巨厚砾岩下冲击地压发生机理及加固技术研究*

史俊伟，孟祥瑞，陈章良，董　羽

(1.山东工商学院 管理科学与工程学院，山东 烟台 264005;2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

0　引言

冲击地压作为一种煤岩动力灾害，尤其在深部资源开采中，具有“强扰动”和“强时效”特性，导致灾害频发[1]。冲击地压发生机理一直是国内外学者研究的热点，目前比较成熟的理论主要有强度理论、能量理论和冲击倾向性理论等[2]。章梦涛[3]等提出了冲击地压的失稳理论及煤层注水防冲技术；姜耀东，潘一山和姜福兴等[4]构建了材料失稳、滑移错动和结构失稳3种冲击地压模型；齐庆新等[5]提出冲击地压粘滑失稳机理；潘俊锋[6]提出了冲击启动的材料-结构动力失稳机理。华丰煤矿作为我国冲击地压灾害频发的矿井之一，学者对其防冲技术进行了大量研究[7]，但在巨厚砾岩诱冲机理方面研究较少[8]。本文根据关键层理论[2]和冲击地压启动理论[6]，通过相似材料模拟试验对巨厚砾岩下冲击地压发生机理进行研究，并在前人研究基础上，提出一种囊袋式离层加固防冲技术。

1　工程概况

研究区域选取华丰矿1410工作面，垂直开采深度1 140 m，煤层上覆巨厚砾岩厚度达500～800 m。前组煤的4层、6层煤为主采煤层，煤岩层平均倾角为33°，煤层平均厚度为6.41 m，顶板以上2.6 m，有4层厚度约为4～5 m厚的中砂岩和2层厚度约为5～6 m的粉砂岩，构成坚硬的基本顶。另外，4层煤上方约150～200 m处，有一组500～800 m厚度砾岩层，作为主关键层，砾岩层坚硬，完整性好。实地监测数据显示，4层煤具有严重冲击倾向性，冲击地压破坏能力较强，在多个工作面造成支架损坏、冒顶片帮、巷道堵塞、甚至造成人员伤亡。冲击地压的发生也造成了地表沉陷，在华丰矿1410工作面正上方地表，有明显的塌陷区，并且在地表贯通形成长数百米，宽2～3 m，深50～80 m的巨大斑裂。

2　巨厚砾岩诱发冲击地压的相似材料模拟试验

2.1　相似模型制作及开挖

本次试验选取华丰煤矿1410工作面为研究对象。根据相似理论(相似第三定理)[9]，选取1∶200的比例作为模型的几何相似比。根据华丰煤矿1410工作面煤岩层综合柱状图和几何相似理论，相似材料模型共铺设17层R1～R17，模型总高度为1.8 m，有效高度为1.46 m。采用平面相似模拟试验台，由框架系统、加载系统和测试系统3部分组成，其中加载系统为4个液压支柱，模型的上方铺设一层约50 mm厚的钢板，通过液压系统对模型顶部均匀施加载荷(Q=15.22 MPa，r砾=0.025 MN/m3)。

2.2　相似材料模拟试验结果

当工作面推进至70 m时，第一岩梁在直接顶端部被剪断发生剪切破坏，工作面初次来压，覆岩破坏特征如图1；当工作面推进至90,120,160,190,220,250 m时，其覆岩破坏特征分别如图2～7；当工作面推进至300 m时，巨厚砾岩层下部均出现较大裂隙，巨厚砾岩层由于自身重力自离层部分发生整体性垮落，并伴随有声响，巨厚砾岩下部破断面近似形成一梯形截面，这一现象与文献[9]中结论基本一致。而巨厚砾岩上部裂隙一直向上扩展，在离层的斜上方一直扩展到地表。相似材料模拟结果与实际相吻合，通过地表岩移观测发现，在华丰矿1410采区正上方地表，有明显的塌陷区，并且在地表贯通形成长数百米，宽2～3 m，深50～80 m的巨大斑裂。

图1　工作面初次来压(L=70 m)Fig.1　The first weighting at working face

图2　工作面第一次周期来压(L=90 m)Fig.2　The first periodic weighting at working face

图3　工作面第二次周期来压(L=120 m)Fig.3　The second periodic weighting at working

图4　工作面第三次周期来压(L=160 m)Fig.4　The third periodic weighting at working face

图5　工作面第四次周期来压(L=190 m)Fig.5　The fourth periodic weighting at working face

图6　工作面第五次周期来压(L=220 m)Fig.6　The fifth periodic weighting at working face

图7　工作面第六次周期来压(L=250 m)Fig.7　The sixth periodic weighting at working face

图8　巨厚砾岩破断、垮落(L=300 m)Fig.8　Break down of super thick conglomerate

2.3　相似材料模拟试验结果分析

通过图1～9，可以看出：

1)根据关键层相关理论，随着工作面的推进，离层自下而上发育，在巨厚砾岩层下部离层空间达到最大；最大离层量随工作面推进逐渐减小，在200 m处出现“跳跃式”下降，在290 m处出现“微翘”，离层量达到最大。各次周期来压步距并非都完全相等，初次来压步距为70 m，周期来压约为初次来压的1/4～1/2，当离层发展到巨厚砾岩层处时，周期来压达到最大50 m。

2)离层发育高度跟工作面推进距离成线性关系，通过最小二乘法拟合可以得到两者的线性关系：y=-5E-0.7s4+0.000 3s3- 0.078 8s2+ 8.273 6s- 274.87，当离层发育至巨厚砾岩处时，不再向上发展；离层宽度与周期压步距变化方向基本一致，且离层宽度约为周期来压步距的1.5～2.5倍。

3　巨厚砾岩下冲击地压发生机理研究

3.1　集中静载荷诱冲机理

根据能量理论，在煤层开采过程中，煤层开挖导致上覆岩层自重应力与构造应力平衡被打破，应力在重新分布的过程中，释放的能量大于煤岩层所能够消耗的能量时，便会发生冲击地压。根据冲击地压启动理论[6]，将冲击地压类型划分为集中静载荷型冲击地压和集中动载荷型冲击地压。根据相似材料模拟结果和华丰煤矿煤层开采实践，将巨厚砾岩下岩层的破断和垮落，在工作面煤壁极限平衡区内所造成的应力集中载荷定义为集中静载荷，该载荷受开采深度、支承压力变化以及断层等地质条件影响，其主要变化特征为应力(主要为煤壁超前支承压力，以及巷道侧向支承压力)变化时间是缓慢的，短期内很难出现矿压显现，并且应力集中加载是渐进式的。随着煤层的不断推进，工作面来压周期性显现，该集中静载荷也不断渐进式增加，当在某个时刻，在煤壁处集中静载荷所集聚的弹性应变能大于该处煤岩破坏所需的最小能量，该弹性能便会释放，冲击波以煤岩为载体不断传播，在采场煤岩壁薄弱处形成冲击矿压显现。

图9　巨厚砾岩下覆岩运动情况Fig.9　The movement of overburden under super thick conglomerate stratum

根据冲击地压启动理论[6]、广义虎克定律和库仑-莫尔准则以及动力破坏能量转化机理[10]，巨厚砾岩下煤岩体所在的应力场是一种三维应力场，在三维应力场条件下，应当遵循三轴应力破坏准则，即σ1=[(1+sinφ)/(1-sinφ)]σ3+σc。三维应力状态下，集中静载荷集聚能量E静为：

(1)

(2)

3.2　集中动载荷诱冲机理

根据关键层理论[2]和煤矿冲击地压启动理论[6]，巨厚砾岩层的破断和垮落造成主关键层的失稳，由于岩体的非均质特性，集中载荷施加于下部岩层，释放出大量的冲击动能和势能，使其他岩体失稳，形成一种正反馈现象，能量不断向下传递并叠加，导致整个煤岩层的失稳，诱发工作面冲击地压启动。因此华丰矿巨厚砾岩下冲击地压的发生符合冲击地压启动理论中的集中动载荷型冲击地压特征，可用集中动载荷型冲击地压相关理论来分析其冲击地压发生机理。根据关键层相关理论[2]和相似材料模拟结果，巨厚砾岩层的破断和垮落是华丰煤矿冲击地压发生的主要力源，其导致冲击地压发生的源头相对集中。随着煤层的不断推进，当巨厚砾岩出现大面积悬露，弯曲、破断和滑移形成冲击动载荷，冲击动载荷以脉冲波或者弹性波的形式进行加载，并且发生的时间非常短，以巨厚砾岩下各岩层作为载体向煤岩层的深部进行传播，在煤层的薄弱处能量释放，发生冲击地压。

根据集中动载荷型冲击地压发生机理，巨厚砾岩层的破断和垮落是华丰煤矿冲击地压发生的主要力源，巨厚砾岩的离层垮断部分的质量与离层的高度是影响冲击集中动载荷能量的主要因素，垮落砾岩层的质量越大，离层高度越高，冲击能量越大。根据文献[11]中研究成果，将巨厚砾岩层垮落部分近似看作梯形截面，可通过相似材料试验测得梯形截面的上端面跨度L1为40 m，下端面跨度L2为85 m，高度H为3.5 m，宽度W为40 m，巨厚砾岩层的容重ρ为2.2 g/cm3。冲击集中动载荷能量可近似的认为是巨厚砾岩的离层垮落部分的势能。E动=mgh=1/2(L1+L2)WρgH2，可得E动=3.06×108J>>E静=1.33×105J。

可以看出，以煤层极限平衡区内集聚的弹性应变能即集中静载荷能量E静和以巨厚砾岩断裂、垮落传递来的动载荷冲击能量即集中动载荷能量E动的总和大于煤岩体动力破坏的最小能量Ef min时，即当E静+E动-Ef min>0时，采场冲击地压启动。同时，由巨厚砾岩破断、垮落所造成的集中动载荷冲击能量远大于集中静载荷集聚弹性应变能，因此，以巨厚砾岩破断、垮落产生的集中动载荷冲击能量诱发冲击地压的强度更高，危险性更大。这与实验测得，华丰煤矿4层煤，动态破坏时间为33.3 ms，弹性能量指数为13.05，冲击能量指数为5.1，具有强烈冲击倾向相验证。

4　巨厚砾岩下囊袋式离层加固技术

文献[12]对离层注浆控制上覆岩层运动作用机理做了相关研究，认为浆体中水与软岩层中的粘土质作用膨胀能够充填离层空间，灰浆凝结体能够支撑上覆岩层，限制其破断与垮落。文献[13]提出采用离层注浆技术，在华丰煤矿巨厚砾岩下冲击地压防治中取得了较好的效果。通过对该矿地表岩移观测和矿压监测结果显示，通过对巨厚砾岩下离层进行注浆充填，作为一种主动支护，有效的减少了巨厚砾岩的大面积破断与垮落，减小了冲击集中动载荷能量，不仅使工作面冲击地压危险性降低，同时也可使地表下沉率降低50%。

根据《煤矿防治水规定》中导水裂隙缝带高度计算方法，计算四煤层综放开采时，裂缝带发育高度为126.75 m。当工作面推进到250 m时，离层发育高度为158 m>126.75 m，且下方有15.6 m的泥岩作为良好的隔水层，可以进行离层注浆。因此，离层注浆在工作面推进到250～290 m时进行，通过图9可以看出，在工作面推进至290 m处离层量最大，达到3.5 m，且离层跨度也达到最大85 m，是进行离层注浆的最佳时期。注浆钻孔应布置在采区偏上山方向，距开切眼145 m处，钻孔深度为1 140 m-158 m=982 m，注浆时浆液就会先充填下山部分离层空间，进而充填盆地中心，直至充满整个离层，如图10。

图10　离层注浆剖面及钻孔倾斜位置Fig.10　Diagram of separation layer plane and drill hole oblique

为有效防治巨厚砾岩下冲击地压的发生，笔者结合前人研究成果与离层注浆实践，提出一种巨厚砾岩下囊袋式离层加固技术。试验工点位于距离1410工作面上半部华泰公路东300 m处，钻孔沿工作面倾向方向布置，在预测离层发育高度最大的位置，即注浆钻孔布置在采区偏上山方向，呈矩形或三角形布置，距1410工作面开切眼145 m处，间距一般为25 m，钻孔深度为982 m，开孔直径240～300 mm。试验区工点地层结构自下而上依次为：直接顶为2.6 m的粉砂岩，老顶的厚度为20 m左右的细中砂岩组成以及实际厚度为800 m的巨厚砾岩组成。囊袋式离层加固材料，选用粉煤灰、水泥、外加剂及水，将粉煤灰、水泥、外加剂和水按一定的比例均匀混合搅拌而成，料浆质量浓度为60%～70%的似膏体注浆材料。注浆压力维持在0.4～0.6 MPa，每米注浆量约120～130 L，注浆流量为50～65 L/min。自下而上注浆，待上一节囊袋注浆到设计浆量后才能进行下一节注浆。第一次注浆量为设计量的70%，余下部分每隔30 min，分2次注完。具体加固工艺流程见图11。

①.高压软管;②.注浆管弯头;③.注浆孔;④.注浆钢管;⑤.塑料套环;⑥.尼龙囊袋;⑦.料浆液;⑧.橡皮胶圈;⑨.囊袋膨胀;.注浆管花孔;.橡胶堵头;.铁丝封头;.煤层。图11　囊袋式离层注浆加固工艺流程Fig.11　Bag-type layer reinforcing process

巨厚砾岩下囊袋式离层加固工艺，包括施工准备、钻孔、注浆管及囊袋制作、注浆管和囊袋绑扎并下孔、料浆制备及注浆、拔注浆管和钻孔回填、冲洗注浆管路7个步骤：

第1步 施工准备：将水泥、粉煤灰分别过4目标准筛，确保其没有结块，分别储存于细料仓和胶结料仓。将水泥、粉煤灰与外加剂和水按照设计比例用称量斗和电子称称量好备用。场地进行平整，并用全站仪或GPS等测量设备将注浆钻孔③位置进行放样，一般注浆钻孔在地表可沿采场工作面走向和倾向布置，呈矩形或三角形布置，间距一般为10～30 m，具体可根据现场实际情况确定。搅拌机设备、高压注浆泵以及钻机等设备进场安装就位。

第2步 钻孔：采用大功率工程地质钻机(>58 kW)或DZ60KS型振动锤沉管机钻孔至设计深度，开孔直径240～300 mm，钻孔倾斜度要求小于1%。

第3步 注浆管及囊袋制作：注浆管④一般采用钢管，外径40 mm，内径35 mm，长度一般大于钻孔设计深度的400～600 mm。注浆管上端有一弯头②，连接高压胶皮软管①在距钢管底部300～400 mm的地方布设呈梅花形的注浆孔眼③，2～3排，孔眼大小为8～10 mm，个数为每排3～4个，共6～8个圆形钻孔，方便料浆从花管流出，并在注浆钢管④的底部采用橡胶阀门堵头进行封底。囊袋采用尼龙纤维无缝编织⑥，规格为180～220 g/m2，囊袋直径为500～600 mm，长度应该比设计孔深多600～700 mm。

第4步 注浆管和囊袋绑扎、下孔：先将尼龙囊袋⑥自下而上套在注浆管④外，将囊袋底端用14号细铁丝扎紧，然后将底端再回折250～300 mm，再用14号细铁丝扎紧，目的是防止料浆泄露。从囊袋底端开始每隔0.8～1.2 m，用橡皮胶套⑧或11号铁丝将囊袋绑扎在注浆钢管④上，在囊袋的最上端，用塑料套环⑤扎牢，确保套环⑤能在注浆管④上相对滑动，注浆钢管④上端应该超出地面500 mm以上。将钻孔清洗干净后，用钻机悬吊将绑有囊袋的注浆管④缓慢放入钻孔③中，当囊袋到达设计高度即离层区域时停止下放。

第5步 拌浆及注浆：将准备好的水泥、粉煤灰过4目标准筛，防止水泥和粉煤灰结块，影响料浆质量。按照设计比例称量好各物料，投入搅拌机进行搅拌，搅拌时间不小于90 s。搅拌完成之后，料浆进入高压注浆泵，在HB6 - 3型高压注浆泵的推动下，通过地面泵送管道、高压胶皮软管①、注浆管弯头②和注浆钢管④将搅拌好的浆液注入尼龙囊袋⑥内。

第6步 拔注浆管：待囊袋注浆量到设计要求后，且当注浆量与注浆压力与设计要求达到基本一致时，囊袋已经完全膨胀，此时可采用YJ.50型插塑板机将注浆管缓慢拔出。值得注意的是此时拔管速度与注浆速度应该相协调, 一定要控制在0.5～0. 8 m/min，并保持注浆压力0.4～0.6 MPa。待注浆钢管④完全拔出以后，用沙土和碎石对上部空孔进行回填，同时将地面振动密实。

第7步：冲洗注浆钢管，移至下一孔位，进行下一循环作业。为了提高工作效率，可使用多台注浆泵并行作业，缩短施工周期。

通过工业试验检测数据显示，囊袋式离层加固材料各项技术指标如下：料浆表观密度为1.4～1.6 g/cm3，质量浓度为60%～70%，黏度为32～35 s，泌水率为0%～3%，塌落度220～260 mm，初凝时间小于4 h。单轴压缩强度，σ8h>0.5 MPa，σ7d>2.5 MPa。不同于传统的离层注浆工艺，囊袋式离层加固技术，在煤层开采初期即可对关键层下易产生离层区域进行横向挤压和纵向加固，使离层区软弱岩层具有一定的抗弯、抗剪和抗压强度，变传统的被动的离层后注浆为主动的离层加固，从根本上限制离层的发育发展，确保关键层不会破断，达到控制地表沉陷和防治煤层冲击地压的目的。通过囊袋的隔离作用，料浆不会泄露，通过裂隙扩散到工作面，污染环境。在注浆材料成本控制方面，按料浆比重为1.5 t/m3，囊袋直径为400 mm，囊袋设计高度为100 m计算，则每个钻孔的注浆总量约为18.84 t，按照本注浆材料成本约为150元/t计算，单孔钻孔注浆材料费用约为2 836元。一般对于采场走向长度为1 000 m，倾向长度为100 m，按注浆孔距为20 m计算，需钻孔总数约为200个，则总费用约为56.72万元。若煤层容重为γ煤=1.37 t/m3，煤层可采厚度为3 m，则该面可采煤炭总量为41.1万t，合计吨煤注浆材料成本仅为1.38元/t。因此，该离层加固技术具有一定的经济、社会和环境效益，具有一定的推广价值。

5　结论

1)通过相似材料模拟试验，当工作面推进至290 m时，离层自下而上发育至巨厚砾岩层下部，离层量达到最大为3.5 m，离层宽度为85 m；离层宽度与周期来压步距变化方向基本一致，约为周期来压步距的1.5～2.5倍；离层发育高度y跟工作面推进距离s呈线性关系：y=-5E-0.7s4+ 0.000 3s3- 0.078 8s2+ 8.273 6s- 274.87。当工作面推进至300 m时，巨厚砾岩发生破断、垮落。

2)以煤层极限平衡区内集聚的弹性应变能即集中静载荷能量E静和以巨厚砾岩破断、垮落传递来的动载荷冲击能量即集中动载荷能量E动的总和大于煤岩体动力破坏的最小能量Ef min时，即当E静+E动-Ef min>0时，采场冲击地压启动。同时，研究发现由巨厚砾岩断裂、垮落所造成的集中动载荷冲击能量远大于集中静载荷集聚弹性应变能，因此，以巨厚砾岩断裂、垮落产生的集中动载荷冲击能量诱发冲击地压的强度更高，危险性更大。

3)提出一种囊袋式离层加固防冲技术，对离层区域进行横向挤压和纵向加固，使离层区软弱岩层具有一定的抗弯、抗剪和抗压强度，变传统的被动的离层后注浆为主动的离层加固。该技术能够防止料浆外泄，保护环境，提高注浆效率，降低注浆成本，实现了煤矿安全高效绿色开采。

[1]谢和平.深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望[J]. 工程科学与技术,2017,49(2):1-16.

XIE Heping.Research framework and anticipated results of deep rock mechanics and mining theory[J].Advanced Engineering Sciences,2017,49(2):1-16.

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

[3]章梦涛,宋维源,潘一山. 煤层注水预防冲击地压的研究[J]. 中国安全科学学报,2003,(10):73-76.

ZHANG Mengtao, SONG Weiyuan ,PAN Yishan.Study on water pouring into coal seam to prevent rock burst[J].China Safety Science Journal,2003,(10):73-76.

[4]姜耀东,潘一山,姜福兴,等. 我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J/OL]. 煤炭学报,2014,39(2):205-213.

JIANG Yaodong,PAN Yishan,JIANG Fuxing ,etal.State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):205-213.

[5]齐庆新,史元伟,刘天泉. 冲击地压粘滑失稳机理的实验研究[J]. 煤炭学报,1997,(2):34-38.

QI Qingxin,SHI Yuanwei,Liu Tianquan.Mechanism of instability caused by viscous sliding in rock burst[J].Journal of China Coal Society,1997,(2):34-38.

[6]潘俊锋,宁宇,毛德兵，等. 煤矿开采冲击地压启动理论[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31(3):586-596.

PAN Junfeng, NING Yu, MAO Debing,et al.Theory of rockburst start-up during coal mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(3):586-596.

[7]孟龙,高召宁,孟祥瑞.考虑损伤的圆形巷道围岩弹塑性分析[J].中国安全生产科学技术,2013,9 (11): 11-16.

MENG Long，GAO Zhaoning，MENG Xiangrui. Elas-to-plastic analysis of circular roadway surrounding rocks under consider ation of rock damage[J]. Journal of Safety Science and Technology， 2013， 9(11): 11-16.

[8]李宝富, 徐学锋,任永康. 巨厚砾岩作用下底板冲击地压诱发机理及过程[J]. 中国安全生产科学技术, 2014,3(10): 11-17.

LI Baofu,XU Xuefeng,REN Yongkang. Induced mechanism and process of floor burst under the action of hugely-hick conglomerate layer[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014,3(10): 11-17.

[9]史俊伟,朱学军,孙熙正，等. 巨厚砾岩诱发冲击地压相似材料模拟试验研究[J]. 中国安全科学学报,2013,23(2):117-122.

SHI Junwei,ZHU Xuejun,SUN Xizheng,et al. Study on the simulated test of the compressive force of heavy conglomerate[J]. China Safety Science Journal,2013,23(2):117-122.

[10]赵阳升,冯增朝,万志军. 岩体动力破坏的最小能量原理[J]. 岩石力学与工程学报,2003,22(11):1781-1783.

ZHAO Yangsheng，FENG Zengchao，WAN ZHijun.Least energy priciple of dynamical failure of rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003,22(11):1781-1783.

[11]齐利伟,李宝富,梁向辉,等. 上覆巨厚砾岩层失稳诱发重力型冲击地压研究[J]. 煤,2012,21(6):1-3.

QI Liwei ,LI Baofu，LIANG Xianghui,et al. Gravity impact pressure study of overlying thick conglomerate layer caused by instability situation[J].Coal,2012,21(6):1-3.

[12]郭惟嘉. 覆岩离层带注浆充填基本参数研究[J]. 煤炭学报,2000,25(6):602-606.

GUO Weijia. Study on the in parameters of grouting bed-separation minim-affected overburden[J].Journal of China Coal Society,2000,25(6):602-606.

[13]朱学军,魏中举,赵铁鹏. 离层注浆技术在冲击地压防治中的应用[J]. 中国矿业,2011,20(11):67-70.

ZHU Xuejun, WFI Ghongju,GHAO Tiepeng. Application of grouting bed separation technology in the prevention[J]. China Mining Magazine and control of rock burst,2011,20(11):67-70.