摘" 要：為揭示沖擊地壓的發(fā)生機理，分析了多個沖擊地壓實例，提出沖擊地壓的新分類及其發(fā)生機制。研究結(jié)果表明：存在兩種不同破壞類型的沖擊地壓，定義為煤體破碎型和煤體滑動型，前者以煤體的沖擊破碎為顯著特征，后者以煤體整體沖入巷道內(nèi)為主要特征。煤體破碎型沖擊地壓的發(fā)生機理為破裂沖擊機理，即煤體在高應力作用下破裂后圍巖發(fā)生彈性回彈，對煤體產(chǎn)生準動態(tài)加載，導致煤體發(fā)生沖擊破壞；煤體滑動型沖擊地壓的機理為卸載滑脫機理，即特定條件下頂板向上撓曲導致煤層豎直壓力降低，豎向夾持力降低的煤體在水平應力作用下整體沖入巷道。研究結(jié)論可為沖擊地壓的分類和精準防治提供指導。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓；煤體破碎型；煤體滑動型；破裂沖擊；卸載滑脫

中圖分類號：TD324" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " " " " " " "文章編號：1008-0562（2024）05-0524-10

Two failure types and its mechanism of coal bump

HAN Jun1，3， GUO Baolong1，3， JIA Dongxu1，3， MA Shuangwen1，3， QI Qingxin4， ZHU Zhijie1，3，

ZHAO Shankun5， RONG Hai1，3，CAO Chen1，2*

（1. College of Mining， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China; 2. School of Civil， Mining and Environment Engineering， University of Wollongong， New South Wales 2522， Australia; 3. Liaoning Province Coal Resources Safety Mining and Clean Utilization Engineering Research Center， Fuxin 123000， China; 4. Deep Mining and Rockburst Research Institute， CCTEG Chinese Institute of Coal Science， Beijing 100013， China; 5. Mine Safety Technology Branch， China Coal Research Institute， Beijing 100013， China）

Abstract： Clarifying the mechanism of coal bump is a necessary content for effective prevention and control of coal bump. The paper summarizes the apparent characteristics of multiple implementations of coal bump and proposes a new classification of coal bump based on this. In response to the new classification， their occurrence mechanisms were proposed. Research has shown that there are two different types of occurrences， which are defined as coal-crushing bump and coal-sliding bump. The former is characterized by coal crushing， while the latter is mainly characterized by the sliding of coal into the roadway in its entirety. Two types of coal bump mechanisms were proposed for two types of coal bump occurrence. The mechanism of coal-crushing bump is that the coal mass is crushed under quasi dynamic loading because the surrounding rock undergoes elastic rebound after the coal mass fractures under high stress， which is the fracturing-bursting mechanism. The mechanism of coal-sliding bump is that the upward bending of the roof leads to a decrease in the vertical pressure of the coal seam. The coal loses its grip overcomes the friction between the roof and floor， as well as the tensile resistance of the coal， and then sliding into the roadway as a whole under the action of horizontal stress， which is the unloading-sliding mechanism.

Key words： coal bump; coal-crushing bump; coal-sliding bump; fracturing-bursting; unloading-sliding

0" 引言

沖擊地壓是伴隨煤炭資源開發(fā)而出現(xiàn)的一種動力現(xiàn)象。據(jù)1859年英國礦山監(jiān)察官工作報告《Reports from Commissioners》記載，1858年南史塔福煤田的Groveland煤礦發(fā)生了一起沖擊地壓，造成1人死亡[1]。這是歷史上首次對煤礦中沖擊地壓現(xiàn)象的報道* 。加拿大、美國、俄羅斯等在20世紀初陸續(xù)報道了沖擊地壓[2-4]。隨后沖擊地壓幾乎在所有進行地下采煤的國家都有顯現(xiàn)。一些嚴重的沖擊地壓事故有：1958年10月23日，加拿大Springhill 2號煤礦的沖擊地壓造成75人死亡[5]；1960年1月21日，南非Coal brook煤礦的沖擊地壓造成437人死亡[6]； 2014年4月5日，澳大利亞Austar煤礦的沖擊地壓造成2人死亡[7]。2017年以來，國內(nèi)煤礦共發(fā)生沖擊地壓較大及以上事故8起，死亡68人。沖擊地壓已成為我國煤炭資源開采亟待解決的問題。中國科學技術(shù)協(xié)會發(fā)布的2023重大科學問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題中，“如何實現(xiàn)沖擊地壓煤層智能安全高效開采”被列為10個產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題之一。

沖擊地壓的發(fā)生機理作為沖擊地壓防治的理論基礎，是目前煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學問題之一。本文從對沖擊地壓發(fā)生機理的理論研究進行回顧，總結(jié)諸多理論觀點的異同，通過大量沖擊地壓顯現(xiàn)實例，提出沖擊地壓的新分類，并探討相應的機理。

1" 基于顯現(xiàn)特征的沖擊地壓新分類

1.1" 已有分類

隨著對沖擊地壓現(xiàn)象記錄的深入分析，對沖擊地壓的分類也隨之展開。從沖擊地壓發(fā)生原因、主控因素和防治方法等方面提出了多種沖擊地壓分類方法。1935年，RICE[8]首次提出沖擊地壓分類，他根據(jù)煤巖受動載或靜載下的破壞形式將沖擊地壓分為壓力型沖擊地壓和震動型沖擊地壓。潘一山[9]根據(jù)沖擊地壓發(fā)生機理，從產(chǎn)生沖擊地壓的應力來源將沖擊地壓分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯動型。煤體壓縮型由重力和（或）水平構(gòu)造應力引起，頂板斷裂型由頂板巖石拉伸失穩(wěn)而產(chǎn)生，斷層錯動型由斷層圍巖體剪切失穩(wěn)造成。何滿潮等[10]根據(jù)煤巖沖擊失穩(wěn)中能量的聚積和轉(zhuǎn)化將沖擊地壓分為單一能量誘發(fā)型和復合能量轉(zhuǎn)化誘發(fā)型。潘俊鋒[11]根據(jù)沖擊啟動條件將沖擊地壓分為集中靜載荷型和集中動載荷型，前者以應力的緩慢遷移、集中并漸進式加載為主要特征；后者指源頭相對集中，短時間快速作用的沖擊載荷，以脈沖載荷或彈性波的加載形式為主要特征，該分類主要考慮沖擊地壓應力作用的方式。錢七虎[12]根據(jù)動力破壞形式，將巖爆分為應變型巖爆（巖石破壞導致的）和斷裂滑移型巖爆（斷層滑移或剪切斷裂導致的），認為沖擊地壓屬于斷裂滑移型巖爆，該分類方式考慮了巖爆（沖擊地壓）中是否有結(jié)構(gòu)因素的區(qū)別。姜耀東等[13]根據(jù)煤巖體突然失穩(wěn)破壞特征將沖擊地壓分為材料失穩(wěn)型、滑移錯動型和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型。材料失穩(wěn)型指煤巖體內(nèi)應力集中達到一定程度后發(fā)生彈射、爆炸式的破壞而發(fā)生的沖擊突出；滑移錯動型指在采動影響下，由于頂?shù)装迮c煤層剛度的不同而導致的煤層滑移錯動沖擊擠出；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型指煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出而發(fā)生整體井巷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。該分類既考慮了沖擊原因，也考慮了沖擊破壞特征。部分學者也提出了特定的沖擊地壓類型，例如煤柱型沖擊地壓、整體失穩(wěn)型沖擊地壓等[14-15]。

1.2" 沖擊地壓新分類

已有沖擊地壓分類是對沖擊地壓認識不斷深化的有益探索。本文根據(jù)沖擊地壓顯現(xiàn)的特征，基于沖擊破壞的特征，將沖擊地壓分為煤體破碎型和煤體滑動型。

（1）煤體破碎型沖擊地壓

該類型沖擊地壓主要特征就是沖擊地壓發(fā)生后，沖出的煤體總體上呈破碎狀，不再保持整體性；與之相關(guān)的頂板有一定的破壞和少量下沉，巷道兩幫都有破壞；因煤體發(fā)生破碎，安裝在其中的錨桿往往失效。該類沖擊地壓常發(fā)生在小煤柱臨空巷道、工作面煤壁、煤層大巷、掘進巷道等，部分實例見圖1。

典型的煤體破碎型沖擊地壓有：寬溝煤礦“10·8”沖擊地壓、胡家河煤礦“11·10”沖擊地壓。2010年10月8日，寬溝煤礦W1143工作面發(fā)生沖擊地壓，煤層和底板巖石被拋出體積約247 m3，工作面33號液壓支架到下端頭及運輸巷50 m內(nèi)煤壁全部片幫沖出，大量煤體沖向支架，造成支架前方安全空間被堵死；轉(zhuǎn)載機將運輸巷頂板錨桿外露端撞彎；采煤機搖臂折斷，滾筒將支架頂梁穿透。沖擊地壓顯現(xiàn)區(qū)域見圖2。

2015年7月29日，趙樓煤礦1305工作面（孤島工作面）發(fā)生沖擊地壓，回風巷道煤壁向外15 m內(nèi)，巷高4.0 m左右，兩幫變形不明顯，頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜，有部分漏冒，部分單體支柱歪斜?；仫L巷道自上端頭向外15 m 內(nèi)頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜，局部漏冒，15～60 m內(nèi)兩幫移近量大，最大3.0 m左右，底鼓量為0.5～1.0 m。運輸巷道從下端頭向外40 m處，12根錨桿（索）斷裂，部分讓壓環(huán)損壞。1-86#液壓支架范圍前部刮板輸送機翻向支架，輸送機及支架內(nèi)積煤嚴重。沖擊地壓顯現(xiàn)區(qū)域見圖3。

（2）煤體滑動型沖擊地壓

煤體滑動型沖擊地壓發(fā)生后，煤體沿頂?shù)装寤瑒樱收w沖出狀，類似抽屜抽出，沖出煤體破壞不明顯，頂板幾乎無破壞，部分情況下頂板表面能夠看到褐色粉末和滑動擦痕，沖出煤體中錨桿支護破壞輕微。該類沖擊地壓常發(fā)生在大煤柱區(qū)域，如圖4所示。

典型的煤體滑移型沖擊地壓包括俊德煤礦“9·25”沖擊地壓事故、紅陽三礦“11·11”沖擊地壓事故、唐山礦“8·2”沖擊地壓事故，具體分述如下。2016年9月25日俊德煤礦三水平北三四區(qū)21層一段開切眼發(fā)生沖擊地壓。該開切眼設計長度150 m，巷道凈高3.1 m，凈寬4.0 m，采用錨網(wǎng)索支護。煤厚3.4 m，傾角31°。開切眼外側(cè)為三水平北21層二段采空區(qū)，二者間煤柱寬度為15～17 m。沖擊地壓發(fā)生后，回風巷往下11 m處巷道出現(xiàn)變形，13～18 m段巷道半個斷面被充填，再往下34.5 m巷道整個斷面被來自整體移動的實體幫煤體充填滿，巷道頂?shù)装鍩o明顯變形。沖擊地壓顯現(xiàn)區(qū)域見圖5。

2017年11月11日紅陽三礦西三上采區(qū)702工作面回風巷道發(fā)生沖擊地壓。該工作面東臨北二區(qū)7煤采空區(qū)及西一區(qū)700采空區(qū)，西為未采動區(qū)，工作面煤層賦存穩(wěn)定，屬于復合煤層，煤厚3.2 m。工作面超前214 m回風巷道嚴重破壞，距離工作面上出口204～214 m內(nèi)巷道上幫煤體向下幫煤壁側(cè)整體滑移3.0 m，距離工作面上出口161～204 m上幫煤體整體推移至下幫煤壁，巷道基本合攏，頂?shù)装迤茐某潭容^輕，頂板基本保持完整。距離工作面上出口153～161 m內(nèi)巷道上幫向下幫移動1.2～1.5 m，頂板局部出現(xiàn)網(wǎng)兜、底鼓嚴重。距離工作面上出口96～153 m巷道基本合攏。沖擊地壓顯現(xiàn)區(qū)域見圖6。

2019年8月2日唐山礦F5009工作面發(fā)生沖擊地壓。工作面的開采煤層厚為2.6 m，平均傾角12°。沖擊地壓發(fā)生于F5010聯(lián)絡巷與F5009風道繞道部分區(qū)域。位于工作面終采線前方31 m的F5010聯(lián)絡巷長80 m，梯形斷面，寬為4.5 m，中高為2.6 m，錨桿支護。沖擊地壓發(fā)生后巷幫和底板破壞明顯，巷道下幫向巷道內(nèi)移進量約為0.5～2.0 m，巷道上幫有輕微破壞，無明顯移動；巷道底板破壞明顯，在巷道中心靠近上幫底板折斷，底鼓量為1.0～2.5 m。從折斷的底板巖層看，底板為多層復合結(jié)構(gòu)。沖擊地壓顯現(xiàn)區(qū)域見圖7。

2" 沖擊地壓發(fā)生機理回顧

最早分析沖擊地壓產(chǎn)生原因的文獻是1887年Gresley發(fā)表的論文《Re explosive slickensides》。該論文認為開采破壞了應變或壓力的平衡，從而產(chǎn)生沖擊地壓[16]。1918年，RICE[2]分析了加拿大Crowsnest Pass煤田的Coal Creek煤礦1908—1916年發(fā)生的沖擊地壓，認為當較大面積的煤層被采出后，頂板巖層形成載荷作用于未采出的煤體上導致了沖擊地壓。HOLLAND等[4]認為沖擊地壓是煤體材料因應力過大產(chǎn)生的破壞。上述文獻從煤體強度的角度解釋了沖擊地壓發(fā)生機理。1935年，RICE進一步提出2個沖擊地壓類型，即壓力型沖擊地壓（pressure bump）和震動型沖擊地壓（shock bumps），前者是作用在煤柱上的載荷超過其承載能力而產(chǎn)生的突然破裂，類似于金屬礦山中的巖爆（rock burst），后者主要由于厚硬頂板斷裂產(chǎn)生的沖擊波導致煤柱發(fā)生破壞[3]。這是首次從應力波的角度進行沖擊地壓機理的分析。之后JARLIER也提出類似觀點，認為采空區(qū)頂板突然斷裂形成的沖擊導致了煤體或者底板爆裂[17]。RICE的理論在早期得到了認可。

20世紀50年代以后，法國、德國等歐洲國家的研究人員針對沿煤柱頂部和底部發(fā)生摩擦約束突然釋放的現(xiàn)象提出不同觀點[18-21]。例如，BRAUNER通過對德國沖擊地壓顯現(xiàn)特征的分析，提出煤體夾持效應觀點，認為煤體處于頂?shù)装鍔A持中，當煤體與圍巖交界處和煤體本身達到極限平衡狀態(tài)時，煤體在壓縮破壞后可能發(fā)生沖擊地壓[20]；LIPPMANN以結(jié)構(gòu)失穩(wěn)為出發(fā)點，假設擾動作用于受靜載作用的煤層，使煤層相對于頂?shù)装寤瑒?，并向巷道發(fā)生微小位移，在煤層的承載能力達到極限后，這一擾動就可能引起煤層沖擊，否則將是純靜力學響應[22]。上述研究未得到廣泛的重視。PETUKHOV認為沖擊地壓的發(fā)生是由于圍巖-煤系統(tǒng)平衡破壞的結(jié)果，是煤層-圍巖系統(tǒng)中煤層在高應力作用下從表面逐漸向內(nèi)部的雪崩式破壞過程[23]，從系統(tǒng)角度闡述了“煤-圍巖”體系參與沖擊地壓顯現(xiàn)的機制。

國內(nèi)對沖擊地壓機理的研究始于20世紀80年代，并持續(xù)至今。李玉生[24]借鑒巖爆研究成果，建立了包括強度準則、能量準則和沖擊傾向性準則的原理模型。章夢濤[25]提出失穩(wěn)理論，認為沖擊地壓是采動影響下煤（巖）體中高應力區(qū)局部形成應變軟化的介質(zhì)與尚未形成應變軟化的介質(zhì)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，在外界擾動下的動力失穩(wěn)過程。這些觀點均是基于煤巖介質(zhì)的失穩(wěn)破壞的角度提出。潘一山[26]提出了擾動響應失穩(wěn)理論，認為沖擊地壓是煤巖變形系統(tǒng)在擾動下響應趨于無限大而發(fā)生的失穩(wěn)。齊慶新等[27]提出沖擊地壓的摩擦滑動失穩(wěn)機理，認為沖擊地壓是煤巖層發(fā)生瞬時黏滑的結(jié)果，煤巖層的層狀結(jié)構(gòu)及層間存在軟弱層是導致沖擊地壓的主要結(jié)構(gòu)因素，其研究的角度與BRAUNER等[20]、LIPPMANN等[22]類似。李麗萍等[28]提出超低摩擦理論，認為一個水平擾動使煤體與頂?shù)装逯g的摩擦力減小進而產(chǎn)生沖擊地壓。韓軍等[29]提出卸載滑脫理論，都是針對煤體整體沖擊情況的理論解釋。竇林名等[30]提出沖擊地壓的動靜載疊加誘發(fā)原理，可認為是RICE、JARLIER等觀點的進一步細化。潘俊鋒等[11]提出的沖擊地壓啟動理論認為沖擊地壓發(fā)生依次經(jīng)歷沖擊啟動、沖擊能量傳遞、沖擊地壓顯現(xiàn)3個階段，可能的沖擊啟動區(qū)為極限平衡區(qū)和應力峰值最大區(qū)，這一觀點與動靜載疊加理論相比，進一步闡釋了沖擊地壓具體發(fā)生的過程。

綜上，通過對沖擊地壓機理的理論觀點的分析，可將研究視角分為兩類。一類從煤（巖）體自身失穩(wěn)破壞視角，即考慮煤體（煤層）作為一種介質(zhì)在不同載荷（擾動）作用下發(fā)生突然性破壞的機制；另一類從煤層與頂?shù)装逍纬傻慕M合結(jié)構(gòu)破壞視角，即考慮煤層與頂?shù)装逯g如何產(chǎn)生突然破壞的機制。這種研究視角不同主要因為沖擊地壓所顯示的破壞特征不同?；诖?，根據(jù)巖石破壞的基礎理論，結(jié)合沖擊地壓破壞特征，提出沖擊地壓的兩種機理。

3" 沖擊地壓的兩種機理

巖石破壞包括破裂和摩擦滑動。破裂是完整巖石發(fā)生破壞的唯一機制，摩擦滑動是預先存在軟弱面的巖石發(fā)生破壞的可能機制——沿軟弱面摩擦滑動（也可能是穿過軟弱面的破裂）[31-32]。由沖擊地壓發(fā)生后煤巖體破壞情況來看，存在兩種完全不同的破壞形態(tài)，一種是煤體呈碎裂狀，即煤體破碎型沖擊地壓的破壞特征，另外一種是煤體呈整體移動，破碎不明顯，即煤體滑脫型沖擊地壓的破壞特征。這兩種沖擊地壓與巖石的兩種破壞情形相對應，下面分別敘述各自的機理。

3.1" 煤體破碎型沖擊地壓的機理

煤體破碎型沖擊地壓展現(xiàn)的破壞特征與巖爆展現(xiàn)的破壞特征相似，因此很多沖擊地壓研究也參考巖爆等相關(guān)研究成果。例如，COOK等[33]提出的剛度理論、BLAKE對剛度理論的改進[34]、SALAMAN關(guān)于礦柱失穩(wěn)的研究[35]都被作為沖擊地壓機理的研究成果。此外，還有針對沖擊地壓問題的研究，例如，PETUKHOV提出的分層分裂理論[36]、竇林名提出的動靜載疊加理論[30]、潘一山提出的擾動響應失穩(wěn)理論等[26]。同時還包括諸多從能量角度研究巖爆的成果。該類型沖擊地壓的機理研究主要關(guān)注煤體的非穩(wěn)定破壞過程和條件。

HUNDSON等[37]討論了剛性、柔性壓力機的區(qū)別及測試結(jié)果，分析了試驗機剛度對試樣應力-應變的影響，加載系統(tǒng)的力學模型見圖8。圖8中彈簧表示概念化壓力機。文獻[31]研究表明巖樣變形的穩(wěn)定性不是取決于應力狀態(tài)，而是取決于壓力機剛度k和巖樣等效剛度f'（u）的相對大小。若壓力機剛度足夠大，以至于在破壞后區(qū)域仍滿足k+f'（u）gt;0，即kgt;|f'（u）|，則系統(tǒng)不會失穩(wěn)。反之，若壓力機剛度不夠大，則可能出現(xiàn)k+f'（u）lt;0，即klt;|f'（u）|，此時巖樣變形將在破壞后區(qū)域的某一點發(fā)生失穩(wěn)，導致劇烈破壞，見圖9。煤層-圍巖組成的系統(tǒng)與剛性試驗機區(qū)別差異較大，屬于柔性加載系統(tǒng)，具備發(fā)生失穩(wěn)的條件，也就是產(chǎn)生沖擊地壓的條件。

筆者采用剛性伺服壓力機進行了“煤樣+彈簧”（彈簧剛度為20 kN/mm）、“煤樣+砂巖”（砂巖剛度為 1 500 kN/mm）情況下的單軸壓縮試驗，煤樣、彈簧或砂巖呈串聯(lián)狀態(tài)。煤樣具有沖擊傾向性，加載過程中典型煤樣沖擊破壞的情況見圖10。BIENIAWSKI等[38]在南非Witbank煤礦進行的不同尺寸煤樣強度加載試驗，見圖11。試驗采用邊長為30.48 cm（1英尺）的立方體試樣，通過千斤頂單向加載，試驗中出現(xiàn)了沖擊破壞現(xiàn)象。

在“煤樣+砂巖”組合試樣的單軸壓縮試驗中監(jiān)測加載過程中試驗機和砂巖試樣的加速度。組合體試樣變形破壞過程中應力、試驗機和砂巖的加速度變化見圖12。由圖12可知，煤樣在285 s達到峰值強度，發(fā)生破壞后，應力緩慢降低，314 s時應力顯著降低，316 s時，應力突降，由5.41 MPa降至3.17 MPa，隨后進入較為穩(wěn)定階段，330 s時，應力再次突降，試樣徹底失去強度。在最后一次應力突降前，試驗機和砂巖的加速度都近似為0，在臨近最后一次應力突降時，砂巖的加速度出現(xiàn)顯著變化，砂巖向下運動的峰值加速度達到21.2 m/s2，平均為20.61 m/s2，試驗機的加速度為1.9 m/s2，持續(xù)時間為0.06 s。砂巖和試驗機的加速度變化幾乎同時出現(xiàn)。計算得到砂巖試件的運動速度最大為1.237 m/s，由此可以計算得到煤樣（與砂巖接觸端）的應變率為1.48 s-1，屬于動態(tài)應變率范圍。當砂巖加速運動持續(xù)0.06 s后，煤樣發(fā)生沖擊破壞。試驗表明，砂巖作用在煤體上，使煤體處于動態(tài)加載作用下，最終出現(xiàn)沖擊破壞。

工程實踐中，煤層在受載條件下，煤體部分產(chǎn)生的壓剪破壞導致圍巖快速變形，形成對煤體的動態(tài)加載效用，進而導致煤體發(fā)生沖擊性破壞，規(guī)模達到一定程度便形成沖擊地壓。

文獻[26]認為開采等擾動使煤巖變形系統(tǒng)失穩(wěn)，蓄能的彈性變形區(qū)煤巖體釋放能量，破壞塑性區(qū)和支護，剩余能量轉(zhuǎn)化為動能，發(fā)生沖擊地壓。

基于以上分析，工程實踐中的煤體破碎型沖擊地壓的典型情況見圖13。

圖13中，1、2、3分別為煤體未破裂時的巷道輪廓，1'、2'、3'為煤體發(fā)生破裂時的巷道輪廓，h為煤層厚度，lp為煤體破裂的長度（深度），lrc為煤體破裂后伴隨的頂板下沉量（AA'），lfc為煤體破裂后伴隨的底板鼓起量（BB'），σn為煤體的正應力。在σn作用下，煤體達到強度極限并發(fā)生破裂，同時沿σn的作用方向產(chǎn)生變形（豎向上縮短）。隨著煤體縮短，頂板和底板相應范圍內(nèi)產(chǎn)生回彈，釋放彈性能量，對煤體產(chǎn)生準動態(tài)加載，導致煤體發(fā)生沖擊破壞。

3.2" 煤體滑動型沖擊地壓的機理

根據(jù)1.2節(jié)沖擊地壓實例建立巷道煤壁力學模型[29]，見圖14。

選取緊鄰回采巷道寬度為l的煤體為研究對象，該部分即沖擊地壓發(fā)生時整體滑動的煤體，即圖14中的塊體A。塊體B為與塊體A相鄰的煤體，塊體A、B處于連續(xù)狀態(tài)。設巷道高和煤層高均為h，頂板與煤體交界面的正應力為σn，煤體內(nèi)來自塊體B的水平應力為σx，塊體A在巷道軸向上煤壁的水平應力為0，向內(nèi)側(cè)過渡后，應力逐漸變?yōu)棣襶，煤塊上部和下部與頂、底板接觸面的摩擦力分別為frc和ffc，塊體A、B間的抗拉強度為σT。

塊體A的臨界平衡方程為

（1）

式中：crc、cfc為頂板與煤體交界面的內(nèi)聚力； 、 為底板與煤體交界面的內(nèi)摩擦角；ρ為煤的密度；g為重力加速度。

相對于煤層埋深H，忽略煤層厚度h，式（1）可以簡寫為

。" " （2）

式（2）為發(fā)生沖擊地壓的條件，即當σn減小，并且塊體A向巷道移動的阻力小于沖擊地壓力源水平應力σx時，就會發(fā)生沖擊地壓。

堅硬頂板向上撓曲導致頂板-煤層、煤層-底板交界面正應力σn減小，即煤層正應力降低，相對于頂板未撓曲區(qū)域，該部分煤層相當于發(fā)生卸載，根據(jù)式（2），此時塊體A以滑脫的方式?jīng)_入巷道，發(fā)生沖擊地壓。該模型即堅硬頂板回采巷道發(fā)生沖擊地壓的卸載滑脫機理模型。

煤層正應力降低量與頂板向上撓曲量呈正相關(guān)。頂板撓曲量與頂板厚度、強度、彈性模量，以及煤層的彈性模量、強度等參數(shù)有關(guān)。頂板越堅硬，厚度越大，煤層越堅硬，頂板向上撓曲量越大。因此堅硬厚層頂板和堅硬煤體是產(chǎn)生沖擊地壓的重要條件。

4" 討論

4.1" 關(guān)于沖擊地壓機理的分析

最早的沖擊地壓原因分析[2-4]以強度理論為基礎，認為作用于煤體上的載荷超過了其承受能力。COOK提出的剛度理論[33]對發(fā)生沖擊性破壞（巖爆）的機制進行了進一步的研究。李玉生提出的三準則模型[24]是對前述理論的綜合。此外，失穩(wěn)理論[25]、擾動響應失穩(wěn)理論[26]進一步對煤的沖擊性破壞條件進行了分析。動靜載疊加理論重點關(guān)注造成沖擊的載荷來源，啟動理論在此基礎上對煤體的破壞過程進行分析。上述機理和模型都是針對煤巖介質(zhì)的破壞機制展開。

歐洲的研究人員在探究煤層整體沖擊現(xiàn)象的基礎上，提出相關(guān)的理論進行解釋。其中，夾持理論是概念性的描述[20]，平動模型從煤體本身的力學特性（沖擊傾向性）入手對整體沖擊現(xiàn)象進行了詳細的力學分析[22]。三因素理論則是在此基礎上，結(jié)合了沖擊傾向性概念[27]。另外，超低摩擦理論和卸載滑脫理論從煤巖層之間如何形成滑動摩擦的條件進行了分析[28-29]。

根據(jù)上述的分析來看，對于沖擊地壓的機理研究源于不同的現(xiàn)象，因此從什么視角觀察沖擊地壓現(xiàn)象則成為基本問題。若將沖擊地壓視為煤巖體介質(zhì)的動力破壞現(xiàn)象，則對其機理的分析就聚焦于材料破壞；若將沖擊地壓視為煤巖體結(jié)構(gòu)的動力破壞現(xiàn)象，則對其機理的分析就聚焦于結(jié)構(gòu)破壞。但已有沖擊地壓的研究并未按照上述情況分類，未提出與兩種現(xiàn)象對應的觀點。沖擊地壓機理對應的現(xiàn)象視角見圖15。

4.2" 沖擊地壓分類

文獻[13]提出沖擊地壓的材料失穩(wěn)型、滑移錯動型和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型。材料失穩(wěn)型是指煤巖體內(nèi)應力集中達到一定程度后，煤巖材料內(nèi)部裂紋不斷擴展、貫通、匯聚，導致一定范圍內(nèi)的煤巖體發(fā)生彈射、爆炸式的破壞而發(fā)生的沖擊；滑移錯動型是指在采動影響下，由于頂?shù)装迮c煤層剛度的不同而導致的煤層滑移錯動沖擊擠出；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型是指由于采動應力或頂板大面積懸頂突然破斷或礦震誘發(fā)，煤巖體發(fā)生突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象，經(jīng)常是煤柱或巷道圍巖大面積的沖擊突出而發(fā)生整體井巷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。材料失穩(wěn)型和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型的區(qū)別只體現(xiàn)在破壞的規(guī)模上，可以同歸為材料失穩(wěn)型。因此，從沖擊地壓機理角度可分為兩類，即材料失穩(wěn)型和滑移錯動型。

5" 結(jié)論

（1）大量沖擊地壓實例分析表明存在兩種不同類型的破壞，分別為煤體破碎型沖擊地壓和煤體滑動型沖擊地壓，前者是指在沖擊地壓發(fā)生后沖擊煤體呈破碎狀，后者是指在沖擊地壓發(fā)生后沖擊煤體呈整體沖入巷道中，煤體無明顯破碎。

（2）不同學者基于兩種視角提出沖擊地壓的機理，一種從煤（巖）體自身失穩(wěn)破壞的視角，即考慮煤體（煤層）作為介質(zhì)在不同載荷（擾動）作用下發(fā)生突然性破壞的機制；另一種從煤層與頂?shù)装逍纬傻慕M合結(jié)構(gòu)破壞的視角，即考慮煤層與頂?shù)装逯g如何產(chǎn)生突然破壞的機制。

（3）煤體破碎型沖擊地壓的發(fā)生機理是煤體在高應力作用下的非穩(wěn)定破壞，即煤層-圍巖變形系統(tǒng)在煤體發(fā)生破裂后頂?shù)装鍘r層的彈性回彈導致煤體在準動態(tài)加載下進一步產(chǎn)生沖擊破壞，即破裂沖擊機理。煤體滑動型沖擊地壓的機理是頂板向上撓曲導致煤層豎直壓力降低，豎向夾持力降低的煤體在水平應力作用下克服頂、底板摩擦力及煤體抗拉力后整體沖入巷道，即卸載滑脫機理。

（4）煤體破碎型和煤體滑動型沖擊地壓機制的差異要求工程實踐中需要針對2種沖擊地壓的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，采取有針對性的防治措施。

參考文獻（References）：

[1] Inspector of mines and collieries.Reports of the Inspector of Coal Mines [M].London：George E. Eyre And William Spottiswoode，1859：89.

[2] RICE G S.Bumps and Outbursts of Gas in the Mines of Crowsnest Pass Coalfield[M].Victoria： William H. Cullin，1918，5-6.

[3] RICE G S，HARTMANN I.Coal Mining in Europe[M].Washington： United States Government Printing Office，1939：254.

[4] HOLLAND C T，THOMAS E.Coal-Mine Bumps：Some Aspects Of Occurrence，Cause and Control[M].Washington：United States department

of the interier，Bureau of Mines，1954：4.

[5] NOTLEY K.R.Rock mechanics analysis of the Springhill mine disaster （October 23， 1958）[J].Mining Science and Technology，1984，1（2）：149-163.

[6] VAN DER MERWE J N.Beyond Coalbrook：what did we really learn？[J].Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy，2006，106（12）： 857-868.

[7] NSW Department of Industry Skills amp; Regional Development. Investigation report into the deaths of James Mitchell and Phillip Grant at the Austar Coal Mine， Paxton， NSW on 15 April 2014[R].Thornton NSW： NSW Mine Safety Investigation Unit，2015：10.

[8] RICE G S.Bumps in Coal Mines of the Cumberland Field， Kentucky and Virginia-Causes and Remedy[R]. United States Bureau of Mines RI 3267，1935：36.

[9] 潘一山，李忠華，章夢濤.我國沖擊地壓分布、類型、機理及防治研究[J].巖石力學與工程學報，2003，22（11）：1844-1851.

PAN Yishan，LI Zhonghua，ZHANG Mengtao.Distribution，type， mechanism， and prevention of rockburst in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（11）：1844-1851.

[10] 何滿潮，姜耀東，趙毅鑫.復合型能量轉(zhuǎn)化為中心的沖擊地壓控制理論[C]//謝和平.深部資源開采基礎理論研究與工程實踐.北京：科學出版社，2005：205-214.

[11] 潘俊鋒，寧宇，毛德兵，等.煤礦開采沖擊地壓啟動理論[J].巖石力學與工程學報，2012，31（3）：586-596.

PAN Junfeng，NING Yu，MAO Debing，et al.Theory of rockburst start-up during coal mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012，31（3）：586-596.

[12] 錢七虎.巖爆、沖擊地壓的定義、機制、分類及其定量預測模型[J]. 巖土力學，2014，35（1）：1-6.

QIAN Qihu.Definition， mechanism， classification and quantitative forecast model for rockburst and pressure bump[J].Rock and Soil Mechanics，2014，35（1）：1-6.

[13] 姜耀東，潘一山，姜福興，等.我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治[J].煤炭學報，2014，39（2）：205-213.

JIANG Yaodong，PAN Yishan，JIANG Fuxing，et al.State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J]. Journal of China Coal Society，2014，39（2）：205-213.

[14] 張修峰，陳洋.煤柱型沖擊地壓類型，發(fā)生機理與防治對策研究[J].煤炭科學技術(shù)，2023，51（10）： 1-11.

ZHANG Xiufeng，CHEN Yang.Research on the type and occurrence mechanism and prevention of coal pillar rockbursts[J].Coal Science and Technology，2023，51（10）：1-11.

[15] 朱斯陶，姜福興，劉金海，等.我國煤礦整體失穩(wěn)型沖擊地壓類型、發(fā)生機理及防治[J].煤炭學報，2020，45（11）：3667-3677.

ZHU Sitao，JIANG Fuxing，LIU Jinhai，et al.Types，occurrence mechanism and prevention of overall instability induced rockbursts in China coal mines[J].Journal of China Coal Society，2020，45（11）：3667-3677.

[16] GRESLEY W S.Re “explosive slickensides”[J].Geological Magazine， 1887，4（11）： 522-523.

[17] JARLIER M. Venues d'eau et coups de toit dans le bassin de Fuveau[J]. Annales des mines， 1925， 12（8）： 271-539.

[18] COEUIIIET R.Existence or absence of bumps. an attempt to determine the causes of bumps by comparison with a mine free from this phenomenon[C]//International Conference about Rock Pressure and Support in the Workings.Liege：Institut national de l'industrie charbonnière，1951：419-428.

[19] JACOBI O.Occurrence， causes and control of rock bursts in the Ruhr district[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1966，3（3）：205-219.

[20] BRAUNER G，BUGERT W G，LIPPMANN H.Zur Theorie des Gebirgsschlages[J].Gluckauf-Forschungshefte，1976，37（H.4）：164-175.

[21] BURGERT W，LIPPMANN H.Models of translatory rock bursting in coal[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1981，18（4）：285-294.

[22] LIPPMANN H.Mechanics of “bumps” in coal mines： a discussion of violent deformations in the sides of roadways in coal seams[J].Applied Mechanics Reviews，1987，40（8）：1033-1043.

[23] 佩圖霍夫.煤礦沖擊地壓[M].王佑安，譯.北京：煤炭工業(yè)出版社，1980： 700-704.

[24] 李玉生.沖擊地壓機理及其初步應用[J].中國礦業(yè)學院學報，1985（3）：59-61.

LI Yusheng.Rockburst mechanism and its preliminary application[J]. Journal of China University of Mining amp; Technology，1985，14（3）：59-61.

[25] 章夢濤.沖擊地壓失穩(wěn)理論與數(shù)值模擬計算[J].巖石力學與工程學報， 1987，6（3）：197-204.

ZHANG Mengtao.Instability theory and mathematical model for coal/rock bursts[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1987，6（3）：197-204.

[26] 潘一山.煤礦沖擊地壓擾動響應失穩(wěn)理論及應用[J].煤炭學報，2018， 43（8）：2091-2098.

PAN Yishan.Disturbance response instability theory of rockburst in coal mine[J].Journal of China Coal Society，2018，43（8）：2091-2098.

[27] 齊慶新，史元偉，劉天泉.沖擊地壓粘滑失穩(wěn)機理的實驗研究[J].煤炭學報，1997，22（2）：34-38.

QI Qingxin，SHI Yuanwei，LIU Tianquan.Mechanism of instability caused byviscous sliding in rock burst[J].Journal of China Coal Society，1997，22（2）：34-38.

[28] 李利萍，潘一山，王曉純，等.開采深度和垂直沖擊荷載對超低摩擦型沖擊地壓的影響分析[J].巖石力學與工程學報，2014，33（增刊）：3225-3230.

LI Liping，PAN Yishan，WANG Xiaochun，et al.Influence analysis of exploit depth and vertical impact load on anomalously low friction rockburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014，33（Suppl.1）：3225-3230.

[29] 韓軍，崔露郁，賈冬旭，等.堅硬頂板回采巷道沖擊地壓的卸載滑脫機制[J].煤炭學報，2022，47（2）：711-721.

HAN Jun，CUI Luyu，JIA Dongxu，et al.Unloading-slippage mechanism of rock burst occurred in longwall roadway[J].Journal of China Coal Society，2022，47（2）：711-721.

[30] 竇林名，何江，曹安業(yè)，等.煤礦沖擊礦壓動靜載疊加原理及其防治[J]. 煤炭學報，2015，40（7）：1469-147.

DOU Linming，HE Jiang，CAO Anye，et al.Rock burst prevention methods based on theory of dynamic and static combined load induced in coal mine[J].Journal of China Coal Society，2015，40（7）：1469-1476.

[31] HUDSON J A，HARRISON J P.Engineering rock mechanics part 1： an introduction to the principles[M].New York：Elsevier Science Limited，

1997：144-147.

[32] 陳颙，黃庭芳，劉恩儒.巖石物理學[M].合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2009：185-188.

[33] COOK N G W.A note on rockbursts considered as a problem of stability[J].Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，1965，65（8）：437-446.

[34] BLAKE W.Rock-burst mechanics[J].Quarterly of Colorado School of Mines，1972，67（1）：1-64.

[35] SALAMON M D G. Stability，instability and design of pillar workings[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1970，7（6）： 613-631.

[36] PETUKHOV I M，LINKOV A M.The theory of post-failure deformations and the problem of stability in rock mechanics [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1979，16（2）：57-76.

[37] HUDSON J A，CROUCH S L，F(xiàn)AIRHURST C.Soft，stiff and servo-controlled testing machines：a review with reference to rock failure[J]. Engineering Geology，1972，6（3）：155-189.

[38] BIENIAWSKI Z T.The effect of specimen size on compressive strength of coal[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1968，5（4）：325-335.