岩浆岩床下伏短壁综放面集中静载荷型冲击启动原理

潘俊锋，秦子晗，冯美华，刘少虹

（1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013）

1 引 言

据国家煤矿安全监察局2012年的调研报告，我国冲击地压矿井数量已达140 多个，分布于20 多个省、市、自治区，统计结果发现一个重要的特点就是，浅部开采矿井冲击地压发生案例增多[1]。过去，人们普遍认为冲击地压发生与煤层开采深度存在正相关关系，甚至认为只有深部开采才发生冲击地压，为此以“深部动力灾害”为主题做的研究比较多，国家资助的重大科学研究也多[2－7]。然而，近年来，新疆、华亭、平庄等浅部开采矿井接连发生冲击地压，使得人们最初认识的冲击地压发生临界开采深度越来越小[8]。

实际上，冲击地压发生与是浅部还是深部关系密切程度,远不如与采掘围岩所承载载荷的局部化集中程度及其对外界动载源的响应敏感度更为密切，也就是说，不管开采区深不深，只要具有冲击倾向的煤岩所承受载荷足够大，就能发生冲击地压。冲击地压的发生多数与顶板是否垮断无关，这就是为什么人们发现有的冲击地压发生在实体煤的掘进期间，并且位于掘进面后方几百米以外；发生在回采工作面的冲击地压，也有的并未发生在本工作面采空区顶板断裂影响范围内；甚至有的矿井工作面还没推进，巷道局部区域就发生冲击地压。而关于这一困惑问题，目前的研究文献较少。为了探讨这类问题，本文以平庄矿区的浅埋短壁综放面未推进便发生巷道冲击地压案例为切入点，在探索其巨厚坚硬整层岩浆岩顶板条件下冲击启动类型与原理的过程中，得到了浅埋短壁综放面坚硬顶板难以垮断，为冲击启动提供了集中静载荷；短壁工作面开采使得下巷处于高位高应力区中，加剧了下巷冲击危险性；倾斜煤层巷道冲击时，围岩冲击、鼓出非对称局部化，并且大致位于煤层倾向面的法线方向等有益结论。

2 工程背景

平庄矿区某矿一井主采煤层为6-2 煤层，煤层具有弱冲击倾向性，平均厚度为15 m，倾角为26°。6 m 厚的变质煤以上直至地表为坚硬岩浆岩侵入性整体顶板，侵入产状与煤层基本一致，岩性致密坚硬，单轴抗压强度达147 MPa，具有强冲击倾向性，目前开采区钻孔实见最大厚度为238.4 m。煤层底板为60 m 左右的砂岩。矿井目前开采的是十采区东翼的069-2 综放工作面，工作面走向长为393 m，倾斜长为59 m，埋深约350 m。

该工作面西与西翼069-2 工作面相邻，东至一、三井井田边界并与三井西066-1 工作面（2012年6月采终）相邻，浅部自八采区+254 采空区（2011年12月采终），深部至+218 水平。工作面周围开采情况及相对位置见图1 所示。

2012年10月17日，本工作面切眼贯通，综采设备准备安装时，距石门170～270 m 段（069-1 工作面切眼外以远约100 m 处，见图1）发生强烈冲击地压显现，70 多米巷道严重变形，部分巷道已经闭合，主体显现规律为巷道左下顶板下沉，右上底板鼓起强烈。此次冲击造成地面有强烈震感，13 人受伤，工作面安装推迟3 个月。

图1 069-2 工作面及冲击地压显现位置Fig.1 Location of 069-2 face and rockburst

3 岩浆岩下伏短壁综放面冲击地压启动原理

3.1 冲击地压启动类型及原理

冲击地压事故发生后，专业技术人员开始进驻现场并要求立即停工，等初步查明事故发生原因并实施解危后方可恢复生产。课题组采用计算机数值模拟方法来仿真工作面三面孤岛开采环境与围岩应力演化。数值模拟采用FLAC3D程序。

在数值模型中，煤岩层的物理、力学参数参照了实验室测定数据，该煤层埋深约为350 m，在模型顶部约有260 m 厚岩层作等效载荷处理，煤层底板考虑30 m。计算时，模型4 个立面法向位移及地面法向位移为0，层理弱面用INTERFACE 模拟，支架用BEAM 单元模拟。整个模型共划分单元为243 460，节点为281 254 个。

3.1.1 工作面倾斜长度对围岩应力影响

为了研究工作面设计倾斜长度对巷道围岩承载的影响，采用计算机模拟了工作面长度为20、59、100、150 m 共4 种工作面两巷应力分布情况。

由4 种长度的数值模拟结果分析表明（见图2），069-2 工作面受上区段采空影响，其高应力向下区段迁移，并且赋存区域基本稳定，基本不受本工作面下巷布置位置影响，对于两巷赋存应力环境而言，上巷基本处于低应力区域，当工作面倾向长度大于100 m 左右时，下巷基本不受上覆高应力区影响，而目前069-2 工作面倾斜长度为59 m 左右，下巷正处于覆岩高应力集中区，因此，造成下巷应力集中程度进一步提高。

3.1.2 冲击地压启动类型与条件

图2 工作面不同倾斜长度时覆岩应力剖面图(单位:Pa)Fig.2 Contours of the dip direction stress of work face with different inclined lengths(unit:Pa)

根据现场实际开采及围岩受力条件建立069-2工作面下巷围岩受力模型如图3 所示。根据地应力测试结果，最大水平主应力σH量值上约为垂直主应力σV的1.96～2.03 倍，所以下巷在水平方向受20～25 MPa 的水平应力；在垂直方向所受应力较大并且不断变化，记垂直应力为FM（G，FC，N，FQ，Fh），FM则是巷道覆岩自重应力G、巷道侧向支承压力FC、工作面上区段顶板弯曲弹性能N、本工作面超前支承压力FQ、上分层069-1 采空区切眼后侧支承压力Fh的函数，并且全部正相关，其所包含的载荷主要为压缩弹性能和弯曲弹性能，因此，为集中静载荷。如果忽略巷道上方6 m 左右的变质煤，上述垂直应力FM(G，FC，N，FQ，Fh)载荷源就是岩浆岩顶板。

图3 069-2 工作面下巷承载示意图Fig.3 Schematic diagram of the bearing capacity of the lower roadway of 069-2 face

根据冲击启动理论[9]，冲击启动的能量判据为E静+E动− Ec＞0(E静、E动、Ec分别代表集中静载荷、集中动载荷、岩体动力破坏所需要的最小载荷)。因此，下巷围岩冲击启动与否，在于极限平衡区FM(G，FC，N，FQ，Fh)自身能否达到极限。

实际上，巷道两帮极限平衡区高应力、底板岩层中的水平应力是客观存在的，由于工作面不同回采时期、不同区域其巷道两帮极限平衡区静载荷FM(G，FC，N，FQ，Fh)的集中度、动载荷来源与时刻存在差异，这就是为什么对于巷道全长来说，有的区域没有冲击事件，冲击地压显现具有局部性特点，并且冲击地压发生时，采掘空间极限平衡区是失稳的核心，而底板往往是能量释放的突破口，是冲击地压显现位置。

依据参考文献[10]，将围成巷道的顶板-煤层-底板看作一个结构物，则巷道两帮主承载区就是该结构物的基础，承载区对应底板就是地基，建筑物上部载荷自然通过基础传递给地基，有所不同的是，地面建筑物建成后就是给定载荷，而煤矿井下这个载荷随条件在动态变化。这个建筑物的基础宽度与支承压力带宽度B 相当（见图4），图4 中，q 表示底板支护反力，α=45°−φ/2。

图4 巷道底板承载力学模型Fig.4 Mechanical model of the bearing capacity of roadway floor

巷道的底板或建筑的地基所承载达到其承受临界状态时，底板岩体应力状态由弹性转变为塑性，并且出现剪切滑动。如图4 所示，底板岩体滑动时将产生区域划分，图中ACO为主动滑动区，ADF为被动滑动区，ADC 则为过渡区，N为实测的较大水平应力，将进一步推动上述三区的运动，运动趋势如图所示。

上述三区整体处于极限平衡的塑性受力状态，而主承载区宽度B 下对应的底板极限承载力计算为

式中：Nq、Nc、Nγ均为底板承载力计算系数；c、φ、γ 根据底板岩样数据，c=2.8 MPa，φ=31°和γ=2.18 N/m3，其物理意义分别表示底板岩体的黏聚力、内摩擦角和重度；q ≈0.09 MPa。巷道两帮极限平衡区承载的高应力实测平均值为 Pn=143MPa。

由此可见，Pn＞Pu，即底板岩层承载突破极限，剪切破坏体将以OCDF为滑动面向巷道空间快速挤出，底板冲击发生。

实测得069-2 工作面煤层中应力集中系数平均为1.7，而下巷所处深度折算重应力为9.25 MPa，考虑应力集中系数，则为15.73 MPa，大于煤层的单轴强度10.51 MPa。

对于500 m 走向长度的巷道来说，冲击发生点可看作一个单位区，那么巷帮极限平衡区集中静载荷E静由虎克定律估算为45 kJ/m3，根据文献[11]中提供公式计算Ec=/(2 E)=15.34 kJ/m3，则有E静− Ec＞0，由冲击启动理论，就集中静载荷足以使得巷道发生动力冲击。

因此，069-2 工作面所发生的“10.17”冲击地压原因是因巷道埋深折算自重应力已经与煤的单轴抗压强度接近，工作面长度设计不合理，导致下巷全长位于覆岩高位高应力N 区中，而上分层069-1切眼后侧存在较高的支承压力Fh对该段巷道侧向支承压力FC的叠加，并且3 种应力因掘巷扰动相互叠加为时间t 的正相关函数，而该区域的煤岩体长期强度则为时间t 的负相关函数，失稳时机逐渐成熟，此时的集中静载荷FM(G，FC(t)，N(t)，Fh(t))在缺乏FQ的情况下仍满足冲击启动条件。这就是为什么巷道刚刚贯通，工作面没有推进，没有顶板垮断，而又偏偏在上分层工作面切眼后侧发生冲击地压。其冲击机制为多种静载荷的相互加载使得巷帮极限平衡区下方底板破坏深度加大，具有冲击倾向性的底板储存了水平构造应力作用产生的弯曲弹性能，底板承受载荷达到极限，先产生自身岩体的材料失稳，进而产生顶板-煤层-底板结构失稳，底板无约束产生剪切滑动，瞬间释放自身的弯曲弹性能和煤帮传递来的压缩弹性能，造成冲击地压显现。

3.1.3 巷道冲击地压显现非对称局部化原理

图5为069-2 工作面下巷围岩水平应力及主作用合力分布图。图示了沿倾向方向工作面的水平应力分布云图，箭头为主作用合力矢量。从图中可以看出，在下巷围岩的顶板及底板中，均出现了较大的水平应力集中现象，底板应力较大。从图中的主作用合力的矢量分布上来看，顶板中主作用合力的主要作用方向沿巷道左上角向下，而底板中主作用合力主要位于靠近上区段采空区的区域，主作用方向与顶板主应力相反，沿巷道右下角斜向上。

图6为069-2 工作面下巷围岩位移矢量图。从巷道围岩的位移矢量图中可以看出，在回采过程中，巷道出现了左下顶板下沉、右上底板隆起、两帮挤压等变形现象，其中位移较大的顶底板的移近量，尤其是底鼓现象明显。

为此，根据理论分析与数值模拟验证，069-2工作面下巷在水平应力作用及两帮垂直应力不断叠加条件下，其主作用力如图3 所示，从而揭示了倾斜煤层巷道冲击后，巷道左下顶板及右上底板显现强烈的原因，即冲击方向与煤层倾向方向正交的原因。

图5 下巷围岩水平应力及主应力分布图(单位:MPa)Fig.5 Horizontal stress and the principal stress distributions of lower roadway(unit:MPa)

图6 下巷围岩位移矢量图(单位:MPa)Fig.6 Displacement vectors of lower roadway surrounding rock(unit:MPa)

3.2 短壁综放工作面推进后围岩应力演化特征

3.2.1 工作面倾向应力演化特征

图7为069-2 工作面开采模型，工作面推进120 m 时的应力环境。为了分析工作面沿倾向方向的应力分布特征，将工作面推进过程中，在超前工作面煤壁20 m 的位置进行了沿倾向剖面，所得如图8 所示。

图7 工作面推进120 m 时围岩应力(单位:MPa)Fig.7 Surrounding rock stress when work face advancing to 120 m(unit:MPa)

从工作面倾向剖面图中可以看出，069-2 工作面前方煤体的应力集中区域主要存在于进入069-1采空区之前。应力集中区域主要位于距离上巷下帮15 m 以外的范围和下巷两侧区域。从高度上来看，069-2 工作面的应力集中现象主要出现在煤层上部及顶板区域，上巷采用沿空掘巷，巷道位于塑性破坏区，不具备承载能力，没有应力集中，但变形量较大。根据不同推进情况来看，当工作面距离上分层采空区边缘40 m 左右时，工作面前方应力集中程度最大。当工作面刚推进至采空区下方时，工作面下部处于卸压状态，但在068-1 工作面采空区边缘存在集中应力影响下，上巷下帮煤体内出现了相对较高的应力集中现象。当工作面推进至068-1 采空区下后，工作面整体呈卸压状态，应力集中区域主要位于069-1 采空区的边缘位置。

图8 工作面不同推进距离倾向应力云图(单位:MPa)Fig.8 Contours of dip direction stress when face advancing to different locations(unit:MPa)

在模拟回采过程中，在工作面前方20 m 的位置设置一条测线，记录推进过程中煤体内的应力变化情况，将垂直应力的数据进行提取，绘制成应力分布曲线如图9 所示。

从图中可以看出，沿工作面倾向，工作面下部煤体内及下巷两帮应力最大，达到16.6 MPa，而上巷受力较小。在工作面推进至069-1 采空区时，下巷应力开始降幅明显，上巷变化较小；当工作面推进至068-1 采空区时，工作面整体应力都处于卸压状态。

图9 工作面不同推进距离倾向应力分布曲线Fig.9 Dip direction stress curves when face at different propulsion distances

3.2.2 工作面走向应力演化特征

模拟工作面推进时，分别对069-2 工作面上巷附近和下巷附近沿走向方向的剖面进行分析，如图10 所示。

图10 工作面推进136 m 时工作面走向应力云图(单位:MPa)Fig.10 Contours along strike stress after work face advancing to 136 m(unit:MPa)

由图10 可以看出，069-2 工作面上下巷受上分层069-1、068-1 采空区的影响，在接近采空区边缘都产生较大的应力集中现象。

图11为工作面不同推进距离时，069-2 工作面前方煤体垂直应力变化曲线图。随着工作面的推进，工作面前方超前支承压力的影响越来越明显，尤其是当工作面接近069-1 采空区时，应力产生叠加，下巷在走向方向出现高应力区。随着工作面继续向采空区推进，则应力集中程度开始降低。

图11 工作面不同推进距离时上下巷垂直应力曲线Fig.11 Vertical stress curves of upper and lower roadways when face at different propulsion distances

从图11 中可以看出，应力分布情况在工作面推进152 m 时，出现了应力最大值，上巷为10 MPa，下巷为14 MPa，下巷围岩应力要明显高于上巷。

工作面推进后围岩应力演化规律表明，工作面不同推进时期，上、下巷不同程度都存在高应力集中，下巷更为突出，推进过程中由于本工作面超前支承压力及采场覆岩的影响，本工作面仍然面临煤岩冲击的危险。

4 现场实测验证

工作面正式生产后，以2013年5月14～30日微震监测数据为例（见图12）。井田区域范围内共监测到微震事件200 个，其中绝大部分微震事件分布在已采空的069-1 工作面切眼后侧的069-2 工作面下巷附近，其中5月17日下巷距离069-1 采空区切眼60 m，发生能量为2.76×106J 的冲击事件；5月24日距离该切眼49 m，发生能量为1.61×107J的冲击事件；5月26日距离该切眼约46 m，发生能量为8.68×107J 的冲击事件（虽然“10.17”冲击地压使得该段巷道能量得到过释放，但由于本工作面的推进，工作面超前支承压力FQ为新增力源）。由平面投影图得出，微震及冲击事件定位主要集中在069-2 工作面与上分层069-1 切眼之间的下巷；由剖面图得出，事件主要集中分布于下分层煤体和底板内。表明069-2 工作面不断向上分层采空区推进过程中，FM(G，FC，N，FQ，Fh)中各种静载荷源不断叠加，导致煤层及底板破裂事件产生，同时表明，巨厚岩浆岩顶板没有破裂事件产生，没有断裂，这与地表观测结论一致，进一步说明下巷上覆岩浆岩整层顶板没有破断，随着相邻区段的不断采空，069-2 工作面下巷正好处于悬臂顶板的支点处，导致下巷应力异常高。

图12 微震事件分布图Fig.12 Distribution of microseismic events

由埋设在该段巷道的应力监测仪观测发现，随着工作面不断向上分层采空区推进，该段巷道应力不断集中（图13），即FM(G，FC，N，FQ，Fh)实测值在不断增大，达到橙色预警，进一步说明巨厚岩浆岩顶板提供的是集中静载荷而不是断裂后提供集中动载荷，“10.17”冲击地压启动完全可以由静载荷不断集中而诱发，验证了数值模拟与理论分析结论。

5 结 论

（1）本案例的冲击启动原理为工作面斜长较短，导致下巷位于难垮覆岩高位高应力区中。此外，上分层069-1 切眼后侧高支承压力与该段巷道侧向支承压力的叠加，而对于新掘巷道，3 种应力相互叠加为时间t 的正相关函数，而该区域的煤岩体长期强度则为时间t 的负相关函数，失稳时机逐渐成熟，此时汇集的集中静载荷，不需要工作面采动，仍达到了冲击启动条件。

（2）倾斜煤层巷道顶、底板受较高的水平应力作用，同时两帮极限平衡区受不断加载的垂直应力作用，促使巷道围岩主作用合力大致与煤层倾向正交，从而揭示了倾斜煤层巷道冲击方向与煤层倾向方向正交。这一认识为倾斜煤层冲击地压巷道支护与卸压实行非对称性提供新论点。

（3）理论与现场实测结果表明，煤层之上，直达地表的岩浆岩整体顶板没有垮断，为069-2 工作面巷道冲击地压启动提供了压缩弹性能和弯曲弹性能，该冲击地压启动为集中静载荷型。

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