上保護層開采沖擊地壓成因研究

王 星

（大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037000）

同煤集團下屬塔山礦煤層開采后，采空區上部巖層重量將向采空區周圍新的支承點轉移，在采空區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煤體上形成固定支承壓力（殘余支承壓力）[1]。相鄰采空區邊界或遺留煤柱所形成的支承壓力會在某些地點形成疊合支承壓力[2]。支承壓力不僅在回采空間周圍煤（體）柱上造成應力集中，在保護層開采過程中誘發沖擊，還會向底板深部轉移、傳遞，對影響范圍內底板巷道與工作面造成沖擊危險[3]。因此上保護層工作面支承壓力大小及分布情況直接關系到被保護層應力集中及沖擊地壓發生情況[4]，是形成被保護層沖擊地壓的重要原因[5]。

1 支承壓力分布狀態分析

（1）支承壓力極限平衡狀態計算。支承壓力的顯現特征通過支承壓力分布范圍、分布形式和應力峰值表示。應力增高系數、煤壁邊緣破裂區寬度、塑性區寬度、支承壓力的影響距離等都是確定支承壓力的重要參數。受支承壓力影響，煤壁前方一定距離內存在極限平衡狀態，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

根據采場前方煤體受力關系如圖1所示，建立極限平衡方程

式中：

f-層面間的摩擦因數；

m-采高，m。

根據極限平衡區的條件有：

由此：

將上式帶入極限平衡方程式（1）中，可求得

當x=0，σy=N0時，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、采高等有重要關系。研究表明：當采高增大、煤幫支承能力變弱時，支承壓力峰值將減小，且向深部轉移，支承壓力影響范圍變大，應力集中情況變小。

（2）支承壓力分布對卸壓作用的影響。若上保護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L1，在應力峰值附近形成的明顯影響區域為L4。此時受支承壓力影響，在底板中形成的應力等值線如圖中y1所示。當采高增大或煤層強度降低時，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，且往深部轉移，這相當于變相增加了工作面的有效長度。應力峰值的減小與深部轉移，導致其在底板中形成的等值應力曲線向下部移動，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層煤體、增大采高、增大煤壁處破碎區范圍等，對上保護層應力集中邊界卸壓，實現保護層支承壓力向深部轉移，有利于被保護層沖擊地壓的防治工作。

圖2 支承壓力對卸壓作用的影響示意圖

2 煤柱應力狀態分析

英國學者A.H.威爾遜經大量研究后提出了煤柱的兩區約束理論，煤柱在加載的過程中應力是變化的，按其受力特點可將其分為煤柱屈服區和煤柱核區[5]。屈服區特點為：煤體應力超過屈服點，并且具有一定的流動性。其范圍為煤柱應力峰值σ1到煤柱邊界這一區段，寬度可用a表示。煤柱核區特點為：被屈服區包圍并受屈服區約束，處于三軸應力狀態，大體符合彈性法則。煤柱尺寸較小（存在核區），支承壓力將會在煤柱內部產生應力疊加，會形成較高的煤柱支承壓力；在煤柱核區尺寸較大時，彈性核區內有一部分核區的應力為原巖應力，這部分核區為原巖應力區。如圖3所示。

圖3 煤柱屈服區及其彈性核區

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

式中：

M-采高，m；

H-采深，m；

k-應力集中系數；

C-煤體的內聚力，kN；

φ-煤體的內摩擦角，（°）；

γ-采場上覆巖層的平均容重，kN/m3；

f-煤層與頂底板接觸面的摩擦系數，f=tgφ；

ζ-三軸應力系數，

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

塔山煤礦2煤內摩擦角φ=23.3°，采高M=1.65m，采深H=700m；采場上覆巖層的平均容重γ=25，應力集中系數k=5。經計算，得x0=2.52m。塔山煤礦區段護巷煤柱為7～15m，滿足煤柱穩定條件。

3 斷層區域應力狀態分析

由于斷層破壞了巖層的整體性，當工作面推進時，工作面的應力分布受到斷層影響很大，尤其是當工作面推進到斷層附近時，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力區。工作面開始回采后形成的側向支承壓力會使在側向支承壓力影響范圍內的煤層承受的壓力較大，當工作面和斷層間的煤柱的應力集中引起斷層區域頂板的劇烈運動時，會釋放大量的能量（煤體內的彈性能以及頂板做功產生的能量），發生沖擊地壓的危險性就高，正斷層前后應力分布如圖4所示。

圖4 正斷層斷層面前后應力分布圖

4 沖擊成因分析

上保護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力集中，應力集中情況還會向底板深部轉移、傳遞，圖5為一側采空煤體，作用于煤體上的支承壓力峰值為3γh時，支承壓力在底板中的應力集中情況；圖6為保護層兩側采空穩定窄煤柱（超前支承壓力影響范圍為B，集中應力峰值為5γh）應力在底板中的集中情況。

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

圖5 支承壓力引起的應力集中分布圖

圖6 煤柱應力引起的應力集中分布圖

若巷道布置在應力集中區域，不僅巷道自身在掘進過程中處于高應力集中狀態，極易誘發沖擊地壓。在工作面回采時，受上層煤柱所傳遞的集中應力及本層開采支承壓力的共同作用，應力疊加十分嚴重，是被保護層沖擊地壓發生的根本原因。

5 結語

本文將上保護層開采沖擊地壓成因類型分為環境成因（支承壓力）、煤柱成因及地質成因，并分析了被保護層掘進及回采期間沖擊地壓發生機理。