构造对冲击地压的控制作用及案例分析.pdf

收稿日期收稿日期20 xx–xx–xx；修回日期修回日期20 xx–xx–xx 基金项目基金项目国家重点基础研究发展计划（973）项目2010CB226803；国家自然科学基金资助项目51174016 作者简介作者简介 王存文1980， 男， 黑龙江牡丹江人， 讲师， 主要从事矿山灾害机理、 监测和治理研究。 E-mailwangcunwen 构造构造对对冲击地压的冲击地压的控制作用控制作用及案例分析及案例分析 王存文，姜福兴，刘金海 北京科技大学 土木与环境工程学院 北京 100083 摘摘 要要构造对冲击地压具有控制作用。从构造形成机制的角度分析构造区的应力环境，并运 用矿山压力理论、数值模拟等探讨断层、褶皱、相变诱发冲击地压的机理，并对典型案例进行分 析。得出结论1断层、褶皱、相变等构造诱发冲击地压的机理为构造应力与采动应力叠加； 2将褶皱各部位的受力状态分为 5 个区，其中向斜轴部、 背斜轴部、翼部是冲击地压的易发区； 3避免应力叠加是防治构造控制型冲击地压的有效途径。研究结论对冲击危险性评价、冲击地 压防治等具有参考意义。 关健词关健词煤矿；冲击地压；构造；控制作用；应力叠加 中图分类号中图分类号TD 32 文献标识码文献标识码A Analysis on control action of geologic structure on rock burst and typical cases WANG Cun-wen，JIANG Fu-xing，LIU Jin-hai Civil 2 one fold can be divided into five parts according to the difference of stress states, and coal burst has often happened in the synclinal axis, the anticlinal axis and the flank of fold; 3 the effective approach to prevent tectonic-controlled coal burst is to avoid the stress superposition. The results have great significance to risk assessment and prevention of coal burst. Key words coal mine; coal burst; geologic structure; control action; stress superposition 冲击地压发生机理一直是采矿和力学界长 期探讨而未解决的课题。齐庆新提出了基于微地 震监测技术的冲击矿压应力控制理论[1]，潘一山 提出了用于判别煤层冲击倾向性与危险性评价指 标[2]，窦林名等提出了冲击地压强度弱化减冲理 论。从工程上看，冲击地压类型主要有巨厚坚硬 岩层断裂诱发的冲击（Ⅰ类） 、底板屈曲断裂诱发 的冲击（Ⅱ类） 、自重与采动应力叠加诱发的冲击 （Ⅲ类） 、煤柱集中应力诱发的冲击（Ⅳ类） 、厚 煤层动力扩容诱发的冲击（Ⅳ类） 、构造应力或构 造应力与采动应力叠加诱发的冲击 （Ⅴ类） 。 目前， 针对Ⅰ～Ⅳ类的研究较为深入，取得了丰硕的研 究成果[1][5]。 从 20 世纪 90 年代起，采矿科学的研究人员 开始关注构造对冲击地压的作用，如孙步洲[6]通 过对陶庒煤矿地表移动观测资料和冲击地压进行 2 实际对比， 得到了断层参与诱发冲击地压的认识； 谭云亮[7]通过分析门头沟井田构造应力场和冲击 地压发生区域的关系，获得构造应力对冲击地压 的发生起制约作用的认识；陈国祥[8]采用数值模 拟方法反演了褶皱的形成过程及应力分布规律， 分析了褶皱不同部位的应力状态；姜福兴[9]通过 分析微地震监测到构造活化现象，将构造控制型 冲击地压分为增压型和减压型两类。此外， 据统计，发生在构造（主要指断层、褶皱、 相变）附近的冲击地压占所有冲击地压发生次数 的 70以上。本文结合构造地质学、地质力学、 矿山压力等，分析各种构造对冲击地压的控制作 用，并结合典型案例进行分析，以期为现场冲击 地压防治提供参考。 1 构造对冲击地压的控制构造对冲击地压的控制机理机理 1.1 断层诱发冲击地压的机断层诱发冲击地压的机理理 煤田内广泛存在的断层类型主要有正断层、 逆断层。断层类型不同，其成因也不同，诱发冲 击地压的机理也不相同。 1逆断层 根据地质力学观点[10]，逆断层主要是由水平 挤压形成。 通常逆断层形成前的状态为背斜构造。 单一岩层或岩层组长期受到平行于层面的高水平 应力挤压作用，岩层或岩层组中部发生隆起，形 成背斜构造，如图 1a所示；受到水平应力的继 续挤压和扭应力作用，特别是两侧水平应力的不 均匀作用，背斜核部继续隆起，两翼继续向核部 挤压，并在一翼中部发生扭转，如图 1b所示； 随着翼部向上运动和两侧水平应力的继续作用， 扭曲的翼部中部发生相对位移，并产生剪应力， 在强大剪应力作用下，翼部中部出现破裂面，破 裂面两侧（即上、下盘）产生错动，形成逆断层， 如图 1c所示。 a 背斜 b 翼部扭曲 c 断层 图 1 逆断层形成过程 Fig.1 ation of reverse fault 由于逆断层是受到挤压形成的，岩层在受挤 压的过程中将产生变形， 内部积聚大量的弹性能， 尽管岩体发生塑性屈曲和断裂将消耗很大一部分 能量，但断层体内仍存有弹性能或残余应力。因 此，逆断层诱发冲击地压机理除应力叠加外，还 有弹性能的进一步释放，如图 2 所示。 图 2 逆断层诱发冲击地压机理的示意图 Fig.2 Schematic diagram of the mechanism of coal burst induced by reverse fault 2正断层 与逆断层相比，正断层对冲击地压的作用较 小，但也不能忽视。根据新巨龙矿井经验，当采 掘工作面位置到正断层的距离小于 70m时，工作 面围岩就有可能发生能量较大的煤炮。正断层主 要是受到侧向拉伸和垂直挤压作用形成的[11]，其 中垂直挤压作用为主。如图 3 所示，当完成岩体 长期受到垂直挤压载荷作用时，岩体内部会产生 一条破裂面见图 3a；然后，在侧向拉伸载荷作 用下，破裂面两侧上、下盘岩体被拉开见图 3b，形成断层；断层形成后，岩体上均布载荷 P1 P2 P1 P2 断层形成的支承压力分布断层形成的支承压力分布 叠加后的支承压力分布 采掘形成的支承压力分布采掘形成的支承压力分布 残余弹性能 3 将重新分布，上盘临近断层面处产生应力集中， 造成上盘中软岩体产生塑性流动，下盘远离断层 面处产生应力集中，造成下盘中软岩体向断层面 方向产生塑性流动，最终导致断层面附近上盘软 岩体变薄，下盘软岩体变厚，如图 3c所示；上、 下盘软岩体产生塑性流动后，将进一步造成应力 向外侧转移，即在距离断层面较远处产生应力集 中，如图 3d所示。 a 破裂面 b 正断层 c 软岩体变形 d 支承压力分布 图 3 正断层形成过程 Fig.3 ation of normal fault 正断层体内没有能量积聚，其诱发冲击地压 机理主要是应力叠加，如图 4 所示，即断层形成 的支承压力与采掘形成的支承压力叠加。 图 4 正断层诱发冲击地压机理的示意图 Fig.4 Schematic diagram of the mechanism of coal burst induced by normal fault 图 5 所示为数值模拟揭示的采掘工程开挖前 后正断层两侧的垂直应力分布情况。从图中可以 看出，采掘工程开挖前正断层上下盘出现集中应 力见图 5a， 最大值为 30MPa； 采掘工程开挖后， 正断层下盘进一步发生应力集中，即断层形成的 支承压力与采掘工程开挖形成的支承压力叠加， 最大值为 40MPa。可见，应力叠加是正断层诱发 冲击地压的主要原因。 1.2 褶皱诱发褶皱诱发冲击地压冲击地压的机理的机理 褶皱对冲击地压也有控制作用。现场实践证 明[12]-[15]，当采掘工作面接近向斜轴部或翼部时， 经常有冲击地压、煤炮等动力现象发生。 a 采掘工程开挖前 b 采掘工程开挖后 图 5 开挖前后断层附近垂直应力分布 Fig.5 Distributions of vertical stresses near fault before and after excavating 煤矿常见的褶皱是通过纵弯作用形成的，即 岩层或岩层组在长期水平挤压载荷作用下发生缓 慢变形，并形成褶皱。褶皱形成后，各部位的受 力状态有较大差异。根据陈国祥[8]、王玉刚[12]的 模拟结果，向斜、背斜内弧的波谷和波峰部位呈 现水平压应力集中，向斜、背斜外弧的波谷和波 峰部位呈现拉应力集中，翼部呈现压应力集中。 根据褶皱的形成机制，可将褶皱各部位的受力状 态分为 5 个区见图 6Ⅰ区铅直为拉力，水平为 压力，采掘工程布置在该位置时易发生片帮；Ⅱ 区铅直为压力，水平为拉力，采掘工程布置在该 位置时易发生冒顶和冲击地压；Ⅲ区水平和铅直 均为压力，采掘工程在布置该位置时易发生冲击 地压；Ⅳ区的受力状态同Ⅱ区， Ⅴ区的受力状态 同Ⅰ区；此外，褶皱翼部还受到强剪应力，采掘 工程在布置该位置时还易发生围岩剪切破坏。 断层形成的支承压力分布 叠加后的支承压力分布 采掘形成的支承压力分布 冲击 支承压力曲线 4 图 6 褶皱各部位的受力状态 Fig.6 Stress states in each location of fold 另外，由于褶皱是受水平挤压应力形成的， 褶皱区岩体内部将存有残余应力和弹性能。弹性 能的进一步释放，也是造成冲击地压的一个重要 因素。 1.3 相变诱发相变诱发冲击地压冲击地压的机理的机理 相变主要是指煤层硬度、煤层厚度、煤层倾 角、岩性等发生变化。现场实践证明，当采掘工 作面接近相变带时，经常发生煤炮、冲击地压等 动力现象。 相变产生的原因包括沉积环境变化和其它构 造运动。产生相变后，相变周围岩体的应力状态 发生改变。图 7 所示为煤层与冲刷层交界处的应 力分布情况。从图中可以看出，由于煤层硬度比 冲刷层的硬度大，煤层中产生应力集中，采掘工 作面的推进造成前方出现支承压力，随着采掘工 作面的推进，冲刷带形成的支承压力和采掘形成 的支承压力在采掘工作面前方叠加，诱发冲击地 压的发生。另外，煤层硬度、岩性变化诱发冲击 地压的机理与之相同。 图 7 冲刷带诱发冲击地压机理的示意图 Fig.7 Schematic diagram of the mechanism of rock burst induced by erosion zone 褶皱、断层的形成通常伴有煤层厚度、倾角 的变化。煤层厚度、倾角变化的力学机理是应力 集中。根据地质力学的观点，煤层厚度变薄及倾 角变大处往往是应力集中处。因此，当采掘工作 面接近这些区域处，易造成应力叠加，有可能导 致冲击地压的发生。 2 典型案例分析典型案例分析 2.1 断层诱发的冲击地压断层诱发的冲击地压 1 “4.1”冲击地压事故分析 2011 年 4 月 1 日 23 时 23 分，山东某矿 3110 工作面采煤机下行割煤时机尾发生冲击地压事故 位置见图 8， 造成上出口向外 17m范围内巷道底 臌 1.7～1.8m，超前支护的单体支柱、铰接顶梁折 损 50 余棵，部分支架液压锁被击穿，个别支架护 帮板销子被切断，采煤机右摇臂销子被冲断，后 部溜子机尾电机连接螺栓全部被切断，煤壁片帮 严重，有煤块抛出，支架歪斜，并造成 1 死 5 伤 的严重后果。 图 8 “4.1”冲击地压事故位置 Fig.8 Location of coal burst happened on 2011-4-1 从图中可以看出，3110 工作面为一“刀把” 式工作面，工作面西侧为 3111 采空区，东侧为 3109 采空区， 东侧有断层 F3110-1 和断层 F3109-1 在此交汇，采动应力与构造应力集中造成此次冲 击地压事故的发生。 2 北回进风巷掘进迎头动力显现分析 新巨龙矿井北回进风巷掘进工作面位于一采 区东部，由北回风大巷开门贯通 1301 下平巷，巷 道断面为矩形，净宽 5m，净高 3.8m，设计长度 为 132.87m，沿煤层顶板掘进，采用锚带网加锚 索支护方式。2011 年 7 月 29 日，该巷道掘进至 68m 处时，迎头发生能量较大的煤炮，迎头煤体 有掉渣现象，具体位置见图 9。 图 9 新巨龙矿井北回进风巷平面图 Fig.9 Plan of intake entry to north return airway in Xinjulong mine 3110 工作面 3111 工作面 3109 工作面 F3110-1∠60H6m F3109-1∠65～75H2～8m 3110 中间 运输巷 事故位置 北回进风巷 1301 停采线 FL9 北回风大巷 1301 下平巷 煤炮 冲刷带形成的 支承压力分布 叠加后的支承压力分布 采掘形成的 支承压力分布 冲击 冲刷带 Ⅰ区 Ⅱ区 Ⅲ区 Ⅴ区 Ⅳ区 Ⅰ区 Ⅱ区 Ⅲ区 5 从图中可以看出，北回进风巷左侧分布有 FL9 正断层，落差为 5m，煤炮发生时掘进迎头到 该断层的距离约 50m。经分析，发生煤炮的主要 原因是 FL9 断层形成的支承压力与掘进形成支承 压力在掘进迎头前方叠加。对掘进迎头及两帮煤 体进行大直径钻孔卸压后，直至北回进风巷与 1301 下平巷贯通，未再发生煤炮。 2.2 褶皱诱发的冲击地褶皱诱发的冲击地压压 1 山东某矿“11.30”冲击地压事故分析 2004年11月30日15点38分， 山东某矿6303 工作面辅助顺槽掘进过程中发生冲击地压事故 位置见图 10，迎头后方 30m 巷道受到不同程度 破坏，巷道上帮突出 0.5 2.5m，顶板下沉 0.2 0.5m，另外造成电站后部 6 个平板车被掀翻。 图 10 “11.30”冲击地压事故位置 Fig.10 Location of coal burst happened on 2004-11-30 从图中可以看出， “11.30” 冲击地压事故位置 位于一向斜轴部，该区域存在残余构造应力。另 外， 该区域还分布有 SF28 断层和 SF33 断层， SF28 断层落差为 3m，SF33 断层落差为 0.8m，断层造 成煤岩体产状发生变化。可见，褶皱、断层形成 支承压力与掘进形成的支承压力叠加是此时冲击 地压事故发生的主要原因。 2 2301 工作面动力显现分析 2011年5月4日～5月17日， 新巨龙矿井2301 工作面推进过程中微震事件急剧增多，如下图所 示，图中圆点表示岩体破裂位置。 从图中可以看出，微震事件具有明显的分区 性，集中分布在背斜翼部。由上述分析可知，背 斜翼部是构造应力集中区，铅直和水平方向均为 压力应力，易积聚能量。当工作面推进到背斜翼 部时，积聚在翼部岩体中弹性能得到释放，导致 岩体破裂加剧，表现为微震事件增多。 图 11 2301 工作面微震事件平面投影2011.5.4 -5.17 Fig.11 Distribution of microseismic events in LW 2301 2.3 相变诱发的冲击地压相变诱发的冲击地压 2011 年 8 月 26 日 1 时 30 分左右，新巨龙矿 井 2302 下平巷掘进迎头发生一个煤炮， 迎头后方 5～6m 范围内出现异常响声，顶煤掉渣，持续约 3 分钟；3 时 40 分左右，迎头发生冲击地压，位 置见图 12，迎头左上方弹出一 0.3m0.2m0.3m 的煤块。 图 12 2302 工作面冲击地压位置 Fig.12 Location of coal burst on LW 2302 2302 下平巷位于二采区中部，西部为正在开 采的 2301 工作面。巷道断面为矩形，荒宽 4.8m， 荒高 3.85m，沿煤层底板掘进，采用锚带网锚索 支护方式。冲击地压发生位置距离 2301 采空区 344m，距离 FD6 断层 222m。根据相邻工作面采 动影响距离实测结果200m和断层诱发煤炮经验 距离70m，这些因素不可能诱发此次冲击地压。 经现场勘查，2301 下平巷掘进迎头煤体硬度 存在差异，即煤层内部发生相变，如图 13 所示， 迎头左侧煤体较硬，右侧煤体偏软。掘进头后方 原岩应力向前转移过程中，由于右侧煤体承载能 力差，造成应力在迎头左侧煤体中集中。掘进头 埋深约 900m，此处原岩应力约 22.5MPa，应力集 中系数取 1.4，则迎头右侧煤体中的垂直应力约 31.5MPa； 煤体强度为 18MPa， 则冲击指数为 1.75， 大于临界值 1.5，因此，迎头左侧煤体满足了冲击 地压的应力条件。随着掘进，对迎头左侧实时强 卸压措施，至今未再发生动力显现。 SF28 断层 SF33 断层 6303 胶带顺槽 6303 辅助顺槽 2302 下平巷 2301 采空区 2301 下平巷 FD6 断层∠70 H0～4m 冲击地压位置 二联巷 6 图 13 掘进迎头煤体硬度变化及支承压力分布 Fig.13 Difference of coal hardness and distribution of abutment pressure on the front of driving end 3 构造控制型冲击地压构造控制型冲击地压防治措施防治措施 构造诱发的冲击地压统称为构造控制型冲击 地压[4]。该类冲击地压发生的机理主要是构造形 成的支承压力与采掘工程形成的支承压力叠加。 避免应力叠加是控制该类冲击地压的有效途径。 主要措施有超前卸压、优化开采顺序。 1超前卸压 构造附近煤岩体内的应力集中程度高。当采 掘工作面接近该区域时，可对工作面迎头、两帮 实施大直径钻孔，使应力向煤岩体深部转移，从 而达到卸压的目的。根据多个矿井的实践，比较 可靠的卸压钻孔参数为钻孔直径 120～150mm， 钻孔间距不大于 2m，钻孔深度不小于 20m，孔口 高度 1～1.5m，超前卸压距离不小于 60m。 2优化开采顺序 采用合理的开采顺序，也能避免人为造成的 应力叠加。如在褶皱区，从轴部开始采掘，能够 避免在轴部产生应力叠加；在断层区，从断层处 开始采掘，可避免应力在断层附近叠加；在相变 区，从煤层变薄处开始采掘，能够避免应力在相 变附近叠加。但是该方法受开采条件限制，通常 采掘区域分布有多个构造，应根据具体条件，选 择合理的顺序。 4 结论结论 1 断层、 相变、 褶皱等构造对冲击地压具有 控制作用。其中断层、相变诱发冲击地压的机理 是其形成的支承压力和采掘工程形成的支承压力 叠加；褶皱诱发冲击地压的机理是向斜轴部、翼 部存在的残余应力与采掘工程的形成的支承压力 叠加。 2 褶皱的不同部位具有不同的应力状态， 其 中向斜、背斜内弧的波谷和波峰部位、翼部呈现 水平压应力集中，是冲击地压的易发区。 3 避免应力叠加是防治构造控制型冲击地 压的有效途径，主要措施有超前卸压、优化开采 顺序等。 参考文献参考文献 [1] 齐庆新, 李宏艳, 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