薄基岩留底煤采场冲击地压诱发煤与瓦斯突出研究

焦二朋

(西山煤电股份有限公司马兰矿， 山西 古交 030200)

1 前言

冲击地压是一种常见的矿山动力灾害，随着开采深度的增加，冲击地压灾害日趋严重。特别是在薄基岩条件下的采场，基岩承受的附加载荷比一般条件下大，采动压力传播速度快，更易于发生冲击地压。而在薄基岩条件下留底煤的采场，更加剧了巷道底板的应力集中，在上覆岩层高集中应力的作用下，巷道底煤由弹性状态转化为塑性状态。底煤的塑性状态使煤体产生裂隙，使局部地区的形成瓦斯积聚。由于采动的影响，作用在底煤的应力载荷不断增大，当集中的应力超过其所能承载的极限时，底煤积聚的弹性变性能突然释放，发生底板冲击地压；由于煤体裂隙不断增多，当煤体内储存的能量及其周围裂隙所解析的瓦斯突然喷出时，会发生冲击地压诱发煤与瓦斯突出复合型动力灾害[1-4]。薄基岩留底煤采场条件下冲击地压诱发煤与瓦斯突出是一种新型的灾害，国内外的研究还没有就其机理与防治技术达到完全认识与根治的程度。因此本文以山西某矿为研究对象，探讨了薄基岩留底煤采场冲击地压诱发煤与瓦斯突出的机制，并给出了防治措施，对类似条件下煤矿的冲击地压和煤与瓦斯突出的防治具有借鉴意义。

2 工作面概况

某矿1307工作面是-808m水平3下煤层首采区南翼工作面，地面标高43.2～44.8m，井下标高-705～-850m，埋深约750～900m，表土层厚度为580m。煤层厚度约2.0～4.5m，平均厚度3.5m，煤层赋存稳定，煤层倾角为6°～10°，f=1.7左右。1307工作面为一褶皱构造，地层总体趋势为北高南低，西高东低。巷道掘进过程中揭露多条断层，断层落差大，造成工作面出现厚度不均的底煤存在。

3 冲击地压诱发煤与瓦斯突出机制

巷道开掘之前，煤岩体是处于三向应力的平衡的静止状态的。巷道的开掘使得其平衡状态破坏，应力重新分布，主要表现为应力范围的增大和应力的峰值向煤壁深部转移，在巷道边缘前方形成应力增高区，部分围岩的应力进入塑性状态分布[5-6]。在薄基岩的条件下，煤层受到的垂直应力比一般条件下大，形成集中应力区峰值高，范围大，更易形成高应力集中区。由于巷道底板留有厚度较大的底煤，底煤强度低，薄基岩作用在巷道的高垂直应力经两帮向底板传递，在巷道底板处形成应力集中密实区，该区域的煤体在高集中应力的作用下由弹性状态转化为塑性状态。由于塑性区内的煤体的内聚力已经基本消失，主要依靠岩块间的摩擦力维持稳定，塑性区煤体内不断发生剪切破坏，会产生裂纹裂隙，孔隙压力降低，吸附的瓦斯解析成游离的瓦斯膨胀。在外界扰动的作用下，当底煤积聚的能量超过其所能承载的极限时，会突然释放巨大的弹性变形能，发生冲击地压，而煤体的动能进一步使局部的瓦斯解析膨胀，在振动的联合作用下，诱发裂纹裂隙解吸出的游离瓦斯异常涌出，具体过程如图1所示。

4 冲击地压诱发煤与瓦斯突出的力学机制

薄基岩留底煤采场冲击地压诱发煤与瓦斯突出的主要因素为表土层厚度和底煤的厚度。表土层厚度越大，作用在煤岩体的应力就越大，将表土层的厚度表示为作用在巷道的载荷q，表土层厚度越大，载荷的数值q就越大。为了计算方便，将围岩看成理想的塑性状态，巷道围岩符合Mohr-Coulomb模型，将巷道变形转化为平面求解，建立力学模型，具体如图2所示。由于巷道两侧是对称区域，因此只需考虑一侧即可。

三角形ABC区域为应力集中的密实区，受到挤压膨胀，在巷道底角处直线AB上正应力和剪应力为σn=q,τn=0。

图3 底板任意点应力状态

三角形ABC区域中每点的应力状态相同，该区域可以看成均匀应力场，设均匀应力场平均应力为p，均匀应力场内的平均应力可以根据莫尔应力圆可以得出。根据图3可知，莫尔应力圆随着剪应力σ1的增大，直线K与莫尔应力圆逐渐接近，当莫尔应力圆与直线K相切时，巷道底板围岩发生剪切破坏。随着σ1的不断增大，直线K与莫尔应力圆的切点N对应为图2中的C、F两点，巷道的底板剪切破坏从C、F两点开始，逐渐向巷道底板一侧靠近。因此在三角形ABC区域中，最大主应力σ1=q，最小主应力σ3>0。三角形ABC中平均应力为

(1)

式中：c——巷道底板围岩的内聚力；

φ——巷道底板围岩内摩擦角。

三角形BHM区域也属于均匀应力区，自由边界上法向应力和剪切应力都为零，因此，BCM区域应力为

(2)

式中：ψ——边界AB与BM的夹角。

在三边形BCH区域中，直线BH符合Hencky第一定律，得：

(3)

(4)

(5)

式中：u——边界BH、HM与BM夹角。

则

(6)

三角形ABC为均匀应力场，则

(7)

(8)

极限应力载荷q为

(9)

由式(9)可知，当载荷达到极限值q时，就会发生冲击地压诱发煤与瓦斯突出。

5 冲击地压诱发煤与瓦斯突出防治技术

5.1 释放煤岩体内能

在留底煤区域采用了“两帮爆破卸压，底板隔排卸压”的处理措施释放积聚的弹性变形能。从留底煤厚度区域边界开始，两帮每隔5m布置爆破钻孔；底板每隔10m进行施工一条卸压带(可采用大直径钻孔或爆破)，在该处进行注水，具体如图4所示。

图4 释放煤岩体内能示意图

5.2 抽放瓦斯内能

通过对瓦斯进行抽放，从而消减煤体瓦斯的浓度，降低了发生煤与瓦斯突出灾害的概率。1307工作面瓦斯提前预抽，共布置2 625个预抽钻孔，钻孔孔径φ65mm，孔间距0.6～1.0m，孔深60～105m，封孔材料为聚氨酯，封孔长度8m，钻孔角度与煤层倾角一致，抽放负压194～195mm/Hg。

5.3 煤层注水

实践证明煤层注水是有效预防冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害的有效措施。通过煤层注水改变煤体的物理学状态，增加了煤层塑性区的范围，降低了能量在煤体的集中，从而可以达到防治冲击地压的目的。煤层注水也在一定的程度上减少了瓦斯的内能，可以有效预防煤与瓦斯突出。

在1307工作面运输巷道和回风巷道各布置10个注水钻场，孔径φ94mm、孔底间距15m，孔深要求保证两顺钻孔覆盖全工作面，注水卸压见表1。开孔高度在巷道底板往上1.0～1.5m，钻孔角度沿煤层倾角施工。

表1 注水卸压参数

6 效果检验

采用钻屑法对冲击危险区域卸压效果进行检测，确定卸压效果[7-8]。选取三个点，采用钻屑法，通过观测煤粉量的大小来判定危险是否解除。钻屑煤粉量曲线如图5所示。

图5 卸压后钻屑煤粉量曲线图

由图5可知，3个点的最大煤粉量均在2.2 kg/m左右，由此可以得出，防治措施有效防治了冲击地压和煤与瓦斯突出，达到了良好的防治效果。

7 结论

(1)研究了薄基岩条件冲击地压诱发煤与瓦斯突出的机制，并得出了该条件下冲击地压诱发煤与瓦斯突出的极限载荷。

(2)采用释放煤岩体弹性变形能、抽放瓦斯内能、煤层注水对冲击地压诱发煤与瓦斯突出进行防治，并采用钻屑法对防治效果进行效果检验，卸压效果良好。