0.   引　　言

煤炭是我国的主体能源，在未来相当长的一段时间内，煤炭的兜底保障作用仍将发挥重要作用。然而，煤炭浅部资源逐渐枯竭，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。在深部“三高一扰动”及复杂的地质环境影响下，深部开采易诱发煤与瓦斯突出、冲击地压和煤岩瓦斯复合动力灾害等，此类灾害严重威胁着矿井的有序生产以及工作人员的生命安全^[1-3]。近年来，研究人员针对煤矿典型灾害的发生机制、监测预警手段、防治措施等方面展开了大量研究，提出了许多丰富的理论和技术。

在冲击地压方面，刚度理论认为煤岩体的刚度是影响冲击地压发生的重要因素，当煤岩体的刚度不足以承受外部应力时，会发生失稳和破裂，进而导致冲击地压发生^[4-5]；冲击倾向性理论是通过实验和现场测试评估煤岩体的冲击倾向性，进而预测冲击地压发生的几率^[6-7]；“三准则”理论同时考虑了能量积累、应力集中和煤岩体脆性破裂共同作用诱发的因素^[8]；还有强调变形过程中的能量积累和释放的变形失稳理论^[9]；煤岩体在开采过程中积累了大量的弹性势能，当这些能量超过煤岩体的极限承载能力时会突然释放导致冲击地压的能量理论^[10]；当外部应力超过煤岩体强度极限时，发生破裂和失稳，导致冲击地压的强度理论^[11]；地质构造因素、开采工艺因素和煤岩体性质因素协同决定冲击地压诱发几率的“三因素”理论^[12-14]；煤岩体在开采过程中发生的膨胀和突变达到一定程度时，导致煤岩体的突然失稳，形成冲击地压的膨胀与突变理论^[15]；煤岩体在高应力状态下受到外力作用时，出现类似爆炸的能量冲击，诱发冲击地压的冲击起爆理论^[16]；动载荷和静载荷的叠加作用下导致煤岩体应力状态发生突变，形成冲击地压的动静载荷叠加理论^[17]；煤岩体在长期应力作用下发生的蠕变达到一定程度时出现失稳，诱发冲击地压的蠕变失稳理论^[18]；外部扰动作用下煤岩体发生一定程度的响应后诱导煤岩体失稳破裂，最终导致冲击地压的扰动响应失稳理论^[19]等。

在煤与瓦斯突出方面，1958年苏联霍朵特^[20]提出多种因素相互作用导致煤层稳定性降低，综合作用超过一定极限并触发突出的综合作用假说；在煤岩应力和瓦斯压力的长期作用下，煤体发生一定的流变，当外部荷载高于煤体屈服强度时，煤体流变变形速度加快，最终导致煤体失稳破坏，发生突出的“流变假说”^[21-23]；把突出过程中的煤体视为球壳结构，当地应力和瓦斯应力的综合作用超过煤体的承载极限时，球壳状的煤体结构会出现破裂，内部的煤与瓦斯瞬间冲击释放，形成突出的“球壳失稳假说”^[24-27]；强调煤体和瓦斯之间的相互作用，即瓦斯的存在影响煤体的强度和变形特性，煤体的变形会影响瓦斯的流动和分布，当二者间的固流耦合关系失衡时，诱导突出的“固流耦合失稳理论”^[28-29]等。

上述研究成果为煤矿动力灾害防治提供了重要的理论基础，但各理论存在较大差异，侧重点也不尽相同，尚未从源头将煤矿动力灾害的诱发机理及防控技术进行统一。鉴于此，笔者界定了基于煤岩体结构演化视角的结构场含义，揭示了煤矿动力灾害随结构场时空演化的孕育机制及作用机理，提出了能够高效防治动力灾害的致灾煤岩体结构调控技术^[3]及结构调控路径，确定了结构调控技术的科学内涵，最后通过工程实例分析了结构场孕育演化机理，验证了结构调控技术的实用性及可靠性。

1.   煤矿动力灾害防治中常见的“场”理论

1.1   “场”的概念

在物理学中，“场”是一个至关重要的概念，用于描述在空间中具有特定物理性质的分布状态，指具有特定物理量的空间分布。如由电荷产生的电场，由电流或磁体产生的磁场以及由物体的质量产生的引力场，均描述了空间中某一点处物体所受特定力的大小和方向。这些常规物理场均具有特定的数学表达式和物理性质，呈现出大小、强弱的矢量分布规律，能够通过实验和理论进行研究和描述。

1.2   煤矿动力灾害防治中常见的“场”理论

在煤矿动力灾害领域，“场”的概念通常是指对煤岩体稳定性产生影响的各种物理场，主要涵盖应力场、渗流场和温度场等。

应力场主要描述了煤岩体所承受的应力分布状况。部分研究学者认为应力场的改变是煤矿动力灾害发生的根本原因，他们指出，在开采过程中，由于煤层的移除，原有的应力平衡被打破，致使应力重新分布，在某些区域可能形成应力集中，进而诱发煤矿动力灾害^[30-32]。

瓦斯在煤岩体中的吸附、解吸和运移形成了渗流场^[33]。部分学者从影响煤矿动力灾害发生的角度出发，认为渗流场起着关键性作用。当渗流场中瓦斯压力达到一定程度时，会与煤岩体应力相互作用，降低煤岩体的强度，增加煤岩体发生破坏的可能性，诱发煤矿动力灾害。此外，瓦斯在煤岩体中的吸附和解吸过程会影响煤岩体的力学性质^[33-34]。瓦斯吸附在煤岩体孔隙和裂隙表面，会使煤基质发生膨胀，产生膨胀应力，使煤岩体内部结构发生变化，裂隙和孔隙扩展，导致煤岩体的整体强度降低^[35-36]。而瓦斯解吸会导致煤岩体孔隙压力降低，根据有效应力原理，煤岩体所受有效应力等于总应力减去孔隙压力，孔隙压力减小则有效应力增加^[37-38]。

除上述两场外，部分研究人员认为温度场也是煤矿动力灾害发生需考虑的因素之一^[39]。在某些情形下，如异常地热或开采过程中的摩擦热会导致局部温度升高，进而改变煤岩体力学性能，同时诱导瓦斯吸附及运移速度的改变，诱发煤矿动力灾害^[40]。然而，温度对结构变化和动力致灾的影响较上述两场略显微弱。

应力场、渗流场和温度场演化在煤矿动力灾害防治中具有重要作用，但仅进行单一场的调控难以实现对煤矿动力灾害的有效防治。例如，调控应力场后，煤岩体裂隙等结构发生改变，煤岩体的冲击倾向性降低，而瓦斯的运移及吸附解吸等运动随之加快，渗流场发生致灾“恶性”演变，瓦斯突出的可能性提高。上述3场的演变均与致灾煤岩体结构密切相关，基于此，笔者认为应寻求一种围绕致灾煤岩体结构演变的“场”概念，融合煤矿动力灾害的本源致灾因子，将应力场、渗流场、温度场、裂隙场等演化转变为从煤岩体结构演化视角出发，构建煤岩体结构调控路径，完善致灾煤岩体结构调控防灾技术。

2.   煤岩结构演化视角下结构场含义及孕育演化机制

2.1   结构场孕育演化机制

就宏观层面而言，煤岩层的厚度、倾角、走向、瓦斯浓度、渗透率等因素决定了其初始力学状态，而顶底板岩层的强度和刚度则会对煤岩体的应力产生影响。地质构造如断层、褶皱、层理等的存在，会使局部区域的应力分布发生显著变化，在采掘扰动作用下，煤岩层会形成某种结构形态。其次，从微观角度看，煤岩体内部孔隙、裂隙、节理等对结构演化起着关键作用，煤岩体内部微观结构决定了渗透性和变形特性。在采掘扰动及地应力作用下，随着时间的推移，煤岩体通常会经历裂隙孕育、发展、贯通、断裂或失稳等阶段，不同阶段在空间上会形成大小各异、形状不同、界面有别的煤岩结构体，进而导致应力场、渗流场和温度场的改变。总之，煤岩体结构的形成及演化过程反映了煤矿整体或区域在复杂地质条件和采掘活动影响下的应力、应变、裂隙、瓦斯、温度等参数的变化。

笔者认为，煤岩体结构并非是均匀一致的，煤岩体结构应存在“原始无灾结构、采掘引灾结构和类原始消灾结构”的区分。

原始无灾结构是指煤矿在未开采之前的稳定状态，其内部不存在自由空间，灾害不会发生。随时间的推移以及煤层的开采，巷道、采空区、工作面等自由空间必然会增加，全尺度的煤岩体原始结构发生改变，进而演化出现采掘引灾结构。该结构随着裂隙的孕育、发展、贯通、煤岩体断裂或失稳等阶段，将逐渐呈现由低诱灾率结构向高诱灾率结构的定向转化趋势，若在合理的采掘速度及煤岩结构自我调节能力的协作下未出现灾害，继续安全作业，此时仍属于非致灾结构。若煤岩结构自我调节能力不足以消除诱灾潜力，结构进一步恶化扩展，出现应力集中、瓦斯聚集，进而诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害，演化形成致灾结构。此过程为煤岩体结构的自然演化过程，如图1所示。

图  1  煤岩体结构分类及结构场的孕育演化过程

Figure  1.  Structural classification of the coal rock body and the evolution of the structural field of the breeding process

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在采掘活动的影响下，煤矿必然会经历采掘引灾结构阶段。在该阶段，可主动采用水力压裂、钻孔卸压等方式对煤岩体结构进行调控，促使其趋向良性发展，形成非致灾结构，以进行安全生产。进而通过对各阶段进行注浆充填、保水开采、造穴吸能、生态修复等方式的煤岩体结构调控技术减少煤矿全尺度上的自由空间，削弱并消除煤矿动力灾害，在矿井服务期的终点使煤岩体结构恢复到类原始消灾结构，上述过程被称之为煤岩体结构的主动调控，如图2所示。

图  2  煤岩体结构主动调控下结构场的演化过程

Figure  2.  Evolution of structural fields under active control of coal rock structure

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2.2   结构场定义及多场间关系

煤矿动力灾害的发生与防治本质上皆源于煤岩体结构的演化与调控，上述即为结构场的广义矢量化趋势演变过程。结合煤矿动力灾害的特殊性，将煤岩体结构场进行较为准确的定义：煤岩体结构场是指在全生命周期内，以全尺度的煤岩体（包含内部的水、瓦斯等）为介质，随着时间的变化，在采掘扰动下，煤岩体结构发生演化而客观改变的特殊矢量，结构突变或失稳是一切灾害的诱发根源。

结构场为一级场，结构决定应力分布、主导渗流特性、传导温度效应。应力场、渗流场及温度场为二级分场，均受岩体结构演变调控。各二级分场反作用于结构场，其中应力的改变重塑煤岩体结构状态，渗流作用诱导结构演化，温度分布改造结构特性。二级分场的反作用并非独立完成，而是多场间相互作用、相互制约，共同诱导结构场孕育演化。具体而言，应力的改变导致煤岩体裂隙发育，促进吸附瓦斯的迁移和解吸，改变渗流场状态，瓦斯快速解吸诱发煤岩有效应力增加；同时，应力影响煤岩体孔隙闭合，诱发煤岩热膨胀和热收缩效应，改变煤岩体的热传导系数以及温度分布，而温度异常变化又将增强煤岩体热应力，诱导煤岩体变形，改变应力分布；此外，渗流体会带走或带来热量，调节热量传递，改变煤岩体的温度分布，温度的变化制约渗流速度，反作用于流体的渗流特性，多场间相互作用关系如图3所示。

图  3  煤矿动力灾害中多场间相互作用关系

Figure  3.  Multi-field interactions in coal mine dynamic disasters

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3.   煤岩结构调控技术的科学内涵及实施路径

3.1   煤岩结构调控的基本特点

煤岩体结构调控技术着重以煤岩体结构为研究对象，根据煤岩体结构的监测、分析和反演，达到对煤矿动力灾害的主动防治。相较于传统的煤矿动力灾害防治方法，结构调控技术具有以下几个特点：

1）主动性。结构调控技术强调对煤矿动力灾害的主动防治。传统的煤矿动力灾害防治方法主要是在高应力集中区采取相应措施进行防治，是一种被动防治方法。结构调控技术则是通过对煤岩体结构场的监测和反演，提前预测动力灾害的发生风险，判别结构场演化规律，在对煤岩体结构场反演的基础上，从煤矿动力灾害诱发的本质出发，采取相应的结构调控技术进行防治，属于主动防治方法。这种防治的方法能够从根本上调节灾害的本源致灾因子，可有效降低煤矿动力灾害的发生概率。

2）定向性。在结构调控技术中，通过对煤矿地质构造、断层等的深入分析，确定特定区域内煤矿动力灾害发生的潜在风险点，进而采取定向的调控措施，例如在断层附近进行注浆加固以改善断层结构稳定性，在易诱发大能量事件的岩层位置处采取切顶或压裂等措施，改变岩层的垮落结构等。在结构调控时，需对岩体结构特征进行定量评估，确定具体的切顶或压裂调控参数；通过计算应力大小和分布情况，确定合理的支护强度；依据瓦斯含量和运移规律，制定精确的瓦斯抽采方案。这种定向的结构调控方式能够有效地降低煤矿动力灾害发生的几率。

3）综合性。结构调控技术并非单一手段的运用，而是综合地质构造、煤岩体结构、应力场、渗流场、温度场等多个因素。通过对这些因素的全面分析和协同调控，实现对煤矿动力灾害的整体防治。同时，结构调控技术需考虑不同的地质条件和采掘扰动参数，针对不同的地质条件采取有针对性的调控策略。通过精准的监测手段和数据分析，确定最佳的调控时机和措施，以最小的成本实现最大的防控效果。

3.2   煤岩结构调控技术及防治机理

结构调控技术在煤矿动力灾害防治中起着关键作用，现有较为成熟的手段包括地面、高位顶板、低位顶板、煤层及底板等多种不同层位的施工技术，其防治煤矿动力灾害的机理如下：

地面施工技术，主要包括地面压裂技术和地面离层注浆2种。其中地面压裂技术是从地面向目标高位岩层注入高压液体致使其产生裂缝，改变岩层的应力状态和渗透性，降低煤层及周围岩层的应力集中，减少能量积聚，同时增加瓦斯等气体的排放通道，降低瓦斯压力。地面离层注浆是利用地面钻孔向离层区域注入浆液，填充离层空间，支撑上覆岩层，减少岩层的下沉和移动，降低岩层瞬间垮落产生的冲击力。同时加固岩层，提高其稳定性，减少顶板事故的发生。

煤层高位顶板施工技术，主要包括高位长钻孔分段水力压裂和高位顶板钻孔爆破技术。其中高位长钻孔分段水力压裂是指在煤层上方的高位岩层中施工长钻孔，然后分段进行水力压裂，使岩层产生裂缝，一方面弱化高位岩层强度，减少其对煤层的压力传递；另一方面增加瓦斯排放通道，促进瓦斯抽采，降低瓦斯压力和含量，削弱顶板来压及煤与瓦斯突出等动力灾害。高位顶板钻孔爆破是指在高位顶板施工钻孔，然后实施爆破工艺，破坏高位顶板的完整性，促进裂缝发育，释放顶板的积聚弹性能，减少顶板来压对煤层的冲击，同时增加瓦斯排放通道，降低瓦斯压力。

低位顶板或煤层施工技术，包含低位顶板水力压裂、低位顶板钻孔爆破、大直径钻孔、水力割缝和井下注浆5种。低位顶板水力压裂是指从巷道施工，对煤层上方的低位顶板进行水力压裂，改变低位顶板力学性能，减少其对煤层的支承压力，降低煤体的应力集中程度，防止煤体在高应力作用下发生突然破坏。低位顶板钻孔爆破与高位顶板钻孔爆破类似，于低位顶板处施工，旨在破坏低位顶板的力学结构，减少煤体应力集中。大直径钻孔技术是指在煤层中钻取大直径卸压孔，释放煤体应力，降低应力集中，并作为瓦斯排放通道，促进瓦斯抽采，降低瓦斯压力和含量，减少瓦斯突出风险。水力割缝是利用高压水射流在煤体中割缝，增加煤体的渗透性，促进瓦斯排放。同时破坏煤体完整性，降低煤体强度，减少应力集中。井下注浆是指在井下巷道向煤岩体中注入浆液，加固煤岩体，提高其强度和稳定性，减少煤体的破碎和变形。

底板施工技术，主要包括断底爆破和留底煤钻孔卸压2种，其中断底爆破是指对煤层底板进行爆破，切断底板的应力传递，防止煤体在底板应力作用下发生突然破坏。留底煤钻孔卸压是指在煤层底板保留一定厚度的煤，然后在底煤中施工钻孔进行卸压，起到缓冲作用，减少底板对煤体的压力传递。钻孔卸压可以释放底煤中的应力，降低煤体的应力集中程度。

采用上述结构调控能够有效促进煤岩体裂隙发育，消除应力集中，削弱瓦斯积聚，降低煤矿动力灾害发生的概率，其机理示意如图4所示。

图  4  结构调控技术平面示意

Figure  4.  Schematic representation of the structural control technology

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3.3   结构调控技术的科学内涵及防治路径

结构调控技术的核心在于对煤岩体结构进行主动干预。传统的防治方法往往是在灾害易发生区进行被动治理，而结构调控技术则强调在灾害发生之前进行主动的预防。通过对煤岩体结构的提前调控，有效降低灾害发生的可能性，提高煤矿的安全生产水平。

融合煤岩体结构场演化规律与煤岩体结构调控技术，提出高效防治动力灾害的实施路径。

路径一（采前结构设计）：在原始无灾结构状态下，煤岩体结构稳定平衡，应充分利用先进的地质勘查技术全面掌握煤岩体的地质结构和力学性质，准确掌握煤岩体的原始状态和潜在风险区域，合理规划开采设计方案，同时在采前优选先进的采掘技术和设备，依托结构演化规律严格把控采掘速度和强度。从源头上减少采掘活动对煤岩体结构的恶化程度。

路径二（采中结构灾变防治）：采掘活动不可避免地打破原有无灾结构的平衡状态，形成采掘引灾结构，应力集中、结构破坏等问题随之出现，动力灾害风险急剧增加。为应对这一挑战，融合煤岩体结构场演化规律与多层位施工技术，构建全方位、立体化的煤矿动力灾害采中结构灾变防控体系。一方面，不断引入先进的监测技术和智能化设备，实现对煤岩体状态的实时精准掌控，如部署高精度的微震监测系统，实时监测地下煤岩体的活动情况，精准反演煤岩体结构。另一方面，结合煤岩体结构演化规律及反演结果，利用不同层位的施工技术（高低位钻孔、高低位水力压裂、高低位爆破、矿井充填等）进行精准调控，加强支护强度，以释放顶、底板压力，提高其稳定性，防止顶板下沉或底鼓等诱发动力灾害，同时降低瓦斯含量及瓦斯压力。在采中进行结构灾变防治调控，诱导其发展为安全的非致灾结构，削弱动力灾害的诱发几率。

路径三（采后结构修复）：煤炭可采资源开采完毕后成为废弃矿井，其周边环境将受到严重影响，出现水土流失、植被受损及地表沉陷等问题。本技术的内涵旨在摸清煤岩体结构的精准反演结果及结构场的孕育演化规律后，利用采空区注浆、地面回填复垦及地表修复等技术实现由采掘引灾结构向类原始消灾结构转变。实现注浆、回填后的顶板有效支撑，同时减少顶板下沉和应力集中，促使煤岩体结构向更加稳定的状态转变。同时调节地表水流，减少水土流失，提升植被根系对土壤的加固作用，从根本上实现矿区生态与安全生产的协同发展。

综上，本技术的科学内涵在于融合煤岩体结构场演化规律与煤岩体结构调控技术，通过对煤岩体结构的主动干预，改变其物理力学性质和应力状态，控制能量的积聚和释放过程，重点在于消除应力集中并削弱瓦斯积聚，从诱发动力灾害的因素出发，从系统科学的角度进行综合分析和设计，体现预防为主的理念，由采前结构优化到采中结构灾变防治再到采后结构修复的防治路径实现结构的完全调控，做到动力灾害的高效防治。有效降低煤矿动力灾害的发生风险，保障煤矿的安全生产。

4.   冲击地压防治中的结构演化分析

为验证本技术的可靠性及科学性，反演了某矿井工程实践中不同调控方案煤岩体的具象结构，分析了不同煤岩体结构下动力灾害发生的概率。

4.1   内蒙古某矿地质概况

内蒙古某矿31103工作面长240 m，走向长度1787 m，埋深500余米，煤层开采厚度5.5 m，为近水平煤层，东北侧为31102工作面采空区，区段煤柱宽度25 m，如图5所示。工作面顶板以粉砂岩为主，属Ⅱ类中等稳定顶板；底板为粉砂岩和细粒砂岩，岩石的单轴抗压强度均值40.4 MPa。31103工作面两侧巷道掘进过程中未揭露断层等地质构造。经鉴定3−1煤顶板、煤层具有强冲击倾向性，底板具有弱冲击倾向性。

图  5  31103工作面平面走向示意

Figure  5.  Schematic of 31103 working face plan alignment

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4.2   微震监测数据分析

利用微震监测系统统计累计随工作面开采滞后200 m～超前800 m范围的微震事件，并按照能量大小将微震事件划分为3个等级，包括小能量事件（<10³ J）、中能量事件（<10⁴ J）和大能量事件（≥10⁴ J），为量化验证微震能量显现规律，计算了3种能量等级所占比例，不同措施下微震能量事件在工作面走向上的空间分布情况及占总能量事件的比例如图6所示。

图  6  不同卸压措施下微震能量事件分布情况

Figure  6.  Distribution of microseismic energy events under different depressurisation measures

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未采取卸压措施时（图6a、图6d），大能量事件频繁显现（占总能量事件的12.5%），主要集中分布于工作面滞后100 m～超前300 m，且密集分布区域高度延伸至煤层顶板200 m，表明工作面存在明显的高位冲击及低位冲击，诱发冲击地压灾害的概率较大，具有较强的冲击危险性。

为消除潜在冲击危险，采取倾角50°的顶板爆破预裂措施（图6b、图6e），微震监测数据显示中等能量事件分布较为密集（占总能量事件的81%），大能量事件发生频率有所下降（占总能量事件的4.3%），纵向密集区域高度仅延伸至煤层顶板25 m，主要集中分布于工作面滞后200 m～超前750 m范围，表明该措施有效破碎了高位坚硬顶板，降低了高位顶板冲击的可能性。如图7所示，由于岩层间相互作用，高位大面积悬顶的瞬间垮落对低位顶板产生较强的冲击，加之低位顶板承受高位垮落区岩层重力，诱导低位顶板孕育出大量超前于原始区域的裂隙（表现为中、小能量事件分布范围前移），导致工作面走向显现出更广的能量事件分布，该措施下工作面仍存在较大的低位冲击可能性。

图  7  不同爆破角度高、低位顶板受力及断裂情况

Figure  7.  The force and fracture of the high and low roof at different blasting angles

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进而从岩层结构上合理调控卸压参数，采取角度为60°的钻孔爆破卸压技术（图6c、图6f），施工范围为工作面超前300 m，钻孔排间距10 m，孔深60 m。监测到大能量事件发生频次大幅降低（仅占总能量事件的1%），小能量事件（占总能量事件的26.3%）和中能量事件出现频率显著提升（占总能量事件的72.7%），表明高位顶板岩层预裂效果显著，裂隙发育完整，全部为垮落或碎石结构，高位顶板微震事件无法被监测，表现为高位顶板无微震能量分布；低位顶板爆破后主要呈现短悬臂结构，其走向及纵向微震事件分布范围全部缩小，表明结构调控卸压技术有效破碎了高位及低位顶板，工作面滞后区域几乎全部垮落，工作面超前范围呈现更好的支承结构，显著降低了高位冲击和低位冲击发生的概率（图7），从根本上削弱了冲击地压灾害的发生。

4.3   矿山煤岩体结构反演

上述微震结果证明了结构调控技术的科学性和有效性，为更好地理解该技术内涵，本研究利用微震数据反演的方法获得了上覆岩层的结构特征，如图8所示。

图  8  不同措施下煤岩体结构反演及现场实拍示意

Figure  8.  Inversion of coal rock body structure under different measures and schematic diagram of field photographs

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未采取卸压措施时，煤层高、低位顶板大能量事件均显现频繁，存在大范围的长悬顶致灾结构，极易诱发高位或低位冲击地压灾害，巷道现场受到强冲击并发生严重破碎，顶板大面积区域需进行卸压。

采取50°钻孔卸压措施后，由于爆破孔于水平方向上分布范围较广，爆破产生的水平冲击分力较大，导致水平方向上微震能量事件显现更加密集；但竖直方向产生的冲击分力及分布范围均较小，垂直方向爆破范围较窄，对低位顶板的爆破效果较差，而有效爆破范围外的高位顶板由于爆破范围内顶板的垮落冲击失去平衡状态，产生大量裂隙，大能量事件出现频次显著降低，该调控参数仅有效降低了高位顶板冲击危险性，低位冲击并未消除。分析原因认为，此参数调控后的高位坚硬顶板由长悬顶结构调整为短悬臂结构，低位长悬顶结构依然存在，较未采取措施时冲击危险性降低，但仍存在较大的低位冲击风险，其低位顶板为危险且不稳定的非致灾结构，现场巷道顶板亦受到明显冲击且破碎比较严重。

根据现场微震监测数据分析，优化调整了爆破卸压参数，将爆破角度调整为60°，可以看到高低位顶板均被爆破卸压，长悬顶结构均演化形成了短悬臂结构，为非致灾结构，此时高低位冲击危险性均显著降低。分析原因认为，与50°爆破卸压措施相比，60°爆破孔于竖直方向分布范围更广，垂直冲击分力显著提升，爆破范围可迅速扩展，结合微震能量事件分布情况，发现其能够将高低位顶板全部爆破卸压（工作面煤岩层交界处），顶板呈较为稳定的支承结构，消除了高低位冲击分险，现场巷道顶板完整，无强冲击能量显现。

本案例结构调控演化过程如图9所示，验证了结构调控技术在冲击地压防止领域的可靠性。

图  9  31103工作面结构调控技术路线示意

Figure  9.  Schematic of the structural control technology route of 31103 working face

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5.   结构调控技术在煤与瓦斯突出灾害中的工程应用

甘肃省某矿16219^-1工作面开采煤层系煤二层，煤层总厚度25.04～45.0 m，平均34.5 m，煤层倾角为5°～15°。16219^-1工作面原始瓦斯含量为17.14 m³/t，甲烷及二氧化碳放散初速度Δp分别为933.3～2266.5 Pa、1688.5～6266.1 Pa，煤层坚固性系数为0.33～0.79，近年来均被鉴定为煤与瓦斯（二氧化碳与甲烷）突出矿井。

为降低矿井突出危险性，矿方对16219^-1工作面采取如下两步相应的区域预抽措施。为准确分析工作面结构，通过微震数据反演推测两轮钻孔措施后的结构演化特征。

1）措施一：1475南总回风巷向16219^-1瓦斯抽放巷、16219^-1回风巷施工穿层预抽钻孔，孔径为94 mm，钻孔终孔间距为10 m，孔深80～110 m，布置165个抽采钻孔，钻孔扇形。根据微震分布情况发现16219^-1工作面经过第一轮穿层钻孔后，煤层中钻孔附近孕育了部分新生裂隙作为瓦斯抽采运移通道，微震数据表现为少量小能量事件的显现，但由于其钻孔间距较大，裂隙发育并不完整，难以满足抽采需求，如图10所示；检验效果发现预抽钻孔仅能控制16219^-1回风巷轮廓线北侧7 m左右、16219^-1开切眼轮廓线东侧11 m左右，控制范围小于15 m，且控制钻孔仅为1～2个；钻孔间距较大。据钻孔设计参数及实际轨迹测定推断两者偏差达2.7 m左右，部分钻孔的终孔最大间距达11 m。

图  10  一轮钻孔后微震分布及结构演化情况

Figure  10.  Microseismic distribution and structural evolution after a round of drilling

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2）进而采取措施二：在第3～9排每排穿层钻孔之间增加钻孔，每10 m施工一排孔、每排孔数为8个，共施工10排80个钻孔，钻孔孔深58～86 m，钻孔终孔间距为5 m，钻孔孔径94 mm，钻孔倾角为 49°～84°。控制范围为16219^-1回风巷巷道轮廓线两侧15 m距离。发现第二轮加密钻孔后，其靠近开切眼处的小能量事件显现频次明显增多，表明二轮钻孔后，靠近开切眼处的钻孔间距较为合理，新生裂隙显著增加，但对全工作面而言仍无法达到瓦斯抽采对裂隙通道的需求，如图11所示；具体地，仅控制了16219^-1未充分保护区回风巷80 m范围；且抽放支、干管路平均流量为14.93 m³/min，管路气样中CH₄体积分数为1.46%～3.42%，平均2.56%，CO₂体积分数为17.40%～49.50%，平均33.45%，施工1 a后共抽出瓦斯253.93万m³，16219^-1工作面未充分保护区回风巷、开切眼区域残余瓦斯含量最大值大于突出危险临界值W=6.0 m³/t，表明两轮措施控制范围及控制均匀性不够合理，存在一定抽采盲区，仍存在突出危险。

图  11  二轮加密钻孔后微震分布及结构演化情况

Figure  11.  Microseismic distribution and structural evolution after two rounds of infill drilling

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进而探究工作面及巷道构造，理清瓦斯储层结构，针对性优化抽采方案，确定采取穿层钻孔水力割缝卸压增透抽采技术进行精准结构调控。具体方案如下：于1475南总回风巷对16219^-1回风巷煤巷条带割缝增透卸压施工穿层钻孔，共26排312个穿层钻孔，孔间距为5 m×5 m，钻孔深度62～113 m，钻孔孔径113 mm；采取超高压水力割缝卸压增透作业，煤孔段每3 m割缝1次，割缝压力80～100 MPa、单刀割缝时间10～15 min，割缝钴孔平均孔深86.42 m，平均煤孔段长度35.34 m，平均割缝下钻深度74.77 m，每组割缝完成后，一周内联抽，采用“两堵一注”注浆封孔，封孔深度6 m。

按照上述结构调控设计方案施工后的微震分布及结构演化分析如图12所示，发现经水力割缝后，显现出的小能量事件覆盖16219^-1整个工作面，这表明其内部裂隙完全发育，产生全工作面贯通的瓦斯运移通道，能够很好的满足矿井抽采需求。具体地，16219^-1未充分保护区回风巷110 m煤巷条带范围煤层最大残余瓦斯（二氧化碳）含量仅为4.73 m³/t，与该区域煤二层原始混合含量17.14 m³/t相比，预抽煤层瓦斯（二氧化碳）含量降低了72.4%左右；与该区域割缝前瓦斯（二氧化碳）含量6.83 m³/t相比，降低了30.7%左右；且在区域措施检验钻孔施工期间未发生喷孔、顶钻等突出预兆，效检钻孔轨迹测定符合要求。

图  12  水力割缝后微震分布及结构演化情况

Figure  12.  Microseismic distribution and structural evolution after hydraulic slit

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上述结果表明超高压水力割缝卸压增透作业有效且精准的促进了瓦斯的抽采、降低了突出风险，极大的保障了开采安全。

上述2种案例验证了结构调控技术在煤矿动力灾害防治领域的科学性与合理性，为煤炭资源的安全开采提供了有力的理论及技术保障。

6.   结论与展望

1）提出了煤岩结构场的基本概念及科学内涵，阐明了煤岩结构场的孕育演化机制。将煤岩体结构划分为原始无灾结构、采掘引灾结构和类原始消灾结构，得到了煤岩结构场的定向演变是导致煤矿井下的应力场、温度场、渗流场、裂隙场等发生改变的原因，亦是诱发动力灾害的根本要素。

2）介绍了结构调控技术具有主动性、定向性和综合性3大基本特点。阐述了地面、高位顶板、低位顶板、煤层及底板等不同结构调控技术防治煤矿动力灾害的机理。提出了基于结构场演化规律和调控技术的动力灾害防治路径，通过由采前结构设计到采中结构灾变防治再到采后结构修复的防治路径，做到动力灾害的高效防治。

3）从工程实践出发，分析了不同的结构调控参数改变煤岩层结构形态的具体影响，反演了不同措施下煤岩体的具象化结构特征，分析了结构演化过程对冲击地压灾害的调控机制；同时研究了结构调控技术对煤与瓦斯突出灾害的防治策略，验证了结构调控煤矿动力灾害诱发的科学性。

4）结构调控技术综合了多种因素对煤矿动力灾害的影响，借助先进的监测技术和数据分析方法，实时掌握煤岩体结构的动态变化，通过及时调整调控措施，可提高动力灾害预防的时效性。