基于支架载荷的冲击危险性分析及防治研究

朱萌萌，成云海，冯飞胜，任　禹

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽　淮南　232001；2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽　淮南　232001)



基于支架载荷的冲击危险性分析及防治研究

朱萌萌，成云海，冯飞胜，任禹

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001；2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001)

摘要：针对某矿主采3煤层地质条件复杂易引发冲击危险的问题，结合3煤层及顶板的弱冲击倾向性，综合分析顶板岩层结构，建立老顶初次来压的力学模型，定性分析冲击危险性：老顶运动产生的垂直向下的冲击载荷为916 kN/m，对采场支架及巷道载荷较明显。着重针对两个冲击危险区域进行钻屑法及电磁辐射法监测，证实工作面过断层及正常回采时均存在冲击危险，并采取卸压措施。实践表明：采取深孔爆破卸压措施后，煤粉量明显降低，聚集的弹性能得到释放，动载系数变小，大大减小了冲击危险，保证了安全生产。

关键词：冲击地压；冲击载荷；危险区域；应力集中；动载系数

国家基金：国家自然科学基金资助项目(51174002、51274008)

煤岩冲击地压发生的本质是煤岩体在高应力下突然失稳的过程[1-2]。随着矿井开采深度的增加及复杂地质条件下煤层的开采，煤柱应力集中引发的冲击地压已成为煤矿安全开采的重大自然灾害。

冲击矿压是矿山压力的动力显现，发生机理复杂，已具备一体化的预警-防治措施，但涉及的冲击载荷部分理论并不多。本文讨论了在测试主采煤层冲击倾向性的基础上，通过建立老顶初次来压的力学模型，提出用冲击载荷定性来分析冲击危险性；针对2315冲击危险工作面掘进和回采期间存在的冲击危险区域实施了深孔卸压爆破，并利用钻屑法检验治理效果，保证了工作面的安全高效回采。

1开采技术条件

1.1　矿井地质条件

某矿主采煤层为3煤层，厚为6.8 m，倾角为9°～21°，埋深200～900 m。矿井埋深大、孤岛工作面多、断层发育，易引发冲击。主要有两大采区：130采区、230采区。130采区区域范围属于-386m水平，埋深260～380 m，构造以高角度的北东向正断层为主，落差在0～175 m不等；230采区位于东翼北部F7断层以北，-500 m轨道大巷以南，埋深220～900 m，断层发育且落差较大。

1.2　矿井冲击条件

在230采区埋深较大的2313轨道顺槽联络巷、2325轨道顺槽2个地点采样，进行冲击倾向测试。

1) 煤层冲击倾向性测试。煤层冲击倾向性分类指标有动态破坏时间DT、弹性能量指数WET、冲击能量指数KE和单轴抗压强度RC。

表1　煤样及煤岩组合试件冲击倾向性指标

由表1煤样测试数据可知，冲击倾向综合结果为：3煤层具有弱冲击倾向性，但煤岩组合试件则表明煤岩体无冲击倾向性。

2) 顶板岩层冲击倾向性测试。顶板弯曲能量指数作为岩层冲击倾向性指标，反映了单位宽度岩梁达到极限跨度时积蓄的变形能，变形性能越大，积聚的能量越多。2325轨道顺槽复合顶板岩层的弯曲能量指数为81.5 kJ，3煤层顶板属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向的岩层(见表2)。3煤层开采或掘进时，在生产地质条件变化地段(构造、覆岩结构发生变化、煤层力学性质发生变化等)开采会导致高应力[3]。

表2　顶板岩层冲击倾向性指标

2岩层结构及动载分析

2.1　采场岩层结构

采场覆岩运动与采场岩层结构产生和形成密切相关，是影响冲击性灾害发生的重要因素，通过分析采场岩层结构产生和形成可以定性分析冲击危险性[4]。

根据关键层理论，采场上覆岩层的运动具有一定的组合特征，每一组岩层中的关键层控制着该组岩层的变形和破坏。直接顶厚度一般为采高的2～3倍，2325工作面割煤高度H为2.4 m，放煤高度T为4.7 m，平均采放厚度7.1 m，放煤率η按80%计算，则采高h：h=H+Tη=2.4+4.7×0.80=6.16m。

直接顶厚度MZ可用下式估算：

MZ=(H+T-SA-C)/(KA-1)

式中：SA为老顶在触矸处的沉降量，取0.15 h；KA为冒落岩层的碎胀系数，取1.3；C为残煤厚度，取0.96 m，计算可得MZ=17.3 m。结合监测结果，直接顶为17.5 m的混合岩层，老顶为厚7.3 m的细砂岩层。

2.2　老顶运动产生的冲击载荷

老顶初次断裂后，可看作悬臂岩梁，其运动过程经历超前煤壁断裂、旋转、下沉、回转。老顶岩梁超前煤壁断裂；断裂形成的岩块旋转，与上一岩块挤压形成平衡结构；最终平衡结构失稳，岩块下沉触矸，引起工作面来压。在此基础上，结合矿压理论和岩石力学理论，取老顶OX断裂后处于工作面上方的部分，计算老顶运动过程对支架产生的冲击载荷，老顶初次来压的受力模型如图1所示。

为角速度；L为支架合力作用点至煤壁的距离；R0为顶板运动过程中支架的平均合力，I0=M(L0/2)2/3为梁绕O点的转动惯量；t为老顶下沉所需的时间，计算得老顶运动产生的冲击载荷为1 280 kN/m。垂直向下的冲击载荷为Rv=Rcosα-fsinαMωL0/12t，其中f=0.8为回转点的摩擦系数，计算得老顶运动产生的垂直向下的冲击载荷为916 kN/m，对采场支架及巷道载荷较明显。

3冲击危险区域监测

3.1　冲击危险区域

冲击危险的发生应综合考虑到各采区煤厚、采深、顶底板岩性、开采条件、构造等因素的影响。煤岩体内储存的弹性能分布不均匀时，受外界因素影响易失去平衡，发生冲击危险[5-6]。针对本矿具体地质条件，分析得冲击危险位置主要有两个区域。

1) 1312工作面(第一危险区域)。130采区1312工作面煤层厚度5.3～7.8 m，埋深260～380 m，直接顶以粉砂岩为主，平均厚度2.04 m，次为泥岩，平均厚2.54 m，为不稳定～较稳定顶板。临近F3断层，落差0～80 m，结构较复杂，断层发育。

1312工作面为三面孤岛工作面，轨道、胶带顺槽均为沿空掘进巷道，沿空侧的煤体承受采空区侧向支撑压力，煤体易破碎，回采期间巷道围岩又受到工作面超前支承压力的影响，容易发生冲击，需进行冲击危险监测。

2) 2315工作面(第二危险区域)。2315工作面煤层厚度6.16～9.18 m，埋深780～850 m，为不稳定～较稳定顶板。且受构造应力威胁明显(临近F6断层(0～130 m))，易出现应力集中，而应力集中是冲击地压发生的必要条件[7-8]，因此对这个典型的工作面动压危险性评价，对指导230采区未采工作面安全开采有指导意义。

3.2　钻屑法监测评价冲击危险性

3煤层厚度约6.8 m，钻孔深度/煤层厚度取1.5，则煤粉量的钻孔深度为10 m左右。分别对130采区1312掘进工作面、230采区2315综放工作面及2319掘进工作面断层处进行煤粉监测[9-10]。利用取得的监测数据(见图2~图3)，经综合对比分析，得出两采区临界煤粉量分别为3.35 kg/m、3.57 kg/m。

由图2可知，1312掘进工作面最大钻屑量出现在1312上皮带顺槽的断层附近，数值在孔深6～7.5 m处达到最大，此时煤粉量为4.7 kg/m，已超过130采区临界煤粉量，钻粉率指数为1.88，在钻屑过程中，颗粒明显变大，故停止钻进。从煤粉量分析，表明在1312上皮带顺槽的断层处存在冲击危险。

由图3可知，正常情况下2319切眼、2319外上轨顺、均高于2313轨道顺槽联络巷正常煤粉量，2315轨顺煤粉量低于2313轨道顺槽联络巷正常煤粉量。2319轨顺钻进时遇岩石，故停止钻进。2319切眼、2315轨顺钻进时出现卡钻现象，表明此范围内应力集中。230采区的煤粉量不大，但各工作面仍有发生冲击地压危险的可能。

3.3　电磁辐射法评价冲击危险性

电磁辐射是在掘进或回采阶段，工作面煤体变形破裂过程中产生的现象。针对2315工作面及两顺槽进行为期2周的电磁辐射监测，判断冲击危险性(见图4)。

由图4可知，轨道顺槽电磁辐射强度约为10 mV，胶带顺槽电磁辐射强度约为50 mV，工作面的电磁辐射强度最大。工作面割煤前后电磁辐射强度会有先增大后减小的趋势。割煤影响下，工作面前方煤体破裂释放的电磁辐射强度先增大，随着煤体破裂的结束，电磁辐射强度又减小并趋于稳定；轨道顺槽电磁辐射强度很小，变化不明显，脉冲数基本为0；胶带顺槽电磁辐射强度处于50～100 mV，部分点变化率大，且顶板有煤炮响动。从监测数据分析，工作面电磁辐射强度工作面存在发生冲击危险的可能。

4防治措施及动载分析

4.1　深孔爆破

“先解危后开采”是冲击地压危险区开采过程中坚持的原则，基本顺序为“监测预警→采取防冲措施→防治效果检验→危险区域再治理”，来达到减小冲击危险目的。解危措施主要有爆破卸压、钻孔卸压、断顶(底)、煤层注水等方法。

针对3煤层弱冲击煤层特点，综合考虑施工难易及卸压可靠程度，采用深孔爆破卸压防治理危险区域。深孔爆破卸压参数设定：钻孔直径为65 mm，钻孔深度为22 m，装药量为20~25 kg(根据炸药种类及型号等做具体设计)，封孔长度为7 m。

4.2　卸压效果

对2315综放工作面及1312上皮带顺槽的断层处进行深孔爆破卸压。爆破后，2315胶顺、轨顺、1312上皮带顺槽煤粉量明显降低，由于爆破使煤柱破裂，煤层聚集的弹性能得到提前释放，钻屑量在原标准上略微增大，但仍小于爆破前指标值(见图5)。且煤爆次数明显减少，巷道未出现冲击现象，爆破后巷道无变形，现场爆破切口较平整，未对下次爆破产生影响，爆破对炮孔壁的冲击力得到缓冲，大大减小了冲击危险。

4.3　动载分析

对2315工作面进行了矿压观测。2315工作面采用F4200/16/26支撑掩护式放顶煤液压支架，初次来压期间最大工作阻力为4. 824×107Pa。老顶初次来压和周期来压期间支架阻力有所降低，说明来压时的动载系数变小，最大为1.29，在正常无构造的覆岩运动下，减小了冲击危险发生的可能性。

5小结

1) 通过分析采场岩层结构产生和形成可以定性分析冲击危险性：老顶运动产生的垂直向下的冲击载荷为916 kN/m，对采场支架及巷道载荷较明显。

2) 弱冲击煤层在一定的开采地质条件、大面积采空区悬顶等条件下，有发生冲击地压的危险，但却容易被忽视。巷道掘进及工作面回采过程中，

可采取以钻屑法为主、电磁辐射法为辅的监测及爆破卸压的措施来防治冲击危险。2315工作面及1312皮顺煤粉量在深孔爆破前后有明显降低，弹性能得到释放，动载系数较之前变小，卸压取得一定效果。

参考文献：

[1]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001：173-175.

[2]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003：147-150.

[3]齐庆新，彭永伟，李宏艳.煤岩冲击倾向性研究[J].采矿与安全工程学报，2011，30(S)：2 736-2 741.

[4]李学华，梁顺，姚强岭，等.冲击倾向性围岩沿空掘巷防冲控制原理及应用[J].采矿与安全工程学报，2012，29(6)：751-761.

[5]李志华，窦林名，陈国祥，等.采动影响下断层冲击矿压危险性研究[J].中国矿业大学学报，2010，39(4)：490-495.

[6]姜福兴，苗小虎，王存文，等. 构造控制型冲击地压的微地震监测预警研究与实践[J]. 煤炭学报，2010，35(6)：900-903.

[7]李新元.“围岩-煤体”系统失稳破坏及冲击地压预测的探讨[J].中国矿业大学学报，2000，17(3)：27-35.

[8]成云海，肖占步，张京泉，等.冲击倾向综采面极近距离跨大巷和过老巷技术[J].采矿与安全工程学报，2009，26(3)：345-348.

[9]赵阳升，梁纯升，刘成丹.钻屑法测量围岩压力的探索[J].岩土工程学报，1987，9(2)：106-112.

[10]陆振裕，窦林名，徐学峰，等.钻屑法探测巷道围岩应力及预测冲击危险新探究[J].煤炭工程，2011(1)：72-74.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

Risk Analysis of Rockburst Hazard Based on Support Loading and Its Prevention

ZHU Meng-meng，CHENG Yun-hai，FENG Fei-sheng，REN Yu

(1.School of Energy and Safety，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China;2. Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining (Anhui University of Science and Technology)，Ministry of Education，Huainan Anhui 232001，China)

Abstract:In order to solve hazard of rockburst caused by complicated conditions of No.3 coal seam in the certain mine, considering conditions of No.3 coal seam and small susceptibility to rockburst of its roof, on the basis of comprehensive analysis of roof strata structure the mechanical model of basic roof during the first loading was established to qualitatively analyze rockburst risk. Vertical impact loading on the basic roof during the first loading is 916 kN/m, which has a significant influence on support and roadway. Two rockburst hazard areas were emphatically monitored by using the method of drilling cuttings and the electromagnetic radiation. It was proved that there is a risk of rockburst when the working face crossing faults and normal mining, and the pressure relief measures were taken. The practice showed that after the deep hole blasting, the coal powder is obviously reduced, the accumulation of elastic energy is released, and the dynamic load coefficient becomes small, which greatly reduces the risk of rockburst, ensuring safety in production.

Key words:rockburst；impact loading；danger region；stress concentration；dynamic load coefficient

作者简介：朱萌萌(1988-)，男，山西晋城人，硕士，研究方向：矿山压力与岩层运动控制。

收稿日期：2015-01-08

中图分类号：TD324

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0011-05