本文创新点
提出了冲击地压灾害防治的结构调控理念、科学内涵以及冲击地压结构调控技术路线，分析认为煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源，系统结构变化是引起应力变化及转移的根本原因，应力仅仅是系统结构变化的外在显现形式，冲击地压灾害防治应从调控煤岩体结构出发；提出了应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警体系，以实现对采区范围内巷道、采场及覆岩结构破裂的多尺度监测；构建了由保护层+负煤柱开采、水力压裂、深孔爆破及大直径钻孔组成的结构调控体系来实现降低冲击地压灾害发生的危险性。
作者简介 
张俊文 教 授 张俊文，内蒙古凉城人，教授，博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授，国家公派澳大利亚纽卡斯尔大学访问学者，现任能源与矿业学院副院长。兼任中国煤炭学会煤矿系统工程专业委员会副主任、巷道支护与灾害防治煤炭行业工程研究中心副主任、中绿盟标准化工作委员会副主任、中国岩石力学工程学会采矿岩石力学分会理事、煤炭工业技术委员会动力灾害预警与防治专家委员会委员、中国岩石力学与工程学会矿山冲击地压专业委员会委员、中国矿山安全学会冲击地压和岩爆防治专业委员会委员、山东省重大科技创新工程咨询专家。主持国家自然科学基金重点、国家自然科学基金企业创新发展联合基金重点等科研项目10余项。第一及通讯作者发表SCI/EI检索70余篇，中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）2篇，授权国家发明专利20余件，出版著作5部、主编教材3部、牵头编制团体标准3项。研究成果获教育部科技进步一等奖1项（R1）、教育部科技进步二等奖2项（R2，R3）及行业协会科技进步一、二等奖10余项，曾获煤炭青年科技奖、绿色矿山突出贡献奖。
研究方向 主要从事煤炭深部开采方法、冲击地压灾害防治、煤岩瓦斯复合灾害防治、矿山压力与岩层控制、巷道围岩稳定性控制等方面的研究。
主要成果 1、提出了符合深部卸压工程特点的室内力学测试新方法，获取了深部应力恢复后的应力-应变全过程曲线，发现了“平台特征”、“二次压密”及“体积复容”现象，揭示了卸压工程能量演化新特征，从理论上揭示了卸压工程的目的和意义；
2、创新提出了结构调控防灾理念及技术，完善和丰富了冲击地压及巷道大变形发生机理，对指导我国煤矿灾害防治起到了积极作用；
3、构建了错层无煤柱卸压开采围岩结构体系及能量耗散模型，揭示了卸压巷道矿压形成机理，提出了错层无煤柱结构调控连续卸压技术；
4、提出了深部卸压空间围岩稳定性分区理论及远近场协同控制技术，为卸压空间围岩稳定性控制提供了重要的理论基础及技术方法。
作 者
张俊文1，宋治祥1，刘金亮2，董续凯1，张 杨1，齐庆新3,4,5，赵善坤4,5，秦 凯4,5，陈见行1，颜廷杰2，王 龙2，赵 宁2
单 位
1.中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院 2.山东能源新矿集团有限责任公司 华丰煤矿 3.煤炭科学技术研究院有限公司 4.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院 5.煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室
扫码阅读全文 摘 要 煤矿冲击地压灾害频发依然严重制约煤炭深部安全高效开采，冲击地压灾害研究需将发生机理、监测预警及综合防治相互关联，建立深部开采冲击地压综合防治体系。以冲击地压防治为目的，提出了冲击地压灾害防治的结构调控理念、科学内涵以及冲击地压结构调控技术路线，分析认为煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源，系统结构变化是引起应力变化及转移的根本原因，应力仅是系统结构变化的外在显现形式，冲击地压灾害防治应从调控煤岩体结构出发。通过对冲击地压灾害机理及防治有关问题的梳理，提出了深部冲击地压灾害结构调控核心科学问题，包括扰动作用下冲击性煤岩体应力场时空演变、深部冲击地压多元前兆信息耦合辨识及预警、深部高应力煤岩体的结构调控及减冲机制。在此基础上，提出了应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警体系，以实现对采区范围内巷道、采场及覆岩结构破裂的多尺度监测。根据由区域子系统和局部子系统组成的深部开采冲击地压灾害结构调控技术路线，提出由保护层＋负煤柱开采、水力压裂、深孔爆破及大直径钻孔组成的结构调控体系来实现降低冲击地压灾害发生的危险性。结构调控体系已在山东某矿埋深1300m的4号煤层成功应用，验证了该体系防治冲击地压灾害的可行性及科学性。 
研究背景
随着浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，深部灾害成为必须解决的战略科技问题。煤炭是我国的主体能源，埋深2000m以浅的煤炭资源总量为5.9万亿t，其中埋深超过1000m的占50％以上，主要分布在我国中东部地区，该地区的煤矿大部分已进入深部开采。随着我国煤矿开采强度和开采深度不断增加，冲击地压灾害已经成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。 多年来，相关研究人员在冲击地压发生机理、预测预警、控制方法等方面进行了大量研究，并取得了重要进展。在发生机理方面，相继提出了强度理论、刚度理论、能量理论、三准则、材料失稳理论、三因素机理、冲击倾向性理论、强度弱化减冲理论、冲击启动理论、应力控制理论、冲击扰动响应失稳理论等。在冲击地压监测预警方面，钻屑法、应力监测、地音法、声发射、微震监测、电磁辐射等方法在实验室及工程现场中发挥了重要作用，这些监测预警方法不仅可以监测冲击地压发生的位置和时间，而且也可测定释放的能量及相关震动参量，对冲击地压监测预警发挥了积极作用。在冲击地压控制方面，普遍采用采矿优化设计、切缝、钻孔、爆破、水力压裂、切顶等人工卸压方法以求调整高应力状态，或采用更有效的支护方法，如冲击震动巷道围岩高预应力、强力锚杆＋U型钢支护法、防冲液压支架、恒阻大变形锚杆（索）支护法等。这些研究成果对我国冲击地压防治，特别是浅部开采发挥了重要作用。 随着煤矿进入深部开采，原岩应力增大，瓦斯压力增加，围岩应力场的复杂性、围岩的大变形和强流变性、动力响应的突变性、深部岩体的脆延转化特性等，使得深部矿井冲击地压灾害表现出与浅部不同的特征：强度更大；破坏影响范围更广；空间位置分布更加分散；发生更突然；复合灾害增多。深部开采冲击地压防控仍然面临重大难题，国内外冲击地压灾害仍时有发生，冲击地压灾害不管在致灾条件、致灾过程，还是在控制手段等方面取得的理论成果及技术水平与深部煤炭资源安全高效开采的需求相差甚远。因此，煤矿冲击地压灾害的有效治理仍然是严重制约煤炭深部安全高效开采的关键技术瓶颈。尽快突破煤矿深部开采中冲击地压灾害的关键技术难题，寻求冲击地压致灾演化、监测预警及治灾控制的科学规律，达到对冲击地压灾害的有效治理已迫在眉睫。 针对煤矿深部开采冲击地压的发生机理、监测预警及综合防治问题，笔者凝练了煤矿深部开采冲击地压致灾机理及综合防控的关键科学问题，提出了冲击地压灾害防治的结构调控理念及科学内涵，确立了深部冲击地压灾害多参量监测预警及结构调控减冲的技术架构，为有效遏制冲击地压灾害提供科学支撑及技术保障。 内容概要
1 深部开采冲击地压灾害结构调控的科学内涵 
图1 冲击地压应力控制与结构调控理念对比 
图2 冲击地压结构调控技术路线 2 深部冲击地压灾害结构调控核心科学问题 2.1 扰动作用下冲击性煤岩体应力场时空演变 具有高应力或高变形能的冲击性煤岩体在外部动态扰动作用下，使得冲击能沿软弱结构面或易引起突变滑动的层状界面突然释放而引起冲击地压灾害。 2.2 深部冲击地压多元前兆信息耦合辨识及预警 冲击地压的监测预警是一个多维空间的信息描述问题，需要运用多学科，多种观测方法，对数据联合分析和处理，通过不同尺度范围的监测手段实现多元前兆信息识别及预警。
2.3 深部高应力煤岩体的结构调控及减冲机制 采区巷道优化布置是一种比较直接且经济的结构调控方式，负煤柱开采自然形成矸石层，可显著耗散上覆岩层突然断裂产生的弹性能或动能。
3 深部开采冲击地压灾害结构调控涵盖内容 3.1 冲击地压灾害发生机理 3.1.1 冲击性煤岩体损伤破裂材料效应 
图3 冲击性煤岩体材料效应试验原理
3.1.2 冲击性煤岩体损伤破裂结构效应
图4 冲击性煤岩体微元能量演化模型
图5 冲击性煤岩体结构效应
3.2 冲击地压灾害监测预警
3.2.1 应力场演化与冲击震动之间的相关性
图6 动静载叠加诱发冲击地压原理
3.2.2 冲击地压多元前兆信息耦合试验模型
图7 应力-声发射-电磁辐射耦合试验模型
3.2.3 冲击地压灾害多元前兆信息监测
图8 应力-电磁辐射-地音-微震监测多元前兆信息监测
3.2.4 冲击地压灾害多元监测预警平台架构
图9 应力-电磁辐射-地音-微震监测预警平台系统架构
3.3 冲击地压结构调控方法
3.3.1 覆岩结构调控
图10 负煤柱开采结构调控力学模型
3.3.2 采场结构调控
图11 采场结构调控示意
3.3.3 围岩结构调控
图12 大直径钻孔围岩结构调控示意
4 工程应用 
图13 微震事件分布
图14 开采微震事件能量及频次对比
结 论
1）提出了冲击地压灾害防控的结构调控理念及科学内涵，煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源，冲击地压灾害防控应从调控煤岩体结构入手。在采区尺度范围内，煤岩体结构包含巷道围岩结构、采场结构及覆岩结构。
2）提出了由应力、电磁辐射、地音、微震组成的多尺度监测预警体系，通过不同尺度范围的监测手段实现巷道、采场及覆岩结构破裂的多元前兆信息识别及预警。
3）在应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警基础上，提出了冲击地压灾害防控的结构调控手段，包括负煤柱开采、开采保护层、水力压裂/深孔爆破及大直径钻孔。
4）通过在山东某矿的成功应用，验证了结构调控理念防治冲击地压灾害的可行性及科学性。
引用格式
张俊文，宋治祥，刘金亮，等.煤矿深部开采冲击地压灾害结构调控技术架构［J］.煤炭科学技术,2022,50（2）：27-36.
ZHANG Junwen, SONG Zhixiang, LIU Jinliang，et al.Architecture of structural regulation technology for rock burst disaster in deep mining of coal mine［J］.Coal Science and Technology，2022，50（2）：27-36.
END 责任编辑：朱恩光
设计整理：冯春晖
审 核：常琛
本文创新点
提出了冲击地压灾害防治的结构调控理念、科学内涵以及冲击地压结构调控技术路线，分析认为煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源，系统结构变化是引起应力变化及转移的根本原因，应力仅仅是系统结构变化的外在显现形式，冲击地压灾害防治应从调控煤岩体结构出发；提出了应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警体系，以实现对采区范围内巷道、采场及覆岩结构破裂的多尺度监测；构建了由保护层+负煤柱开采、水力压裂、深孔爆破及大直径钻孔组成的结构调控体系来实现降低冲击地压灾害发生的危险性。
张俊文，内蒙古凉城人，教授，博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授，国家公派澳大利亚纽卡斯尔大学访问学者，现任能源与矿业学院副院长。兼任中国煤炭学会煤矿系统工程专业委员会副主任、巷道支护与灾害防治煤炭行业工程研究中心副主任、中绿盟标准化工作委员会副主任、中国岩石力学工程学会采矿岩石力学分会理事、煤炭工业技术委员会动力灾害预警与防治专家委员会委员、中国岩石力学与工程学会矿山冲击地压专业委员会委员、中国矿山安全学会冲击地压和岩爆防治专业委员会委员、山东省重大科技创新工程咨询专家。主持国家自然科学基金重点、国家自然科学基金企业创新发展联合基金重点等科研项目10余项。第一及通讯作者发表SCI/EI检索70余篇，中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）2篇，授权国家发明专利20余件，出版著作5部、主编教材3部、牵头编制团体标准3项。研究成果获教育部科技进步一等奖1项（R1）、教育部科技进步二等奖2项（R2，R3）及行业协会科技进步一、二等奖10余项，曾获煤炭青年科技奖、绿色矿山突出贡献奖。
主要从事煤炭深部开采方法、冲击地压灾害防治、煤岩瓦斯复合灾害防治、矿山压力与岩层控制、巷道围岩稳定性控制等方面的研究。
1、提出了符合深部卸压工程特点的室内力学测试新方法，获取了深部应力恢复后的应力-应变全过程曲线，发现了“平台特征”、“二次压密”及“体积复容”现象，揭示了卸压工程能量演化新特征，从理论上揭示了卸压工程的目的和意义；
2、创新提出了结构调控防灾理念及技术，完善和丰富了冲击地压及巷道大变形发生机理，对指导我国煤矿灾害防治起到了积极作用；
3、构建了错层无煤柱卸压开采围岩结构体系及能量耗散模型，揭示了卸压巷道矿压形成机理，提出了错层无煤柱结构调控连续卸压技术；
4、提出了深部卸压空间围岩稳定性分区理论及远近场协同控制技术，为卸压空间围岩稳定性控制提供了重要的理论基础及技术方法。
作 者
单 位
研究背景
内容概要
冲击地压的监测预警是一个多维空间的信息描述问题，需要运用多学科，多种观测方法，对数据联合分析和处理，通过不同尺度范围的监测手段实现多元前兆信息识别及预警。
采区巷道优化布置是一种比较直接且经济的结构调控方式，负煤柱开采自然形成矸石层，可显著耗散上覆岩层突然断裂产生的弹性能或动能。
图3 冲击性煤岩体材料效应试验原理
3.1.2 冲击性煤岩体损伤破裂结构效应
图4 冲击性煤岩体微元能量演化模型
图5 冲击性煤岩体结构效应
3.2 冲击地压灾害监测预警
3.2.1 应力场演化与冲击震动之间的相关性
图6 动静载叠加诱发冲击地压原理
3.2.2 冲击地压多元前兆信息耦合试验模型
图7 应力-声发射-电磁辐射耦合试验模型
3.2.3 冲击地压灾害多元前兆信息监测
图8 应力-电磁辐射-地音-微震监测多元前兆信息监测
3.2.4 冲击地压灾害多元监测预警平台架构
图9 应力-电磁辐射-地音-微震监测预警平台系统架构
3.3 冲击地压结构调控方法
3.3.1 覆岩结构调控
图10 负煤柱开采结构调控力学模型
3.3.2 采场结构调控
图11 采场结构调控示意
3.3.3 围岩结构调控
图12 大直径钻孔围岩结构调控示意
图13 微震事件分布
图14 开采微震事件能量及频次对比
结 论
1）提出了冲击地压灾害防控的结构调控理念及科学内涵，煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源，冲击地压灾害防控应从调控煤岩体结构入手。在采区尺度范围内，煤岩体结构包含巷道围岩结构、采场结构及覆岩结构。
2）提出了由应力、电磁辐射、地音、微震组成的多尺度监测预警体系，通过不同尺度范围的监测手段实现巷道、采场及覆岩结构破裂的多元前兆信息识别及预警。
3）在应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警基础上，提出了冲击地压灾害防控的结构调控手段，包括负煤柱开采、开采保护层、水力压裂/深孔爆破及大直径钻孔。
4）通过在山东某矿的成功应用，验证了结构调控理念防治冲击地压灾害的可行性及科学性。
结 论
1）提出了冲击地压灾害防控的结构调控理念及科学内涵，煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源，冲击地压灾害防控应从调控煤岩体结构入手。在采区尺度范围内，煤岩体结构包含巷道围岩结构、采场结构及覆岩结构。
2）提出了由应力、电磁辐射、地音、微震组成的多尺度监测预警体系，通过不同尺度范围的监测手段实现巷道、采场及覆岩结构破裂的多元前兆信息识别及预警。
3）在应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警基础上，提出了冲击地压灾害防控的结构调控手段，包括负煤柱开采、开采保护层、水力压裂/深孔爆破及大直径钻孔。
4）通过在山东某矿的成功应用，验证了结构调控理念防治冲击地压灾害的可行性及科学性。
引用格式
张俊文，宋治祥，刘金亮，等.煤矿深部开采冲击地压灾害结构调控技术架构［J］.煤炭科学技术,2022,50（2）：27-36.
ZHANG Junwen, SONG Zhixiang, LIU Jinliang，et al.Architecture of structural regulation technology for rock burst disaster in deep mining of coal mine［J］.Coal Science and Technology，2022，50（2）：27-36.
END 责任编辑：朱恩光
设计整理：冯春晖
责任编辑：朱恩光
设计整理：冯春晖
