煤矿褶皱构造区冲击地压机理研究及防治实践

曹安业，薛成春，吴 芸，王崧玮，郭文豪

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 江苏省矿山地震监测工程实验室，江苏 徐州 221116；3.晋能控股煤业集团 塔山煤矿，山西 大同 037001)

0 引 言

褶皱构造是煤岩层受垂直和水平方向应力挤压、扭转等作用发生弯曲变形而形成的，是地壳运动过程中最基本的构造型式[1-4]。在我国煤炭开采中，褶皱构造区资源开采占比大，褶皱区存在较大的构造应力，在工作面采掘扰动影响下，极易诱发煤岩动力灾害事故[5-10]。

因此，研究褶皱构造区煤岩层开采应力演化特征和冲击地压孕育机制，对实现工作面安全开采具有重要意义。国内众多学者从不同角度分析了褶皱构造应力场演化特征，取得了大量研究成果。井广成等[7]基于震源机制矩张量反演，得到了工作面开采期间围岩应力演化情况。康红普等[11]基于华砚矿区地应力场测量结果，发现井下构造应力占绝对优势，向斜构造对矿井地应力场分布产生较大影响。王宏伟等[12]研究认为褶皱构造原岩应力场分布具有明显空间分布区域性，垂直应力、水平应力在向斜轴部、背斜轴部表现出不同的分区特性。陆菜平等[13]建立了褶皱构造数值模型，分析了褶皱构造区工作面开采过程中顶板、煤层、底板的应力演化形式，研究了工作面不同开采时期的煤岩应力分布规律。贺志龙[14]研究了褶皱应力场分布规律，比较了不同开采方式下，工作面顶板、底板与煤壁前方应力集中程度。

此外，还有专家学者对褶皱构造区冲击地压孕育规律进行了研究，取得了丰硕成果。王存文等[15]基于案例分析探究了断层、褶皱及相变等区域冲击地压发生机理，并将褶皱各部位的受力状态划分5个区域。卜万奎等[16]基于极坐标下曲梁的位移函数，研究了曲梁偏微分控制方程和位移分量、应力分量。陈国祥等[17]基于对褶皱构造区冲击地压发生特征的总结归纳，在褶皱构造区巷道布置方位、工作面布局与冲击地压的关联性方面进行了探讨，从战略防御角度提出了褶皱构造区工作面冲击地压防范措施。齐庆新等[18]从褶皱构造应力分布角度，研究了陶庄煤矿冲击地压与褶皱构造应力的潜在关系，以及冲击地压发生的力源问题。

胡家河煤矿402103工作面褶皱构造发育，采掘期间动力显现强烈。基于此，笔者建立了褶皱构造区数值模型，研究了褶皱构造区工作面开采期间顶板、煤层和底板的垂直、水平应力演化特征，探讨了煤层褶皱构造区冲击地压发生机理，制定了顶板、煤层爆破释能降载防治方案，为煤矿褶皱构造区冲击地压防治提供理论及实践依据。

1 工程概况

胡家河煤矿402盘区褶皱构造赋存复杂，区域内赋存A4背斜和A5、A6向斜，煤岩层水平构造应力大，褶皱形态如图1所示。402103工作面为402盘区首采面，走向长度2 047 m，倾向长度180 m，平均开采深度约680 m，煤层厚度稳定，平均厚14.5 m，工作面上覆多层厚硬砂岩层，基本顶(粉砂岩)平均厚18.5 m，距煤层约3.5 m。

图1 煤矿褶皱构造形态Fig.1 Morphology of coal mine fold structure

402103工作面泄水巷、运输巷等巷道掘进期间，受构造应力、采掘扰动等影响，工作面动力显现明显，多次造成巷道出现大面积顶板瞬间下沉，顶板锚索频繁破断，局部显著底鼓等现象。

2016年10月27日，402103工作面回采期间，工作面超前区域发生能量2.76×105J强矿震事件，震源位置平面走向上超前工作面约7 m，倾向距运输巷约25 m，距泄水巷约45 m，位于A4背斜轴部区域，如图2所示。

图2 强矿震震源位置及现场显现情况Fig.2 Location of source of strong mine earthquake and its on-site appearance

强矿震事件造成工作面运输巷超前20～35 m顶板下沉明显，下沉量为600～1 000 mm，泄水巷底板出现底鼓、开裂现象，底鼓量约200 mm，裂缝宽度约40 mm，巷道整体断面变形严重。

402103工作面开采期间强矿震事件频发，冲击危险性强，因此，研究褶皱构造区冲击地压发生机理对指导工作面安全开采尤为重要。

2 褶皱构造区应力场分布规律

2.1 模型建立

为研究工作面褶皱构造区回采期间的应力演化特征，以胡家河煤矿402103工作面为工程背景，经适当简化地质条件后，构建褶皱构造条件下的FLAC3D数值模型，如图3所示。模型尺寸：540、500、240 m(长、宽、高)，设定模型褶皱构造参数为波长540 m，翼间角120°，波幅80 m。

图3 褶皱构造数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model of fold structure

褶皱构造模型煤岩体初始应力由自重应力、构造应力2个方面组成。对褶皱构造模型分2步施加边界条件：第1步模拟自重应力场，固定模型底面垂直位移，固定模型4个侧面法向水平位移，模型上边界施加10 MPa等效载荷(模拟埋深400 m)；第2步模拟构造应力场，解除模型两侧法向水平位移约束条件，施加1个应力边界条件，构造应力按照线性梯度变化施加，即模型顶部施加20 MPa、底部施加32 MPa。

模型采用摩尔-库伦强度破坏准则，煤岩层物理力学参数依据试验结果，经适当折减后确定，见表1。

表1 模型煤岩层力学参数Table 1 Mechanical parameters of model coal and rock strata

2.2 开采期间顶底板应力分布规律

为分析褶皱构造区工作面在邻近背、向斜轴部期间，受开采扰动作用下顶底板岩层应力分布及其演化规律，提取模型每次开挖后工作面超前10 m处顶板、底板处的支承压力峰值，绘制不同开采阶段顶底板岩层应力分布特征，如图4所示。

由图4a、图4b可知，随着工作面开采至褶皱轴部，褶皱构造区垂直应力在后方采空区顶底板岩层中均形成椭圆形卸压区；水平应力在后方采空区顶底板岩层中形成半椭圆形卸压区，即仅在顶板或底板形成卸压区。

由图4c可知，工作面回采邻近背斜轴部时，顶板水平应力占主导作用，此时顶板更易发生失稳破坏；工作面邻近向斜轴部时，底板水平应力占主导作用，此时底板更易发生失稳破坏。工作面回采至褶皱翼部时，顶板水平应力逐步降低，底板水平应力逐步上升，表明工作面褶皱翼部区开采时，高应力集中区逐渐由顶板向底板转移，且主要受水平应力影响。

图4 褶皱构造区开采期间顶底板岩层应力演化特征Fig.4 Stress evolution characteristics of roof and floor strata during mining in fold structure area

工作面开采至褶皱构造不同区域时，褶皱构造区顶板和底板垂直、水平应力场分布具有明显的分区特性。

2.3 开采期间煤层应力分布规律

为分析褶皱构造区工作面在邻近背、向斜轴部期间，受开采扰动作用下煤层应力分布及其演化规律，提取模型每次开挖后工作面煤体超前10 m处的支承压力峰值，绘制褶皱构造区开采期间煤层中应力分布特征图，如图5所示。

由图5可知，当工作面自背斜至向斜开采时，煤层垂直应力整体呈现先降低后上升的趋势，应力最小值位于回采100 m(背斜轴部)处，应力最大值位于回采330 m处。煤层水平应力整体呈现降低→上升→降低的趋势，应力最小值位于回采50 m处，应力最大值位于回采280 m(向斜轴部)处。对比煤层垂直、水平应力峰值增幅可以看出，褶皱翼部开采期间(背斜至向斜)，煤层水平应力增幅大于垂直应力，表明随工作面开采邻近向斜轴部，水平应力对煤壁稳定性影响程度逐渐增大，冲击危险性逐步加强。

图5 褶皱构造区开采期间煤层应力演化特征Fig.5 Coal seam stress evolution characteristics during mining in the fold structure area

综上所述，工作面开采至褶皱构造不同区域时，褶皱构造区垂直、水平应力场分布具有明显的分区特性，褶皱构造区工作面开采时水平应力起主导作用。

3 褶皱构造区冲击地压发生机理

众多现场冲击案例和文献[19]表明，矿井冲击地压动力灾害发生力源包括：煤岩体的静应力载荷和采掘活动诱发的动应力载荷。当煤岩体中静应力载荷与矿震形成的动应力载荷之和大于煤岩体冲击破坏的临界应力载荷，可诱发冲击地压灾害。可用式(1)表示

σj+σd≥σb，min

(1)

式中：σj为煤岩体中的静应力载荷，主要提供煤岩破坏的应力和能量基础；σd为矿震形成的动应力载荷，主要起触发损伤破坏的作用，同时输入部分能量；σb，min为发生冲击地压时的临界应力载荷。

褶皱构造背斜轴部区顶底板岩层赋存高水平应力，煤层赋存高垂直应力，巷道围岩系统整体处于高静载应力集中状态。此时，当顶板厚硬岩层破断产生的强动载扰动传递至巷道时，导致巷道围岩系统动静载应力增加，若其超过巷道围岩系统动力失稳的临界值，易诱发冲击地压。

综上，褶皱构造区冲击地压发生机理可以简述为：巷道围岩系统在构造应力作用下，煤岩体赋存高静载荷，此时顶板破断产生的动载荷传递至巷道围岩系统，导致煤岩体动静载荷之和大于围岩系统冲击破坏的临界应力载荷，诱发冲击地压灾害。402103工作面褶皱构造发育，随工作面开采距背斜轴部越近，巷道围岩系统静载集中程度增大，冲击危险性增强。此时，402103工作面上方厚硬顶板破断滑移运动时产生的矿震动载传递至巷道围岩系统，超过其发生冲击地压时的临界应力载荷，从而诱发冲击显现。

4 褶皱构造区冲击地压防治技术

4.1 防治方案

基于前述褶皱构造区的冲击地压发生机理分析可知，构造区巷道围岩发生的失稳破坏主要与顶板破断释放的动载和巷道围岩高静载状态有关，故防治该类冲击地压的关键点在于有效降低厚硬顶板结构内积聚的弹性能，降低覆岩破断带来的动载扰动，以及降低巷道围岩系统高静载状态[20]。此外采取加强工作面巷道围岩系统支护强度、降低工作面开采速度作为辅助措施。结合本工作面开采特征，在常规煤岩体卸压的基础上，通过现场实测巷道围岩性质、塑性区分布情况，设计巷道围岩顶板、煤层动态爆破解危卸压方案。爆破孔布置如图6所示，爆破参数见表2。

表2 巷道围岩爆破卸压方案参数Table 2 Parameters of blasting pressure relief plan for surrounding rock of roadway

图6 巷道围岩爆破卸压方案示意Fig.6 Schematic of blasting pressure relief scheme for surrounding rock of roadway

4.2 效果检验

解危卸压方案实施前后微震数据演化规律如图7所示，2016年10月1日至10月27日冲击地压事件发生前，日平均微震总能量为5.25×105J，日平均微震总频次为36个；10月27日冲击事故发生后工作面区域及时采取顶板、煤层爆破卸压，10月28日至11月27日间，日平均微震总能量为2.75×105J，日平均微震总频次为42个。解危卸压后日均微震总能量下降47.6%，日均微震总频次上升16.7%，微震总能量降低，频次增加，表明冲击显现后采取的动态解危卸压措施效果良好。

图7 工作面解危卸压前后微震数据对比Fig.7 Comparison of microseismic data before and after danger relief in working face

5 结 论

1)模拟结果表明，褶皱构造区工作面开采时，水平应力起主导作用；工作面邻近背斜轴部时，顶板岩层稳定性降低；工作面邻近向斜轴部时，底板稳定性降低；工作面翼部开采时，煤层稳定性降低。

2)巷道围岩系统在构造应力作用下，煤岩体赋存高静载荷，当顶板破断产生的动载荷传递至巷道围岩系统，导致巷道围岩系统载荷应力增加，易诱发冲击地压。

3)基于褶皱构造区冲击地压发生机理，制定了顶板、煤层定向爆破释能降载的冲击地压防治方案，微震监测数据表明卸压效果良好。对类似条件下的工作面冲击地压防治具有指导借鉴意义。