上保护层开采冲击地压成因研究

王 星

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037000）

同煤集团下属塔山矿煤层开采后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，在采空区四周形成支承压力带。工作面前方形成超前支承压力；倾斜方向及开切眼一侧煤体上形成固定支承压力（残余支承压力）[1]。相邻采空区边界或遗留煤柱所形成的支承压力会在某些地点形成叠合支承压力[2]。支承压力不仅在回采空间周围煤（体）柱上造成应力集中，在保护层开采过程中诱发冲击，还会向底板深部转移、传递，对影响范围内底板巷道与工作面造成冲击危险[3]。因此上保护层工作面支承压力大小及分布情况直接关系到被保护层应力集中及冲击地压发生情况[4]，是形成被保护层冲击地压的重要原因[5]。

1 支承压力分布状态分析

（1）支承压力极限平衡状态计算。支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。应力增高系数、煤壁边缘破裂区宽度、塑性区宽度、支承压力的影响距离等都是确定支承压力的重要参数。受支承压力影响，煤壁前方一定距离内存在极限平衡状态，如图1所示。取宽度为dx的单元，按极限平衡方程求解支承压力。

图1 煤体极限平衡受力示意图

根据采场前方煤体受力关系如图1所示，建立极限平衡方程

式中：

f-层面间的摩擦因数；

m-采高，m。

根据极限平衡区的条件有：

由此：

将上式带入极限平衡方程式（1）中，可求得

当x=0，σy=N0时，得C=lnN0

式中：

N0-煤帮的支撑力，kN。

带入式（4）得：

由式（7）可知支承压力的分布与煤帮的支撑力、采高等有重要关系。研究表明：当采高增大、煤帮支承能力变弱时，支承压力峰值将减小，且向深部转移，支承压力影响范围变大，应力集中情况变小。

（2）支承压力分布对卸压作用的影响。若上保护层工作面超前支承压力如图2中h1所示，支承压力峰值为K1γh，在煤壁处形成破碎区L1，在应力峰值附近形成的明显影响区域为L4。此时受支承压力影响，在底板中形成的应力等值线如图中y1所示。当采高增大或煤层强度降低时，煤壁处破坏范围增大，破碎范围由L1增大至L2。破碎范围的增大导致支承压力峰值减小，明显影响范围增大，峰值由K1γh降至K2γh，明显影响范围由L4增大至L3，且往深部转移，这相当于变相增加了工作面的有效长度。应力峰值的减小与深部转移，导致其在底板中形成的等值应力曲线向下部移动，如图2中y2所示，即所处同一位置的卸压效果变好。因此可通过软化保护层煤体、增大采高、增大煤壁处破碎区范围等，对上保护层应力集中边界卸压，实现保护层支承压力向深部转移，有利于被保护层冲击地压的防治工作。

图2 支承压力对卸压作用的影响示意图

2 煤柱应力状态分析

英国学者A.H.威尔逊经大量研究后提出了煤柱的两区约束理论，煤柱在加载的过程中应力是变化的，按其受力特点可将其分为煤柱屈服区和煤柱核区[5]。屈服区特点为：煤体应力超过屈服点，并且具有一定的流动性。其范围为煤柱应力峰值σ1到煤柱边界这一区段，宽度可用a表示。煤柱核区特点为：被屈服区包围并受屈服区约束，处于三轴应力状态，大体符合弹性法则。煤柱尺寸较小（存在核区），支承压力将会在煤柱内部产生应力叠加，会形成较高的煤柱支承压力；在煤柱核区尺寸较大时，弹性核区内有一部分核区的应力为原岩应力，这部分核区为原岩应力区。如图3所示。

图3 煤柱屈服区及其弹性核区

从理论上讲，若弹性核的宽度等于零，即煤柱整体进入屈服状态后，其宽度大于贯通破裂区的宽度，煤柱就能保持稳定，不会被整体破坏；其宽度小于贯通破裂区宽度，则煤柱失稳。由此，首先来确定煤柱的塑性区宽度。在距离煤柱边缘一定宽度内，煤柱的承载能力与支承压力处于极限平衡状态，可根据极限平衡理论计算煤壁塑性区宽x0为：

式中：

M-采高，m；

H-采深，m；

k-应力集中系数；

C-煤体的内聚力，kN；

φ-煤体的内摩擦角，（°）；

γ-采场上覆岩层的平均容重，kN/m3；

f-煤层与顶底板接触面的摩擦系数，f=tgφ；

ζ-三轴应力系数，

研究表明两侧临空煤柱保持稳定的基本条件为：在煤柱两侧形成塑性屈服后，煤柱中间仍处于弹性应力状态，也就是中间弹性核应具有一定宽度，煤柱核部的宽度一般取1～2倍煤柱高度。即煤柱稳定的最小宽度B应为：B=（1～2）M+2x0。

塔山煤矿2煤内摩擦角φ=23.3°，采高M=1.65m，采深H=700m；采场上覆岩层的平均容重γ=25，应力集中系数k=5。经计算，得x0=2.52m。塔山煤矿区段护巷煤柱为7～15m，满足煤柱稳定条件。

3 断层区域应力状态分析

由于断层破坏了岩层的整体性，当工作面推进时，工作面的应力分布受到断层影响很大，尤其是当工作面推进到断层附近时，工作面的顶板岩层被切断，失去了传递力的作用，在超前煤壁的顶板岩层将给工作面和断层间的煤柱造成加压作用，从而使工作面和断层间煤柱形成高应力区。工作面开始回采后形成的侧向支承压力会使在侧向支承压力影响范围内的煤层承受的压力较大，当工作面和断层间的煤柱的应力集中引起断层区域顶板的剧烈运动时，会释放大量的能量（煤体内的弹性能以及顶板做功产生的能量），发生冲击地压的危险性就高，正断层前后应力分布如图4所示。

图4 正断层断层面前后应力分布图

4 冲击成因分析

上保护层开采引起的支承压力与遗留煤柱不仅在回采空间周围煤体上造成应力集中，应力集中情况还会向底板深部转移、传递，图5为一侧采空煤体，作用于煤体上的支承压力峰值为3γh时，支承压力在底板中的应力集中情况；图6为保护层两侧采空稳定窄煤柱（超前支承压力影响范围为B，集中应力峰值为5γh）应力在底板中的集中情况。

由图可见，底板任意点的应力，主要取决于上部煤体的载荷、该点与煤体的垂直距离及该点与煤体边缘（中心线）的水平距离。一侧为采空煤体，作用于煤层上的支承压力的影响深部约为1.5～2B；两侧为临空窄煤柱，影响深部可达到3～4B。在煤柱影响范围内的同一底板岩层水平面上，煤柱中心线垂直应力最大。不论何种煤柱载荷，在底板岩层内的应力分布都成扩展状态。

图5 支承压力引起的应力集中分布图

图6 煤柱应力引起的应力集中分布图

若巷道布置在应力集中区域，不仅巷道自身在掘进过程中处于高应力集中状态，极易诱发冲击地压。在工作面回采时，受上层煤柱所传递的集中应力及本层开采支承压力的共同作用，应力叠加十分严重，是被保护层冲击地压发生的根本原因。

5 结语

本文将上保护层开采冲击地压成因类型分为环境成因（支承压力）、煤柱成因及地质成因，并分析了被保护层掘进及回采期间冲击地压发生机理。