样材料失稳过程特性58

5.4　工程结构体的变载荷类建筑结构模型64

5.5　类建筑结构主承载体极限平衡方程66

5.6　类建筑结构主承载体地基极限平衡方程69

5.7　弹脆性材料失稳催生结构失稳诱发冲击启动机理71

第六章　冲击启动的类型与能量判据73

6.1　冲击地压的冲击启动类型73

6.2　两类冲击启动力学模型及判据74

6.3　两类冲击地压启动工程案例揭示76

6.4　防止巷道冲击启动的模型与原理81

6.5　冲击地压的冲击启动理论提出88

第四篇　冲击地压的冲击危险性预评价技术

第七章　冲击危险性的宏观评判93

7.1　经验类比法93

7.2　综合指数法93

7.3　动态权重法97

第八章　冲击危险区域与危险时段计算机动态仿真106

8.1　冲击地压危险区域预评价107

8.2　冲击地压危险时段预评价109

第九章　基于集中静载荷探测的地震CT原位评价技术112

9.1　地震初至波走时CT获取围岩波速结构112

9.2　受载煤样纵波波速与应力关系的试验研究128

9.3　围岩波速结构评价冲击危险性方法130

9.4　应用案例134

第五篇　冲击启动载荷源分源实时监测预警技术

第十章　监测预警冲击地压的理论基础141

10.1　冲击危险源层次化辨识方法141

10.2　诱发冲击启动载荷源分源监测预警基本原理143

第十一章　大范围集中动载荷微震监测技术144

11.1　ARAMIS M/E微震监测系统与布置144

11.2　微震监测系统布置方案优化151

11.3　开采活动与微震事件161

11.4　微震评价指标的确定168

11.5　评价指标计算169

第十二章　局部区域集中动载荷地音监测技术179

12.1　地音、微震、冲击地压三者的关系179

12.2　地音评价冲击危险性的理论基础179

12.3　ARES-5/E地音监测系统及布置180

12.4　冲击地压前兆地音信息识别184

12.5　地音评价方法和指标186

第十三章　集中静载荷在线监测技术190

13.1　煤岩体集中静载荷监测方法190

13.2　煤岩体应力监测方法190

13.3　KJ21冲击地压应力在线监测系统193

第十四章　冲击地压分源权重综合监测预警系统196

14.1　冲击地压分源综合预警指标体系及分级196

14.2　冲击地压分源权重综合预警模型198

14.3　冲击地压危险性综合评价及预警系统202

14.4　煤矿冲击地压危险性综合评价及预警系统应用206

第六篇　诱发冲击启动载荷源综合治理技术

第十五章　区域防范冲击地压的理论与技术211

15.1　区域大范围防范冲击地压的理论基础211

15.2　集中静载荷(高集中应力)可干扰性及影响规律213

15.3　基于集中静载荷疏导的冲击地压区域防范技术体系218

第十六章　局部防治的采动围岩近场集中静载荷卸压219

16.1　煤层爆破疏压技术219

16.2　煤层大直径钻孔卸压技术226

16.3　煤层注水疏压技术232

第十七章　局部防治的采动围岩远场集中动载荷源消源240

17.1　煤层顶板深孔预裂爆破技术240

17.2　煤层致密顶板水力定向压裂技术244

第十八章　局部防治的采掘空间强力支护防冲降灾方法250

18.1　冲击地压巷道围岩锚杆支护250

18.2　防冲吸能巷道液压支架支护251

第七篇　基于冲击启动理论的冲击地压防治实践

第十九章　局部防治冲击地压的理论与技术体系255

第二十章　集中静载荷型冲击地压防治实践257

20.1　工程背景257

20.2　岩浆岩下伏短壁综放面冲击启动原理258

20.3　冲击载荷源分源监测与防治261

20.4　冲击地压防治应用效果分析265

第二十一章　集中动载荷型冲击地压防治实践267

21.1　工程背景267

21.2　冲击地压的冲击启动原理268

21.3　冲击启动载荷源分源监测273

21.4　基于冲击启动载荷源分源防治278

21.5　基于冲击启动载荷源分源防治效果283

第八篇　冲击地压防治理论与成套技术体系建立

第二十二章　冲击地压科学防治理论与技术体系287

22.1　科学防冲理念287

22.2　科学防冲的理论与成套技术体系288

第二十三章　冲击地压研究展望290

参考文献292