坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制

韩 军，崔露郁，贾冬旭，惠乾嘉，朱志洁，CAO Chen

(1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2. 澳大利亚伍伦贡大学 土木、采矿与环境学院，新南威尔士 伍伦贡 2522；3. 辽宁省煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心，辽宁 阜新 123000)

冲击地压的突发性和强烈破坏性对煤矿生产造成严重威胁。据对2 510次冲击地压记录数据的分析表明，发生在巷道中的2 178次，占总数的86.8%。近年来，我国在回采巷道中发生的若干次严重的冲击地压对煤矿安全生产造成了极大的影响，例如辽宁红阳三矿“11·11”冲击地压、吉林龙家堡矿“6·9”冲击地压、河北唐山矿“8·2”冲击地压、黑龙江鹿山二井“11·7”冲击地压、陕西胡家河“10·11”冲击地压等。冲击地压的发生机理作为冲击地压防治的理论基础，是目前煤矿安全生产领域亟待解决的关键科学问题之一。

笔者从回采工作面坚硬顶板破坏与运动的角度，分析工作面前方和沿空巷道侧方顶板的破断和运动特征，建立回采巷道煤层-顶板-底板力学模型，分析煤岩层的应力状态及煤层发生滑脱的条件，进而提出坚硬顶板回采巷道冲击地压机理。笔者主要针对坚硬顶板长壁工作面回采巷道冲击地压发生的机制进行分析，其他条件下的冲击地压不在本文的讨论范围。

1 冲击地压显现规律

1.1 冲击地压发生地点

图1 冲击地压显现区域

1.2 冲击地压破坏特征

部分冲击地压现场观测发现，冲击发生后煤层与顶板之间存在较为明显的离层，有时顶板表面存在红色或者红褐色粉末，图2(e)为文献[23]给出的冲击地压发生后顶板表面出现的红色粉末，作者认为这不是地质作用的产物，而是煤层与顶板交界面存在擦痕，这种现象在笔者参与调查的唐山矿“8·2”冲击地压和鹿山二井“10·7”冲击地压中也曾观测到(图2(f))。

图2 冲击地压破坏特征

1.3 冲击地压发生的条件

冲击地压发生条件可以分为地质条件和开采条件2类。在地质条件方面，学者普遍认为大埋深、坚硬厚层顶板、坚硬煤体是诱发冲击地压的主要地质条件，这些在工程实践中也得到了广泛验证，也是冲击地压危险性评估中重点考虑的因素。仅少数研究认为坚硬煤体并不是冲击地压的必要条件。在开采因素方面，主要包括煤柱、采掘工程相互影响等形成高应力集中的因素。

上述关于冲击地压发生地点、破坏特征和主要影响因素的综合和分析，是典型坚硬顶板、坚硬煤体回采巷道发生冲击地压具有的共性关键地质特征。笔者提出冲击地压的机理模型，回答上述冲击地压发生的地点、破坏特征及冲击地压的影响因素内在原因，并在第4部分进一步对该问题进行讨论。

2 工作面坚硬顶板挠曲与破断

2.1 理论分析

采场上覆岩层的变形、破坏和运动规律是采矿工程科学研究中的重要问题之一。考虑到煤层及直接顶是非刚性的，部分学者根据文克尔弹性基础模型，分析基本顶在以煤层和直接为弹性基础上的弯矩、应力和挠度，确定基本顶弯矩的最大值在煤体内，基本顶的断裂线位于煤壁内(图3(a))，同样地，沿空巷道侧向基本顶的弯矩也位于煤体内或者巷道上方(图3(b))。同时通过基本顶破断前后基本顶挠度对比，证明基本顶超前煤壁断裂时会产生反弹与压缩。

图3 基本顶破断形态

由于煤体并不是完全弹性的，并且文克尔弹性地基模型自身的缺陷，一些学者开展了基于弹塑性地基模型的研究。文献[31-32]在考虑煤体弹塑性变形特点的基础上分析了侧方采空条件下基本顶板的变形、弯矩、断裂等。尽管不同学者采用的煤层力学模型有所差别，但是坚硬顶板超前煤壁断裂和沿空巷道侧向顶板断裂位于煤体或者巷道上方的认识是一致的。

根据弹性地基理论得出坚硬顶板的弯矩与竖向位移如图4所示。

图4 坚硬顶板的弯矩与竖向位移示意

从图4可以看到，工作面煤壁前方存在向上挠曲的区域，工作面侧向同样存在向上挠曲的区域。顶板向上挠曲量与顶板的厚度、弹性模量、强度、悬顶长度、煤层和直接顶的刚度等有关。

2.2 现场观测

回采工作面推进过程中在煤壁前方观测到的顶板向上运动结果见表1。由于顶板向上运动的过程持续时间较长(数小时)，部分顶板向上运动量是以mm/h的形式表示的。总体上，顶板向上运动量可以达到数个毫米量级。

表1 工作面前方回采巷道顶板向上挠曲观测结果

朱德仁在柴里煤矿2322工作面的观测表明，工作面由开切眼推进至不同阶段时，分别在工作面前方13，14，8，7.5 m观测到压力监测系统的压力降低9.5，2，8，3.3 MPa，对应顶板向上位移为3.6，0.75，3.0，1.2 mm。

顶板运动监测工程实践为工作面回采过程中工作面前方顶板向上挠曲运移理论提供了现场验证。

3 回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制

3.1 回采巷道煤层的力学模型

建立如图5所示的回采巷道巷帮煤体力学模型。选取紧邻回采巷道宽度为的煤体作为研究对象，该部分即冲击地压发生时整体移动的煤体，即图5中块体A。块体A与块体B处于连续状态。设巷道高度和煤层厚度均为，为顶板与煤体交界面的正应力，为煤体内来自块体B的水平应力；块体A在巷道轴向上煤壁水平应力为0，向内侧过渡后，应力逐渐变为，煤块上部和下部与顶、底板接触面的摩擦力分别为和，为块体A，B间的抗拉强度。

图5 回采巷道煤壁块体A受力分析

对于沿巷道轴线单位长度段的煤体，水平方向(此后定义为方向)受力平衡表达如下：

=++

(1)

其中，

=(+tan)

(2)

=[+(+)tan]

(3)

其中，,为顶板与煤体交界面的黏聚力与内摩擦角；,为底板与煤体交界面的黏聚力与内摩擦角；为煤的密度；为重力加速度。则块体A的临界平衡方程为

+tan

(4)

相对于煤层埋深，煤层厚度可以忽略不计，式(3)可以简写为

=(+tan)

(5)

将式(5)代入式(4)，可以得到

(6)

式(6)为发生冲击地压的条件，即，当顶板向上挠曲造成减小，使得块体A向巷道移动的阻力小于冲击地压力源——水平应力。

式(6)中块体B对块体的水平应力为该处原岩应力的水平分量和因采掘活动引起的应力，理论上，该值可通过地应力测量方法准确获取。煤岩体的，，，，可根据实验室测试方法测定。部分煤岩的黏聚力和内摩擦角见表2。煤的抗拉强度一般为0.1～1.0 MPa。

表2 煤矿中常见岩石的黏聚力和内摩擦角

以下为冲击地压临界状态方程——式(6)算例。根据文献[37]，某地点煤层埋深为500 m，煤层==2.75 MPa，=0.64 MPa，==3.0 m，tan+tan=1.29，最小水平应力为10.7 MPa。根据式(6)，当由12.7 MPa减小到4.93 MPa时，块体A整体移动的阻力为

此时该点的滑脱阻力等于水平应力。当顶板向上挠曲导致正应力低于4.93 MPa时，该点处于发生冲击地压临界状态。值得注意的是，假设冲击时巷帮内3 m整体移出，超出巷帮锚杆长度，故未考虑巷帮锚杆支护阻力。

3.2 基于拜尔利定律的计算

顶底板和煤层的摩擦力可以利用拜尔利定律进行估算。拜尔利基于不同压力下岩石摩擦试验资料的分析(图6)，提出了岩石沿某一滑动面发生摩擦滑动的条件是：该面上的正应力与剪应力之间应满足下列关系(拜尔利定律)：

图6 中等正应力下，由最大摩擦力得到的滑动面上正应力与剪应力的关系[38]

(7)

将式(7)代入式(1)，可以得到

(8)

在水平应力一定的情况，块体A向巷道内移动的条件是的减小至使式(8)右侧的滑脱阻力小于左侧的水平作用力。

参照3.1节的相关条件和参数，=4.93 MPa，代入式(8)右侧计算滑脱阻力为9.0 MPa，小于式(8)左侧的水平应力10.7 MPa，此时可能发生冲击地压。基于拜尔利原理的计算结果与3.1节的计算结果差别不大。

3.3 煤层滑脱冲击时顶板挠曲量计算

设的变化量为Δ

Δ=-

(9)

式中，为初始正应力，根据应力测量得到；为顶板挠曲后的正应力，当处于冲击地压的临界状态时根据式(6)或式(8)计算得到。

根据煤岩体应力-应变线性模型

Δ=Δ

(10)

Δ=Δ

(11)

式中，Δ为顶板的挠曲量，即煤层的变形变化量；为煤层的弹性模量；Δ为煤层应变变化量。

由式(10)，(11)可以得到

(12)

在3.1节的实例中，Δ=7.77 MPa，=2.86 GPa，代入式(12)，计算得到，Δ=8.1 mm。上述计算结果表明，煤体的水平应力与滑脱阻力达到平衡状态时，顶板向上挠曲量为8.1 mm。该结果处于表1所列出的顶板向上挠曲量的观测范围。

3.4 冲击地压机理及相关控制因素

坚硬顶板向上挠曲导致顶板-煤层、煤层-底板交界面正应力减小，即煤层正应力降低，相对于顶板未挠曲区域，该部分煤层相当于产生了卸载，此时根据式(6)或式(8)，块体A可以滑脱的方式冲入巷道，发生冲击地压。该模型即坚硬顶板回采巷道发生冲击地压的卸载滑脱机理。

MEIKLE认为由于湿润、断层泥等原因导致界面摩擦力突然减小，由于交界面约束的突然降低，煤柱瞬间破坏而产生冲击地压。BRAUNER的夹持模型和LIPPMAN的平动模型都认为存在某些扰动使得煤层与顶底板的摩擦力降低，进而引起煤层失稳冲击，但是并未给出明确的顶底板和煤层之间的摩擦力是如何减小的。另外MEIKLE、BABCOCK和BICKEL等认为冲击地压煤体的破坏是由表及里逐步破坏的。笔者提出的破坏模式与上述研究是不同的。

根据式(6)或式(8)，能否发生卸载滑脱冲击地压取决于煤体的水平应力和正应力。煤层的和都随着埋深增加而增加，将式(6)两边同时除以，并将右侧整理为相关项和非相关项2部分，结果如下：

(13)

式(13)显示，在和成比例增加情况下，左式不变，右式随增大而减小。因此，进入某一开采深度后，矿井开始发生冲击地压；随着开采深度加深，如果原岩应力各分量按比例增加，在不考虑煤岩体屈服对顶板挠曲情况下，冲击地压随着开采深度增加将更频繁、更严重。

式(13)表明，Δ与顶板向上挠曲量呈正相关。顶板挠曲量与顶板的厚度、强度和弹性模量以及煤层的弹性模量和强度等有关，顶板越坚硬，厚度越大，煤层越坚硬，顶板向上挠曲量越大，因此坚硬厚层顶板和坚硬煤体是易产生冲击地压的重要条件。上述参数同时也影响了向上挠曲位置，而向上挠曲位置与沿空巷道两帮的正应力有关，因此煤柱的尺寸(决定了沿空巷道的位置)也是回采巷道发生冲击地压的重要条件。

4 讨 论

4.1 冲击地压显现位置的原因分析

根据图4，工作面煤壁前方和临空侧煤体都存在坚硬顶板向上挠曲的区域。根据挠曲区域位置，可以确定工作面煤壁前方和侧向挠曲叠加的区域是挠曲量最大的区域，显然该区域煤层正应力最低，发生滑脱的阻力最小，从而成为最易发生冲击地压的区域。

同时，工作面煤壁和沿空巷道的采空区侧顶板位移向下，也就是说煤层的正应力是增加的，因此该区域煤层发生滑脱的阻力大，难以发生整体移出式的冲击地压。该区域冲击地压发生后煤体往往是呈破碎的散块状，与整体移出的破坏形式不同。

根据图4，沿空巷道两帮正应力的状态与工作面侧向顶板向上挠曲的区域密切相关，在其他条件一定的情况，其本质上是由沿空巷道的煤柱的宽度决定的。当煤柱宽度较小时，整个煤柱刚度低，难以形成对侧向坚硬顶板的支撑，则顶板向上挠曲的区域向实体煤侧转移，从而使得煤柱整体处于正应力增加的状态，煤柱难以发生滑脱，该类煤柱类似屈服煤柱(yielding pillars)；当煤柱的宽度足够大时，侧向顶板向上挠曲的区域位于煤柱的内部，巷道两帮煤体水平应力小于冲出的阻力，难以发生冲击地压，该类煤柱类似支承煤柱(abutment pillars)；尺寸介于2者之间的煤柱，顶板向上挠曲的区域位于巷道一帮或者两帮可能发生整体移出的区域，由于向上挠曲使得煤层正应力降低，成为容易发生煤体整体滑脱，即发生冲击地压的条件，该类煤柱类似于临界煤柱(critical pillars)。需要进一步说明的是，影响煤柱稳定性或强度的几何参数，包括煤柱的宽度和厚度，因此一般用宽度与高度的比值来进行分析。

4.2 冲击地压破坏形式的原因分析

笔者提出的冲击地压机制主要是指因顶板向上挠曲在煤体中产生的正应力降低，即卸载所致。因此顶板破坏并不是本模型的必要条件，在现场观测到的冲击地压发生后顶板破坏不明显也符合本模型的假设。从另一个方面来讲，如果是正应力增加导致的冲击地压，其破坏形式不应该是整体的移动，而是呈散块状破坏。

关于冲击地压发生后煤层与顶板之间存在离层，部分煤层-顶板界面的擦痕以及顶板表面出现的红褐色粉末，证明煤层与顶底板发生了相对滑动。但是学者未给出其形成的原因。根据现场观测及一些文献关于顶板粉末的描述，笔者认为这是顶板或煤中的黄铁矿(FeS)在摩擦升温和水的参与条件下发生氧化作用，形成针铁矿(-FeO(OH))、水针铁矿(-FeO(OH)·HO)等矿物的结果。黄铁矿是地壳中分布最广的硫化物，在许多沉积岩(尤其是煤系)和一些沉积矿床中呈团块状、结核状、透镜状及粉末状产出。以淮南矿区为例，顶板岩层中黄铁矿含量可达3%左右。黄铁矿在氧化环境中不稳定，易转化为针铁矿等。针铁矿呈褐黄至褐红色，条痕(粉末)呈褐黄色。

5 应用实例

5.1 唐山矿“8·2”冲击地压发生机制

..事故概况

2019-08-02T12:30:00，开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司(以下简称唐山矿)风井工业广场煤柱区发生冲击地压。事故地点位于F5009工作面终采线前方、平行于终采线的F5009运料巷和F5010联络巷(图7)。冲击地压工作面5煤层顶板为细砂岩，厚约20 m，单轴抗压强度100 MPa以上；底板为砂质泥岩、细砂岩复合结构(表3)。5煤层及其顶板具有弱冲击倾向性。事故区域开采深度近800 m。事故后在该区域进行的地应力测量结果表明，最大主应力33.00～33.33 MPa，最小主应力19.60～21.47 MPa，最大主应力方位角为79.30°～84.57°。

图7 唐山矿“8·2”冲击地压位置

表3 5煤层及其顶底板厚度和抗压强度

F5009工作面采用俯采方式，于冲击地压发生前1个月开采至终采线，与其前方的F5010联络巷相距31 m。F5010联络长80 m，沿5煤层直接顶掘进，煤厚平均2.5 m。巷道采用锚网支护，平均倾角12°。F5009运料巷长80 m，距F5010联络巷37 m，沿5煤层直接顶掘进，采用锚网支护，后复修时改为架棚支护。

..冲击地压显现情况

F5010联络巷下帮和底板破坏明显，下帮向巷道内移近0.5～2.0 m，巷道上帮无明显破坏；巷道底板破坏严重，在巷道中心靠近上帮位置底板折断，底臌量为1.0～2.5 m。从折断的底板岩层看，底板为多层复合结构(图2(a))。F5009运料巷横管整体底臌、两帮移近，造成巷道内轨道侧倾，巷帮管路偏移至巷中。2条巷道掘进时沿直接顶掘进，即破掉了厚约0.5 m的伪顶，因此巷道两帮的上部存在0.5 m岩层。冲击地压发生后，伪顶部分未发生变形和破坏，煤体是沿着伪顶和煤体的界面整体冲出的。

另外，冲击地压并未导致F5009回风巷和F5009运输巷发生破坏，这与一般冲击地压是不同的。

..事故发生机制分析

F5009工作面的伪顶厚0～0.5 m，直接顶和基本顶细砂岩为坚硬厚层顶板。工作面开采至终采线后，前方存在顶板向上挠曲区域。根据F5009工作面顶板和煤层的力学特性，挠曲区域应该距离终采线较远，从联络巷破坏的情况来看，挠曲区域处于F5010联络巷与F5009运料巷之间的煤柱上(图8)。卸载破坏后的煤体在水平应力的作用下整体沿层理冲出，与顶板的滑动摩擦造成煤体表面产生褐色的粉末。

图8 “8·2”冲击地压的卸载滑脱机制

F5009工作面属于两侧实体煤工作面，工作面回采巷道超前段顶板向上挠曲的量值相对较小，因此该区域未产生冲击地压。

5.2 红阳三矿“11·11”冲击地压发生机制

..事故概况

2017-11-11T14:26:00，沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿(以下简称红阳三矿)发生一起冲击地压。事故地点为西三上采区702工作面，该工作面位于西三上采区运输下山以北，北至7煤层风化带，东邻北二区7煤采空区及西一区700工作面采空区，西侧为未采区(图9)。开采深度约1 100 m。

图9 红阳三矿“11·11”冲击地压位置

702工作面走向长度2 206 m，倾斜长度200 m，冲击地压发生时已开采1 740 m。工作面煤层赋存稳定，属于复合煤层，由7-1煤、7-2煤、7-3煤组成，煤层厚度2.15 m，夹矸厚度1.05 m，采高3.2 m。根据工作面钻孔资料，工作面煤层直接顶为泥岩，厚9.9 m，基本顶为粉砂岩，厚10.4 m，直接底为泥质粉砂岩，厚0.6 m，基本底为中砂岩，厚8.9 m(表4)。回风巷高3.2 m、宽4.2 m，运输巷高3.3 m、宽4.6 m，都采用锚杆(索)支护。在该矿-850井底车场(埋深870 m)进行的地应力测量结果表明，最大主应力28.61 MPa，最小主应力11.45 MPa，最大主应力方位角为109.9°。

表4 7煤层及其顶底板厚度和抗压强度

..冲击地压显现情况

冲击地压发生后，702工作面上口向外约214 m巷道严重破坏，通风阻断。工作面上出口往外0～5.3 m部分单体支柱压弯、工字钢顶梁弯曲，巷道底鼓严重。工作面上出口往外5.3～153 m巷道合拢，部分区段存在巷道底鼓、顶板下沉。工作面上出口往外153～161 m巷道上帮向下帮移动1.2～1.5 m，顶板局部出现网兜、底鼓严重。距离工作面上出口161～204 m内巷道顶底板破坏程度较轻，顶板基本保持完整，底板轻微底鼓，巷道上帮煤体整体推移至下帮煤壁，巷道基本合拢。工作面上出口往外204～214 m巷道上帮煤体向下帮煤壁侧整体滑移3.0 m，巷道顶部留有宽1.7～1.8 m、高0.5～0.6 m的空间；典型破坏情况如图2(b)所示。

..事故发生机制分析

702工作面直接顶为9.9 m厚的泥岩，基本顶为10.4 m厚的粉砂岩。703工作面回采完成后，顶板向上挠曲的区域位于其与702工作面回风巷之间的煤柱上。702工作面回风巷上帮因其顶板向上挠曲，煤层上方的正应力降低，同样地煤层与顶板和底板之间的摩擦力也相应降低，于是煤层在水平应力的作用下向702工作面运输巷内滑动，形成冲击地压(图10)。

图10 “11·11”冲击地压的卸载滑脱机制示意

6 结 论

(1) 坚硬顶板工作面回采巷道冲击地压表现出帮部向巷道内整体移动的特征，坚硬顶板和坚硬煤体是该类冲击地压的地质特征，巷帮煤体滑脱是该类冲击地压的破坏特征。

(2) 基于弹性地基理论，分析了坚硬顶板条件下回采工作面前方和侧向顶板向上挠曲特性，并通过与顶板运动工程实践进行量化对比进行验证。

(3) 建立了顶板-煤层-底板复合结构体卸载滑脱力学模型，确定了煤体水平应力、煤-顶板和煤-底板结构面摩擦力及煤体抗拉力之间的平衡关系，建立了煤体发生卸载滑脱冲击地压的临界方程；提出了顶板向上挠曲导致煤层竖直压力降低，失去夹持的煤体在水平应力作用下克服顶、底板摩擦力及煤体抗拉强度后整体移入巷道，即坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱发生机制。

(4) 唐山矿“8·2”冲击地压和红阳三矿“11·11”冲击地压现场实际情况显示，其发生过程符合笔者提出的卸载滑脱机制，都是由于厚层坚硬顶板在工作面前方或者是侧方形成的悬顶结构产生的顶板向上挠曲，从而降低了顶板和底板对煤层的夹持力，导致煤体在水平应力作用下整体移出，形成冲击地压。