對(duì)深井厚層堅(jiān)硬頂板沖擊地壓的研究

喬元棟，李永明

（山西大同大學(xué)工學(xué)院，山西 大同 037003）

對(duì)深井厚層堅(jiān)硬頂板沖擊地壓的研究

喬元棟，李永明

（山西大同大學(xué)工學(xué)院，山西 大同 037003）

沖擊地壓屬礦井動(dòng)力現(xiàn)象，是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。通常是指由于煤巖體系統(tǒng)達(dá)到極限強(qiáng)度，變形能突然猛烈、急劇的釋放，從而造成巷道內(nèi)支架折損，片幫冒頂，甚至巨大的氣浪將煤巖體被拋向采掘空間，傷及人員。本文從幾個(gè)方面分析了深井厚層堅(jiān)硬頂板沖擊地壓的形成。

沖擊地壓；煤層厚度；地質(zhì)構(gòu)造；堅(jiān)硬老頂

1 國(guó)內(nèi)外深部沖擊地壓現(xiàn)狀

從1738年英國(guó)的南史塔福煤田發(fā)生世界上的第一次沖擊地壓以來(lái)，已有260多年的歷史。其間，包括我國(guó)在內(nèi)，還有英國(guó)、法國(guó)、波蘭、美國(guó)等23個(gè)國(guó)家均發(fā)生過(guò)沖擊地壓。影響最為嚴(yán)重的是南非的金礦、前蘇聯(lián)、波蘭和德國(guó)[1，2]。

我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)的總體特征是西部煤層埋藏淺，東部部分礦區(qū)如開(kāi)灤、北票、新汶、徐州等都相繼進(jìn)入深部開(kāi)采。由于淺部煤層的枯竭，現(xiàn)在我國(guó)絕大部分煤礦都相繼進(jìn)入深部開(kāi)采。未來(lái)10年里，我國(guó)煤礦深部開(kāi)采問(wèn)題將越來(lái)越突出。目前，世界主要產(chǎn)煤國(guó)如德國(guó)、波蘭、俄羅斯等國(guó)的老礦區(qū)都已進(jìn)入深部開(kāi)采。由于煤系地層總體強(qiáng)度低，一些在淺部開(kāi)采中的工程災(zāi)害，都將在深部開(kāi)采中以更加明顯的方式表現(xiàn)出來(lái)[3]。其中之一，就是巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，圍巖容易失穩(wěn)，易發(fā)生破壞性沖擊地壓。某礦區(qū)沖擊地壓發(fā)生次數(shù)與采深的關(guān)系如表1所示。

表1 沖擊地壓次數(shù)與開(kāi)采深度關(guān)系

隨著采深的增加，從1993-1996年60多年的時(shí)間里，我國(guó)僅新發(fā)生沖擊地壓的礦井就多達(dá)40多個(gè)，發(fā)生沖擊地壓4 000余次，造成400多人死亡，200多人受傷，破壞巷道20 km，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。沖擊地壓可以用震級(jí)和烈度來(lái)表示強(qiáng)弱。沖擊地點(diǎn)形成大量煤塵和強(qiáng)烈的空氣波，監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊地壓發(fā)生時(shí)的震動(dòng)頻率1～10 000 Hz以上，最大震級(jí)在3.8級(jí)以上。

根據(jù)發(fā)生沖擊地壓釋放的地震能大小，將沖擊地壓可以分為五個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 按能量特征沖擊地壓分類(lèi)表

強(qiáng)烈沖擊地壓發(fā)生時(shí)，可使長(zhǎng)達(dá)幾十米的巷道支架破壞垮落，機(jī)電設(shè)備損壞，需要進(jìn)行大量的修復(fù)工作，沖擊地壓的發(fā)生地點(diǎn)主要是在采煤工作面和回采巷道內(nèi)。

煤礦沖擊地壓除具有突發(fā)性、多樣性和巨大破壞性的特點(diǎn)外，發(fā)生沖擊地壓的條件和影響因素比較復(fù)雜。

2 影響沖擊礦壓發(fā)生的自然因素

2.1 煤層厚度變化

由同煤集團(tuán)忻州窯礦統(tǒng)計(jì)的煤層厚度及其變化與沖擊礦壓的關(guān)系可知，假定煤層厚1.5～2.2 m時(shí)拋出的煤量為1，表3分析了煤層的厚度及其變化對(duì)煤巖體強(qiáng)度和沖擊礦壓的關(guān)系。

表3 煤層厚度與沖擊礦壓發(fā)生的比例

由以上分析可知，煤層發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的概率隨煤層厚度變化而增大，由于煤層厚度的變化，煤巖體儲(chǔ)存能量的能力也不同，在這種能量的不均質(zhì)性，使煤巖在外界應(yīng)力的作用下，系統(tǒng)平衡很容易被打破，從而形成沖擊礦壓。

2.2 采深與沖擊礦壓的關(guān)系[4]

隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)的發(fā)展，礦井開(kāi)采深度正在以每年平均8～10m的速度向深部增加。深部回采將會(huì)遇到礦山壓力的嚴(yán)重干擾，沖擊礦壓危險(xiǎn)性也隨著開(kāi)采深度的增加而增加。在更大的開(kāi)采深度下，煤層邊緣區(qū)的附加載荷更大，致使支承壓力增加并傳播迭加在煤層上方，使發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的范圍也相應(yīng)擴(kuò)大。

開(kāi)采深度愈大，煤體內(nèi)應(yīng)力愈高，煤體變形和積蓄的彈性能也愈大。根據(jù)彈性理論，煤層在自然狀態(tài)的三向應(yīng)力條件（無(wú)采動(dòng)影響）下，對(duì)于采深為H的煤層，煤體所承受的應(yīng)力為：

發(fā)生沖擊礦壓的能量為煤層和巖層內(nèi)積聚的應(yīng)變能之和，所以煤體中單位體積內(nèi)積聚的彈性能，由體積應(yīng)變能Uv和形變能Uφ兩部分組成:

式中：μ為泊松比；E為彈性模量；γ為煤層上覆巖層的容重；H為開(kāi)采深度；G為剪切彈性模量。

煤巖體內(nèi)形變能用來(lái)克服物體的粘結(jié)力，而體積變形能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，產(chǎn)生沖擊礦壓現(xiàn)象。因此，可以求出在自重應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)發(fā)生沖擊礦壓發(fā)生時(shí)釋放的動(dòng)能 ΔU用下式表示：

由式（3）和（4）可知，隨著采深的增加，煤巖體內(nèi)積聚的能量增加，且沖擊礦壓發(fā)生時(shí)釋放的動(dòng)能與采深的平方成正比。因此，采深的增加必然會(huì)導(dǎo)致沖擊礦壓發(fā)生的頻率和強(qiáng)度的增加。

3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)沖擊礦壓的影響

實(shí)踐證明，沖擊礦壓經(jīng)常發(fā)生在向斜軸部，特別是構(gòu)造變化區(qū)、斷層附近、煤層傾角變化帶、構(gòu)造應(yīng)力帶等，并且在斷層的上盤(pán)開(kāi)采時(shí)的震動(dòng)能通常大于斷層下盤(pán)開(kāi)采時(shí)的震動(dòng)能量。由于溫度、壓力、地殼運(yùn)動(dòng)等因素的影響，在地層沉積巖及地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育形成過(guò)程中，巖體自然的形成其機(jī)械物理性能表征與其它地域、礦區(qū)的差異，在斷層與構(gòu)造帶形成的局部應(yīng)力場(chǎng)，使某些煤巖體處于極高的地應(yīng)力場(chǎng)作用下，該應(yīng)力場(chǎng)中儲(chǔ)存著極高的彈性變形能量。因此，在采深不大的煤巖體也可能為高地應(yīng)力帶，存在發(fā)生沖擊礦壓的可能。

在斷層和向斜附近震動(dòng)集中的主要原因是地殼的運(yùn)動(dòng)形成的殘余構(gòu)造應(yīng)力。該應(yīng)力與開(kāi)采引起的應(yīng)力集中疊加的位置即為巖體震動(dòng)的位置。斷層帶附近的沖擊礦壓危險(xiǎn)主要是由于頂板而形成的,當(dāng)工作面過(guò)斷層時(shí)，由于斷層切斷了頂板巖層，使靠采空區(qū)一側(cè)的頂板重力難以傳遞到斷層的另一側(cè)。因此，隨著工作面推進(jìn)和距斷層距離的減小，工作面前方移動(dòng)支承壓力范圍在減小，移動(dòng)支承壓力峰值的強(qiáng)度明顯增加，強(qiáng)度的增加導(dǎo)致了圍巖內(nèi)能量的增加，從而使沖擊礦壓發(fā)生的幾率增加。

4 厚層堅(jiān)硬老頂

沖擊礦壓與自然地震不同，它的發(fā)生能量級(jí)別較小，需要外在的誘發(fā)條件，即需開(kāi)挖活動(dòng)促使煤巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生由靜轉(zhuǎn)動(dòng)的變化，并誘發(fā)彈性能沿著易傳遞路徑向開(kāi)挖空間弱勢(shì)面積聚轉(zhuǎn)移，堅(jiān)硬老頂?shù)臄嗔丫褪沁@種誘發(fā)沖擊礦壓的外在條件。厚層堅(jiān)硬老頂條件下沖擊礦壓的本質(zhì)也是重力沖擊礦壓，由于頂板的特殊條件，使沖擊礦壓發(fā)生的臨界深度相對(duì)較小。

根據(jù)前蘇聯(lián)阿維爾申的觀點(diǎn)[5，6]，煤層內(nèi)的彈性能是由體變彈性能Uv、形變彈性能Uf和頂板彎曲彈性能Uw三部分組成，即:

而頂板彎曲彈性能在頂板初次來(lái)壓和周期來(lái)壓時(shí)，分別為：

式中：q為頂板及上覆巖層附加載荷的單位長(zhǎng)度載荷；L頂板來(lái)壓步距；E頂板巖層彈性模量；J頂板斷面慣矩。

從公式（6）和（7）可知，頂板彎曲彈性能與頂板來(lái)壓步距的5次方成正比，因此，來(lái)壓步距越大，聚集能量也越多。在一定的條件下，按照公式（7）計(jì)算出的頂板彎曲彈性能占煤巖體內(nèi)總能量的90%左右，可見(jiàn)，厚層堅(jiān)硬老頂積聚的彈性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了采深的影響。

同時(shí)，頂板巖層越厚，聚集的彈性能越多。頂板巖層厚度的影響程度可以用頂板巖層厚度特征參數(shù)來(lái)表示。根據(jù)研究，影響沖擊礦壓發(fā)生的巖層為煤層上方100m范圍內(nèi)的巖層，其中巖體強(qiáng)度大，厚度大的砂巖層起主要作用。

總之，煤層厚度的變化、采深的增加、斷層附近殘余構(gòu)造應(yīng)力的形成及堅(jiān)硬老頂?shù)臄嗔?，都?huì)增加沖擊礦壓發(fā)生的可能性。而對(duì)沖擊礦壓機(jī)理的研究會(huì)給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)更大的保證。

[1] 趙本均.沖擊地壓及其防治[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995:136-145.

[2] 鄒德蘊(yùn),姜福興.煤巖體中儲(chǔ)存能量與沖擊地壓孕育機(jī)理及預(yù)測(cè)方法的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004（4）:159-163.

[3] 劉先貴.支承壓力的現(xiàn)場(chǎng)高峰位置的確定[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991（2）:8-12.

[4] 杜計(jì)平,張先塵.煤礦深井采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)及其控制特點(diǎn)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,29（1）:82-84.

[5] 錢(qián)鳴高，劉聽(tīng)成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983:90-123.

[6] 竇林名,何學(xué)秋.沖擊地壓防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001:98-107.

Abstract:Rock burst is one of mine dynamic phenomena and is also one of disasters impairing the mine production safety.Rock burst means that since coal rock system reaches the ultimate strength,deformation energy releases suddenly and violently so that it causes that support collapses,roof and sidewalls fall,even huge blast throws coal rock to driving faces and hurts personnel.The paper analyzes the formation of rock burst of thick compound hard main roof in several aspects.

Keywords:rock burst;seam thickness;geological structure;hard main roof

編輯：劉新光

Research on Rock Burst of Thick Compound Hard Main Roof

QIAO Yuan-dong,LI Yong-ming
（Institute of Technology,Datong University,Datong Shanxi 037003,China）

TD321

A

1672-5050（2010）08-0049-03

2010-05-10

喬元棟（1978—），男，山西渾源人，工學(xué)碩士，講師，從事采礦工程技術(shù)研究與教學(xué)工作。