对深井厚层坚硬顶板冲击地压的研究

乔元栋，李永明

（山西大同大学工学院，山西 大同 037003）

对深井厚层坚硬顶板冲击地压的研究

乔元栋，李永明

（山西大同大学工学院，山西 大同 037003）

冲击地压属矿井动力现象，是影响煤矿安全生产的重大灾害之一。通常是指由于煤岩体系统达到极限强度，变形能突然猛烈、急剧的释放，从而造成巷道内支架折损，片帮冒顶，甚至巨大的气浪将煤岩体被抛向采掘空间，伤及人员。本文从几个方面分析了深井厚层坚硬顶板冲击地压的形成。

冲击地压；煤层厚度；地质构造；坚硬老顶

1 国内外深部冲击地压现状

从1738年英国的南史塔福煤田发生世界上的第一次冲击地压以来，已有260多年的历史。其间，包括我国在内，还有英国、法国、波兰、美国等23个国家均发生过冲击地压。影响最为严重的是南非的金矿、前苏联、波兰和德国[1，2]。

我国煤炭资源开发的总体特征是西部煤层埋藏浅，东部部分矿区如开滦、北票、新汶、徐州等都相继进入深部开采。由于浅部煤层的枯竭，现在我国绝大部分煤矿都相继进入深部开采。未来10年里，我国煤矿深部开采问题将越来越突出。目前，世界主要产煤国如德国、波兰、俄罗斯等国的老矿区都已进入深部开采。由于煤系地层总体强度低，一些在浅部开采中的工程灾害，都将在深部开采中以更加明显的方式表现出来[3]。其中之一，就是巷道矿压显现剧烈，围岩容易失稳，易发生破坏性冲击地压。某矿区冲击地压发生次数与采深的关系如表1所示。

表1 冲击地压次数与开采深度关系

随着采深的增加，从1993-1996年60多年的时间里，我国仅新发生冲击地压的矿井就多达40多个，发生冲击地压4 000余次，造成400多人死亡，200多人受伤，破坏巷道20 km，经济损失严重。冲击地压可以用震级和烈度来表示强弱。冲击地点形成大量煤尘和强烈的空气波，监测到冲击地压发生时的震动频率1～10 000 Hz以上，最大震级在3.8级以上。

根据发生冲击地压释放的地震能大小，将冲击地压可以分为五个等级，如表2所示。

表2 按能量特征冲击地压分类表

强烈冲击地压发生时，可使长达几十米的巷道支架破坏垮落，机电设备损坏，需要进行大量的修复工作，冲击地压的发生地点主要是在采煤工作面和回采巷道内。

煤矿冲击地压除具有突发性、多样性和巨大破坏性的特点外，发生冲击地压的条件和影响因素比较复杂。

2 影响冲击矿压发生的自然因素

2.1 煤层厚度变化

由同煤集团忻州窑矿统计的煤层厚度及其变化与冲击矿压的关系可知，假定煤层厚1.5～2.2 m时抛出的煤量为1，表3分析了煤层的厚度及其变化对煤岩体强度和冲击矿压的关系。

表3 煤层厚度与冲击矿压发生的比例

由以上分析可知，煤层发生冲击危险的概率随煤层厚度变化而增大，由于煤层厚度的变化，煤岩体储存能量的能力也不同，在这种能量的不均质性，使煤岩在外界应力的作用下，系统平衡很容易被打破，从而形成冲击矿压。

2.2 采深与冲击矿压的关系[4]

随着我国煤炭生产的发展，矿井开采深度正在以每年平均8～10m的速度向深部增加。深部回采将会遇到矿山压力的严重干扰，冲击矿压危险性也随着开采深度的增加而增加。在更大的开采深度下，煤层边缘区的附加载荷更大，致使支承压力增加并传播迭加在煤层上方，使发生冲击危险的范围也相应扩大。

开采深度愈大，煤体内应力愈高，煤体变形和积蓄的弹性能也愈大。根据弹性理论，煤层在自然状态的三向应力条件（无采动影响）下，对于采深为H的煤层，煤体所承受的应力为：

发生冲击矿压的能量为煤层和岩层内积聚的应变能之和，所以煤体中单位体积内积聚的弹性能，由体积应变能Uv和形变能Uφ两部分组成:

式中：μ为泊松比；E为弹性模量；γ为煤层上覆岩层的容重；H为开采深度；G为剪切弹性模量。

煤岩体内形变能用来克服物体的粘结力，而体积变形能转化为动能，产生冲击矿压现象。因此，可以求出在自重应力场内发生冲击矿压发生时释放的动能 ΔU用下式表示：

由式（3）和（4）可知，随着采深的增加，煤岩体内积聚的能量增加，且冲击矿压发生时释放的动能与采深的平方成正比。因此，采深的增加必然会导致冲击矿压发生的频率和强度的增加。

3 地质构造对冲击矿压的影响

实践证明，冲击矿压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、构造应力带等，并且在断层的上盘开采时的震动能通常大于断层下盘开采时的震动能量。由于温度、压力、地壳运动等因素的影响，在地层沉积岩及地质构造的发育形成过程中，岩体自然的形成其机械物理性能表征与其它地域、矿区的差异，在断层与构造带形成的局部应力场，使某些煤岩体处于极高的地应力场作用下，该应力场中储存着极高的弹性变形能量。因此，在采深不大的煤岩体也可能为高地应力带，存在发生冲击矿压的可能。

在断层和向斜附近震动集中的主要原因是地壳的运动形成的残余构造应力。该应力与开采引起的应力集中叠加的位置即为岩体震动的位置。断层带附近的冲击矿压危险主要是由于顶板而形成的,当工作面过断层时，由于断层切断了顶板岩层，使靠采空区一侧的顶板重力难以传递到断层的另一侧。因此，随着工作面推进和距断层距离的减小，工作面前方移动支承压力范围在减小，移动支承压力峰值的强度明显增加，强度的增加导致了围岩内能量的增加，从而使冲击矿压发生的几率增加。

4 厚层坚硬老顶

冲击矿压与自然地震不同，它的发生能量级别较小，需要外在的诱发条件，即需开挖活动促使煤岩体内应力状态产生由静转动的变化，并诱发弹性能沿着易传递路径向开挖空间弱势面积聚转移，坚硬老顶的断裂就是这种诱发冲击矿压的外在条件。厚层坚硬老顶条件下冲击矿压的本质也是重力冲击矿压，由于顶板的特殊条件，使冲击矿压发生的临界深度相对较小。

根据前苏联阿维尔申的观点[5，6]，煤层内的弹性能是由体变弹性能Uv、形变弹性能Uf和顶板弯曲弹性能Uw三部分组成，即:

而顶板弯曲弹性能在顶板初次来压和周期来压时，分别为：

式中：q为顶板及上覆岩层附加载荷的单位长度载荷；L顶板来压步距；E顶板岩层弹性模量；J顶板断面惯矩。

从公式（6）和（7）可知，顶板弯曲弹性能与顶板来压步距的5次方成正比，因此，来压步距越大，聚集能量也越多。在一定的条件下，按照公式（7）计算出的顶板弯曲弹性能占煤岩体内总能量的90%左右，可见，厚层坚硬老顶积聚的弹性能的影响远远的超过了采深的影响。

同时，顶板岩层越厚，聚集的弹性能越多。顶板岩层厚度的影响程度可以用顶板岩层厚度特征参数来表示。根据研究，影响冲击矿压发生的岩层为煤层上方100m范围内的岩层，其中岩体强度大，厚度大的砂岩层起主要作用。

总之，煤层厚度的变化、采深的增加、断层附近残余构造应力的形成及坚硬老顶的断裂，都会增加冲击矿压发生的可能性。而对冲击矿压机理的研究会给煤矿的安全生产带来更大的保证。

[1] 赵本均.冲击地压及其防治[M].北京：煤炭工业出版社，1995:136-145.

[2] 邹德蕴,姜福兴.煤岩体中储存能量与冲击地压孕育机理及预测方法的研究[J].煤炭学报，2004（4）:159-163.

[3] 刘先贵.支承压力的现场高峰位置的确定[J].西安矿业学院学报，1991（2）:8-12.

[4] 杜计平,张先尘.煤矿深井采场矿压显现及其控制特点[J].中国矿业大学学报，2000,29（1）:82-84.

[5] 钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1983:90-123.

[6] 窦林名,何学秋.冲击地压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001:98-107.

Abstract:Rock burst is one of mine dynamic phenomena and is also one of disasters impairing the mine production safety.Rock burst means that since coal rock system reaches the ultimate strength,deformation energy releases suddenly and violently so that it causes that support collapses,roof and sidewalls fall,even huge blast throws coal rock to driving faces and hurts personnel.The paper analyzes the formation of rock burst of thick compound hard main roof in several aspects.

Keywords:rock burst;seam thickness;geological structure;hard main roof

编辑：刘新光

Research on Rock Burst of Thick Compound Hard Main Roof

QIAO Yuan-dong,LI Yong-ming
（Institute of Technology,Datong University,Datong Shanxi 037003,China）

TD321

A

1672-5050（2010）08-0049-03

2010-05-10

乔元栋（1978—），男，山西浑源人，工学硕士，讲师，从事采矿工程技术研究与教学工作。