工程缺陷体对冲击煤岩体的改性机制研究与实践

2022-02-24寇天司潘立友陈理强

煤矿安全 2022年2期

寇天司，潘立友，陈理强

（山东科技大学采矿工程研究院，山东泰安 271000）

随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国大部分煤矿已不同程度的进入深部开采。深部开采带来诸多灾害问题，其中冲击地压灾害尤为突出，已严重影响到煤矿安全生产。由于深度的不断增加，冲击地压显现越来越严重，如义马集团千秋煤矿、山能集团龙郓煤矿和龙固煤矿、吉林龙家堡煤矿等发生的冲击地压事故，造成生产系统严重破坏、几百米范围内的巷道围岩变形严重、造成人员伤亡和财产巨大损失。像这种冲击能量高（1 次事件能量≥107J）、波及范围广（破坏范围≥200 m）、破坏程度重的冲击地压灾害属于重大冲击地压灾害[1-2]。重大冲击地压灾害释放能量大，其发生机理和防治方法不同于一般的冲击地压，有必要从改变采场煤岩层冲击倾向性方面入手进行深入研究，并结合采掘工程进行人为改变煤岩体冲击倾向性，从而达到控制重大冲击灾害的目的[3-5]。

我国专家和学者对冲击地压防治研究已有了较大进展。姜耀东等[6]认为防治冲击地压的关键是分析冲击煤体的应力集中状态和能量分布规律，具有针对性的解除应力和释放能量，减弱失稳区域的冲击危险性；潘一山等[7]基于巷道围岩和支护结构的互馈作用，设计了快速让位吸能防冲支护体系，利用刚性和柔性耦合机制加大巷道围岩强度，增强巷道抗冲击能力，保证巷道的完整性；窦林名等[8]根据煤体的物理力学性质，提出了利用强度弱化减冲理论防治冲击地压，采用钻孔和爆破等方法减弱煤体强度和冲击倾向性，使煤体积聚的能量小于最小冲击能量；齐庆新等[9]提出了应力控制理论，分别研究了原岩应力、构造应力和采动应力影响的冲击诱发机制，并从应力控制角度对冲击地压防治进行了现场实施；姜福兴等[10]在总结了防冲实践的基础上，对冲击地压治理的成套体系进行了阐述，并提出了“强卸压、强监测和强防护”的防治技术；潘俊锋等[11]根据冲击地压启动理论，通过合理采掘关系对冲击地压进行大范围静载荷“疏导”，能够降低或消除冲击危险。以上研究对防治冲击地压发挥着重要作用，但对大面积高应力区、能量级别大的重大冲击地压灾害防治问题还没有完全解决，需要进行深入的研究。为此，针对重大冲击地压灾害的工程显现特征，提出了工程缺陷体防控重大冲击地压的理论基础；利用人为制造工程缺陷体的方法[12-15]，对冲击地压危险区域的冲击煤岩体的倾向性及力学性质进行人为改变，实现能量有序释放，有效控制冲击危险程度，该方法在冲击煤层采场进行了应用，效果显著。

1 工程缺陷体的概念及其分类

1.1 工程缺陷体的概念

通过有目的人为开挖与施工，制造出的不同尺寸的空间称为工程缺陷，工程缺陷与周围的破坏裂隙煤岩体称为工程缺陷体，工程缺陷体含有原始缺陷与工程施工体。巷道掘进、硐室开挖、工作面推进均属于人为制造工程缺陷体的施工。

利用工程缺陷体改造（改变）煤岩体冲击属性与物性，由完整体向裂隙体、碎裂体转变，切断了煤岩体原有的连续性，达到应力分布形态发生变化、能量演化规律（路径）发生转变与改变，由瞬间释放弹性能改变为缓慢耗散弹性能，使冲击能被缺陷体及其周围介质进行耗散和吸收，减弱能量的传播大小，达到控制冲击能量有序释放的目的，从而实现冲击地压的有效防控。

1.2 工程缺陷体的分类

工程缺陷体是缺陷防控技术的主要组成部分，根据其空间形态和大小可分为立体型工程缺陷体、准立体型工程缺陷体、平面型工程缺陷体等。

1）立体型工程缺陷体。是指体积较大的立体结构体，可以由保护层和保护区组合而成，也可对薄煤层和较软岩层进行人为工程后形成；主要利用采场矿压形成的立体缺陷防控冲击地压，在立体缺陷体内布置巷道与硐室，能够对重大冲击地压灾害起到整体控制作用。

2）准立体型工程缺陷体。是指局部立体型工程缺陷体，一般布置在采场的近场范围内，如厚煤层的卸压巷与工艺巷、中厚煤层瓦斯抽放巷等。

3）平面型工程缺陷体。是指在本煤层及直接顶底板实施的工程缺陷体，如煤层大尺度硐室卸压、断（挑）顶、断底等。

2 冲击煤体的能量演化特征

2.1 冲击煤体的变形破坏力学特性

冲击煤体一般为脆性材料，其力学特性不同于一般煤体，在变形速度、破坏形态、能量积聚与释放等方面有显著差异。冲击煤体在一般情况下都具有较高的强度和高均质度。不同均质度完整冲击煤体应力应变曲线如图1，m 为均质度。

图1 不同均质度完整冲击煤体应力应变曲线Fig.1 Complete stress-strain curves of coal impacted by different homogeneity

在应力应变曲线达到峰值之前，煤体处于弹性变形阶段，在此阶段能够积聚大量的弹性能；当达到峰值时，便会直接出现“跳跃式”的突变阶段，应力瞬间下降，之前积聚的弹性能基本全部释放，释放能量级别大，破坏性强[16]。冲击煤体由弹性变形阶段“跃过”塑性变形阶段直接进入突变阶段，能量没有经过塑性阶段的缓冲耗散而突然转化为动能释放，完成冲击破坏过程。塑性变形阶段的缺失是冲击煤体与一般煤体的本质区别，能量的突然释放模式是冲击煤体独有的表现形式，在采场周围以突然的主震方式释放能量。

2.2 不同力学性质煤体的能量演化规律

冲击煤体在变形破坏过程中，不同结构煤体产生不同的破坏效果。不同结构煤体的能量演化如图2。不同结构煤体的应力应变曲线如图3。

图3 不同煤体的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of different coal bodies

由图2 可知，冲击煤体在外力做功的作用下，将外界机械能传入煤体内部，转化成为输入能U。假设输入能只表现为提供煤体破坏动力的动能UV和使煤体塑性变形的耗散能UD，那么可以表达为：U=UD+UV。输入能在煤体内部进行各种耗散和积聚，当外力作用达到煤体变形破坏极限时，便会以动能的形式释放积聚的弹性能。

图2 不同煤岩结构的能量演化Fig.2 Energy evolution of different coal rock structures

从图3 完整体、裂隙体和工程缺陷体3 种煤体的应力应变曲线可对比其能量演化规律：

1）当冲击煤体为完整体时（图3 中曲线1），煤体内部基本没有节理、裂隙等缺陷，使得绝大部分输入能以弹性应变能的形式积聚并储存在冲击煤体中，达到破坏峰值后弹性能急剧释放，基本上全部以动能UV1的形式释放出来，只有极少的输入能经裂隙转化为耗散能UD1，并以内能、表面能和塑性能的形式缓慢耗散。完整煤体的可释放弹性应变能转化为动能的占比极大，耗散能占比则很少，可表示为：UD1＜＜UV1。

2）煤体为裂隙体时（图3 中曲线2），煤体内部存在较多的裂隙、孔洞，使得煤体的强度降低，外力做功后输入能的大部分继续转化为弹性能储存在煤体中，而另一部分输入能则用于裂隙、孔洞的张裂、闭合和破坏，并以各种形式形成耗散能UD2。积聚的弹性能超过峰值后依然以动能的形式释放，但动能UV2远小于完整体的破坏动能UV1，并与耗散能UD2的占比相差不大，可表示为：UD2≤UV2。

3）对冲击煤体进行人工制造缺陷体（图3 中曲线3），形成工程缺陷体结构，工程缺陷体切断了煤体的连续性，阻止了应力和能量的传递。此时外力做功，输入能转化为弹性能的占比则会变小，大部分将转化为耗散能作用在工程缺陷体上，工程缺陷体会分散和吸收大量的输入能并形成以塑性变形能为主的耗散能UD3，而积聚的弹性能会因达不到或接近破坏极限而释放少量动能UV3，出现动能“缺失”现象，可以表示为：UD3＞＞UV3。在有工程缺陷体的煤体中，能量大部分转化为耗散能。

3 工程缺陷体改变煤体冲击倾向性的力学机制

由冲击煤体的全应力应变曲线[17-19]可知，冲击煤体在达到峰值后瞬间破坏，由弹性阶段直接进入突变阶段，应力突然下降，释放大量能量。若在煤体中制造缺陷体，能够延长煤体的塑性变形阶段，加大峰前能量的释放程度，减弱煤体破坏时能量释放的大小。由此利用煤体的弹性能指数和冲击能指数2个指标来对工程缺陷体降低冲击倾向性进行分析。

3.1 工程缺陷体对弹性能指数的控制

弹性能指数是指对煤体进行单轴压缩实验时，压力到达80%～90%时再卸压，弹性能ΦSP与耗散能ΦST的比值WET，可以表示为：WET=ΦSP/ΦST。由表达式可知，比值越大，说明煤体积聚的弹性能越大或损失的耗散能越小，那么弹性能指数越大，导致煤体冲击倾向性增加。

根据工程缺陷体对能量的耗散作用，得出的有无缺陷体的弹性能指数示意图如图4。

图4 有无缺陷体的弹性能指数示意图Fig.4 Elastic energy index diagram with or without defects

曲线Ⅰ是基本无缺陷煤体的应力应变曲线，曲线Ⅱ是制造缺陷煤体的应力应变曲线。由图4 可知，S（ABC）表征完整煤体的弹性能，S（OAC）为完整煤体的耗散能；S（A′B′C′）为缺陷煤体的弹性能，S（ODA′C′）为缺陷煤体的耗散能，则：

式中：△V 为工程缺陷体积，m3；RC为单轴抗压强度，MPa；dl为工程缺陷形成的裂隙密度，kg/m3；ρq为工程缺陷体空间密度，kg/m3。

由于△V 为工程缺陷体体积，空间较大，必然造成塑性变形显著增大，导致S（ODA′C′）大幅度增加，即WET2＜＜WET1。完整煤体因强度大，积聚的弹性能较多，损失的耗散能很小，导致完整煤体的弹性能指数增加，具有强冲击危险。在煤体中工程制造缺陷体后，工程缺陷体阻止了应力和能量的传递，延长了煤体的塑性变形（图4 中DA′），使得耗散能比重增大，降低了弹性能的储能比重，减小了弹性能指数，冲击倾向性大幅度减弱。

3.2 工程缺陷体对冲击能指数的控制

冲击能指数是指在冲击煤体的全应力应变曲线中，峰值前面积FS与峰值后面积FX的比值KE，可以表示为：KE=FS/FX。根据公式可得出：峰值前面积越大或峰值后面积越小，会导致冲击能指数的增加，若要降低冲击危险性，必须减小峰值前面积或增加峰值后面积。

工程缺陷体不仅可以对增加煤体破坏前塑性变形阶段，而且可以减弱破坏后能量的释放速度，加大破坏后煤体的变形量。有无缺陷体的冲击能指数示意图如图5。

图5 有无缺陷体的冲击能指数示意图Fig.5 Chart of impact energy index with or without defects

曲线Ⅲ、Ⅳ分别为完整煤体和缺陷煤体的全应力应变曲线。根据冲击能指数的定义，可知S（OAFB）为完整煤体的峰前面积，S（FDEB）为完整煤体的峰后面积；S（OA′F′B′）为缺陷煤体的峰前面积，S（F′D′E′B′）为缺陷煤体的峰后面积，则：

显然KE2＜＜KE1，完整煤体由于塑性阶段的“缺失”，由弹性阶段直接进入突变阶段，煤体瞬间破坏，峰后应力急速下降，能量一次性释放，冲击危险性大。对冲击煤体制造缺陷后，工程缺陷体可以减缓煤体破坏后的能量释放速度和程度，延长峰后破坏时间，增大煤体破坏后的塑性变形，加大了峰后面积的占比，从整体上降低冲击能指数的大小，从而减少冲击危险。

4 工程缺陷体防控重大冲击地压机理

工程缺陷体防控冲击地压的原理是利用工程缺陷体自身的耗能性质[20]，切断煤岩体的连续性，利用裂隙与碎裂介质可产生缓慢塑性大变形特性，实现冲击能量有序缓慢耗散释放。通过人为缺陷的施工可改变煤体应力分布形态、冲击能量积聚和释放模式，将较大能量分割成中、小能量，并使其在有效的时空内得以连续、均衡、缓慢地释放，防止重大冲击地压的发生[21]。煤层准立体工程缺陷体模拟结果如图6。岩层准立体工程缺陷体模拟结果如图7。

图6 煤层准立体工程缺陷体模拟结果Fig.6 Simulation results of quasi three-dimensional engineering defect body in coal seam

图7 岩层准立体工程缺陷体模拟结果Fig.7 Simulation results of quasi three-dimensional engineering defect body in rock stratum

从图6 可以看出，工程缺陷体在力源的作用下变形严重，能量在工程缺陷体周围大幅度释放，工程缺陷体及其周围卸压区耗散能量，下部巷道没有应力集中和能量积聚现象，巷道也没有出现大的变形和破坏，证明巷道得到了很好的保护。

由图7 可以看出，工程缺陷体在上部岩层作用下变形严重，能量在工程缺陷体周围（特别是煤层内）大幅度释放，工程缺陷体及其周围卸压区耗散能量，下部巷道没有应力集中和能量积聚现象，巷道也没有出现大的变形和破坏，证明巷道得到了很好的保护。

平面工程缺陷体布置示意图如图8。

图8 平面工程缺陷体布置示意图Fig.8 Plane engineering defect body layout diagram

为了减弱冲击能量强度，控制冲击能量释放速度，在巷道两帮根据不同开采环境制造相应工程缺陷体，工程缺陷体切断煤体的连续性，将整体危险区域分割为若干个次级能量区域，将积聚在巷道周围的能量转移到工程缺陷体内进行释放，假设冲击煤岩体内部储存的能量大小为U，具有高能级的冲击能量，能够发生较大级别的冲击灾害。根据分割原理在冲击危险区域设置n 个工程缺陷体，相当于对冲击能量U 进行n 次分割。

那么在n 个工程缺陷体共同作用下，经工程缺陷体分割后的能量减弱为：

式中：kc为能量传递系数；E 为弹性模量，kPa；μ为泊松比；ρ 为煤岩体密度，t/m3；H 为埋深，m；β1为煤层能量衰减系数；β2为工程缺陷体能量衰减系数；lv为能量源距离工程缺陷体距离，m；lw为工程缺陷体平均长度，m。

由式（5）、式（6）可以看出，通过增加n、提高β2使得含工程缺陷体的巷道围岩能量小于冲击地压的临界能量U0，巷道便处于安全状态。

5 工程实践

5.1 工作面概况

3137 工作面属于赵各庄矿十三水平12 煤层西翼采区。工作面标高为-994.7～-1 097.0 m，地面标高为+40 m，最大垂深1 137.0 m；工作面走向长246.0 m，倾斜长75.0 m。煤层倾角9°～32°，平均倾角20°，煤层结构简单，煤层厚度在8.5～11.2 m 之间，平均9.7 m，硬度系数为1.54。煤层顶板依次为6.32 m 厚的泥质黏土岩、2.38 m 厚的粉砂岩、6.94 m厚的细砂岩及11.79 m 厚的中砂岩，底板为粉砂岩。上至12 水平，12 水平以上工作面回采完毕，下至13水平，13 水平以下尚无采掘工程；西至13 西1 石门上山，上山以西为3137 西面回采完毕，东至东Ⅲ断层煤柱线。3137 工作面位于宽缓向斜核部，受向斜构造影响，构造应力集中，加上临近采空区，使得3137 工作面积聚的弹性能足以达到发生严重破坏的程度，需要从整体上进行冲击地压的防控。

工作面推进自东向西推进，停采线位于向斜轴部区域，开采末期冲击危险性极高，3137 工作面危险区域示意图如图9。

图9 3137 工作面危险区域示意图Fig.9 Schematic diagram of dangerous area of3137 working face

该区域掘进煤层巷道期间伴随大的冲击显现，由于工作面逐步推向轴部，造成开采应力与构造应力的叠加，容易发生复合型冲击地压。

5.2 工程缺陷体布置

3137 工作面工程缺陷体布置示意图如图10，3137 工作面工程缺陷体剖面示意图如图11。

图10 3137 工作面工程缺陷体布置示意图Fig.10 Engineering defect body layout diagram of 3137 working face

图11 3137 工作面工程缺陷体剖面示意图Fig.11 Schematic diagram of engineering defect body section of 3137 working face

冲击地压危险区域为上山及以东区域，强危险区域为工作面巷道终采线至上山区域（图9 斜线区）。根据3137 工作面地质开采条件、开采顺序，分别对3 个工作面设计了准立体工程缺陷体布置方式。东一面在运输巷道斜上部煤层中设计了准立体工程缺陷体，开掘了1 条长80 m 的卸压巷，并对卸压巷底煤进行爆破处理，卸压巷与运输巷道之间煤柱宽7 m；在东二面、东三面运输巷道采用东一面同样的工程缺陷体，3137 东一面开采后，进行东二面巷道掘进和工作面回采时，由于时间间隔短，东一面采空区岩层还在运动，所以要考虑东一面采空区对东二面的影响，对于东三面，同样考虑东二面的影响，因此在东二、东三面轨道巷道的顶板设计了工程缺陷体，在直接顶内掘进巷道，并对巷道底煤进行爆破。