煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究.pdf

第 31 卷第 6 期 岩 土 力 学 Vol.31 No. 6 2010 年 6 月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2010 收稿日期2009-10-23 基金项目国家重点基础研究973专项项目（No. 2005CB221504，No. 2010CB226805） ；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研 究基金资助项目（No. 09KF08） ；河南省教育厅自然科学研究计划项目（No. 2010A440003）。 第一作者简介徐学锋，男，1978 年生，博士研究生，主要从事冲击矿压防治方面的研究工作。E-mail hpuxxf 文章编号文章编号1000－7598 2010 06－1977－06 煤矿巷道煤矿巷道底板冲击矿压发生底板冲击矿压发生的的原因原因及及控制研究控制研究 徐学锋 1, 2, 3，窦林名1, 2，刘 军4，崔晓晖4，张银亮4，姚喜渊4 （1. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008； 3. 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；4. 义马煤业集团 跃进煤矿，河南 义马 472300） 摘摘 要要巷道底板水平应力是导致底板冲击矿压发生的主要因素，根据巷道底板冲击矿压的特点，建立了底板冲击矿压发生 条件与影响因素的力学模型，初步确定了底板冲击矿压危险性系数的表达式。当底板岩层泊松比一定时，底板冲击矿压危险 性系数与巷道埋深、巷道宽度的平方、水平构造应力、巨厚坚硬老顶影响系数成正比，与弹性模量、巷道底板软弱层厚度的 平方成反比。通过数值模拟，发现巷道开挖后底板煤层的水平应力升高和垂直应力降低的规律，底板应力极易达到煤层破坏 极限，在支护不当和外界扰动下容易发生底板冲击矿压。最后确定了底板强度弱化减冲原理，在跃进煤矿 25110 工作面下巷 采取底板爆破卸压措施后取得了良好效果。研究成果为解决类似条件底板冲击矿压防治问题提供了理论依据和借鉴。 关关 键键 词词底板冲击矿压；水平应力；底板冲击矿压危险性系数；数值模拟；底板爆破卸压 中图分类号中图分类号TU 451 文献标识码文献标识码A Research of reasons and controlling for floor burst in coal mine roadway XU Xue-feng1, 2, 3，DOU Lin-ming1, 2，LIU Jun4，CUI Xiao-hui4，ZHANG Yin-liang4，YAO Xi-yuan4 （1. State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety, China University of Mining 2. School of Mines, China University of Mining 3. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China; 4. Yuejin Coal Mine of Yima Coal Mining Group, Yima, Henan 472300, China） Abstract The horizontal stress in the floor of roadway plays an important role in floor burst. According to the theory and characteristics of floor burst, a mechanical model is set up; and the dangerous coefficient of floor burst is also initially given. The research results show that the dangerous coefficient of floor burst is directly proportional to the depth, the horizontal tectonic stress , the square of width of roadway and the coefficient of hard roof abutment pressure, and inversely proportional to the elastic modulus of rock and the square of the thickness of soft rock of floor when the Poisson’s ratio is invariable. Through numerical simulation, the distribution laws of horizontal stress rising and vertical stress reducing in the floor are found out. When the stress is more than the breaking point of the floor coal seam, floor burst will happen with the influence of blast firing or roof breaking quickly. According to the research, the intensity weakening theory for floor burst is established. The measure of blasting for stress-relief in the floor is applied to the haulage gateway of 25110 coal face in Yuejin Coal Mine, and has gained good effect. The study conclusions provide theoretical foundation and ways for floor burst prevention in similar conditions. Key words floor burst; horizontal stress; dangerous coefficient of floor burst; numerical simulation; blasting for stress-relief in floor 1 引 言 根据发生的位置不同，煤矿冲击矿压分为顶板 冲击和底板冲击[1]。在冲击矿压机制研究方面，目 前对顶板冲击矿压的研究较为深入[2 －3]，有些矿井 在掘进和回采过程中，底板发生冲击矿压的现象也 十分严重。文献[4－9]对巷道底板失稳破坏及底板 冲击矿压进行了相关研究。由于底板冲击矿压的原 因十分复杂，破坏程度大，不同矿井发生的原因不 尽相同，所以对其发生机制的研究显得十分必要。 本文在分析巷道底板冲击矿压特点的基础上，建立 底板冲击矿压发生条件与影响因素的力学模型，并 通过数值模拟方法，研究底板冲击矿压发生的原因 及条件，在此基础上提出底板减冲原理，并进行现 场工业性试验，为解决底板冲击矿压防治问题提供 依据。 岩 土 力 学 2010 年 2 底板冲击矿压的特点 底板型冲击矿压是在矿山采动或采掘面扰动下 诱发底板煤岩层变形能的瞬时释放，表现为底板煤 岩层突然向上突出，引起采掘空间围岩、设备破坏 的冲击矿压灾害。根据现场多个矿井的冲击矿压事 故研究，在留有底煤的采场，冲击矿压发生时，以 底鼓和煤岩压入采场空间为主要显现特征[10]。冲击 矿压发生条件， 一般煤层应具有冲击倾向性， 所以， 发生冲击的巷道底板应具有冲击倾向性的煤或岩 层。根据统计资料分析结果，大部分表现为底板冲 击的巷道一般是在开采上分层或厚煤层开采将巷道 沿顶板布置留底煤时，在没有对底板采取卸压措施 和合理支护时发生，如义马煤田跃进煤矿、千秋煤 矿、甘肃华亭煤矿等。 3 底板冲击矿压发生的力学模型 冲击矿压发生最主要的因素是冲击地点存在高 应力集中，从而蓄积了大量变形能。底板冲击矿压 的直接能量来源为底板的应力，研究底板冲击矿压 的机制必须掌握底板煤岩层的应力分布规律。根据 研究成果，在原岩应力作用下开挖巷道，引起巷道 应力重新分布，垂直应力向两帮转移，水平应力向 顶、底板中转移，因而垂直应力的影响主要显现于 两帮煤体，而水平应力的影响则主要显现于顶、底 板煤岩层[11]。所以，底板水平应力对底板冲击矿压 的发生起着决定性作用。另外，研究底板冲击矿压 规律不能只考虑底板煤层的局部范围，必须同时考 虑煤层埋藏深度、构造应力分布、上覆岩层及采空 区等影响因素的大环境。本节研究内容就是从水平 应力控制底板破坏的原理出发，建立底板破坏条件 与影响因素的力学模型。 3.1 底板应力计算模型底板应力计算模型 巷道煤柱上的载荷，是由煤柱上覆岩层重量及 煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部 分重量所引起[12]，这里也按此原理估算矩形巷道煤 柱底板处的载荷。计算模型如图 1 所示。 单位长度煤柱上的总载荷为 1r1m 2 B PBHB D     （1） 式中B1为煤柱压力承载范围（m） ；B 为巷道的宽 度（m） ；D 为巷道高度（m） ；H 为巷道顶板距离地 表的高度（m） ； r 为巷道上覆岩层的平均重度 （N/m3） ； m 为煤层的重度（N/m3） 。 图图 1 底板应力计算模型底板应力计算模型 Fig.1 Calculation model of stress in the floor 在煤层开采过程中形成采空区，部分坚硬老顶 不能完全垮落，使邻近巷道煤柱或煤岩层中的垂直 应力升高，垂直应力按下式计算 1r1m 1 1 2 y B BHB D K B        （2） 式中K1为坚硬老顶支承压力影响系数，这个支承 压力实际会对底板岩层的泊松比产生影响（这里不 考虑泊松比的变化） ，如果掘进巷道为初始工作面， K1 1；若相邻面为已经回采的工作面采空区，但老 顶完全垮落，K1 1；若相邻面为已经回采的工作面 采空区，但老顶未完全垮落，并对本工作面产生影 响，K1 1。 3.2 底板底板水平应力计算水平应力计算 在均匀岩体内，岩体的自重应力状态下，水平 应力为[12] xy  （3） 式中为侧压系数， 1      ，当考虑到水平构 造应力影响时，假设泊松比不变，水平应力计算为 2 1 xy K      （4） 式中K2为水平构造应力影响系数。岩体处于静水 压力，K2 1；如根据地应力测量，存在较大水平构 造应力，K2 1。 根据式（2）～（4）巷道底板水平应力计算为 1r1m 12 1 2 1 x B BHB D K K B        （5） 3.3 底板发生破坏的条件底板发生破坏的条件 底板岩层在轴向力及自重作用下，使底板岩梁 达到屈曲时的最小轴向应力 Ncr为[13] H N N B D B1 B1 1978 第6期 徐学锋等煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究 2 cr 2 π EJ N B  （6） 式中E 为底板岩层的弹性模量；B 为巷道的宽度 （m） ；J 为取底板为梁时横截面的惯性矩。假设底 板梁长度为 b，厚度为 h，则 3 12 bh J  ，这里取梁为 单位长度，则惯性矩 3 12 h J  。 研究表明[13]， 当巷道底板岩层所受轴向应力 N ≥ 0.8Ncr时，产生明显底鼓、破裂现象。 底板岩层所受的轴向力 N 为 1r1m 12 1 2 1 B BHB D NhK K B          （7） 则巷道底板岩层发生破坏的条件为 23 12rm 2 1 π 10.8 1212 BEh hK KHD BB          ≥ （8） 式中 m D的值较小，可以忽略不计，两边消去 h， 为便于分析，引入底板冲击矿压危险性系数 Kfb 2 12r 1 fb 22 115 12 π B K KHB B K Eh          （9） 考虑主要因素，简化后的表达式为 2 fb12r 2 B KK KKH Eh  （10） 式中 K 为系数， 1 2 15 1 2 π B B K     ， 一般 K 取 1.60～ 1.72。 当 Kfb ≥1 时，巷道底板岩层发生破坏。 从上式可以看出，巷道底板发生破坏与巷道底 板破坏和巷道埋深、巷道宽度、巷道底板软弱层结 构厚度、底板岩层的弹性模量、泊松比、水平构造 应力及巨厚坚硬老顶等因素有关。当底板岩层泊松 比一定时，底板冲击矿压危险性系数与巷道埋深、 巷道宽度的平方、水平构造应力、巨厚坚硬老顶影 响系数成正比，与弹性模量、巷道底板软弱层厚度 的平方成反比。 底板冲击矿压危险性系数Kfb ≥1时， 当巷道受采矿活动或放炮等震源产生的冲击震动波 的传播和扰动[14]及坚硬老顶突然垮落产生的震动 等因素影响下容易发生冲击矿压。 4 底板应力分布规律 底板应力是决定底板煤层破坏的原因，为了研 究巷道底板的应力分布规律， 进行了数值模拟研究。 数值模拟的模型在式（10）的基础上，考虑了巷道 埋深、采空区上方巨厚坚硬老顶、水平构造应力等 影响。 4.1 数值模拟数值模拟模型的建立模型的建立 跃进煤矿工作面回采巷道和掘进工作面发生了 多次严重的底板冲击矿压，其中，23130 工作面下 巷在掘进过程中发生了多次底板冲击矿压事故。本 次数值模拟以此掘进工作面的地质条件和邻近工作 面的开采条件为研究基础，并结合力学模型分析发 生底板冲击矿压的原因。 模拟采用 FLAC2D有限差分数值模拟软件，模 拟的地质条件为地面标高为550 m，巷道埋深为 875 m，煤层厚度为 8 m，煤层直接顶为 20 m厚泥 岩，以上的顶板为 40 m左右泥岩、粉砂岩、煤层， 老顶为 180～550 m的巨厚砾岩。 23130 工作面下区 段为实体煤，上区段为两个工作面的采空区、孤岛 工作面和采空区及煤体。23130 工作面上顺槽沿底 板布置在上区段采空区下部，下顺槽沿顶板布置。 模型长 1 328 m，高为 520 m，巷道宽 4 m，高 3 m， 各工作面长度、煤层厚度及顶底板岩性、厚度等相 关物理和力学参数以实际地质条件为基础，水平构 造应力和垂直应力取相同数值。为了研究方便，并 取得研究成果的一般性规律，研究中煤层倾角按 0考虑，数值模拟模型如图 2 所示。 图图 2 数值模拟模型数值模拟模型 Fig.2 Numerical simulation model 4.2 底板应力分布规律及冲击底板应力分布规律及冲击矿压的矿压的原因原因 如果不受邻近工作面采空区上方老顶的影响， 下巷煤层中的平均垂直应力为 22.40 MPa。考虑邻 近工作面采空区上方老顶的影响时，巷道围岩中的 垂直应力和水平应力分布如图 3、 4 所示。 距离巷道 底板 3.5 m处的水平应力和垂直应力分布规律如图 5 所示。 1979 岩 土 力 学 2010 年 图图 3 巷道围岩垂直应力分布云图巷道围岩垂直应力分布云图（（单位单位 Pa）） Fig.3  yy -stresses nephogram around the roadway unit Pa 图图 4 巷道围岩水平应力分布云图巷道围岩水平应力分布云图（（单位单位 Pa）） Fig.4   xx -stresses nephogram around the roadway unit Pa -20 -10 0 10 20 30 40 04812 16202428 32 3640 44 距离/m 应力/MPa 水平应力 垂直应力 应力差 图图 5 巷道底板应力分布规律巷道底板应力分布规律 Fig.5 Stress distribution in the floor 从图中可以看出，巷道底板煤层的垂直应力降 低和水平应力升高的分布规律，底板垂直应力最小 值为 12.12 MPa，巷道底板水平应力最大值为 33.56 MPa，水平应力与垂直应力最大应力差值为 21.44 MPa。 由于采空区老顶支承压力、水平构造应力、两 帮垂直应力等因素造成底板水平应力高度集中，极 易达到煤层破坏极限，并蓄积大量变形能，在底板 支护不当，没有采取防冲措施的情况下，容易发生 底板冲击矿压。 5 底板冲击矿压的减冲原理 对有冲击矿压危险的区域，应采取解危治理措 施。根据底板冲击矿压危险性系数的分析，跃进煤 矿采深大（800～1 000 m） ，这是冲击矿压发生的重 要因素，巨厚坚硬的砾岩形成大支承压力也是冲击 矿压发生的重要影响因素，下巷一般布置在顶板， 底板为强度小且具有冲击倾向性的煤，在巷道掘进 过程中底板煤层受到扰动产生很多次生裂隙，在支 护不当并受扰动情况下，容易发生底板冲击矿压事 故。 在满足安全规程的原则下，一般应尽可能减小 巷道宽度。当巷道宽度一定时，最大的影响因素是 采深、水平应力和底板煤层结构，巷道埋深是无法 改变的，对于底板冲击矿压治理的关键是减小底板 水平应力，对底板采取适当的支护措施。 底板高水平应力是冲击矿压发生的力源，弱化 底板的煤岩体、释放底板的能量是解决底板冲击矿 压的直接有效的途径。根据数值模拟结果，在巷道 宽度范围内，对距离巷道底板 4～5 m 厚度范围的 煤层进行强度弱化，弹性模量降为原来的 20，剪 切模量降为原来的 50，强度弱化后水平应力分布 见图 6，底板煤层中水平应力、垂直应力的分布规 律见图 7。 图图 6 底板煤层弱化后水平应力分布底板煤层弱化后水平应力分布（（单位单位 Pa）） Fig.6   xx -stresses nephogram around the roadway after intensity weakening in the floor unit Pa -20 -10 0 10 20 30 40 19172533 41 49 57 65 73 8189 距离/m 应力/MPa 水平应力 垂直应力 应力差 图图 7 底板强度弱化后底板应力分布规律底板强度弱化后底板应力分布规律 Fig.7 Stress distribution after intensity weakening in the floor 从图中可以看出， 与图 4 相比，煤层底板的水平 应力集中情况基本消失， 最大水平应力为 26.71 MPa， -4.00107 -3.60107 -3.20107 -2.80107 -2.40107 -2.00107 -1.60107 -1.20107 -8.00106 垂直应力 水平应力 -3.20107 -2.80107 -2.40107 -2.00107 -1.60107 -1.20107 -8.00106 水平应力 -3.20107 -2.80107 -2.40107 -2.00107 -1.60107 -1.20107 -8.00106 1980 第6期 徐学锋等煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究 相应位置的最小垂直应力为 13.10 MPa，应力差为 13.81 MPa，基本消除了冲击危险。 从研究结果来看，对底板煤层进行强度弱化能 直接降低煤层中的水平应力，大大降低底板的冲击 危险性，效果很明显。实际生产中可以采取两帮和 底板同时弱化的措施。 6 底板冲击矿压控制的工程实践 （1）底板爆破卸压措施 巷道底板冲击矿压的直接因素是底板煤层中的 高水平应力，根据底板减冲原理，必须对底板的煤 层进行强度弱化，降低水平应力，释放底板煤层中 的变形能。跃进煤矿在类似条件下的 25110 下巷采 取了底板爆破卸压的工业性试验。巷道掘进采用爆 破法台阶式施工，巷道掘进中在掘进迎头下侧底板 中部，沿走向在底板下方打眼，钻孔与水平面夹角 为 17，钻孔长为 10 m，装药 5.4 kg，封孔为 4 m， 钻孔布置见图 8，钻孔走向间距为 5 m。底板爆破 和两帮卸压爆破同时进行，随巷道掘进每天进行一 次。 图图 8 底板爆破卸压钻孔布置底板爆破卸压钻孔布置 Fig.8 Drilling pattern of blasting for stress-relief in the floor （2）效果分析 底板采取卸压措施后， 底板煤层发生缓慢底鼓， 说明底板煤层弱化后，变形能得到提前释放，煤层 失去冲击能力。25110 工作面下巷自 2009 年 6～9 月初掘进 140 m曾发生两次底板冲击矿压，采取底 板爆破卸压措施后，9 月和 10 月安全掘进 300 m， 说明底板爆破卸压的防冲措施是十分有效的。 7 结 论 （1）研究了巷道底板冲击矿压发生的特点，在 冲击矿压危险的矿井，巷道有底煤，在支护不当且 没有采取底板防冲措施时， 容易发生底板冲击矿压。 （2）建立了巷道底板冲击矿压发生条件与其影 响因素的力学模型，提出底板冲击矿压危险系数的 概念，当底板岩层泊松比一定时，底板冲击矿压危 险性系数与巷道埋深、巷道宽度的平方、水平构造 应力、 巨厚坚硬老顶影响系数成正比， 与弹性模量、 巷道底板软弱层厚度的平方成反比。底板冲击矿压 危险性系数 Kfb ≥1 时， 当巷道在受采矿活动或放炮 等震源产生的冲击震动波的传播和扰动及坚硬老顶 突然垮落产生的震动等因素影响下极易发生底板冲 击矿压。 （3）根据数值模拟的研究结果，巷道开挖后底 板水平应力升高、垂直应力降低，底板应力容易达 到煤层破坏的强度极限，在扰动因素影响下容易发 生底板冲击矿压。 （4）通过数值模拟对巷道底板煤层进行强度弱 化，可大大降低水平应力集中的情况，消除底板冲 击矿压的力源。现场工程实践也证明对底板煤层 进行爆破，使煤体强度弱化后，底板煤层发生了缓 慢底鼓，能量释放，有效地减小了冲击危险性。研 究成果为类似矿井的冲击矿压防治提供了有益的借 鉴。 参参 考考 文文 献献 [1] 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 10－11. 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Rock and Soil Mechanics, 2008, 292 359－364. 岩土力学岩土力学2009 年第年第 12 期被期被 EI 收录论文收录论文（（55 篇篇，，收录率收录率 100））1 序号 论文题名 作者 页码 1 能源储备地下库群稳定性与连锁破坏分析 杨 强，刘耀儒，冷旷代，等 3553－3561 2 循环加、卸载下盐岩变形特性试验研究 杨春和，马洪岭，刘建锋 3562－3568 3 应力损伤盐岩的声波、溶解试验研究 姜德义，陈 结，刘建平，等 3569－3573 4 金坛盐岩储气库运营模型试验研究 戴永浩，陈卫忠，杨春和，等 3574－3580 5 盐岩油气储库介质地质力学模型相似材料的研制 张强勇，刘德军，贾 超，等 3581－3586 6 应力-温度对低渗透介质渗透率影响研究 杨建平，陈卫忠，田洪铭，等 3587－3594 7 盐穴储气库破坏后地表沉陷规律数值模拟研究 任 松，姜德义，杨春和 3595－3601 8 盐岩储气库注气排卤期剩余可排卤水分析 陈 锋，杨海军，杨春和 3602－3606 9 泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数辨识 贾善坡，陈卫忠，于洪丹，等 3607－3614 10 盐穴储气库水溶造腔夹层垮塌力学机制研究 施锡林，李银平，杨春和，等 3615－3620 11 盐岩地下储气库风险分级机制初探 贾 超，张强勇，张 宁，等 3621－3626 12 盐岩地下储气库泥岩夹层分布与组构特性研究 刘艳辉，李 晓，李守定，等 3627－3632 13 盐岩储气库温度-渗流-应力-损伤耦合模型研究 谭贤君，陈卫忠，杨建平，等 3633－3641 14 岩溶突水治理浆材的试验研究 李利平，李术才，崔金声 3642－3648 15 粗粒含量对散体岩土颗粒破碎及强度特性试验研究 王光进，杨春和，张 超，等 3649－3654 16 矿井突水水源判别的多组逐步 Bayes 判别方法研究 陈红江，李夕兵，刘爱华 3655－3659 17 一种盐岩相似材料的试验研究 刘建平，姜德义，陈 结，等 3660－3664 18 超饱和含水率和温度对冻结砂土强度的影响 赖远明，张 耀，张淑娟，等 3665－3670 19 岩石失稳破裂的综合刚度和综合能量准则 潘 岳，王志强，李爱武 3671－3676 20 荷载作用引起砂土渗透性变化的试验研究 付宏渊，吴胜军，王桂尧 3677－3681 21 关于弹性力学半无限问题的注记 黄耀英，王润富，吴中如 3682－3688 22 三轴压缩条件下裂隙性黄土的破坏特征 卢全中，葛修润，彭建兵，等 3689－3694 23 基于弹性地基梁理论的土工格室加筋体变形分析 赵明华，张 玲，曹文贵，等 3695－3699 24 基于 P-R 相关性研究的岩石地基承载力优化取值 李维树，黄志鹏，周火明，等 3700－3704 25 砂砾土各级颗粒的管涌临界坡降研究 毛昶熙，段祥宝，吴良骥 3705－3709 26 Whitcombe 扩展弹性波阻抗公式的改进 苑春方，彭苏萍，吕 焱，等 3710－3714 27 煤岩力学特性及其工程应用研究 关伶俐，田洪铭，陈卫忠 3715－3719 28 考虑主应力方向变化的原状软黏土应力应变性状试验研究 沈 扬，周 建，龚晓南，等 3720－3726 （未完，见第1988页） 1982