深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 1 3年 2月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vl0 l - 3 2 NO． 2 Fe b ． ，2 0 1 3 深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究 李振雷 L ，窦林名 2 蔡武 L ，何江 ，王桂峰 ，刘 军 ，韩荣军 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2 2 1 0 0 8 ；2 ．中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ；3 ．义马煤业集团股份有限公司 跃进煤矿 ，河南 义马4 7 2 3 0 1 摘要针对断层区采掘时冲击矿压频频发生的严峻现状，运用理论分析、实验室试验、数值模拟以及工程实践等 方法，研究断层区的冲击机制。主要研究内容及结论如下f 1 建立断层闭锁与解锁滑移的力学模型，理论推导 得出上行解锁和下行解锁的判定公式，公式表明断层解锁与断层摩擦强度、断层倾角以及水平应力和垂直应力之 比有关。 2 提出断层区断层煤柱型冲击矿压的概念，认为断层煤柱型冲击分为断层活化型冲击、煤柱破坏型冲 击和耦合失稳型冲击，并阐释各 自的冲击作用机制。 3 分析跃进矿 2 5 1 1 0工作面 2 0次冲击震源分布规律、冲击 影响因素和冲击作用机制，认为大部分冲击为断层滑移、老顶断裂和煤柱破坏诱发的断层煤柱型冲击。 4 从弱 化断层滑移和减弱煤柱冲击破坏两方面提出针对 2 5 1 1 0工作面断层煤柱型冲击矿压的治理措施，现场实践表明， 控制工作面推进速度可减少断层活化型冲击，提高巷道支护强度和爆破卸压、大直径钻孔卸压可有效降低冲击矿 压灾害 。 关键词采矿工程；冲击矿压；断层闭锁；解锁滑移；断层煤柱；冲击震源；巷道支护 中圈分类号T D 3 2 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 3 0 2 0 3 3 31 0 FAU r - PI LLAR I NDUCED RoCK BURS T M ECHANI SM oF THI CK CoAL S EAM I N DEEP M I NI NG L I Z h e n l e i ， 2 D OU L i n mi n g ， 2 C A I Wu 2 ，HE J i a n g ～，WA NG G u i f e n g ，L I U J u n ，H AN R o n g j u n t 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e t yMi n i n g ，C h i n aU n i v e r s i tyo fMi n i n ga n dT e c h n o l o g y ，Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 2 ． S c h o o l ofMi n e s ，C h i n aU n i v e r s i tyo fMi n i n ga n dT e c h n o l o gy，Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 3 ． Y u e j ’i n Co a l Mi n e ， t T maMi n i n gGr o u p， Hma ，He n a n 4 7 2 3 0 1 ，Ch i n a 1 Ab s t r a c t T h e r e a r e mo r e r o c k b u r s t s h a p p e n wh e n c o a l mi n i n g c o me s n e ar t o t h e f a u l t are a ． T o s o l v e t h i s s e v e r e p r o b l e m， a r e s e a r c h o n t h e b u r s t me c h a n i s m i n f a u l t are a h a s d o n e b y me a n s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t ， n ume r i c a l s i mul a t i on， e n gi ne e r i ng pr a c t i c e， a nd o t h e r me t ho ds ．Th e ma i n r e s e arc h c o n t e n t s a nd c o n e l u s i o n s a r e a s f o l l o ws f 1 1 Th e me c h a n i c a l mo d e l o f f a u l t l o c k i n g a n d u n l o c k i n g i s e s t a b l i s h e d ； a n d b y t h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n ，t h e j u d g e f o r mu l a f o r u p u n l o c k i n g a n d d o wn u n l o c k i n g i S o b t a i n e d ． Th e f o r mu l a i n d i c a t e s t h a t th e f a ul t u nl o c ki n g i S d e c i d e d b y f a ul t f r i c t i o n s t r e n g t h， f a u l t d i p a ng l e a n d t h e r a t i o be t we e n h o r i z o n t a l s t r e s s a n d v e r t i c a l s t r e s s ． f 2 1 T h e c o n c e p t o f f a u l t ． p i l l ar i n d u c e d r o c k b urs t i S p r o p o s e d ， a n d i t i S c l a s s i fi e d i n t o thr e e k i n d s r o c k b ur s t i n d u c e d b y f a u l t s l i d e ，r o c k b urs t i n d u c e d b y c o a l p i l l ar f a i l ure a n d r o c k b u r s t i n d u c e d b y t h e i n t e r a c t i o n o f f a u l t a n d c o a 1 ． p i l l ar． Mo r e o v e r ，t h e b u r s t me c h a n i s ms o f t h e t h r e e k i n d s a r e e x p l a i n e d ． f 3 1 T h e b urs t s o u r c e d i s t r i b u t i o n r u l e ，b urs t i n fl u e n c e f a c t o r s a n d b u r s t me c h a n i s m o f t h e 2 0 t i me s r o c k b urs t s a t c o a l f a c e 2 5 1 1 0 i n Y u e j i n c o a l mi n e are a n a l y z e d ；a n d i t i s fou n d t h a t t h e ma j o r i t y o f t h e r o c k b u r s t s a r e f a u l t p i l l a r i n d u c e d r o c k b u r s t r e s u l t i n g f r o m f a u l t s l i d e ，ma i n r o o f f a i l u r e a n d f a u l t p i l l a r f a i l u r e ． 4 F r o m t h e two a s p e c t s o f we a k e n i n g f a u l t s l i d e a n d c o a l p i l l ar b u r s t ，s o me c o n t r o l me a s u r e s a g a i n s t f a u l t ． p i l l a r i n d u c e d r o c k b urs t a t c o a l f a c e 2 5 1 1 0 a r e 收藕 日期l 2 0 1 2 0 7 0 4 ； ． | 回 日期l 2 0 1 21 00 7 基金项 目l国家 自然基金和神华集团有限公司联合资助 5 1 1 7 4 2 8 5 ；国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项 目 2 0 1 O C B2 2 6 8 O 5 ；江苏省普通高校研究生科 研创新计划项 目 C X Z Z 1 2_0 9 4 9 作者简介李振雷 1 9 8 8一 ，男，2 0 1 1 年毕业于中国矿业大学采矿工程专业 ，现为博士研究生，主要从事矿 山压力、冲击矿压、采矿地球物理等方面 的研究工作。E - ma i l c u mt z h e n l e i l i 1 6 3 ． c o m 岩石力学与工程学报 p r o p o s e d ． Th e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n p r e s e n t s t h a t c o n t r o l l i n g mi n i n g s p e e d c a n r e d u c e f a u l t s l i d e i n d u c e d r o c k b u r s t a n d r o c k b u r s t d i s a s t e r s c a n b e r e d u c e d e f f e c t i v e l y b y s t r e n g t h e n i n g r o a d wa y s u p p o r t i n g a n d r e l e a s i n g p r e s s u r e t hr o ug h b l a s t i ng a nd l a r ge d i a m e t e r d r i l l i ng ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ；r o c k b urs t ；f a u l t l o c k i n g ； u n l o c k i n g a n d s l i d e ；f a u l t - p i l l ar；b u r s t s o urc e ；r o a d wa y s u p po rti ng 1 引 言 国内外生产实践证 明褶 曲、断层等地质构造对 冲击矿压有影响L 1 J ，当工作面接近断裂破碎带时， 常出现强度较大 的冲击矿压l 4 J 。近年来，随着采深 的增加，断层区冲击矿压的发生频次和强度逐渐增 加，形势异常严峻。另外，受生产技术条件影响， 采矿 中常产生煤柱，煤柱中产生应力集 中，容易发 生冲击矿压Ij J 。 在断层冲击矿压方面，李志华等[ 5 - 7 1 研究了采动 影响下断层滑移诱发煤岩体冲击的机制 ，指出工作 面由断层下盘 向断层推进时，发生断层冲击矿压 的 危险性较高 。潘一 山等 J 将断层冲击矿压看成是断 层带与上下盘围岩系统的变形失稳，并建立了扰动 响应稳定性判别准则。宋义敏等 J 的研究认为，断 层冲击地压发生需要满足一定的侧向应力条件，当 侧 向压力较小时，断层发生稳滑 ，不会发生冲击地 压。在煤柱冲击矿压方面，王存文等[ 1 0 - 1 1 1 研究 了煤 柱型冲击矿压的力学机制，认为强剪切区的存在是 诱发冲击矿压的根本原因。李佃平等【 1 _2 J 研究了孤岛 型边角煤柱工作面的冲击机制，认为该煤柱为高应 力区和弹性能积聚区，上覆岩层周期性运动 向煤柱 施加动应力 ，动静应力综合作用造成煤柱失稳 ，是 诱发冲击的主要原因。郑百生等[ 1 3 1 模拟研究 了近距 离煤层或煤层群开采时遗 留煤柱对回采的影响，指 出由于工作面布置不合理而造成的遗留煤柱将使回 采工作面形成较大的应力集中，诱发冲击矿压。 综上所述 ，前人在断层冲击和煤柱冲击方面进 行 了一定的研究，但研究内容相对较独立，均未考 虑断层和煤柱的相互影响。本文创新性地提 出断层 区进行采煤作业时可形成断层煤柱 ，研究了断层滑 移和煤柱破坏的耦合影响，得到了断层煤柱型冲击 矿压的作用机制；通过理论建模、推导，得到断层 滑移规律 。该理论研究较好地解释了跃进矿 2 5 1 1 0 工作面的冲击现象，在其指导下针对性地提 出了 2 5 1 1 0工作面冲击矿压治理措施，现场实施效果 良 好 。该研究可为类似地质及生产技术条件下的冲击 矿压治理提供借鉴与理论指导。 2 断层闭锁与解锁滑移 同一条断层上存在 “ 滑动 ” 段和 “ 闭锁”段I l ， “ 闭锁”段阻碍断层上下盘产生相对运动。“ 闭锁” 段积累巨大的弹性应变能，断层滑移时得 以释放 ， 是冲击矿压的部分能量源。因此 ，研究断层闭锁与 解锁滑移规律 、影响因素及判定准则对于因断层活 化引起的冲击矿压灾害防治具有重要意义 。 垂直于断层走向作剖面，以位于断层上盘并与 断层下盘相接触的一单位厚度的三角形微元体为研 究对象 ，得到断层区闭锁与解锁滑移的力学模型如 图 1所示 。图中 ， 分别为微元体所受水平 应力和垂直应力 ，将其简化为主应力，则微元体水 平面和垂直面不受切应力作用；q ，q ， 分别为断层 下盘作用在微元体上的切 向面力和法向面力；0， 分别为断层倾角和断层摩擦角 其 中，同一断层 上不同区段 的 值不 同，但一般为定值 ； 为断 层下盘作用在微元体上的全反力。 图 1 断层 闭锁与解锁滑移力学模型 F i g ． 1 Me c h a n i c a l mo d e l o f f a u l t l o c k i n g a n d u n l o c k i n g a n d s l i d e 当微元体所 受全反力 落在断层摩擦角形成 的锥形区域 图中AC B区域 之 内，微元体与断层下 盘不产生相对错动而形成闭锁，反之 ，微元体解锁 滑移，与断层下盘产生相对错动 。模型中的力学关 系为 F x s i n 0 c o s 0 一 s q 口 一 s i n 0 c o s 0 l F s q ， 一 c o s 0 一 O h S s in 0 } 1 q o g ， t an J 式中 ， 分别为微元体所受 和 Y方向合外力 ； S为微元体与断层面的接触面积 。 第 3 2卷第 2期 李振雷等深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究 3 3 5 若水平应力为垂直应力的 倍 ，即 2 O - v ， 在 断层 上 下盘 产 生相 对运 动 的临界 状态 下 ，有 q 口q ， t a I l ，此时，有 一 t a n [ c o s 0 s i n 0 2一1 一 t a n o f 2s i n C O S O ] s a v 2 断层形成并稳定 以后 ，采煤作业影响极难使断 层上下盘产生垂直于断层面方 向的运动 ，而只可能 使断层上下盘产生沿断层面方向的相对错动。因此， 模型中Y方 向的合外力应为 0 ，即F v 0， 则式 2 简化为如下形式 F [ c o s O s i n 0 2-1 、 一t a no f 2s i n C O S O ] s a v 3 1 断层上行解锁滑移 要使断层上行解锁滑移 ，即上盘相对下盘向上 运动，须满足 0 ，则 a n t ,f t a n0 c o t 4 、 令 f 2 ， 2-1 5 t a n COt 则得 到 f A ， 随 和 0的变化 曲线如 图 2 a 所 示。可以看出，断层能否上行解锁与断层摩擦角 ， 断层倾角 0以及水平应 力和垂直应力 的 比值 有 关。断层上行解锁条件为 断层面倾角o ／ 。 a 断层上行解锁 断层面倾角e l 。 b 断层下行解锁 图2 断层闭锁与解锁力学关系 F i g ． 2 M e c h a n i c a l r e l a t i o n s h i p b e t we e n f a u l t l o c k i n g a n d u n l o c k i n g ① 1 ，即水平压应力大于垂直压应力； ②图 2 a 中曲线上落在直线 t a n 上方 的各 点，即f 2 ，0 值大于断层摩擦角I孢正切值 ，若 曲 线极值落在直线下方，则无论角度 0值如何变化均 不能解锁滑移； ③ 曲线 厂 ， 为具有极大值的单峰曲线 ， 0 值对应一个范围，即临界最大与最小值之间的0值 才可解锁 ； ④ 当 和 值一定时，若 值减小，则直线 t a n 下降，断层解锁可能性增大； ⑤ 对特 定的断层摩擦角 ， 值一定，断层 上行解锁对应一个临界最小 值， 值大于此 临界 值才可解锁； ⑥ 对特定的断层摩擦角 ， 值一定，断层 上行解锁对应 的0值范 围一定；随着 值的增大， 曲线极值点对应的 值减小 ，且减小速率呈减小趋 势 ，上行解锁对应 的 0值范围增大 临界最 大值增 大 ，临界最小值减小 ；若水平应力远大于垂直应力 足够大 ，则只要 00 。要 使断层下行解锁滑移，即上盘相对下盘向下运动， 则模型中 为负，式 3 中 变为 F x [ c o s O s i n0 21 t a n q I 2s i n 0C O S ] 6 式 6 须满足 t a n 7 t a J 1 c o t 、 令 1 1 l ， --A , 8 则得到 f 2 ，0 随 和 的变化 曲线，如图 2 b 所 示 。 可以看 出，断层上行解锁 的第②，③，④条件 同样适合于下行解锁，断层下行解锁与上行解锁的 不同点在于 ① 便可以下行解锁 。 3 力学模型的评价 对图 1中力学模型的分析表明，断层摩擦强度 降低或者水平应力与垂直应力相差较大容易导 致断层解锁滑移；若断层倾角较小，则断层较容易 上行解锁 ，反之，断层较容易下行解锁。 采掘扰 动可造成断层面填充物和 闭锁段产 生 急剧剪切 、压缩、膨胀甚至破碎 ，使 闭锁段的摩擦 强度降低 ，可导致大范围的断层错动 ；巷道布置方 式直接影响垂直应力集 中程度，巷道支护强度影响 水平侧 向应力，两者均能影响 值。因此 ，进行采 煤作业时应合理部署巷道、设计巷道支护强度 ，避 免出现水平应力与垂直应力比值过大或者过小的情 况 ，考虑采掘对断层摩擦强度的影响，以便减弱断 层活化程度 。 图 1中的力学模型将水平应力和垂直应力简化 为主应力进行分析，得到特殊条件下而非一般性的 结论，研究结果不具有通用性和普遍性 ，但是可 以 在大方 向上指导现场实践 ，具有应用价值。 3 断层煤柱型冲击矿压机制 断层切割作用使煤岩体 的物 理力学性质及应 力分布在断层处产生不连续L 1 。当采掘接近断层 时 可产 生断层煤柱 工作面推进方 向平行于断层走 向 时，断层煤柱位于断层和区段巷道之问；工作面推 进方 向垂直于断层走向时，断层煤柱位于断层和工 作面之间 ，煤柱破坏和断层活化可诱发冲击矿压， 称为断层煤柱型冲击矿压。根据断层区域冲击矿压 主要诱发因素 的不 同，断层煤柱型冲击可分为断层 活化型冲击、煤柱破坏型冲击和耦合失稳型冲击。 图 3为断层煤柱型冲击矿压机制分析示意 图。 1 煤层开采前，断层区处于原始的应力平衡 状态 ，断层上盘和下盘在断面处产生巨大水平挤压 应力并保持相对稳定。煤层开采过程中，常造成顶 板 冒落和底板岩体破裂，产生震动波并向四周传播， 传播至断层，造成断面填充物和 闭锁段产生急剧剪 切、压缩 、膨胀甚至破碎，使闭锁段的摩擦强度降 低 减小 ；若煤层上方存在坚硬老顶难以随回采 垮落，则煤层顶底板可 以传递水平挤压应力，在断 面处水平应力和垂直应力比值 变化较小，断面夹 f b 、 图3 断层煤柱型冲击矿压机制分析尔意 F i g - 3 M e c h a n i s m a n a l y s i s s k e t c h o f f a u l t p i l l a r i n d u c e d r o c k b u r s t 角 O值不变；当闭锁段摩擦强度降低至足够小，满 足式 4 或者式 7 时，断层闭锁段便解锁滑移，断层 上下盘产生剪切错动 ，引发矿震，闭锁段积聚的弹 性应变能被释放，发生断层活化型冲击 见图 3 a 。 2 断层煤柱形成以后 ，如图 3 b 所示，断层 煤柱 由j向受力变为两向受力 ，受到沿煤层层面方 向的约束减小，加上直接顶冒落导致其传递应力的 作用降低，产生远离煤柱方向的应力松弛，而煤层 顶底板 中存在沿煤层层面指向断层方向的高挤压应 力，煤层与顶底板之 间因高应力差 向产牛强剪切作 用 ；老顶回转下沉及上覆岩层重力使断层煤柱被央 持在顶底板之间，积聚弹性能，产生高支承压力 。 在强剪切作用和高支承压力作用下，断层煤柱靠近 采空区部分首先达到强度极限而冲击破坏，积聚 的 高能量将煤岩体抛 向巷道空间得以释放 ，发牛煤柱 破坏型冲击 。 3 断层煤柱形成以后 ，一方面，回采扰动更 容易使断层 闭锁段的摩擦强度 降低造成断层解锁滑 移 ；另一方面，断层煤柱中产生高支承压力，必然 存在这样一种状态，即煤柱 中的应力水平虽未超过 但 已接近煤体极限强度，或者应力水平与煤体极限 第 3 2卷第 2期 李振雷等深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究 强度相差较大 。此时，单纯的断层解锁滑移和断层 煤柱因释放能量不足和高应力未达到煤柱极 限强度 而均不能使煤岩体产生冲击破坏，但两者耦合作用、 叠加影响却能诱发冲击矿压 断层滑移产生矿震 ， 释放能量传递至煤柱 的瞬问动应力增量很大，该动 应力增量与煤柱 中的静态应力叠加以后的应力水平 超过煤体极限强度，导致煤岩体冲击破坏；煤岩体 冲击破坏 时的扰 动作用 反过来加快 了断层滑 移速 度 ，使断层释放能量增多。断层滑移释放 的能量与 煤柱中积聚的能量进行叠加，发生耦合失稳型冲击 。 4 跃进矿 2 5 1 1 0工作面及冲击概况 4 ． 1 2 5 1 1 0 工作面及 F 1 6 逆冲断层 跃进矿 2 5 1 1 0工作面现处于回采中，其北部为 2 5 0 9 0工作面 一分层 已回采 ，2 5 1 1 0上巷布置于 2 5 0 9 0采空区下方煤层 中，其南部接近 F 1 6断层 ， 与 F 1 6断层的最小平面距离约 7 5 m， 工作面 中部被 3条小断层切割 。 2 5 1 1 0工作面主采 21 煤， 平均煤厚 1 1 ． 5 m， 平 均倾角 l 3 。 ，综放开采。21 煤层上方依次为 1 8 m 厚泥岩直接项、1 ． 5 m 厚 1 2煤、4 m 厚泥岩和 1 9 0 m厚巨厚砂岩老顶 ，下方依次为 4 m 厚泥岩直 接底和 2 6 m砂岩老底。2 5 1 1 0工作面回采巷道布置 及顶底板柱状如图 4 ，5所示。 图 4 2 5 1 1 0工作面回采巷道布置 F i g ．4 M i n i n g g a t e wa y l a y o u t o f c o a l f a c e 2 51 1 0 F 1 6断层是受巨大挤压应力作用，在逆冲推覆 构造体系的推覆作用下形成的l J ，为区域性逆冲断 层。断层延展长度约4 5 k m，走向近 E W，浅部倾角 7 5 。 ，深部倾角一般为 1 5 。 ～3 5 。 ，落差 5 0 5 0 0 m， 水平错距 1 2 O ～l 0 8 0 m。图6为2 7 勘探线探测的 F 1 6断层经跃进矿的剖面。 2 5 1 1 0工作面煤层顶底板综合柱状图 地层 层厚{ 岩性 岩石名称 岩性描述 备注 代号 m 柱状 ● ●t●H●●● o o o 砂岩、 块状、 灰白色， 具含水 J ； 1 9 0 老顶 ‘ ● ‘H ●● ● ● 砾岩 性 O O O 1 2煤 4 砂质泥岩 深灰色 ，含植物化石 县直接项 O ～2 ． 5 ■ ■ ■一 黑色， 块状 ， 夹矸为炭 1 2煤 1 2煤层 1 ．5 质泥岩 泥岩 暗灰色， 块状 ， 易破碎 ， 21 煤 l 8 局部裂隙、节理发育 层直接 顶 J i ●一 _ 黑色， 块状易碎， 有较 8 4 ～ 1 3 ． _ 2 1 煤 层 厚 矸 层 ， 夹 矸 为 炭 质 、 2 1 煤 l 1 ．5 砂质泥岩 层 ■ 4 泥岩 深灰色，含植物化石 直接底 ●●●●_● ●●● 砂岩 灰、 浅灰色，成分以石 2 6 ； 英、长石为主。 老底 图 5 21 煤顶底板 柱状 图 Fi g ． 5 Hi s t o g r a m o f r o o f a n d fl o o r r o c k l a y e r s o f c o a l s e a m 21 图6 F 1 6断层剖面 F i g ． 6 P r o fil e o f f a u l t F1 6 3 3 8 岩石力学与工程学报 2 0 1 3 每 4 ．2 冲击矿压情况及冲击震源分布规律 在 2 5 1 1 0工作面掘进与回采期间共发生有记录 的冲击矿压 2 0次 统计时间截止到 2 0 1 2年 5月 ， 微震监测记录表明，冲击释放能量从 1 ． 1 O x 1 0 J到 1 ． 5 7 x 1 0 J 不等。其中掘进期间冲击 7次，回采期问 冲击 l 3次。 较典型的冲击事件有 2 0 0 9年 7月 2 1日 2时 4 9分因放炮诱发一次冲击， 释放能量 6 ． 9 7 x 1 0 J ， 冲击地点距下巷掘进头 1 0 m，造成矿车侧翻 ，巷道 底鼓 0 ． 3 5 ～0 ． 5 0 1 T I ，上帮位移 0 ． 2 0 1 ． 0 8 m。2 0 1 0 年 1 月 l 9日 1 2时 1 2分，下巷发生一次冲击矿压， 释放能量 1 ． 1 2 1 0 J ，冲击地点距掘进头 2 0 ． 5 m，造 成距离石门 5 6 0 5 7 2 1 T I 的下巷上帮产生不同程度 的片帮 。2 0 1 0年 8月 1 1日 1 8时 1 1分，下巷 回采 至 3 2 m 时发生冲击， 释放能量 9 1 0 J ， 下巷 4 8 0 ． 0 ～ 8 4 2 ． 8 m段合计 3 6 2 ． 8 m 受到冲击，造成下巷 O型 棚及门式支架损坏 ， 皮带架 向下帮侧翻 ， 底板鼓起 ， 2名作业人员受伤。2 0 1 1 年 3月 1日 l 0时 0 9分，下 巷回采至 1 9 5 ． 1 m时发生冲击，释放能量 1 ． 4 5 x 1 0 J ， 下巷 2 1 0 4 1 0 1T I 段受到冲击影响，地面有震感 ， 造成 3名作业人员受伤。 图 7为 2 5 1 1 0工作面历次冲击震源分布情况 ， 从图中可总结出以下规律 1 冲击震源主要分布 在 2 5 1 1 0下巷、F 1 6断层及中部小断层附近； 2 冲 击震源随掘进和回采动态移动，一般位于掘进头后 方和工作面前方，且回采期间，冲击震源位于工作 面前方距离的范围较大，距离范围的波动性也较大； 3 随掘进和回采靠近 F 1 6断层 ，冲击震源越来越 接近 2 5 1 1 0下巷和 F l 6断层 ，即由于断层走 向和工 作面推进方 向斜交，随着掘进 回采 作业进行 ，冲 击震源逐渐接近 远离 2 5 1 1 0下巷和 F 1 6断层 ； 4 随回采接近 2 5 1 1 0中部小断层，冲击频次和冲击强 度增大； 5 1回采期间冲击释放能量较掘进期间总 体上高 2 ～3个数量级 掘进期间能级为 l 0 ～ l 0 J ， 回采期间能级为 1 0 。 ～1 0 J 。 4 ． 3 冲击类型及冲击影响因素 冲击震源为冲击矿压发 生时岩体破裂 和能量 释放的初始位置 ，可根据冲击震源位置判断冲击矿 压类型。图 7中 2 5 l 1 0下巷及 F 1 6断层附近的历次 冲击属于断层煤柱型冲击 ，具体为第 5 2 0 1 0年 1 月 1 9曰 、9 2 0 1 0年 8月 1 1日 次冲击为典型的断 层活化型冲击；第 4 2 0 1 0年 1 月 8 E 1 、6 2 0 1 0年 2 月 1 0日 、1 5 2 0 1 1 年 8月 2 6日 次冲击为典型的煤 柱破坏性冲击 ；耦合失稳型冲击因其作用机制的复 杂性而较难辨别。震源位于 2 5 1 1 0工作面中部小断 层附近的 4次冲击 第 1 2 ，1 3 ，l 7 ，l 9次冲击 属于 老顶破断或断层滑移导致老顶破断的顶板破断型冲 击。可见 ，断层煤柱型冲击 占大多数。 图 7表明，2 5 1 1 0工作面冲击主要受断层、采 掘扰动、采深 约 9 0 0 m 、围岩体结构、巷道布置等 因素影响。下巷采深大于上巷，且上巷布置在上区 段采空区下方煤体中，巷道 已充分卸压，下巷 围岩 应力显著高于上巷 ，下巷冲击较上巷严重 ；回采面 与掘进面距断层距离越小，回采和掘进对断层扰动 作用越大，断层越容易滑移 ，冲击越严重 ，且回采 对断层的扰动作用大于掘进 ，回采期间的冲击强度 和冲击频次高于掘进期问。 』 八 世 J 2 5 1 1 O k巷 ／＼ ／ 11／ 。 。 zs ⋯ 作 面 引 巷 回 卜 ≤ 皇 4 0 6 e F 1 6 逆冲断层 一 图 7 2 5 1 1 0工作面冲击震源分布 Fi g ． 7 T h e b u r s t s o u r c e d i s t r i b u t i o n o f c o a l f a c e 2 5 1 1 0 ⑩ h 瓣一 O 4 删 第 3 2卷第 2期 李振雷等深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究 3 3 9 为了研究煤层固有属性对冲击的影响，根据 GB ／ T 2 5 2 1 7 ． 2 2 0 1 0 冲击地压测定、监测与防治 方法 ， 表 1 为煤的冲击倾向性鉴定标准指标。 采集 21 煤层煤样于实验室做冲击倾 向性试验 ，试验结 果见表 2 。结果表明，21 煤层具有强冲击倾向性。 表 1 煤的冲击倾向性判别标准指标 T a b l e 1 T h e e v a l u a t i o n c rit e ria i n d i c e s f o r c o a l b u r s t t e n d e n c y 表 2 跃进煤矿 21 煤层冲击倾向性指标 Ta b l e 2 Th e b u r s t t e n d e n c y i n d i c e s o fc o a l s e a l n 21 i n Y u e j i n c o a l mi n e 4 ． 4 冲击矿压作用机制 1 煤体冲击倾 向性能 试验表明，21 煤具有强冲击倾向性，为 2 5 1 1 0 工作面冲击矿压频繁发生的重要原因。 2 围岩体结构 2 5 1 1 0工作面回采过程 中产生 2类断层煤柱 。 图7 中 区域 自切眼至停采线且位于2 5 1 1 0 下巷与 F 1 6 逆冲断层之间的梯形煤柱区，煤柱宽度约 7 5 ～ 2 3 0 m 为第一类断层煤柱，煤柱宽度随回采而增大； 工作面回采至中部小断层附近时，在小断层与工作 面之 间形成第二类断层煤柱 ，煤柱宽度随回采而减 小 。 2 5 1 1 0 工作面 1 1 ． 5 1T I 厚煤层及其上下方 2 6 1 T I 厚 泥岩被夹持在巨厚砂岩顶底板之间，积聚大量弹性 能，加上 F 1 6断层 闭锁区积聚的弹性应变能，是冲 击矿压发生的能量源；随工作面回采 ，断层煤柱一 侧为采空区，一侧为断层 ，且第二类断层煤柱尺寸 不断减小，受巨厚砂岩老顶断裂及回转下沉影响， 断层煤柱中产生高应力集中，可使煤体在静态应力 状态下达到极限强度而破坏 ，为冲击矿压发生的突 破 口；回采扰动可导致 F 1 6断层 、工作面中部小断 层滑移及砂岩老顶破断，对煤岩体及断层煤柱施加 动态应力，与煤体中的静态应力叠加可达煤体极限 强度而冲击破坏 ，为冲击矿压的诱发因素。 3 应力状态 2 5 1 1 0工作面采深达 9 0 0 m，若按岩体平均容 重 2 5 k N／ m 计算 ，岩体 自重应力超过 2 2 MP a 。为 研究 2 5 1 l 0工作面回采期间断层煤柱、F 1 6断层及 2 5 l 1 O 工作面的应力分布情况， 本文对 2 5 采区进行 了数值模拟。数值模型的建立参考 2 5采区地质条件 并予以简化 ，不考虑采区中部小断层，各岩层赋值 参考 2 5 1 1 0地质综合柱状图，模型尺寸为 1 3 6 5 mx 1 0 5 0 mx 3 5 0 m 长 宽 高 ，模型开挖依据 2 5 采 区 实际开采顺序进行 ， 2 5 0 1 0 2 5 0 9 0五个工作面 已开 挖完毕 ，2 5 l 1 O工