煤矿冲击地压应力控制

黄太光

龙煤鹤岗矿业公司生产技术部 黑龙江 鹤岗 154100

前言

近年来，鹤岗矿区煤矿开采深度向下延伸，大部分煤矿已进入深部开采，峻德、兴安、富力、新陆四个煤矿煤炭资源富集区域主体开采深度已达到800 m 以下，部分煤矿采深甚至达到1000 m。

1 煤矿冲击地压发生机理综述

1.1 基础性煤矿冲击地压发生机理 基础性煤矿冲击地压发生机理主要是强度理论、刚度理论、能量理论和冲击倾向性理论，最早的冲击地压发生机理是由库克于1951年提出的强度理论，该理论从材料强度的角度来认识冲击地压发生机理，认为冲击地压的发生本质上是构成矿体与围岩最基本的元素强度遭到了破坏，基本元素的强度是有极限的，当其强度达到极限时就会难以承担其所受到的载荷，从而遭到破坏导致冲击地压的发生。之后，强度理论得到了进一步发展，从单纯对基本元素的认识再到基本元素以及基本结构之间的关系的认识，进而上升到整个矿体与围岩系统认识，从对强度应力的绝对值认识到整个矿体与围岩系统的相对值的认识，但是该理论的不足之处是并没有明确相对值的临界点。刚度理论从材料刚度的角度来认识冲击地压发生机理，认为冲击地压本质上是构成矿体与围岩的最基本元素的刚度遭到了破坏，当基本元素所承受的载荷超过其极限时，基本元素的刚度就会遭到破坏导致冲击地压的发生，该理论并没有从矿体与围岩系统角度考虑刚度的能量的积聚与扩散的这种可能性。

1.2 扩展性煤矿冲击地压发生机理 扩展性冲击地压发生机理基本上都是从不同角度整合基础性冲击地压发生机理。我国学者李玉生提出“三准则”理论，该理论将强度理论、能量理论和冲击倾向性理论整合到一起，从矿体与围岩系统的内在表象角度来认识冲击地压发生机理，它认为矿体与围岩系统内在的强度被破坏是矿体与围岩系统破坏的准则，矿体与围岩系统内在能量的强烈释放与强烈的冲击倾向是矿体与围岩系统突然破坏的准则，只有这三种内在表象同时发生时才会发生冲击地压。齐庆新提出“三因素”理论，该理论从矿体与围岩系统的内在与外在因素角度来认识冲击地压发生机理，它认为矿体与围岩系统内部的冲击倾向是“内在因素”，矿体与围岩系统外部的扰动与高度集中的能量是“力源因素”，矿体与围岩系统内部强度的弱化是“结构因素”，矿体与围岩系统的冲击倾向使矿体与围岩系统局部形成高应力集中并积聚能量导致煤岩体发生变形，在外力扰动下能量大量释放导致冲击地压的发生。

2 冲击地压应力波作用机理

大量理论研究与工程实践表明，冲击地压的发生与动载扰动因素有关。根据岩石动力学理论，这些动载在煤岩体中以应力波的形式进行传播，因此有必要从应力波的角度揭示冲击地压形成机理。在开采过程中，应力波的产生与煤岩体的破断行为有关，主要包括高位坚硬顶板破断与深部应力集中区煤体破断行为。当煤层上方赋存高位厚硬岩层时，随着煤层开采活动的进行，岩层下赋离层空间逐渐扩大，下赋岩层对高位顶板的支撑作用逐渐减少。当达到顶板抗拉强度时，将开始在顶板岩梁内弯矩最大处随机地出现微裂纹，随着弯矩的进一步增大，大量微裂纹逐渐汇聚成宏观主破断面，最终形成高位顶板破断，并在此过程中释放出大量弹性能，形成冲击应力波。冲击应力波通过顶板传播到煤层中，首先在煤层中造成大量裂纹扩展，形成一定程度的能量衰减。应力波传播到采掘空间后，处于采动应力(静载)作用下的煤岩体在动载应力波的综合作用下发生动态破坏，大范围煤体发生严重破坏时将形成冲击地压灾害。另一方面，对于应力集中区煤体破断震源，煤岩体在未受到采动影响时处于原始应力状态，工作面回采后，煤岩体内部应力开始重新分布，工作面前方深部煤体垂直应力将超过原岩应力。随着工作面逐渐推进，前方深部煤体垂直应力不断升高，并开始在煤体内部形成大量随机分布的微观裂纹，一旦大范围煤体内部垂直应力超过其抗剪强度后，微观裂纹将迅速汇聚形成大尺度煤体破断，并产生高强度应力波。应力波进一步传播扩散到其他处于采动应力影响下的煤体，大范围煤体在静载应力与动载应力波综合影响下发生动态破坏，将形成冲击地压灾害。应力波作用下冲击地压最终表现为煤体的冲击破坏行为，根据本文SHPB实验中煤体冲击破坏实验结果，高静载、高动载应力波和静载与应力波耦合作用均能使煤岩体破坏。

3 结论

(1)煤岩体破断产生的动载应力波幅值随煤岩体强度增大而升高，应力波持续时间随破断尺度增大而增大，煤矿开采过程中顶板或煤体强度越高、破断尺度越大，就越容易产生大能量的动载应力波。

(2)不施加轴向静载时，较小的动载(冲击气压0.08 MPa)应力波作用足以使试样发生冲击破坏；随着轴向静载增大，试样发生冲击破坏所需的临界动载先增大后减小；当轴向静载超过试样抗压强度时，试样在纯静载条件下即发生破坏。高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏，动载应力波对高地应力环境煤岩体冲击破坏影响更为显著。

(3)采场坚硬顶板破断产生的应力波到达煤层后，其最大影响范围可达到工作面前方400 m，动载应力波使得煤岩体应力逐渐集中，并以采空区为中心向四周逐渐增加；应力波作用过程中，煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧，且随着应力波幅值和持续时间增加，塑性破坏区范围不断扩大。

(4)动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波和煤岩体结构耦合作用的结果，采场煤岩体大尺度破断产生高能量动载应力波，应力波与高地应力耦合作用导致采掘空间围岩大范围破坏，最终形成冲击地压灾害。