深部大采高工作面頂板巖層對沖擊地壓的影響規(guī)律

王 飛

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000）

硬厚堅硬頂板與煤層之間距離越小，煤層開采時對工作面造成的沖擊危險性就越大。煤巖體內積聚一定的彈性能，懸頂長度越大煤巖體積聚的能量就越大，頂板厚度越大越不容易垮落。

當較厚的煤層頂板出現斷裂時，會釋放出大量的彈性能，且由于巖體阻力使震動波發(fā)出的能量呈一定的衰減指數或者冪指數，使釋放出的大量彈性能被消耗。所以，沖擊地壓的危險程度與頂板距煤層的距離密切相關。

1 頂板巖層對煤體應力狀態(tài)的影響

井田煤層貯藏穩(wěn)定，均為優(yōu)質無煙煤。可采煤層8層，主采3#、8#、15#煤。一期工程可采儲量1.6億t，采區(qū)服務年限52.4a，年設計生產能力220萬t，采高是7m。隨著3213工作面的逐步推進，頂板的巖層出現斷裂，釋放的彈性能逐漸增多，測量表明釋放的彈性能與巖層的厚度和強度有關。一般從開切眼開始，隨著工作面不斷向前推進，在開采過程中會產生頂板的初次和周期破斷，頂板破斷垮落的過程中釋放的能量顯著增加，能量一般會出現峰值，能量釋放與巖層厚度之間有一定的關系，如圖1、圖2所示。

圖1 動能隨巖層參數改變而變化

圖2 巖體強度為120MPa時的動能

由圖可以看出，頂板破斷或滑動過程產生的動能與巖體強度呈對數關系、與厚度呈指數關系增長，動能Ek隨頂板巖層強度σ、厚度h的變化規(guī)律分別為：

式中A，B，γ，λ為系數，因此頂板巖層越厚或越堅硬，巖層運動時危險程度越高。

2 頂板斷裂震動對煤體沖擊危險性的影響

使用混凝土模擬巖層頂板，當發(fā)生斷裂時產生震動情況，記錄巖板斷裂時產生的震動、聲發(fā)射和應力等變化，試驗模型如圖3所示。將巖板規(guī)定為長1.5m，寬0.3m，并放置于載荷3000kN的試驗機上進行斷裂模擬，變化巖板的厚度，使其分別在0.18m、0.2m、0.26m、0.31m的厚度上進行試驗。

圖3 試驗模型

從實驗中可以得出結論，頂板發(fā)生斷裂后，震動波、聲發(fā)射、應力這些參數會發(fā)生顯著的變化，震動波表現出的規(guī)律為震動具有持續(xù)性，持續(xù)一定的時間之后波形才逐漸減緩，見圖4。

圖4 頂板斷裂時信號特征

實踐證明，當頂板來壓時，煤體處于高應力作用下，積聚的能量會突然釋放，形成煤層型沖擊地壓。

3 沖擊地壓隨采深變化的顯現規(guī)律

新景煤礦在開采過程中受采深影響明顯，巖性偏軟巖，開采中能量積聚不明顯，礦井沖擊地壓類型明顯，沖擊地壓發(fā)生頻次比較多，但是強沖擊地壓基本沒有。隨著采深的增加，受重力影響明顯，煤巖體原始的應力增加，發(fā)生沖擊地壓的危險性增加，當深度達到一定的臨界值時，煤巖自身的應力達到煤體發(fā)生破壞的臨界值，沖擊地壓隨時可能發(fā)生。臨界深度受煤層性質以及井田賦存狀態(tài)影響較大。

沖擊地壓發(fā)生的一個最重要的條件是受支承壓力的影響。煤巖體采掘以后，原始應力破壞重新平衡，在巷道與工作面四周出現支承壓力增高區(qū)和應力降低區(qū)。沖擊地壓一般發(fā)生在支承壓力比較高的區(qū)域，煤壁前方應力增高區(qū)最為顯著。

隨著礦井開采活動的進行，開采深度不斷增加，沖擊地壓對煤礦生產活動帶來的影響也逐漸增大。以下是深部礦井沖擊地壓的主要特征：

（1）發(fā)生動力現象的區(qū)域性強，隨著震級的增大，影響強度增大。

（2）頂板巖層與采深之間存在一定的關系，采深越大頂板越破碎；深部巖層逐漸變碎。

（3）隨著采深的增加水平方向的應力逐漸向頂板底板移動，而垂直方向的應力逐漸向兩幫移動；垂直方向的應力的影響程度較大；礦井在深部區(qū)域構造應力比較突出，水平壓力也表現出一定的方向性。

（4）礦井深部開采活動進行時，巷道兩幫會出現嚴重變形。

（5）軟巖沖擊地壓的一種主要的表現形式是煤炮。深井軟巖的礦井發(fā)生沖擊地壓的頻次高，但是危險程度高的沖擊地壓很少發(fā)生，

（6）松軟巖性的巖石內部積聚的彈性能容易消散，由于礦井深部的高應力圍巖質地松散，所以彈性能逐漸消散，突然形成沖擊地壓的概率較其他地方較低。

3.1 開采方式對沖擊地壓的影響

礦井開采活動對形成沖擊地壓具有較大影響：一是開采活動進行時會形成應力集中現象，增大沖擊地壓發(fā)生的危險性，例如留設各種煤柱，形成較多高應力集中區(qū)，增加了沖擊地壓發(fā)生的概率；二是開采活動進行時導致區(qū)域應力狀態(tài)的改變，如放炮震動。

3.2 炮采工作面誘發(fā)沖擊地壓的機理分析

圖5 煤層內破壞情況

在放炮震動影響下產生的沖擊地壓主要表現在兩個方面：一是受放炮震動的影響，煤體的應力劃分重新分布，加速煤體產生裂隙，導致圍巖更容易失去穩(wěn)定；另一方面是放炮產生的震動使破碎區(qū)增大，影響了極限平衡區(qū)的位置，使其向深部發(fā)展。由于破碎區(qū)煤體內的摩擦阻力在放炮震動作用下一定時間內突然消失，使極限平衡區(qū)在破碎區(qū)一側的約束力消失，進而誘發(fā)了煤層沖擊式破壞，使整體結構失去穩(wěn)定(如圖5示)。由此可看出，震動對巷道穩(wěn)定性產生影響的原因有增加圍巖載荷和降低圍巖承載能力。

3.3 綜放開采與沖擊地壓的關系

綜放開采適用于多種較厚煤層的開采，單產高，效率高，是一種成本較低的煤炭開采方式，其主要優(yōu)點表現在：

（1）工作面布置距離較長，但采區(qū)布置個數較少，優(yōu)化的布局使得煤礦開采活動可以高效合理的進行；

（2）采區(qū)間施行無煤柱采煤，有效地提高了開采率，并降低了由于應力集中而產生沖擊地壓的概率；

（3）采區(qū)工作面的液壓支架支護強度大，垮落法處理采空區(qū)可以降低頂板積聚的彈性能，有利于采煤活動的安全進行；

（4）巷道使用錨網與U型棚的聯合支護，既可以承受靜態(tài)的載荷，又可以承受動態(tài)載荷，有利于巷道圍巖釋放彈性能量。

3.4 大采高工作面與沖擊地壓的關系

采場支承壓力對巷道頂底板及煤層有重要影響，主要表現為：煤礦開采活動引起的應力重新分布導致煤壁坍塌，頂板冒頂和底板底鼓，可能帶來沖擊地壓的產生和煤層突出等危險。由于在大采高工作面使用垮落法充填采空區(qū)不充分，不容易使主頂板斷裂在采空區(qū)形成“砌體梁”式穩(wěn)定結構，其不穩(wěn)定性會產生由支承壓力影響帶來的周期來壓，因此會使大采高工作面的損壞更加嚴重，支架受到更加強烈的沖擊載荷，影響開采活動的安全高效進行。

前人利用數值模擬和現場實測進行了大量的研究，對大采高工作面支承壓力分布特點進行了概述，得出大采高支承壓力分布影響范圍更加廣泛，應力集中系數保持一定的穩(wěn)定性。

有關學者曾利用FLAC數值分析軟件和現場實測相結合的方法對比研究了大采高工作面支承壓力分布的特點，結果顯示：大采高工作面的支承壓力影響范圍較普通綜采面（采高小于3.5m）更加廣泛，且應力集中的系數基本穩(wěn)定。

4 結語

對新景煤礦3213工作面深部大采高工作面頂板巖層對于沖擊地壓的影響規(guī)律進行了重點分析。研究結果認為：（1）堅硬或較厚的頂板巖層會對煤體影響更大，產生沖擊地壓的危險性也會越大；（2）頂板巖層斷裂是一個能量突變過程，其產生的震動會持續(xù)一段時間后再逐漸消失，使產生沖擊地壓的危險性升高；（3）堅硬或較厚的頂板對煤體影響產生沖擊地壓主要有兩種表現形式——煤層型沖擊地壓和頂板型沖擊地壓。