煤矿开采冲击地压启动理论.pdf

第 3 1卷第 3期 2 0 1 2 年 3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 V l0 l - 3 1 N0 ． 3 M a r c h， 2 01 2 煤矿开采冲击地压启动理论 潘俊锋 ～，宁 宇 ，毛德兵 ～，蓝航 ～，杜涛涛 ， 2 彭永伟 ， 1 ． 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京1 0 0 0 1 3 2 ．天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 3 ．中国煤炭科工集团有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 摘要依据微震监测结果，通过总结分析，指出冲击地压发生过程经历 3个阶段，将冲击地压重新分为集中静载 荷型和集中动载荷型，建立 2种类型的工程结构模型，分析各 自冲击启动的能量判据，引进 “ 不确定性系统分析 法” ，提出统一的煤矿开采冲击地压启动理论。结果表明，采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内 因；可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区；应用冲击启动理论能够揭示 2类典型冲击案例冲击过程， 并将冲击地压的时间序列与空间序列对应起来，为冲击地压监测与防治提供指导。 关键词采矿工程；冲击启动理论能量判据；底板冲击原理集中静载荷；内因；时间序列；空间序列 中圈分类号T D 3 2 文献标识码A 文章缩号1 0 0 06 9 1 5 2 0 1 2 0 3 0 5 8 61 1 THEORY oF RoCKBURS T S TART．UP DURI NG CoAL M I NI NG P AN J u nf e n g ～ ，N I NG Yu 3 ，MAO De b i n g ～ ，LA N Ha n g ’ 。 ，DU T a o t a o ～ ，P E NG Yo n g we i ， f 1 ． C o a l Mi n i n g a n dDe s i g n i n g Br a n c h，Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 01 3，Ch i n m 2 ． C o a l Mi n i n g a n dDe s i g n i n g De pa r t me n t ，T i a n d i S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yCo ． ，L t d ． ，Be ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；3 ． Ch i n aCo a l T e c h n o l o gy a n dEn g i n e e r i n gGr o u p Co r p，B e o i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t By s u mmi n g u p t h e r e s u l t s o f c a s e a n a l y s i s a n d mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g ，t h e t h r e e p e r i o d s d u r i n g r o c k b u r s t o c c u r r e d a r e p o i n t e d o u t ． T h e t y p e s o f r o c k b u r s t are n e wl y d i v i d e d i n t o c e n t r a l i z e d s t a t i c l o a d t y p e and c e n t r a l i z e d d y n a mi c l o a d t y p e ，a n d e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e mo d e l s o f t wo k i n d s o f r o c k b u r s t s are e s t a b l i s h e d ；t h e n， e n e r g y c r i t e r i a o f r o c k b urs t s t a r t - u p a r e a n a l y z e d ，a t l a s t ，t h e o r y o f r o c k b urs t s t a r t - u p d uri n g c o a l mi n i n g i s p u t f o r ward ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t ，t h e i n t r i n s i c f a c t o r o f r o c k b u r s t s t a t - u p i s t h e e x c e s s i v e a c c u mu l a t i o n o f s t a t i c l o a d i n n e a r - fi e l d s y s t e m o f mi n i n g r o c k ；t h e p o s s i b l e a r e a s o f r o c k b u r s t s t a r t u p a r e t h e ma x i mu m p e a k are a s o f s t r e s s i n t h e r e g i o n o f l i mi t e q u i l i b r i u m；the p r o c e s s o f r o c k b u r s t o f t wo t y p i c a l c a s e s o f r o c k b u r s t C an b e an a l y z e d b y u s i n g the t h e o r y o f r o c k b u r s t s tar t - u p；a n d the t i me s e r i e s a n d s p a t i a l s e r i e s o f r o c k b u r s t are c o r r e s p o n d e d ； S O a g u i d an c e i s p r o v i d e d for d e t e c t i o n a n d p r e v e n t i o n o f r o c k b u r s t ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ；t h e o r y o f b u r s t s t a r t u p； e n e r g y c r i t e r i o n ；fl o o r b urs t t h e o ry ； c o n c e n tra t e d s t a t i c 1 o a di n t r i n s i c f a c t o r ；t i me s e r i e s ；s p a t i a l s e r i e s 1 引 言 冲击地压是威胁煤矿井下安全生产的典型动力 灾害之一。据统计，目 前我国发生冲击地压的矿井 已经接近 1 3 0 多座，每年因冲击地压导致的伤亡人 数都有数百个 。冲击地压发生机制是冲击地压有效 监测与防治的基础，国内外从开始记载冲击地压现 收藕 日期l 2 0 1 1 0 71 8 修回日期 l 2 0 1 20 1 1 7 基盒硬目I国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 6 作者筒介-潘俊锋 1 9 7 9一 ，男，2 0 0 3年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事冲击地压、岩层控制、矿井安全高效开 采等方面的研究工作。E - ma i l p a n j u n f e n g y e a h ．n e t 第 3 1 卷第 3期 潘俊锋等 煤矿 开采冲击地 压启动理论 5 8 7 象至今已有 2 7 2 a的历史l J 4 J ，期间形成 了 “ 强度理 论”、 “ 刚度理论 ”、 “ 能量理论 ”、 “ 冲击倾 向 性 理论 ”以及后来 的 “ 失稳理论 ”和 “ 三因素机 制 ”等。这些理论都从不同侧面揭示了冲击地压发 生条件与原理 ，对于冲击地压研究起到 了应有的推 进作用。为了将冲击地压机制 向防治方 向延伸，窦 林名等【 5 J 提出冲击地压的强度弱化减冲理论。高明 仕等【 6 l 根据巷道冲击震动破坏的原因和机制，建立 了冲击地压巷道围岩稳定性控制 的强弱强结构力学 模型 。尽管如此， 目前冲击地压监测 、防治还是与 机制严重脱节，因而效果不佳，究其原因 1 目 前 的机制研究 比较抽象，还缺乏与工程结构相结合 ， 难 以对应到工程案例中去，从而缺乏实践指导意义； 2 目前人们对冲击地压认识是一个整体性概念， 或者更偏重于灾后结果性现象，缺乏发生过程剖析， 因而难以揭示冲击地压发生的时间序列及其对应的 空间序列 ，从而不能清晰解释整个冲击过程 ，也难 以指导监测与防治的目标与时机确定。为此 ，本文 通过对冲击地压发生过程的剖析 ，重新划分 了冲击 地压类型，将冲击地压机制研究与工程结构相结合， 提 出冲击地压发生过程 中的冲击启动理论，在揭示 了 2类典型冲击地压案例机制的同时，解释 了浅部 开采发生冲击地压的现象。 2 对冲击地压发生过程的认识 冲击地压发生整个过程经历 时间非常短暂，一 般为几十秒。但是 ，作为一种事件，总存在 自身的 发生阶段 ，只是尺度大小的问题 。肉眼所看到的往 往是冲击地压发生后、显现的状态，是一个结果， 表现为人员伤亡、设备损坏 、巷道破坏等 ，为此 ， 笔者把这种冲击地压发生后的结果性状态定义为冲 击地压显现 ，也就是冲击地压发生过程中的最后阶 段 ，实质上在其之前还有 2个阶段[ 7 - 8 1 。 采用矿 山微震监测技术对煤岩层破裂事件定位 所得到的位置，往往与实际冲击地压显现位置相差 甚远；通过钻孔应力计等手段监测到的围岩高集中 应力区，最终也不是冲击地压显现的区域 ，表 明冲 击地压肯定另外存在一个有别于冲击地压显现区域 的冲击启动区域，笔者把对冲击地压显现阶段起主 导作用的煤岩破裂区定义为冲击地压启动区域 ，同 时对应冲击地压发生过程 中的第一阶段，即冲击启 动 阶段 。 采用微震监测到一个高能量事件，随后又会监 测到低能量事件紧随其后 ，或者是监测到的能量特 别大，有的达到 1 0 J以上，但是 ，实际井下冲击地 压过后 ，冲击地压显现并不强烈，没有造成较大的 破坏；而有的时候，定位到的能量较小，反而冲击 地压显现很强烈 ，因此，说明从冲击启动到达冲击 地压显现阶段一定存在能量传递的过程，传递过程 可能造成能量的衰减 ，这就是冲击地压发生过程中 的第二阶段 ，即冲击能量传递阶段。 因此，本文对冲击地压发生过程 的认识是冲 击地压发生经历 3个阶段 ，依次为冲击启动阶段、 冲击能量传递阶段和冲击地压显现阶段。从防治冲 击地压和研究冲击地压发生条件角度来讲，最好将 冲击地压遏制在最初阶段 ，即冲击启动阶段，研究 冲击启动的条件将是本文的重点，如此可 以将冲击 地压防治研究着眼点提前到第一阶段 。 3 对冲击地压的分类 3 ． 1 冲击地压分类方法 目前，国际上还没有形成统一的冲击地压分类 方法。就我国而言，冲击地压的分类方法主要有【 】 J 1 1按参与冲击地压的岩体类别分为煤层冲击和 岩层冲击 ； 2 按地压显现强度分为弹射 、微冲 击和强冲击； 3 按震级及抛 出煤量分为轻微冲 击 、中等冲击和强烈冲击 4 按冲击地压 的破坏 后果分为一般冲击地压、破坏性冲击地压、冲击 地压事故。 此外，根据冲击地压的应力来源和加载形式， 也就是启动条件进行分类的方法突出了力源因素对 冲击地压 的作用，与冲击地压机制、防治研究相关 度最大 ，根据该分类依据，窦林名和何学秋【 4 】 将冲 击地压分为 由采矿活动引起 的采矿型冲击地压和 由 构造活动引起的构造型冲击地压，而采矿型冲击地 压可分为压力型、冲击型和冲击压力型，构造型冲 击地压主要可分为褶皱型和断层型；潘一山等【 9 】 将 其分为煤体压缩型、顶板冲击型和断层错动型 3类 ， 其中压缩型包括重力和水平构造应力引起的 2种； 齐庆 新和窦 林 明 】 将冲击地压分为重力型、构造 型、冲击震动型和综合型 4类；姜福兴等 U J 提出了 复合型厚煤层综放工作面 “ 震 一 冲 ”型动力灾害的 岩石力学与工程学报 概 念 。 3 ．2 基于冲击启动条件的冲击地压新分类 笔者前期 曾采用统计方法 ，分别 以 “ 冲击地 压 ”和 “ 冲击矿 压 ”为关键词 ，对 中国期刊 网中 2 0 0 0年至今 1 O 余年间的科技论文进行检索，共检索 到相关论文 3 6 7篇，根据这些论文提供的现场资料， 结合笔者所在课题组科研报告，归纳分析了我国近 年来共计 6 7 个矿井发生冲击地压的主导影响因素【 l 。 表 l 为冲击地压矿井的地质影响和开采技术因 素统计。地质影响因素主要包括坚硬厚层顶板、 上覆巨厚岩层、坚硬顶底板、地质构造、大倾角、 煤厚变化及天然地震。开采技术因素主要有 3个 本煤层开采形成的孤岛煤柱、煤层群开采条件下形 成的上覆煤柱以及放炮震动。 将表 1 中的众多因素进一步提炼，即从冲击启 动条件来重新划分，笔者认为冲击地压主要分为 2 种典型的类型集中静载荷型和集中动载荷型。 集 中静 载荷 型冲击地压发生 以应力 的缓慢迁 移 、集 中并渐进式加载为主要特征，主要影响因素 包括 1 1开采深度的增加导致 自重应力的增大； 2 历史构造运动导致水平构造应力增大； 3 相邻或 相向开采、孤岛煤柱导致支承压力叠加； 4 工作 面超前或巷道侧 向支承压力集 中； 5 煤层厚度 的 变化导致局部变薄或尖灭导致应力集中； 6 断层 导致 断裂区域上下盘应力的集 中； 7 开采或掘进 的速度太快，使煤岩体应力来不及调整等。 动载荷是指作用在给定物体系统上，大小、方 向和作用点都随时间变化的载荷 。本文所述集中动 载荷指源头相对集 中，短时间快速作用 的冲击载荷。 集 中动载荷型冲击地压发生以脉冲载荷或弹性波 的 加载形式为主要特征， 其主要影响因素包括 1 工 作面采空区大面积悬顶的破断、滑移； 2 大量回 收煤柱后引起的悬顶破断； 3 工作面附近断层 “ 活化 ”； 4 井下放炮产生的震动波 ； 5 天然地 震引起的扰动L l 引 。 4 冲击地压发生过程中的冲击启动 理论 4 ． 1 冲击地压的工程结构模型与启动能量判据 传统的冲击地压机制研究将冲击地压看作一个 整体概念 ，能量理论认为冲击地压发生的能量条件 为矿体 内与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释 放的能量大于消耗能量时就发生冲击地压，后来 G． B u h u o [ 1 3 ] 不断对其完善，进一步考虑 了岩体动力破 坏过程中的时间因素和能量释放的不均匀性，提 出 下式作为岩体冲击破坏的能量判据 f 1 f 1 ≥1 1 J T ， ＼ 一 ， d f 式中 ， 分别为围岩和煤岩体的能量释放系数； 表 l 冲击地压矿井的影响因素统计 T a b l e 1 S t a t i s t i c s o f i n fl u e n c i n g f a c t o r s i n r o c k b u r s t mi n e s 第 3 1 卷第 3期 潘俊锋等煤矿开采冲击地压启动理论 5 8 9 d ／ d t ，d V s ／ d t 分别为围岩系统和煤体内的能量释 放速度 ；d ／ d t 为煤体克服围岩边界阻力和破坏时 吸收能量的速度 。 从形式上看 ，式 1 考虑 了冲击地压发生的时间 效应以及岩体、煤体能量释放 的不均匀性 ，但是没 有考虑外界动载荷的可能参与，也没有考虑围岩的 结构因素。 白国良和梁 冰[ 1 4 】 认为当式 1 满足时，并不一 定发生冲击地压 ，因为围岩保持相对稳定还取决于 围岩暴露面的形状和面积 、岩体强度等因素，并将 式 1 整理为下式 警 ] 警 ] 警 c2 在式 2 两边对 t 积分得 4 - ≥ 5 f ， 3 式 中lf ， 为与 围岩 暴露面 的形状和 面积 、岩体 强 度等指 标相 关的 函数 ，对于特 定 的顶 板 ，l f ， 为常 数 。从而 以下式作 为岩体 失稳 的判据 4 - 一 一 ≥0 4 式 4 在式 1 的基础上考虑 到了采掘空 间结构 因素、岩体强度等因素，并且认为由于岩体并非 均质 ，因此在实际过程 中可能是局部岩体先失稳 ， 释放能量促进其他岩体失稳，如此形成一种正反馈 现象 ，最终导致整个岩体失稳 。白国 良和梁 冰L 1 J 进一步发展了能量理论，但是仍然缺乏具体性，没 有将冲击地压发生能量条件结合到工程结构 中，因 而缺乏实际应用意义。 从井 田范围来讲，冲击地压总是在局部区域发 生，由近 1 0 a来 6 7个矿井统计结果 ，冲击地压主 要发生在 回采巷道 、掘进工作面 以及回采 工作面 。 为此 ，笔者对 2种冲击地压类型建立工程结构模 型，将冲击启动能量条件与工程结构结合起来研究。 1 集 中静载荷型冲击地压启动能量判据 集中静载荷型冲击地压工程结构模型如图 1 所 示，设巷道无 限长 、两帮对称，以左帮为例分析。 巷道开挖前，巷道所处位置煤体均匀承载，因此不 存在应力集聚与分区。巷道开挖后 ，悬空顶板开始 下沉 ，承载区向巷道两帮迁移，由于两帮近似二维 受力，因此容易产生形变，覆岩开始 向两帮深处寻 找更刚性、更坚实的承载 区。同时两帮垂直应力表 现 出图 1所示的特征。依据郑桂荣和杨万斌【 J 5 J 的研 究，由垂直应力大小分布将巷道围岩分区如 图 1 中 破碎区 A、塑性区 、弹性区 C。显然 ，巷道两帮 围岩中应力分布出现区域性差别。 广义虎克定理三 向受力状态下的煤体弹性应变 能计算公式为 生 塑 5 式中E为弹性模量； 为泊松比o - , ， ， 分 别为第一、第二和第三主应力。 由式 5 可见 ，煤岩体给定， 和 就给定，因 此研究区储存弹性应变能就取决于该位置主应力大 小，也就是说巷道围岩各点应力不同其储存的弹性 应变能也一定不 同，从而可以通过围岩应力对巷道 两帮围岩弹性能储存进行分区。 图 1 集中静载荷型冲击地压工程结构模型 F i g ． 1 En g i n e e r i n g s t r u c t u r e mo d e l o f r o c k b u r s t u n d e r c e n t r a l i z e d s t a t i c l o a d 岩石力学与工程学报 2 0 1 2年 如图 l所示 图中， 一 为围岩应力峰值，％ 。 为巷帮的极限平衡区，晶。 为该区承载 的弹性应变 能1 ，由于煤岩体储存能量与应力集中系数呈非线性 趋势增加，则 Ⅸ 处 E 为巷道围岩各区域中弹性应 变能最大值， 。 区域也因此为巷道煤帮主承载区， 图 1中用弹簧表示。根据岩体动力破坏的最小能量 原理 无论在一维、二维或三维应力状态下岩体 动力破坏所需要的能量总是等于一维应力状态下破 坏所消耗的能量 。因此，该巷道煤帮主承载区发生 失稳破坏，无论是单轴压缩破坏还是剪切方式破坏 ， 其破坏的条件均为应力超过单轴抗压强度或抗剪强 度即 或 ，对应 的能量消耗准则【 J 为 巨 ／ 2 E 或 e c ／ 2 G 6 由此 ，得到巷道应力峰值区 处，冲击地压 启动的能量条件为 处集中静载荷不断渐进式增 加 ，在某一时刻，当 。 处集聚的弹性应变能大于 。处煤岩破坏所需要的最小能量，冲击式破坏从 。处启动， 启动后剩余的冲击能量 以巷帮浅部煤体 为介质和载体 向巷道空间传递，并进入冲击地压显 现阶段，从而整个冲击地压发生过程完成 。因此， 建立冲击地压启动能量判据为 。 一 0 7 其 中， o 可由 ％ 0 处 3个主应力代入式 5 求 出 。 2 集中动载荷型冲击地压启动能量判据 集 中动载荷型冲击地压工程结构模型如图 2所 示。图中，冲击地压 由工作面煤壁侧发生，冲击启 动受煤帮应力集 中和采场上覆坚硬顶板垮断同时影 响。其中，工作面煤壁极限平衡区集中静载荷 e o 由 式 5 计算得到。工作面煤壁极限平衡区因上覆顶板 悬顶造成该区应力高度集 中，储存弹性能量最大， 最容易满足失稳破坏条件 ，也是对外界动载荷响应 最灵敏的区域，但是外界动载必须 以该区域静载荷 集中度为基础 ，对其进行扰动或加载才能完成冲击 启动 。由图 2所示的顶板断裂弹性能传递至煤壁极 限平衡区的能量 日 由下式计算 。R叫 8 式中 。 为顶板断裂时释放的初始能量，可由微 震监测得出；尺 为顶板断裂位置与煤壁极限平衡区 的距离，可 由微震定位计算得到；r ／ 为煤岩介质中 弹性波传播时的能量衰减指数。 图2 集中动载荷型冲击地压工程结构模型 Fi g ． 2 E n g i n e e r i n g s t r u c t u r e mo d e l o f r o c k b u r s t u n d e r c e n t r a l i z e d d y n a mi c l o a d s 由此，得到工作面煤壁极限平衡区，冲击地压 启动 的能量条件为极限平衡区集聚的弹性应变能加 上顶板断裂传递来的动载荷能量大于该区煤岩破坏 所需要的最小能量。因此 ，建立冲击地压启动能量 判据为 一 巨0 9 4 ． 2 冲击地压发生过程中的冲击启动理论 2 0世纪 8 0年代末 ，在岩石力学界提出了 “ 不 确定性系统分析方法”，将工程岩体看成 “ 人地系 统”，用 “ 系统 ”概念来表征 “ 岩体 ”，使得岩体 的 “ 复杂性”得到全面科学的表达。这是因为岩体 既是一种典型的可以传递外界载荷的不连续介质 ， 又是一种可以存储 内在载荷的地质体，对于发生冲 击地压的岩体来说，由于岩体中能量受到各种扰动、 阻止或促进作用，并做 出相应的响应 ，同时岩体结 构也在不断的 “自组织”【 1 7 I 。 此外 ，节 2分析的 2种典型冲击地压发生工程 结构类型，集中静载荷型，除了巷帮极限平衡区自 身静载荷集中度满足条件 ，导致冲击启动外；如果 自身静载荷集中度不够，巷道中爆破作业等产生的 弹性波对其扰动，叠加也会导致冲击启动。而集中 动载荷型，如果采场上覆顶板悬顶，对工作面煤壁 极限平衡区产生的弯曲弹性能足够大，不需要等到 悬顶断裂 ，也会导致冲击启动 。 总之，集中静载荷可以独立导致冲击启动，而 集 中动载荷必须通过静载荷集中区来完成，如果静 载荷集 中度不够 ，传递到静载荷集中区的动载能量 将被消耗。另外，破裂点静载荷的长期积聚，超过 煤岩强度极限，静载荷便转化为动载荷 。因此静载 荷集中是冲击启动的内因。 鉴于 以上分析，研究冲击地压形成原因就变得 尤为复杂 ，难以建立线性的或严格的本构关系进行 单一方向的研究，本文引进岩石力学界 “ 系统 ”的 岩石力学与工程学报 2 0 1 2年 图 5 2 1 1 4 1 工作面前方 1 0 m处垂直应力云图 单位P a F i g． 5 V e r t i c a l s t r e s s n e p h o g r a m o f a h e a d 1 0 m o f wo r kf a c e 2 1 1 4 1 u n P a 进在 2 l 采区大孤岛煤柱中央，巷道两帮应力都高度 集 中，即冲击地压发生受集中静载荷主要作用。 巷道冲击地压显现主要表现为大量的底臌，下 面分析巷道底臌显现的机制 1 巷道两侧的应力分布和力学模型 巷道开挖后，由于岩体 内应力的重新分布，开 挖空间上覆岩体的 自重转嫁于巷道的两帮，形成高 于原岩应力 的侧帮支承压力 ，其应力分布如 图 6 [ 1 8 ] 所示 图中 Ⅳ 为底板水平应力 ，其 中峰值支 承压力 的计算公式如下 e a“ P o 1 0 式中n为应力集 中系数，一般为 1 ． 5 ～4 ． 0 。 图6 巷道侧帮支承压力分布 。 】 F i g ． 6 S u p p o rt p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f r o a d wa y s i d e [ 1 8 】 图6中支承压力带的宽度 可由下式确定 P 1 1 式中P 为底板岩体的极限承载力。 此时，可将整个巷道视为一由 3个部分组成的 构筑物巷道顶板及上覆岩体为上部结构物，两帮 岩体视为构筑物基础，底板岩体视为地基。上部结 构物的荷载通过基础传递到地基上。基础宽度为支 承压力带宽度 见图7 1 1 8 ] ，图7中， q为回填层或 道床压力或底板支护反力， 4 5 0 一 。 图7 巷道底板 地基 极限平衡力学模型【 。 F i g ． 7 M e c h a n i c a l mo d e l o f l i mi t e q u i l i b r i u m o f r o a d wa y fl o o r o r f o u n d a t i o n 【 8 1 2 巷道底板的极限平衡 在集中支承压力 上部荷载 作用下的底板岩体 地基 ，当应力达到或超过其极限承载力时，岩体 由弹性应力状态转变为塑性应力状态，岩体中出现 连续的剪切滑动面。此时，在底板岩体中形成主动 状态区 A O C，被动状态区 A DF和两者间的过渡区 AC D，在底板水平应力 Ⅳ作用下将产生运动趋势 ， 见图 7 。 根据太沙基理论 ，OC D F范围内的底板岩体处 于极限平衡 的塑性状态时，所对应的宽度 上的侧 帮极限平均集中应力 或底板的极限承载力 [ 为 1 q N ． C N o 9 7 ． 8 3 MP a 1 2 a 其中， Ⅳ q e t a n 4 5 。 e mn 3 O t a n 4 5 。 ] 3 0 。 ／ 2 1 8 ． 1 7 I Ⅳ c Ⅳ q一 1 c o t rp 1 7 ．1 7 c o t3 0 。 2 9 ．6 0 } 1 2 b N U 2 Ⅳ a 1 t a n rp 2 x 1 9 ． 1 7 t a n 3 0 。 2 2 ． 1 4 J 式中 ，Ⅳ a ，Ⅳ c 为承载力系数，且为底板岩体内 摩擦角的函数 ；C ， ， 分别为岩层的黏聚力，内 摩擦角和容重，根据千秋煤矿底板岩样数据，C 1 ． 3 8 MP a ， 3 0 。 和y 2 ． 4 9 N／ m ；q 0 ． 0 9 MP a 。而 在宽度 B 约为 2 m 范围内侧帮集中应力的实测平 均值 尸 n 1 0 1 MP a 。 由于 时，即侧帮集中应力超过底板岩体 极限承载力，底板岩体产生整体塑性剪切破坏，剪 切破坏体将沿连续滑动面 OC D F从底板向巷道 内挤 出，从而引起底臌发生。 根据 2 1 1 4 1 工作面应力实测结果，煤层中平均 第 3 1卷第 3期 潘俊锋等煤矿开采冲击地压启动理论 5 9 3 应力集中系数为 1 ． 7 ，工作面按埋深折算成重应力约 为 1 8 MP a ，算上应力集 中系数 ，峰值为 3 0 ． 6 MP a ， 而 实 验 室 测 得煤 层 单轴 抗 压 强 度 平 均 为1 8 ． 2 0 MP a 。冲击地压启动区域相对巷道全长来讲 ，可看 作一个单位区域 ，巷 帮集中静载荷 静由式f 5 估算 为 3 7 0 k J ／ m ，由式 6 计算得 E 4 9 k J ／ m ，由冲击 启动理论 EaE0，就集 中静载荷就足 以使得巷 道发生动力冲击。 因此巷道底板冲击机制为巷道侧帮应力的过度 集中使得底板有了破坏深度，底板具有冲击倾 向性， 具备储存因水平应力作用形成的弯曲弹性能，破坏 了底板的约束，使其瞬间释放 自身的弯 曲弹性能和 煤帮传递来的压缩弹性能，造成冲击地压显现 。 巷道两帮侧向集中应力、底板中的水平应力是 一 直存在 的，底板冲击的时机受工作面推进过程中 不同阶段系统内静载荷集中度、系统外集中动载荷 源产生时机的影响。因此 ，并非巷道全长都发生冲 击地压，而是存在时机性，并且分析表明，巷道冲 j W1 1 4 1【 采空区 j 。 w 1 1 4 3 工 作 面 0i ⋯ l ． 一l 。 煤柱 W1 1 4 5工作面 击启动实质来 自于两帮高集中应力区，底板只是能 量传递与释放 的载体，即冲击地压显现位置 。 5 ． 2 浅部集中动载荷型冲击地压分析 5 ． 2 ． 1冲击案例 新疆宽沟煤矿 W1 1 4 3综采面开采 B 41 煤层， 埋深 3 1 7 m， 倾角 1 0 ～1 6 。 ， 煤厚平均 3 m， 采高 3 m； 煤层顶板从下往上依次为粉砂岩性直接顶，平均 厚 9 m；煤层 B 42 ，平均厚 2 ． 5 m；粗砂岩性基本 顶 ，厚度大 。直接底为层状中砂岩，厚度 5 ． 2 13 1 ； 老底为粗砂岩，厚度 l 2 ． 9 9 I n 。煤层和顶、底板均 有冲击倾向性，且存在较大水平应力。 Wl 1 4 3综采面与上覆煤层 B 4 2层问距为 9 m， 目前 B 4 2 煤层 已回采了2个工作面，即 Wl 1 4 2 1 1 ， W l 1 4 2 3 。Wl 1 4 3综采面上顺槽 以南为实体煤岩 层。下顺槽 以北为 W 1 1 4 1采空区，两面之间留设 3 0 I T I 煤柱 。W l 1 4 3综采面 回采过程 中工作面靠近 下端头处 ，多次发生冲击地压，发生位置如图 8 所 示 ，冲击地压造成的破坏如图 9所示。 ⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯” ⋯ ～ ． ⋯ 一一二 一 ⋯ ⋯ 一 ⋯ ～ 图 8 W1 1 4 3工作 面布 置与冲击地压 位置 F i g ． 8 La y o u t o f wo r k i n g f a c e W l 1 4 3 a n d l o c a t i o n o f r o c k b u r s t a 工作面煤壁冲出煤体将煤机掀起 b 工作面底板瞬间臌起将煤机抛向支架立柱 图 9 W1 1 4 3工 作面冲击 地压造成 的破 坏 Fi g ． 9 B r e a k a g e o f wo r k i n g f a c e W 1 1 4 3 c a u s e d b y r o c k b u r s t 5 9 4 岩石力学与工程 学报 5 。 2 ． 2冲击地压机制分析 2 0 1 1 年 6月 1 2日，Wl 1 4 3工作面分别于 1 9 3 4 ， 2 3 1 3和 2 3 3 0发生 3次微震事件，其中发生在 1 9 3 4 的已属冲击事件 ，冲击显现在工作面下部 1 4 ～2 0 支架的区域 ，造成支架推移连杆震动 ，人员被底板 弹起 ，煤壁煤炮 声频繁且剧烈。微震监测系统定 位到 3次顶板断裂 ，在 ，y ， 坐标系中依 次为 7 1 5 m，8 9 3 6 12 1 ，l 3 4 7 1 1 1 ， 6 8 6 m，8 9 8 4 1 1 1 ， l 3 4 0 m 和 7 4 1 r n ，8 8 5 6 m，1 3 5 2 m ，能量分别为 4 ． 0 0 1 0 ，1 ． 0 0 1 0 和 3 ． 6 4 x 1 0 J ／ m 见图 1 O 。 工作面冲击地压显现主要表现为底板颤动与冲 击，煤壁煤体抛向支架，下面采用冲击启动理论分 析工作面冲击显现的机制。 由于采煤工作面前方为实体煤壁，后方为采空 区，因此对于上覆岩层的主承载区主要位于工作面 实体煤侧，类似于巷道的一侧，其应力分布和力学 模型如图 1 1 ，1 2所示。 工作面采场底板的极限平衡分析同巷道底板单 侧分析。根据 W1 1 4 3 工作面实际煤体应力计监测结 果，得到工作面超前支承压力影响范围为 0 ～6 0 1 1 1 ， 乓 磺 X／ i r l f a 平面图 倾向／ m b 剖面图 图 1 O 顶板断裂的微震定位 F i g ． 1 0 Mi c r o s e i s mi c p o s i t i o n s o f r o o f f r a c t u r e 第 3 1 卷第 3期 潘俊锋等煤矿开采冲击地压启动理论 5 9 5 图 1 1 工作面煤壁支承压力分布 F i g ． 1 1 S u p p o p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f wo r k i n g f a c e c o a l wa l l D |v 图 1 2 采场底板 地基极限平衡力学模型 F i g． 1 2 M e c h a n i c a l mo d e l o f l i mi t e q u i l i b r i u m o f wo r k i n g f a c e fl o o r 峰值处于工作面前方 1 3 ． 9 O ～1 6 ． 7 5 m 处。超前支承 压力集中系数平均为 2 ． 8 7 。W1 1 4 3工作面按埋深折 算成 自重应力为 7 ． 9 2 MP a ，加上应力集中系数 ，峰 值为 2 2 ． 7 3 MP a ，而实验室测得 B 41 煤层单轴抗压 强度平均为2 8 ． 8 0 MP a ，由式 6 计算得 ／ 2 E 2 8 ． 8 2 8 ． 8 ／ 2 x 7 5 9 ． 2 4 k J