深部厚煤层留底煤掘进巷道冲击地压发生原因及防治方法

杨 磊岳春辉，王书文，秦子晗

(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 开采研究分院，北京 100013；3.内蒙古平庄能源股份有限公司 凤水沟煤矿，内蒙古 赤峰 024076)

深部厚煤层留底煤掘进巷道冲击地压发生原因及防治方法

杨 磊1，2岳春辉3，王书文1，2，秦子晗1，2

(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 开采研究分院，北京 100013；3.内蒙古平庄能源股份有限公司 凤水沟煤矿，内蒙古 赤峰 024076)

结合具体工程案例分析了冲击显现特征，从围岩应力分布和弹性能释放两个角度分析了其发生冲击地压的主要原因，并提出了相应的防范及防治对策。研究结果表明：深部厚煤层掘进留设顶底煤后，巷道顶底板煤岩体水平应力集中程度较高，尤其是巷道底煤，应力集中系数达到1.6；开挖后底煤2m处煤岩体弹性能呈迅速积聚随后释放特征，是重点潜在冲击危险源，开挖稳定后，顶、底板和迎头前方弹性能水平较高。为此提出了不留设底煤或底煤留设小于2m的防范措施，基于围岩弹性能的演化规律提出了卸-支时空耦合的冲击地压防治对策。

底煤；掘进巷道；冲击地压；卸-支时空耦合

随着我国煤矿开采深度的不断加大，冲击地压灾害逐步频繁，冲击显现的位置和形式也趋于多样性[1-2]，冲击地压灾害的防治工作更加困难。近年来，冲击地压灾害频繁在掘进巷道中发生，尤其是厚煤层掘进巷道，且显现位置不一，有的冲击地压发生在掘进迎头，有的发生在掘进迎头后方区域；显现特征主要以瞬间底鼓和迎头煤体抛出为主[3-5]。目前我国部分学者对厚煤层掘进冲击地压的发生原因进行了相关研究，一部分研究发现厚煤层掘进过程中冲击地压的发生主要集中在地质构造区域，较高的构造应力是造成冲击的最重要因素，同时夹矸、节理面的存在为煤体抛出提供了突破口[6-8]；另一部分研究发现采掘布置不合理及采动应力扰动也是造成掘进巷道发生冲击地压的重要原因，如采掘相向、采空区影响等[9-11]。影响深部厚煤层掘进巷道发生冲击地压的另一个主要因素即巷道的自身条件，厚煤层掘进巷道不可避免地会留设顶煤或底煤，在深部高地应力条件下，顶煤与底煤是应力集中和弹性能释放的重点区域，在支护不到位或无支护情况下其应力分布和弹性能释放规律是影响冲击地压发生的重要因素。

本文结合具体工程案例分析深部厚煤层留底煤掘进巷道冲击显现特征，研究巷道围岩应力分布及弹性能释放规律，揭示其发生冲击地压的原因，在此基础上提出有针对性的局部解危及优化防范措施。

1 案例分析

陕西某矿开采延安组4号煤，埋藏深度在800～1000m之间，煤层厚度0～15m，平均6.48m，为近水平煤层。煤层单轴抗压强度达到20MPa，具有强冲击倾向性。煤层直接顶为粗粒砂岩和细粒砂岩，其厚度为4～25m，煤层底板由铝质泥岩及泥岩组成。该矿井一盘区为首采区，一盘区大巷布置有回风大巷、胶带大巷和辅运大巷，巷道之间留设35m煤柱，大巷掘进时沿顶板布置，底煤厚度平均在2m以上，局部达到5m。一盘区大巷在掘进过程中曾多次发生冲击动力显现，表1所示为几次主要冲击显现情况。

表1 掘进期间冲击显现情况

分析发现，一盘区实体煤大巷掘进过程中冲击地压显现的位置主要分布在掘进迎头附近及迎头后方区域，显现形式主要表现为瞬间底鼓和迎头大块煤溜出等。根据采掘工程平面图和现场反馈，掘进巷道附近没有明显地质构造，且作为首采区，也不存在采掘布置不合理等情况，但仍频繁发生冲击等动力现象。这表明该矿这种条件下，掘进巷道周围煤岩体内积聚的弹性能已临近或达到其失稳破坏所需要的能量，掘进过程中容易诱发冲击显现，因此需对这种条件下冲击地压的发生原因加以研究。

2 深部厚煤层掘进巷道冲击地压发生原因

为了研究深部厚煤层掘进巷道冲击地压的发生原因，就必须对掘进巷道的围岩应力分布特征及弹性能释放规律进行深入分析，为此建立了有限差分FLAC3D数值模型，模型尺寸为90m×100m×70m，如图1所示。模型中，煤层厚度10m，开采深度900m，在模型的顶部施加竖向载荷用于模拟上覆岩层自重，模型四个侧面约束水平位移，底面约束垂直位移。在模型正中间开挖半圆拱形巷道，巷道宽度4m，壁高2m，开挖后采用摩尔-库伦屈服准则进行计算平衡。

图1 FLAC3D数值模型

2.1 围岩应力分布特征分析

根据大量深部矿井地应力测试数据，数值模型侧压系数取2，掘进开挖计算平衡后掘进工作面处围岩的应力分布如图2、图3所示，从图2、图3中可以看出，在巷道顶底板内水平应力与垂直应力均存在应力集中现象，在巷道两帮应力水平相对较低，为了准确分析应力集中位置和应力集中程度，对围岩应力提取分析，如图4、图5所示。

图2 掘进迎头围岩水平应力分布

图3 掘进迎头围岩垂直应力分布

图4 掘进迎头前方围岩应力分布

图5 掘进迎头顶底板水平应力分布

从图2～图5可以看出，掘进面前方煤体内的水平应力和垂直应力分布特征相类似，掘进面前方2～6m范围内应力升高，应力峰值位于前方4m处，应力集中现象不明显，但由于深部侧压系数较大的影响，水平应力明显要高于垂直应力。巷道的顶底板内垂直应力较低，水平应力集中较为明显，且底板侧应力明显高于顶板侧，应力集中系数达到1.6，应力峰值位于底板内3.5m处。

2.2 围岩弹性能释放规律分析

为了研究掘进巷道围岩弹性能释放规律，对巷道开挖至稳定过程中煤岩体弹性能释放特征进行深入分析。模型开挖后计算，每隔5时步即对迎头附近煤岩体的弹性应变能进行提取分析。

图6所示为迎头附近帮部、底板及迎头前方不同深度煤岩体弹性能释放过程曲线。

图6 迎头附近煤岩体弹性能释放过程曲线

根据图6分析发现，巷道开挖前，原岩应力作用下的帮部、底板和迎头的弹性能密度基本一致，弹性能密度为282kJ/m3。开挖后，弹性能的释放主要集中在刚开挖后的一段时间内，煤体向自由面空间位移致使巷道两帮弹性能由浅至深依次释放，且释放量逐渐减小；底板1m处煤岩体由于向巷道空间产生位移，弹性能迅速释放，而2m处煤岩体弹性能则先增大后减小，增大至454kJ/m3后又降至291kJ/m3并稳定，底板3m处煤岩体弹性能则呈缓慢上升随后稳定，最终底板2m和3m处煤岩体弹性能处于较高水平；迎头表面煤岩体弹性能释放较明显，深部不明显。由此可见，巷道掘进后，在高地应力作用下底板一定深度(2，3m)处煤岩体的弹性能呈先积聚后释放的特征，当积聚的弹性能达到煤岩体破坏所需的能量时则易发生冲击显现，应及时采取卸压等措施；迎头及两帮表面煤岩体弹性能迅速释放，易发生片帮现象，应及时支护；迎头及两帮的深部煤岩体弹性能释放较小，开挖稳定后弹性能处于相对较高水平。

3 防范措施及防治对策

3.1 重点防范

根据深部厚煤层掘进巷道围岩应力分布特征及弹性能积聚和释放的动态规律：掘进巷道底煤的应力集中程度最高，底煤3m深位置为应力集中峰值区域，底煤2m深位置为弹性能迅速积聚释放区域，两帮及迎头浅部的应力集中程度较小且弹性能释放迅速。因此，底煤是最主要的潜在冲击危险源，从防范角度出发，在巷道掘进设计时，应避免留设底煤，或留设底煤厚度小于2m。

3.2 卸-支时空耦合防治

对于已留设底煤的掘进巷道，应根据弹性能的时空演化特征进行防治，即从开挖后弹性能的时域变化特征和稳定后的空间分布特征出发，在合理的时机采取相应的有针对性的解危措施，主要为以下两步：

(1)及时支护 巷道开挖后的较短时间内，迎头浅部和两帮煤岩体弹性能迅速释放，因此开挖后应立即对两帮及顶煤进行支护，尽可能避免因弹性能迅速释放造成的片帮冒顶或冲击。

(2)重点卸压 卸压对象主要为底煤和迎头，及时对底煤进行大孔径钻孔卸压或切槽卸压，在底煤弹性能积聚前采取措施，可有效缓解底煤的弹性能积聚水平，同时使应力集中向煤体深部转移；此外应对迎头进行大孔径钻孔卸压，以耗散迎头深部的弹性能，降低潜在冲击危险；之后再根据需要对巷道两帮进行卸压工作。

4 结 论

(1)深部厚煤层留底煤掘进巷道冲击地压主要以底板瞬间鼓起和迎头大块煤抛出为主，分析发现巷道顶底板煤岩体水平应力集中程度较高，尤其是底板，应力集中系数达到1.6，应力峰值位于底板内3.5m处；开挖后底板2m左右煤岩体弹性能呈迅速积聚随后释放特征，开挖稳定后，迎头前方和顶、底板弹性能水平较高。这两点分别从应力和弹性能角度解释了底板和迎头易发生冲击地压的原因。

(2)基于深部掘进巷道冲击地压发生的应力与能量机制，提出了不留底煤或底煤留设小于2m的防范措施，同时从开挖后弹性能的时域演化规律、稳定后的空间分布以及应力分布特征出发，提出了卸-支时空耦合的冲击地压防治对策。

[1]蓝 航，齐庆新，潘俊锋，等.我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析[J].煤炭科学技术，2011，39(1)：11-15.

[2]姜耀东，潘一山，姜福兴，等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报，2014，39(2)：205-213.

[3]潘俊锋，毛德兵，蓝 航，等.我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术，2013，41(6)：21-25.

[4]曹安业，朱亮亮，杜中雨，等.巷道底板冲击控制原理与解危技术研究[J].采矿与安全工程学报，2013，30(6)：848-855.

[5]徐学锋，窦林名，刘 军，等.煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究[J].岩土力学，2010，31(6)：1977-1982.

[6]潘立友，孙刘伟，范宗乾.深部矿井构造区厚煤层冲击地压机理与应用[J].煤炭科学技术，2013，41(9)：126-128，137.

[7]王建超，姜福兴，朱斯陶，等.夹矸厚煤层掘进工作面冲击地压机理及防治技术[J].煤矿安全，2016，47(1)：88-91.

[8]厉建林，杜涛涛.坚硬顶板条件掘进期间多因素诱发冲击地压分析[J].煤矿开采，2016，21(6)：71-73，53.

[9]蓝 航，杜涛涛.近距离煤层掘进巷道过终采线冲击地压防治技术[J].煤炭科学技术，2015，43(1)：10-14.

[10]陈国祥，郭兵兵.冲击矿压的静动叠加失稳机制和发生模式[J].煤炭学报，2015，40(9) ：2021-2025.

[11]姜福兴，成 功，冯 宇，等.两侧不规则采空区孤岛工作面煤体整体冲击失稳研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34(2)：4164-4170.

[责任编辑：潘俊锋]

PreventionMethodandReasonsofRockBurstinDrivingRoadwaywithLayoutFloorCoalandThicknessCoalSeaminDeep

YANG Lei1,2，YUE Chun-hui3；WANG Shu-wen1,2,QIN zi-han1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.Fengshuigou Coal Mine, Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co., Ltd.，Chifeng 024076))

Rock burst appear characters were analyzed under practical example，the main reasons of rock burst happened were analyzed from two sides as surrounding rock stress distribution and elastic energy relation，and then corresponding prevention methods were put forward.The results showed that the degree of horizontal stress concentration was high in roof and floor of roadway as roof and floor coal were layout after thick seam was driving in deep，floor coal was high specially，its factor reached 1.6，the elastic energy of coal and rock mass in position of 2m in floor coal appeared as accumulated firstly and then relaxed，it was an importance and potential rock burst hazard source，when stability formed after driving，the elastic energy of roof，floor and head-on were high.Then the preventive measures as without floor coal or floor coal thickness less than 2m were put forward，unloading and supporting time and space coupling measures for rock burst prevention was put forward under surrounding rock elastic energy evaluation law.

floor coal；driving roadway；rock burst；unloading- supporting time and space coupling

TD324

A

1006-6225(2017)05-0075-03

2017-05-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.019

国家自然科学基金资助项目(51574149)；国家重点研发计划(2016YFC0801401)

杨 磊(1988-)，男，江苏淮安人，助理研究员，主要从事冲击地压、岩层控制等方面的研究工作。

杨 磊，岳春辉，王书文，等.深部厚煤层留底煤掘进巷道冲击地压发生原因及防治方法[J].煤矿开采，2017，22(5)：75-77，85.