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(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

硬厚堅(jiān)硬頂板與煤層之間距離越小，煤層開采時(shí)對工作面造成的沖擊危險(xiǎn)性就越大。煤巖體內(nèi)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(dāng)較厚的煤層頂板出現(xiàn)斷裂時(shí)，會(huì)釋放出大量的彈性能，且由于巖體阻力使震動(dòng)波發(fā)出的能量呈一定的衰減指數(shù)或者冪指數(shù)，使釋放出的大量彈性能被消耗。所以，沖擊地壓的危險(xiǎn)程度與頂板距煤層的距離密切相關(guān)。

1 頂板巖層對煤體應(yīng)力狀態(tài)的影響

井田煤層貯藏穩(wěn)定，均為優(yōu)質(zhì)無煙煤。可采煤層8層，主采3#、8#、15#煤。一期工程可采儲(chǔ)量1.6億t，采區(qū)服務(wù)年限52.4a，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力220萬t，采高是7m。隨著3213工作面的逐步推進(jìn)，頂板的巖層出現(xiàn)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(qiáng)度有關(guān)。一般從開切眼開始，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，在開采過程中會(huì)產(chǎn)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(huì)出現(xiàn)峰值，能量釋放與巖層厚度之間有一定的關(guān)系，如圖1、圖2所示。

圖1 動(dòng)能隨巖層參數(shù)改變而變化

圖2 巖體強(qiáng)度為120MPa時(shí)的動(dòng)能

由圖可以看出，頂板破斷或滑動(dòng)過程產(chǎn)生的動(dòng)能與巖體強(qiáng)度呈對數(shù)關(guān)系、與厚度呈指數(shù)關(guān)系增長，動(dòng)能Ek隨頂板巖層強(qiáng)度σ、厚度h的變化規(guī)律分別為：

式中A，B，γ，λ為系數(shù)，因此頂板巖層越厚或越堅(jiān)硬，巖層運(yùn)動(dòng)時(shí)危險(xiǎn)程度越高。

2 頂板斷裂震動(dòng)對煤體沖擊危險(xiǎn)性的影響

使用混凝土模擬巖層頂板，當(dāng)發(fā)生斷裂時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)情況，記錄巖板斷裂時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)、聲發(fā)射和應(yīng)力等變化，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3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(yàn)機(jī)上進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

從實(shí)驗(yàn)中可以得出結(jié)論，頂板發(fā)生斷裂后，震動(dòng)波、聲發(fā)射、應(yīng)力這些參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著的變化，震動(dòng)波表現(xiàn)出的規(guī)律為震動(dòng)具有持續(xù)性，持續(xù)一定的時(shí)間之后波形才逐漸減緩，見圖4。

圖4 頂板斷裂時(shí)信號特征

實(shí)踐證明，當(dāng)頂板來壓時(shí)，煤體處于高應(yīng)力作用下，積聚的能量會(huì)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(xiàn)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(qiáng)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(yīng)力增加，發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性增加，當(dāng)深度達(dá)到一定的臨界值時(shí)，煤巖自身的應(yīng)力達(dá)到煤體發(fā)生破壞的臨界值，沖擊地壓隨時(shí)可能發(fā)生。臨界深度受煤層性質(zhì)以及井田賦存狀態(tài)影響較大。

沖擊地壓發(fā)生的一個(gè)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(yīng)力破壞重新平衡，在巷道與工作面四周出現(xiàn)支承壓力增高區(qū)和應(yīng)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(yīng)力增高區(qū)最為顯著。

隨著礦井開采活動(dòng)的進(jìn)行，開采深度不斷增加，沖擊地壓對煤礦生產(chǎn)活動(dòng)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(dòng)力現(xiàn)象的區(qū)域性強(qiáng)，隨著震級的增大，影響強(qiáng)度增大。

（2）頂板巖層與采深之間存在一定的關(guān)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(yīng)力逐漸向頂板底板移動(dòng)，而垂直方向的應(yīng)力逐漸向兩幫移動(dòng)；垂直方向的應(yīng)力的影響程度較大；礦井在深部區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力比較突出，水平壓力也表現(xiàn)出一定的方向性。

（4）礦井深部開采活動(dòng)進(jìn)行時(shí)，巷道兩幫會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形。

（5）軟巖沖擊地壓的一種主要的表現(xiàn)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(xiǎn)程度高的沖擊地壓很少發(fā)生，

（6）松軟巖性的巖石內(nèi)部積聚的彈性能容易消散，由于礦井深部的高應(yīng)力圍巖質(zhì)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(dòng)對形成沖擊地壓具有較大影響：一是開采活動(dòng)進(jìn)行時(shí)會(huì)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，增大沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性，例如留設(shè)各種煤柱，形成較多高應(yīng)力集中區(qū)，增加了沖擊地壓發(fā)生的概率；二是開采活動(dòng)進(jìn)行時(shí)導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的改變，如放炮震動(dòng)。

3.2 炮采工作面誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理分析

圖5 煤層內(nèi)破壞情況

在放炮震動(dòng)影響下產(chǎn)生的沖擊地壓主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是受放炮震動(dòng)的影響，煤體的應(yīng)力劃分重新分布，加速煤體產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致圍巖更容易失去穩(wěn)定；另一方面是放炮產(chǎn)生的震動(dòng)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(nèi)的摩擦阻力在放炮震動(dòng)作用下一定時(shí)間內(nèi)突然消失，使極限平衡區(qū)在破碎區(qū)一側(cè)的約束力消失，進(jìn)而誘發(fā)了煤層沖擊式破壞，使整體結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定(如圖5示)。由此可看出，震動(dòng)對巷道穩(wěn)定性產(chǎn)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(guān)系

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

（1）工作面布置距離較長，但采區(qū)布置個(gè)數(shù)較少，優(yōu)化的布局使得煤礦開采活動(dòng)可以高效合理的進(jìn)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(yīng)力集中而產(chǎn)生沖擊地壓的概率；

（3）采區(qū)工作面的液壓支架支護(hù)強(qiáng)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(dòng)的安全進(jìn)行；

（4）巷道使用錨網(wǎng)與U型棚的聯(lián)合支護(hù)，既可以承受靜態(tài)的載荷，又可以承受動(dòng)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(guān)系

采場支承壓力對巷道頂?shù)装寮懊簩佑兄匾绊懀饕憩F(xiàn)為：煤礦開采活動(dòng)引起的應(yīng)力重新分布導(dǎo)致煤壁坍塌，頂板冒頂和底板底鼓，可能帶來沖擊地壓的產(chǎn)生和煤層突出等危險(xiǎn)。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(jié)構(gòu)，其不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生由支承壓力影響帶來的周期來壓，因此會(huì)使大采高工作面的損壞更加嚴(yán)重，支架受到更加強(qiáng)烈的沖擊載荷，影響開采活動(dòng)的安全高效進(jìn)行。

前人利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行了大量的研究，對大采高工作面支承壓力分布特點(diǎn)進(jìn)行了概述，得出大采高支承壓力分布影響范圍更加廣泛，應(yīng)力集中系數(shù)保持一定的穩(wěn)定性。

有關(guān)學(xué)者曾利用FLAC數(shù)值分析軟件和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法對比研究了大采高工作面支承壓力分布的特點(diǎn)，結(jié)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(yīng)力集中的系數(shù)基本穩(wěn)定。

4 結(jié)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(jìn)行了重點(diǎn)分析。研究結(jié)果認(rèn)為：（1）堅(jiān)硬或較厚的頂板巖層會(huì)對煤體影響更大，產(chǎn)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性也會(huì)越大；（2）頂板巖層斷裂是一個(gè)能量突變過程，其產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間后再逐漸消失，使產(chǎn)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性升高；（3）堅(jiān)硬或較厚的頂板對煤體影響產(chǎn)生沖擊地壓主要有兩種表現(xiàn)形式——煤層型沖擊地壓和頂板型沖擊地壓。