深井大倾角厚煤层沿空掘巷底板冲击机理与防治研究

刘 霞，翟春佳，张 晴，李常浩

(1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260； 2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；3.潞安集团余吾煤业有限公司，山西 长治 046103)

巷道底板冲击是煤矿开采过程中的一种典型动力灾害。现有研究主要集中于近水平煤层底板冲击的显著特征、发生机理和防治等方面，而对于煤层倾角在30°～50°内的大倾角厚煤层巷道底板冲击的研究甚少[1-3]。研究表明，倾角较大的煤层比缓倾斜或近水平煤层更容易诱发底板冲击，因此有必要针对大倾角煤层底板冲击发生机理进行研究[4-5]。巷道底板冲击的发生不仅与巷道围岩应力环境有关，还与围岩力学性质相关，特别是煤层下方坚硬岩层对底板冲击发生有着重要的影响[6-7]。相关文献[2]指出，华丰煤矿于2006年9月9日在1410工作面上巷发生了一起冲击事故，震级为2.0级；微震监测结果表明，震源位于工作面前方30 m、主采4#煤层底板下方55 m处的石灰岩内(坚固性系数f=7.0)。华丰煤矿4#煤层埋深超过千米，且煤层平均倾角大于30°，属于深井大倾角煤层开采。研究表明，上覆岩层重量和开采引起的应力集中，致使坚硬底板产生变形和能量积聚，当能量积聚过大，由于没有缓冲夹层致使能量缓慢释放时，就会发生底板冲击。

据统计，我国煤矿底板冲击防治常用的方法分为主动解除危险和局部防治的方法[8-10]。在深井开采中，传统的主动解危方法由于高应力环境存在卸压工程量大、工序复杂等缺点，另外在某些复杂情况下很难保障冲击防治效果，因此不能从根本上预防或降低冲击危险性。针对这些问题，笔者运用弹性理论建立了大倾角厚煤层巷道底板冲击发生条件与影响因素之间关系的力学模型，研究沿空掘巷期间巷道底板冲击的防治机理，从而确定了底板冲击破坏与应力和能量的关系，对优化下一工作面沿空掘巷时巷道位置的布置意义重大。

1 大倾角煤层巷道底板冲击机理

基于地应力测试结果，华丰煤矿深部地层水平应力是垂直应力的1.7～2.0倍，可推断底板岩层主要受水平应力影响。华丰煤矿生产期间，底板岩层向上弯曲并承受弹性复原引起的变形，当岩层间的剪切应力超过临界值时，底板将会受到剪切破坏。因此，在直接顶、煤层和稳定底板岩层之间形成了一个倾斜的、薄且脆弱的底板岩梁体，如图1所示。

图1 底板岩梁结构模型组合示意图

在大倾角煤层条件下，采空区下方的底板岩梁体受多因素共同约束，包括未采掘的煤体和垮落矸石体。将底板岩梁体视作下端固定约束、上端简支约束的梁体结构，且浅部岩层对深部岩层施加的应力大小可被视为底板岩梁体受到的轴向力p。由于采空区的存在，底板岩梁体下方的稳定底板岩层所形成的弹性复原力q2可被视为底板岩梁体受到的横向力。沿煤层倾斜方向建立单位宽度的底板岩梁体失稳破坏力学模型，如图2所示。

图2 底板岩梁体失稳破坏力学模型

根据静力平衡条件[11]，底板岩梁体发生弯曲变形时满足以下微分方程：

(1)

式中：E为底板岩梁体的弹性模量，MPa；I为底板岩梁体横截面的惯性矩，m4；p为底板岩梁体受到的轴向力，kN；q1为采空区垮落矸石及其上覆岩层引起的压应力之和沿y轴方向的分量，kN；q2为底板岩梁体受到的横向力，kN；q3为底板岩梁体自重应力沿x轴方向的分量，kN；l为底板岩梁体的长度，m。

根据所建力学模型的边界条件，可获得用挠曲线的三角级数解来表示上述微分方程：

(2)

式中：an为第n项三角级数相关系数；n为三角级数展开项变量。

由于弯曲变形而存储的总能量为：

(3)

将式(2)代入式(3)可得：

(4)

如果(q1-q2)的值是恒定的，则基于最小能量准则可得：

(5)

式(5)中n≥0且为整数。当n=1时，底板岩梁体所能承受的最大拉应力σmax为：

(6)

式中：εmax为底板岩梁体最大弯曲应变量；h为底板岩梁体的厚度，m。

由弯曲变形而存储的弹性应变能为：

(7)

由强度条件可知，当σmax>[σt]时，坚硬的底板岩梁体结构将会突然破断，并释放存储于其中的弹性应变能。当弹性应变能无法缓慢释放时，底板冲击地压将会发生。由式(7)可知，对于某一特定的底板岩梁体，E和h的值是确定的，其破断时释放的弹性应变能的大小主要取决于底板岩梁体的围岩应力环境。因此，防治巷道底板冲击破坏的关键点在于远离围岩应力环境较大的区域，且防止底板中出现较高的应力集中，进而减小动力扰动对底板的影响，降低发生冲击地压的风险。

2 大倾角煤层冲击地压防治影响因素分析

以华丰煤矿1411工作面为例，分析探讨巷道掘进位置对防治冲击地压的影响。1411工作面沿空侧巷道共分5段掘进，其中Ⅰ至Ⅲ段掘进如图3(a)所示，采用小煤柱护巷的布置方式。并且在上保护层(1#煤层)和下保护层(6#煤层)的共同保护作用下，采取了破顶板、破底板和大直径钻孔等辅助措施。然而，沿空掘巷期间依旧发生了底板冲击矿压显现。例如，从2011年1月至12月，于沿空侧巷道内发生了1.9级和2.1级的矿震，能量大小分别为9.4×106J和2.2×107J。Ⅳ至Ⅴ段掘进如图3(b)所示，即沿空侧巷道布置于1410下巷底板卸压区下方。可见，此时不需要对沿空侧巷道围岩进行卸压处理，但掘巷期间巷道底板依旧发生了冲击地压显现。

(a)小煤柱掘巷 (b)无煤柱掘巷图3 1411沿空掘巷布置方式

为了探讨不同巷道布置位置对底板冲击地压防治效果的影响，以华丰煤矿1412工作面工程地质背景为基础，在综合考虑巷道顶板和底板应力分布的基础上，建立应力作用下底板的力学模型，确定沿空掘巷的合理位置。

2.1 采空区侧向支承应力分布特征

1412工作面上侧为1411采空区，下侧为实体煤，且1411采空区上方覆岩将会发生不规则垮落直至采空区被矸石充填满。因此，1412工作面直接顶的厚度Mz可由下式计算：

(8)

式中：hc为工作面开采高度，取6.4 m；KA为体胀系数，取1.4；SA为未垮落岩层在触矸点的下沉量，以基本顶为参照取SA=0。

然后建立1411采空区上覆岩层侧向结构模型，如图4所示。

1—负煤柱掘巷；2—无煤柱掘巷；3—小煤柱掘巷。图4 1411采空区上覆岩层侧向结构模型

结合图4，并由式(8)可计算出1412工作面上方直接顶的厚度为16.0 m，其中直接顶自下而上所包含的岩层依次为：2.5 m厚的粉砂岩⑩；9.2 m厚的细粒砂岩⑨；1.9 m厚的细粒粉砂岩⑧；2.4 m厚的中粒砂岩⑦。由于上覆7.3 m厚的中粒砂岩⑥呈现出较小距离内的不规则垮落，因此这一层位也被视作直接顶。基本顶的初次来压步距为51.0 m，其单轴抗拉强度为1.96 MPa，1412工作面基本顶厚度MEO可由下式计算：

(9)

式中：CO为基本顶初次来压步距，取51.0 m；ρE为基本顶岩层的平均密度，取2.7 t/m3；[σ]T为基本顶的单轴抗拉强度，取1.96 MPa。

结合图4，并由式(9)可计算出1412工作面上方基本顶的厚度为18.0 m，其中基本顶自下而上所包含的岩层依次为：2.2 m厚的细粒粉砂岩⑤；9.5 m厚的粉砂岩④；1.3 m厚的泥岩③；5.0 m厚的中粒砂岩②；2.0 m厚的泥岩①。对于1411综放工作面，其回采过程中液压支架额定工作阻力要小于理论计算值539.2 kN/m2，这表明其上方7.3 m厚的中粒砂岩层形成了一个承载结构体，与上方的基本顶共同组成保护结构。因此，将7.3 m厚的中粒砂岩和其下方16.0 m厚的岩层分别划分为上直接顶和下直接顶。

随着工作面的回采推进，上覆岩层经历不断运动，直至采空区矸石被逐渐压实。在此过程中，上覆岩层重量不断向实体煤深部转移，最终在煤体深部形成应力集中。因此，靠近采空区的煤体边缘区应力较小，沿空侧巷道应位于应力降低区。

2.2 底板应力计算力学模型

根据弹性力学理论[12]，虽然岩层是不均匀和不连续的，但假设煤层底板为半无限体，则可以用解析法求解其内的应力分布。将1412工作面底板视为半无限体，根据工作面侧向压力分布情况，可建立沿采空区侧掘巷的底板受力力学模型，如图5所示。其中，区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ分别为塑性区、弹性区和卸压区，区域Ⅲ和Ⅴ均为原岩应力区。

图5 底板受力力学模型

与近水平煤层不同，大倾角煤层沿倾斜方向有一个附加的切向分量，其值是不可忽略的。将采空区侧向支承应力分解为与煤层倾斜方向平行的纵向力和与煤层倾斜方向垂直的横向力。根据弹性力学理论，作用在半无限体边界上的微小横向力qdη在底板岩层任一点都会产生以下垂直应力分量：

(10)

式中：a、b分别为积分区域的上限和下限；η为积分变量；q为不同位置底板所受载荷，MPa。

区域Ⅰ内底板所受载荷强度为：

(11)

式中：H为煤层的平均埋深，m；α为煤层的平均倾角，(°)；k1为最大应力集中系数；γ为上覆岩层平均重度，kN/m3。

区域Ⅱ内底板所受载荷强度为：

q2=k1γHcosα+k1L1γsinαcosα+

(12)

区域Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ内底板所受载荷强度为：

q3,4,5=γHcosα-γ(sinαcosα)η

(13)

根据现场矿压观测及相关文献资料可知：k1=1.7，L1=35 m，L2=110 m，L3=L5=20 m，L4=15 m，L6=4.5 m。由式(11)～(13)计算出不同区域内的载荷强度，再将其值代入式(10)，可计算得到底板内不同深度的垂直应力分布情况。为了便于分析，将不同深度的垂直应力与对应深度的原岩应力相除，得到相应深度的应力集中系数，其变化曲线如图6所示。

1—负煤柱掘巷；2—无煤柱掘巷；3—小煤柱掘巷。图6 底板不同深度应力集中系数沿倾向变化规律

由图6可知，1411工作面开采后，底板以下岩层内不同深度的应力集中系数沿煤层倾斜方向呈不对称分布。其中，从采空区边缘煤壁前方10 m到煤壁后方15 m区域均为采空区侧向支承压力影响下的卸压区，且在1411下巷底板正下方5、10、15 m位置应力集中系数分别为0.556、0.707、0.816。

1412上巷掘进位置存在如下3种可能性：①1411下巷正下方位置无煤柱掘巷；②留设5 m 小煤柱掘巷；③留设5 m负煤柱掘巷。根据岩石力学理论，水平应力对底板冲击的发生起着重要作用。由于底板弹性区内水平应力和垂直应力满足正相关关系(σx=λσy),故在给定的侧压系数λ下，底板内水平应力随着垂直应力的增大而呈线性增大。因此，基于垂直应力的分析是可靠的。

2.3 沿空掘巷位置对底板冲击的影响

岩体在三向应力作用下发生失稳破坏时满足莫尔-库仑准则[13]：

(14)

式中：σ1和σ3为岩体的极限主应力，σ1>σ3，MPa；φ为底板岩层的内摩擦角,(°)；Rc为岩体的单轴抗压强度,MPa。

极限主应力表达式如下：

(15)

表1 底板岩层物理力学参数

将由式(10)得到的应力分量值代入式(15)，得到岩体的极限主应力σ1和σ3，进而得到F(x,y)值对底板中任一点是否破坏进行判断。因此，可以得到整个底板在倾斜方向上的破坏情况，如图7所示。

图7 底板沿倾斜方向破坏深度

由图7可知，底板岩层中自上而下的粉砂岩和中粒砂岩均发生破坏，最大破坏深度6.9 m。根据图6 和图7所示的底板垂直应力分布和破坏范围可知，当1412上巷布置于2号和3号位置时，不如布置在1号位置时的卸压效果显著。且1号位置底板塑性区深度也要大于2号和3号位置，该塑性区能够被视作缓冲夹层，对底板冲击显现时所释放的能量起到吸收作用。

3 工程验证

3.1 工作面生产地质概况

华丰煤矿1412综放工作面主采的4#煤层埋深为 1 130～1 220 m，属于深井开采。煤层倾斜方向上1411工作面已经开采结束，其下侧为尚未开采的实体煤。4#煤层平均厚度6.4 m，倾角31°，属于大倾角厚煤层。煤岩层冲击倾向性评价结果表明，煤层和直接顶具有弱冲击倾向性，而直接底具有强冲击倾向性。根据钻孔柱状图可以看出，1412工作面所采煤层下方存在几层强度较高的坚硬岩层(见表1)。根据关键层理论可知，这些坚硬岩层的破断极有可能引发煤岩动力灾害，如矿震和冲击地压。因此，有必要针对1412上巷底板防冲进行优化设计。

3.2 沿空掘巷位置的确定及防冲效果

为了验证巷道底板冲击的防治效果，采用微震监测的方法[14]，对1412上巷掘进期间的微震事件进行分析。首先通过微震事件监测确定了1412上巷掘进期间能量释放特征，如图8所示。

图8 每5 m间隔微震事件统计(固定掘进工作面)

由图8可知，巷道掘进期间底板较稳定，微震事件发生率较低，释放能量较小。微震事件分布较为分散，在掘进工作面前方鲜有微震事件发生，其后方微震事件最大能量仅为14.3 kJ。可见负煤柱沿空掘巷有效地降低了大能量微震事件发生概率，此外由于微震事件距离掘进工作面较远，消除了掘进工作面附近发生底板冲击的危险性。

1412工作面回采期间，1412上巷附近微震事件统计(固定停采工作面)如图9所示。由图9可知，后续1412工作面回采过程中1412上巷附近微震事件的日发生频率大多低于 10次，平均为4.5次，波动较小。尽管微震事件释放的能量有所增加(最大能量为168 kJ)，但大部分能量来自于工作面后方采空区覆岩的破断，因此有效地消除了1412上巷发生底板冲击的危险性。

图9 每5 m间隔微震事件统计(固定停采工作面)

根据微震监测结果，在上侧1411采空区内掘巷有利于消除底板冲击危险。为了确定冲击危险程度，采用钻屑法[15]对煤粉量进行监测，进一步评价负煤柱沿空掘巷防治冲击的效果。达到危险的临界煤粉量通过参考不同深度测量的煤粉量进行了校准，其中2～3 m钻孔深度煤粉量为2.91 kg/m，4～6 m钻孔深度煤粉量为4.40 kg/m，7～9 m钻孔深度煤粉量为8.40 kg/m，如表2所示。在1412上巷掘进和回采期间所测得的煤粉量均小于临界煤粉量，再次表明沿空侧巷道(1412上巷)无冲击危险性。

表2 煤粉量监测结果

4 结论

1)建立了大倾角厚煤层巷道底板冲击力学模型，利用该模型分析了冲击发生的条件及影响因素。

2)揭示了沿空掘巷底板冲击防治机理，提出了通过改变底板能量积聚和应力环境，减小强动压对巷道底板的影响，进而消除冲击地压危险。

3)建立了大倾角煤层底板受力力学模型，根据应力理论和莫尔-库仑准则，绘制了不同深度煤层底板的应力分布曲线，计算了不同位置底板的破坏深度，提出了留设5 m负煤柱沿空掘巷防治底板冲击的优化设计方案。

4)在1411采空区内进行1412上巷掘进，实现了深井大倾角厚煤层负煤柱开采。通过微震监测和钻屑法监测等手段，验证了该方案能够有效地降低巷道底板发生冲击危险的可能性。