煤礦沖擊地壓應(yīng)力控制

黃太光

龍煤鶴崗礦業(yè)公司生產(chǎn)技術(shù)部 黑龍江 鶴崗 154100

前言

近年來，鶴崗礦區(qū)煤礦開采深度向下延伸，大部分煤礦已進(jìn)入深部開采，峻德、興安、富力、新陸四個(gè)煤礦煤炭資源富集區(qū)域主體開采深度已達(dá)到800 m 以下，部分煤礦采深甚至達(dá)到1000 m。

1 煤礦沖擊地壓發(fā)生機(jī)理綜述

1.1 基礎(chǔ)性煤礦沖擊地壓發(fā)生機(jī)理 基礎(chǔ)性煤礦沖擊地壓發(fā)生機(jī)理主要是強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論和沖擊傾向性理論，最早的沖擊地壓發(fā)生機(jī)理是由庫克于1951年提出的強(qiáng)度理論，該理論從材料強(qiáng)度的角度來認(rèn)識(shí)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，認(rèn)為沖擊地壓的發(fā)生本質(zhì)上是構(gòu)成礦體與圍巖最基本的元素強(qiáng)度遭到了破壞，基本元素的強(qiáng)度是有極限的，當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)到極限時(shí)就會(huì)難以承擔(dān)其所受到的載荷，從而遭到破壞導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。之后，強(qiáng)度理論得到了進(jìn)一步發(fā)展，從單純對(duì)基本元素的認(rèn)識(shí)再到基本元素以及基本結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而上升到整個(gè)礦體與圍巖系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，從對(duì)強(qiáng)度應(yīng)力的絕對(duì)值認(rèn)識(shí)到整個(gè)礦體與圍巖系統(tǒng)的相對(duì)值的認(rèn)識(shí)，但是該理論的不足之處是并沒有明確相對(duì)值的臨界點(diǎn)。剛度理論從材料剛度的角度來認(rèn)識(shí)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，認(rèn)為沖擊地壓本質(zhì)上是構(gòu)成礦體與圍巖的最基本元素的剛度遭到了破壞，當(dāng)基本元素所承受的載荷超過其極限時(shí)，基本元素的剛度就會(huì)遭到破壞導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生，該理論并沒有從礦體與圍巖系統(tǒng)角度考慮剛度的能量的積聚與擴(kuò)散的這種可能性。

1.2 擴(kuò)展性煤礦沖擊地壓發(fā)生機(jī)理 擴(kuò)展性沖擊地壓發(fā)生機(jī)理基本上都是從不同角度整合基礎(chǔ)性沖擊地壓發(fā)生機(jī)理。我國(guó)學(xué)者李玉生提出“三準(zhǔn)則”理論，該理論將強(qiáng)度理論、能量理論和沖擊傾向性理論整合到一起，從礦體與圍巖系統(tǒng)的內(nèi)在表象角度來認(rèn)識(shí)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，它認(rèn)為礦體與圍巖系統(tǒng)內(nèi)在的強(qiáng)度被破壞是礦體與圍巖系統(tǒng)破壞的準(zhǔn)則，礦體與圍巖系統(tǒng)內(nèi)在能量的強(qiáng)烈釋放與強(qiáng)烈的沖擊傾向是礦體與圍巖系統(tǒng)突然破壞的準(zhǔn)則，只有這三種內(nèi)在表象同時(shí)發(fā)生時(shí)才會(huì)發(fā)生沖擊地壓。齊慶新提出“三因素”理論，該理論從礦體與圍巖系統(tǒng)的內(nèi)在與外在因素角度來認(rèn)識(shí)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，它認(rèn)為礦體與圍巖系統(tǒng)內(nèi)部的沖擊傾向是“內(nèi)在因素”，礦體與圍巖系統(tǒng)外部的擾動(dòng)與高度集中的能量是“力源因素”，礦體與圍巖系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)度的弱化是“結(jié)構(gòu)因素”，礦體與圍巖系統(tǒng)的沖擊傾向使礦體與圍巖系統(tǒng)局部形成高應(yīng)力集中并積聚能量導(dǎo)致煤巖體發(fā)生變形，在外力擾動(dòng)下能量大量釋放導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

2 沖擊地壓應(yīng)力波作用機(jī)理

大量理論研究與工程實(shí)踐表明，沖擊地壓的發(fā)生與動(dòng)載擾動(dòng)因素有關(guān)。根據(jù)巖石動(dòng)力學(xué)理論，這些動(dòng)載在煤巖體中以應(yīng)力波的形式進(jìn)行傳播，因此有必要從應(yīng)力波的角度揭示沖擊地壓形成機(jī)理。在開采過程中，應(yīng)力波的產(chǎn)生與煤巖體的破斷行為有關(guān)，主要包括高位堅(jiān)硬頂板破斷與深部應(yīng)力集中區(qū)煤體破斷行為。當(dāng)煤層上方賦存高位厚硬巖層時(shí)，隨著煤層開采活動(dòng)的進(jìn)行，巖層下賦離層空間逐漸擴(kuò)大，下賦巖層對(duì)高位頂板的支撐作用逐漸減少。當(dāng)達(dá)到頂板抗拉強(qiáng)度時(shí)，將開始在頂板巖梁內(nèi)彎矩最大處隨機(jī)地出現(xiàn)微裂紋，隨著彎矩的進(jìn)一步增大，大量微裂紋逐漸匯聚成宏觀主破斷面，最終形成高位頂板破斷，并在此過程中釋放出大量彈性能，形成沖擊應(yīng)力波。沖擊應(yīng)力波通過頂板傳播到煤層中，首先在煤層中造成大量裂紋擴(kuò)展，形成一定程度的能量衰減。應(yīng)力波傳播到采掘空間后，處于采動(dòng)應(yīng)力(靜載)作用下的煤巖體在動(dòng)載應(yīng)力波的綜合作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)破壞，大范圍煤體發(fā)生嚴(yán)重破壞時(shí)將形成沖擊地壓災(zāi)害。另一方面，對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)煤體破斷震源，煤巖體在未受到采動(dòng)影響時(shí)處于原始應(yīng)力狀態(tài)，工作面回采后，煤巖體內(nèi)部應(yīng)力開始重新分布，工作面前方深部煤體垂直應(yīng)力將超過原巖應(yīng)力。隨著工作面逐漸推進(jìn)，前方深部煤體垂直應(yīng)力不斷升高，并開始在煤體內(nèi)部形成大量隨機(jī)分布的微觀裂紋，一旦大范圍煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度后，微觀裂紋將迅速匯聚形成大尺度煤體破斷，并產(chǎn)生高強(qiáng)度應(yīng)力波。應(yīng)力波進(jìn)一步傳播擴(kuò)散到其他處于采動(dòng)應(yīng)力影響下的煤體，大范圍煤體在靜載應(yīng)力與動(dòng)載應(yīng)力波綜合影響下發(fā)生動(dòng)態(tài)破壞，將形成沖擊地壓災(zāi)害。應(yīng)力波作用下沖擊地壓最終表現(xiàn)為煤體的沖擊破壞行為，根據(jù)本文SHPB實(shí)驗(yàn)中煤體沖擊破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高靜載、高動(dòng)載應(yīng)力波和靜載與應(yīng)力波耦合作用均能使煤巖體破壞。

3 結(jié)論

(1)煤巖體破斷產(chǎn)生的動(dòng)載應(yīng)力波幅值隨煤巖體強(qiáng)度增大而升高，應(yīng)力波持續(xù)時(shí)間隨破斷尺度增大而增大，煤礦開采過程中頂板或煤體強(qiáng)度越高、破斷尺度越大，就越容易產(chǎn)生大能量的動(dòng)載應(yīng)力波。

(2)不施加軸向靜載時(shí)，較小的動(dòng)載(沖擊氣壓0.08 MPa)應(yīng)力波作用足以使試樣發(fā)生沖擊破壞；隨著軸向靜載增大，試樣發(fā)生沖擊破壞所需的臨界動(dòng)載先增大后減??；當(dāng)軸向靜載超過試樣抗壓強(qiáng)度時(shí)，試樣在純靜載條件下即發(fā)生破壞。高靜載、高動(dòng)載應(yīng)力波、靜載與應(yīng)力波耦合加載條件均能使煤巖體發(fā)生沖擊破壞，動(dòng)載應(yīng)力波對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境煤巖體沖擊破壞影響更為顯著。

(3)采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板破斷產(chǎn)生的應(yīng)力波到達(dá)煤層后，其最大影響范圍可達(dá)到工作面前方400 m，動(dòng)載應(yīng)力波使得煤巖體應(yīng)力逐漸集中，并以采空區(qū)為中心向四周逐漸增加；應(yīng)力波作用過程中，煤巖體塑性破壞區(qū)范圍逐漸增加并主要集中在巷道兩側(cè)，且隨著應(yīng)力波幅值和持續(xù)時(shí)間增加，塑性破壞區(qū)范圍不斷擴(kuò)大。

(4)動(dòng)載擾動(dòng)下沖擊地壓是靜載、動(dòng)載應(yīng)力波和煤巖體結(jié)構(gòu)耦合作用的結(jié)果，采場(chǎng)煤巖體大尺度破斷產(chǎn)生高能量動(dòng)載應(yīng)力波，應(yīng)力波與高地應(yīng)力耦合作用導(dǎo)致采掘空間圍巖大范圍破壞，最終形成沖擊地壓災(zāi)害。