工程缺陷體對沖擊煤巖體的改性機制研究與實踐

寇天司，潘立友，陳理強

（山東科技大學采礦工程研究院，山東 泰安 271000）

隨著淺部煤炭資源的日益枯竭，我國大部分煤礦已不同程度的進入深部開采。深部開采帶來諸多災害問題，其中沖擊地壓災害尤為突出，已嚴重影響到煤礦安全生產。由于深度的不斷增加，沖擊地壓顯現越來越嚴重，如義馬集團千秋煤礦、山能集團龍鄆煤礦和龍固煤礦、吉林龍家堡煤礦等發生的沖擊地壓事故，造成生產系統嚴重破壞、幾百米范圍內的巷道圍巖變形嚴重、造成人員傷亡和財產巨大損失。像這種沖擊能量高（1 次事件能量≥107J）、波及范圍廣（破壞范圍≥200 m）、破壞程度重的沖擊地壓災害屬于重大沖擊地壓災害[1-2]。重大沖擊地壓災害釋放能量大，其發生機理和防治方法不同于一般的沖擊地壓，有必要從改變采場煤巖層沖擊傾向性方面入手進行深入研究，并結合采掘工程進行人為改變煤巖體沖擊傾向性，從而達到控制重大沖擊災害的目的[3-5]。

我國專家和學者對沖擊地壓防治研究已有了較大進展。姜耀東等[6]認為防治沖擊地壓的關鍵是分析沖擊煤體的應力集中狀態和能量分布規律，具有針對性的解除應力和釋放能量，減弱失穩區域的沖擊危險性；潘一山等[7]基于巷道圍巖和支護結構的互饋作用，設計了快速讓位吸能防沖支護體系，利用剛性和柔性耦合機制加大巷道圍巖強度，增強巷道抗沖擊能力，保證巷道的完整性；竇林名等[8]根據煤體的物理力學性質，提出了利用強度弱化減沖理論防治沖擊地壓，采用鉆孔和爆破等方法減弱煤體強度和沖擊傾向性，使煤體積聚的能量小于最小沖擊能量；齊慶新等[9]提出了應力控制理論，分別研究了原巖應力、構造應力和采動應力影響的沖擊誘發機制，并從應力控制角度對沖擊地壓防治進行了現場實施；姜福興等[10]在總結了防沖實踐的基礎上，對沖擊地壓治理的成套體系進行了闡述，并提出了“強卸壓、強監測和強防護”的防治技術；潘俊鋒等[11]根據沖擊地壓啟動理論，通過合理采掘關系對沖擊地壓進行大范圍靜載荷“疏導”，能夠降低或消除沖擊危險。以上研究對防治沖擊地壓發揮著重要作用，但對大面積高應力區、能量級別大的重大沖擊地壓災害防治問題還沒有完全解決，需要進行深入的研究。為此，針對重大沖擊地壓災害的工程顯現特征，提出了工程缺陷體防控重大沖擊地壓的理論基礎；利用人為制造工程缺陷體的方法[12-15]，對沖擊地壓危險區域的沖擊煤巖體的傾向性及力學性質進行人為改變，實現能量有序釋放，有效控制沖擊危險程度，該方法在沖擊煤層采場進行了應用，效果顯著。

1 工程缺陷體的概念及其分類

1.1 工程缺陷體的概念

通過有目的人為開挖與施工，制造出的不同尺寸的空間稱為工程缺陷，工程缺陷與周圍的破壞裂隙煤巖體稱為工程缺陷體，工程缺陷體含有原始缺陷與工程施工體。巷道掘進、硐室開挖、工作面推進均屬于人為制造工程缺陷體的施工。

利用工程缺陷體改造（改變）煤巖體沖擊屬性與物性，由完整體向裂隙體、碎裂體轉變，切斷了煤巖體原有的連續性，達到應力分布形態發生變化、能量演化規律（路徑）發生轉變與改變，由瞬間釋放彈性能改變為緩慢耗散彈性能，使沖擊能被缺陷體及其周圍介質進行耗散和吸收，減弱能量的傳播大小，達到控制沖擊能量有序釋放的目的，從而實現沖擊地壓的有效防控。

1.2 工程缺陷體的分類

工程缺陷體是缺陷防控技術的主要組成部分，根據其空間形態和大小可分為立體型工程缺陷體、準立體型工程缺陷體、平面型工程缺陷體等。

1）立體型工程缺陷體。是指體積較大的立體結構體，可以由保護層和保護區組合而成，也可對薄煤層和較軟巖層進行人為工程后形成；主要利用采場礦壓形成的立體缺陷防控沖擊地壓，在立體缺陷體內布置巷道與硐室，能夠對重大沖擊地壓災害起到整體控制作用。

2）準立體型工程缺陷體。是指局部立體型工程缺陷體，一般布置在采場的近場范圍內，如厚煤層的卸壓巷與工藝巷、中厚煤層瓦斯抽放巷等。

3）平面型工程缺陷體。是指在本煤層及直接頂底板實施的工程缺陷體，如煤層大尺度硐室卸壓、斷（挑）頂、斷底等。

2 沖擊煤體的能量演化特征

2.1 沖擊煤體的變形破壞力學特性

沖擊煤體一般為脆性材料，其力學特性不同于一般煤體，在變形速度、破壞形態、能量積聚與釋放等方面有顯著差異。沖擊煤體在一般情況下都具有較高的強度和高均質度。不同均質度完整沖擊煤體應力應變曲線如圖1，m 為均質度。

圖1 不同均質度完整沖擊煤體應力應變曲線Fig.1 Complete stress-strain curves of coal impacted by different homogeneity

在應力應變曲線達到峰值之前，煤體處于彈性變形階段，在此階段能夠積聚大量的彈性能；當達到峰值時，便會直接出現“跳躍式”的突變階段，應力瞬間下降，之前積聚的彈性能基本全部釋放，釋放能量級別大，破壞性強[16]。沖擊煤體由彈性變形階段“躍過”塑性變形階段直接進入突變階段，能量沒有經過塑性階段的緩沖耗散而突然轉化為動能釋放，完成沖擊破壞過程。塑性變形階段的缺失是沖擊煤體與一般煤體的本質區別，能量的突然釋放模式是沖擊煤體獨有的表現形式，在采場周圍以突然的主震方式釋放能量。

2.2 不同力學性質煤體的能量演化規律

沖擊煤體在變形破壞過程中，不同結構煤體產生不同的破壞效果。不同結構煤體的能量演化如圖2。不同結構煤體的應力應變曲線如圖3。

圖3 不同煤體的應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of different coal bodies

由圖2 可知，沖擊煤體在外力做功的作用下，將外界機械能傳入煤體內部，轉化成為輸入能U。假設輸入能只表現為提供煤體破壞動力的動能UV和使煤體塑性變形的耗散能UD，那么可以表達為：U=UD+UV。輸入能在煤體內部進行各種耗散和積聚，當外力作用達到煤體變形破壞極限時，便會以動能的形式釋放積聚的彈性能。

圖2 不同煤巖結構的能量演化Fig.2 Energy evolution of different coal rock structures

從圖3 完整體、裂隙體和工程缺陷體3 種煤體的應力應變曲線可對比其能量演化規律：

1）當沖擊煤體為完整體時（圖3 中曲線1），煤體內部基本沒有節理、裂隙等缺陷，使得絕大部分輸入能以彈性應變能的形式積聚并儲存在沖擊煤體中，達到破壞峰值后彈性能急劇釋放，基本上全部以動能UV1的形式釋放出來，只有極少的輸入能經裂隙轉化為耗散能UD1，并以內能、表面能和塑性能的形式緩慢耗散。完整煤體的可釋放彈性應變能轉化為動能的占比極大，耗散能占比則很少，可表示為：UD1＜＜UV1。

2）煤體為裂隙體時（圖3 中曲線2），煤體內部存在較多的裂隙、孔洞，使得煤體的強度降低，外力做功后輸入能的大部分繼續轉化為彈性能儲存在煤體中，而另一部分輸入能則用于裂隙、孔洞的張裂、閉合和破壞，并以各種形式形成耗散能UD2。積聚的彈性能超過峰值后依然以動能的形式釋放，但動能UV2遠小于完整體的破壞動能UV1，并與耗散能UD2的占比相差不大，可表示為：UD2≤UV2。

3）對沖擊煤體進行人工制造缺陷體（圖3 中曲線3），形成工程缺陷體結構，工程缺陷體切斷了煤體的連續性，阻止了應力和能量的傳遞。此時外力做功，輸入能轉化為彈性能的占比則會變小，大部分將轉化為耗散能作用在工程缺陷體上，工程缺陷體會分散和吸收大量的輸入能并形成以塑性變形能為主的耗散能UD3，而積聚的彈性能會因達不到或接近破壞極限而釋放少量動能UV3，出現動能“缺失”現象，可以表示為：UD3＞＞UV3。在有工程缺陷體的煤體中，能量大部分轉化為耗散能。

3 工程缺陷體改變煤體沖擊傾向性的力學機制

由沖擊煤體的全應力應變曲線[17-19]可知，沖擊煤體在達到峰值后瞬間破壞，由彈性階段直接進入突變階段，應力突然下降，釋放大量能量。若在煤體中制造缺陷體，能夠延長煤體的塑性變形階段，加大峰前能量的釋放程度，減弱煤體破壞時能量釋放的大小。由此利用煤體的彈性能指數和沖擊能指數2個指標來對工程缺陷體降低沖擊傾向性進行分析。

3.1 工程缺陷體對彈性能指數的控制

彈性能指數是指對煤體進行單軸壓縮實驗時，壓力到達80%～90%時再卸壓，彈性能ΦSP與耗散能ΦST的比值WET，可以表示為：WET=ΦSP/ΦST。由表達式可知，比值越大，說明煤體積聚的彈性能越大或損失的耗散能越小，那么彈性能指數越大，導致煤體沖擊傾向性增加。

根據工程缺陷體對能量的耗散作用，得出的有無缺陷體的彈性能指數示意圖如圖4。

圖4 有無缺陷體的彈性能指數示意圖Fig.4 Elastic energy index diagram with or without defects

曲線Ⅰ是基本無缺陷煤體的應力應變曲線，曲線Ⅱ是制造缺陷煤體的應力應變曲線。由圖4 可知，S（ABC）表征完整煤體的彈性能，S（OAC）為完整煤體的耗散能；S（A′B′C′）為缺陷煤體的彈性能，S（ODA′C′）為缺陷煤體的耗散能，則：

式中：△V 為工程缺陷體積，m3；RC為單軸抗壓強度，MPa；dl為工程缺陷形成的裂隙密度，kg/m3；ρq為工程缺陷體空間密度，kg/m3。

由于△V 為工程缺陷體體積，空間較大，必然造成塑性變形顯著增大，導致S（ODA′C′）大幅度增加，即WET2＜＜WET1。完整煤體因強度大，積聚的彈性能較多，損失的耗散能很小，導致完整煤體的彈性能指數增加，具有強沖擊危險。在煤體中工程制造缺陷體后，工程缺陷體阻止了應力和能量的傳遞，延長了煤體的塑性變形（圖4 中DA′），使得耗散能比重增大，降低了彈性能的儲能比重，減小了彈性能指數，沖擊傾向性大幅度減弱。

3.2 工程缺陷體對沖擊能指數的控制

沖擊能指數是指在沖擊煤體的全應力應變曲線中，峰值前面積FS與峰值后面積FX的比值KE，可以表示為：KE=FS/FX。根據公式可得出：峰值前面積越大或峰值后面積越小，會導致沖擊能指數的增加，若要降低沖擊危險性，必須減小峰值前面積或增加峰值后面積。

工程缺陷體不僅可以對增加煤體破壞前塑性變形階段，而且可以減弱破壞后能量的釋放速度，加大破壞后煤體的變形量。有無缺陷體的沖擊能指數示意圖如圖5。

圖5 有無缺陷體的沖擊能指數示意圖Fig.5 Chart of impact energy index with or without defects

曲線Ⅲ、Ⅳ分別為完整煤體和缺陷煤體的全應力應變曲線。根據沖擊能指數的定義，可知S（OAFB）為完整煤體的峰前面積，S（FDEB）為完整煤體的峰后面積；S（OA′F′B′）為缺陷煤體的峰前面積，S（F′D′E′B′）為缺陷煤體的峰后面積，則：

顯然KE2＜＜KE1，完整煤體由于塑性階段的“缺失”，由彈性階段直接進入突變階段，煤體瞬間破壞，峰后應力急速下降，能量一次性釋放，沖擊危險性大。對沖擊煤體制造缺陷后，工程缺陷體可以減緩煤體破壞后的能量釋放速度和程度，延長峰后破壞時間，增大煤體破壞后的塑性變形，加大了峰后面積的占比，從整體上降低沖擊能指數的大小，從而減少沖擊危險。

4 工程缺陷體防控重大沖擊地壓機理

工程缺陷體防控沖擊地壓的原理是利用工程缺陷體自身的耗能性質[20]，切斷煤巖體的連續性，利用裂隙與碎裂介質可產生緩慢塑性大變形特性，實現沖擊能量有序緩慢耗散釋放。通過人為缺陷的施工可改變煤體應力分布形態、沖擊能量積聚和釋放模式，將較大能量分割成中、小能量，并使其在有效的時空內得以連續、均衡、緩慢地釋放，防止重大沖擊地壓的發生[21]。煤層準立體工程缺陷體模擬結果如圖6。巖層準立體工程缺陷體模擬結果如圖7。

圖6 煤層準立體工程缺陷體模擬結果Fig.6 Simulation results of quasi three-dimensional engineering defect body in coal seam

圖7 巖層準立體工程缺陷體模擬結果Fig.7 Simulation results of quasi three-dimensional engineering defect body in rock stratum

從圖6 可以看出，工程缺陷體在力源的作用下變形嚴重，能量在工程缺陷體周圍大幅度釋放，工程缺陷體及其周圍卸壓區耗散能量，下部巷道沒有應力集中和能量積聚現象，巷道也沒有出現大的變形和破壞，證明巷道得到了很好的保護。

由圖7 可以看出，工程缺陷體在上部巖層作用下變形嚴重，能量在工程缺陷體周圍（特別是煤層內）大幅度釋放，工程缺陷體及其周圍卸壓區耗散能量，下部巷道沒有應力集中和能量積聚現象，巷道也沒有出現大的變形和破壞，證明巷道得到了很好的保護。

平面工程缺陷體布置示意圖如圖8。

圖8 平面工程缺陷體布置示意圖Fig.8 Plane engineering defect body layout diagram

為了減弱沖擊能量強度，控制沖擊能量釋放速度，在巷道兩幫根據不同開采環境制造相應工程缺陷體，工程缺陷體切斷煤體的連續性，將整體危險區域分割為若干個次級能量區域，將積聚在巷道周圍的能量轉移到工程缺陷體內進行釋放，假設沖擊煤巖體內部儲存的能量大小為U，具有高能級的沖擊能量，能夠發生較大級別的沖擊災害。根據分割原理在沖擊危險區域設置n 個工程缺陷體，相當于對沖擊能量U 進行n 次分割。

那么在n 個工程缺陷體共同作用下，經工程缺陷體分割后的能量減弱為：

式中：kc為能量傳遞系數；E 為彈性模量，kPa；μ為泊松比；ρ 為煤巖體密度，t/m3；H 為埋深，m；β1為煤層能量衰減系數；β2為工程缺陷體能量衰減系數；lv為能量源距離工程缺陷體距離，m；lw為工程缺陷體平均長度，m。

由式（5）、式（6）可以看出，通過增加n、提高β2使得含工程缺陷體的巷道圍巖能量小于沖擊地壓的臨界能量U0，巷道便處于安全狀態。

5 工程實踐

5.1 工作面概況

3137 工作面屬于趙各莊礦十三水平12 煤層西翼采區。工作面標高為-994.7～-1 097.0 m，地面標高為+40 m，最大垂深1 137.0 m；工作面走向長246.0 m，傾斜長75.0 m。煤層傾角9°～32°，平均傾角20°，煤層結構簡單，煤層厚度在8.5～11.2 m 之間，平均9.7 m，硬度系數為1.54。煤層頂板依次為6.32 m 厚的泥質黏土巖、2.38 m 厚的粉砂巖、6.94 m厚的細砂巖及11.79 m 厚的中砂巖，底板為粉砂巖。上至12 水平，12 水平以上工作面回采完畢，下至13水平，13 水平以下尚無采掘工程；西至13 西1 石門上山，上山以西為3137 西面回采完畢，東至東Ⅲ斷層煤柱線。3137 工作面位于寬緩向斜核部，受向斜構造影響，構造應力集中，加上臨近采空區，使得3137 工作面積聚的彈性能足以達到發生嚴重破壞的程度，需要從整體上進行沖擊地壓的防控。

工作面推進自東向西推進，停采線位于向斜軸部區域，開采末期沖擊危險性極高，3137 工作面危險區域示意圖如圖9。

圖9 3137 工作面危險區域示意圖Fig.9 Schematic diagram of dangerous area of3137 working face

該區域掘進煤層巷道期間伴隨大的沖擊顯現，由于工作面逐步推向軸部，造成開采應力與構造應力的疊加，容易發生復合型沖擊地壓。

5.2 工程缺陷體布置

3137 工作面工程缺陷體布置示意圖如圖10，3137 工作面工程缺陷體剖面示意圖如圖11。

圖10 3137 工作面工程缺陷體布置示意圖Fig.10 Engineering defect body layout diagram of 3137 working face

圖11 3137 工作面工程缺陷體剖面示意圖Fig.11 Schematic diagram of engineering defect body section of 3137 working face

沖擊地壓危險區域為上山及以東區域，強危險區域為工作面巷道終采線至上山區域（圖9 斜線區）。根據3137 工作面地質開采條件、開采順序，分別對3 個工作面設計了準立體工程缺陷體布置方式。東一面在運輸巷道斜上部煤層中設計了準立體工程缺陷體，開掘了1 條長80 m 的卸壓巷，并對卸壓巷底煤進行爆破處理，卸壓巷與運輸巷道之間煤柱寬7 m；在東二面、東三面運輸巷道采用東一面同樣的工程缺陷體，3137 東一面開采后，進行東二面巷道掘進和工作面回采時，由于時間間隔短，東一面采空區巖層還在運動，所以要考慮東一面采空區對東二面的影響，對于東三面，同樣考慮東二面的影響，因此在東二、東三面軌道巷道的頂板設計了工程缺陷體，在直接頂內掘進巷道，并對巷道底煤進行爆破。

5.3 工程缺陷體防控效果

3 個工作面回采前，在副上山與運輸巷道布置孔應力計，監測應力變化情況。以東一面為例進行分析，應力監測儀器布置示意圖如圖12。應力計變化曲線如圖13。

圖12 應力監測儀器布置示意圖Fig.12 Schematic layout of stress monitoring instruments

圖13 應力計變化曲線Fig.13 Variation curves of stress gauge

A、B、C 分別代表鉆孔與工作面佟采線位置區域的鉆孔實測曲線，A、B 區域鉆孔應力數值基本符合超前支承壓力分布曲線，數值均低于預警值；C 區域鉆孔應力傳感器數值整體較小，且波動變化不大，未出現突變。由圖13 可知，通過實施大尺度工程缺陷體，工作面運輸巷道未出現應力異常現象，沖擊地壓顯現不明顯。

6 結 語

1）工程缺陷體延長了沖擊煤體的塑性變形階段，加大了破壞峰值前能量釋放程度，減弱了峰值后能量釋放速度，具有轉移應力和耗散能量等作用，能切斷應力傳遞和耗散能量。

2）工程缺陷體可以改變煤巖結構的能量演化規律，將沖擊能量轉化為耗散能，減小彈性能的占比，降低沖擊地壓發生時動能的能級，將較大沖擊能量分割成低能量，能夠控制沖擊能量的有序緩慢釋放。

3）揭示了工程缺陷體防控重大沖擊地壓機理，并在具體工作面進行了實踐，經過效果檢驗，驗證了工程缺陷體對重大沖擊地壓的防控效果。