潘立友 劉廣運

(1.山東科技大學采礦工程研究院，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590)

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缺陷煤巖體對沖擊能量防控的機理研究

潘立友1劉廣運2

(1.山東科技大學采礦工程研究院，山東省泰安市，271000；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590)

在對重大沖擊地壓災害全面調研的基礎上，分析了我國深部礦井重大沖擊地壓的顯現(xiàn)特征及研究現(xiàn)狀。通過對沖擊煤體的沖擊傾向性變化分析，對比了沖擊煤體和缺陷煤體的應力和能量特征，得出了缺陷煤體和沖擊煤體的本質區(qū)別。通過人為缺陷結構改變了沖擊煤巖體的能量積聚和釋放特征，提出了缺陷煤巖體防控沖擊地壓的能量機理，可將重大沖擊能量耗散并降低至低能量。結合具體工程，闡述了缺陷煤巖體防控重大沖擊地壓的技術方法，從控制沖擊傾向方面發(fā)展了一種防控重大沖擊地壓的新技術。

沖擊地壓 缺陷煤巖體 沖擊傾向性 能量機理 防控技術

隨著淺部煤炭資源的不斷枯竭，礦井的開采深度和強度都在逐漸增加。在深部礦井開采過程中，由沖擊地壓引起的動力災害事故不斷增多，成為深部礦井的主要災害來源之一。由于開采深度的不斷增加，沖擊地壓事故越來越嚴重，造成機械設備全部毀壞、上百米的巷道閉合、人員傷亡和財產嚴重損失。沖擊能量高(量級在107J以上)、波及范圍廣(破壞范圍≥50 m)、影響程度大的沖擊地壓災害屬于重大沖擊地壓災害。為預防沖擊地壓事故，一些學者提出了很多預測預防技術，其中煤層打鉆注水軟化、深孔預裂爆破和鉆孔卸壓等方法效果最為顯著。由于重大沖擊地壓災害釋放能量大，導致其發(fā)生機理和防治方法不同于一般的沖擊地壓，有必要對其發(fā)生機理及防治技術進行深入研究。

本文針對重大沖擊地壓災害的能量顯現(xiàn)特征，提出了缺陷煤巖體防控重大沖擊地壓的能量機理。利用人為制造缺陷煤巖體的方法，改變煤巖層應力集中程度和沖擊能量的釋放規(guī)律，進而使沖擊能量在有效的時間和空間范圍內連續(xù)、均衡、緩慢地釋放，達到防治沖擊地壓的目的。

1 沖擊傾向性特征變化分析

對于沖擊煤巖體來說，沖擊傾向性是指煤體具有積聚彈性變形能并產生沖擊破壞的自然性質，是評價煤礦沖擊地壓發(fā)生的重要指標。沖擊傾向性與煤體的結構密切相關，不同煤體結構能夠改變其應力變化和能量積聚程度。

沖擊煤巖體為脆性材料，其變形破壞和能量顯現(xiàn)特性不同于一般煤巖體。沖擊煤巖體與缺陷煤巖體的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 沖擊煤巖體與缺陷煤巖體的應力-應變曲線

由圖1可以看出，一般情況下，沖擊煤巖體都具有較高的強度，受到外力的作用，變形破壞所需的能量大，發(fā)生破壞前能夠積聚較大的應力和能量，即處于虛線所示的彈性階段A。當沖擊煤巖體達到破壞峰值后能量突然釋放，由彈性階段直接進入突變階段C，所積聚的彈性能全部轉化為大量沖擊能并釋放出來，隨后進入殘余變形階段D。而缺陷煤巖體是對沖擊煤巖體的結構進行改變，減小了整體結構的強度，加大能量的耗散程度。當缺陷煤體受力時，由于強度較低，煤體由彈性變形階段A首先達到塑性變形階段B′，大部分能量在塑性階段被缺陷煤巖體耗散，破壞峰值大幅度減小，剩余的能量轉換為沖擊能釋放出來，經突變階段C′和殘余變形階段D′完成整個破壞過程。因此缺陷煤巖體不僅降低了破壞峰值應力，而且在塑性階段釋放了大量彈性能，降低了煤巖體的沖擊傾向性。

通過對比沖擊煤巖體和缺陷煤巖體的應力-應變曲線，可知塑性變形階段的缺失是沖擊煤巖體與缺陷煤巖體的本質區(qū)別，沖擊能量的耗散是缺陷煤體的獨有表現(xiàn)形式。

2 缺陷煤巖體防控沖擊地壓的能量機理分析

缺陷煤巖體防控沖擊地壓的原理是利用缺陷煤巖體自身的耗能性質，切斷高應力和高能量的連續(xù)性，使得沖擊能量能夠有序緩慢的釋放。通過制造人為缺陷，可以改變煤巖體的應力集中程度、沖擊能量積聚和釋放特征，將特大能量分割成中、小能量，并使其在有效的時間和空間范圍內得以連續(xù)、均衡、緩慢地釋放，防止重大沖擊地壓的發(fā)生。

工作面兩側巷道一般為沖擊地壓發(fā)生的主要區(qū)域。由于地應力、構造應力和開采擾動應力的作用，使得能量全部積聚在巷道兩側煤體內，形成具有高沖擊能量的危險區(qū)域。當巷道周圍儲存的彈性能達到圍巖的承載極限后，大量沖擊能瞬間釋放，巷道便會造成災害性的破壞。

對巷道兩側沖擊區(qū)域煤體進行人為制造缺陷煤巖體，缺陷煤巖體可以切斷煤體內應力和能量的連續(xù)性，將強沖擊能分割為若干個小能量，能夠使彈性能成倍的降低。缺陷煤巖體防控沖擊地壓機理如圖2所示，巷道周圍存在高應力高能量的沖擊危險區(qū)域，當能量達到巷道圍巖的承載極限后便會從巷道釋放，形成破壞性極強的沖擊地壓。為了減弱能量強度，控制能量釋放速度，在巷道兩幫根據(jù)不同環(huán)境制造不同的缺陷煤巖體結構，將積聚在巷道周圍的能量轉移到缺陷煤巖體內進行釋放，增加缺陷煤巖體的耗散能UD，降低彈性能的積聚；每隔一定距離制造一個缺陷煤巖體可以將整個巷道的沖擊能U分割成由U1、U2、U3、……、Un等互相獨立的小能量區(qū)域。各個小能量區(qū)域的能量遠小于總能量U，且相互獨立，因此每個區(qū)域的能量幅度大大降低，不足以達到沖擊地壓發(fā)生的臨界能量。缺陷煤巖體不僅分割了沖擊能U，而且將積聚的彈性能部分轉化為耗散能，進一步減小了沖擊能量，使得巷道周圍能量降低，保持了巷道的完整性，防止高能量沖擊地壓的發(fā)生。

圖2 缺陷煤巖體防控沖擊地壓機理

巷道附近高應力高能量區(qū)域制造缺陷煤巖體后應力和能量變化情況模擬結果如圖3所示。

圖3 缺陷煤巖體防控沖擊地壓模擬結果

由圖3可以看出，缺陷煤巖體在能量源的作用下嚴重變形，能量在缺陷煤巖體周圍大幅度釋放，缺陷煤巖體及其周圍卸壓區(qū)域切斷了應力和能量的傳播，避免巷道發(fā)生大的沖擊。

3 工程應用

呂家坨礦5479Y工作面為孤島內工作面，埋深約為705～815 m，工作面煤層厚度在3.2～3.9 m之間，平均為3.51 m，傾角在7°～20°之間，平均為11°。工作面內部硐室密集，東部以落差為18～30 m的正斷層為界，西部以工作面的停采線為界，具體如圖4所示。5479Y工作面不僅受到原始地應力的影響，而且受到一側落差平均為26 m的大斷層影響，加上臨近采空區(qū)，使得5479Y工作面積聚的彈性能足以達到發(fā)生嚴重破壞的程度，在工作面掘進期間具有重大沖擊危險性，需要從整體上進行防控。

在運輸巷掘進期間，受到F4斷層構造應力和地應力的影響，能夠積聚較大的能量。運輸巷從中間巷向兩側分別掘進，在上半側掘進時無沖擊顯現(xiàn)。這是由于在上半側運輸巷和斷層之間存在一條廢棄的集中回風巷，集中回風巷相當于人為制造的線型缺陷煤巖體，阻斷了F4斷層構造應力的傳遞，將能量吸收耗散在集中回風巷中，從而降低了運輸巷的能量大小，保證了巷道的安全穩(wěn)定。

圖4 5479Y工作面缺陷體整體防控示意圖

運輸巷靠近工作面一側硐室密集，遺留巷道將煤體分成面積不等的塊狀結構。這些密集巷道恰好作為塊狀缺陷煤巖體對孤島工作面內部的巨大能量進行分割，使能量成為獨立不連續(xù)的小能量塊體，降低了能量的量級，對工作面的回采進行了提前卸壓。運輸巷下半側掘進頭處因受到斷層的影響，且沒有缺陷煤巖體進行耗能卸壓，發(fā)生了煤炮震動等沖擊顯現(xiàn)，說明此區(qū)域能量積聚，為保證巷道的順利掘進，在掘進迎頭進行爆破卸壓，巷道兩幫進行大直徑鉆孔卸壓，對迎頭附近區(qū)域采取孔型缺陷煤巖體控制能量，確保能量等級控制在105J以下。在實施了具體卸壓措施后，經鉆屑法檢測，煤粉量均在正常范圍，說明沖擊危險得到控制，巷道得以安全掘進。

4 結論

(1)沖擊煤體和缺陷煤體的本質區(qū)別是塑性階段的缺失，缺陷結構可以增加結構受力變形的塑性變形，耗散大量彈性能，極少部分轉化為沖擊能，減小煤體的沖擊傾向性。

(2)對缺陷結構對沖擊能量的耗能機理進行了分析，通過制造人為缺陷結構改變了煤巖體的結構和受力狀態(tài)，將重大沖擊能量分割為若干小能量，降低沖擊危險區(qū)域積聚的能量，防控了高能量沖擊地壓的發(fā)生。

(3)根據(jù)缺陷煤巖體防控沖擊能量的機理，對具體沖擊地壓工作面進行了工程應用，結合實例闡述了缺陷煤巖體分割能量、有序控制的作用，驗證了缺陷煤巖體對重大沖擊地壓的防控效果。

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(責任編輯 陶 賽)

Study on the mechanism of prevention of rock burst energy in defective coal rockmass

Pan Liyou1, Liu Guangyun2

(1.Mining Engineering Research Institute, Shandong university of science and technology, Tai'an, Shandong 271000, China;2.College of Mining and Safety Engineering, Shandong university of science and technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Based on the comprehensive investigation of major rock burst disasters, the characteristics and current research situation of major rock burst in deep mine were analyzed.According to the analysis of rock burst tendency of impacted coal body, the stress and energy characteristics of impacted coal body and defective coal body were compared, and the essential difference between defective coal body and impacted coal body was figured out.The energy accumulation mechanism and releasing characteristics of rock mass were changed by artificial defect structure.The energy mechanism of impact prevention and control was put forward.Impact energy can be dissipated and reduced to low level.Combined with specific engineering program, this paper elaborated the technical methods of prevention and control measures for rock burst of defective coal body, developed a new innovative technology to control major rock burst in aspect of controlling rock burst tendency.

rock burst, defective coal body, rock burst tendency, energy mechanism, prevention and control technology

國家自然科學基金(51674159)

潘立友，劉廣運.缺陷煤巖體對沖擊能量防控的機理研究[J].中國煤炭，2017,43(7)：77-80. Pan Liyou，Liu Guangyun.Study on the mechanism of prevention of rock burst energy in defective coal rockmass [J].China Coal，2017,43(7)：77-80.

TD324

A

潘立友(1965-)，男，山東平邑人，教授，博士生導師，主要從事沖擊地壓、礦山壓力與巖層控制方面的研究。