煤礦沖擊地壓應力控制

黃太光

龍煤鶴崗礦業公司生產技術部 黑龍江 鶴崗 154100

前言

近年來，鶴崗礦區煤礦開采深度向下延伸，大部分煤礦已進入深部開采，峻德、興安、富力、新陸四個煤礦煤炭資源富集區域主體開采深度已達到800 m 以下，部分煤礦采深甚至達到1000 m。

1 煤礦沖擊地壓發生機理綜述

1.1 基礎性煤礦沖擊地壓發生機理 基礎性煤礦沖擊地壓發生機理主要是強度理論、剛度理論、能量理論和沖擊傾向性理論，最早的沖擊地壓發生機理是由庫克于1951年提出的強度理論，該理論從材料強度的角度來認識沖擊地壓發生機理，認為沖擊地壓的發生本質上是構成礦體與圍巖最基本的元素強度遭到了破壞，基本元素的強度是有極限的，當其強度達到極限時就會難以承擔其所受到的載荷，從而遭到破壞導致沖擊地壓的發生。之后，強度理論得到了進一步發展，從單純對基本元素的認識再到基本元素以及基本結構之間的關系的認識，進而上升到整個礦體與圍巖系統認識，從對強度應力的絕對值認識到整個礦體與圍巖系統的相對值的認識，但是該理論的不足之處是并沒有明確相對值的臨界點。剛度理論從材料剛度的角度來認識沖擊地壓發生機理，認為沖擊地壓本質上是構成礦體與圍巖的最基本元素的剛度遭到了破壞，當基本元素所承受的載荷超過其極限時，基本元素的剛度就會遭到破壞導致沖擊地壓的發生，該理論并沒有從礦體與圍巖系統角度考慮剛度的能量的積聚與擴散的這種可能性。

1.2 擴展性煤礦沖擊地壓發生機理 擴展性沖擊地壓發生機理基本上都是從不同角度整合基礎性沖擊地壓發生機理。我國學者李玉生提出“三準則”理論，該理論將強度理論、能量理論和沖擊傾向性理論整合到一起，從礦體與圍巖系統的內在表象角度來認識沖擊地壓發生機理，它認為礦體與圍巖系統內在的強度被破壞是礦體與圍巖系統破壞的準則，礦體與圍巖系統內在能量的強烈釋放與強烈的沖擊傾向是礦體與圍巖系統突然破壞的準則，只有這三種內在表象同時發生時才會發生沖擊地壓。齊慶新提出“三因素”理論，該理論從礦體與圍巖系統的內在與外在因素角度來認識沖擊地壓發生機理，它認為礦體與圍巖系統內部的沖擊傾向是“內在因素”，礦體與圍巖系統外部的擾動與高度集中的能量是“力源因素”，礦體與圍巖系統內部強度的弱化是“結構因素”，礦體與圍巖系統的沖擊傾向使礦體與圍巖系統局部形成高應力集中并積聚能量導致煤巖體發生變形，在外力擾動下能量大量釋放導致沖擊地壓的發生。

2 沖擊地壓應力波作用機理

大量理論研究與工程實踐表明，沖擊地壓的發生與動載擾動因素有關。根據巖石動力學理論，這些動載在煤巖體中以應力波的形式進行傳播，因此有必要從應力波的角度揭示沖擊地壓形成機理。在開采過程中，應力波的產生與煤巖體的破斷行為有關，主要包括高位堅硬頂板破斷與深部應力集中區煤體破斷行為。當煤層上方賦存高位厚硬巖層時，隨著煤層開采活動的進行，巖層下賦離層空間逐漸擴大，下賦巖層對高位頂板的支撐作用逐漸減少。當達到頂板抗拉強度時，將開始在頂板巖梁內彎矩最大處隨機地出現微裂紋，隨著彎矩的進一步增大，大量微裂紋逐漸匯聚成宏觀主破斷面，最終形成高位頂板破斷，并在此過程中釋放出大量彈性能，形成沖擊應力波。沖擊應力波通過頂板傳播到煤層中，首先在煤層中造成大量裂紋擴展，形成一定程度的能量衰減。應力波傳播到采掘空間后，處于采動應力(靜載)作用下的煤巖體在動載應力波的綜合作用下發生動態破壞，大范圍煤體發生嚴重破壞時將形成沖擊地壓災害。另一方面，對于應力集中區煤體破斷震源，煤巖體在未受到采動影響時處于原始應力狀態，工作面回采后，煤巖體內部應力開始重新分布，工作面前方深部煤體垂直應力將超過原巖應力。隨著工作面逐漸推進，前方深部煤體垂直應力不斷升高，并開始在煤體內部形成大量隨機分布的微觀裂紋，一旦大范圍煤體內部垂直應力超過其抗剪強度后，微觀裂紋將迅速匯聚形成大尺度煤體破斷，并產生高強度應力波。應力波進一步傳播擴散到其他處于采動應力影響下的煤體，大范圍煤體在靜載應力與動載應力波綜合影響下發生動態破壞，將形成沖擊地壓災害。應力波作用下沖擊地壓最終表現為煤體的沖擊破壞行為，根據本文SHPB實驗中煤體沖擊破壞實驗結果，高靜載、高動載應力波和靜載與應力波耦合作用均能使煤巖體破壞。

3 結論

(1)煤巖體破斷產生的動載應力波幅值隨煤巖體強度增大而升高，應力波持續時間隨破斷尺度增大而增大，煤礦開采過程中頂板或煤體強度越高、破斷尺度越大，就越容易產生大能量的動載應力波。

(2)不施加軸向靜載時，較小的動載(沖擊氣壓0.08 MPa)應力波作用足以使試樣發生沖擊破壞；隨著軸向靜載增大，試樣發生沖擊破壞所需的臨界動載先增大后減小；當軸向靜載超過試樣抗壓強度時，試樣在純靜載條件下即發生破壞。高靜載、高動載應力波、靜載與應力波耦合加載條件均能使煤巖體發生沖擊破壞，動載應力波對高地應力環境煤巖體沖擊破壞影響更為顯著。

(3)采場堅硬頂板破斷產生的應力波到達煤層后，其最大影響范圍可達到工作面前方400 m，動載應力波使得煤巖體應力逐漸集中，并以采空區為中心向四周逐漸增加；應力波作用過程中，煤巖體塑性破壞區范圍逐漸增加并主要集中在巷道兩側，且隨著應力波幅值和持續時間增加，塑性破壞區范圍不斷擴大。

(4)動載擾動下沖擊地壓是靜載、動載應力波和煤巖體結構耦合作用的結果，采場煤巖體大尺度破斷產生高能量動載應力波，應力波與高地應力耦合作用導致采掘空間圍巖大范圍破壞，最終形成沖擊地壓災害。