懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板采場(chǎng)沖擊地壓成因與防控研究

潘立友 侯家駿 薄樹(shù)祥

(1. 山東科技大學(xué)采礦工程研究院，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北省唐山市，063000)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采★

懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板采場(chǎng)沖擊地壓成因與防控研究

潘立友1侯家駿2薄樹(shù)祥3

(1. 山東科技大學(xué)采礦工程研究院，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；3.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北省唐山市，063000)

針對(duì)軟底板的地質(zhì)條件，在分析采場(chǎng)應(yīng)力分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了煤層聚能結(jié)構(gòu)和頂板懸臂結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)軟底板煤層和懸頂附加能量源的力學(xué)機(jī)制和能量演化過(guò)程的分析，得出了軟底板破壞誘導(dǎo)強(qiáng)沖擊傾向性煤體釋放能量是發(fā)生沖擊地壓的根本原因，懸頂結(jié)構(gòu)是加劇沖擊地壓強(qiáng)度的重要因素，并總結(jié)了軟底板條件下沖擊地壓顯現(xiàn)特征。根據(jù)該條件下的沖擊顯現(xiàn)特征，從底板幫部卸壓、加強(qiáng)圍巖穩(wěn)固性和懸頂結(jié)構(gòu)處理等方面，采取了圍巖卸壓配合巷道支護(hù)的沖擊地壓防治措施，取得了顯著的沖擊地壓防治效果，保證了安全開(kāi)采。

強(qiáng)沖擊傾向性煤體 軟底板 懸頂結(jié)構(gòu) 防治措施

在我國(guó)煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中，隨著開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的加大，深部礦井發(fā)生沖擊地壓、頂板大面積垮落和突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害日益嚴(yán)重。其中，沖擊地壓因其發(fā)生原因復(fù)雜、影響因素眾多、發(fā)生突然且破壞性極大而成為礦山安全開(kāi)采的重大課題之一。

一些學(xué)者對(duì)復(fù)雜條件下的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及防治技術(shù)展開(kāi)了許多研究。趙毅鑫等針對(duì)“兩硬”條件下工作面沖擊地壓的發(fā)生特征進(jìn)行了研究，利用微震技術(shù)分析了堅(jiān)硬頂板和堅(jiān)硬煤體共同作用下沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理和前兆信息特征；潘俊峰利用沖擊地壓?jiǎn)?dòng)原理對(duì)底板沖擊地壓進(jìn)行了分析，認(rèn)為軟底板是能量傳遞和釋放的載體，兩幫的集中應(yīng)力則是誘發(fā)沖擊地壓的主因；于正興等對(duì)厚關(guān)鍵層強(qiáng)沖擊傾向性工作面的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，并制定了具有相對(duì)性的監(jiān)測(cè)手段和防治措施。本文基于以上研究成果，研究了懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板采場(chǎng)的沖擊地壓成因及其防治技術(shù)。

1 懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板煤層工作面應(yīng)力分布

本文研究的工作面由較堅(jiān)硬直接頂、強(qiáng)沖擊煤體和軟直接底組成，其中采空區(qū)一側(cè)直接頂下部裂隙發(fā)育，部分垮落，而上部巖層完整性較好，易形成懸頂結(jié)構(gòu)。一側(cè)采空造成應(yīng)力集中和能量積聚，應(yīng)力和能量傳遞至煤柱體時(shí)，煤體不僅承受上覆巖層自重，還受到懸頂結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，積聚大量彈性能。

利用RFPA數(shù)值模擬軟件模擬工作面主應(yīng)力結(jié)果如圖1所示。

圖1 主應(yīng)力圖

其中圖1(a)是普通懸頂結(jié)構(gòu)下的主應(yīng)力圖，圖1(b)是軟底板條件下的主應(yīng)力圖。工作面垂直應(yīng)力變化模擬結(jié)果如圖2所示。由圖1和圖2可知，軟底板煤層的支承壓力峰值位置相對(duì)降低，并向煤體深部轉(zhuǎn)移。煤體和上覆巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力受到軟底板的緩沖作用，所產(chǎn)生的應(yīng)力峰值相應(yīng)下降，支承壓力影響范圍增大，與普通懸頂煤層的應(yīng)力分布不同。

圖2 垂直應(yīng)力變化圖

2 懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板煤層沖擊地壓成因分析

2.1 沖擊地壓能量積聚模型與分析

沖擊傾向性較高的煤體受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和采場(chǎng)推進(jìn)影響，積聚大量彈性能，導(dǎo)致軟底板破壞誘發(fā)強(qiáng)沖擊煤體釋放能量是發(fā)生沖擊地壓的根本原因。強(qiáng)沖擊傾向性煤體和軟底板共同組成能量積聚區(qū)，根據(jù)微分流變模型，將此區(qū)域簡(jiǎn)化為由一個(gè)H體(胡克體)和一個(gè)K體(開(kāi)爾文體)串聯(lián)而成的廣義開(kāi)爾文體(H-K)能量積聚模型，如圖3所示。其中Hm為強(qiáng)沖擊傾向性煤體，用強(qiáng)度為Em的彈簧表示；HD為軟直接底，用強(qiáng)度為ED的彈簧并聯(lián)粘性系數(shù)為η的粘缸表示。

圖3 能量積聚區(qū)受力模型

由于煤體強(qiáng)度Em較大，具有強(qiáng)沖擊傾向性，且受到上覆巖層的作用力，能夠積聚較大的彈性能，當(dāng)達(dá)到Hm的變形極限后，能量則會(huì)向下部強(qiáng)度較低的軟直接底傳遞。由于HD是軟弱巖層，具有彈性體和粘性體的共同特性，所產(chǎn)生的應(yīng)力可以按照廣義開(kāi)爾文體得出。由于直接底強(qiáng)度低，加上煤體傳遞的應(yīng)力，更容易達(dá)到極限狀態(tài)，積聚的彈性能更大。當(dāng)直接底不能承受大量彈性能時(shí)，能量便會(huì)破壞直接底結(jié)構(gòu)，向周圍空間釋放，表現(xiàn)形式為煤巖體從底板噴出，形成底板型沖擊地壓。

2.2 懸頂結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力分析

矩形懸頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖4所示。為了分析矩形懸臂結(jié)構(gòu)受力情況，將懸臂梁簡(jiǎn)化為如圖4所示的力學(xué)模型。懸頂結(jié)構(gòu)的最大彎矩為：

(1)

式中：M——矩形懸頂結(jié)構(gòu)的彎矩，N·m；

x——矩形懸頂結(jié)構(gòu)重心距y軸距離，m；

G——矩形懸頂結(jié)構(gòu)自重，N，埋深越大，作用在結(jié)構(gòu)上的自重力G也越大；

l——懸頂長(zhǎng)度，m；

f(x)——均布?jí)簯?yīng)力，MPa。

通過(guò)計(jì)算可得矩形懸頂結(jié)構(gòu)的受力分析:

(2)

建立式(2)中彎矩與懸跨度、上部作用應(yīng)力(主要與采深和采空區(qū)范圍有關(guān))和自重的關(guān)系，由此可知，彎矩與懸跨度l成二次方關(guān)系，與上部作用應(yīng)力和自重G成一次方正比關(guān)系。

圖4 矩形懸頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

通過(guò)對(duì)懸頂結(jié)構(gòu)的受力分析可知，其產(chǎn)生的集中應(yīng)力σx隨著懸臂長(zhǎng)度的增加而加大。由于懸頂結(jié)構(gòu)的存在，受到上覆巖層作用產(chǎn)生的附加應(yīng)力σx轉(zhuǎn)移到煤體上，經(jīng)煤體傳遞至軟弱直接底，此時(shí)直接底承受的應(yīng)力為σx+σm+σH，遠(yuǎn)大于直接底的應(yīng)力極限，產(chǎn)生的能量也會(huì)急劇增加，發(fā)生煤巖體擠出和噴出現(xiàn)象程度更嚴(yán)重，沖擊地壓破壞等級(jí)提高。因此，懸頂結(jié)構(gòu)是加劇底板沖擊地壓發(fā)生的重要影響因素。

2.3 懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板煤層巷道沖擊地壓成因分析

通過(guò)對(duì)軟底板煤層條件下工作面沖擊地壓成因及結(jié)構(gòu)分析，建立了存在懸頂(一般為矩形懸頂)結(jié)構(gòu)下的軟底板沖擊地壓顯現(xiàn)模型如圖5所示。

圖5 懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板煤層沖擊地壓機(jī)理模型

由圖5可知，模型分為懸頂結(jié)構(gòu)區(qū)、能量積聚區(qū)、煤巖釋放區(qū)、應(yīng)力影響區(qū)等。作為強(qiáng)沖擊的附加能量源，懸頂結(jié)構(gòu)區(qū)是加劇沖擊地壓程度的主要結(jié)構(gòu)體，提供大部分應(yīng)力和能量。隨著懸頂結(jié)構(gòu)緩慢下沉，應(yīng)力與能量積聚在巷道靠采空區(qū)側(cè)煤柱上，當(dāng)煤柱塑性破壞至一定程度后就起不到支承頂板作用，整個(gè)懸頂長(zhǎng)度將延伸至巷道煤壁處，懸頂自重G增大至G1，懸頂懸露長(zhǎng)度由l增加到l1(l1>l)。由式(2)可知，懸頂結(jié)構(gòu)的彎矩與懸跨長(zhǎng)度成二次方關(guān)系，彎矩由M變?yōu)镸1，其中：

(3)

因此，懸頂結(jié)構(gòu)區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力將會(huì)大大增加，并向巷道煤壁側(cè)轉(zhuǎn)移。當(dāng)應(yīng)力傳遞至煤壁時(shí)，煤體將受到上覆巖層自重與懸頂附加應(yīng)力σx的共同作用，在煤壁處積聚能量，形成能量積聚區(qū)。根據(jù)對(duì)強(qiáng)沖擊傾向性煤體和軟直接底的分析，上覆巖層及懸頂結(jié)構(gòu)將高應(yīng)力和彈性能經(jīng)彈性單元傳遞至軟直接底，底板強(qiáng)度低，應(yīng)力和能量容易達(dá)到自身極限，便會(huì)發(fā)生破壞，向周圍空間釋放能量，而巷道底板為煤巖釋放區(qū)，穩(wěn)固力弱，積聚的大量彈性能便會(huì)從此區(qū)域釋放，大量煤巖體突然噴出至巷道，引發(fā)沖擊地壓。所以，沖擊地壓的發(fā)生是由于應(yīng)力的變化所引起的，沖擊地壓的防治是可以通過(guò)控制應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 軟底板煤層巷道沖擊地壓防治技術(shù)及應(yīng)用

根據(jù)懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板煤層沖擊地壓發(fā)生機(jī)理分析可知，影響工作面巷道發(fā)生沖擊地壓的主要因素有：煤體及底板強(qiáng)度、巷道穩(wěn)固程度、懸頂結(jié)構(gòu)影響等。因此針對(duì)以上因素確定沖擊地壓防治措施,具體措施有：巷道底角卸壓、巷道幫部卸壓、提高圍巖穩(wěn)固程度、懸頂結(jié)構(gòu)處理等。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

山東郭屯礦煤層埋深約800 m，煤層厚度0.73～5.31 m，平均3.47 m，屬較穩(wěn)定煤層。煤層硬度f(wàn)=2～3，具有強(qiáng)沖擊傾向性。煤層頂板由較堅(jiān)硬的粉砂巖、細(xì)砂巖組成，直接底由1～2 m的泥巖組成。工作面沿空留小煤柱開(kāi)采，煤柱寬度4～5 m。根據(jù)煤層及頂?shù)装鍘r性可知，本工作面區(qū)域具有煤體為強(qiáng)沖擊性和直接底軟弱的特性，是典型的強(qiáng)沖擊煤體軟底板工作面，加上工作面上方有較堅(jiān)硬頂板，完全具備沖擊地壓發(fā)生的物質(zhì)條件，沖擊危險(xiǎn)性較大。

針對(duì)該條件采取以下具體沖擊地壓防治措施：

(1)巷道幫部卸壓。巷道幫部鉆孔爆破處理，孔深10 m，孔徑42 mm，鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離底板1.5 m，兩鉆孔間距2 m，裝藥量為3.5 m，如圖6所示。

(2)底角卸壓。巷道底角鉆孔爆破處理，孔深10 m，孔徑42 mm，鉆孔斜向下15°，兩鉆孔間距2.5 m，裝藥量為3.5 m。

圖6 巷道底角及幫部卸壓布置圖

(3)幫頂協(xié)同支護(hù)。在巷道頂板使用?20 mm×2400 mm錨桿和?21.6 mm×6200 mm讓壓錨索，巷道實(shí)體煤側(cè)使用?21.6 mm×6200 mm～8300 mm斜拉錨索(分別斜向上45°和60°)和?20 mm×2400 mm錨桿，煤柱側(cè)進(jìn)行常規(guī)錨桿支護(hù)，如圖7所示。錨索錨固端位于上部堅(jiān)硬基本頂中，起到良好的拉拽作用。

(4)鉆孔切頂。在工作面回風(fēng)巷懸頂區(qū)域布置大直徑鉆孔對(duì)頂板進(jìn)行卸壓處理，減少懸頂結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的傳遞。鉆孔深20 m，孔徑110 mm，兩孔間距3 m。

圖7 巷道幫頂協(xié)同加固技術(shù)示意圖

4 結(jié)論

(1)強(qiáng)沖擊傾向性煤層和軟底板工作面軟底板破壞誘導(dǎo)強(qiáng)沖擊傾向性煤體釋放能量是該條件下采掘空間沖擊地壓發(fā)生的根本原因，而懸頂結(jié)構(gòu)則加劇強(qiáng)沖擊地壓發(fā)生的重要因素。采用數(shù)值模擬方法得到了軟底板煤層的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

(2)將強(qiáng)沖擊傾向性煤體與軟底板組成的聚能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為廣義開(kāi)爾文體模型，利用彈性力學(xué)解釋了能量積聚區(qū)的聚能過(guò)程及釋能原因。建立了懸頂結(jié)構(gòu)受力模型，根據(jù)彎曲破壞力學(xué)模型，計(jì)算得出了矩形懸頂結(jié)構(gòu)的彎矩與懸跨度成二次方關(guān)系，與上部作用應(yīng)力和自重成一次方正比關(guān)系。綜合聚能結(jié)構(gòu)和懸頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)制，分析了在懸頂結(jié)構(gòu)附加作用下強(qiáng)沖擊軟底板煤層沖擊地壓成因。

(3)針對(duì)郭屯礦具體的開(kāi)采條件，實(shí)施了以底角與幫部卸壓、幫頂協(xié)同支護(hù)、鉆孔切頂為主的圍巖卸壓配合巷道支護(hù)的沖擊地壓防治措施。

[1] 趙毅鑫, 姜耀東, 王濤等. “兩硬”條件下沖擊地壓微震信號(hào)特征及前兆識(shí)別[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2012(12)

[2] 于正興,姜福興,李峰等. 深井復(fù)雜條件下沖擊地壓主動(dòng)防治技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2015(3)

[3] 李寶富,徐學(xué)鋒,任永康. 巨厚礫巖作用下底板沖擊地壓誘發(fā)機(jī)理及過(guò)程[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)術(shù),2014(3)[4] 朱術(shù)云,曹丁濤,岳尊彩等. 特厚煤層綜放采動(dòng)底板變形破壞規(guī)律的綜合實(shí)測(cè)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2012(10)

[5] 徐學(xué)鋒,竇林名,劉軍等. 煤礦巷道底板沖擊礦壓發(fā)生的原因及控制研究[J]. 巖土力學(xué),2010(6)

[6] 陳國(guó)祥,郭兵兵. 沖擊礦壓的靜動(dòng)疊加失穩(wěn)機(jī)制和發(fā)生模式[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2015(9)

[7] 王渭明, 楊更社, 張向東等. 巖石力學(xué)[M]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2010

[8] 白金超. 綜放采場(chǎng)沿空巷道底板沖擊地壓防治研究[D].安徽理工大學(xué),2015

[9] 潘立友,陳理強(qiáng),張若祥. 深部?jī)绍浢簩友乜障锏罌_擊地壓成因與防治研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2015(8)

[10] 潘俊鋒. 半孤島面全煤巷道底板沖擊啟動(dòng)原理分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2011(S2)

Studyoncausesandpreventionmeasuresofrockburstinsoftfloorundersuspendedroofstructure

Pan Liyou1, Hou Jiajun2, Bo Shuxiang3

(1. Mining Engineering Research Institute, Shandong University of Science and Technology, Tai’an, Shandong 271000, China； 2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 3. Kailuan (Group) Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063000, China)

Based on the analysis of the geologic conditions and stress distribution characteristics of soft floor, the mechanical model of coal seam and the cantilever structure of the roof were established. Based on the analysis of the stress distribution law and the mechanical mechanism and the energy evolution process of coal seam and additional energy source, it was concluded that the failure of soft floor foundation inducing the strong impact tendency coal body to exacerbate compressive energy was the main reason for rock burst, and the cantilever structure was an important factor to increase the intensity of rock burst. The characteristics of the rock burst under soft floor were summarized. According to the impact characteristics under the conditions, through pressure relief of floor side, strengthening the stability of the surrounding rock and cantilever structure treatment, taking pressure control measures with wall rock pressure relief and roadway support, achieving significant rock burst control effect, ensuring mining safety.

strong impact tendency coal body, soft floor, cantilever roof structure, prevention and control measures

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51674159)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0804201)

潘立友,侯家駿,薄樹(shù)祥. 懸頂結(jié)構(gòu)下軟底板采場(chǎng)沖擊地壓成因與防控研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(12)：72-75，114.

Pan Liyou，Hou Jiajun，Bo Shuxiang. Study on causes and prevention measures of rock burst in soft floor under suspended roof structure [J]. China Coal，2017，43(12)：72-75，114.

TD324

A

潘立友(1965-)，男，山東平邑人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事沖擊地壓、礦山壓力與巖層控制的科研和教學(xué)工作。

(責(zé)任編輯 陶 賽)