冲击地压是国际岩石力学界疑难问题之一，本书所述内容建立在对冲击地压概念及其机理重新认识基础上，强调理论与成套技术的结合，系统介绍了冲击地压启动理论 及其成套应用技术。具体内容包括了冲击地压概念重新认识及“三阶段”物理演化过程解析；冲击地压的冲击启动理论及其分类、载荷判据；冲击地压的冲击危险性 预评价技术；冲击启动载荷源分源实时监测预警技术及分源权重综合预警系统；诱发冲击启动载荷源区域疏导、局部分源治理技术；基于冲击启动理论的冲击地压分 类、系统防治应用实例；最后介绍了一脉相承的冲击地压防治理论与成套技术体系。
本书既有深入、系统的理论新认识，又有理论应用的成套实用技术及新技术，近10年的实践验证，彰显了我国冲击地压防治理论与技术的新进展以及灾害防治效果上了一个新台阶。
本书可供采矿工程、安全工程、岩石力学领域的科研、教学、设计及生产单位的工程技术人员参考使用。
图书在版编目（ＣＩＰ）数据
冲击地压启动理论与成套技术 / 潘俊锋等著. -- 徐州:
中国矿业大学出版社, 2016.5
ISBN 978-7-5646-3045-4
Ⅰ. ①冲… Ⅱ. ①潘… Ⅲ. ①矿山压力－冲击地压－
地压控制 Ⅳ. ①TD324
中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第045044号
前 言
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300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、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 是经历了漫长的不断的教训与经验积累过程。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计划（973）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北京开采研究院（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、载荷判据。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、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、王传鹏、陈法兵、李岩；第十二章，夏 永学、冯美华、王传鹏；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。本书得到了煤炭科学研究总院学术著作出版基金资助。在本书的编写过程中，煤炭科学研究总院北京开采研究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，书稿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
目 录
序 2
前言 2
目录 2
第2章 国内外研究现状 10 3.1 冲击地压发生的宏观条件 20 第4章 冲击地压“三阶段”物理演化过程 37 第三篇 冲击地压的冲击启动理论 44 第5章 冲击启动的材料—结构动力失稳机理 44 5.1 工程结构体冲击启动区 44 第6章 冲击启动的类型与载荷判据 85 6.1 冲击地压的冲击启动类型 85 7.1 经验类比法 107 第8章 冲击危险区域与危险时段计算机动态仿真 121 8.1 冲击地压危险区域预评价 122 第9章 基于集中静载荷探测的地震CT原位评价技术 126 9.1 地震初至波走时CT获取围岩波速结构 126 10.1 冲击危险源层次化辨识方法 157 第11章 大范围集中动载荷微震监测技术 160 11.1 ARAMIS M/E微震监测系统与布置 160 第12章 局部区域集中动载荷地音监测技术 201 12.1 地音、微震、冲击地压三者的关系 201 第13章 集中静载荷在线监测技术 215 13.1 煤岩体集中静载荷监测方法 215 第14章 冲击地压分源权重综合监测预警系统 227 14.1 冲击地压分源综合预警指标体系及分级 227 15.1 区域大范围防范冲击地压的理论基础 241 第16章 局部防治的采动围岩近场集中静载荷卸压 250 16.1 煤层爆破疏压技术 250 第17章 局部防治的采动围岩远场集中动载荷源消源 274 17.1 煤层顶板深孔预裂爆破技术 274 第18章 局部防治的采掘空间强力支护防冲降灾方法 285 18.1 冲击地压巷道围岩锚杆支护 285 第20章 集中静载荷型冲击地压防治实践 290 20.1 工程背景 290 第21章 集中动载荷型冲击地压防治实践 301 21.1 工程背景 301 22.1 科学防冲理念 319 第23章 冲击地压研究展望 323 参考文献 325
第一篇 绪论 5
第1章 冲击地压概述 5
1.1 冲击地压的基本术语 5
1.2 冲击地压发生的特点 6
1.3 冲击地压的传统分类 7
1.4 冲击地压防治基本程序 9
2.1 冲击地压发生物理过程与机理研究 10
2.2 冲击地压危险性预评价技术 12
2.3 冲击地压实时监测预警技术 13
2.4 冲击地压防治技术 16
2.5 冲击地压机理向防治延伸的要求 18
第二篇 冲击地压物理演化过程剖析 20
第3章 冲击地压发生的影响因素 20
3.2 地质赋存因素 21
3.3 开采技术因素 30
4.1 冲击地压的黑箱研究方法 37
4.2 冲击地压显现 38
4.3 冲击启动 39
4.4 冲击能量传递 39
4.5 冲击地压黑箱的演化过程 40
4.6 相关术语重新界定 42
5.2 一维承载煤样材料失稳声发射实验 60
5.3 考虑动载荷的一维承载煤样材料失稳过程特性 65
5.4 工程结构体的变载荷类建筑结构模型 72
5.5 类建筑结构主承载体极限平衡方程 75
5.6 类建筑结构主承载体地基极限平衡方程 80
5.7 弹脆性材料失稳催生结构失稳诱发冲击启动机理 82
6.2 两类冲击启动力学模型及判据 86
6.3 两类冲击地压启动工程案例揭示 89
6.4 防止巷道冲击启动的模型与原理 95
6.5 冲击地压的冲击启动理论提出 104
第四篇 冲击地压的冲击危险性预评价技术 107
第7章 冲击危险性的宏观评判 107
7.2 综合指数法 107
7.3 动态权重法 111
8.2 冲击地压危险时段预评价 123
9.2 受载煤样纵波波速与应力关系的试验研究 145
9.3 围岩波速结构评价冲击危险性方法 149
9.4 应用案例 153
第五篇 冲击启动载荷源分源实时监测预警技术 157
第10章 监测预警冲击地压的理论基础 157
10.2 诱发冲击启动载荷源分源监测预警基本原理 159
11.2 微震监测系统布置方案优化 169
11.3 开采活动与微震事件 180
11.4 微震评价指标的确定 189
11.5 评价指标计算 190
12.2 地音评价冲击危险性的理论基础 201
12.3 ARES-5/E地音监测系统及布置 203
12.4 冲击地压前兆地音信息识别 207
12.5 地音评价方法和指标 210
13.2 煤岩体应力监测方法 215
13.3 KJ21冲击地压应力在线监测系统 218
13.4 应用案例 221
14.2 冲击地压分源权重综合预警模型 229
14.3 冲击地压危险性综合评价预警系统 234
14.4 煤矿冲击地压危险性综合评价及预警系统应用 239
第六篇 诱发冲击启动载荷源综合治理技术 241
第15章 区域防范冲击地压的理论与技术 241
15.2 集中静载荷（高集中应力）可干扰性及影响规律 243
15.3 基于集中静载荷疏导的冲击地压区域防范技术体系 248
16.2 煤层大直径钻孔卸压技术 259
16.3 煤层注水疏压技术 265
17.2 煤层致密顶板水力定向压裂技术 278
18.2 防冲吸能巷道液压支架支护 286
第七篇 基于冲击启动理论的冲击地压防治实践 288
第19章 局部防治冲击地压的理论与技术体系 288
20.2 岩浆岩下伏短壁综放面冲击启动原理 291
20.3 冲击载荷源分源监测与防治 294
20.4 冲击地压防治应用效果分析 299
21.2 冲击地压的冲击启动原理 302
21.3 冲击启动载荷源分源监测 307
21.4 基于冲击启动载荷源分源防治 312
21.5 基于冲击启动载荷源分源防治效果 317
第八篇 冲击地压防治理论与成套技术体系建立 319
第22章 冲击地压科学防治理论与技术体系 319
22.2 科学防冲的理论与成套技术体系 320