懸頂結構下軟底板采場沖擊地壓成因與防控研究

潘立友 侯家駿 薄樹祥

(1. 山東科技大學采礦工程研究院，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590；3.開灤(集團)有限責任公司，河北省唐山市，063000)

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懸頂結構下軟底板采場沖擊地壓成因與防控研究

潘立友1侯家駿2薄樹祥3

(1. 山東科技大學采礦工程研究院，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590；3.開灤(集團)有限責任公司，河北省唐山市，063000)

針對軟底板的地質條件，在分析采場應力分布特點的基礎上，建立了煤層聚能結構和頂板懸臂結構的力學模型。通過對軟底板煤層和懸頂附加能量源的力學機制和能量演化過程的分析，得出了軟底板破壞誘導強沖擊傾向性煤體釋放能量是發生沖擊地壓的根本原因，懸頂結構是加劇沖擊地壓強度的重要因素，并總結了軟底板條件下沖擊地壓顯現特征。根據該條件下的沖擊顯現特征，從底板幫部卸壓、加強圍巖穩固性和懸頂結構處理等方面，采取了圍巖卸壓配合巷道支護的沖擊地壓防治措施，取得了顯著的沖擊地壓防治效果，保證了安全開采。

強沖擊傾向性煤體 軟底板 懸頂結構 防治措施

在我國煤炭資源開采過程中，隨著開采深度和開采強度的加大，深部礦井發生沖擊地壓、頂板大面積垮落和突水等煤巖動力災害日益嚴重。其中，沖擊地壓因其發生原因復雜、影響因素眾多、發生突然且破壞性極大而成為礦山安全開采的重大課題之一。

一些學者對復雜條件下的沖擊地壓發生機理及防治技術展開了許多研究。趙毅鑫等針對“兩硬”條件下工作面沖擊地壓的發生特征進行了研究，利用微震技術分析了堅硬頂板和堅硬煤體共同作用下沖擊地壓的發生機理和前兆信息特征；潘俊峰利用沖擊地壓啟動原理對底板沖擊地壓進行了分析，認為軟底板是能量傳遞和釋放的載體，兩幫的集中應力則是誘發沖擊地壓的主因；于正興等對厚關鍵層強沖擊傾向性工作面的沖擊地壓發生機理進行研究，并制定了具有相對性的監測手段和防治措施。本文基于以上研究成果，研究了懸頂結構下軟底板采場的沖擊地壓成因及其防治技術。

1 懸頂結構下軟底板煤層工作面應力分布

本文研究的工作面由較堅硬直接頂、強沖擊煤體和軟直接底組成，其中采空區一側直接頂下部裂隙發育，部分垮落，而上部巖層完整性較好，易形成懸頂結構。一側采空造成應力集中和能量積聚，應力和能量傳遞至煤柱體時，煤體不僅承受上覆巖層自重，還受到懸頂結構的附加應力，積聚大量彈性能。

利用RFPA數值模擬軟件模擬工作面主應力結果如圖1所示。

圖1 主應力圖

其中圖1(a)是普通懸頂結構下的主應力圖，圖1(b)是軟底板條件下的主應力圖。工作面垂直應力變化模擬結果如圖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降低，并向煤體深部轉移。煤體和上覆巖層產生的自重應力受到軟底板的緩沖作用，所產生的應力峰值相應下降，支承壓力影響范圍增大，與普通懸頂煤層的應力分布不同。

圖2 垂直應力變化圖

2 懸頂結構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造運動和采場推進影響，積聚大量彈性能，導致軟底板破壞誘發強沖擊煤體釋放能量是發生沖擊地壓的根本原因。強沖擊傾向性煤體和軟底板共同組成能量積聚區，根據微分流變模型，將此區域簡化為由一個H體(胡克體)和一個K體(開爾文體)串聯而成的廣義開爾文體(H-K)能量積聚模型，如圖3所示。其中Hm為強沖擊傾向性煤體，用強度為Em的彈簧表示；HD為軟直接底，用強度為ED的彈簧并聯粘性系數為η的粘缸表示。

圖3 能量積聚區受力模型

由于煤體強度Em較大，具有強沖擊傾向性，且受到上覆巖層的作用力，能夠積聚較大的彈性能，當達到Hm的變形極限后，能量則會向下部強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，所產生的應力可以按照廣義開爾文體得出。由于直接底強度低，加上煤體傳遞的應力，更容易達到極限狀態，積聚的彈性能更大。當直接底不能承受大量彈性能時，能量便會破壞直接底結構，向周圍空間釋放，表現形式為煤巖體從底板噴出，形成底板型沖擊地壓。

2.2 懸頂結構附加應力分析

矩形懸頂結構力學模型如圖4所示。為了分析矩形懸臂結構受力情況，將懸臂梁簡化為如圖4所示的力學模型。懸頂結構的最大彎矩為：

(1)

式中：M——矩形懸頂結構的彎矩，N·m；

x——矩形懸頂結構重心距y軸距離，m；

G——矩形懸頂結構自重，N，埋深越大，作用在結構上的自重力G也越大；

l——懸頂長度，m；

f(x)——均布壓應力，MPa。

通過計算可得矩形懸頂結構的受力分析:

(2)

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

圖4 矩形懸頂結構力學模型

通過對懸頂結構的受力分析可知，其產生的集中應力σx隨著懸臂長度的增加而加大。由于懸頂結構的存在，受到上覆巖層作用產生的附加應力σx轉移到煤體上，經煤體傳遞至軟弱直接底，此時直接底承受的應力為σx+σm+σH，遠大于直接底的應力極限，產生的能量也會急劇增加，發生煤巖體擠出和噴出現象程度更嚴重，沖擊地壓破壞等級提高。因此，懸頂結構是加劇底板沖擊地壓發生的重要影響因素。

2.3 懸頂結構下軟底板煤層巷道沖擊地壓成因分析

通過對軟底板煤層條件下工作面沖擊地壓成因及結構分析，建立了存在懸頂(一般為矩形懸頂)結構下的軟底板沖擊地壓顯現模型如圖5所示。

圖5 懸頂結構下軟底板煤層沖擊地壓機理模型

由圖5可知，模型分為懸頂結構區、能量積聚區、煤巖釋放區、應力影響區等。作為強沖擊的附加能量源，懸頂結構區是加劇沖擊地壓程度的主要結構體，提供大部分應力和能量。隨著懸頂結構緩慢下沉，應力與能量積聚在巷道靠采空區側煤柱上，當煤柱塑性破壞至一定程度后就起不到支承頂板作用，整個懸頂長度將延伸至巷道煤壁處，懸頂自重G增大至G1，懸頂懸露長度由l增加到l1(l1>l)。由式(2)可知，懸頂結構的彎矩與懸跨長度成二次方關系，彎矩由M變為M1，其中：

(3)

因此，懸頂結構區產生的應力將會大大增加，并向巷道煤壁側轉移。當應力傳遞至煤壁時，煤體將受到上覆巖層自重與懸頂附加應力σx的共同作用，在煤壁處積聚能量，形成能量積聚區。根據對強沖擊傾向性煤體和軟直接底的分析，上覆巖層及懸頂結構將高應力和彈性能經彈性單元傳遞至軟直接底，底板強度低，應力和能量容易達到自身極限，便會發生破壞，向周圍空間釋放能量，而巷道底板為煤巖釋放區，穩固力弱，積聚的大量彈性能便會從此區域釋放，大量煤巖體突然噴出至巷道，引發沖擊地壓。所以，沖擊地壓的發生是由于應力的變化所引起的，沖擊地壓的防治是可以通過控制應力來實現的。

3 軟底板煤層巷道沖擊地壓防治技術及應用

根據懸頂結構下軟底板煤層沖擊地壓發生機理分析可知，影響工作面巷道發生沖擊地壓的主要因素有：煤體及底板強度、巷道穩固程度、懸頂結構影響等。因此針對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、提高圍巖穩固程度、懸頂結構處理等。

3.1 現場應用

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，屬較穩定煤層。煤層硬度f=2～3，具有強沖擊傾向性。煤層頂板由較堅硬的粉砂巖、細砂巖組成，直接底由1～2 m的泥巖組成。工作面沿空留小煤柱開采，煤柱寬度4～5 m。根據煤層及頂底板巖性可知，本工作面區域具有煤體為強沖擊性和直接底軟弱的特性，是典型的強沖擊煤體軟底板工作面，加上工作面上方有較堅硬頂板，完全具備沖擊地壓發生的物質條件，沖擊危險性較大。

針對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)幫頂協同支護。在巷道頂板使用?20 mm×2400 mm錨桿和?21.6 mm×6200 mm讓壓錨索，巷道實體煤側使用?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，煤柱側進行常規錨桿支護，如圖7所示。錨索錨固端位于上部堅硬基本頂中，起到良好的拉拽作用。

(4)鉆孔切頂。在工作面回風巷懸頂區域布置大直徑鉆孔對頂板進行卸壓處理，減少懸頂結構附加應力的傳遞。鉆孔深20 m，孔徑110 mm，兩孔間距3 m。

圖7 巷道幫頂協同加固技術示意圖

4 結論

(1)強沖擊傾向性煤層和軟底板工作面軟底板破壞誘導強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生的根本原因，而懸頂結構則加劇強沖擊地壓發生的重要因素。采用數值模擬方法得到了軟底板煤層的應力分布特點。

(2)將強沖擊傾向性煤體與軟底板組成的聚能結構簡化為廣義開爾文體模型，利用彈性力學解釋了能量積聚區的聚能過程及釋能原因。建立了懸頂結構受力模型，根據彎曲破壞力學模型，計算得出了矩形懸頂結構的彎矩與懸跨度成二次方關系，與上部作用應力和自重成一次方正比關系。綜合聚能結構和懸頂結構的力學機制，分析了在懸頂結構附加作用下強沖擊軟底板煤層沖擊地壓成因。

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

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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

國家自然科學基金資助項目(51674159)，國家重點研發計劃項目(2017YFC0804201)

潘立友,侯家駿,薄樹祥. 懸頂結構下軟底板采場沖擊地壓成因與防控研究 [J]. 中國煤炭，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，博士生導師，主要從事沖擊地壓、礦山壓力與巖層控制的科研和教學工作。

(責任編輯 陶 賽)