0 引 言
冲击地压[1-4]是煤岩动力灾害之一，其致灾因素与致灾过程复杂，因矿井条件而异。窦林名等[5]通过理论研究掌握了冲击地压的发生为动载与静载互相叠加使得能量和应力条件同时临界载荷而诱发冲击地压，系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理；李铁等[6]基于长时间和高精度冲击地压观测与采矿作业数据分析，从采掘活动与发生冲击地压的定量关系，探索采掘扰动对岩体动力响应的调制作用；曹安业等[7]通过分析冲击地压激发震动波能量的传播模式、衰减特征，得出冲击地压震动能量的传播衰减特征主要依赖于能量几何扩散、传播岩体介质的阻尼衰减，以及冲击地压震源的震动位移场和能量辐射特征的综合影响。潘俊锋等[8,9]提出冲击启动理论认为冲击地压发生依次经历冲击启动、冲击能量传递、冲击地压显现3个阶段，冲击的载荷源分为内因与外因，采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内因，采动围岩远场系统外集中动载荷对静载荷的扰动、加载是冲击启动的外因，可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区；冲击地压响应不仅与冲击地压强度有关，还与震动波传播衰减有关[10-11]，初始震动比较剧烈但衰减很快，传播一定距离后震动能量明显降低。
通过以上学者的研究表明：冲击地压的发生的影响因素为动、静载荷的相互叠加以及震动在煤岩体介质中的传播特征。笔者将依托神华新疆能源有限责任公司宽沟煤矿I010203工作面矿压显现特征，通过冲击地压发生、显现位置，现场监测情况，针对临空巷道多次冲击地压诱发冲击显现的问题，考虑临空巷道的冲击地压影响因素，包括区段煤柱形成侧向结构、断层等局部构造、顶板周期来压等，进一步揭示冲击地压影致灾过程及致灾关系。
1 工程概况
1.1 矿井及工作面概况
宽沟煤矿位于呼图壁县城西南70 km处，地形南高北低，西高东低，南部基岩裸露，受近东西向白杨沟河切割的影响，南部地形陡峻，向北地形逐渐变缓，形成近南北向的宽阔“V”字形冲沟。矿区主要可采煤层有B0、B1、B2、B3、B4-1、B4-1下、B4-2煤层共6层，现开采B2煤层，采用两翼布置，综放开采。
I010203工作面东至运输上山保护煤柱，南至井田边界，北至I010201工作面，之间留设煤柱15 m；工作面下平巷水平标高为+1 318 m，工艺巷水平标高为+1 339 m，上平巷水平标高为+1 365 m；工作面对应地面标高为+1 612—+1 660 m。I010203工作面倾斜长度192 m，可采走向长度1 469 m，采高3.2 m，放煤厚度6.3 m，工作面倾角平均14°。I010203工作面上部为已开采的I010405、I010403工作面采空区，I010203工作面上部0～740 m为I010405工作面采空区，平均埋深320 m，煤层具有弱冲击倾向，顶板具有强冲击倾向。
工作面回采过程中，经常伴有较大的矿震事件，以2018年3月7日为例，工作面推进至1 398 m，下平巷煤柱侧顶板发生1次3.1×105 J大能量事件，超前I010203工作面60 m，震源位置如图1所示。
造成下平巷里程1 348～1 344 m(超前工作面50～55 m)段下帮肩窝有网兜。
1.2 冲击地压主要影响因素概况
1)坚硬顶板。研究表明，关键层对冲击地压发生影响显著，工作面有个两关键层，即第1关键层岩性为细砂岩，平均厚度19.3 m，单轴抗压强度平均115.25 MPa；第2关键层为第11层，岩性为粗砂岩，平均厚度26 m，单轴抗压强度平均102.65 MPa，该岩层特征容易积聚弹性能。
2)坚硬煤层。根据B2煤层的力学性质测试结果煤层上部单轴抗压强度24.14 MPa，煤层中部单轴抗压强度34.37 MPa，煤层下部单轴抗压强度19.10 MPa，煤层强度高，具有较强的积聚弹性能能力。
3)地应力。根据地应力测试结果，宽沟矿最大主应力范围为12.8～13.9 MPa；中间主应力范围6.5～8.1 MPa；最小主应力范围5.50～7.37 MPa；最大主应力方向为184°左右，主应力与水平面的夹角皆为近水平方向(-9.9°～3.4°)。
图1 工作面震源及显现位置
Fig.1 Source and locationof working face
4)局部构造。地质报告及三维勘探未揭露有些小断层，但实际掘进揭露了I010203工作面在1 350～1 050 m、800～400 m范围存在小背斜、断层。局部构造容易引起局部范围的应力集中和围岩活动的异常，是地质因素中对冲击地压危险影响比较显著的因素。
5)侧向顶板结构。受临近I010201工作面开采的影响，I010203工作面下平巷受侧向支承压力的作用，与采动应力叠加后，应力水平进一步升高，当I010203工作面采动应力进一步叠加，多因素叠加使工作面冲击危险性升高。
6)上层煤开采后空间结构。I010203工作面开采与其上方B4煤层I010405工作面开采，形成了侧向采空区结构、上方采空区结构的多结构条件，围岩活动、应力分布具有特殊性，是影响冲击地压的重要开采因素条件。
综上6个方面主要地质因素和开采技术因素对I010203工作面冲击地压发生有影响，但各因素又起不同作用，坚硬煤层容易积聚能量、具备形成高应力集中的条件，地应力加剧静载应力集中起重要作用；坚硬顶板、侧向结构、上覆结构不仅对静载有影响，同时提供动载荷作用。通过分源监测，从动静载形成的致灾因素及致灾过程开展研究，为冲击地压防治提供依据。
2 静-动载荷致灾因素监测分析
2.1 静-动载荷分源监测
采动围岩近场静载荷的积聚是冲击地压发生的基础，当基础静载荷大于发生冲击地压的临界应力，即使无外界载荷作用也会发生冲击显现；当基础静载荷高，但未达到发生冲击地压的临界应力，则需要很小外界动载荷就可诱发；当基础静载荷低，则需要足够大外界动载荷扰动才能诱发。因此，根据冲击地压的发生条件[12]分源实测静载荷的水平和动载荷影响。
σj+σd≥σb,min
(1)
式中：σj为煤岩体中的静载荷；σd为煤岩体中诱发的动载荷；σb,min为冲击地压发生时的临界应力。
一般情况下，采掘围岩静载由原岩应力和支承压力组成，即
σj=σj1+σj2=(k+λ)γh
(2)
式中：γ为上覆岩层的容重；h为上覆岩层厚度；λ为构造应力集中系数；k为支承压力集中系数。
1)静载监测方法。煤体应力监测。KJ21冲击地压应力监测系统可实测支承压力分布规律，为冲击危险区域的静载荷应力演化规律[13]的重要手段。
地震波CT探测。采用PASATM便携式微震仪进行煤体静载异常探测，基于地震波波速对煤岩体应力状态探测技术，建立的冲击地压危险致灾因素辨识模型[14-15]，确定C作为冲击地压危险性指数。
地震波在不同的煤岩体介质中传播，传播速度及波速梯度存在差异，因此引进“波速异常系数AC”及“波速梯度系数GC”。
(3)
式中：Vp为探测区域内某点纵波波速；
为探测区域内纵波波速平均值；Vpc为探测区域煤岩体极限纵波波速(煤岩体临界破坏时)。
(4)
式中：Gp为探测区域某点的纵波波速梯度；
为现场条件下探测区域煤岩体极限纵波波速梯度(煤岩体临界破坏时)。
为综合反映波速和波速梯度对冲击危险性的影响，最终的冲击地压危险性评价模型为
C=aAC + bGC
(5)
式中：C为冲击地压危险性指数；a、b分别为两因子的权重系数，各取0.5。
C值与冲击地压危险等级对应标准见表1。
表1 冲击地压危险性分类
Table 1 Rockburst hazard classification
类别ⅠⅡⅢⅣ等级无弱中强C值<0.250.25≤C<0.500.50≤C<0.750.75≤C≤1.00
2)动载监测方法。采用ARAMIS M/E微震监测系统[16]监测震动能量大于100 J、频率范围在0～150 Hz的震动事件。在现场实测的基础上，分析震动能量、震动频次与其他压力监测数据的对应关系，确定震动能量和震动频次的阈值，当微震监测结果达到所确定的阈值时，煤岩体受到动载荷的影响，以此实现动载荷的监测。
2.2 临空巷道静载荷实测分析
通过开采过程煤体应力演化过程监测，得出临空巷道支承压力压力集中系数k。①实体煤侧k实测结果为2.05～8.59，显著影响范围为工作面前方60 m。②煤柱侧k实测结果为1.76～3.16，显著影响范围为工作面前方60 m。监测结果如图2所示。
图2 临空巷支承压力监测结果
Fig.2 Monitoring results of supporting pressurein the roadway
由地应力测试结果，构造应力集中系数为1.72～1.97；根据煤体应力监测结果，支承压力集中系数为：实体侧为2.05～8.59，煤柱侧实测结果为1.76～3.16。根据式(2)，临空巷静载实测结果为
实体煤侧静载：
σj=(3.77～10.56)γh
(6)
煤柱静载：
σj=(3.48～5.13)γh
(7)
I010203工作面埋深295～342 m，平均埋深320 m，上覆岩层的容重取25 kN/m3，经计算实体煤侧静载为30.16～84.48 MPa；煤柱静载为27.84～41.04 MPa。
通过现场实测表明，临空巷道煤体静载最大达到原岩应力的10倍，局部煤体应力达到或超过煤体单轴抗压强度，冲击地压发生的临界应力一般高于单轴抗压强度，但高静载作用下造成巷道发生塑形变形破坏，减小其承载能力，在较小的动载扰动下可能会诱发冲击显现。
2.3 临空巷道动载荷监测分析
现场实践表明，动载作用主要以围岩破裂、失稳过程产生的冲击地压动载作用为主，爆破扰动等产生动载不在本文分析的范畴。
1)坚硬顶板周期破断。2018年支架压力与微震事件能量频次关系如图3所示。
图3 支架压力与微震事件能量频次关系
Fig.3 The relationship between the pressure of the support and the energy and frequency of the microseismic event
通过支架压力监测分析得到坚硬顶板周期破断发生在1 370.8 m(2018年3月27日)、1 347.6 m(2018年4月6日)、1 317.0 m(2018年4月21日)、1 285.6 m(2018年5月7日)、1 268.0 m(2018年5月26日)、1 248.6 m(2018年6月12)日前后，通过ARAMIS M/E微震监测得到，在以上坚硬顶板破断时，引起2018年3月26日、4月7日、5月7日、5月26日、6月12日、6月13日冲击地压的发生，同时在顶板周期破断时，围岩活动比较频繁。坚硬顶板周期破断过程易发生冲击地压[17-18]，引起围岩频繁活动，以动载形式传播至震源近、远场，引起煤体应力突然变化。
2)临空围岩失稳。侧向围岩活动微震事件曲线如图4所示，为开采过程临空围岩的微震事件能量频次曲线，初采期间至2018年2月3日工作面推进至1 452 m时，侧向围岩活动强度开始增加；推进至2018年2月28日工作面位置1 414 m时，侧向围岩活动的频次和强度均增加；工作面推进至1 398 m时，侧向围岩产生了冲击地压；工作面在推进至1 367 m过程，临空巷道再次发生冲击地压。侧向顶板活动也具有一定的周期性[19]，步距由17.8～39.7 m不等，冲击地压发生主要具有2个特征：①侧向顶板失稳过程产生冲击地压；②侧向顶板活动集中区域的煤体产生冲击地压。2种冲击地压产生形式，均对工作面近场产生巷道变形的影响。
图4 侧向围岩活动微震事件曲线
Fig.4 Microseismic event curve of lateral surrounding rock
3)断层影响。断层区域微震事件变化曲线如图5所示，自2018年3月18日，工作面位置1 380 m开始，该DF12-11断层区域的微震事件开始增多，此时工作面距离DF12-11断层162 m；距离DF11-12断层162～148 m时，DF11-12断层附近围岩活动明显增加，DF11-11断层开始聚集震动事件；工作面距DF11-12断层推进过程(148～108 m)，DF11-12断层附近围岩频繁活动，以DF11-12断层活动为主，DF11-11断层活动也开始增加；工作面向DF11-12断层推进过程(108～83 m)，DF11-12断层附近围岩活动减弱，DF11-11断层活动也逐渐增强；工作面向DF11-12断层推进过程(83～54 m)，DF11-12断层附近围岩活动持续减弱，以DF11-11断层活动为主；工作面向DF11-12断层推进过程(54～25 m)，DF11-12断层附近围岩活动再次集中。冲击地压在断层区域多次发生，可造成临空巷道变形显现，为冲击地压易发区[20]，是冲击地压动载致灾的主要因素。
图5 断层区域微震事件变化曲线
Fig.5 Variation curve of microseismic event in fault region
综上可知，I010203工作面临空巷道静载荷集中程度高，冲击地压频发生于坚硬顶板周期断裂、侧向顶板结构失稳以及断层附近，为主要动载致灾因素。
3 临空巷道致灾过程监测分析
结合静-动载致灾演化规律分析“3·7”弱冲击显现事件。
3.1 静载应力演化过程
CT探测结果如图6所示。
图6 工作面应力演化过程
Fig.6 Stress evolution process of working face
在发生冲击显现1 344～1 348 m范围，即如图中黄颜色区域，其C值为0.50～0.75，具有中等冲击危险，采前探测该区域属于应力集中区；发生冲击显现后，在该区域仍存在应力集中现象。根据探测结果分析静载应力演化过程，采前具有一定程度的应力集中，但距离工作面较远，煤体应力集中程度处于升高过程，随工作面的推进，工作面前方60 m高应力集中区局部区域的煤体应力集中程度达到冲击临界应力水平，冲击危险性程度高。
因此，发生冲击显现的位置具有较高的应力集中，为冲击地压致灾提供了静载应力条件。
3.2 动载作用演化过程
工作面围岩活动演化过程如图7a所示。
图7 工作面围岩活动演化过程
Fig.7 Evolution process of surrounding rock in working face
第一方面作用演化过程为：初采期间，1 344～1 348 m属于静载应力集中区，震源位置1 338 m附近也存在应力集中，且微震事件主要集中1 300～1 348 m附近，对比图7b结果，1 300～1 348 m区域的冲击地压事件频发，对煤体应力集中起到加剧的作用。冲击地压发生的演化过程为：冲击地压发生在坚硬顶板破断期间，通过图7b结果，工作面附近应力集中也进一步验证顶板破断；图7b中事件分布是冲击地压发生前几天内的投影，也明显可以看出在震源位置，本工作面和侧向围岩均集中了大量事件，表明该区域围岩产生破裂、发展，至冲击地压发生时的失稳过程。
因此，冲击地压发生以动载形式诱发处于临界应力条件的煤体显现，为冲击地压致灾提供了动载扰动条件。
通过分析可知，I010203工作面临空巷道冲击地压致灾规律为：①构造应力、侧向支承压力及超前支承压力三者叠加使临空巷道围岩静载荷升高，构成高应力集中区；②在周期来压期间，顶板岩层破断产生动载以弹性波形式传播，使工作面近场煤体应力超过其所能承受的临界水平,从而造成临空巷道冲击致灾。
4 结 论
根据冲击地压发生的应力条件，ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统和冲击地压应力监测系统开展了临空巷道冲击致灾因素及过程研究，得到主要结论如下：
1)通过现场实测获得了实体煤侧支承压力集中系数k为2.05～8.59，煤柱侧为1.76～3.16，显著影响范围为工作面前方60 m。构造应力集中系数λ为1.72～1.97。
2)临空巷道具有高静载。实测临空巷实体侧煤体静载为(3.77～10.56)γh；临空巷道煤柱静载为(3.48～5.13)γh，采动影响区具有高静载。
3)微震监测表明，断层、侧向顶板结构以及顶板周期破断是影响冲击地压发生的主要因素，容易引起工作面岩层破坏发展，发生冲击地压。
4)冲击致灾过程为，高集中程度的基础静载荷，工作面来压期间坚硬顶板破断，引起断层、侧向顶板结构突然能量释放，发生冲击地压，以动载作用使工作面接近临界应力条件近场的煤体诱发冲击显现。
[1] 窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,2001.
[2] 蓝 航.浅埋煤层冲击地压发生类型及防治对策[J].煤炭科学技术，2014,42(1):9-13
LAN Hang.Prevention measures and types of mine strata pressure bump occurred in shallow depth seam[J].Coal Science and Technology,2014,42(1):9-13.
[3] 夏永学，冯美华，李浩荡.冲击地压地球物理监测方法研究[J].煤炭科学技术,2018,46(12)：54-60.
XIA Yongxue,FENG Meihua,LI Haodang.Study on rock burst geophysical monitoring method[J].Coal Science and Technology，2018，46(12)：54-60.
[4] 窦林名,何 江,曹安业,等.煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治[J].煤炭学报,2015,40(7):1469-1476.
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.
[5] 李 铁,张建伟,吕毓国,等.采掘活动与矿震关系[J].煤炭学报,2011,36(12):2127-2132.
LI Tie,ZHANG Jianwei,LYU Yuguo,et al.Relationship between mining and mining-induced seismicity[J].Journal of China Coal Society,2011,36(12):2127-2132.
[6] 曹安业,范 军,牟宗龙,等.矿震动载对围岩的冲击破坏[J].煤炭学报,2010,35(12):2006-2010.
CAO Anye,FAN Jun,MU Zonglong,et al.Burst failure effect of mining-induced tremor on roadway surrounding rock[J].Journal of China Coal Society,2010,35(12):2006-2010.
[7] 潘俊锋,宁 宇,毛德兵,等.煤矿开采冲击地压启动理论[J].岩石力学与工程学报,2012,31(3): 586-596.
PAN Junfeng，NING Yu，MAO Debing，et al.Theory of rock burst start-up during coal mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(3):586-596.
[8] 潘俊锋,毛德兵.冲击地压启动理论与成套技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,2016:73-88.
[9] 高明仕,窦林名,张 农,等.岩土介质中冲击震动波传播规律的微震试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26 (7):1365-1371.
GAO Mingshi,DOU Linming,ZHANG Nong,et al.Experimental study on earthquake tremor for transmitting law of rock burst in geomate-rials[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(7):1365-1371.
[10] 杜涛涛.矿震震动传播与响应规律[J].岩土工程学报，2018,40(3):418-425.
DU Taotao.Propagation and response laws of mine seism [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2018,40(3):418-425.
[11] 刘少虹，潘俊锋，刘金亮，等.基于卸支耦合的冲击地压煤层卸压爆破参数优化[J].煤炭科学技术,2018,46(11)：21-29.
LIU Shaohong，PAN Junfeng，LIU Jinliang,et al.Optimization of blasting parameters for rock burst coal seam based on pressure release and support coupling[J].Coal Science and Technology，2018，46(11)：21-29.
[12] 王书文,毛德兵,杜涛涛,等.基于地震CT技术的冲击地压危险性评价模型[J] .煤炭学报,2012,37(S1):1-6.
WANG Shuwen,MAO Debing,DU Taotao，et al.Rockburst hazard evauation model based on seismic CT technology [J] .Journal of China Coal Society,2012,37(S1)1-6.
[13] 朱志洁,张宏伟,兰天伟,等.重叠煤柱作用下综放采场围岩应力演化规律研究[J].煤炭科学技术,2017,45 (3):26-31.
ZHU Zhijie,ZHANG Hongwei,LAN Tianwei，et al.Study on surrounding rock stress evolution law of fully-mechanized top coal caving mining face under role of overlapping coal pillars [J].Coal Science and Technology,2017,45 (3):26-31.
[14] 张平松,刘盛东,吴荣新.地震波CT技术探测煤层上覆岩层破坏规律[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2510-2513.
ZHANG Pingsong,LIU Shengdong,WU Rongxin.Observation of overburden failure of coal seam by CT of seismic wave[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(15):2510-2513.
[15] 贾瑞生,孙红梅,樊建聪，等.一种冲击地压多参量前兆信息辨识模型及方法[J].岩石力学与工程学报,2014,33(8): 1513-1519.
JIA Ruisheng,SUN Hongmei,FAN Jiancong，et al.Multiparameter precursor information identification model and method and for rockburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(8): 1513-1519.
[16] 于 雷,闫少宏,毛德兵，等.基于ARAMIS M/E微震监测的大采高综放顶板活动规律[J].煤炭学报,2011,36(S2): 293-298.
YU Lei,YAN Shaohong,MAO Debing，et al.Movement of roof strata of long wall with top coal caving with great mining height based on ARAMIS M/E micro-seismic monitoring[J].Journal of China Coal Society,2011,36(S2): 293-298.
[17] 李新华,张向东.浅埋煤层坚硬直接顶破断诱发冲击地压机理及防治[J].煤炭学报,2017,42(2):510-517.
LI Xinhua,ZHANG Xiangdong.Mechanism and prevention of rock-burst induced by immediate roof breakage in shallow-buried coal seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(2):510-517.
[18] 陈建强，闫瑞兵，刘昆轮.乌鲁木齐矿区冲击地压危险性评价方法研究[J].煤炭科学技术,2018,46(10)：22-29.
CHEN Jianqiang，YAN Ruibing，LIU Kunlun.Study on evaluation method of rock burst danger in Urumqi Mining Area[J].Coal Science and Technology，2018，46(10)：22-29.
[19] 潘 岳,顾士坦.周期性来压坚硬顶板裂纹萌生初始阶段的弯矩、剪力、挠度和应变能变化分析[J].岩石力学与工程学报,2014,33(6):1123-1134.
PAN Yu,GU Shitan.Analysis of bending moment,shear force,deflection and strain energy of hard roof at initial stage of cracking during periodic pressures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(6):1123-1134.
[20] 潘立友，李彩荣，陈理强.断层夹持型不规则工作面冲击地压成因与防控[J].煤炭科学技术,2018,46(10)：45-50.
PAN Liyou，LI Cairong，CHEN Liqiang.Causes and prevention of rock burst from irregular face clamped with fault[J].Coal Science and Technology，2018，46(10)：45-50.
