煤巖體力學(xué)性質(zhì)與采礦深度及沖擊地壓條件

王萬亮

(七臺(tái)河市不動(dòng)產(chǎn)登記中心，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

1 煤巖體的力學(xué)性質(zhì)與采礦深度的關(guān)系

隨著開采深度的不斷增加，深井巷道的穩(wěn)定必然成為影響井下生產(chǎn)的重要因素。巖層的自重應(yīng)力、溫度及濕度等隨礦井開采深度的延伸而增大。盡管深部巖體的絕對強(qiáng)度很高，而因其上述諸因素的影響，也可能出現(xiàn)類似軟巖的問題，造成支護(hù)困難。因?yàn)榈V井開采深度大，巷道圍巖周邊出現(xiàn)高應(yīng)力集中，如果數(shù)值超過圍巖的強(qiáng)度，圍巖內(nèi)裂隙倍增的結(jié)果會(huì)造成圍巖體積的膨脹而被破壞。脹體向巷道空間推移，長期不能穩(wěn)定，擾動(dòng)范圍較大，支架上的壓力增加，造成巷道支架折粱斷腿，冒頂塌方，使得生產(chǎn)系統(tǒng)被破壞。

在煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中，深井圍巖采準(zhǔn)巷道的破壞方式主要有：中硬強(qiáng)度以下和層理較發(fā)育的圍巖，在各種壓力的共同作用下出現(xiàn)松動(dòng)破壞、松脫壓力造成的支護(hù)失效。同時(shí)，軟弱巖石在集中壓力的長期作用下，出現(xiàn)的體積膨脹、流變變形造成支護(hù)失效。巷道的破壞，在開采淺部時(shí)，對同樣強(qiáng)度的巖石而言，破壞現(xiàn)象并非非常明顯。巷道位置深度是確定巷道穩(wěn)定性的因素，這也與頂、底板巖石的應(yīng)力狀態(tài)息息相關(guān)。

不同的采礦深度有著不同的煤巖力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而決定了各類礦壓特點(diǎn)。例如，采煤工作面前方開采煤層的變形；因其回采而形成的支承壓力的不同及范圍；工作面與采空區(qū)上方“粱”和“拱”的結(jié)構(gòu)；巷道頂?shù)装寮皟蓭蛶r石采動(dòng)影響的臨界深度；煤與瓦斯突出、沖擊礦壓出現(xiàn)的頻率；伴隨開采而出現(xiàn)的冒頂、底鼓、煤層擠出等現(xiàn)象，取決于煤巖的強(qiáng)度參數(shù)，與采深有直接關(guān)系。

第一，深度為400 m時(shí)，巷幫壓力超過了煤的平均抗壓強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)維護(hù)煤幫困難，越深煤被壓縮的程度越大。因其減少了巷幫頂、底板間的摩擦力及頂?shù)装逡平霈F(xiàn)的夾持力，同時(shí)距巷幫深處彈性區(qū)的彈性提高，更易于出現(xiàn)煤的突出，而這與構(gòu)造應(yīng)力相關(guān)。

第二，軟弱泥巖應(yīng)力超限初次顯現(xiàn)的深度約為600 m，而砂巖則為900 m。從兩巖石的平均強(qiáng)度看，泥巖在14 00 m以下深度方可發(fā)生類似于巖石突出的應(yīng)力超限。在砂巖中，當(dāng)前開采深度內(nèi)一般不發(fā)生這種現(xiàn)象。

第三，因其砂巖抗壓強(qiáng)度隨采深增加而增加的梯度大，所以在深井的開采中，采取有效措施和方法把巷道布置在堅(jiān)硬的砂巖中。

第四，在一些礦井及深井，煤巷的比例較大，因此隨采深的增加，避免煤巷片幫會(huì)成為深井開采中的主要問題。深井煤巷的支護(hù)必須加緊進(jìn)行研究。

第五，在同樣的煤系地層中，頂板發(fā)生斷裂的跨距隨著采煤深度的增大而減少，由于采深越大，煤壓的范圍越大，失控的跨距越大。所以，要通過現(xiàn)場的礦壓觀測，掌握好初次垮落、初次來壓及周期來壓步距，不可類比此礦淺部開采的礦壓參數(shù)，以確保礦井安全。

第六，在有軟底煤層中，大深度巷道的底鼓要比淺部巷道嚴(yán)重得多。

2 與沖擊地壓密切相關(guān)的自然地質(zhì)條件

從出現(xiàn)過發(fā)生沖擊地壓的煤層看，都有沖擊地壓現(xiàn)象的記錄；從煤層賦存狀況看，從薄煤層到特厚煤層，傾角可從近水平到急傾斜，煤層的走向變化有單斜的，有褶曲的；從煤層的瓦斯等級看，有高瓦斯的，有低瓦斯的，等等。發(fā)生沖擊地壓的煤層多種多樣。同時(shí)，沖擊地壓的出現(xiàn)也受其外部環(huán)境的影響。

2.1 采煤深度

采煤深度因素是沖擊地壓出現(xiàn)的外部因素。沖擊地壓的類型不同，通常出現(xiàn)沖擊地壓的臨界深度為200 m以上。

東歐某國曾對此問題做過試驗(yàn)研究。巷道周邊煤巖應(yīng)力隨采深變化曲線如圖1所示。巷道周邊煤體應(yīng)力隨采深變化情況見表1所列。

表1 巷道周邊不同抗壓強(qiáng)度煤巖所受應(yīng)力隨采深變化情況Tab.1 Stress of coal and rock with different compressive strength around the roadway changes with mining depth

從煤的強(qiáng)度看，深度450 m左右，煤體遭到破壞；當(dāng)σcm=20 MPa，深度超過610 m時(shí)，煤體遭到破壞；當(dāng)σcm=25 MPa，深度超過750 m時(shí)，煤體將遭到破壞；當(dāng)σcm=30 MPa，深度超過880 m時(shí)，煤體會(huì)遭到破壞。上述幾種情況的臨界深度充分說明，不同的煤體、臨界深度、煤體會(huì)遭到不同程度的破壞，為煤的擠出甚至突出提供條件。

圖1 巷道周邊不同抗壓強(qiáng)度煤巖所受應(yīng)力隨采深變化曲線Fig.1 Stress curve of coal and rock with different compressive strength around roadway with mining depth

2.2 煤層頂?shù)装鍙?qiáng)度

在頂?shù)装鍙?qiáng)度高的條件下，開采后的懸露面積較大，頂?shù)装宓南鄬\(yùn)動(dòng)對煤體形成夾持作用，在煤體一定深度范圍內(nèi)形成較高支承壓力，促使煤體變形。同時(shí)，因頂?shù)装鍙?qiáng)度較高，變形量小，煤體中積聚的能量不易被頂?shù)装逵捎谄扑槎眨菀装l(fā)生沖擊地壓。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對沖擊地壓的出現(xiàn)具有較大的影響。當(dāng)采掘接近大斷層時(shí)，可能出現(xiàn)強(qiáng)度較大的沖擊地壓，這是由于頂板巖粱被折斷后，失去或減少了傳遞力的聯(lián)系，易于出現(xiàn)應(yīng)力集中和大范圍內(nèi)的頂板活動(dòng)，此時(shí)出現(xiàn)沖擊地壓的強(qiáng)度也較大。