對深井厚層堅硬頂板沖擊地壓的研究

喬元棟，李永明

（山西大同大學工學院，山西 大同 037003）

對深井厚層堅硬頂板沖擊地壓的研究

喬元棟，李永明

（山西大同大學工學院，山西 大同 037003）

沖擊地壓屬礦井動力現象，是影響煤礦安全生產的重大災害之一。通常是指由于煤巖體系統達到極限強度，變形能突然猛烈、急劇的釋放，從而造成巷道內支架折損，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。本文從幾個方面分析了深井厚層堅硬頂板沖擊地壓的形成。

沖擊地壓；煤層厚度；地質構造；堅硬老頂

1 國內外深部沖擊地壓現狀

從1738年英國的南史塔福煤田發生世界上的第一次沖擊地壓以來，已有260多年的歷史。其間，包括我國在內，還有英國、法國、波蘭、美國等23個國家均發生過沖擊地壓。影響最為嚴重的是南非的金礦、前蘇聯、波蘭和德國[1，2]。

我國煤炭資源開發的總體特征是西部煤層埋藏淺，東部部分礦區如開灤、北票、新汶、徐州等都相繼進入深部開采。由于淺部煤層的枯竭，現在我國絕大部分煤礦都相繼進入深部開采。未來10年里，我國煤礦深部開采問題將越來越突出。目前，世界主要產煤國如德國、波蘭、俄羅斯等國的老礦區都已進入深部開采。由于煤系地層總體強度低，一些在淺部開采中的工程災害，都將在深部開采中以更加明顯的方式表現出來[3]。其中之一，就是巷道礦壓顯現劇烈，圍巖容易失穩，易發生破壞性沖擊地壓。某礦區沖擊地壓發生次數與采深的關系如表1所示。

表1 沖擊地壓次數與開采深度關系

隨著采深的增加，從1993-1996年60多年的時間里，我國僅新發生沖擊地壓的礦井就多達40多個，發生沖擊地壓4 000余次，造成400多人死亡，200多人受傷，破壞巷道20 km，經濟損失嚴重。沖擊地壓可以用震級和烈度來表示強弱。沖擊地點形成大量煤塵和強烈的空氣波，監測到沖擊地壓發生時的震動頻率1～10 000 Hz以上，最大震級在3.8級以上。

根據發生沖擊地壓釋放的地震能大小，將沖擊地壓可以分為五個等級，如表2所示。

表2 按能量特征沖擊地壓分類表

強烈沖擊地壓發生時，可使長達幾十米的巷道支架破壞垮落，機電設備損壞，需要進行大量的修復工作，沖擊地壓的發生地點主要是在采煤工作面和回采巷道內。

煤礦沖擊地壓除具有突發性、多樣性和巨大破壞性的特點外，發生沖擊地壓的條件和影響因素比較復雜。

2 影響沖擊礦壓發生的自然因素

2.1 煤層厚度變化

由同煤集團忻州窯礦統計的煤層厚度及其變化與沖擊礦壓的關系可知，假定煤層厚1.5～2.2 m時拋出的煤量為1，表3分析了煤層的厚度及其變化對煤巖體強度和沖擊礦壓的關系。

表3 煤層厚度與沖擊礦壓發生的比例

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

2.2 采深與沖擊礦壓的關系[4]

隨著我國煤炭生產的發展，礦井開采深度正在以每年平均8～10m的速度向深部增加。深部回采將會遇到礦山壓力的嚴重干擾，沖擊礦壓危險性也隨著開采深度的增加而增加。在更大的開采深度下，煤層邊緣區的附加載荷更大，致使支承壓力增加并傳播迭加在煤層上方，使發生沖擊危險的范圍也相應擴大。

開采深度愈大，煤體內應力愈高，煤體變形和積蓄的彈性能也愈大。根據彈性理論，煤層在自然狀態的三向應力條件（無采動影響）下，對于采深為H的煤層，煤體所承受的應力為：

發生沖擊礦壓的能量為煤層和巖層內積聚的應變能之和，所以煤體中單位體積內積聚的彈性能，由體積應變能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為開采深度；G為剪切彈性模量。

煤巖體內形變能用來克服物體的粘結力，而體積變形能轉化為動能，產生沖擊礦壓現象。因此，可以求出在自重應力場內發生沖擊礦壓發生時釋放的動能 ΔU用下式表示：

由式（3）和（4）可知，隨著采深的增加，煤巖體內積聚的能量增加，且沖擊礦壓發生時釋放的動能與采深的平方成正比。因此，采深的增加必然會導致沖擊礦壓發生的頻率和強度的增加。

3 地質構造對沖擊礦壓的影響

實踐證明，沖擊礦壓經常發生在向斜軸部，特別是構造變化區、斷層附近、煤層傾角變化帶、構造應力帶等，并且在斷層的上盤開采時的震動能通常大于斷層下盤開采時的震動能量。由于溫度、壓力、地殼運動等因素的影響，在地層沉積巖及地質構造的發育形成過程中，巖體自然的形成其機械物理性能表征與其它地域、礦區的差異，在斷層與構造帶形成的局部應力場，使某些煤巖體處于極高的地應力場作用下，該應力場中儲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力帶，存在發生沖擊礦壓的可能。

在斷層和向斜附近震動集中的主要原因是地殼的運動形成的殘余構造應力。該應力與開采引起的應力集中疊加的位置即為巖體震動的位置。斷層帶附近的沖擊礦壓危險主要是由于頂板而形成的,當工作面過斷層時，由于斷層切斷了頂板巖層，使靠采空區一側的頂板重力難以傳遞到斷層的另一側。因此，隨著工作面推進和距斷層距離的減小，工作面前方移動支承壓力范圍在減小，移動支承壓力峰值的強度明顯增加，強度的增加導致了圍巖內能量的增加，從而使沖擊礦壓發生的幾率增加。

4 厚層堅硬老頂

沖擊礦壓與自然地震不同，它的發生能量級別較小，需要外在的誘發條件，即需開挖活動促使煤巖體內應力狀態產生由靜轉動的變化，并誘發彈性能沿著易傳遞路徑向開挖空間弱勢面積聚轉移，堅硬老頂的斷裂就是這種誘發沖擊礦壓的外在條件。厚層堅硬老頂條件下沖擊礦壓的本質也是重力沖擊礦壓，由于頂板的特殊條件，使沖擊礦壓發生的臨界深度相對較小。

根據前蘇聯阿維爾申的觀點[5，6]，煤層內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壓和周期來壓時，分別為：

式中：q為頂板及上覆巖層附加載荷的單位長度載荷；L頂板來壓步距；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壓步距的5次方成正比，因此，來壓步距越大，聚集能量也越多。在一定的條件下，按照公式（7）計算出的頂板彎曲彈性能占煤巖體內總能量的90%左右，可見，厚層堅硬老頂積聚的彈性能的影響遠遠的超過了采深的影響。

同時，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來表示。根據研究，影響沖擊礦壓發生的巖層為煤層上方100m范圍內的巖層，其中巖體強度大，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、斷層附近殘余構造應力的形成及堅硬老頂的斷裂，都會增加沖擊礦壓發生的可能性。而對沖擊礦壓機理的研究會給煤礦的安全生產帶來更大的保證。

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

[2] 鄒德蘊,姜福興.煤巖體中儲存能量與沖擊地壓孕育機理及預測方法的研究[J].煤炭學報，2004（4）:159-163.

[3] 劉先貴.支承壓力的現場高峰位置的確定[J].西安礦業學院學報，1991（2）:8-12.

[4] 杜計平,張先塵.煤礦深井采場礦壓顯現及其控制特點[J].中國礦業大學學報，2000,29（1）:82-84.

[5] 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業出版社，1983:90-123.

[6] 竇林名,何學秋.沖擊地壓防治理論與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，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，工學碩士，講師，從事采礦工程技術研究與教學工作。