开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析.pdf

第 37 卷增刊 2 岩 土 力 学 Vol.37 Supp.2 2016 年 10 月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2016 收稿日期2016-04-29 基金项目国家自然科学基金（No. 51274087, 51274089） ；河南省科技攻关项目（No. 152102210315） ；深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合 工程实验室开放基金资助（No. G201610）。 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China 51274087, 51274089, funded by the Science and Technology Project of Henan Province 152102210315, and funded by the Research Fund of State and Local Joint Engineering Laboratory for Gas Drainage 2. 河南理工大学 深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室，河南 焦作 454000） 摘摘 要要为研究开采上保护层对巨厚砾岩断裂诱发冲击的防治作用，根据跃进煤矿 25 采区的地质条件和采掘条件，将 25110 工作面下巷作为研究对象，从理论上分析了动静载叠加诱发冲击矿压的机制以及开采上保护层后的防冲原理，数值模拟研究 了未开采上保护时和开采上保护层后在同等强度的动载扰动应力的影响下巷道底板的位移、速度、应力以及塑性区的变化规 律，进行相似模拟试验研究了人工震源的作用下未开采上保护时和开采上保护层后巷道底板的加速度和动应力响应规律。结 果表明，上保护层开采后能够有效地释放围岩内部的高应力，且采空区顶板自然垮落，形成的软弱松散岩层结构，能够更好 地起到对动载扰动应力波的衰减作用，从而降低了冲击矿压发生的可能，一定程度上能够较好地防治冲击矿压。研究成果对 巨厚砾岩下冲击矿压的防治具有一定指导意义。 关关 键键 词词巨厚砾岩；冲击矿压；上保护层；扰动应力波；减冲作用；衰减 中图分类号中图分类号TU 452 文献识别码文献识别码A 文章编号文章编号1000－7598 2016 增 2－0120－09 Analysis of prevention mechanism of upper protective seam mining on rock rockburst induced by thick conglomerate PANG Long-long1, 2, XU Xue-feng1, 2, SI Liang1, 2, ZHANG Hao1, 2, LI Zheng-ke1, 2 1.School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China; 2. State and Local Joint Engineering Laboratory for Gas Drainage and simulation experiment is also conducted to study the response rules of acceleration and dynamic stress of the floor with artificial seismic source under the circumstances that when the upper protective seam was mined or not. The results show that the upper protective seam mining can effectively release the high stress inside the surrounding rocks and the soft and loose rock strata is ed after the roof rock strata of gob naturally caving, which can efficiently attenuate the dynamic disturbed stress wave and reduce the occurrence of rockburst. Therefore, the prevention effects are achieved to a certain extent when the upper protective seam mining is applied under thick conglomerate. Under the thick conglomerate rockburst prevention has certain guiding significance. Keywords thick conglomerate; rockburst; upper protective seam; dynamic disturbed stress wave; prevention effect; attenuation 增刊 2 王国粹等开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析 121 1 引 言 冲击矿压[12]是煤岩体力学系统达到极限时突 然、猛烈的释放弹性能，导致煤岩体瞬时破坏，造 成巷道破坏人员伤亡的动力现象。随着煤矿开采深 度的增加，冲击矿压发生次数逐渐增多，众多学者 对其发生机制进行了深入研究， 得出了强度理论[1]、 刚度理论[3]、 能量理论[4]和冲击倾向性理论[5]等经典 理论，从不同角度探讨了其作用机制，但仍不能较 全面地揭示其发生的内在机制。 近年来冲击矿压的动静载叠加机制取得了一 定的进展，陆菜平等[6]、徐学锋等[7]、何江等[8]结合 微震监测系统，分析了覆岩结构变化诱发冲击矿压 机制以及矿震频谱特征。曹安业等[9]认为动静载组合 作用下煤岩系统同时满足冲击矿压发生的能量和刚 度条件时煤层发生动态冲击破坏。何江等[10]、窦林 名等[11]认为动静载叠加诱发冲击矿压的两种形式 以及薄煤层易于达到动静载叠加诱发冲击矿压的条 件。刘少虹[1213]研究了动静加载下组合煤岩破坏失 稳的突变模型和混沌机制以及应力波的传播和耗散 机制。 数值软件和相似试验也广泛的应用于动静载 诱发冲击矿压机制的探索中，姜耀东等[14]分析了放 炮震动诱发煤矿巷道动力失稳机制，利用 FLAC2D 软件模拟了放炮震动对巷道不同支护形式的影响。 牟宗龙等[15]采用离散元 UDEC4.0 指出，厚硬顶板 及运动态顶板的诱冲能力更强。徐学锋等[1617]阐述 了底板冲击矿压的发生机制，并用 FLAC2d软件模 拟了底板冲击矿压的显现过程。高明仕等[18]、王伟 等[19]通过试验研究得出了应力波在岩土介质中的 传播规律。潘一山等[20]、王四巍等[21]利用相似模拟 试验研究了高速冲击作用下巷道围岩的破坏特征。 目前针对上保护层开采对巨厚砾岩诱发冲击 矿压的减冲机制研究较少，本文基于现有研究成果 和庞龙龙等[22]研究基础上，采用理论分析、数值模 拟和相似模拟的研究方法，以典型受巨厚砾岩影响 的冲击危险矿井跃进矿为背景，研究将 25110 工作 面上部 1-2煤层作为保护层，开采后对 25110 工作 面下巷的卸压减冲作用，以期为冲击矿压防治提供 借鉴。 2 巨厚砾岩下上保护层减冲理论分析 2.1 巨厚砾岩诱发冲击矿压的原因巨厚砾岩诱发冲击矿压的原因 发生冲击矿压是由于煤体-围岩系统的静载荷 与动载扰动应力叠加超过煤岩体冲击破坏的临界载 荷时煤岩体破坏，出现冲击矿压动力灾害显现象， 公式[11]为 jdbmin ≥ （1） 式中 j  为煤岩体中的静载荷； d 为动载扰动在 煤岩体中诱发的动载荷； bmin 为发生冲击矿压时的 临界应力。 由式（1）可知，冲击矿压的发生与煤岩体中 的静载荷和动载扰动在煤岩体中诱发的动载荷的大 小有关。 研究结果[12]表明， 顶板初次垮落或周期性垮落 时会产生巨大的动能且释放出大量的弯曲弹性能， 能量与顶板悬伸长度的 5 次方成正比，且顶板越厚 越坚硬其悬伸长度就越长。巨厚砾岩在物理力学性 质上表现为整体性强、 高弹性模量、 高强度的特性、 极限悬露面积大。在其下方进行采掘活动时冲击矿 压现象时有发生，主要包括两方面内容 （1）巨厚 砾岩层未破断时随着采掘活动的进行会对其下方煤 体产生夹持作用，在其内部逐渐形成高静载应力， 为冲击矿压发生提供了条件； （2）随着采掘活动范 围的增大，巨厚砾岩悬露面积、悬露长度达到最大 值，此时巨厚砾岩层会产生“O-X”型破断释放巨 大的能量，产生强烈的动载扰动，可能诱发冲击矿 压的发生。 在巨厚砾岩的影响下巷道开挖后底板出现高 应力集中，当动载扰动应力与巷道底板的高水平应 力集中叠加超过冲击矿压发生所需的最小应力值 minb 时，巷道底板就会发生冲击矿压显现，此时巷 道底板水平应力集中程降低且会向深部转移，如图 1 所示。若水平应力集中程度较高时，轻微的扰动就 可以“诱发”冲击矿压的发生，此时当动载扰动很 强烈时冲击矿压的危害会非常大。 a 静载作用 b 动静载叠加瞬间 c 冲击矿压显现 图图 1 巨厚砾岩诱发冲击矿压的显现过程巨厚砾岩诱发冲击矿压的显现过程 Fig.1 Process of rock burst induced by thick conglomerate 2.2 巨厚砾岩下上保护层减冲作用巨厚砾岩下上保护层减冲作用 巨厚砾岩下开采上保护层后，由于矿山压力的 作用上保护层顶板的煤岩层自然垮落，由图 2 可知 x1x1d1 x1 122 岩 土 力 学 2016 年 煤岩体内部的应力发生变化，在此过程中能够从以 下两方面分析开采上保护层后的防冲原理。 （1）应力释放转移原理 上保护层开采后采空区顶底板煤岩层会发生 移动、变形、破断，使其内部积聚的弹性能和高应 力释放，且局部煤岩体的力学强度降低，一定时间 内不能积聚大量的能量，同时采空区上方的巨厚砾 岩层的重力向两侧煤柱转移，进一步降低了巷道周 围的静载荷应力集中程度。 （2）动载扰动应力波衰减原理 动载扰动应力波在传播的过程中会有不同程 度的衰减，当遇到地质构造或采空区，应力波的衰 减程度会更加明显。扰动应力波经过煤岩体的层层 衰减作用到巷道周围煤岩体的能量[10]可以表示为 0d QQ L   （2） 式中 d Q为作用于巷道周围煤岩体的能量； 0 Q为 震源处的能量；L 为震源与巷道之间距离；为传 播介质对应力波的衰减指数。 l工作面长度 1应力升高区边界线 2卸压带边界线 3保护层 4被保护层 5压缩变形区 6拉伸变形区 图图 2 开采上保护层后煤岩体应力分布开采上保护层后煤岩体应力分布 Fig.2 Stress distribution of coal and rock mass after protective seam mined 利用岩石的碎胀性，开采上保护层后随着顶板 岩层的不断冒落， 采空区顶板由下到上形成垮落带、 断裂带和弯曲下沉带，逐渐形成一层松散破碎软弱 岩层，此岩层能够“高效”吸收动载扰动应力波的 能量， 增加了传播介质对应力波的衰减指数的值， 从而使作用于巷道周围煤岩体的能量在一定程度上 减少，减弱了动载扰动应力波对巷道周围岩体的作 用。作用于被保护层巷道周围煤岩体的扰动能量可 表示为 1 10d QQ L   （3） 式中 1d Q为开采上保护层后作用于巷道周围煤岩 体的能量； 1 为开采上保护层后传播介质对应力波 的衰减指数，由于 1 ，则有 1dd QQ。 综上可知，开采上保护层能够降低巨厚砾岩层 产生悬伸时对煤层的夹持作用，使煤岩体处于较低 的应力场中，降低了巷道周围的静载荷应力集中程 度，增加了诱发冲击矿压所需的动载荷能量阀值， 在同等强度的动载扰动应力波的作用下未必能够诱 发冲击矿压的发生，以巷道底板的水平应力为例， 则开采上保护层后发生冲击矿压的条件为 12bminxd kk≥ （4） 式中 x 为巷道底板的水平应力； 1 k 为开采上保护 层后底板的水平应力降低系数； 2 k 动载扰动应力波 增高系数。 对比图1和图3可知，巨厚砾岩下开采上保护 层后巷道底板水平应力集中程度降低，当顶板断裂 产生同等强度的动载扰动时， 扰动应力波衰减明显， 此时静载和动载同时减小，大大降低了冲击矿压发 生的可能性，但会出现明显的矿压显现。 a 静载作用 b 动静载叠加瞬间 c 矿压显现 图图 3 开采上保护层后矿压显现过程开采上保护层后矿压显现过程 Fig.3 Process of rock burst with the upper protective seam mined 3 巨厚砾岩下上保护层减冲的数值模 拟分析 3.1 数值模拟地质模型数值模拟地质模型 3.1.1 矿井概况及开采条件 义马矿区跃进煤矿所采2-1煤层埋深为890～ 1 040 m，煤层倾角约为10 。此煤层具有强冲击危 险性，且其上方有几百米的巨厚砾岩，强度大且整 体性强，均为冲击矿压的重要影响因素。1-2煤层 位于该煤层上方20 m处，厚2 m，无冲击危险性。 25110工作面下巷沿顶板掘进， 在掘采期间共发生9 次冲击矿压事件， 工作面以东为23采区上山保护煤 柱，以西为25采区上山保护煤柱，北部的25090 工作面开采2 m上分层及其余工作面已回采完毕， 南部为井田边界， 其25采区布置及25110工作面微 震统计结果见图4。 x2 x2d2 x2 l 12 3 4 66 5 4 增刊 2 王国粹等开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析 123 图图 4 25 采区布置及采区布置及 25110 工作面微震统计结果工作面微震统计结果 Fig.4 Mining area 25 and statistics of microseism event in working face 25110 3.1.2 模型的建立 数值模拟利用FLAC2D5.0有限元差分数值模拟 软件的Dynamic模块，在文献[22]静载模型的基础 上施加动载扰动应力来模拟巨厚砾岩断裂对25110 工作面下巷的影响，此时巷道顶板及两帮采用锚网 索联合支护，巷道底板无支护，锚杆、锚索和钢带 结构分别采用Cable和Beam单元进行模拟。 由于现场冲击矿压发生时微震监测系统记录 的震动持续时间非常短，矿震的主频率为10～20 Hz 左右，周期为0.05～0.1 s。将冲击震源波简化为简 谐波，简谐波方程为 sin2.0WaveAfreq dytime （5） 动载扰动应力采用剪应力波，其震动频率为 20 Hz，扰动应力波峰值强度 APmax取50 MPa。未 开采上保护层时和开采280 m上保护层时应力波均 施加在巨厚砾岩层下方，位于保护层上方18 m处， 巷道顶板正上方40 m位置，图5为开采280 m上 保护层时动载扰动数值模型示意图。 图图 5 动载扰动数值模拟模型（单位动载扰动数值模拟模型（单位m）） Fig.5 Numerical simulation model with dynamic load unit m 3.2 数值模拟分析数值模拟分析 在受到巨厚砾岩断裂引起的动载扰动应力作 用后，分析未开采上保护层时和开采280 m上保护 层后25110工作面下巷底板煤层的应力状态、 位移、 底板质点速度、塑性区分布等物理力学参数的动态 响应规律，从而揭示处于极限应力状态下底板发生 冲击显现的过程和开采上保护层后的防冲效果。 3.2.1 未开采上保护层时冲击矿压显现过程 （1）巷道底板的变形特征 动载扰动应力后巷道底板垂直位移变化和底板 的速度变化曲线分别如图6、7所示。 从图中可以看 出，巷道底板的垂直位移量在0.3 s内为0.87 m，且 位移的变形速率在不断的减小，0.05 s内底板最大 变形速度为5.44 m/s，说明未开采保护层时在动载 扰动应力的作用下巷道底板在没有支护时，动载扰 动应力对巷道的破坏主要表现为底板破坏[10]。 图图 6 底板垂直位移变化曲线底板垂直位移变化曲线 Fig.6 Vertical displacement change curve of floor 图图 7 底板速度变化曲线底板速度变化曲线 Fig.7 Speed change curve of floor （2）巷道周围应力变化规律 巷道底板4 m处的应力变化、巷道周围煤岩体 扰动前后应力变化和扰动前后底板20 m范围内水 平应力变化规律如图8～10所示。 从图8可以看出， 受到巨厚砾岩断裂的作用后， 底板4 m处的应力瞬间有小幅增加，达到极值后迅 速下降并保持稳定，说明巷道底板煤岩体内的极限 应力载荷与动载扰动应力波瞬间叠加后超过发生冲 击矿压所需的极限载荷 minb ，造成煤岩体突然破 坏，能量得到释放，即发生冲击矿压显现。此时巨 0.000.050.100.15 0.20 0.250.300.35 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 速度/m/s 时间/s 0.000.050.100.15 0.20 0.25 0.300.35 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 位移/m 时间/s 25110 25090 25070 25050 25030 190 160 150 150 150 100 2-1 煤层 老底砂岩 泥岩 1-2 煤层 泥岩 上巷下巷 巨厚砾岩 泥岩 1-1 煤层 粉砂岩 泥岩 100 124 岩 土 力 学 2016 年 图图 8 底板底板 4 m 处的应力变化曲线处的应力变化曲线 Fig.8 Stress change curves of under floor of 4 m a 扰动前垂直应力 b 扰动后垂直应力 a 扰动前水平应力 b 扰动后水平应力 图图 9 扰动前后巷道围岩应力云图扰动前后巷道围岩应力云图 单位单位MPa Fig.9 Nephograms of stress in surrounding rock of roadway before and after dynamic loadunit MPa 图图 10 扰动前后底板水平应力变化曲线扰动前后底板水平应力变化曲线 Fig.10 Horizontal stress change curves of floor before and after dynamic load 其余大量能量释放在冲击冲程中，这种情况下发生 的冲击矿压属于强静载强动载，其危害最为严重。 从图9、10可以看出，动载扰动后巷道两帮的垂直 应力集中区域和集中程度有所减小，底板水平应力 集中程度明显降低；应力峰值由扰动前的44.69 MPa 下降为扰动后的40.08 MPa，之前应力峰值位置的 应力下降为29.65 MPa，下降了33.65；应力峰值 的位置由动载扰动前距巷道底板3.8 m转移到距巷 道底板4.8 m处，向煤层深部转移了1 m。说明积 聚于巷道周围煤岩体内部的弹性能得到释放，此时 应力集中程度减低，且应力应力集中区域向底板深 处转移，这也是冲击矿压不会在同一地点发生的原 因。 （3）巷道周围塑性区变化规律 图11为动载扰动过程中巷道周围煤岩体的塑 性区变化。从图中可以看出，随着动载作用时间的 增加，底板和两帮的塑性区逐渐扩大，约0.06 s时 塑性区变化范围最大，大部分属于剪切破坏。由于 巷道两帮及顶板采用了锚网支护，对巷道变形破坏 有一定的抑制作用，底板没有支护，使底板成为拉 伸破坏的突破口，0.10 s以后底板表面开始出现明 显的层裂拉伸破坏，底板当应力条件和煤层强度达 到极限时发生突变，最终煤体发生整体大范围的层 裂结构的拉断破坏，巷道底板发生冲击矿压显现。 a 0.00 s b 0.06 s c 0.10 s d 0.20 s e 0.15 s f 0.20 s g 0.25 s h 0.30 s 图图 11 塑性区分布的动态响应塑性区分布的动态响应 Fig.11 Dynamic response of plastic distribution 动力扰动作用下底板的应力、位移、速度、塑 性区分布的物理力学参数变化可以说明，动载扰动 过程中底板煤岩体的应力先上升后瞬间大幅度降低 并趋于稳定，同时底板煤岩体拉伸、层裂破坏范围 和垂直位移瞬间增加，底板水平应力集中现象逐渐 向深部转移，这正是底板冲击矿压显现过程。 3.2.2 开采上保护层后防冲效果分析 （1）巷道底板的变形特征 动载扰动应力后巷道底板垂直位移变化和底 板的速度变化曲线如图12、13所示。 从图中可以看 出，巷道底板的垂直位移量在0.3 s内为0.26 m， 0.05 s内底板最大变形速度为2.53 m/s， 较未开采保 护层时底板位移和速度分别减少了70.93和 53.49，说明开采上保护层后在同等强度的动载扰 动应力作用下巷道底板未产生较大的破坏，仅出现 了明显的矿压显现。 024 68 10 12 14 16 1820 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 应力/MPa 距巷道底板距离/m 扰动前 扰动后 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 10 15 20 25 30 35 40 45 应力/MPa 时间/s 水平应力垂直应力 应力差 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8.0 4.0 40 36 32 28 24 20 16 12 8.0 4.0 0.0 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8.0 4.0 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8.0 4.0 增刊 2 王国粹等开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析 125 图图 12 底板垂直位移变化底板垂直位移变化 Fig.12 Vertical displacement change curve of the floor 图图 13 底板速度变化曲线底板速度变化曲线 Fig.13 Speed change curve of the floor （2）巷道周围应力变化规律 巷道底板4 m处的应力变化、巷道周围煤岩体 扰动前后应力变化和扰动前后底板20 m范围内水 平应力变化规律如图14～16所示。 从图14可以看出，开采上保护层后巷道底板 的应力集中程度明显降低，此时底板的水平应力可 表示为 1x k，受到巨厚砾岩断裂的作用后，煤岩体 内部的应力经历了应力震荡上升并趋于维持稳定的 过程，此时巷道周围煤岩体积聚部分能量，仍具有 抵抗破坏的能力。 从图15中可以看出， 动载扰动前 后巷道周围煤岩体的应力集中程度明显增加，同等 强度的动载扰动应力波的作用下并未诱发冲击矿压 的发生，仅引起巷道周围应力集中程度增加，说明 此时动载扰动应力波能够起到增加围岩内部应力的 作用。当巷道周围的围岩应力集中较高时，动载扰 动应力波与静态载荷叠加，应力峰值超过冲击矿压 发生所需要的最小值时，冲击矿压就会发生；当巷 道周围本身的围岩应力较低时，动载扰动应力波仅 起到加载的作用，从而增加了诱发冲击矿压的应力 阀值，可表示为 2d k。从图16中可以看出，距巷 道底板最近的应力峰值由静载时的16.13 MPa升高 为19.81 MPa，应力峰值的位置向深部转移了1 m， 且越往深部应力越大，在距巷道底板12 m处两者 逐渐稳定在25 MPa左右。通过以上应力的变化规 律分析得出，开采上保护层后，使处于保护范围内 的巷道和煤层的应力降低，远小于未开采保护层时 的应力值，增加了应力波传播过程中的衰减系数， 使应力波在此过程中得到衰减，减小了动载扰动 应力的破坏作用， 此时动力扰动仅起到了使处于较 低的应力状态的煤岩体内部应力在一定范围内增加 的作用，在同等强度的动载扰动的条件下并不能导 致冲击矿压的发生。 图图 14 底板底板 4 m 处的应力变化曲线处的应力变化曲线 Fig.14 Stress change curves of under floor of 4 m a 扰动前垂直应力 b 扰动后垂直应力 a 扰动前水平应力 b 扰动后水平应力 图图 15 扰动前后巷道围岩应力云图扰动前后巷道围岩应力云图 单位单位MPa Fig.15 Nephogram stress in surrounding rock of roadway before and after dynamic load unit MPa 图图 16 扰动前后底板水平应力变化曲线扰动前后底板水平应力变化曲线 Fig.16 Horizontal stress change curves of the floor before and after dynamic load 0246810 12 14 16 1820 0 4 8 12 16 20 24 28 应力/MPa 距巷道底板距离/m 扰动前 扰动后 0.000.050.100.15 0.20 0.25 0.300.35 6 8 10 12 14 16 18 20 22 应力/MPa 时间/s 水平应力垂直应力 应力差 0.00 0.05 0.10 0.150.20 0.25 0.30 0.35 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 速度/m/s 时间/s 0.00 0.05 0.10 0.150.20 0.25 0.300.35 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 位移/m 时间/s 12 8.0 4.0 0.0 12 8.0 4.0 0.0 24 20 16 12 8.0 4.0 0.0 24 20 16 12 8.0 4.0 0.0 126 岩 土 力 学 2016 年 （3）巷道周围塑性区变化规律 图17为开采上保护层后动载扰动过程中巷道 周围煤岩体的塑性区变化。从图中可以看出，随着 动载作用时间的增加，底板和两帮的塑性区逐渐扩 大，约0.06 s时塑性区变化范围最大，大部分属于 剪切破坏，呈现出与未开采保护层时相同的规律； 0.10 s以后底板表面开始出现明显的层裂拉伸破 坏，底板煤体出现局部层裂结构拉断破坏，巷道底 板发生矿压显现，巷道整体相对较稳定。 a 0.00 s b 0.06 s c 0.10 s d 0.20 s e 0.15 s f 0.20 s g 0.25 s h 0.30 s 图图 17 塑性区分布的动态响应塑性区分布的动态响应 Fig.17 Dynamic response of plastic zone distribution 对比分析开采上保护层前后动力扰动作用下 底板的应力、位移、速度和塑性区的物理力学参数 变化可知，开采上保护层后能够降低巷道周围岩体 的应力，同时降低了动载扰动应力对巷道围岩的影 响， 增加了诱发冲击矿压发生所需的动载扰动阀值， 在一定程度上能够预防冲击矿压的发生。 4 巨厚砾岩下上保护层减冲的相似试 验分析 4.1 相似模拟设计相似模拟设计 根据现有试验条件，相似模拟模型架决定选用 YDM-E型采矿工程物理模型试验装置，最大模拟 尺寸（长宽高）为1.6 m0.4 m1.6 m。根据选定 模型架尺寸及其他条件综合考虑，确定模型的几何 相似常数Cl 100，应力相似常数C 173，模型 上边界施加0.12 MPa的载荷代替上覆岩层重量， 相 似模拟材料选用砂、石膏和碳酸钙，具体相似材料 配比见表1，模型及检测设备布置见图18。 用6 g黑火药作为人工震源来模拟巨厚砾岩断 裂时产生的动载扰动，在同一位置设置2次人工震 源，分别模拟开采上保护层前后动载扰动对下巷的 影响。采用WS-5921/N60216-C16型动态数据采集 仪监测其加速度和动载应力， 其中 Z1位于巷道顶板 70 m处，A1、D1位于Z1上方10 m处，A3、D5位于 巷道底板4 m处，具体位置及监测点布置见图19。 表表 1 模型相似材料配比表模型相似材料配比表 Table 1 Ratio calculation for similay meterials of experimental model 岩层名称 模拟厚度 /cm 模拟强度 /kPa 配比号 砂 /kg 石膏 /kg 碳酸钙 /kg 砾岩 90 300.87337 779.15 181.8077.92 泥岩 2 115.61373 16.76 1.68 3.91 1-1 煤层1 82.83573 4.99 0.29 0.70 粉砂岩10 203.76355 86.57 14.4314.43 泥岩 2 115.61373 16.76 1.68 3.91 1-2 煤层2 82.83573 9.98 0.60 1.40 泥岩 14 115.61373 117.34 11.7327.38 2-1 煤层10 82.83573 49.92 2.99 6.99 泥岩 4 115.61373 33.53 3.35 7.82 老底砂岩16 203.76355 138.52 23.0923.09 a 试验模型正面图 b 数据监测设备布置 图图 18 相似模拟模型相似模拟模型 Fig.18 Simulation experimental model 图图 19 相似模拟试验模型测点布置（单位相似模拟试验模型测点布置（单位m）） Fig.19 Arrangement of monitoring points in the simulation experimental model unit m 4.2 相似模拟结果分析相似模拟结果分析 虽然震源每次均采用6 g黑火药进行模拟，但 难免会产生误差，为了保证数据的可比性，以巷道 底板的动态数据与震源附近的的动态数据的比值作 为指标，以缩小误差，以下数据均为相对数值。 （1）开采上保护层前后各测点加速度响应 图20为开采上保护层前后动载扰动时震源附 近与巷道底板4 m处的加速度响应（图中加速度为 相对数值， 无单位） 。 开采保护层前后底板的加速度 25110 50 50 30 30 2-1 煤层 老底砂岩 1-2 煤层 25110 工作面下巷 巨厚砾岩 震源位置 Z1 泥岩 1-1 煤层 粉砂岩 25090 泥岩 泥岩 泥岩 1 号重叠测点位置 2 号重叠测点位置 动应力测点 D1 加速度测点 A1 动应力测点 D5 加速度测点 A3 1 号重叠测 点位置剖面 2 号重叠测 点位置剖面 y 0.12 MPa 增刊 2 王国粹等开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析 127 峰值衰减率分别为88.21和88.63，动载扰动产 生的加速度在岩体中衰减明显，开采上保护层后加 速度衰减程度略微增加，说明质点受到扰动的作用 随着传播距离的增加而不断减小，且不完整岩层对 加速度的衰减程度稍大。 a 开采上保护层前 b 开采上保护层后 图图 20 加速度响应加速度响应 Fig.20 Response of acceleration （2）开采上保护层前后各测点动应力响应 图21为开采上保护层前后动载扰动时震源附 近与巷道底板4 m处的动应力响应（图中应力为相 对数值， 无单位） 。 开采保护层前后底板的动应力峰 值衰减率分别为73.37和98.83，动应力和加速 度有相同的规律，均有随着传播距离的增加而不断地 衰减的规律，但动态应力衰减比较明显，较未开采保 护层时衰减率增加了25.46，说明不完整岩层能够 消耗传播过程中的能量，对动应力的传播有较好的 衰减作用，同等条件下能够较好地降低其传播效率。 a 开采上保护层前 b 开采上保护层后 图图 21 动应力响应动应力响应 Fig.21 Response of dynamic stress 对比开采上保护层前后岩体内部的动态参数 响应后可以得出，开采上保护层后形成的软弱松散 结构，能够增加动载扰动的衰减程度，减弱其对巷 道周围煤岩体的破坏，在一定程度上能够防止冲击 矿压的发生。 5 结 论 （1）坚硬顶板下未开采上保护层时发生冲击矿 压，动载扰动起到“诱冲”作用，开采上保护层后 起到对煤层应力释放、转移的作用和对动载扰动应 力波的衰减作用。 （2）未开采上保护层时巨厚砾岩层断裂引起的 动载扰动应力波起到“诱发”冲击矿压的作用。开 采280 m范围的上保护层后采空区顶底板煤岩力学 参数的改变降低了围岩的高应力，增加了对动载扰 动应力波的能量衰减作用，增加了冲击发生所需的 条件，起到了良好的减冲作用。 （3）采空区顶板自然垮落，形成的软弱松散岩 层结构能够增加动载扰动的衰减程度，减弱其对巷 道周围煤岩体的破坏作用，能够在一定程度上降低 冲击矿压概率。 参参 考考 文文 献献 [1] 窦林名, 何学秋. 冲击矿压防治理论与技术[M]. 徐州 中国矿业大学出版社, 2001. DOU Lin-ming, HE Xue-qiu. Theory and technology of rock burst prevention[M]. Xuzhou China University of Mining and Technology Press, 2001. [2] 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. QI Qing-xin, DOU Lin-ming. Theory and technology of rock burst[M]. Xuzhou China Un