深部大采高工作面顶板岩层对冲击地压的影响规律

王 飞

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

硬厚坚硬顶板与煤层之间距离越小，煤层开采时对工作面造成的冲击危险性就越大。煤岩体内积聚一定的弹性能，悬顶长度越大煤岩体积聚的能量就越大，顶板厚度越大越不容易垮落。

当较厚的煤层顶板出现断裂时，会释放出大量的弹性能，且由于岩体阻力使震动波发出的能量呈一定的衰减指数或者幂指数，使释放出的大量弹性能被消耗。所以，冲击地压的危险程度与顶板距煤层的距离密切相关。

1 顶板岩层对煤体应力状态的影响

井田煤层贮藏稳定，均为优质无烟煤。可采煤层8层，主采3#、8#、15#煤。一期工程可采储量1.6亿t，采区服务年限52.4a，年设计生产能力220万t，采高是7m。随着3213工作面的逐步推进，顶板的岩层出现断裂，释放的弹性能逐渐增多，测量表明释放的弹性能与岩层的厚度和强度有关。一般从开切眼开始，随着工作面不断向前推进，在开采过程中会产生顶板的初次和周期破断，顶板破断垮落的过程中释放的能量显著增加，能量一般会出现峰值，能量释放与岩层厚度之间有一定的关系，如图1、图2所示。

图1 动能随岩层参数改变而变化

图2 岩体强度为120MPa时的动能

由图可以看出，顶板破断或滑动过程产生的动能与岩体强度呈对数关系、与厚度呈指数关系增长，动能Ek随顶板岩层强度σ、厚度h的变化规律分别为：

式中A，B，γ，λ为系数，因此顶板岩层越厚或越坚硬，岩层运动时危险程度越高。

2 顶板断裂震动对煤体冲击危险性的影响

使用混凝土模拟岩层顶板，当发生断裂时产生震动情况，记录岩板断裂时产生的震动、声发射和应力等变化，试验模型如图3所示。将岩板规定为长1.5m，宽0.3m，并放置于载荷3000kN的试验机上进行断裂模拟，变化岩板的厚度，使其分别在0.18m、0.2m、0.26m、0.31m的厚度上进行试验。

图3 试验模型

从实验中可以得出结论，顶板发生断裂后，震动波、声发射、应力这些参数会发生显著的变化，震动波表现出的规律为震动具有持续性，持续一定的时间之后波形才逐渐减缓，见图4。

图4 顶板断裂时信号特征

实践证明，当顶板来压时，煤体处于高应力作用下，积聚的能量会突然释放，形成煤层型冲击地压。

3 冲击地压随采深变化的显现规律

新景煤矿在开采过程中受采深影响明显，岩性偏软岩，开采中能量积聚不明显，矿井冲击地压类型明显，冲击地压发生频次比较多，但是强冲击地压基本没有。随着采深的增加，受重力影响明显，煤岩体原始的应力增加，发生冲击地压的危险性增加，当深度达到一定的临界值时，煤岩自身的应力达到煤体发生破坏的临界值，冲击地压随时可能发生。临界深度受煤层性质以及井田赋存状态影响较大。

冲击地压发生的一个最重要的条件是受支承压力的影响。煤岩体采掘以后，原始应力破坏重新平衡，在巷道与工作面四周出现支承压力增高区和应力降低区。冲击地压一般发生在支承压力比较高的区域，煤壁前方应力增高区最为显著。

随着矿井开采活动的进行，开采深度不断增加，冲击地压对煤矿生产活动带来的影响也逐渐增大。以下是深部矿井冲击地压的主要特征：

（1）发生动力现象的区域性强，随着震级的增大，影响强度增大。

（2）顶板岩层与采深之间存在一定的关系，采深越大顶板越破碎；深部岩层逐渐变碎。

（3）随着采深的增加水平方向的应力逐渐向顶板底板移动，而垂直方向的应力逐渐向两帮移动；垂直方向的应力的影响程度较大；矿井在深部区域构造应力比较突出，水平压力也表现出一定的方向性。

（4）矿井深部开采活动进行时，巷道两帮会出现严重变形。

（5）软岩冲击地压的一种主要的表现形式是煤炮。深井软岩的矿井发生冲击地压的频次高，但是危险程度高的冲击地压很少发生，

（6）松软岩性的岩石内部积聚的弹性能容易消散，由于矿井深部的高应力围岩质地松散，所以弹性能逐渐消散，突然形成冲击地压的概率较其他地方较低。

3.1 开采方式对冲击地压的影响

矿井开采活动对形成冲击地压具有较大影响：一是开采活动进行时会形成应力集中现象，增大冲击地压发生的危险性，例如留设各种煤柱，形成较多高应力集中区，增加了冲击地压发生的概率；二是开采活动进行时导致区域应力状态的改变，如放炮震动。

3.2 炮采工作面诱发冲击地压的机理分析

图5 煤层内破坏情况

在放炮震动影响下产生的冲击地压主要表现在两个方面：一是受放炮震动的影响，煤体的应力划分重新分布，加速煤体产生裂隙，导致围岩更容易失去稳定；另一方面是放炮产生的震动使破碎区增大，影响了极限平衡区的位置，使其向深部发展。由于破碎区煤体内的摩擦阻力在放炮震动作用下一定时间内突然消失，使极限平衡区在破碎区一侧的约束力消失，进而诱发了煤层冲击式破坏，使整体结构失去稳定(如图5示)。由此可看出，震动对巷道稳定性产生影响的原因有增加围岩载荷和降低围岩承载能力。

3.3 综放开采与冲击地压的关系

综放开采适用于多种较厚煤层的开采，单产高，效率高，是一种成本较低的煤炭开采方式，其主要优点表现在：

（1）工作面布置距离较长，但采区布置个数较少，优化的布局使得煤矿开采活动可以高效合理的进行；

（2）采区间施行无煤柱采煤，有效地提高了开采率，并降低了由于应力集中而产生冲击地压的概率；

（3）采区工作面的液压支架支护强度大，垮落法处理采空区可以降低顶板积聚的弹性能，有利于采煤活动的安全进行；

（4）巷道使用锚网与U型棚的联合支护，既可以承受静态的载荷，又可以承受动态载荷，有利于巷道围岩释放弹性能量。

3.4 大采高工作面与冲击地压的关系

采场支承压力对巷道顶底板及煤层有重要影响，主要表现为：煤矿开采活动引起的应力重新分布导致煤壁坍塌，顶板冒顶和底板底鼓，可能带来冲击地压的产生和煤层突出等危险。由于在大采高工作面使用垮落法充填采空区不充分，不容易使主顶板断裂在采空区形成“砌体梁”式稳定结构，其不稳定性会产生由支承压力影响带来的周期来压，因此会使大采高工作面的损坏更加严重，支架受到更加强烈的冲击载荷，影响开采活动的安全高效进行。

前人利用数值模拟和现场实测进行了大量的研究，对大采高工作面支承压力分布特点进行了概述，得出大采高支承压力分布影响范围更加广泛，应力集中系数保持一定的稳定性。

有关学者曾利用FLAC数值分析软件和现场实测相结合的方法对比研究了大采高工作面支承压力分布的特点，结果显示：大采高工作面的支承压力影响范围较普通综采面（采高小于3.5m）更加广泛，且应力集中的系数基本稳定。

4 结语

对新景煤矿3213工作面深部大采高工作面顶板岩层对于冲击地压的影响规律进行了重点分析。研究结果认为：（1）坚硬或较厚的顶板岩层会对煤体影响更大，产生冲击地压的危险性也会越大；（2）顶板岩层断裂是一个能量突变过程，其产生的震动会持续一段时间后再逐渐消失，使产生冲击地压的危险性升高；（3）坚硬或较厚的顶板对煤体影响产生冲击地压主要有两种表现形式——煤层型冲击地压和顶板型冲击地压。