厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压机理及防治_刘伟建.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 近年来， 呼吉尔特矿区煤炭开采强度不断增大， 该矿区矿井生产借鉴神东矿区模式[1]， 工作面回采 巷道布置方式采用 “两进一回” ， 并留设 15～30 m 宽 厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压机理及防治 刘伟建 1， 马斌文2， 3 （1.中原工学院 建筑工程学院， 河南 郑州 450007； 2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院， 北京 100013； 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院） ， 北京 100013） 摘要 针对呼吉尔特矿区厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压现象， 通过现场实测和数值模拟， 分析了宽煤柱垂直应力分布特征， 通过理论分析， 揭示了宽煤柱发生冲击的结构条件； 基于冲击 地压 “三因素” 机理， 研究了宽煤柱诱发冲击地压机理 在侧向支承压力和工作面采动应力叠加 影响下， 具有冲击倾向性的宽煤柱应力高度集中， 当其达到极限强度发生卸载时， 由于煤柱体刚 度与顶板岩层刚度相近， 造成煤体运动速率很大， 呈现冲击地压显现。在此基础上， 提出了小煤 柱护巷和断顶爆破等措施降低煤柱应力、 采用大直径钻孔卸压和煤层注水等措施改变煤体刚度 的防治策略， 针对 311103 工作面提出了采取断顶爆破和大直径钻孔的组合防治方法， 宽煤柱应 力集中程度出现明显降低， 防治效果较为显著。 关键词 宽煤柱； 冲击地压； 诱冲机理； 煤柱体刚度； 防治策略 中图分类号 TD324文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0148-05 Mechanism and Prevention of Rock Burst Induced by Wide Coal Pillar in Thick Hard Coal Seam LIU Weijian1, MA Binwen2,3 （1.School of Architectural Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China;2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization （China Coal Research Institute） , Beijing 100013, China） Abstract Aiming at the phenomenon of rock burst induced by wide coal pillars in thick hard coal seam in Hujierte Mining Area, the distribution characteristics of vertical stress of wide coal pillar has been analyzed by means of field measurement and numerical simulation. The structural condition of rock burst induced by wide coal pillars has been revealed by means of theoretical analysis. Based on the “three factors”mechanism of rock burst, the rock burst mechanism of wide coal pillar are studied and the results are as follows accumulated lateral support stress and the advanced abutment stress of working face, the stress of the wide coal pillar is highly concentrated. When the ultimate strength of the coal is unloaded, the coal cylinder body is moving at a high rate due to the stiffness of the coal pillar and the stiffness of the roof rock. On this basis, the prevention strategies that reducing the stress of coal pillar, such as small coal pillar roadway protection and broken roof blasting measures, and reducing the stiffness of coal body, large diameter boreholes and coal seam water injection are proposed. The combined prevention s, broken roof blasting and large diameter boreholes, are proposed to reduce the stress concentration of wide coal pillar, and the control effect is more significant. Key words wide coal pillar; rock burst; induced rock burst mechanism; stiffness of coal body; prevention strategy DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.033 刘伟建， 马斌文.厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压机理及防治 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3 ） 148-152. LIU Weijian, MA Binwen. Mechanism and Prevention of Rock Burst Induced by Wide Coal Pillar in Thick Hard Coal Seam ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 148-152. 基金项目 河南省自然科学基金资助项目 （182300410161） ； 国家科 技重大专项资助项目 （2016ZX05045003- 006- 002） ； 煤炭科学技术 研究院有限公司基础研究基金资助项目 （2017JC06） 移动扫码阅读 148 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 煤柱护巷，开采过程中沿空一侧巷道出现不同程度 的煤柱型冲击地压[2-3]。例如， 门克庆煤矿回采期间， 沿空巷道多次发生冲击显现，造成巷道严重底鼓、 支护体大面积失效、煤体涌出等，出现类似情况还 有母杜柴登煤矿、 葫芦素煤矿等[4]。因此， 研究宽煤 柱诱发冲击地压机理对呼吉尔特矿区冲击地压防治 具有重要意义。 目前，我国学者对煤柱与冲击地压的关系做了 大量的研究工作。瞿孝昆[5]对上覆采空区遗留煤柱 诱发冲击地压机理进行了研究，基于上覆岩层空间 结构建立了煤柱体的应力计算模型，认为覆岩触矸 点传递应力与采空区侧向支承压力叠加是诱发冲击 的主要原因； 王涛[6]理论分析了坚硬悬顶下煤柱的 受力状态，揭示了临空侧巷道煤柱冲击地压成因和 受夹持煤体的冲击失稳过程，提出坚硬顶板深孔爆 破的冲击地压防治方法； 杨伟利[7]通过理论计算和 数值模拟得到遗留煤柱的垂直应力分布特征，建立 了遗留煤柱诱发冲击的力学模型，认为煤柱所示超 前支承压力和原有应力叠加造成冲击力大于阻抗 力， 从而诱发冲击； 王浩[8]基于应力偏量、 能量释放 速率等对煤岩冲击失稳判据进行了分析，认为开采 及矿震扰动引起的应力偏量、单位时间内煤岩系统 释放弹性能量与矿震应力波输入能量是冲击发生的 主要原因； 曹建涛[9]采用数值模拟和理论分析揭示 了急斜特厚煤层综放工作面覆层残留高阶段煤柱变 形失稳机理，认为覆层残留高阶段煤柱应力持续性 高度集中是诱发冲击的主要原因；以上研究分析了 不同赋存条件下煤柱与冲击地压的关系，但对于呼 吉尔特矿区厚硬冲击煤体条件下的宽煤柱应力分布 特征及诱冲机理未见相关报道。 呼吉尔特矿区煤层厚度大、整体性强且具有不 同程度的冲击倾向性， 以该矿区某矿 311103 工作面 宽煤柱诱发冲击地压为背景，基于齐庆新提出的冲 击地压 “三因素” 机理[10]， 考虑煤层及顶板岩层具有 冲击倾向性的特点，研究了宽煤柱应力分布特征， 揭示 “顶板-煤柱” 结构失稳诱发宽煤柱冲击机理， 在此基础上针对性地提出了冲击防治策略，以期为 该矿区类似宽煤柱诱发冲击地压的防治提供借鉴。 1工程背景 呼吉尔特矿区某矿 311103 工作面长度 260 m， 沿南北方向推进，采用走向长壁综采一次采全高采 煤法， 顶板处理方式为全部垮落法。311103 工作面 布置平面图如图 1， 该工作面与相邻采空区存在 30 m 宽煤柱， 煤层埋深 660 m， 平均厚度 5.5 m， 倾角 1.5， 单轴抗压强度为 22.66 MPa， 冲击能量指数为 4.45， 弹性能量指数 4.53， 动态破坏时间为 125 ms； 煤层上覆厚度为 7.62 m 和 15.03 m 的砂质泥岩与 中粒砂岩， 单轴抗压强度分别为 33.35 MPa 和 34.91 MPa。该工作面回采期间， 沿空回风巷先后发生了 7 次较严重的冲击地压显现，最典型的 1 起发生于 2016 年 9 月 16 日，冲击造成回风巷超前 400 m 范 围内煤柱体一侧发生瞬间变形，空气突然压缩形成 冲击波吹倒现场施工人员，部分区域煤柱一侧煤体 喷出、 帮鼓严重、 锚网支护失效等。 2宽煤柱诱发冲击地压机理 冲击地压 “三因素” 机理认为， 煤岩体只有同时 满足内在条件、 应力条件及结构条件时， 冲击地压才 会发生。经鉴定，该工作面所采煤层及其顶板均具 有弱冲击倾向性，宽煤柱满足了冲击地压发生的内 在条件，但其还需满足一定的应力条件和结构条 件，才会形成冲击地压。下面对宽煤柱的应力分布 特征及结构特征进行分析。 2.1宽煤柱垂直应力分布特征 采用煤体应力在线监测系统对工作面区段宽煤 柱监测， 应力计布置如图 2， 每组应力计布置 9 个测 点， 间距 2 m， 安装深度 4～23 m。 图 1311103 工作面布置平面图 Fig.1The plane layout of working face 311103 图 2宽煤柱应力监测布置方案 Fig.2The scheme of stress monitoring of wide coal pillar 149 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 分析宽煤柱应力监测数据，得到邻近工作面采 动影响下宽煤柱侧向应力分布曲线与 311103 工作 面采动影响下的煤柱侧向应力分布曲线 （图 3 ） 。已 有研究认为[11]， 煤体所受垂直应力大于其单轴抗压 强度 1.5 倍时， 具有发生冲击的可能， 据此计算该区 段煤柱发生冲击的垂直应力临界值为 33.99 MPa。 由图 3 可知，当邻近工作面回采后，区段煤柱内的 垂直应力均低于临界值，此时煤柱体不具有冲击危 险； 在 311103 工作面采动应力作用下， 煤柱体所受 垂直应力大幅提升， 并在距离回风巷煤壁 6.58～8.84 m 和 14.0～18.85 m 的区域高于冲击临界值， 表明宽 煤柱中 2 部分应力集中区域具有冲击危险，尤其是 浅部危险区域， 距离巷道表面仅有 6.58 m。 通过对宽煤柱应力实测分析，在邻近工作面采 动影响下，煤柱受侧向支承压力影响，不具有冲击 危险；在本工作面采动影响下，宽煤柱所受超前支 承压力与侧向支承压力相叠加，使得煤柱部分应力 集中区域高于冲击危险临界值，具有冲击危险； 由 于冲击危险区域距离巷道表面较近，冲击危险程度 更大。 2.2“顶板-煤柱” 结构特征 宽煤柱高应力集中是诱发冲击的必要条件， 只 有同时满足煤岩体的结构条件时，冲击地压才会发 生。考虑顶板岩层与冲击厚煤层宽煤柱两者间的相 互作用机制， 将顶板与宽煤柱看成 “顶板-煤柱” 结 构整体， 分析高应力作用下的 “顶板-煤柱” 结构冲 击失稳机理。 设煤柱体与顶板岩层均为弹性体， 建立 的 “顶板-煤柱” 力学模型如图 4。 上覆岩层对 “顶板-煤柱” 结构的作用力为 p； 设 其作用下顶板岩层位移为 wr， 宽煤柱位移为 wc，“顶 板-煤柱” 结构整体位移为 wt， 则 wtwcwr（1 ） 对时间 t 求导得 dwt dt dwc dt dwr dt （2） 设宽煤柱在顶板岩层作用下的力-位移关系为 pφ （wc） ， 则顶板岩层位移为 wr φ （wc） Kr ， 其中 Kr为 顶板岩层刚度。 由式 （1 ） 和式 （2） 可知， dwt dt dwc dt 1 Kr dφ （wc） dwc dwc dt （3 ） w′c＝ Kr KrKc w′t（4） 式中 Kc为宽煤柱体刚度； w′c、 w′t分别为煤体和 顶板岩层的变形速率。 顶板岩层强度通常大于煤体强度，在采动应力 作用下， 当 “顶板-煤柱” 结构中煤体达到极限强度 发生卸载时， 其刚度 Kc为负值。 由式 （4） 可知， 当顶板岩层刚度与煤柱体刚度相 近时， 即 Kc Kr -1， 则 w′c w′t ∞， 煤体变形速率 w′c很大， 其表征煤柱体的冲击破坏。 根据该工作面现场条件， 煤柱体高度 hc5.6 m， 宽度 lc30.0 m， 煤体弹性模量 Ec3.47 GPa； 顶板岩 层厚度 hr7.62 m， 弹性模量 Er5.47 GPa； 根据刚度 的计算公式[12] K El h （5 ） 式中 K 为煤柱刚度， N/M； E 为煤体弹性模量， GPa； l 为煤柱宽度， m； h 为煤柱高度， m。 得到卸载时 “顶板-煤柱” 结构中宽煤柱体与顶 板岩层刚度比 Kc Kr -0.86； 可见， 宽煤柱体与顶板岩层 刚度相近。 通过对宽煤柱所受垂直应力分布特征进行分 析， 认为其满足了发生冲击的应力条件； 在高应力作 图 3宽煤柱垂直应力分布曲线 Fig.3The distribution curves of vertical stress of wide coal pillar 图 4“顶板-煤柱” 结构 Fig.4The structure model of“roof-coal pillar” 150 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 用下， 一旦 “顶板-煤柱” 结构中煤体达到极限强度 发生卸载，由于两者刚度相近，破坏的煤体以很大 的速率抛出， 宽煤柱冲击地压随之发生。 3宽煤柱诱发冲击地压防治技术 基于上述宽煤柱诱发冲击地压发生机理，可以 从降低煤柱应力和改变煤柱刚度 2 个途径来防治宽 煤柱诱发冲击，建立的宽煤柱冲击地压防治策略如 图 5。 3.1降低煤柱体应力 煤体所受应力达到一定程度，超过其强度极限 发生破坏时，冲击地压才有可能发生。煤体所受的 应力越小， 宽煤柱诱发冲击的可能性就越小。 研究表明[13]， 采用小煤柱护巷时， 上覆厚硬岩层 断裂线向实体煤一侧移动，引起实体煤一侧应力显 著升高，使煤柱体处于低应力区，破坏了其发生冲 击的应力条件， 避免了宽煤柱体诱发的冲击危险。 宽煤柱一旦形成， 可以采用断顶爆破、 水力压裂 等顶板弱化措施，破坏厚硬岩层的完整性，切断宽 煤柱上覆岩层悬臂梁结构，降低宽煤柱体的应力水 平， 从而防治宽煤柱诱发冲击地压。 3.2改变煤柱体刚度 通过对宽煤柱采用大直径钻孔卸压、钻孔注水 等措施，改变煤体力学性质及煤柱体刚度，使其在 采动应力作用下发生卸载时的刚度与顶板岩层刚度 相适应，使得煤柱体破坏时运动速率不过大，从而 控制宽煤柱冲击地压的发生。 4工程实践 4.1防治方案 基于对宽煤柱诱发冲击机理及防治策略的分 析，针对 311103 工作面 30 m 宽煤柱的高应力集中 及煤柱体刚度与顶板岩层刚度相近，提出采用断顶 爆破措施以减小煤体应力集中程度、大直径钻孔卸 压以改变煤柱体刚度的组合防治方法。 1） 断顶爆破。钻孔布置于工作面回风巷非生产 帮一侧， 与煤壁夹角 60， 钻孔仰角 50， 钻孔直径φ75 mm， 钻孔长度 35 m， 装药量 27 kg， 装药长度 13.5 m， 封孔长度 20 m， 采用连续正向装药， 单孔起爆。 2） 大直径钻孔卸压。 在受 311103 工作面采动影 响前， 对 30 m 宽煤柱采用大直径钻孔卸压， 钻孔垂 直于煤壁， 布置方式采用 “三花眼” ， 间排距 1.5 m 0.6 m， 孔径 150 mm， 孔深 20 m。 4.2效果分析 对工作面回风巷已卸压区域的煤柱进行应力监 测，宽煤柱中某一钻孔应力计的相对垂直应力变化 曲线如图 6。随着工作面的推进，煤体应力缓慢上 升， 并在距离工作面 29 m 处达到最大值， 整个过程 并未超过冲击地压黄色预警值和冲击危险预警值， 即未出现冲击危险预警。可见，采取上述组合防治 方法后，宽煤柱应力集中程度出现明显降低，保证 了 311103 工作面安全回采， 防治效果较为显著。 5结论 1） 采用现场实测与数值模拟方法分析了宽煤柱 应力分布特征， 揭示了 “顶板-煤柱” 结构达到强度 极限时发生冲击的条件， 基于冲击地压 “三因素” 机 理，得出高度应力集中的具有冲击倾向性的煤岩 体， 当煤柱体刚度与顶板岩层刚度相近时， 宽煤柱就 会诱发冲击。 2） 通过降低煤柱应力和改变煤柱刚度 2 个途径 来防治宽煤柱诱发冲击，提出了小煤柱护巷和断顶 图 5宽煤柱诱发冲击防治策略 Fig.5The prevention strategy of rock burst induced by wide coal pillar 图 6宽煤柱相对垂直应力变化曲线 Fig.6The distribution curve of relatively vertical stress of wide coal pillar 151 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 爆破等措施降低煤柱应力、采用大直径钻孔卸压和 煤层注水等措施改变煤体刚度的防治策略。 3） 通过在工作面宽煤柱采取断顶爆破和大直径 钻孔的组合防治方法，根据应力监测结果，宽煤柱 应力集中程度出现明显降低， 保证了 311103 工作面 安全回采， 防治效果较为显著。 参考文献 ［1］ 吴祥业.神东矿区重复采动巷道塑性区演化规律及稳 定控制 ［D］ .北京 中国矿业大学 （北京） ， 2018. ［2］ 齐庆新， 欧阳振华， 赵善坤， 等.我国冲击地压矿井类 型及防治方法研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2014， 42 （10） 1-5. ［3］ 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） 1169-1173. ［4］ 吕涛， 陈运， 闫振斌.蒙陕地区冲击地压防治策略探讨 ［J］ .煤炭工程， 2018， 50 （6） 105-107. ［5］ 瞿孝昆， 姜福兴， 王慧涛， 等.采空区煤柱失稳诱发下 煤层冲击机理研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2017， 34 （6） 1134-1140. ［6］ 王涛， 由爽， 裴峰， 等.坚硬顶板条件下临空煤柱失稳 机制与防治技术 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2017， 34 （1） 54-59. ［7］ 杨伟利， 姜福兴， 温经林， 等.遗留煤柱诱发冲击地压 机理及其防治技术研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2014， 31 （6） 876-880. ［8］ 王浩， 赵毅鑫， 牟宗龙， 等.矿震扰动下采区煤柱应力 偏量集中区诱冲机制及防治方法 ［J］ .中国矿业大学 学报， 2017， 46 （6） 1202-1210. ［9］ 曹建涛， 来兴平， 闫瑞兵.急斜煤层残留高阶段煤柱动 力失稳机理研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2018， 35 （1） 133-139. ［10］ 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. ［11］ 刘金海， 姜福兴， 王乃国， 等.深井特厚煤层综放工作 面区段煤柱合理宽度研究 ［J］ .岩石力学与工程学 报， 2012， 31 （5） 921-927. ［12］ 耶格， 库克.岩石力学基础 ［M］ .北京 科学出版社， 1981. ［13]张俊文， 刘畅， 李玉琳， 等.错层位沿空巷道围岩结构 及其卸让压原理 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （8） 2133. 作者简介 刘伟建 （1977） ， 男， 山东荷泽人， 讲师， 博 士， 从事煤矿动力灾害防治方面的研究工作。 （收稿日期 2019-04-04； 责任编辑 陈洋） ［3］ 齐更亮， 路拴成.浅谈液态二氧化碳在防治采空区煤 炭自燃中的应用 ［J］ .煤矿现代化， 2009， 34 （6 ） 42-43. ［4］ 焦根善.液态二氧化碳灭火技术在矿井灭火中的应用 ［J］ .陕西煤炭， 2011， 30 （3） 85-87. ［5］ 姚宏章， 刘贵成， 董旗， 等.液态 CO2惰性灭火装置的 研制与应用 ［J］ .中州煤炭， 2010 （3） 17-18. ［6］ 徐瑞， 李增华， 刘震， 等.许疃煤矿采空区自燃 “三带” 范围的确定 ［J］ .煤矿安全， 2011， 42 （8） 115-118. ［7］ 智国军， 贺艳军.李家壕煤矿软弱复合顶板稳定性研 究 ［J］ .煤炭与化工， 2018， 41 （1） 34-37. ［8］ 廉王龙.基于无线技术的电缆测温装置研究 ［J］ .能源 技术与管理， 2017， 9 （6） 190-192. ［9］ 贾松磊.白皎矿近距离煤层群开采煤层自燃火灾防治 技术研究 ［D］ .西安 西安科技大学， 2010. ［10］ 戴君健.液态 CO2防治煤自燃过程的实验研究 ［D］ . 西安 西安科技大学， 2017. ［11］ 关欣杰.采空区开放式注液态 CO2防灭火技术研究 ［D］ .西安 西安科技大学， 2016. 作者简介 徐明亮 （1981） ， 男， 辽宁抚顺人， 助理研究 员， 硕士， 2012 年毕业于内蒙古科技大学， 主要从事煤矿通 风防灭火技术方面的研究工作， 已发表论文数篇。 （收稿日期 2019-01-24； 责任编辑 陈洋） （上接第 147 页） 152 ChaoXing