特厚近直立煤层上覆煤柱诱发冲击地压的机制研究及应用

杨　磊，蓝　航，杜涛涛

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)



特厚近直立煤层上覆煤柱诱发冲击地压的机制研究及应用

杨磊，蓝航，杜涛涛

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

［摘要］通过建立特厚近直立煤层开采中上覆煤柱的力学模型与数值模型，分析了上覆煤柱及其围岩的力学状态，得出上覆残留煤柱的存在对冲击地压有明显影响，其诱发冲击地压的机制为在高水平应力作用下，在煤柱边缘形成剪切区，剪切区的煤岩层存在应力集中并积聚了大量的弹性能，容易失稳诱发冲击地压。通过分析高能量微震事件的分布规律及冲击显现的震源定位，验证了煤柱诱发冲击地压的机制。针对这一诱发机制，对剪切区应用岩层注水及煤岩深孔爆破措施，有效地降低煤柱剪切区的应力集中程度，使煤岩层平稳地释放弹性能，降低了冲击危险性。

［关键词］特厚近直立煤层;上覆煤柱;冲击地压;诱发机制

［引用格式］杨磊，蓝航，杜涛涛.特厚近直立煤层上覆煤柱诱发冲击地压的机制研究及应用［J］.煤矿开采，2015，20(2) : 75－77.

冲击地压是聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放而产生的具有破坏性的动力现象［1］。随着开采深度的增加，我国煤矿的冲击地压灾害日趋严重。由于冲击地压的复杂性与瞬时突发性，冲击地压的研究已成为煤矿开采过程中最亟需解决的难题之一［2－7］。冲击地压的发生机理与类型多种多样，其中煤柱型(压力型)冲击地压较为常见。在缓倾斜煤层开采中，受开采技术条件及煤层赋存的限制，不可避免地需要留设煤柱，在支承压力叠加与顶底板夹持效应的作用下，煤柱长期处于亚稳定状态，当受到外界干扰时，极易由亚稳态转为极限应力状态，发生冲击地压［8－9］。对于特厚近直立煤层，目前主要采用水平分段开采，开采过程中其矿压显现规律及冲击地压的发生机制与缓倾斜煤层开采有所不同，煤柱的存在形式也不同，但上覆残留煤柱的存在是否对冲击地压的发生有所影响尚不清楚［10］。因此，以神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿南采区特厚近直立煤层为例，建立了力学模型与数值模型，运用力学原理及数值模拟分析了上覆煤柱及煤柱围岩的力学状态，认为上覆残留煤柱的存在对冲击地压有明显影响，在高水平应力作用下，煤柱边缘形成剪切区，剪切区的煤岩层存在应力集中并积聚了大量的弹性能，容易失稳诱发冲击地压。

1　煤柱诱发冲击地压机制分析

1.1上覆煤柱基本情况

神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿南采区开采八道湾向斜南翼特厚近直立煤层，煤岩层平均倾角87°，其中B1+2煤层平均厚度37.45m，B3+6煤层平均厚度48.87m，两层煤之间的岩柱平均80m左右，采用水平分段综放开采方法，共布置2个工作面，分别为B1+2与B3+6工作面，地表标高+850m左右，目前已开采至+500m水平。矿井浅部早期为小煤窑仓储式开采，开采不充分，经地表勘测，未出现明显沉陷，因此将小煤窑开采区域及其两侧保护煤柱区域统称为上覆煤柱区域。+500m水平B1+2与B3+6工作面在回采过程中均要经历上覆煤柱区域，如图1所示为+500m水平B3+6工作面走向平剖面图。

图1　+500m水平B3+6工作面走向平剖面

1.2煤柱影响区域力学分析

根据乌东煤矿南采区地应力测量结果，最大水平应力最大为14.31MPa，最小水平主应力最大为8.05MPa，垂直主应力最大为7.16MPa。从量级上划分地应力水平属于中等地应力区。最大和最小水平主应力均大于垂直主应力，总体上属于σH＞σh＞σV应力场，依此以B3+6煤层为例建立上覆煤柱区域的力学模型如图2 (a)所示。上覆煤柱走向方向两侧均已采空，主要受水平应力σH与垂直应力σV的作用，图2 (b)所示为沿煤柱走向的平面示意图。由图2可知，在高水平应力下，煤柱受顶底板岩层“夹持”，在煤柱边缘形成剪切区;同时类似于缓倾斜煤层开采中的支承压力，近直立煤层中由水平应力及采空侧悬顶作用，从煤柱边缘到煤柱深部，同样会出现塑性区、弹性区及原岩应力区，由于两侧受力的不同，两侧的应力集中系数不同，得出水平方向峰值应力分别为KσH和kσH;加上煤柱自身的上覆载荷在垂直方向形成的支承压力区，使得煤柱边缘的受力特征更加复杂，增加了煤柱边缘煤体的不稳定性。

图2　煤柱区域力学模型

1.3煤柱区域应力分布数值模拟分析

为了进一步分析煤柱诱发冲击地压的机制，针对B3+6煤层建立FLAC3D数值模型，全面、直观地对煤柱区域的应力分布特征进行分析，图3所示为沿煤柱走向剖面的应力分布云图。由图3可知，煤柱两侧边缘处的垂直应力与水平应力均出现较明显的应力集中现象，煤柱内部煤体的应力随着远离煤柱边缘而有所降低。为了准确对比煤柱区域内与煤柱外的受力特征，对模型中的应力进行提取，如图4所示。数值模拟计算表明，煤柱区域内的应力大小明显高于煤柱区域外，煤柱边缘处煤体的水平应力集中系数达到了1.25，垂直应力集中系数达到了1.5，总体上说，煤柱边缘的煤体承载的应力要高于煤柱内部。

图3　数值模型应力分布

图4　数值模型应力分布曲线

1.4煤柱诱发冲击地压机制

通过对煤柱区域力学与数值模拟分析，得出上覆残留煤柱的存在对冲击地压有明显影响，其诱发冲击地压的机制可概括为:在高水平应力作用下，煤柱边缘与岩层交接的位置形成剪切区，剪切区的岩层与煤体内积聚了大量的弹性能，当较高的剪切力使岩层滑移、断裂时，容易释放弹性能，诱发冲击地压;煤柱在双向受力状态下，煤柱边缘煤体的垂直应力与水平应力均存在应力集中现象，在开采过程中，当煤柱受力达到其极限应力时，容易失稳破坏，从而诱发冲击地压。

2　煤柱诱发冲击地压的微震验证

为了验证上述分析得出的煤柱诱发冲击地压机制，对乌东煤矿南采区由波兰ARAMIS微震监测系统监测到的微震事件进行统计分析，自2013年8月至2014年4月，共监测到能量大于1×107J微震事件30次，其中有26次都分布在五一煤矿煤柱与大梁煤矿煤柱区域。图5所示为监测到的能量大于1×107J微震事件平面分布结果。由图5可知，高能量的微震事件主要发生在两煤柱边缘的岩层与煤体中，根据微震的产生与煤岩体应力集中的关系［1］，表明煤柱边缘的煤岩层承载的应力较高，煤岩层释放能量较为剧烈。

图5　能量大于1×107J微震事件平面分布

乌东煤矿南采区于2014年3月1日与3月24日发生了2次轻微的冲击显现，对工作面及巷道造成了不同程度的影响。图6所示为现场冲击显现位置与定位的震源位置，由图6可知，2次冲击显现的震源均发生在大梁煤矿煤柱边缘的岩层中，并在其临近的巷道或工作面发生冲击显现，2次冲击显现均为煤柱边缘的岩层释放弹性能诱发所致，验证了煤柱边缘剪切区的存在及剪切区煤岩层的应力集中是诱发冲击地压的重要原因。

图6　2次冲击显现微震定位平面分布及显现位置

3　现场防治应用

根据上述对煤柱区域的力学与数值模拟分析，以及微震监测验证表明，煤柱边缘的煤岩层存在应力集中并积聚了大量的弹性能，是诱发冲击地压的重要原因，同时也是主要的冲击危险区域，因此必须对该区域的煤岩层进行解危措施。在现场实际操作过程中，采取了岩层注水与深孔爆破2种解危方法，对煤柱区域的岩层进行动压注水，注水压力达到8～12MPa，降低其积聚弹性能的能力;对煤柱区域的煤体及顶底板岩层实施了多组深孔爆破卸压，降低了剪切区的应力集中程度。

为验证应用效果，对解危前后煤柱影响区域的微震事件进行统计分析，统计结果如表1所示。

表1　解危前后微震监测事件统计

由表1可以看出，解危后，低能量等级微震事件数量明显上升，高能量等级微震事件降低，且在工作面推进过煤柱区域期间，能量释放比较平稳，未发生剧烈的变化。微震监测结果表明，通过采取解危措施，能有效地降低煤柱剪切区的应力集中程度，使煤岩层平稳地释放弹性能，降低了冲击危险性。

4　结论

(1)特厚近直立煤层开采中，上覆残留煤柱的存在对冲击地压有明显影响，其诱发冲击地压的机制为在高水平应力作用下，在煤柱边缘形成剪切区，剪切区的煤岩层存在应力集中并积聚了大量的弹性能，容易失稳诱发冲击地压。

(2)高能量微震事件及冲击显现的震源均主要集中在煤柱边缘，验证了煤柱边缘剪切区的存在及剪切区煤岩层的应力集中是诱发冲击地压的重要原因。

(3)对剪切区应用岩层注水及煤岩深孔爆破措施能有效地降低煤柱剪切区的应力集中程度，使煤岩层平稳地释放弹性能，降低了冲击危险性。

［参考文献］

［1］齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［2］窦林名，何学秋.冲击地压理论与防治技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001.

［3］蓝航，毛德兵，潘俊锋，等.冲击矿压综合防治技术体系及应用［J］.煤矿开采，2011，16 (3) : 119－124.

［4］袁瑞甫，李化敏，李怀珍.煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别［J］.岩石力学与工程学报，2012，31 (1) : 80－85.

［5］石平五，高召宁.急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律［J］.煤炭学报，2003，28 (1)，13－16.

［6］鞠文君，李文洲.急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型［J］.煤炭学报，2008，33 (6) : 606－608.

［7］王宁波，张农，崔峰，等.急斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征［J］.煤炭学报，2013，38 (8)，1312－1318.

［8］贺广零，黎都春，翟志文，等.采空区煤柱－顶板系统失稳的力学分析［J］.煤炭学报，2007，32 (9) : 897－901.

［9］王存文，姜福兴，王平，等.煤柱诱发冲击地压的微震事件分布特征与力学机理［J］.煤炭学报，2009，34 (9) .

［10］蓝航.浅埋煤层冲击地压发生类型及防治对策［J］.煤炭科学技术，2014，42 (1) : 9－13.

［责任编辑:潘俊锋］

Mechanism of Rock-burst Induced by Overlying Coal-pillar in Extremely-thick and Sub-erect Coal-seam

YANG Lei，LAN Hang，DU Tao-tao

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:By setting up mechanics and numerical simulation model of overlying coal-pillar in extremely-thick and sub-erect coalseam，stress distribution of coal-pillar and surrounding rock was analyzed.It was obtained that rock-burst was influenced obviously by overlying coal-pillar.Rock-burst inducing mechanism was that under high horizontal stress，shear stress and elastic energy concentration zone formed at the edge of coal-pillar which was easy to result into rock-burst.Micro-seismic matters distribution and seismic source location result proved the mechanism of rock-burst induced by coal-pillar.On the basis of this，applying water injection and deep bore-hole blasting in rock and coal in shear stress zone，stress concentration degree was reduced effectively and elastic energy of coal and rock was released steadily，which reduced rock-burst danger.

Keywords:extremely-thick and sub-erect coalseam; overlying coal-pillar; rock-burst; inducing mechanism

［作者简介］杨磊(1988－)，男，江苏淮安人，硕士，主要从事煤矿冲击地压与煤岩破裂失稳方面的研究工作。

［基金项目］国家自然科学基金项目:急倾斜特厚煤层开采煤岩系统动力失稳机理(51304116) ;天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金(KCSJ－QNCX－2014－09)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.021

［收稿日期］2014－08－29

［中图分类号］TD324

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0075-03