顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究.pdf

第39卷 第1期 中国矿业大学学报 Vol. 39No. 1 2010年1月 Journal of China University of Mining 中国矿业大学青年科技基金项目2007A004 ;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项目08KF09 作者简介牟宗龙19792 , 男,山东省胶州市人,讲师,工学博士,从事冲击矿压和采场顶板控制及监测方面的研究. E2mail muzonglong Tel 0516283885904 顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究 牟宗龙1 ,2,窦林名1,倪兴华2,张明伟1 1. 中国矿业大学 矿业工程学院,煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221116 ; 2.兖州煤业股份有限公司 兖矿集团博士后工作站,山东 邹城 273500 摘要采用模拟试验方法研究了顶板岩层对煤体应力状态的影响,并根据震动能量对煤体的破 坏效应和在岩体中的传播衰减规律,从能量角度分析了煤层上方不同厚度和强度的顶板岩层对 煤体冲击的影响程度.结果表明,顶板释放的能量与岩层强度呈对数关系、 与顶板厚度呈指数关 系,坚硬、 厚层顶板岩层会对煤体产生更为强烈的扰动,使冲击矿压危险性明显升高.另外,具有 一定厚度和强度且距离煤层较近的老顶岩层运动产生的冲击载荷对煤体的影响作用较大.某矿 一个工作面的冲击矿压防治工程实践表明,对该煤层上方的顶板岩层实施爆破弱化处理技术措 施后,可有效降低工作面回采过程中的冲击危险性. 关键词冲击矿压;顶板岩层;断裂;震动能量 中图分类号 TD 324文献标识码 A文章编号10002196420100120040205 Research on the Influence of Roof Strata on Rock Burst Risk MU Zong2long1 ,2, DOU Lin2ming1, NI Xing2hua1, ZHANG Ming2wei1 1. School of Mines ,State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining , China University of Mining 2. Postdoctoral Workstation ,Yanzhou Mining Group ,Zoucheng ,Shandong 273500 ,China Abstract The influence of the roof stratum on the stress state of a coal mass was studied by simulation s. The attenuation of seismic waves through the rock mass , and the damage from the action of seismic energy on the coal mass , was treated by considering the energy of the waves. The danger of rock burst was analyzed by considering roof strata of different thicknes2 ses and strengths. The energy released during roof rupture is logarithmically related to the roof stratum strength and exponentially related to its thickness. A harder and thicker roof stratum generates higher dynamic stresses on the coal mass and increases the danger of rock burst. Strata of a particular thickness and strength located near the coal seam often have greater influ2 ence on rock burst. Control practices at the working face of one coal mine suggested pre2split2 ting the roof strata above the coal seam by blasting can reduce the danger of rock burst. Key words rock burst ; roof stratum ; rupture ; seism energy 近年来,我国煤矿冲击矿压灾害的发展趋势是 逐渐增多,日趋严重,冲击矿压已经成为煤矿重大 自然灾害之一,进行冲击矿压的机理、 影响因素、 预 测预报及防治研究十分必要和迫切[122].实践表明, 很多冲击矿压事故是由开采后顶板岩层的运动引 起的,煤矿冲击煤层的顶板厚而坚硬,冲击矿压经 常发生在顶板岩层突然垮落时[328]. 除了采深和煤层冲击倾向性外,我国冲击矿井 第1期 牟宗龙等顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究 在进行冲击矿压危险性评估时一般都要重点考虑 煤层上方顶板岩层的赋存情况.目前,关于顶板岩 层对煤体冲击危险性影响的评价主要有2种方法, 一种是煤炭行业标准中关于对顶板冲击倾向性的 评价方法,即将煤层上方30 m范围内复合顶板弯 曲能量指数UWQ作为顶板岩层冲击倾向性分类标 准,按照相应指标,可将顶板岩层分为强冲击倾向、 弱冲击倾向和无冲击倾向.另一种是将以砂岩为标 准的顶板岩层厚度特征参数Lst作为判别系数,即 对煤层上方100 m范围内的不同分层按照相对弱 面系数进行累加,得到顶板岩层厚度特征参数[4] Lst ∑ hiri,1 式中hi为顶板在100 m范围内第i层岩层的总厚 度; ri为所给岩层的弱面递减系数.冲击矿压经常 发生的条件是,顶板岩层厚度参数值Lst≥50.这2 种评价方法实质上都表明了坚硬、 厚层且距离煤层 较近的顶板对冲击矿压危险性的影响相对要大. 研究表明[324],煤岩体内聚集的弹性能Uw与 顶板悬顶长度L的5次方成正比,即L值越大,积 聚的能量也越多,厚度越大的坚硬岩层越不易冒 落,形成的L值也就越大 Uw q2L5 8EJ ,2 式中q为单位长度悬顶重量与上覆岩层附加载 荷; E为悬顶的弹性模量;J为悬顶的断面惯性矩; L为悬顶长度. 坚硬厚层顶板破断或滑移过程中,由于大量的 弹性能突然释放而形成强烈震动[9],由于受到岩体 的阻尼作用,震动波能量随传播距离以指数函数或 乘幂函数趋势迅速衰减[10211],即大部分能量在震源 近区被消耗掉.文献[10]研究了巷道外围的冲击震 动源产生的震动波传播到巷道时对巷道稳定性的 影响,并建立了巷道围岩控制的强弱强结构控制模 型.若震源能量是确定的,当震源距离自由煤体较 远时,在传播到煤体之前震动能量已被大量消耗, 而距离煤层较近的震源对煤体的影响会更大.因 此,震源的强度和位置距自由煤体的距离对煤体 冲击危险性具有重要影响作用. 1 顶板岩层对煤体应力状态的影响 煤层开采后形成自由空间,顶板岩层失去支承 力,在覆岩压力作用下,顶板岩层发生弯曲变形直 至断裂滑移和垮落,一般情况下,回采工作面老顶 的厚度和初次垮落步距之比在1/ 10～1/ 30之间. 在采面初采期间,老顶在达到极限垮距前呈矩形板 状悬露于采空区上方.根据板模型四周的边界条件 不同,有4种情况,即四周均为实体煤的固支板; 一边简支采空区侧或断层侧 , 三边固支的板;两 邻边简支,两邻边固支的板;三边简支,一边固支 弧岛工作面条件下的板状结构的板.随着采面的 推进,老顶岩层的跨距逐渐增加,其中的应力也逐 渐增加,当老顶岩层内的应力超过岩层的极限强度 时,发生断裂破坏.自切眼起,随工作面推进,顶板 岩层产生初次破断和周期性破断,工作面煤体及支 护系统经历顶板初次来压和周期来压. 本文利用离散元程序UDEC410对煤层直接 上覆顶板岩层的强度、 厚度及断裂对煤体冲击矿压 危险性的影响规律进行了模拟,根据库仑2莫尔准 则建立采场平面应变模型,模型水平长度为600 m ,竖直方向高度为400 m ,模拟煤层的采深为800 m.结果表明,工作面的推进会引起顶板的加速运 动,使煤体应力状态在一定程度上产生突变,这种 突变在顶板岩层达到极限跨距而发生断裂期间表 现得尤为明显. 顶板岩层在断裂垮落过程中释放的能量明显 增加,可产生能量峰值,释放的能量与岩层的厚度 和强度均有关系,见图1～图2. 图1 岩体强度为120 MPa时的动能 Fig. 1Kinetic energy when the roof strength is 120 MPa 图2动能随岩层参数改变而变化 Fig. 2Kinetic energy changing with roof parameters 从统计结果来看,顶板运动产生的动能与岩层 强度呈对数关系、 与厚度呈指数关系增长,动能Ek 随顶板岩层强度σ、 厚度h的变化规律分别为 Ek Alnσ- B , Ekγe λh ,3 式中A ,B ,γ,λ为系数,因此坚硬厚层顶板岩层运 动时对煤体冲击的危险性影响更大. 14 中国矿业大学学报 第39卷 2 顶板断裂震动对煤体冲击危险性的影响 运用混凝土材料模拟顶板断裂时的震动情况, 将顶板岩层初次断裂时的力学结构简化为简支梁 结构,试验模型如图3所示.在荷载能力为5 000 kN的试验机上模拟顶板岩层的断裂,岩板长2 m , 宽015 m ,通过变化岩板的厚度分别为012 ,012 , 0131和0136 m进行4组试验.试验仪器主要包括 TDS26微震采集系统、Disp声发射采集系统和载 荷传感器,以测定岩板断裂过程中的震动、 声发射 和应力等变化情况. 图3 试验模型 Fig. 3Experimental model 1.载荷传感器; 2. 24 K声发射探头; 3.微震探头; 4.应变片 试验结果表明,顶板断裂瞬间,震动波、 声发 射、 应力等发生突变,且断裂产生的震动波可持续 一段时间,见图4. 图4 顶板断裂时产生的信号变化 Fig. 4Various signals caused by roof stratum rupture 实践证明,在顶板来压期间,煤体的冲击危险 性会有所升高,此时,煤体可在高夹持应力作用下 发生破坏,聚集的能量突然释放形成冲击矿压煤 层型冲击矿压 , 也可以是处于较高应力状态的煤 体在硬厚顶板岩层突然破断产生的强烈震动作用 下发生冲击破坏顶板型冲击矿压 . 顶板断裂产生的震动波诱发煤体冲击的条件 可从能量或应力角度考虑.一方面,煤体发生动力 破坏时,其能量转化遵循煤岩体动力破坏的最小能 量原理[12],即煤体破坏需要的能量为单向应力状 态下的最小破坏能量,即E1minσ 2 c/2E或E1min τ 2 c/2G,如果是处于三向应力的煤体破坏,则所需能 量为E2min K0σ 2 c/2E或E2min K0τ 2 c/2G,其中, K0 为大于1的系数.另一方面,震动波可在邻近自由 表面的煤帮附近造成相当高的拉应力,当拉应力大 于该处煤体的屈服极限,即σ ≥σ0、 且维持一定时 间后会造成煤体破坏 [13] ,一般条件可记为∫ t 0 [σt -σ0] αdt k, t 为层裂时间,α, k为常数. 设顶板岩层断裂时释放的震动能量为Ek,震 源距离巷道自由煤体的距离为l,该能量在岩体中 以指数形式衰减,衰减阻尼指数为η,传播到煤 体的能量为 E Eke -ηl .4 设巷道煤体在原岩应力场中积聚的弹性变形 能为E0,则巷道煤体系统中积聚的总能量为 EZ Eke -ηl E0,5 故巷道煤体系统中的弹性余能Er为 Er Eke -ηl E0-EX,6 式中 EX为其它各种形式的能量耗散,如岩体的 塑性变形损耗的塑性能等.根据单向受力煤体冲击 破坏的最小能量原理,当Er≥E1min,即 24 第1期 牟宗龙等顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究 Eke -ηl ≥E1min EX-E07 时,巷道煤体可能发生冲击破坏,此时 E≥E1min EX-E0, 或Ek≥ E 1min EX-E0e ηl .8 式7也称为巷道煤体结构在震源冲击扰动时 破坏失稳的能量准则[10 , 14].如某层位顶板断裂时 释放的震动能量Ek能满足式7或 8 , 则该岩层 对煤体冲击有明显影响作用,可称为诱冲岩层,通 过弱化处理该岩层可有效降低震源强度和降低煤 岩冲击危险性. 3 工程实例 济三煤矿位于山东省济宁市东部,该矿在开采 六采区6303面期间,曾发生多起严重的冲击矿压 显现. 6303面临近6302面采空区,通过现场观测, 6303面轨巷临近6302面采空区一侧的顶板存在 较大范围的悬顶,导致煤体内部产生相对高的应 力,如图5所示.且悬顶本身聚集了大量弹性能,随 工作面推进周期性冒落,巨大的弹性能量突然释放 形成强烈冲击和震动,该能量传递到6303面巷道 煤体上,当叠加后的应力超过煤体应力极限时,造 成顶板型冲击矿压的发生. 图5 巷道周围煤体垂直应力分布 Fig. 5Stress distribution of coal seam around roadway 按照岩层赋存条件和属性,可将煤层上方的顶 板划分为3层,1 层顶板厚约5 m ,2 层厚约20 m ,3 层厚约50 m ,根据数值模拟及计算结果,各 层顶板断裂产生的震动能量及衰减规律如图6所 示. 图6 震动能量及衰减规律 Fig. 6Seism energy and its damp transmitting rule 可见,煤层上方的3层顶板在形成悬顶时不仅 会对煤体施加夹持载荷,导致煤体应力集中程度增 加,且在断裂时产生的震动能量可传播到巷道煤体 尤其是1 层和2 层 , 使煤体的冲击危险性升 高. 实践中采用顶板爆破预裂措施弱化顶板,炮眼 距采空区侧巷帮300 mm ,与水平方向成75 夹角 朝向6302面采空区,眼深10～13 m ,装药长6 m , 联线方式为孔内并联、 孔间串联,一次爆破5个炮 孔.通过爆破,在顶板内形成裂隙,降低顶板整体强 度,减小悬顶长度和顶板断裂时对煤层的冲击震 动.经钻孔窥视仪、 电磁辐射法和钻屑法检测,实施 的爆破措施及冲击解危效果良好,保证了6303面 顺利回采完毕. 4 结论 1 顶板的加速运动使工作面前方煤体应力始 终处于不断变化状态.顶板断裂产生的动能与顶板 厚度呈指数关系、 与岩层强度呈对数方式关系增 长,坚硬厚层顶板岩层会对煤体产生更为强烈的扰 动,致使冲击矿压发生的危险性增大. 2 顶板岩层断裂是一个力学状态和能量的突 变过程,伴随着震动波、 声波等基本同步变化,断裂 前,各项参量变化平缓,断裂过程中,各项参量发生 突变,顶板断裂产生的震动可持续一段时间,使煤 体冲击危险性升高. 3 坚硬厚层顶板岩层对煤体冲击的影响有2 种情况,一种是当顶板悬顶长度增加时,煤体可在 高夹持应力作用下发生冲击破坏,第2种是在初次 和周期断裂期间产生较强烈的震动,其冲击动载可 诱发工作面附近已处于高应力状态的煤体发生突 然性破坏,形成顶板型冲击矿压. 4 实践证明,对煤层上方的部分诱冲顶板岩 层实施爆破弱化处理措施后,可有效降低工作面开 采过程中的冲击矿压危险性. 参考文献 [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. 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