煤体压缩型冲击地压分析

2012-08-20 03:39于丽艳王建国

山西建筑 2012年25期

于丽艳王建国王冀

(黑龙江科技学院理学院，黑龙江哈尔滨 150027)

0 引言

现阶段我国的很多煤矿已经进入深部开采阶段，随着采深的不断加深，冲击地压发生的频度和强度也越来越大，产生的后果也越来越引起人们的重视。冲击地压[1，2］是煤岩体急剧破坏，释放弹性能的一种动力现象。发生前一般没有明显的宏观前兆，发生过程短暂，猝不及防，并伴有强烈震动、声响和冲击波，最大震级达到里氏震级3.8级以上，具有很大的破坏性，严重威胁了矿井的安全生产，同时使煤矿职工遭受不同程度的伤害和恐怖感。冲击地压是影响煤矿安全生产的恶性灾害事故之一，也是世界主要采矿国家面临的共同难题。

1 煤体压缩型冲击地压实例分析

煤体压缩型冲击地压是冲击地压的一种类型，在矿井中比较常见，其发生的深度一般不超过500 m。虽然该类冲击地压发生时的冲击波衰减快，震动时间短，但造成的危害却很大，使大量煤块被抛出，造成设备损坏和人员伤亡。如北京矿务局城子矿[3］在1971年9月10日发生一次煤体压缩型冲击地压，当时该矿八层－250 m水平西巷在回收煤柱时使巷道上帮煤被抛出，抛出的煤使巷道空间被堵塞，棚倒塌折断，致使巷道长达35 m处于瘫痪状态。同时该矿的八层－340 m水平西巷又在1974年10月25日回收上帮煤柱时致使该巷道的上帮煤体抛出，使巷道75 m遭到摧毁，输送煤的机器遭到破坏，支撑巷道的支架倒塌。造成如此大的灾难的原因是煤柱属四周已采空的孤立条带形煤柱，煤质坚硬，脆性大，属强烈冲击倾向煤层。顶底板的成分均为砂岩，其质地坚硬且难垮，开采活动进行后顶板大面积悬空，此时煤柱承受强大的压力，顶底板对煤柱形成夹制作用，使之形成高度应力集中。当压力超过煤柱的承载能力时，发生煤体压缩型冲击地压。

2 煤体压缩型冲击地压机理分析

煤体压缩型冲击地压的发生用力学知识可解释为煤岩层局部高应力集中并超过其强度，由于煤岩物理力学性质和煤岩层约束条件发生变化而发生突然的破坏现象。对该类型冲击地压进行机理分析时，应当把煤系地层视为煤层—顶底板系统，如图1所示。在一定的采场空间内，煤岩体在原始应力和采动应力作用下，煤被较坚硬的底板和顶板夹持，这样阻碍了深部围岩—煤体交界处及煤体本身的卸载变形。随着工作面的开采，上覆坚硬顶板悬露弯曲下沉，使煤体更加压实，承受更高的压力，煤体夹持作用增强，系统积聚的弹性能增加，图1中沿倾斜方向，离采场煤壁越近，夹持力越大，反之越小。

由于开采而形成的煤岩结构的组成材料为岩石和煤，和一般的工程结构不同，此类结构中的一部分材料会避免不了在塑性区工作，在这个区域内煤岩的强度会超过自身的峰值强度，煤岩材料变成了应变软化的非稳定材料。由于煤的抗压强度远低于它周围岩石的抗压强度，所以在煤岩结构中它被看作是最薄弱的部分[4］。结合此类冲击地压实际发生的情况，建立其力学模型如图2所示，图2中的2a代表采空区的跨度，L代表煤柱中心线到采空区中心线的距离，h代表煤柱的高度，q代表顶板施加给煤柱的力。