鞠文君，杨鸿智，付玉凯，焦建康，李中伟，孙刘伟

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；4.煤炭工业规划设计研究院有限公司，北京 100013)

煤矿冲击地压是由于聚集在采掘空间周围煤(岩)体内部的弹性变形能瞬间释放而产生突然、剧烈破坏的矿井动力现象，常伴有煤(岩)体瞬间破坏、抛出、巨响和气浪等，是煤矿开采过程中典型的动力灾害之一[1-3]。在我国煤矿技术装备不断升级的背景下，矿井生产能力大幅提高，开采深度和开采强度的增加使得地应力和采动应力不断攀升，加之复杂地质环境的影响，煤矿井下冲击地压事故发生的频次和剧烈程度也不断增加。统计数据表明，煤矿井下90%以上的冲击地压事故显现在巷道中[4，5]，尤其是在受采动影响和存在断层等地质构造的区域，巷道冲击地压发生占比更高。冲击地压巷道的控制途径主要从优化巷道布置和采掘工艺参数、区域应力调控、加强巷道支护三个方面着手[6]。前两个方面侧重于改善应力环境、降低能量积聚水平，从而预防巷道冲击地压发生的力源因素；第三个方面的重点在于增强巷道自身稳定性和抵抗冲击的能力。在以往的研究及工程实践中，对于冲击地压发生机理、采掘时空布置、局部卸压解危、监测预报等所做工作较多，但对巷道支护在防治冲击地压中的作用认识不足，研究工作相对较少。因此，如何通过有效支护提高冲击地压巷道的抗冲击能力成为重要研究方向。

近年来，对冲击地压巷道支护的研究逐步加强，众多学者提出了一些冲击地压巷道支护的相关理论、原则、方法和技术，而且对相应的巷道支护形式和支护材料进行优化、改进和创新，在典型的冲击地压矿井巷道开展了支护技术工程实践。

1 冲击地压巷道支护理论与技术的发展

巷道破坏主要有两种形式：一种为动力冲击破坏，另一种为通常的静态冒落与变形破坏。冲击破坏作为一种极端的破坏形式，遵循巷道破坏的基本规律，同时有其特殊性。巷道冲击地压的治理也要同时借助巷道支护技术的发展和冲击地压理论技术的进步。随着对冲击地压认识的不断深入，加之巷道支护理论与技术、支护材料的不断进步，冲击地压巷道支护技术得到长足发展。

20世纪末煤炭部组织煤炭科学研究总院等单位开展煤巷锚杆支护研究与推广，形成我国煤矿锚杆支护成套技术[7]。21世纪初康红普院士等提出了“三高一低”高预应力强力支护理论和原则，锚杆及配套构件材料和力学性能大幅提升，巷道支护技术跃上新台阶。巷道支护理论与技术的发展为巷道冲击地压防治提供有利支撑。

2008年，中国矿业大学高明仕、窦林名团队提出了冲击地压巷道围岩控制强弱强3S结构模型[8]，后续又进行了一些冲击地压巷道围岩控制理论研究和现场支护实践[9，10]，分析了冲击震动波在强弱强结构中传递过程的应力、能量效应，提出通过减小外界震源载荷、合理设置弱结构、提高支护强度的措施来防范巷道冲击地压的工程对策。

2009年笔者针对华亭矿区急倾斜特厚煤层水平分层开采巷道冲击地压成因与防治技术研究进行了系统研究[11]，制定了降低开采强度、断顶爆破卸压和加强支护为主的防治技术方案；主张锚杆支护作为一种内在的主动支护，具有良好的柔性支护特性和自稳特征，易实现高支护强度，对冲击载荷和大变形具有很好的适应能力，是冲击地压巷道最适合、最基本的支护形式[12]；提出了冲击地压巷道“高强度、强让压、整体性”的支护理念，并设计了以全断面支护为特征的“抗冲击锚杆支护系统”；建立了基于剩余能量原理的冲击地压巷道锚杆支护能量校核设计法[13]。

2015年康红普院士等分析了冲击地压巷道的破坏形式，提出了冲击地压巷道高预应力、高强度、高伸长率、高冲击韧性的“四高”锚杆(索)支护技术，给出了“锚杆锚索支护优先、及时主动支护、全断面支护、锚-支相结合、支-卸相结合、支护构件相互匹配”的冲击地压巷道支护原则[14，15]。

2010年辽宁工程技术大学(原阜新矿院)潘一山、王爱文等开始持续开展冲击地压巷道吸能耦合支护、巷道防冲液压支架等研究，认为提高支护刚度和快速吸能让位支护是冲击地压巷道支护的两个设计思路[16，17]。2020年潘一山、齐庆新等提出了“冲击地压巷道三级支护理论与技术”，主张冲击地压巷道支护需考虑“启动—破坏—停止”全过程，采取按支护强度需求分级支护的形式[5]，即：一级支护采用锚杆或吸能锚杆；二级支护采用“锚杆+O型棚”；三级支护采用“锚杆+O型棚+液压支架”联合支护。

2020年中煤科工开采研究院付玉凯等在义马常村煤矿典型冲击地压巷道开展了高冲击韧性锚杆(索)防冲试验研究，结果表明高冲击韧性锚杆(索)强度高、吸能能力强，对冲击能量缓冲效果好，防止了脆性断裂失效，有效控制了冲击地压巷道的失稳破坏[18]。

2021年中煤科工开采研究院吴拥政等针对巷道防冲手段和支护系统不协调的问题，提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术[19]，通过远近场卸压降低巷道围岩峰值应力和冲击震源能量，利用“四高”锚杆(索)结合套管和注浆技术重塑围岩，利用钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的复合结构提高阻尼和吸能作用，有效吸收冲击能，抑制围岩震动。

2021年中煤科工开采研究院焦建康等提出了巷道锚固承载结构的概念，并建立了动静载荷作用下巷道锚固承载结构稳定模型[20]，得出了动载扰动冲击地压巷道锚固承载结构破坏的力学判据和能量判据，并给出了实例验证。

还有许多学者对冲击地压巷道支护展开过相关研究，目前为止仍然没有形成全面系统性的冲击地压巷道支护理论和支护技术[21，22]。但是，随着对冲击地压发生机理、冲击地压巷道支护理论研究的逐渐深入，人们越来越认识到巷道支护对冲击地压防治的重要性和冲击地压巷道支护技术研究的迫切性。

2 冲击地压巷道主要支护形式及支护材料

巷道冲击地压具有来压剧烈、发生突然和破坏性巨大等特征，冲击地压巷道的支护形式必须与其破坏特征相适，需要具备更高的承载能力、良好的韧性、高度的自稳性和结构的整体性[12]。我国冲击地压巷道的现行的支护形式主要有锚杆(索)支护、巷内棚式支架、防冲液压支架等，锚杆(索)支护是冲击地压巷道最基本的支护形式，不同的支护形式和支护材料性能都必须与巷道冲击地压来压和破坏特征相适应。

2.1 冲击地压巷道锚杆(索)支护

2.1.1 高冲击韧性材质锚杆

冲击韧性[23]是用来描述材料在冲击载荷作用下对塑性变形功和断裂功吸收能力的一个指标，冲击韧性的大小能够反映材料内部缺陷和抗冲击能力[24，25]。钢材作为煤矿巷道支护的主要原材料，提高其冲击韧性的主要途径有3种：成分控制、气体和夹杂物控制、轧制工艺控制[26，27]。衡量冲击韧性大小的指标是冲击吸收功，该指数一般用夏比冲击试验(摆锤冲击试验)来测定，影响冲击吸收功大小的主要是材料的强度和塑性，所以，高冲击韧性锚杆(索)必须同时具有高冲击韧性、高强度和高延伸率特性[25]。我国还没有形成锚杆抗冲击性能的标准体系，煤炭科学研究总院开采研究分院在对锚杆动态特性相关研究的基础上，进行了锚杆冲击韧性的研究。李中伟等[25]通过对国内不同生产厂家锚杆进行冲击韧性实验，建议我国高强度锚杆检测标准中应对锚杆的冲击韧性提出相关要求，屈服强度500MPa锚杆的冲击吸收功不低于30J。吴拥政、康红普等[28]针对煤矿井下锚杆材料的破断强度低、夹杂物含量高、冲击韧性不足导致发生脆性断裂的问题，开发出室温下冲击功达到100J以上的超高强热处理锚杆，其冲击吸收功是普通热轧锚杆的数倍，断后伸长达到15%以上。林建[29]、付玉凯[26]等也对高冲击韧性锚杆力学性能和在冲击地压巷道中的吸能减冲作用展开了相关研究。

2.1.2 吸能让压结构锚杆(索)

吸能让压结构锚杆(索)一般通过特殊设计的结构增加其延伸性能，在冲击地压巷道支护中，能在保持锚杆较高支护阻力的条件下持续变形吸收冲击能量。

何满潮院士等开发的恒阻大变形锚杆也称负泊松比结构锚杆[30]，是一种典型的吸能锚杆，恒阻装置基本工作原理是锥形体在拉伸过程中使套筒产生拉涨效应，整体称之为负泊松比材料。当载荷超过某一定值，工作荷载通过锥形体相对于套筒体的摩擦力来实现，从而吸收变形能，如图1所示[30]。恒阻大变形锚杆的优点是工作荷载高，伸长长度可达300～1000mm，在动静载荷作用下都能保持恒定的工作阻力。

图1 负泊松比锚杆

套管膨胀式让压锚杆[31]的核心部位是梅花管，围岩变形能以杆件结构塑性变形的形式释放，如图2所示[31]。在小变形范围内主要由杆体的弹性变形提供支护阻力；当巷道受到冲击地压作用，在锚杆柱台的挤压下梅花管产生恢复其圆形截面的塑性变形，随着柱台逐渐挤入，结构之间相对摩擦面积增加；当柱台完全压入后，结构整体实现了恒阻变形能量。

图2 套管膨胀式让压锚杆

杆体可延伸让压锚杆通过改变锚杆杆体形状，在巷道围岩产生大变形时某些部位先达到屈服状态，在轴向拉力作用下伸长变形。巷道冲击地压发生时，提供足够大的让压距离，同时仍能保持锚杆主体的支护能力，如蛇形锚杆[33](如图3所示)、Garford锚杆、D-bolt锚杆等。针对冲击地压巷道的来压特点，还有许多学者在此基础上进行了结构改良和优化[32，33]。

除了以上介绍的锚杆外，国内吸能让压锚杆的种类还有很多[34]，但是能广泛应用于现场工程实践的却很少。因此，在新型吸能让压锚杆研发中，在原材料上应采用工业级的锚杆材料，结构设计和加工工艺简单，降低生产成本。同时，施工工艺也应该简化，这样才能促进吸能让压锚杆在冲击地压巷道支护中的推广和应用。

2.1.3 锚杆(索)吸能构件

除了增加锚杆本身的吸能特性外，还可以增加与锚杆匹配的吸能构件，也可以增加支护体在冲击作用下的吸能让压性能，如让压管、劈裂式吸能构件等。

让压管构件[35]安装在锚杆的螺母和托盘之间，当锚杆受到拉力作用时，让压构件首先被压缩，但在压缩变形的同时其必须实现高支护阻力让压。因此，让压管大部分采用高强度金属材质，如图4所示[35]。锚杆工作阻力达到一定值，让压管先发生屈服压缩，其压密后工作阻力再增加，杆体就发生屈服拉伸。在采用高强度锚杆支护的前提下，配合屈服强度低于杆体的让压管构件，能提高锚杆整体抗变形能力，实现让压吸能。

图4 让压管锚杆结构

劈裂式吸能构件[36]结构简单且成本低廉，通过在厚壁圆形钢管上预制裂缝加工而成，安装在锚杆的尾部，如图5所示[36]。当受力达到一定值，构件产生扩径变形，整个过程经历塑性变形、撕裂、形成螺旋板条摩擦来耗散能量并提供工作荷载，吸能效率和工作阻力随着材质的改变发生变化。实验室和现场试验表明，此构件能实现恒定轴力稳定吸能，适用于围岩大变形和冲击地压巷道锚杆支护。

图5 轴向劈裂式吸能构件

2.2 冲击地压巷道巷内防护

2.2.1 冲击地压巷道防冲棚式支架

在冲击地压巷道中应用棚式支护形式，既要增加其抗冲击性能，又要保持与围岩良好的接触，增加其在冲击载荷下的稳定性，能在巷道冲击地压发生时起到良好的整体支护作用，避免发生局部破坏和失稳。在可缩性棚式支架与巷道表面之间填充吸能缓冲垫层[10]，可以起到吸收冲击能和均化支护应力的作用。

2.2.2 巷道防冲液压支架

液压支架工作阻力大、自身稳定性好、架设方便，可实现静载条件下有效支护和动载情况下及时让位吸能[37]。潘一山等设计研发了多种形式的巷道防冲液压支架，其中适用圆形或拱形巷道的三柱拱形防冲液压支架，工作阻力可达4150kN，吸能可达800kJ以上，如图6所示。

图6 不同结构形式的巷道防冲液压支架

2.2.3 冲击地压巷道支架防冲构件

现有防冲液压支架除了结构改良和整体稳定性的加强外，支架能够实现冲击载荷下快速让位吸能的主要方法还是在已有的结构上匹配适合的支架吸能材料和吸能构件，如在支架顶梁、铰接处垫吸能材料，在立柱部位增加吸能构件。因此，作为液压支架实现防冲性能的主要途径，防冲构件的力学性能优越性很大程度上决定了防冲液压支架的防冲吸能效果，学者们也设计和实验了很多结构形式和不同材质的吸能构件。

王春华等[38]研发了巷道防冲吸能液压支架的特殊几何形状吸能曲壳折棱管，该构件是一种薄壁金属管件，在轴向冲击作用下能按照预设的折棱进行诱导式的结构曲屈变形，实现快速让位吸能，变形稳定可靠，如图7所示[38]。在此基础上马萧等[39]又对不同倾角的折棱管结构进行变形和吸能特性对比，找到了吸能效果较好的折棱角度。

类似的薄壁管结构在轴向冲击作用下屈服空间大，适合在液压支架吸能构件中应用，如图8所示[40]。杨巨文等[40，42]研发了扩径式、柱内外翻转式、加肋板圆管吸能防冲构件，并进行了相关的力学实验。

图7 构件轴向变形

图8 吸能构件

3 冲击地压巷道支护技术展望

冲击地压巷道支护技术取得很大进步，但是还存在很多方面的难题亟待解决，冲击地压巷道支护技术的研究任重道远，需要在以下方面开展研究工作。

1)进一步加强巷道冲击地压支护机理研究。目前的研究主要针对巷道冲击地压的发生机理和冲击地压对巷道围岩的破坏机理方面，而对冲击地压巷道支护机理的研究较少，远不能满足工程实践的要求，同时存在理论研究与工程需求脱节的问题。

2)坚持辩证的冲击地压防治思维，标本兼治、“支-卸”协同。从降低围岩应力和改善围岩支护体力学特性两个方面入手，区域防治与局部解危相结合，卸压与支护相协调，提高围岩支护结构强度、刚度与降低其冲击倾向性相统一。统筹考虑巷道冲击地压的卸压和支护技术手段，通过采用区域压裂卸压和巷道围岩局部弱化卸压，既要达到卸压效果，又要减少对巷道围岩的劣化。

3)加强冲击地压巷道支护实用技术的研究。目前的巷道防冲支护形式还不能满足工程需要，一些技术只是进行了初步的研究和工程实践，还没有相应的标准和评价体系。因此，需要花大力气开发新的支护形式和材料，形成结构简单、成本较低的抗冲击巷道支护定型产品，同时还要精细化研究冲击地压巷道合理的支护参数和布置形式，最终形成冲击地压巷道支护完整技术体系。

4)分类分区综合治理，精准施策。由于矿井地质赋存条件复杂，生产工艺多样，不同区域的巷道冲击危险性和显现形式不同，应根据巷道冲击地压特性和强度等级，选取一种或多种防冲技术手段，动态调配，适时实施，对症下药，综合治理。

5)提升监测和预警水平，防患未然。在冲击地压技术不够完善的背景下，超前预测预报就显得尤为重要，通过监测不但可预警巷道冲击危险性，还能综合评估支护结构的抗冲击能力。目前的冲击地压监测多重视矿井和工作面的监测、预警，而缺乏巷道尺度的监测、预警手段，应充分吸收现代信息技术最新成果，按照可视化、智能化、精准化的发展目标，加快开发巷道尺度的矿压监测系统，实现巷道尺度内冲击地压发生瞬间围岩应力、震动、支护体受力及变形的监测。

6)发展智能采掘支护技术，实现“无人则安”。冲击地压具有突发性强、破坏性强的特点，实现智能化采掘支护是解决井下人员安全问题的根本途径。冲击地压巷道最迫切需要实现智能开采、无人开采。巷道掘进迎头和工作面端头超前区域是最危险区域，并且该区域人员聚集，风险大，应加快开发冲击地压巷道智能化掘进系统。同时，要研发冲击地压工作面端头智能化超前支护系统，实现超前支护系统的自主控制。