悬顶结构下软底板采场冲击地压成因与防控研究

潘立友 侯家骏 薄树祥

(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；3.开滦(集团)有限责任公司，河北省唐山市，063000)

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悬顶结构下软底板采场冲击地压成因与防控研究

潘立友1侯家骏2薄树祥3

(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；3.开滦(集团)有限责任公司，河北省唐山市，063000)

针对软底板的地质条件，在分析采场应力分布特点的基础上，建立了煤层聚能结构和顶板悬臂结构的力学模型。通过对软底板煤层和悬顶附加能量源的力学机制和能量演化过程的分析，得出了软底板破坏诱导强冲击倾向性煤体释放能量是发生冲击地压的根本原因，悬顶结构是加剧冲击地压强度的重要因素，并总结了软底板条件下冲击地压显现特征。根据该条件下的冲击显现特征，从底板帮部卸压、加强围岩稳固性和悬顶结构处理等方面，采取了围岩卸压配合巷道支护的冲击地压防治措施，取得了显著的冲击地压防治效果，保证了安全开采。

强冲击倾向性煤体 软底板 悬顶结构 防治措施

在我国煤炭资源开采过程中，随着开采深度和开采强度的加大，深部矿井发生冲击地压、顶板大面积垮落和突水等煤岩动力灾害日益严重。其中，冲击地压因其发生原因复杂、影响因素众多、发生突然且破坏性极大而成为矿山安全开采的重大课题之一。

一些学者对复杂条件下的冲击地压发生机理及防治技术展开了许多研究。赵毅鑫等针对“两硬”条件下工作面冲击地压的发生特征进行了研究，利用微震技术分析了坚硬顶板和坚硬煤体共同作用下冲击地压的发生机理和前兆信息特征；潘俊峰利用冲击地压启动原理对底板冲击地压进行了分析，认为软底板是能量传递和释放的载体，两帮的集中应力则是诱发冲击地压的主因；于正兴等对厚关键层强冲击倾向性工作面的冲击地压发生机理进行研究，并制定了具有相对性的监测手段和防治措施。本文基于以上研究成果，研究了悬顶结构下软底板采场的冲击地压成因及其防治技术。

1 悬顶结构下软底板煤层工作面应力分布

本文研究的工作面由较坚硬直接顶、强冲击煤体和软直接底组成，其中采空区一侧直接顶下部裂隙发育，部分垮落，而上部岩层完整性较好，易形成悬顶结构。一侧采空造成应力集中和能量积聚，应力和能量传递至煤柱体时，煤体不仅承受上覆岩层自重，还受到悬顶结构的附加应力，积聚大量弹性能。

利用RFPA数值模拟软件模拟工作面主应力结果如图1所示。

图1 主应力图

其中图1(a)是普通悬顶结构下的主应力图，图1(b)是软底板条件下的主应力图。工作面垂直应力变化模拟结果如图2所示。由图1和图2可知，软底板煤层的支承压力峰值位置相对降低，并向煤体深部转移。煤体和上覆岩层产生的自重应力受到软底板的缓冲作用，所产生的应力峰值相应下降，支承压力影响范围增大，与普通悬顶煤层的应力分布不同。

图2 垂直应力变化图

2 悬顶结构下软底板煤层冲击地压成因分析

2.1 冲击地压能量积聚模型与分析

冲击倾向性较高的煤体受构造运动和采场推进影响，积聚大量弹性能，导致软底板破坏诱发强冲击煤体释放能量是发生冲击地压的根本原因。强冲击倾向性煤体和软底板共同组成能量积聚区，根据微分流变模型，将此区域简化为由一个H体(胡克体)和一个K体(开尔文体)串联而成的广义开尔文体(H-K)能量积聚模型，如图3所示。其中Hm为强冲击倾向性煤体，用强度为Em的弹簧表示；HD为软直接底，用强度为ED的弹簧并联粘性系数为η的粘缸表示。

图3 能量积聚区受力模型

由于煤体强度Em较大，具有强冲击倾向性，且受到上覆岩层的作用力，能够积聚较大的弹性能，当达到Hm的变形极限后，能量则会向下部强度较低的软直接底传递。由于HD是软弱岩层，具有弹性体和粘性体的共同特性，所产生的应力可以按照广义开尔文体得出。由于直接底强度低，加上煤体传递的应力，更容易达到极限状态，积聚的弹性能更大。当直接底不能承受大量弹性能时，能量便会破坏直接底结构，向周围空间释放，表现形式为煤岩体从底板喷出，形成底板型冲击地压。

2.2 悬顶结构附加应力分析

矩形悬顶结构力学模型如图4所示。为了分析矩形悬臂结构受力情况，将悬臂梁简化为如图4所示的力学模型。悬顶结构的最大弯矩为：

(1)

式中：M——矩形悬顶结构的弯矩，N·m；

x——矩形悬顶结构重心距y轴距离，m；

G——矩形悬顶结构自重，N，埋深越大，作用在结构上的自重力G也越大；

l——悬顶长度，m；

f(x)——均布压应力，MPa。

通过计算可得矩形悬顶结构的受力分析:

(2)

建立式(2)中弯矩与悬跨度、上部作用应力(主要与采深和采空区范围有关)和自重的关系，由此可知，弯矩与悬跨度l成二次方关系，与上部作用应力和自重G成一次方正比关系。

图4 矩形悬顶结构力学模型

通过对悬顶结构的受力分析可知，其产生的集中应力σx随着悬臂长度的增加而加大。由于悬顶结构的存在，受到上覆岩层作用产生的附加应力σx转移到煤体上，经煤体传递至软弱直接底，此时直接底承受的应力为σx+σm+σH，远大于直接底的应力极限，产生的能量也会急剧增加，发生煤岩体挤出和喷出现象程度更严重，冲击地压破坏等级提高。因此，悬顶结构是加剧底板冲击地压发生的重要影响因素。

2.3 悬顶结构下软底板煤层巷道冲击地压成因分析

通过对软底板煤层条件下工作面冲击地压成因及结构分析，建立了存在悬顶(一般为矩形悬顶)结构下的软底板冲击地压显现模型如图5所示。

图5 悬顶结构下软底板煤层冲击地压机理模型

由图5可知，模型分为悬顶结构区、能量积聚区、煤岩释放区、应力影响区等。作为强冲击的附加能量源，悬顶结构区是加剧冲击地压程度的主要结构体，提供大部分应力和能量。随着悬顶结构缓慢下沉，应力与能量积聚在巷道靠采空区侧煤柱上，当煤柱塑性破坏至一定程度后就起不到支承顶板作用，整个悬顶长度将延伸至巷道煤壁处，悬顶自重G增大至G1，悬顶悬露长度由l增加到l1(l1>l)。由式(2)可知，悬顶结构的弯矩与悬跨长度成二次方关系，弯矩由M变为M1，其中：

(3)

因此，悬顶结构区产生的应力将会大大增加，并向巷道煤壁侧转移。当应力传递至煤壁时，煤体将受到上覆岩层自重与悬顶附加应力σx的共同作用，在煤壁处积聚能量，形成能量积聚区。根据对强冲击倾向性煤体和软直接底的分析，上覆岩层及悬顶结构将高应力和弹性能经弹性单元传递至软直接底，底板强度低，应力和能量容易达到自身极限，便会发生破坏，向周围空间释放能量，而巷道底板为煤岩释放区，稳固力弱，积聚的大量弹性能便会从此区域释放，大量煤岩体突然喷出至巷道，引发冲击地压。所以，冲击地压的发生是由于应力的变化所引起的，冲击地压的防治是可以通过控制应力来实现的。

3 软底板煤层巷道冲击地压防治技术及应用

根据悬顶结构下软底板煤层冲击地压发生机理分析可知，影响工作面巷道发生冲击地压的主要因素有：煤体及底板强度、巷道稳固程度、悬顶结构影响等。因此针对以上因素确定冲击地压防治措施,具体措施有：巷道底角卸压、巷道帮部卸压、提高围岩稳固程度、悬顶结构处理等。

3.1 现场应用

山东郭屯矿煤层埋深约800 m，煤层厚度0.73～5.31 m，平均3.47 m，属较稳定煤层。煤层硬度f=2～3，具有强冲击倾向性。煤层顶板由较坚硬的粉砂岩、细砂岩组成，直接底由1～2 m的泥岩组成。工作面沿空留小煤柱开采，煤柱宽度4～5 m。根据煤层及顶底板岩性可知，本工作面区域具有煤体为强冲击性和直接底软弱的特性，是典型的强冲击煤体软底板工作面，加上工作面上方有较坚硬顶板，完全具备冲击地压发生的物质条件，冲击危险性较大。

针对该条件采取以下具体冲击地压防治措施：

(1)巷道帮部卸压。巷道帮部钻孔爆破处理，孔深10 m，孔径42 mm，钻孔斜向上3°～5°，钻孔距离底板1.5 m，两钻孔间距2 m，装药量为3.5 m，如图6所示。

(2)底角卸压。巷道底角钻孔爆破处理，孔深10 m，孔径42 mm，钻孔斜向下15°，两钻孔间距2.5 m，装药量为3.5 m。

图6 巷道底角及帮部卸压布置图

(3)帮顶协同支护。在巷道顶板使用ø20 mm×2400 mm锚杆和ø21.6 mm×6200 mm让压锚索，巷道实体煤侧使用ø21.6 mm×6200 mm～8300 mm斜拉锚索(分别斜向上45°和60°)和ø20 mm×2400 mm锚杆，煤柱侧进行常规锚杆支护，如图7所示。锚索锚固端位于上部坚硬基本顶中，起到良好的拉拽作用。

(4)钻孔切顶。在工作面回风巷悬顶区域布置大直径钻孔对顶板进行卸压处理，减少悬顶结构附加应力的传递。钻孔深20 m，孔径110 mm，两孔间距3 m。

图7 巷道帮顶协同加固技术示意图

4 结论

(1)强冲击倾向性煤层和软底板工作面软底板破坏诱导强冲击倾向性煤体释放能量是该条件下采掘空间冲击地压发生的根本原因，而悬顶结构则加剧强冲击地压发生的重要因素。采用数值模拟方法得到了软底板煤层的应力分布特点。

(2)将强冲击倾向性煤体与软底板组成的聚能结构简化为广义开尔文体模型，利用弹性力学解释了能量积聚区的聚能过程及释能原因。建立了悬顶结构受力模型，根据弯曲破坏力学模型，计算得出了矩形悬顶结构的弯矩与悬跨度成二次方关系，与上部作用应力和自重成一次方正比关系。综合聚能结构和悬顶结构的力学机制，分析了在悬顶结构附加作用下强冲击软底板煤层冲击地压成因。

(3)针对郭屯矿具体的开采条件，实施了以底角与帮部卸压、帮顶协同支护、钻孔切顶为主的围岩卸压配合巷道支护的冲击地压防治措施。

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Studyoncausesandpreventionmeasuresofrockburstinsoftfloorundersuspendedroofstructure

Pan Liyou1, Hou Jiajun2, Bo Shuxiang3

(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; 3. Kailuan (Group) Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063000, China)

Based on the analysis of the geologic conditions and stress distribution characteristics of soft floor, the mechanical model of coal seam and the cantilever structure of the roof were established. Based on the analysis of the stress distribution law and the mechanical mechanism and the energy evolution process of coal seam and additional energy source, it was concluded that the failure of soft floor foundation inducing the strong impact tendency coal body to exacerbate compressive energy was the main reason for rock burst, and the cantilever structure was an important factor to increase the intensity of rock burst. The characteristics of the rock burst under soft floor were summarized. According to the impact characteristics under the conditions, through pressure relief of floor side, strengthening the stability of the surrounding rock and cantilever structure treatment, taking pressure control measures with wall rock pressure relief and roadway support, achieving significant rock burst control effect, ensuring mining safety.

strong impact tendency coal body, soft floor, cantilever roof structure, prevention and control measures

国家自然科学基金资助项目(51674159)，国家重点研发计划项目(2017YFC0804201)

潘立友,侯家骏,薄树祥. 悬顶结构下软底板采场冲击地压成因与防控研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(12)：72-75，114.

Pan Liyou，Hou Jiajun，Bo Shuxiang. Study on causes and prevention measures of rock burst in soft floor under suspended roof structure [J]. China Coal，2017，43(12)：72-75，114.

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的科研和教学工作。

(责任编辑 陶 赛)