缺陷煤岩体对冲击能量防控的机理研究

潘立友 刘广运

(1.山东科技大学采矿工程研究院，山东省泰安市，271000；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590)



缺陷煤岩体对冲击能量防控的机理研究

潘立友1刘广运2

(1.山东科技大学采矿工程研究院，山东省泰安市，271000；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590)

在对重大冲击地压灾害全面调研的基础上，分析了我国深部矿井重大冲击地压的显现特征及研究现状。通过对冲击煤体的冲击倾向性变化分析，对比了冲击煤体和缺陷煤体的应力和能量特征，得出了缺陷煤体和冲击煤体的本质区别。通过人为缺陷结构改变了冲击煤岩体的能量积聚和释放特征，提出了缺陷煤岩体防控冲击地压的能量机理，可将重大冲击能量耗散并降低至低能量。结合具体工程，阐述了缺陷煤岩体防控重大冲击地压的技术方法，从控制冲击倾向方面发展了一种防控重大冲击地压的新技术。

冲击地压 缺陷煤岩体 冲击倾向性 能量机理 防控技术

随着浅部煤炭资源的不断枯竭，矿井的开采深度和强度都在逐渐增加。在深部矿井开采过程中，由冲击地压引起的动力灾害事故不断增多，成为深部矿井的主要灾害来源之一。由于开采深度的不断增加，冲击地压事故越来越严重，造成机械设备全部毁坏、上百米的巷道闭合、人员伤亡和财产严重损失。冲击能量高(量级在107J以上)、波及范围广(破坏范围≥50 m)、影响程度大的冲击地压灾害属于重大冲击地压灾害。为预防冲击地压事故，一些学者提出了很多预测预防技术，其中煤层打钻注水软化、深孔预裂爆破和钻孔卸压等方法效果最为显著。由于重大冲击地压灾害释放能量大，导致其发生机理和防治方法不同于一般的冲击地压，有必要对其发生机理及防治技术进行深入研究。

本文针对重大冲击地压灾害的能量显现特征，提出了缺陷煤岩体防控重大冲击地压的能量机理。利用人为制造缺陷煤岩体的方法，改变煤岩层应力集中程度和冲击能量的释放规律，进而使冲击能量在有效的时间和空间范围内连续、均衡、缓慢地释放，达到防治冲击地压的目的。

1 冲击倾向性特征变化分析

对于冲击煤岩体来说，冲击倾向性是指煤体具有积聚弹性变形能并产生冲击破坏的自然性质，是评价煤矿冲击地压发生的重要指标。冲击倾向性与煤体的结构密切相关，不同煤体结构能够改变其应力变化和能量积聚程度。

冲击煤岩体为脆性材料，其变形破坏和能量显现特性不同于一般煤岩体。冲击煤岩体与缺陷煤岩体的应力-应变曲线如图1所示。

图1 冲击煤岩体与缺陷煤岩体的应力-应变曲线

由图1可以看出，一般情况下，冲击煤岩体都具有较高的强度，受到外力的作用，变形破坏所需的能量大，发生破坏前能够积聚较大的应力和能量，即处于虚线所示的弹性阶段A。当冲击煤岩体达到破坏峰值后能量突然释放，由弹性阶段直接进入突变阶段C，所积聚的弹性能全部转化为大量冲击能并释放出来，随后进入残余变形阶段D。而缺陷煤岩体是对冲击煤岩体的结构进行改变，减小了整体结构的强度，加大能量的耗散程度。当缺陷煤体受力时，由于强度较低，煤体由弹性变形阶段A首先达到塑性变形阶段B′，大部分能量在塑性阶段被缺陷煤岩体耗散，破坏峰值大幅度减小，剩余的能量转换为冲击能释放出来，经突变阶段C′和残余变形阶段D′完成整个破坏过程。因此缺陷煤岩体不仅降低了破坏峰值应力，而且在塑性阶段释放了大量弹性能，降低了煤岩体的冲击倾向性。

通过对比冲击煤岩体和缺陷煤岩体的应力-应变曲线，可知塑性变形阶段的缺失是冲击煤岩体与缺陷煤岩体的本质区别，冲击能量的耗散是缺陷煤体的独有表现形式。

2 缺陷煤岩体防控冲击地压的能量机理分析

缺陷煤岩体防控冲击地压的原理是利用缺陷煤岩体自身的耗能性质，切断高应力和高能量的连续性，使得冲击能量能够有序缓慢的释放。通过制造人为缺陷，可以改变煤岩体的应力集中程度、冲击能量积聚和释放特征，将特大能量分割成中、小能量，并使其在有效的时间和空间范围内得以连续、均衡、缓慢地释放，防止重大冲击地压的发生。

工作面两侧巷道一般为冲击地压发生的主要区域。由于地应力、构造应力和开采扰动应力的作用，使得能量全部积聚在巷道两侧煤体内，形成具有高冲击能量的危险区域。当巷道周围储存的弹性能达到围岩的承载极限后，大量冲击能瞬间释放，巷道便会造成灾害性的破坏。

对巷道两侧冲击区域煤体进行人为制造缺陷煤岩体，缺陷煤岩体可以切断煤体内应力和能量的连续性，将强冲击能分割为若干个小能量，能够使弹性能成倍的降低。缺陷煤岩体防控冲击地压机理如图2所示，巷道周围存在高应力高能量的冲击危险区域，当能量达到巷道围岩的承载极限后便会从巷道释放，形成破坏性极强的冲击地压。为了减弱能量强度，控制能量释放速度，在巷道两帮根据不同环境制造不同的缺陷煤岩体结构，将积聚在巷道周围的能量转移到缺陷煤岩体内进行释放，增加缺陷煤岩体的耗散能UD，降低弹性能的积聚；每隔一定距离制造一个缺陷煤岩体可以将整个巷道的冲击能U分割成由U1、U2、U3、……、Un等互相独立的小能量区域。各个小能量区域的能量远小于总能量U，且相互独立，因此每个区域的能量幅度大大降低，不足以达到冲击地压发生的临界能量。缺陷煤岩体不仅分割了冲击能U，而且将积聚的弹性能部分转化为耗散能，进一步减小了冲击能量，使得巷道周围能量降低，保持了巷道的完整性，防止高能量冲击地压的发生。

图2 缺陷煤岩体防控冲击地压机理

巷道附近高应力高能量区域制造缺陷煤岩体后应力和能量变化情况模拟结果如图3所示。

图3 缺陷煤岩体防控冲击地压模拟结果

由图3可以看出，缺陷煤岩体在能量源的作用下严重变形，能量在缺陷煤岩体周围大幅度释放，缺陷煤岩体及其周围卸压区域切断了应力和能量的传播，避免巷道发生大的冲击。

3 工程应用

吕家坨矿5479Y工作面为孤岛内工作面，埋深约为705～815 m，工作面煤层厚度在3.2～3.9 m之间，平均为3.51 m，倾角在7°～20°之间，平均为11°。工作面内部硐室密集，东部以落差为18～30 m的正断层为界，西部以工作面的停采线为界，具体如图4所示。5479Y工作面不仅受到原始地应力的影响，而且受到一侧落差平均为26 m的大断层影响，加上临近采空区，使得5479Y工作面积聚的弹性能足以达到发生严重破坏的程度，在工作面掘进期间具有重大冲击危险性，需要从整体上进行防控。

在运输巷掘进期间，受到F4断层构造应力和地应力的影响，能够积聚较大的能量。运输巷从中间巷向两侧分别掘进，在上半侧掘进时无冲击显现。这是由于在上半侧运输巷和断层之间存在一条废弃的集中回风巷，集中回风巷相当于人为制造的线型缺陷煤岩体，阻断了F4断层构造应力的传递，将能量吸收耗散在集中回风巷中，从而降低了运输巷的能量大小，保证了巷道的安全稳定。

图4 5479Y工作面缺陷体整体防控示意图

运输巷靠近工作面一侧硐室密集，遗留巷道将煤体分成面积不等的块状结构。这些密集巷道恰好作为块状缺陷煤岩体对孤岛工作面内部的巨大能量进行分割，使能量成为独立不连续的小能量块体，降低了能量的量级，对工作面的回采进行了提前卸压。运输巷下半侧掘进头处因受到断层的影响，且没有缺陷煤岩体进行耗能卸压，发生了煤炮震动等冲击显现，说明此区域能量积聚，为保证巷道的顺利掘进，在掘进迎头进行爆破卸压，巷道两帮进行大直径钻孔卸压，对迎头附近区域采取孔型缺陷煤岩体控制能量，确保能量等级控制在105J以下。在实施了具体卸压措施后，经钻屑法检测，煤粉量均在正常范围，说明冲击危险得到控制，巷道得以安全掘进。

4 结论

(1)冲击煤体和缺陷煤体的本质区别是塑性阶段的缺失，缺陷结构可以增加结构受力变形的塑性变形，耗散大量弹性能，极少部分转化为冲击能，减小煤体的冲击倾向性。

(2)对缺陷结构对冲击能量的耗能机理进行了分析，通过制造人为缺陷结构改变了煤岩体的结构和受力状态，将重大冲击能量分割为若干小能量，降低冲击危险区域积聚的能量，防控了高能量冲击地压的发生。

(3)根据缺陷煤岩体防控冲击能量的机理，对具体冲击地压工作面进行了工程应用，结合实例阐述了缺陷煤岩体分割能量、有序控制的作用，验证了缺陷煤岩体对重大冲击地压的防控效果。

[1] 艾春和.深部不规则孤岛工作面开采顺序及冲击地压防治技术 [J].中国煤炭，2015(9)

[2] 李希勇,张修峰.典型深部重大冲击地压事故原因分析及防治对策 [J].煤炭科学技术，2013(2)

[3] 金佩剑,王恩元,刘晓斐等.冲击地压危险性综合评价的突变级数法研究 [J].采矿与安全工程学报，2013(2)

[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].煤炭学报,2014(2)

[5] 于正兴,姜福兴,李峰等.深井复杂条件下冲击地压主动防治技术 [J].煤炭科学技术,2015(3)

[6] 刘晔,姜福兴,冯宇.巷道诱发型冲击地压的发生机制及危险性分析 [J].岩土力学,2015(S2)

[7] 苑广华,王恩元,沈荣喜等.基于钻孔电磁辐射法的煤体应力分布测试 [J].中国煤炭,2013(4)

[8] 姜耀东,赵毅鑫.我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制 [J].岩石力学与工程学报,2015(11)

[9] 潘一山,肖永惠,李忠华等.冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用 [J].煤炭学报,2014(2)

[10] 潘俊锋,宁宇,杜涛涛等.区域大范围防范冲击地压的理论与体系 [J].煤炭学报,2012(11)

[11] 姚精明,何富连,徐军等.冲击地压的能量机理及其应用 [J].中南大学学报(自然科学版),2009(3)

(责任编辑 陶 赛)

Study on the mechanism of prevention of rock burst energy in defective coal rockmass

Pan Liyou1, Liu Guangyun2

(1.Mining Engineering Research Institute, Shandong university of science and technology, Tai'an, Shandong 271000, China;2.College of Mining and Safety Engineering, Shandong university of science and technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Based on the comprehensive investigation of major rock burst disasters, the characteristics and current research situation of major rock burst in deep mine were analyzed.According to the analysis of rock burst tendency of impacted coal body, the stress and energy characteristics of impacted coal body and defective coal body were compared, and the essential difference between defective coal body and impacted coal body was figured out.The energy accumulation mechanism and releasing characteristics of rock mass were changed by artificial defect structure.The energy mechanism of impact prevention and control was put forward.Impact energy can be dissipated and reduced to low level.Combined with specific engineering program, this paper elaborated the technical methods of prevention and control measures for rock burst of defective coal body, developed a new innovative technology to control major rock burst in aspect of controlling rock burst tendency.

rock burst, defective coal body, rock burst tendency, energy mechanism, prevention and control technology

国家自然科学基金(51674159)

潘立友，刘广运.缺陷煤岩体对冲击能量防控的机理研究[J].中国煤炭，2017,43(7)：77-80. Pan Liyou，Liu Guangyun.Study on the mechanism of prevention of rock burst energy in defective coal rockmass [J].China Coal，2017,43(7)：77-80.

TD324

A

潘立友(1965-)，男，山东平邑人，教授，博士生导师，主要从事冲击地压、矿山压力与岩层控制方面的研究。