堅(jiān)硬頂板回采巷道沖擊地壓的卸載滑脫機(jī)制

韓 軍，崔露郁，賈冬旭，惠乾嘉，朱志潔，CAO Chen

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 澳大利亞伍倫貢大學(xué) 土木、采礦與環(huán)境學(xué)院，新南威爾士 伍倫貢 2522；3. 遼寧省煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000)

沖擊地壓的突發(fā)性和強(qiáng)烈破壞性對煤礦生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。據(jù)對2 510次沖擊地壓記錄數(shù)據(jù)的分析表明，發(fā)生在巷道中的2 178次，占總數(shù)的86.8%。近年來，我國在回采巷道中發(fā)生的若干次嚴(yán)重的沖擊地壓對煤礦安全生產(chǎn)造成了極大的影響，例如遼寧紅陽三礦“11·11”沖擊地壓、吉林龍家堡礦“6·9”沖擊地壓、河北唐山礦“8·2”沖擊地壓、黑龍江鹿山二井“11·7”沖擊地壓、陜西胡家河“10·11”沖擊地壓等。沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理作為沖擊地壓防治的理論基礎(chǔ)，是目前煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

筆者從回采工作面堅(jiān)硬頂板破壞與運(yùn)動(dòng)的角度，分析工作面前方和沿空巷道側(cè)方頂板的破斷和運(yùn)動(dòng)特征，建立回采巷道煤層-頂板-底板力學(xué)模型，分析煤巖層的應(yīng)力狀態(tài)及煤層發(fā)生滑脫的條件，進(jìn)而提出堅(jiān)硬頂板回采巷道沖擊地壓機(jī)理。筆者主要針對堅(jiān)硬頂板長壁工作面回采巷道沖擊地壓發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行分析，其他條件下的沖擊地壓不在本文的討論范圍。

1 沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律

1.1 沖擊地壓發(fā)生地點(diǎn)

圖1 沖擊地壓顯現(xiàn)區(qū)域

1.2 沖擊地壓破壞特征

部分沖擊地壓現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，沖擊發(fā)生后煤層與頂板之間存在較為明顯的離層，有時(shí)頂板表面存在紅色或者紅褐色粉末，圖2(e)為文獻(xiàn)[23]給出的沖擊地壓發(fā)生后頂板表面出現(xiàn)的紅色粉末，作者認(rèn)為這不是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，而是煤層與頂板交界面存在擦痕，這種現(xiàn)象在筆者參與調(diào)查的唐山礦“8·2”沖擊地壓和鹿山二井“10·7”沖擊地壓中也曾觀測到(圖2(f))。

圖2 沖擊地壓破壞特征

1.3 沖擊地壓發(fā)生的條件

沖擊地壓發(fā)生條件可以分為地質(zhì)條件和開采條件2類。在地質(zhì)條件方面，學(xué)者普遍認(rèn)為大埋深、堅(jiān)硬厚層頂板、堅(jiān)硬煤體是誘發(fā)沖擊地壓的主要地質(zhì)條件，這些在工程實(shí)踐中也得到了廣泛驗(yàn)證，也是沖擊地壓危險(xiǎn)性評估中重點(diǎn)考慮的因素。僅少數(shù)研究認(rèn)為堅(jiān)硬煤體并不是沖擊地壓的必要條件。在開采因素方面，主要包括煤柱、采掘工程相互影響等形成高應(yīng)力集中的因素。

上述關(guān)于沖擊地壓發(fā)生地點(diǎn)、破壞特征和主要影響因素的綜合和分析，是典型堅(jiān)硬頂板、堅(jiān)硬煤體回采巷道發(fā)生沖擊地壓具有的共性關(guān)鍵地質(zhì)特征。筆者提出沖擊地壓的機(jī)理模型，回答上述沖擊地壓發(fā)生的地點(diǎn)、破壞特征及沖擊地壓的影響因素內(nèi)在原因，并在第4部分進(jìn)一步對該問題進(jìn)行討論。

2 工作面堅(jiān)硬頂板撓曲與破斷

2.1 理論分析

采場上覆巖層的變形、破壞和運(yùn)動(dòng)規(guī)律是采礦工程科學(xué)研究中的重要問題之一?？紤]到煤層及直接頂是非剛性的，部分學(xué)者根據(jù)文克爾彈性基礎(chǔ)模型，分析基本頂在以煤層和直接為彈性基礎(chǔ)上的彎矩、應(yīng)力和撓度，確定基本頂彎矩的最大值在煤體內(nèi)，基本頂?shù)臄嗔丫€位于煤壁內(nèi)(圖3(a))，同樣地，沿空巷道側(cè)向基本頂?shù)膹澗匾参挥诿后w內(nèi)或者巷道上方(圖3(b))。同時(shí)通過基本頂破斷前后基本頂撓度對比，證明基本頂超前煤壁斷裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生反彈與壓縮。

圖3 基本頂破斷形態(tài)

由于煤體并不是完全彈性的，并且文克爾彈性地基模型自身的缺陷，一些學(xué)者開展了基于彈塑性地基模型的研究。文獻(xiàn)[31-32]在考慮煤體彈塑性變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上分析了側(cè)方采空條件下基本頂板的變形、彎矩、斷裂等。盡管不同學(xué)者采用的煤層力學(xué)模型有所差別，但是堅(jiān)硬頂板超前煤壁斷裂和沿空巷道側(cè)向頂板斷裂位于煤體或者巷道上方的認(rèn)識是一致的。

根據(jù)彈性地基理論得出堅(jiān)硬頂板的彎矩與豎向位移如圖4所示。

圖4 堅(jiān)硬頂板的彎矩與豎向位移示意

從圖4可以看到，工作面煤壁前方存在向上撓曲的區(qū)域，工作面?zhèn)认蛲瑯哟嬖谙蛏蠐锨膮^(qū)域。頂板向上撓曲量與頂板的厚度、彈性模量、強(qiáng)度、懸頂長度、煤層和直接頂?shù)膭偠鹊扔嘘P(guān)。

2.2 現(xiàn)場觀測

回采工作面推進(jìn)過程中在煤壁前方觀測到的頂板向上運(yùn)動(dòng)結(jié)果見表1。由于頂板向上運(yùn)動(dòng)的過程持續(xù)時(shí)間較長(數(shù)小時(shí))，部分頂板向上運(yùn)動(dòng)量是以mm/h的形式表示的。總體上，頂板向上運(yùn)動(dòng)量可以達(dá)到數(shù)個(gè)毫米量級。

表1 工作面前方回采巷道頂板向上撓曲觀測結(jié)果

朱德仁在柴里煤礦2322工作面的觀測表明，工作面由開切眼推進(jìn)至不同階段時(shí)，分別在工作面前方13，14，8，7.5 m觀測到壓力監(jiān)測系統(tǒng)的壓力降低9.5，2，8，3.3 MPa，對應(yīng)頂板向上位移為3.6，0.75，3.0，1.2 mm。

頂板運(yùn)動(dòng)監(jiān)測工程實(shí)踐為工作面回采過程中工作面前方頂板向上撓曲運(yùn)移理論提供了現(xiàn)場驗(yàn)證。

3 回采巷道沖擊地壓的卸載滑脫機(jī)制

3.1 回采巷道煤層的力學(xué)模型

建立如圖5所示的回采巷道巷幫煤體力學(xué)模型。選取緊鄰回采巷道寬度為的煤體作為研究對象，該部分即沖擊地壓發(fā)生時(shí)整體移動(dòng)的煤體，即圖5中塊體A。塊體A與塊體B處于連續(xù)狀態(tài)。設(shè)巷道高度和煤層厚度均為，為頂板與煤體交界面的正應(yīng)力，為煤體內(nèi)來自塊體B的水平應(yīng)力；塊體A在巷道軸向上煤壁水平應(yīng)力為0，向內(nèi)側(cè)過渡后，應(yīng)力逐漸變?yōu)?span id="j5i0abt0b" class="subscript">，煤塊上部和下部與頂、底板接觸面的摩擦力分別為和，為塊體A，B間的抗拉強(qiáng)度。

圖5 回采巷道煤壁塊體A受力分析

對于沿巷道軸線單位長度段的煤體，水平方向(此后定義為方向)受力平衡表達(dá)如下：

=++

(1)

其中，

=(+tan)

(2)

=[+(+)tan]

(3)

其中，,為頂板與煤體交界面的黏聚力與內(nèi)摩擦角；,為底板與煤體交界面的黏聚力與內(nèi)摩擦角；為煤的密度；為重力加速度。則塊體A的臨界平衡方程為

+tan

(4)

相對于煤層埋深，煤層厚度可以忽略不計(jì)，式(3)可以簡寫為

=(+tan)

(5)

將式(5)代入式(4)，可以得到

(6)

式(6)為發(fā)生沖擊地壓的條件，即，當(dāng)頂板向上撓曲造成減小，使得塊體A向巷道移動(dòng)的阻力小于沖擊地壓力源——水平應(yīng)力。

式(6)中塊體B對塊體的水平應(yīng)力為該處原巖應(yīng)力的水平分量和因采掘活動(dòng)引起的應(yīng)力，理論上，該值可通過地應(yīng)力測量方法準(zhǔn)確獲取。煤巖體的，，，，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試方法測定。部分煤巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角見表2。煤的抗拉強(qiáng)度一般為0.1～1.0 MPa。

表2 煤礦中常見巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角

以下為沖擊地壓臨界狀態(tài)方程——式(6)算例。根據(jù)文獻(xiàn)[37]，某地點(diǎn)煤層埋深為500 m，煤層==2.75 MPa，=0.64 MPa，==3.0 m，tan+tan=1.29，最小水平應(yīng)力為10.7 MPa。根據(jù)式(6)，當(dāng)由12.7 MPa減小到4.93 MPa時(shí)，塊體A整體移動(dòng)的阻力為

此時(shí)該點(diǎn)的滑脫阻力等于水平應(yīng)力。當(dāng)頂板向上撓曲導(dǎo)致正應(yīng)力低于4.93 MPa時(shí)，該點(diǎn)處于發(fā)生沖擊地壓臨界狀態(tài)。值得注意的是，假設(shè)沖擊時(shí)巷幫內(nèi)3 m整體移出，超出巷幫錨桿長度，故未考慮巷幫錨桿支護(hù)阻力。

3.2 基于拜爾利定律的計(jì)算

頂?shù)装搴兔簩拥哪Σ亮梢岳冒轄柪蛇M(jìn)行估算。拜爾利基于不同壓力下巖石摩擦試驗(yàn)資料的分析(圖6)，提出了巖石沿某一滑動(dòng)面發(fā)生摩擦滑動(dòng)的條件是：該面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間應(yīng)滿足下列關(guān)系(拜爾利定律)：

圖6 中等正應(yīng)力下，由最大摩擦力得到的滑動(dòng)面上正應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系[38]

(7)

將式(7)代入式(1)，可以得到

(8)

在水平應(yīng)力一定的情況，塊體A向巷道內(nèi)移動(dòng)的條件是的減小至使式(8)右側(cè)的滑脫阻力小于左側(cè)的水平作用力。

參照3.1節(jié)的相關(guān)條件和參數(shù)，=4.93 MPa，代入式(8)右側(cè)計(jì)算滑脫阻力為9.0 MPa，小于式(8)左側(cè)的水平應(yīng)力10.7 MPa，此時(shí)可能發(fā)生沖擊地壓?；诎轄柪淼挠?jì)算結(jié)果與3.1節(jié)的計(jì)算結(jié)果差別不大。

3.3 煤層滑脫沖擊時(shí)頂板撓曲量計(jì)算

設(shè)的變化量為Δ

Δ=-

(9)

式中，為初始正應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力測量得到；為頂板撓曲后的正應(yīng)力，當(dāng)處于沖擊地壓的臨界狀態(tài)時(shí)根據(jù)式(6)或式(8)計(jì)算得到。

根據(jù)煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變線性模型

Δ=Δ

(10)

Δ=Δ

(11)

式中，Δ為頂板的撓曲量，即煤層的變形變化量；為煤層的彈性模量；Δ為煤層應(yīng)變變化量。

由式(10)，(11)可以得到

(12)

在3.1節(jié)的實(shí)例中，Δ=7.77 MPa，=2.86 GPa，代入式(12)，計(jì)算得到，Δ=8.1 mm。上述計(jì)算結(jié)果表明，煤體的水平應(yīng)力與滑脫阻力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，頂板向上撓曲量為8.1 mm。該結(jié)果處于表1所列出的頂板向上撓曲量的觀測范圍。

3.4 沖擊地壓機(jī)理及相關(guān)控制因素

堅(jiān)硬頂板向上撓曲導(dǎo)致頂板-煤層、煤層-底板交界面正應(yīng)力減小，即煤層正應(yīng)力降低，相對于頂板未撓曲區(qū)域，該部分煤層相當(dāng)于產(chǎn)生了卸載，此時(shí)根據(jù)式(6)或式(8)，塊體A可以滑脫的方式?jīng)_入巷道，發(fā)生沖擊地壓。該模型即堅(jiān)硬頂板回采巷道發(fā)生沖擊地壓的卸載滑脫機(jī)理。

MEIKLE認(rèn)為由于濕潤、斷層泥等原因?qū)е陆缑婺Σ亮ν蝗粶p小，由于交界面約束的突然降低，煤柱瞬間破壞而產(chǎn)生沖擊地壓。BRAUNER的夾持模型和LIPPMAN的平動(dòng)模型都認(rèn)為存在某些擾動(dòng)使得煤層與頂?shù)装宓哪Σ亮档?，進(jìn)而引起煤層失穩(wěn)沖擊，但是并未給出明確的頂?shù)装搴兔簩又g的摩擦力是如何減小的。另外MEIKLE、BABCOCK和BICKEL等認(rèn)為沖擊地壓煤體的破壞是由表及里逐步破壞的。筆者提出的破壞模式與上述研究是不同的。

根據(jù)式(6)或式(8)，能否發(fā)生卸載滑脫沖擊地壓取決于煤體的水平應(yīng)力和正應(yīng)力。煤層的和都隨著埋深增加而增加，將式(6)兩邊同時(shí)除以，并將右側(cè)整理為相關(guān)項(xiàng)和非相關(guān)項(xiàng)2部分，結(jié)果如下：

(13)

式(13)顯示，在和成比例增加情況下，左式不變，右式隨增大而減小。因此，進(jìn)入某一開采深度后，礦井開始發(fā)生沖擊地壓；隨著開采深度加深，如果原巖應(yīng)力各分量按比例增加，在不考慮煤巖體屈服對頂板撓曲情況下，沖擊地壓隨著開采深度增加將更頻繁、更嚴(yán)重。

式(13)表明，Δ與頂板向上撓曲量呈正相關(guān)。頂板撓曲量與頂板的厚度、強(qiáng)度和彈性模量以及煤層的彈性模量和強(qiáng)度等有關(guān)，頂板越堅(jiān)硬，厚度越大，煤層越堅(jiān)硬，頂板向上撓曲量越大，因此堅(jiān)硬厚層頂板和堅(jiān)硬煤體是易產(chǎn)生沖擊地壓的重要條件。上述參數(shù)同時(shí)也影響了向上撓曲位置，而向上撓曲位置與沿空巷道兩幫的正應(yīng)力有關(guān)，因此煤柱的尺寸(決定了沿空巷道的位置)也是回采巷道發(fā)生沖擊地壓的重要條件。

4 討 論

4.1 沖擊地壓顯現(xiàn)位置的原因分析

根據(jù)圖4，工作面煤壁前方和臨空側(cè)煤體都存在堅(jiān)硬頂板向上撓曲的區(qū)域。根據(jù)撓曲區(qū)域位置，可以確定工作面煤壁前方和側(cè)向撓曲疊加的區(qū)域是撓曲量最大的區(qū)域，顯然該區(qū)域煤層正應(yīng)力最低，發(fā)生滑脫的阻力最小，從而成為最易發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域。

同時(shí)，工作面煤壁和沿空巷道的采空區(qū)側(cè)頂板位移向下，也就是說煤層的正應(yīng)力是增加的，因此該區(qū)域煤層發(fā)生滑脫的阻力大，難以發(fā)生整體移出式的沖擊地壓。該區(qū)域沖擊地壓發(fā)生后煤體往往是呈破碎的散塊狀，與整體移出的破壞形式不同。

根據(jù)圖4，沿空巷道兩幫正應(yīng)力的狀態(tài)與工作面?zhèn)认蝽敯逑蛏蠐锨膮^(qū)域密切相關(guān)，在其他條件一定的情況，其本質(zhì)上是由沿空巷道的煤柱的寬度決定的。當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，整個(gè)煤柱剛度低，難以形成對側(cè)向堅(jiān)硬頂板的支撐，則頂板向上撓曲的區(qū)域向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，從而使得煤柱整體處于正應(yīng)力增加的狀態(tài)，煤柱難以發(fā)生滑脫，該類煤柱類似屈服煤柱(yielding pillars)；當(dāng)煤柱的寬度足夠大時(shí)，側(cè)向頂板向上撓曲的區(qū)域位于煤柱的內(nèi)部，巷道兩幫煤體水平應(yīng)力小于沖出的阻力，難以發(fā)生沖擊地壓，該類煤柱類似支承煤柱(abutment pillars)；尺寸介于2者之間的煤柱，頂板向上撓曲的區(qū)域位于巷道一幫或者兩幫可能發(fā)生整體移出的區(qū)域，由于向上撓曲使得煤層正應(yīng)力降低，成為容易發(fā)生煤體整體滑脫，即發(fā)生沖擊地壓的條件，該類煤柱類似于臨界煤柱(critical pillars)。需要進(jìn)一步說明的是，影響煤柱穩(wěn)定性或強(qiáng)度的幾何參數(shù)，包括煤柱的寬度和厚度，因此一般用寬度與高度的比值來進(jìn)行分析。

4.2 沖擊地壓破壞形式的原因分析

筆者提出的沖擊地壓機(jī)制主要是指因頂板向上撓曲在煤體中產(chǎn)生的正應(yīng)力降低，即卸載所致。因此頂板破壞并不是本模型的必要條件，在現(xiàn)場觀測到的沖擊地壓發(fā)生后頂板破壞不明顯也符合本模型的假設(shè)。從另一個(gè)方面來講，如果是正應(yīng)力增加導(dǎo)致的沖擊地壓，其破壞形式不應(yīng)該是整體的移動(dòng)，而是呈散塊狀破壞。

關(guān)于沖擊地壓發(fā)生后煤層與頂板之間存在離層，部分煤層-頂板界面的擦痕以及頂板表面出現(xiàn)的紅褐色粉末，證明煤層與頂?shù)装灏l(fā)生了相對滑動(dòng)。但是學(xué)者未給出其形成的原因。根據(jù)現(xiàn)場觀測及一些文獻(xiàn)關(guān)于頂板粉末的描述，筆者認(rèn)為這是頂板或煤中的黃鐵礦(FeS)在摩擦升溫和水的參與條件下發(fā)生氧化作用，形成針鐵礦(-FeO(OH))、水針鐵礦(-FeO(OH)·HO)等礦物的結(jié)果。黃鐵礦是地殼中分布最廣的硫化物，在許多沉積巖(尤其是煤系)和一些沉積礦床中呈團(tuán)塊狀、結(jié)核狀、透鏡狀及粉末狀產(chǎn)出。以淮南礦區(qū)為例，頂板巖層中黃鐵礦含量可達(dá)3%左右。黃鐵礦在氧化環(huán)境中不穩(wěn)定，易轉(zhuǎn)化為針鐵礦等。針鐵礦呈褐黃至褐紅色，條痕(粉末)呈褐黃色。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 唐山礦“8·2”沖擊地壓發(fā)生機(jī)制

..事故概況

2019-08-02T12:30:00，開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司(以下簡稱唐山礦)風(fēng)井工業(yè)廣場煤柱區(qū)發(fā)生沖擊地壓。事故地點(diǎn)位于F5009工作面終采線前方、平行于終采線的F5009運(yùn)料巷和F5010聯(lián)絡(luò)巷(圖7)。沖擊地壓工作面5煤層頂板為細(xì)砂巖，厚約20 m，單軸抗壓強(qiáng)度100 MPa以上；底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖復(fù)合結(jié)構(gòu)(表3)。5煤層及其頂板具有弱沖擊傾向性。事故區(qū)域開采深度近800 m。事故后在該區(qū)域進(jìn)行的地應(yīng)力測量結(jié)果表明，最大主應(yīng)力33.00～33.33 MPa，最小主應(yīng)力19.60～21.47 MPa，最大主應(yīng)力方位角為79.30°～84.57°。

圖7 唐山礦“8·2”沖擊地壓位置

表3 5煤層及其頂?shù)装搴穸群涂箟簭?qiáng)度

F5009工作面采用俯采方式，于沖擊地壓發(fā)生前1個(gè)月開采至終采線，與其前方的F5010聯(lián)絡(luò)巷相距31 m。F5010聯(lián)絡(luò)長80 m，沿5煤層直接頂掘進(jìn)，煤厚平均2.5 m。巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)，平均傾角12°。F5009運(yùn)料巷長80 m，距F5010聯(lián)絡(luò)巷37 m，沿5煤層直接頂掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)支護(hù)，后復(fù)修時(shí)改為架棚支護(hù)。

..沖擊地壓顯現(xiàn)情況

F5010聯(lián)絡(luò)巷下幫和底板破壞明顯，下幫向巷道內(nèi)移近0.5～2.0 m，巷道上幫無明顯破壞；巷道底板破壞嚴(yán)重，在巷道中心靠近上幫位置底板折斷，底臌量為1.0～2.5 m。從折斷的底板巖層看，底板為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)(圖2(a))。F5009運(yùn)料巷橫管整體底臌、兩幫移近，造成巷道內(nèi)軌道側(cè)傾，巷幫管路偏移至巷中。2條巷道掘進(jìn)時(shí)沿直接頂掘進(jìn)，即破掉了厚約0.5 m的偽頂，因此巷道兩幫的上部存在0.5 m巖層。沖擊地壓發(fā)生后，偽頂部分未發(fā)生變形和破壞，煤體是沿著偽頂和煤體的界面整體沖出的。

另外，沖擊地壓并未導(dǎo)致F5009回風(fēng)巷和F5009運(yùn)輸巷發(fā)生破壞，這與一般沖擊地壓是不同的。

..事故發(fā)生機(jī)制分析

F5009工作面的偽頂厚0～0.5 m，直接頂和基本頂細(xì)砂巖為堅(jiān)硬厚層頂板。工作面開采至終采線后，前方存在頂板向上撓曲區(qū)域。根據(jù)F5009工作面頂板和煤層的力學(xué)特性，撓曲區(qū)域應(yīng)該距離終采線較遠(yuǎn)，從聯(lián)絡(luò)巷破壞的情況來看，撓曲區(qū)域處于F5010聯(lián)絡(luò)巷與F5009運(yùn)料巷之間的煤柱上(圖8)。卸載破壞后的煤體在水平應(yīng)力的作用下整體沿層理沖出，與頂板的滑動(dòng)摩擦造成煤體表面產(chǎn)生褐色的粉末。

圖8 “8·2”沖擊地壓的卸載滑脫機(jī)制

F5009工作面屬于兩側(cè)實(shí)體煤工作面，工作面回采巷道超前段頂板向上撓曲的量值相對較小，因此該區(qū)域未產(chǎn)生沖擊地壓。

5.2 紅陽三礦“11·11”沖擊地壓發(fā)生機(jī)制

..事故概況

2017-11-11T14:26:00，沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦(以下簡稱紅陽三礦)發(fā)生一起沖擊地壓。事故地點(diǎn)為西三上采區(qū)702工作面，該工作面位于西三上采區(qū)運(yùn)輸下山以北，北至7煤層風(fēng)化帶，東鄰北二區(qū)7煤采空區(qū)及西一區(qū)700工作面采空區(qū)，西側(cè)為未采區(qū)(圖9)。開采深度約1 100 m。

圖9 紅陽三礦“11·11”沖擊地壓位置

702工作面走向長度2 206 m，傾斜長度200 m，沖擊地壓發(fā)生時(shí)已開采1 740 m。工作面煤層賦存穩(wěn)定，屬于復(fù)合煤層，由7-1煤、7-2煤、7-3煤組成，煤層厚度2.15 m，夾矸厚度1.05 m，采高3.2 m。根據(jù)工作面鉆孔資料，工作面煤層直接頂為泥巖，厚9.9 m，基本頂為粉砂巖，厚10.4 m，直接底為泥質(zhì)粉砂巖，厚0.6 m，基本底為中砂巖，厚8.9 m(表4)?；仫L(fēng)巷高3.2 m、寬4.2 m，運(yùn)輸巷高3.3 m、寬4.6 m，都采用錨桿(索)支護(hù)。在該礦-850井底車場(埋深870 m)進(jìn)行的地應(yīng)力測量結(jié)果表明，最大主應(yīng)力28.61 MPa，最小主應(yīng)力11.45 MPa，最大主應(yīng)力方位角為109.9°。

表4 7煤層及其頂?shù)装搴穸群涂箟簭?qiáng)度

..沖擊地壓顯現(xiàn)情況

沖擊地壓發(fā)生后，702工作面上口向外約214 m巷道嚴(yán)重破壞，通風(fēng)阻斷。工作面上出口往外0～5.3 m部分單體支柱壓彎、工字鋼頂梁彎曲，巷道底鼓嚴(yán)重。工作面上出口往外5.3～153 m巷道合攏，部分區(qū)段存在巷道底鼓、頂板下沉。工作面上出口往外153～161 m巷道上幫向下幫移動(dòng)1.2～1.5 m，頂板局部出現(xiàn)網(wǎng)兜、底鼓嚴(yán)重。距離工作面上出口161～204 m內(nèi)巷道頂?shù)装迤茐某潭容^輕，頂板基本保持完整，底板輕微底鼓，巷道上幫煤體整體推移至下幫煤壁，巷道基本合攏。工作面上出口往外204～214 m巷道上幫煤體向下幫煤壁側(cè)整體滑移3.0 m，巷道頂部留有寬1.7～1.8 m、高0.5～0.6 m的空間；典型破壞情況如圖2(b)所示。

..事故發(fā)生機(jī)制分析

702工作面直接頂為9.9 m厚的泥巖，基本頂為10.4 m厚的粉砂巖。703工作面回采完成后，頂板向上撓曲的區(qū)域位于其與702工作面回風(fēng)巷之間的煤柱上。702工作面回風(fēng)巷上幫因其頂板向上撓曲，煤層上方的正應(yīng)力降低，同樣地煤層與頂板和底板之間的摩擦力也相應(yīng)降低，于是煤層在水平應(yīng)力的作用下向702工作面運(yùn)輸巷內(nèi)滑動(dòng)，形成沖擊地壓(圖10)。

圖10 “11·11”沖擊地壓的卸載滑脫機(jī)制示意

6 結(jié) 論

(1) 堅(jiān)硬頂板工作面回采巷道沖擊地壓表現(xiàn)出幫部向巷道內(nèi)整體移動(dòng)的特征，堅(jiān)硬頂板和堅(jiān)硬煤體是該類沖擊地壓的地質(zhì)特征，巷幫煤體滑脫是該類沖擊地壓的破壞特征。

(2) 基于彈性地基理論，分析了堅(jiān)硬頂板條件下回采工作面前方和側(cè)向頂板向上撓曲特性，并通過與頂板運(yùn)動(dòng)工程實(shí)踐進(jìn)行量化對比進(jìn)行驗(yàn)證。

(3) 建立了頂板-煤層-底板復(fù)合結(jié)構(gòu)體卸載滑脫力學(xué)模型，確定了煤體水平應(yīng)力、煤-頂板和煤-底板結(jié)構(gòu)面摩擦力及煤體抗拉力之間的平衡關(guān)系，建立了煤體發(fā)生卸載滑脫沖擊地壓的臨界方程；提出了頂板向上撓曲導(dǎo)致煤層豎直壓力降低，失去夾持的煤體在水平應(yīng)力作用下克服頂、底板摩擦力及煤體抗拉強(qiáng)度后整體移入巷道，即堅(jiān)硬頂板回采巷道沖擊地壓的卸載滑脫發(fā)生機(jī)制。

(4) 唐山礦“8·2”沖擊地壓和紅陽三礦“11·11”沖擊地壓現(xiàn)場實(shí)際情況顯示，其發(fā)生過程符合筆者提出的卸載滑脫機(jī)制，都是由于厚層堅(jiān)硬頂板在工作面前方或者是側(cè)方形成的懸頂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的頂板向上撓曲，從而降低了頂板和底板對煤層的夾持力，導(dǎo)致煤體在水平應(yīng)力作用下整體移出，形成沖擊地壓。