煤岩体力学性质与采矿深度及冲击地压条件

王万亮

(七台河市不动产登记中心，黑龙江 七台河 154600)

1 煤岩体的力学性质与采矿深度的关系

随着开采深度的不断增加，深井巷道的稳定必然成为影响井下生产的重要因素。岩层的自重应力、温度及湿度等随矿井开采深度的延伸而增大。尽管深部岩体的绝对强度很高，而因其上述诸因素的影响，也可能出现类似软岩的问题，造成支护困难。因为矿井开采深度大，巷道围岩周边出现高应力集中，如果数值超过围岩的强度，围岩内裂隙倍增的结果会造成围岩体积的膨胀而被破坏。胀体向巷道空间推移，长期不能稳定，扰动范围较大，支架上的压力增加，造成巷道支架折粱断腿，冒顶塌方，使得生产系统被破坏。

在煤矿生产实践中，深井围岩采准巷道的破坏方式主要有：中硬强度以下和层理较发育的围岩，在各种压力的共同作用下出现松动破坏、松脱压力造成的支护失效。同时，软弱岩石在集中压力的长期作用下，出现的体积膨胀、流变变形造成支护失效。巷道的破坏，在开采浅部时，对同样强度的岩石而言，破坏现象并非非常明显。巷道位置深度是确定巷道稳定性的因素，这也与顶、底板岩石的应力状态息息相关。

不同的采矿深度有着不同的煤岩力学性质，进而决定了各类矿压特点。例如，采煤工作面前方开采煤层的变形；因其回采而形成的支承压力的不同及范围；工作面与采空区上方“粱”和“拱”的结构；巷道顶底板及两帮岩石采动影响的临界深度；煤与瓦斯突出、冲击矿压出现的频率；伴随开采而出现的冒顶、底鼓、煤层挤出等现象，取决于煤岩的强度参数，与采深有直接关系。

第一，深度为400 m时，巷帮压力超过了煤的平均抗压强度，就会出现维护煤帮困难，越深煤被压缩的程度越大。因其减少了巷帮顶、底板间的摩擦力及顶底板移近出现的夹持力，同时距巷帮深处弹性区的弹性提高，更易于出现煤的突出，而这与构造应力相关。

第二，软弱泥岩应力超限初次显现的深度约为600 m，而砂岩则为900 m。从两岩石的平均强度看，泥岩在14 00 m以下深度方可发生类似于岩石突出的应力超限。在砂岩中，当前开采深度内一般不发生这种现象。

第三，因其砂岩抗压强度随采深增加而增加的梯度大，所以在深井的开采中，采取有效措施和方法把巷道布置在坚硬的砂岩中。

第四，在一些矿井及深井，煤巷的比例较大，因此随采深的增加，避免煤巷片帮会成为深井开采中的主要问题。深井煤巷的支护必须加紧进行研究。

第五，在同样的煤系地层中，顶板发生断裂的跨距随着采煤深度的增大而减少，由于采深越大，煤压的范围越大，失控的跨距越大。所以，要通过现场的矿压观测，掌握好初次垮落、初次来压及周期来压步距，不可类比此矿浅部开采的矿压参数，以确保矿井安全。

第六，在有软底煤层中，大深度巷道的底鼓要比浅部巷道严重得多。

2 与冲击地压密切相关的自然地质条件

从出现过发生冲击地压的煤层看，都有冲击地压现象的记录；从煤层赋存状况看，从薄煤层到特厚煤层，倾角可从近水平到急倾斜，煤层的走向变化有单斜的，有褶曲的；从煤层的瓦斯等级看，有高瓦斯的，有低瓦斯的，等等。发生冲击地压的煤层多种多样。同时，冲击地压的出现也受其外部环境的影响。

2.1 采煤深度

采煤深度因素是冲击地压出现的外部因素。冲击地压的类型不同，通常出现冲击地压的临界深度为200 m以上。

东欧某国曾对此问题做过试验研究。巷道周边煤岩应力随采深变化曲线如图1所示。巷道周边煤体应力随采深变化情况见表1所列。

表1 巷道周边不同抗压强度煤岩所受应力随采深变化情况Tab.1 Stress of coal and rock with different compressive strength around the roadway changes with mining depth

从煤的强度看，深度450 m左右，煤体遭到破坏；当σcm=20 MPa，深度超过610 m时，煤体遭到破坏；当σcm=25 MPa，深度超过750 m时，煤体将遭到破坏；当σcm=30 MPa，深度超过880 m时，煤体会遭到破坏。上述几种情况的临界深度充分说明，不同的煤体、临界深度、煤体会遭到不同程度的破坏，为煤的挤出甚至突出提供条件。

图1 巷道周边不同抗压强度煤岩所受应力随采深变化曲线Fig.1 Stress curve of coal and rock with different compressive strength around roadway with mining depth

2.2 煤层顶底板强度

在顶底板强度高的条件下，开采后的悬露面积较大，顶底板的相对运动对煤体形成夹持作用，在煤体一定深度范围内形成较高支承压力，促使煤体变形。同时，因顶底板强度较高，变形量小，煤体中积聚的能量不易被顶底板由于破碎而吸收，容易发生冲击地压。

2.3 地质构造

地质构造对冲击地压的出现具有较大的影响。当采掘接近大断层时，可能出现强度较大的冲击地压，这是由于顶板岩粱被折断后，失去或减少了传递力的联系，易于出现应力集中和大范围内的顶板活动，此时出现冲击地压的强度也较大。