不同煤岩系统的冲击显现机理及能量演化特征分析

魏 辉

（江苏海洋大学 土木与港海工程学院，江苏 连云港222005）

煤炭作为主要能源之一，开采范围已从浅层逐渐向深部发展。在深部煤岩环境中，由于地质条件复杂，煤层及顶底板岩性千差万别，煤岩系统的受力环境及应力分布有很大差异，造成冲击能量积聚及释放的原因也各不相同[1-5]。因此在这种多变条件下，冲击地压发生机理比较复杂，防治也更为困难。

目前，已有许多专家学者对不同煤岩系统的冲击显现特征及其机理进行了研究。左建平等[6]对岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验，获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为，并比较了异同点；王宁等[7]研究了“顶板-煤岩”组合结构在不同加载条件下的变形发展过程和破坏特征，并明确了坚硬煤岩组合条件下的冲击地压破坏模式；周元超等[8]通过RFPA2D数值模拟软件对不同高度煤岩组合的受力情况和声发射特征进行了对比研究，认为组合体的单轴抗压强度随煤样在组合体中占比的增大而减小，且组合体中岩样高度所占比例越高，其产生的声发射能量也越多；姚精明等[9]采用实验室试验和分形理论相结合的方法研究了组合煤岩样变形破裂的电磁辐射规律，其中电磁辐射信号与顶板在组合煤岩样的比例成正指数关系；刘刚等[10]利用数值模拟方法对坚硬顶板、坚硬煤层、坚硬底板三体模型的冲击显现规律进行了对比研究，实验数据验证了不同煤岩组合形式的能量积聚程度及冲击地压发生几率有很大差别；侯志鹰等[11]根据大同两硬条件（坚硬煤层和坚硬顶板）特点和冲击地压发生特征，通过现场试验和实验室分析研究了冲击地压发生的机理，提出了两硬条件下发生冲击地压的时空能量准则；Zhu 等[12]以数值模拟和现场试验等方法研究了煤层厚度变化区域的应力状态情况，认为在煤层变薄区域会加剧应力集中和能量积聚程度；He 等[13]通过数值模拟方法研究了坚硬顶板对巷道围岩的动力荷载效应，实验结果明确了坚硬顶板不仅会引起开采围岩的应力集中，而且会导致冲击能量的积聚，容易引发冲击灾害；王旭宏等[14]结合现场实测、理论分析和数值模拟等方法，研究了“三硬”煤层巷道冲击地压发生机理，并通过力学分析发现侧压系数与煤壁冲击线性相关。

1 煤岩系统不同组合形式

1.1 煤岩系统组成

在煤炭开采过程中，煤层及其顶底板环境是开采的主要研究对象，可以将煤层、顶板岩层及底板岩层3 部分共称为煤岩系统。在地质煤岩系统中，由于煤层及顶底板岩性各不相同，所以产生的应力分布及能量演化具有很大差异。针对不同的顶底板条件，根据顶底板强度可得出煤岩组合形式，主要包括：顶底板均坚硬（RCR↑、RCF↑）、顶板坚硬底板较软（RCR↑、RCF↓）、顶板较软底板坚硬（RCR↓、RCF↑）及顶底板均较软（RCR↓、RCF↓）等几种形式（RCR、RCF为顶板、底板的单轴抗压强度），顶底板及煤层组合形式如图1。

1.2 不同煤岩系统的破坏形式分析

以煤层和顶底板组成的煤岩系统为研究对象，不同顶底板强度组成煤岩系统的破坏形式有很大差别。当顶板和底板坚硬、而煤层较软时，即ER＞EM、EF＞EM，那么硬顶硬底会对软煤层产生“夹持”作用，顶底板的应力和能量使煤体首先发生破坏，并向巷道释放大量能量，形成两帮冲击破坏；当顶板较坚硬，煤层及底板较软（或留有底煤）时，即ER＞EF＞EM，则整个煤岩系统的强度相对减小，坚硬顶板积聚的能量向较软的煤层和底板传递，并在煤层及底板首先发生破坏，释放转化的冲击能量，容易形成两帮及底板冲击破坏；当顶板较软、底板较硬时，即EF＞ER＞EM，由于顶板强度低，上覆岩层及外界传递下来的应力和能量大部分被顶板耗散和释放，能量大部分在顶板转化为耗散能，剩余的冲击动能不足使煤层巷道发生破坏。

图1 顶底板及煤层组合形式Fig.1 Combination of roof-floor and coal seam

在煤层及顶底板组成的煤岩系统中，顶板的强度越大，稳定性越好，储存的能量就越大，这主要是因为坚硬顶板能够储存和积聚能量，并长时间保存；相反，若顶板强度较低，或坚硬顶板已经受到破坏，此时储存能量的等级就会变弱，并且大量弹性能被岩层内的塑性变形耗散，逐渐缓慢释放。因此，在坚硬顶板条件下开挖巷道容易发生冲击地压，降低顶板强度可以增加顶板对弹性能的耗散程度，控制冲击能量的积聚和释放等级。

2 不同煤岩系统的冲击显现机理

2.1 顶底板受力模型

顶板岩层和底板岩层是煤岩系统的重要组成部分，由于煤岩系统不仅受到上覆岩层自重应力的影响，还会受到水平构造应力的影响，煤岩系统在这2种应力共同作用下会发生不同的冲击显现形式。不同岩性的煤岩组合系统也会发生不同的变形，尤其是顶底板强度差异性较大时，整个煤岩系统会产生截然不同的破坏形式。

假设煤岩系统中巷道顶底板受到上覆岩层施加的自重应力q 以及水平构造应力N 的共同作用，在顶板和底板的两端分别产生弯矩M1和M2，底部两侧的支承力为NA和NB，顶底板挠度为ω，顶板和底板的受力模型如图2。

2.2 冲击显现机理

图2 顶底板受力模型Fig.2 Mechanical model of roof and floor

分别以顶板和底板为研究对象，将垂直应力ρgH 简化为均布载荷q，加上水平构造应力N 的作用，顶底板的弯曲方程可表示为：

式中：ω 为顶底板挠度；Mx为与距离原点x 处的弯矩；E 为顶底板弹性模量；J 为惯性矩。

经化简后，分别得出顶板和底板的弯矩方程为：

式中：x 为距离原点的距离；l 为顶底板长度。

通过参考文献[15-16]对顶底板弯曲破坏的分析和推导过程，可得出顶底板在屈曲破坏时达到的最小轴向压力Nc为：

此外，因为巷道一般埋深较大，由自重应力场在水平方向产生的水平应力不可忽略，所以此时顶底板发生弯曲破坏的最小轴向压力Nc变为：

式中：E 为顶底板岩层的弹性模量，MPa；J 为岩层的横截面惯性矩；l 为顶底板岩层的水平长度，m；λ 为水平应力系数；ρ 为岩体平均密度，t/m3；H 为岩层埋藏深度，m。

由式（5）可知，顶底板发生屈曲破坏时的轴向压力与埋深、顶底板长度和强度有关。假设巷道埋深H及顶底板长度l 一定，则轴向压力与顶底板的强度成正比关系。根据上文及关系式（5）可知，煤岩系统中岩层的弹性模量E 较大时，变形破坏程度小，所承受的应力就越高，积聚的能量就越多，越容易发生冲击地压；岩层弹性模量E 较小时，容易发生变形破坏，积聚的能量易于耗散并释放，巷道所受冲击大大减小。

3 不同煤岩系统的能量演化特征模拟分析

3.1 模型建立

通过RFPA 数值模拟软件对不同煤岩系统的能量演化特征进行对比分析，模型尺寸50 m（宽）×40 m（高），代表50 000 mm×40 000 mm，其中巷道尺寸为4 m（宽）×3.6 m（高），煤岩系统模型如图3。模型上方加载方式采用均布载荷，y 方向加载20 MPa，x方向施加水平方向位移约束，限制其水平位移，计算采用自重加载，模型假定符合Weibull 分布，岩石破裂采用摩尔-库伦强度准则。

图3 煤岩系统模型Fig.3 Coal-rock system model

以河北唐山煤矿8、9 煤层工作面具体参数进行力学反演计算，煤岩力学参数见表1。

表1 煤岩参数Table 1 Coal-rock parameters

3.2 方案设计

根据上节结果分析，基于不同煤岩系统的受力变形特征，设定煤层强度不变，按照顶底板软硬强度不等共设计硬顶硬底、硬顶软底、软顶硬底和软顶软底等4 种不同组合形式的煤岩系统，不同煤岩系统的冲击地压能量演化模型如图4。对比分析不同组合形式下煤岩系统的冲击能量演化特征。

图4 不同煤岩系统的冲击地压能量演化模型Fig.4 Rock burst energy evolution models of different coal-rock mass

3.3 不同煤岩系统冲击能量演化特征

1）硬顶硬底型。当巷道顶底板强度均较高时，即顶板和底板的抗压强度较大，表现为硬顶硬底型煤岩系统。结合煤岩系统受力及冲击显现机理，巷道顶板和底板因受到垂直应力和水平应力的共同作用，能够储存大量弹性变形能，当能量积聚到一定程度后，便会向强度较低的煤层转移，那么能量便会在煤层巷道周围进行释放，导致巷道容易发生变形破坏并耗散能量，形成煤层型冲击地压。硬顶硬底型能量演化模拟结果如图5。巷道两侧应力集中程度较高，煤帮变形破坏程度严重，声发射密集，巷道两侧弹性能密度最大值达到273 kJ/m3，能量全部在此区域积聚并释放，煤层优先发生破坏，就会形成巷道两侧煤体发生破坏的冲击地压。

2）硬顶软底型。当巷道顶板坚硬，底板由于含有夹层或留有底煤，导致其抗压强度相对较低，就形成了硬顶软底型煤岩系统。通过煤岩系统描述可知，硬顶软底型强度与硬顶硬底型相比有所减小，在叠加形成的集中应力作用下，较坚硬的顶板能够积聚大量弹性能，由于底板及煤层强度低，能量便向下传递至煤层及底板，当到达煤层及底板的自稳极限后，就会发生能量释放，煤层及底板就会成为能量耗散的主要场所。硬顶软底型能量演化模拟结果如图6。在垂直应力恒定条件下，煤层及底板的变形破坏十分严重，声发射密度有所增大，巷道两侧弹性能密度有所下降，峰值大小为252 kJ/m3，说明煤层及底板耗散了部分冲击能量；能量释放主要集中在煤层及底板区域，通过巷道及底板的破坏来实现对能量的耗散，则形成以底板为主的冲击破坏形式。

图5 硬顶硬底型能量演化模拟结果Fig.5 Simulated result of energy evolution with hard roof-hard floor

图6 硬顶软底型能量演化模拟结果Fig.6 Simulated result of energy evolution with hard roof-soft floor

3）软顶硬底型。当巷道顶板为泥岩及其他岩性较软岩层、或受到人为破坏时，就会形成软顶硬底型煤岩系统。由于顶板强度低，临界承载极限较小，容易发生变形破坏，当应力作用在顶板时，顶板就会首先发生破坏，耗散大部分能量，只将小部分能量继续向下传递至煤层，那么煤层及底板积聚的弹性能减少，巷道所受的应力和能量降低，其变形幅度就会缩小。软顶硬底型能量演化模拟结果如图7。巷道顶板所形成的破坏范围要大于前2 种类型，声发射密集程度也同样增大，巷道及底板的破坏稍有程度减小，从能量分布图可知，巷道两侧弹性能密度最大值为224 kJ/m3（硬顶硬底和硬顶软底分别为273 kJ/m3和252 k/m3），说明部分能量在顶板破坏过程中已被耗散释放，有助于缓解巷道围岩应力与能量，减小冲击地压的破坏等级及发生几率。

图7 软顶硬底型能量演化模拟结果Fig.7 Simulated result of energy evolution with soft roof-hard floor

4）软顶软底型。当巷道顶底板均较软弱时，因其软弱岩层的比例最多，所处煤岩系统的强度为最小。顶底板的吸能耗能程度增加，在同样的应力环境中，顶底板的变形程度最大，耗散和释放的弹性能比例最多，巷道周围集中应力及积聚的能量大幅度减小，使巷道呈现出低应力状态。软顶软底型能量演化模拟结果如图8。由图8 可知，巷道两侧变形破坏范围大大缩小，声发射密度较低，最大弹性能密度降低至216 kJ/m3，说明顶底板耗散的弹性能较多，缓解了巷道周围压力，使其稳定系数提高。

图8 软顶软底型能量演化模拟结果Fig.8 Simulated result of energy evolution with soft roof-soft floor

不同组合煤岩系统的能量演化特征见表2。对比以上4 种煤岩系统的能量演化特征，可知强度对巷道周围能量分布及耗散程度有很大影响。当煤岩系统的强度较大时，巷道两侧最大弹性能密度变大，破坏形式主要为煤体冲击破坏，而当煤岩系统的强度较小时，巷道周围能量大小逐渐降低，破坏类型逐渐转变为顶底板变形破坏。由此可以解释煤岩系统中具有坚硬顶底板的巷道容易积聚能量并易于发生冲击破坏，而顶板较软的巷道可以耗散大量的弹性能，能够减小冲击地压的发生。

表2 不同组合煤岩系统的能量演化特征Table 2 Energy evolution characteristics of different coal-rock mass

4 结 论

2）通过RFPA 数值模拟方法对比分析了硬顶硬底、硬顶软底、软顶硬底和软顶软底等4 种不同煤岩系统的能量演化特征，随着煤岩系统整体强度的下降，巷道周围最大弹性能密度峰值逐渐减小，降低冲击地压的发生几率。

3）利用不同煤岩系统的冲击能量演化规律可以很好地解释具有坚硬顶底板的巷道容易积聚能量并易于发生冲击破坏，而顶板较软的巷道可以耗散大量的弹性能，能够减小冲击地压的发生。