煤矿冲击地压应力控制理论与实践

煤矿冲击地压应力控制理论与实践

于磊

鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司内蒙古017399

摘要：对于冲击矿压的防治，国内外学者已开展了不少的研究工作，尤其集中在采用地音、微震和电磁辐射等，间接观测评价煤岩体应力的方法观测煤岩体受力与破坏情况及采用煤层注水、煤岩层爆破等防治方法降低或消除煤岩体的冲击危险性。

关键词：冲击地压；应力控制理论；

基于冲击地压理论研究和现场实践，提出以应力控制为中心，以单位应力梯度为表征的冲击地压应力控制理论，并采用相似模拟和数值模拟分析了原岩应力、构造应力、采动应力对冲击地压发生诱发机制，从应力控制的角度对冲击地压防治进行现场实践。

一、冲击矿压现象分析

冲击矿压通常是在煤岩力学系统达到极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能，导致煤岩层瞬时破坏并伴随煤粉的冲击，造成井巷的破坏及人身伤亡事故。综合分析我国各主要冲击矿压矿井所发生的冲击矿压现象可以看出，我国冲击矿压通常可分为煤层冲击和岩层冲击（按参与冲击矿压的岩体类别划分），重力型、构造型、震动型和综合型（按应力来源和加载形式划分），弹射、煤炮、微冲击和强冲击（按显现强度划分），轻微冲击、中等冲击和强烈冲击（按震级及抛出煤量划分），一般冲击矿压、破坏性冲击矿压、冲击矿压事故（按冲击矿压的破坏后果划分）等多种类型的冲击矿压，但进一步分析可知，无论是哪种类型的冲击矿压现象，均是应力作用导致煤岩体突然破坏的结果，只不过应力的来源、大小和表现形式等要素的不同而已。因此，研究和防治冲击矿压，重要的是如何监测煤岩体应力的大小与变化，如何控制煤岩体的应力。当然，煤岩体中的应力可概括地分为原岩应力和采动应力，原岩应力不能控制，采动应力可以控制。

二、冲击地压应力控制理论

大量的现场监测与实验室试验研究表明，引起冲击地压发生的因素主要可以归纳为以下方面：（1）煤岩冲击倾向特性，即煤岩固有的冲击破坏的性质和能力，是冲击地压发生的内在因素；（2）煤岩体结构特性，指煤层在形成过程中的软弱夹层、断层或褶皱等地质构造，一般无法量化和人为改变，亦属内在因素；（3）煤岩体所受应力，是影响冲击地压是否发生的关键因素。无论是哪种类型的冲击地压现象，均是应力作用导致煤岩体突然破坏的结果，只是应力的来源、大小和表现形式等要素不同而已。具有冲击倾向性的煤岩体，受构造应力的影响内部积聚了一定的原始应力，煤层开采引起采场应力的重新分布并在局部形成高应力集中，此时处于非稳定动态平衡状态的煤岩体在外界扰动应力的作用下就会诱发冲击地压的发生。可见，冲击地压问题实质上就是煤岩体的应力问题，控制冲击地压灾害的发生，实质上就是改变煤岩体的应力状态或控制高应力区的出现，以保证煤岩体不足以发生失稳破坏或非稳定破坏。煤岩体的应力包括原岩应力和采动应力，其中原岩应力不可控，而采动应力是可以控制的。作为时间与空间的函数，采动应力的大小、方向和分布位置直接地、动态地影响着煤岩体的稳定状态，并可通过监测煤岩体的相对应力来获得。然而，由于冲击地压的发生位置与冲击启动位置通常并不重合，使得一个点的相对应力变化无法判断冲击危险性和冲击危险区域。为此，提出了单位应力梯度Δσn，t的概念，表征不同时刻每个点的相对应力的变化量，即

（1）

其中，σn，t1、σn，t2分别为t1和t2时刻n点位置煤体的相对应力，MPa。通过比较单位应力梯度Δσn，t的变化，可以评价冲击危险性和冲击危险区域。因此，冲击地压的监测预报与防治解危应以煤岩体的应力状态分析为基础，以控制应力为中心。一方面在煤岩体未形成高应力集中或不具有冲击危险之前，通过区域应力协调转移等措施避免煤岩体形成高应力集中；另一方面在已经形成高应力集中或冲击危险区域，通过应力释放和转移措施使煤岩体的应力集中程度降低，尤其是降低采动过程中的单位应力梯度，破坏冲击地压发生的应力条件，达到降低或者防治冲击的目的。

三、矿压监测

煤矿开采活动必然会使煤岩体原有的应力平衡状态被打破，导致煤岩体内部的应力重新分布，从而形成采动应力。在采动应力作用下，将导致煤层顶底板垮断与破坏、支架折损、片帮冒顶、底鼓等一般的矿山压力现象，对于具有冲击危险性的煤岩层，也可能导致冲击矿压、顶板大面积来压等煤岩动力灾害的发生。研究一般的矿山压力现象时，只需观测工作面支架工作阻力、顶板离层、锚杆锚索载荷和煤岩体应力等，且通常分析其变化规律就可判断支架的工作状态、来压步距与强度等矿压参量，从而指导生产。

四、冲击地压应力控制理论实践

1.超前深孔顶板预裂爆破防冲击地压。某煤业集团公司跃进煤矿25110工作面采深较大，冲击地压现象明显，巷道变形较严重，掘进过程中有多次冲击地压显现。根据该工作面超前采动应力监测结果，确定工作面回风巷前方50m范围为一级冲击危险区。为此，2015年在跃进煤矿25110工作面回风巷330m处进行了现场断顶爆破试验，对爆破前后的应力及卸压效果通过钻孔应力计进行检验。爆破前后爆孔附近煤岩体应力变化如图1所示。随着爆破的进行，爆破产生的应力波和爆轰气体促使巷帮高应力向煤体深部转移的同时，爆孔附近的高应力得以释放，冲击危险降低。

图1爆破段附近钻孔应力变化

2.开切眼贯通动态应力控制防冲击地压。某煤矿223070工作面属于孤岛工作面，工作面2条巷道均与采空区相邻，开切眼掘进过程中在上覆岩层自重应力和多次采动应力叠加作用下，具有强冲击危险。为了对开切眼贯通期间冲击危险区进行划分并制定相应的防冲措施，采用数值模拟手段分析孤岛工作面开切眼贯通期间应力运移规律，随着开切眼上下端头不断地掘进，在原岩应力与采动应力的叠加作用下，两掘进工作面前端的实体煤内形成应力集中，且下掘进工作面前端的集中应力峰值与范围都明显大于上掘进工作面。当上下端头各掘进80m时，两掘进工作面的超前支承压力影响区合并叠加，应力峰值达50MPa左右，单位应力梯度达到30MPa，该应力已经超过煤岩的承载能力，容易发生冲击地压。根据应力控制理论，利用煤矿现有的监测设备和防冲技术措施，建立23070工作面开切眼贯通动态应力控制防冲技术体系，将开切眼掘进划分为初始期间、掘进期间和贯通期间3个阶段，根据现场煤岩体应力、能量和变形量的监测结果和现场冲击显现特征，动态调整上下掘进工作面的监测密度和预警阈值，通过对断顶爆破、上下端头掘进工作面注水和断底卸压爆破等卸压措施相关图223070工作面开切眼掘进期间微震能量分布参数和时空组合方式优化，顺利实现了开切眼贯通。

图223070工作面开切眼掘进期间微震能量分布

其中，2015年11月，23070工作面开切眼从掘进到贯通共耗时151d，这期间在开切眼附近共监测到343个不同等级的微震事件，按能量分布统计，如图2所示。由图2可知，能量主要为102～104J，多为小煤炮事件，说明上下开切眼煤岩体的高应力得到有效控制。

冲击地压导致煤岩体突然破坏是高应力作用的结果，应力控制理论的核心是控制煤岩体的应力分布状态和单位应力梯度。现场实践、数值模拟和相似模拟研究表明：冲击地压的发生是由于应力的变化所引起的，即冲击地压的防治是可以通过控制应力来实现的。在超前深孔顶板预裂爆破和开切眼贯通动态应力控制的防冲实践中，验证了可通过应力控制理论来实现冲击地压的有效防治。

参考文献：

[1]王旭辉，浅谈我国煤矿冲击地压应力控制理论与实践.2017.

[2]张明月.探讨冲击矿压防治的应力控制理论与实践.2017.