上保護(hù)層開采沖擊地壓成因研究

王 星

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

同煤集團(tuán)下屬塔山礦煤層開采后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)四周形成支承壓力帶。工作面前方形成超前支承壓力；傾斜方向及開切眼一側(cè)煤體上形成固定支承壓力（殘余支承壓力）[1]。相鄰采空區(qū)邊界或遺留煤柱所形成的支承壓力會(huì)在某些地點(diǎn)形成疊合支承壓力[2]。支承壓力不僅在回采空間周圍煤（體）柱上造成應(yīng)力集中，在保護(hù)層開采過程中誘發(fā)沖擊，還會(huì)向底板深部轉(zhuǎn)移、傳遞，對(duì)影響范圍內(nèi)底板巷道與工作面造成沖擊危險(xiǎn)[3]。因此上保護(hù)層工作面支承壓力大小及分布情況直接關(guān)系到被保護(hù)層應(yīng)力集中及沖擊地壓發(fā)生情況[4]，是形成被保護(hù)層沖擊地壓的重要原因[5]。

1 支承壓力分布狀態(tài)分析

（1）支承壓力極限平衡狀態(tài)計(jì)算。支承壓力的顯現(xiàn)特征通過支承壓力分布范圍、分布形式和應(yīng)力峰值表示。應(yīng)力增高系數(shù)、煤壁邊緣破裂區(qū)寬度、塑性區(qū)寬度、支承壓力的影響距離等都是確定支承壓力的重要參數(shù)。受支承壓力影響，煤壁前方一定距離內(nèi)存在極限平衡狀態(tài)，如圖1所示。取寬度為dx的單元，按極限平衡方程求解支承壓力。

圖1 煤體極限平衡受力示意圖

根據(jù)采場(chǎng)前方煤體受力關(guān)系如圖1所示，建立極限平衡方程

式中：

f-層面間的摩擦因數(shù)；

m-采高，m。

根據(jù)極限平衡區(qū)的條件有：

由此：

將上式帶入極限平衡方程式（1）中，可求得

當(dāng)x=0，σy=N0時(shí)，得C=lnN0

式中：

N0-煤幫的支撐力，kN。

帶入式（4）得：

由式（7）可知支承壓力的分布與煤幫的支撐力、采高等有重要關(guān)系。研究表明：當(dāng)采高增大、煤幫支承能力變?nèi)鯐r(shí)，支承壓力峰值將減小，且向深部轉(zhuǎn)移，支承壓力影響范圍變大，應(yīng)力集中情況變小。

（2）支承壓力分布對(duì)卸壓作用的影響。若上保護(hù)層工作面超前支承壓力如圖2中h1所示，支承壓力峰值為K1γh，在煤壁處形成破碎區(qū)L1，在應(yīng)力峰值附近形成的明顯影響區(qū)域?yàn)長(zhǎng)4。此時(shí)受支承壓力影響，在底板中形成的應(yīng)力等值線如圖中y1所示。當(dāng)采高增大或煤層強(qiáng)度降低時(shí)，煤壁處破壞范圍增大，破碎范圍由L1增大至L2。破碎范圍的增大導(dǎo)致支承壓力峰值減小，明顯影響范圍增大，峰值由K1γh降至K2γh，明顯影響范圍由L4增大至L3，且往深部轉(zhuǎn)移，這相當(dāng)于變相增加了工作面的有效長(zhǎng)度。應(yīng)力峰值的減小與深部轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致其在底板中形成的等值應(yīng)力曲線向下部移動(dòng)，如圖2中y2所示，即所處同一位置的卸壓效果變好。因此可通過軟化保護(hù)層煤體、增大采高、增大煤壁處破碎區(qū)范圍等，對(duì)上保護(hù)層應(yīng)力集中邊界卸壓，實(shí)現(xiàn)保護(hù)層支承壓力向深部轉(zhuǎn)移，有利于被保護(hù)層沖擊地壓的防治工作。

圖2 支承壓力對(duì)卸壓作用的影響示意圖

2 煤柱應(yīng)力狀態(tài)分析

英國(guó)學(xué)者A.H.威爾遜經(jīng)大量研究后提出了煤柱的兩區(qū)約束理論，煤柱在加載的過程中應(yīng)力是變化的，按其受力特點(diǎn)可將其分為煤柱屈服區(qū)和煤柱核區(qū)[5]。屈服區(qū)特點(diǎn)為：煤體應(yīng)力超過屈服點(diǎn)，并且具有一定的流動(dòng)性。其范圍為煤柱應(yīng)力峰值σ1到煤柱邊界這一區(qū)段，寬度可用a表示。煤柱核區(qū)特點(diǎn)為：被屈服區(qū)包圍并受屈服區(qū)約束，處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，大體符合彈性法則。煤柱尺寸較小（存在核區(qū)），支承壓力將會(huì)在煤柱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力疊加，會(huì)形成較高的煤柱支承壓力；在煤柱核區(qū)尺寸較大時(shí)，彈性核區(qū)內(nèi)有一部分核區(qū)的應(yīng)力為原巖應(yīng)力，這部分核區(qū)為原巖應(yīng)力區(qū)。如圖3所示。

圖3 煤柱屈服區(qū)及其彈性核區(qū)

從理論上講，若彈性核的寬度等于零，即煤柱整體進(jìn)入屈服狀態(tài)后，其寬度大于貫通破裂區(qū)的寬度，煤柱就能保持穩(wěn)定，不會(huì)被整體破壞；其寬度小于貫通破裂區(qū)寬度，則煤柱失穩(wěn)。由此，首先來確定煤柱的塑性區(qū)寬度。在距離煤柱邊緣一定寬度內(nèi)，煤柱的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)，可根據(jù)極限平衡理論計(jì)算煤壁塑性區(qū)寬x0為：

式中：

M-采高，m；

H-采深，m；

k-應(yīng)力集中系數(shù)；

C-煤體的內(nèi)聚力，kN；

φ-煤體的內(nèi)摩擦角，（°）；

γ-采場(chǎng)上覆巖層的平均容重，kN/m3；

f-煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)，f=tgφ；

ζ-三軸應(yīng)力系數(shù)，

研究表明兩側(cè)臨空煤柱保持穩(wěn)定的基本條件為：在煤柱兩側(cè)形成塑性屈服后，煤柱中間仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，也就是中間彈性核應(yīng)具有一定寬度，煤柱核部的寬度一般取1～2倍煤柱高度。即煤柱穩(wěn)定的最小寬度B應(yīng)為：B=（1～2）M+2x0。

塔山煤礦2煤內(nèi)摩擦角φ=23.3°，采高M(jìn)=1.65m，采深H=700m；采場(chǎng)上覆巖層的平均容重γ=25，應(yīng)力集中系數(shù)k=5。經(jīng)計(jì)算，得x0=2.52m。塔山煤礦區(qū)段護(hù)巷煤柱為7～15m，滿足煤柱穩(wěn)定條件。

3 斷層區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)分析

由于斷層破壞了巖層的整體性，當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)，工作面的應(yīng)力分布受到斷層影響很大，尤其是當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層附近時(shí)，工作面的頂板巖層被切斷，失去了傳遞力的作用，在超前煤壁的頂板巖層將給工作面和斷層間的煤柱造成加壓作用，從而使工作面和斷層間煤柱形成高應(yīng)力區(qū)。工作面開始回采后形成的側(cè)向支承壓力會(huì)使在側(cè)向支承壓力影響范圍內(nèi)的煤層承受的壓力較大，當(dāng)工作面和斷層間的煤柱的應(yīng)力集中引起斷層區(qū)域頂板的劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)釋放大量的能量（煤體內(nèi)的彈性能以及頂板做功產(chǎn)生的能量），發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性就高，正斷層前后應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 正斷層斷層面前后應(yīng)力分布圖

4 沖擊成因分析

上保護(hù)層開采引起的支承壓力與遺留煤柱不僅在回采空間周圍煤體上造成應(yīng)力集中，應(yīng)力集中情況還會(huì)向底板深部轉(zhuǎn)移、傳遞，圖5為一側(cè)采空煤體，作用于煤體上的支承壓力峰值為3γh時(shí)，支承壓力在底板中的應(yīng)力集中情況；圖6為保護(hù)層兩側(cè)采空穩(wěn)定窄煤柱（超前支承壓力影響范圍為B，集中應(yīng)力峰值為5γh）應(yīng)力在底板中的集中情況。

由圖可見，底板任意點(diǎn)的應(yīng)力，主要取決于上部煤體的載荷、該點(diǎn)與煤體的垂直距離及該點(diǎn)與煤體邊緣（中心線）的水平距離。一側(cè)為采空煤體，作用于煤層上的支承壓力的影響深部約為1.5～2B；兩側(cè)為臨空窄煤柱，影響深部可達(dá)到3～4B。在煤柱影響范圍內(nèi)的同一底板巖層水平面上，煤柱中心線垂直應(yīng)力最大。不論何種煤柱載荷，在底板巖層內(nèi)的應(yīng)力分布都成擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。

圖5 支承壓力引起的應(yīng)力集中分布圖

圖6 煤柱應(yīng)力引起的應(yīng)力集中分布圖

若巷道布置在應(yīng)力集中區(qū)域，不僅巷道自身在掘進(jìn)過程中處于高應(yīng)力集中狀態(tài)，極易誘發(fā)沖擊地壓。在工作面回采時(shí)，受上層煤柱所傳遞的集中應(yīng)力及本層開采支承壓力的共同作用，應(yīng)力疊加十分嚴(yán)重，是被保護(hù)層沖擊地壓發(fā)生的根本原因。

5 結(jié)語

本文將上保護(hù)層開采沖擊地壓成因類型分為環(huán)境成因（支承壓力）、煤柱成因及地質(zhì)成因，并分析了被保護(hù)層掘進(jìn)及回采期間沖擊地壓發(fā)生機(jī)理。