張修峰，陳 洋,2

（1.山東能源集團(tuán)有限公司 沖擊地壓防治研究中心,山東 濟(jì)南 250014；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083）

0 引言

沖擊地壓是威脅煤礦安全高效生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?zāi)害之一。隨著礦井開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，沖擊地壓災(zāi)害呈現(xiàn)更加嚴(yán)重的發(fā)展態(tài)勢(shì)[1-3]。如何科學(xué)有效地對(duì)沖擊地壓進(jìn)行分類(lèi)、通過(guò)沖擊地壓顯現(xiàn)分析其內(nèi)在機(jī)理、提出針對(duì)性的防控措施成為煤炭行業(yè)科技和現(xiàn)場(chǎng)管理人員亟需解決的科學(xué)難題。

我國(guó)學(xué)者對(duì)沖擊地壓機(jī)理和防控進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果。李振雷等[4]從圍巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)分析了孤島煤柱沖擊機(jī)制，認(rèn)為高靜載應(yīng)力與動(dòng)載應(yīng)力疊加超過(guò)沖擊臨界應(yīng)力誘發(fā)沖擊；王春秋等[5]運(yùn)用微地震和電磁輻射實(shí)測(cè)孤島綜放工作面動(dòng)壓顯現(xiàn)事件，獲得了沖擊前后能量積聚與釋放特征及相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，提煉了沖擊地壓微震和電磁輻射監(jiān)測(cè)的前兆信息；何江等[6]分析了急傾斜特厚煤層覆巖運(yùn)動(dòng)和煤層應(yīng)力分布的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，認(rèn)為覆巖運(yùn)動(dòng)施加的沖擊動(dòng)載與工作面底煤集中靜載疊加是誘發(fā)夾持型沖擊地壓的力源；魏全德等[7]建立下山煤柱區(qū)覆巖空間結(jié)構(gòu)模型和走向支承壓力估算模型，認(rèn)為支承壓力動(dòng)態(tài)前移是誘發(fā)下山煤柱區(qū)巷道沖擊的主要原因；杜學(xué)領(lǐng)[8]研究了厚硬堅(jiān)硬地層沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，提出了利用上巷取代工藝巷+充填采空區(qū)的沖擊地壓防治方法；翟明華等[9]分析了巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律，指出此類(lèi)礦井沖擊地壓存在“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”“震動(dòng)誘沖效應(yīng)”“沖擊震動(dòng)效應(yīng)”，提出了基于覆巖空間結(jié)構(gòu)理論、地表沉陷觀測(cè)、微震和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的辨識(shí)關(guān)鍵工作面的方法，闡述了巨厚堅(jiān)硬巖層沖擊地壓礦井綜合防沖方法；朱斯陶等[10]分析了整體失穩(wěn)型沖擊地壓的工程特征和沖擊顯現(xiàn)特征，提出了整體失穩(wěn)型沖擊危險(xiǎn)的評(píng)估方法和防治對(duì)策；張俊文等[11]提出了沖擊地壓災(zāi)害防治的結(jié)構(gòu)調(diào)控理念，指出災(zāi)害防治應(yīng)從調(diào)控煤巖體結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用水力壓裂或深孔預(yù)裂爆破防治煤柱型及工作面沖擊；趙善坤等[12]分析了底板型沖擊危險(xiǎn)巷道底板受力特征，提出了深孔斷底爆破防沖方案；夏永學(xué)等[13]開(kāi)發(fā)了擴(kuò)槽孔和排渣孔分離的雙孔布置掏槽技術(shù)，有效提高了煤層水力擴(kuò)孔掏槽效果。

以上研究成果提出了針對(duì)性的防控措施，但沒(méi)有圍繞沖擊地壓孕災(zāi)和能量釋放的主體-煤柱（區(qū)域煤體）開(kāi)展針對(duì)性研究：沖擊地壓發(fā)生機(jī)理方面，尚未系統(tǒng)開(kāi)展特定地層和開(kāi)采技術(shù)條件下施加在煤柱上的基礎(chǔ)靜應(yīng)力、動(dòng)載應(yīng)力和煤柱自身物性特征對(duì)煤柱沖擊危險(xiǎn)的影響機(jī)制研究工作，缺乏煤柱沖擊危險(xiǎn)定量化評(píng)價(jià)方法；沖擊地壓防控方面，尚未建立涵蓋煤柱留設(shè)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、預(yù)卸壓和解危卸壓等方面的防沖技術(shù)體系。

1 煤柱型沖擊地壓的定義

沖擊地壓的發(fā)生是地質(zhì)因素和開(kāi)采技術(shù)因素綜合作用的結(jié)果。實(shí)際生產(chǎn)中存在以下情形：①同一礦區(qū)煤層賦存條件相似的鄰近礦井，有的發(fā)生多起嚴(yán)重沖擊地壓事故，有的卻從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)；②同一礦井自投產(chǎn)后十幾年甚至幾十年來(lái)，地質(zhì)條件基本不變，突然發(fā)生沖擊地壓事故。究其原因，采掘活動(dòng)引起的覆巖空間結(jié)構(gòu)演化及應(yīng)力場(chǎng)重新分布是誘發(fā)沖擊地壓的主控因素。

隨著采深不斷增加和開(kāi)采條件日益復(fù)雜，煤礦開(kāi)采期間沖擊地壓多集中在巷道切割、采空區(qū)隔離或斷層夾持等形成煤柱區(qū)域（筆者定義為“煤柱型沖擊地壓”）。與常見(jiàn)的沖擊地壓分類(lèi)方法強(qiáng)調(diào)特定生產(chǎn)技術(shù)因素（超強(qiáng)度組織生產(chǎn)、生產(chǎn)過(guò)度集中、采掘布局不合理、生產(chǎn)造成的地質(zhì)構(gòu)造活化、孤島采煤和防沖措施不合理等）誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理不同，煤柱型沖擊地壓側(cè)重分析自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力等疊加后的總應(yīng)力和煤柱支撐能力與煤柱沖擊危險(xiǎn)的內(nèi)在聯(lián)系，從應(yīng)力場(chǎng)角度出發(fā)，探索沖擊地壓發(fā)生的共性問(wèn)題。煤柱型沖擊地壓是指受巷道切割、采空區(qū)隔離或斷層夾持形成的煤柱在高應(yīng)力作用下的沖擊失穩(wěn)。

筆者在分析多起煤柱型沖擊地壓事故案例的基礎(chǔ)上，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，根據(jù)工程特征和沖擊地壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，對(duì)煤柱型沖擊地壓進(jìn)行分類(lèi)，研究各類(lèi)煤柱型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)制，并提出防控措施，為煤礦煤柱型沖擊地壓防控提供理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2 煤礦煤柱型沖擊地壓事故案例

2.1 應(yīng)力疊加型沖擊地壓事故概況

新巨龍煤礦2305S 工作面為-810 m 水平二采區(qū)南翼第5 個(gè)工作面，東為待采區(qū)，南為-980 m 邊界下山保護(hù)煤柱，西為2304S 采空區(qū)，北為-980 m 延伸下山保護(hù)煤柱，煤厚9.2 m，平均采深1 004 m。經(jīng)鑒定，-980 m 水平3 煤層及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，3 煤層單軸抗壓強(qiáng)度17.4 MPa。2305S 工作面傾斜長(zhǎng)度263.5 m，走向長(zhǎng)度1 904 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤法。

2020 年2 月22 日6 時(shí)17 分，2305S 工作面推進(jìn)至253 m，上平巷發(fā)生一起沖擊地壓事故，造成4人死亡，破壞巷道約486 m，直接經(jīng)濟(jì)損失1 853 萬(wàn)元。事故區(qū)域自上平巷上端頭10 m 處開(kāi)始至420 m處止，巷道明顯變形，部分單元支架損壞，幫部部分錨索梁斷裂，其中上平巷超前100～218 m 段，巷道破壞嚴(yán)重，巷道堵塞，人員無(wú)法通行；3 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷自交叉口向內(nèi)66 m 范圍內(nèi)巷道破壞嚴(yán)重，其中3 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷上口24～40 m 段巷道破壞最為嚴(yán)重，兩幫內(nèi)縮移近量大，頂板錨索梁斷裂下沉，底板底鼓，巷道斷面最小處僅剩1 m2空間，沖擊破壞如圖1 所示。

圖1 2305S 工作面沖擊位置示意Fig.1 Impact position diagram of No.2305S working face

應(yīng)力疊加型沖擊地壓主要特征：煤柱受采空區(qū)轉(zhuǎn)移應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等多種應(yīng)力疊加影響，煤體載荷超過(guò)其極限承載能力而誘發(fā)沖擊破壞，破壞部位集中在煤柱形狀突出部位或疊加應(yīng)力峰值區(qū)域，周邊采空面積大、采掘活動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)、構(gòu)造發(fā)育、巷道或斷層密集切割是這類(lèi)型沖擊地壓的常見(jiàn)影響要素。

2.2 整體失穩(wěn)型沖擊地壓事故概況

趙樓煤礦1305 工作面位于礦井一采區(qū)，北靠寬215 m 的1304 采空區(qū)，南鄰寬410 m 的1306—1307采空區(qū)，屬于典型的孤島工作面。1305 工作面采深871～1 006 m，平均988 m；工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)137 m，推進(jìn)長(zhǎng)度574 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤法。開(kāi)采煤層厚度2.8～9.0 m，平均6.1 m；煤層傾角1°～11°，平均8°。煤層分叉線穿過(guò)開(kāi)切眼和軌道巷交叉口附近，分岔區(qū)內(nèi)3上煤層厚0.7～1.2 m，平均0.9 m；3下煤層厚2.7～6.4 m，平均4.8 m；分岔間距0.7～14.6 m，平均6.8 m。直接頂為粉砂巖，厚度1.2～8.4 m，平均2.8 m；基本頂為中砂巖，厚度4.6～20.4 m，平均厚度8.3 m。經(jīng)煤巖沖擊傾向性鑒定，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性，底板沖擊傾向性未鑒定[14]。

2015 年7 月29 日2 時(shí)49 分，1305 工作面初采時(shí)發(fā)生了一起嚴(yán)重的沖擊地壓事故，如圖2 所示，具體破壞特征：①軌道巷側(cè)自工作面煤壁向外15 m 范圍頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜，并有部分漏冒，部分單體支柱歪斜；向外15～60 m 范圍兩幫移近量開(kāi)始增大，最大移近量3 m，單體支柱部分彎曲歪斜，底鼓0.5～1.0 m；60 m 向外，存在底鼓現(xiàn)象；其中30～70 m 范圍受沖擊擠壓影響嚴(yán)重，十字梁棚支設(shè)單體液壓支柱全部歪斜，折斷14 棵；②運(yùn)輸巷側(cè)自工作面煤壁向外40 m范圍內(nèi)13 架鋼棚掉落、38 棵單體液壓支柱彎曲折斷、崩斷錨桿（索）12 根、部分讓壓環(huán)擠壓變形損壞、卸壓鉆孔多數(shù)塌孔；③工作面前部刮板輸送機(jī)受沖擊翻向支架側(cè)，損壞支架前梁和護(hù)幫板千斤頂32 個(gè)，刮板輸送機(jī)及支架內(nèi)積煤嚴(yán)重，沖擊后煤塵逆風(fēng)揚(yáng)起糊到支架立柱上形成厚2 mm 煤塵，造成工作面支架栽頭、后立柱壓力普遍超30 MPa，60～80 號(hào)支架向后位移，最大1.0 m 左右，煤壁煤塊大量拋入架內(nèi)，整個(gè)工作面支架全部被埋，至今無(wú)法回收，損失慘重[15]；④事故造成3 人受傷，24 人涉險(xiǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失93.87 萬(wàn)元。

圖2 1305 工作面整體失穩(wěn)沖擊示意Fig.2 Overall destabilization impact diagram of No.1305 working face

整體失穩(wěn)型沖擊地壓主要特征：煤柱承載能力和能量集聚能力隨煤柱尺寸增大而增加，處于極限平衡狀態(tài)的煤柱煤體受外界擾動(dòng)時(shí)，極易發(fā)生沖擊破壞，破壞面積大、沖擊顯現(xiàn)強(qiáng)烈、沖擊前靜載荷水平高是整體失穩(wěn)型沖擊地壓顯著的特點(diǎn)。

2.3 切割蠕變型沖擊地壓事故概況

梁寶寺煤礦35000 回風(fēng)集中巷、35000 運(yùn)輸集中巷和35000 軌道集中巷均布置在煤層中，3 條巷道分別與35000 軌回集中一聯(lián)巷交匯將煤體切割成多個(gè)井字形煤柱，埋深1 027 m，煤厚6.5 m。經(jīng)沖擊傾向性鑒定，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性，煤體單軸抗壓強(qiáng)度18 MPa。

2016 年8 月15 日0 時(shí)33 分，35000 采 區(qū)發(fā)生一起沖擊地壓事故，造成2 人死亡，破壞巷道約300 m，直接經(jīng)濟(jì)損失324 萬(wàn)元。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析震源位于35000 采區(qū)集中軌道上山和集中運(yùn)輸上山之間，震源位置與最近的35000 工作面距離為379 m，人員傷亡地點(diǎn)與35001 工作面相距324 m，事故位置如圖3 所示。

圖3 35000 采區(qū)沖擊位置示意Fig.3 No.35000 mining area impact location diagram

切割蠕變型沖擊地壓主要特征：煤柱在高靜載應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，發(fā)生塑性破壞的煤體范圍自邊緣塑性區(qū)開(kāi)始向內(nèi)部擴(kuò)展，煤柱的實(shí)際支撐能力逐漸降低，在輕微擾動(dòng)或無(wú)明顯擾動(dòng)條件下，處于極限平衡狀態(tài)的煤體突然發(fā)生沖擊破壞，沖擊前靜載荷水平高、煤柱形成時(shí)間長(zhǎng)、前兆信息敏感性差是切割蠕變型沖擊地壓的典型特點(diǎn)，大巷煤柱是發(fā)生切割蠕變型沖擊地壓的重點(diǎn)管控區(qū)域。

根據(jù)上述3 起典型煤柱型沖擊地壓的工程特征和沖擊顯現(xiàn)特征，可將當(dāng)前我國(guó)煤柱型沖擊地壓分為應(yīng)力疊加型沖擊地壓、整體失穩(wěn)型沖擊地壓和切割蠕變型沖擊地壓3 類(lèi)。

3 三類(lèi)煤柱型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

3.1 應(yīng)力疊加型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

3.1.1 應(yīng)力疊加型沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)估

應(yīng)力疊加型沖擊地壓發(fā)生的主要原因是覆巖空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到煤柱上的疊加應(yīng)力超過(guò)了煤柱發(fā)生沖擊失穩(wěn)的臨界應(yīng)力。根據(jù)“載荷三帶”理論[16-17]，地層結(jié)構(gòu)和頂板離層高度是決定采空區(qū)覆巖轉(zhuǎn)移應(yīng)力分布特征的主要影響因素，建立順序開(kāi)采條件下采空區(qū)轉(zhuǎn)移的靜應(yīng)力估算模型[18]，如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)轉(zhuǎn)移靜應(yīng)力估算模型Fig.4 Estimation model for transfer static stress in mining area

由圖4 可知，采空區(qū)覆巖將1/4 即時(shí)加載帶載荷以及1/2 延時(shí)加載帶載荷傳遞到周邊煤巖體，其中延時(shí)加載帶載荷不僅包含自重，還包括上覆靜載帶巖層的重力。

建立采空區(qū)轉(zhuǎn)移靜應(yīng)力估算模型：

式中：σJ為采空區(qū)轉(zhuǎn)移的靜應(yīng)力；L為采空區(qū)短邊長(zhǎng)度；γ為頂板巖石容重；α為采空區(qū)頂板巖層移動(dòng)角；h為煤層開(kāi)采高度；HDLZ為延時(shí)加載帶高度；MSLZ為靜載帶厚度；H為煤層開(kāi)采深度。

3.1.2 新巨龍煤礦2305S 工作面應(yīng)力疊加型沖擊危險(xiǎn)性分析

根據(jù)新巨龍煤礦2305S 工作面實(shí)際條件，取HILZ=127 m，HDLZ=411 m，MDLZ=284 m，MSLZ=593 m，H=1 004 m，q=7.95 MPa，L=263.5 m，γ=25 kN/m3，α=76°，h=9.2 m，將上述參數(shù)代入式（1）中，計(jì)算得到2305S 采空區(qū)超前靜態(tài)支承壓力σJ-2305S：

巷道開(kāi)挖轉(zhuǎn)移的支承壓力、斷層兩側(cè)應(yīng)力分布和覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)施加的動(dòng)載荷受地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件影響，在工程尺度上，可用應(yīng)力轉(zhuǎn)移系數(shù)k來(lái)近似表達(dá)。

巷道切割煤體后，原先由巷道開(kāi)挖煤體支撐的載荷向巷道兩側(cè)轉(zhuǎn)移形成圍巖支承應(yīng)力場(chǎng)σJ-sc，可用下式表示：

式中：k1為巷道開(kāi)挖引起的靜態(tài)支承壓力峰值與原巖應(yīng)力的比值；l1為巷道開(kāi)挖引起的靜態(tài)支承壓力峰值距巷幫的距離。

斷層附近煤巖體集聚了大量能量，構(gòu)造應(yīng)力分布形態(tài)跟斷層的落差成正相關(guān)關(guān)系，將斷層兩側(cè)應(yīng)力分布形態(tài)近似為等腰三角形，可得斷層兩側(cè)應(yīng)力分布表達(dá)式：

式中：k2為斷層單側(cè)構(gòu)造應(yīng)力峰值；l2為斷層單側(cè)構(gòu)造應(yīng)力峰值距斷層面的距離。

采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)移對(duì)工作面煤體施加的動(dòng)載荷受發(fā)生破斷或回轉(zhuǎn)巖層的巖性、厚度、層位和距煤壁的距離等因素影響，為便于定量化計(jì)算，可在采空區(qū)覆巖轉(zhuǎn)移的靜態(tài)支承壓力影響范圍內(nèi)按照漸變載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：

式中：k3為覆巖運(yùn)移對(duì)煤體施加的動(dòng)應(yīng)力峰值；l3為覆巖運(yùn)移對(duì)煤體施加的動(dòng)應(yīng)力峰值距工作面煤壁的距離。

根據(jù)2305S 工作面實(shí)際條件，取k1=1.1，l1=15 m，k2=1.4，l2=80 m，k3=1.2，l3=134 m，新巨龍煤礦2305S工作面支承壓力疊加，如圖5 所示，圖中曲線1 代表2305S 工作面超前靜態(tài)支承壓力，曲線2 代表2303S-2304S 采空區(qū)側(cè)向靜態(tài)支承壓力，曲線3 代表兩巷開(kāi)挖轉(zhuǎn)移的靜態(tài)支承壓力，曲線4 代表聯(lián)絡(luò)巷開(kāi)挖轉(zhuǎn)移的靜態(tài)支承壓力，曲線5 代表斷層構(gòu)造轉(zhuǎn)移的構(gòu)造應(yīng)力。

圖5 2305S 工作面支承壓力疊加示意Fig.5 No.2305S Working Face support pressure superimposed diagram

由圖5 可知，受采空區(qū)超前支承壓力、采空區(qū)側(cè)向支承壓力、巷道開(kāi)挖轉(zhuǎn)移支承壓力、斷層構(gòu)造應(yīng)力等疊加影響，2305S 工作面上平巷側(cè)應(yīng)力集中程度較高，尤其是上平巷與聯(lián)絡(luò)巷、FD8 斷層夾持形成的孤立煤體區(qū)域，如圖5 中紅色虛線方框所示，疊加后的支承壓力最大值達(dá)到69.36 MPa，達(dá)到工作面煤體單軸抗壓強(qiáng)度（17.4 MPa）4.0 倍。

3.1.3 應(yīng)力疊加型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

根據(jù)上述分析可知，煤體在自重應(yīng)力、采空區(qū)和巷道轉(zhuǎn)移應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等疊加作用下應(yīng)力高度集中，當(dāng)疊加應(yīng)力超過(guò)煤體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的臨界值時(shí)，煤體將在細(xì)微擾動(dòng)或無(wú)擾動(dòng)條件下發(fā)生沖擊失穩(wěn)。

3.2 整體失穩(wěn)型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

3.2.1 孤立煤體覆巖結(jié)構(gòu)特征

整體失穩(wěn)型沖擊地壓是指覆巖空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的載荷超過(guò)了孤立煤體的極限承載能力，導(dǎo)致孤立煤體發(fā)生整體沖擊失穩(wěn)。周邊采空區(qū)覆巖空間結(jié)構(gòu)類(lèi)型決定了向孤立煤體傳遞的載荷大小，根據(jù)采動(dòng)情況，將覆巖空間結(jié)構(gòu)劃分為兩側(cè)非充分采動(dòng)、一側(cè)非充分采動(dòng)一側(cè)充分采動(dòng)、兩側(cè)充分采動(dòng)3 類(lèi)，如圖6所示。

圖6 孤立煤體覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型示意Fig.6 Schematic diagram of the overburden structure type of isolated coal body

開(kāi)采前，孤立煤體承擔(dān)兩側(cè)采空區(qū)覆巖轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的靜態(tài)載荷，如圖6 中紅色虛線方框所示，其中非充分采動(dòng)側(cè)地層中部分關(guān)鍵層保持完整并仍承擔(dān)自身及上覆巖層的載荷，孤立煤體承擔(dān)這部分載荷的一半。對(duì)于充分采動(dòng)側(cè)地層中所有關(guān)鍵層均發(fā)生破斷，為便于估算，設(shè)立2 個(gè)假設(shè)：①達(dá)到充分采動(dòng)條件，巖層裂隙和離層剛發(fā)育到基巖頂端；②上覆巖層厚度和強(qiáng)度相差不大，沒(méi)有賦存巨厚巖層，孤立煤體僅承擔(dān)采空區(qū)邊緣側(cè)懸臂端巖梁結(jié)構(gòu)自重及其上覆巖層載荷的一半。

3.2.2 孤立煤體支承壓力估算

孤立煤體承擔(dān)的載荷Q由煤層至地表的自重Q0和兩側(cè)采空區(qū)轉(zhuǎn)移載荷Q1、Q2三部分組成，即

當(dāng)孤立煤體兩側(cè)均為非充分采動(dòng)時(shí)，頂板裂隙發(fā)育高度為約為采空區(qū)短邊長(zhǎng)度的一半，孤立煤體承擔(dān)載荷可用下式進(jìn)行估算：

孤立煤體自重受兩側(cè)采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型影響，可用下式表示

當(dāng)孤立煤體為一側(cè)非充分采動(dòng)、一側(cè)充分采動(dòng)頂板結(jié)構(gòu)時(shí)，充分采動(dòng)側(cè)主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，頂板裂隙發(fā)育高度達(dá)到最大值并保持不變，孤立煤體承擔(dān)的自重為

非充分采動(dòng)側(cè)覆巖轉(zhuǎn)移載荷與式（4）相同，充分采動(dòng)側(cè)覆巖空間結(jié)構(gòu)傳遞載荷Q2為

一側(cè)非充分采動(dòng)、一側(cè)充分采動(dòng)頂板結(jié)構(gòu)的孤立煤體承擔(dān)的載荷為

當(dāng)兩側(cè)均為充分采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)時(shí)，孤立煤體承擔(dān)的載荷為

3.2.3 孤立煤體整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)性評(píng)估

孤立煤體承受的載荷超過(guò)自身承載能力極限時(shí)，孤立煤體整體具備發(fā)生沖擊失穩(wěn)的可能，建立孤立煤體應(yīng)力分布簡(jiǎn)化模型，如圖7 所示。

圖7 孤立煤體應(yīng)力分布簡(jiǎn)化模型Fig.7 Simplified model of stress distribution in isolated coal bodies

巷道掘進(jìn)和工作面回采前實(shí)施大直徑鉆孔卸壓工程，破壞了煤柱的整體性和完整性，降低了工作面煤體邊緣區(qū)域的有效承載能力，導(dǎo)致應(yīng)力向工作面煤體深處轉(zhuǎn)移，建立孤立煤體應(yīng)力沖擊系數(shù)λ判別式：

式中：[σc]為煤體單軸抗壓強(qiáng)度；η為彈性承載區(qū)煤體承載能力跟煤體單軸抗壓強(qiáng)度的比值，一般取3～5[19]。

當(dāng)作用在孤立煤體上的應(yīng)力總和大于工作面煤體的整體承載能力時(shí)，孤立煤體具有發(fā)生整體沖擊地壓危險(xiǎn)的可能性。當(dāng)作用孤立煤體上的應(yīng)力總和介于0.6～0.8 倍孤立煤體的承載能力之間時(shí)，具有弱整體沖擊危險(xiǎn)；當(dāng)作用在孤立煤體上的應(yīng)力總和介于0.8～1.0 倍孤立煤體的整體承載能力之間時(shí)，具有中等整體沖擊危險(xiǎn)；當(dāng)作用在孤立煤體上的應(yīng)力總和大于1.0 倍工作面煤體的整體承載能力時(shí)，具有強(qiáng)整體沖擊危險(xiǎn)。孤立煤體整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 孤立煤體整體沖擊危險(xiǎn)判別方法Table 1 Isolated coal body overall impact hazard discrimination method

3.2.4 趙樓1305 整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)性分析

根據(jù)地表沉降觀測(cè)情況，1305 工作面兩側(cè)采空區(qū)均處于非充分采動(dòng)階段[10]，即1305 工作面覆巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型與圖6a 一致，根據(jù)工作面地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件，取H=988 m，L0=137 m，L1=215 m，L2=410 m，lp=5 m，lr=4 m，ld=20 m，le=79 m，[σc]=22 MPa，η=4，α1=83°，θ1=83°，γ=25 kN/m3，將上述數(shù)據(jù)代入式（7）和式（12），計(jì)算得到1305 工作面應(yīng)力沖擊系數(shù)λ=1.14，由表1 可知，1305 工作面發(fā)生整體沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)指數(shù)φ=1，即1305 工作面回采前已經(jīng)具備發(fā)生整體沖擊失穩(wěn)的應(yīng)力條件。

3.2.5 孤立煤體整體失穩(wěn)型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

根據(jù)上述分析，孤立煤體整體失穩(wěn)型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理為：兩側(cè)采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)向孤立煤體轉(zhuǎn)移的載荷加上孤立煤體煤層至地表地層自重的總和超過(guò)了孤立煤體的實(shí)際承載能力，掘進(jìn)巷道和施工大直徑鉆孔卸壓工程進(jìn)一步減弱了孤立煤體的有效支撐面積，導(dǎo)致工作面彈性承載區(qū)煤體集聚了大量的彈性變形能，在遇到采掘活動(dòng)或頂板運(yùn)動(dòng)等輕微擾動(dòng)時(shí)，極易誘發(fā)孤立煤體整體沖擊失穩(wěn)，一旦發(fā)生沖擊，將造成工作面煤壁及兩巷煤體大范圍、高強(qiáng)度的沖擊破壞。

3.3 切割蠕變型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

3.3.1 切割蠕變型沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估

切割蠕變型沖擊地壓發(fā)生的主要原因是外部高靜態(tài)應(yīng)力作用下的煤巖體發(fā)生“應(yīng)力腐蝕”導(dǎo)致煤體有效承載能力降低，促使巷道局部區(qū)域應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增加，此時(shí)應(yīng)力水平已接近沖擊臨界載荷，當(dāng)受到采掘活動(dòng)施加的微小擾動(dòng)應(yīng)力增量或煤體“應(yīng)力腐蝕”持續(xù)進(jìn)行時(shí)，煤巖體載荷超過(guò)了發(fā)生沖擊失穩(wěn)的臨界應(yīng)力，如圖8 所示。

圖8 切割蠕變型沖擊地壓示意Fig.8 Schematic diagram of cut creep type impact ground pressure

由圖8 可知，巷道開(kāi)挖前，三條大巷間煤體的總應(yīng)力Q3可用下式表示：

式中：k為大巷間開(kāi)挖前煤柱的應(yīng)力集中程度。

巷道開(kāi)挖并實(shí)施大直徑鉆孔卸壓工程后，3 條大巷間煤體的總應(yīng)力Q4可用下式表示：

式中：ξ為大巷間彈性承載區(qū)煤體的應(yīng)力沖擊系數(shù)。

根據(jù)總載荷不變的原則，聯(lián)立式（13）、（14）可得

建立煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)可能性的判別公式

式中：ω為煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)系數(shù)；μ為煤柱強(qiáng)度衰減系數(shù)，跟煤柱強(qiáng)度、尺寸、周邊擾動(dòng)和時(shí)間有關(guān)，取值0～1。

根據(jù)工程實(shí)踐[14]，當(dāng)ω小于0.5 時(shí)，煤柱具有無(wú)切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)0.5≤ω＜1.0 時(shí)，煤柱具有弱切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)1.0≤ω＜1.5 時(shí)，煤柱具有中等切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)ω≥1.5煤柱具有強(qiáng)切割蠕變型沖擊失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

表2 煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊危險(xiǎn)判別方法Table 2 Method for identifying the risk of cutting creep type impact in coal pillars

3.3.2 梁寶寺煤礦35000 采區(qū)大巷切割蠕變沖擊危險(xiǎn)性分析

根據(jù)梁寶寺35000 采區(qū)工況，取H=1 027 m，[σc]=18 MPa，γ=25 kN/m3，L0=50 m，lr=4.5 m，ld=15 m，η=4，考慮到埋深、褶曲構(gòu)造、大巷服役年限等因素，取k=2.0，μ=0.7。上述參數(shù)代入到式（16），計(jì)算得到煤柱發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)危險(xiǎn)系數(shù)ω=1.72。

3.3.3 切割蠕變型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

高靜態(tài)應(yīng)力為切割蠕變型沖擊地壓發(fā)生提供了基礎(chǔ)應(yīng)力條件，巷道不合理切割、褶曲構(gòu)造發(fā)育或斷層夾持導(dǎo)致煤體有效支撐能力降低從而進(jìn)一步增大了應(yīng)力集中程度，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)彈性承載區(qū)煤體極限承載能力時(shí)，煤柱將發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)。大埋深、遠(yuǎn)離采掘工作面、巷道或斷層密集分布是發(fā)生切割蠕變型沖擊地壓的典型特征。

4 三類(lèi)煤柱型沖擊地壓防治對(duì)策

4.1 應(yīng)力疊加型沖擊地壓防治對(duì)策

根據(jù)應(yīng)力疊加型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理可知，將施加在煤柱上的動(dòng)靜應(yīng)力之和降低到誘發(fā)沖擊失穩(wěn)的臨界應(yīng)力之下，是防治應(yīng)力疊加型沖擊地壓的根本原則。

4.1.1 優(yōu)化煤柱留設(shè)寬度

在采空區(qū)覆巖達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)后，采空區(qū)支承壓力分布范圍及峰值位置基本確定，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度決定了沿空巷道的支承壓力水平；另一方面，巷道側(cè)向壓力影響范圍一般為巷高的3.5 倍，巷道布置間距過(guò)小，巷道側(cè)向支承壓力將發(fā)生疊加，巷間煤體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的可能性進(jìn)一步增大。為保障沿空巷道的防沖安全，煤柱留設(shè)應(yīng)遵循以下原則：采空區(qū)應(yīng)不留或少留煤柱；隔離煤柱留設(shè)尺寸盡量小；保護(hù)煤柱尺寸盡量大。

一般情況下，薄及中厚煤層隔離煤柱0～4 m，保護(hù)煤柱100～150 m；在具備采用“負(fù)煤柱”巷道布置條件的礦井，可以將沿空巷道布置到上區(qū)段采空區(qū)內(nèi)，此時(shí)厚及特厚煤層隔離煤柱-3～6 m；保護(hù)煤柱200～300 m。

4.1.2 控制工作面推采速度

按照能量守恒理論，回采前煤層儲(chǔ)存的彈性變形能和頂板勢(shì)能相等；回采后，頂板勢(shì)能一部分通過(guò)頂板破斷、回轉(zhuǎn)和震動(dòng)等形式釋放，另一部分轉(zhuǎn)化為彈性變形能儲(chǔ)存于臨近煤層。工作面勻速推采時(shí)，頂板達(dá)到其極限跨距后發(fā)生初次破斷，隨后頂板將產(chǎn)生周期性破斷，此時(shí)工作面推采速度和頂板周期破斷步距之間成正相關(guān)關(guān)系。

從能量角度分析，當(dāng)工作面快速推采時(shí)，頂板周期性破斷步距隨之增大，頂板因不能及時(shí)垮落導(dǎo)致釋放的頂板勢(shì)能比重減小，相應(yīng)地，轉(zhuǎn)化成彈性變形能儲(chǔ)存于煤層的頂板勢(shì)能增大，發(fā)生沖擊失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。當(dāng)工作面非勻速推采時(shí)，煤層中彈性變形能集中釋放，而頂板運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出斷裂步距離散性大的特點(diǎn)，通過(guò)頂板運(yùn)動(dòng)釋放頂板勢(shì)能的速率不均衡，導(dǎo)致工作面前方煤層中集聚的彈性變形能急劇增加，發(fā)生沖擊失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)增大。

從應(yīng)力角度分析，當(dāng)回采工作面快速推進(jìn)時(shí)，低位巖梁懸臂端長(zhǎng)度增加、應(yīng)力峰值增量增大，嵌入端長(zhǎng)度減小、應(yīng)力峰值位置距煤壁距離減小、增壓載荷影響范圍減小[20]，低位巖梁運(yùn)動(dòng)向煤體施加的動(dòng)載跟推采速度呈正相關(guān)。根據(jù)“載荷三帶”理論[15-16]可知，工作面推采過(guò)“見(jiàn)方”位置后，采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育高度（即時(shí)加載帶巖層厚度）達(dá)到最大，覆巖空間結(jié)構(gòu)向煤體施加的靜載基本不變。綜上所述，在覆巖空間結(jié)構(gòu)不變的情況下，保持工作面低速、勻速推進(jìn)，可減小低位巖梁運(yùn)動(dòng)對(duì)煤體施加的動(dòng)載降低，覆巖空間結(jié)構(gòu)施加到煤體的疊加應(yīng)力，有利于降低工作面煤體尤其是開(kāi)采擾動(dòng)區(qū)域煤體的沖擊危險(xiǎn)性。

4.1.3 對(duì)工作面頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破

頂板不能及時(shí)垮落時(shí)，頂板與煤層或矸石間存在離層空間，隔斷了載荷垂直頂板向下傳遞的路徑，導(dǎo)致載荷向頂板巖梁嵌固端或觸矸端轉(zhuǎn)移，這為煤層集聚彈性變形能提供了力源。對(duì)工作面頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破，人為降低頂板破斷步距和懸頂長(zhǎng)度，降低了頂板運(yùn)動(dòng)施加給煤層的動(dòng)載荷，增加了頂板運(yùn)動(dòng)釋放頂板勢(shì)能的頻率和比重，轉(zhuǎn)移到煤層中的彈性變形能比重隨之減小，降低了煤層的靜載應(yīng)力水平。

4.2 整體失穩(wěn)型沖擊地壓防治對(duì)策

整體失穩(wěn)型沖擊地壓的本質(zhì)是彈性承載區(qū)煤體承載的載荷超出了其極限承載能力，防治此類(lèi)沖擊地壓圍繞降低煤柱承載的載荷和提高其極限承載能力兩方面開(kāi)展工作。

4.2.1 施工大直徑卸壓鉆孔

對(duì)于寬度較小的孤立煤體，可在工作面煤壁或兩巷回采幫實(shí)施深孔大直徑鉆孔，消除彈性承載區(qū)或促使彈性承載區(qū)往遠(yuǎn)離采掘作業(yè)地點(diǎn)的方向轉(zhuǎn)移。對(duì)于寬度較大的孤立煤體，可在工作面煤壁或兩巷回采幫實(shí)施“密淺孔+稀深孔”的大直徑鉆孔施工方案，在消除孤立煤體彈性承載區(qū)的基礎(chǔ)上保留其一定的承載能力。

4.2.2 優(yōu)化工作面寬度設(shè)計(jì)

在進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮采空區(qū)寬度對(duì)覆巖穩(wěn)沉的影響，盡量避免留設(shè)孤島煤柱。當(dāng)必須留設(shè)孤立煤體時(shí)，應(yīng)根據(jù)周邊采空區(qū)地表沉降觀測(cè)結(jié)果研究是否達(dá)到充分采動(dòng)，并計(jì)算開(kāi)采孤立煤體能否導(dǎo)致主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，辨識(shí)誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)性發(fā)生突變的防沖關(guān)鍵工作面。在兼顧其他災(zāi)害防控和礦井生產(chǎn)條件的前提下，若采空區(qū)地表未達(dá)到充分沉降，應(yīng)盡可能增大接續(xù)工作面的寬度。

4.3 切割蠕變型沖擊地壓防治對(duì)策

4.3.1 優(yōu)化巷道層位布置

加強(qiáng)切割蠕變型沖擊地壓主要與巷間寬度和煤巖體的承載能力有關(guān)。為了采掘接續(xù)，將大巷布置在煤層中并增大煤巷間距雖有利于防沖，但將造成大量煤炭資源浪費(fèi)。通過(guò)掘巖巷或半煤巖巷來(lái)變相增加巷道煤柱寬度或盡可能保留其完整性，可有效降低巷間煤體發(fā)生蠕變的程度和范圍，盡可能降低應(yīng)力集中程度，減小發(fā)生切割蠕變型沖擊失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3.2 煤柱監(jiān)測(cè)預(yù)警

巷間煤體在長(zhǎng)期服役期間存在“應(yīng)力腐蝕”效應(yīng)，這種現(xiàn)象隨周邊采掘條件變化和斷層構(gòu)造活化等情況發(fā)生緩慢地、隱蔽性的變化。在具有沖擊危險(xiǎn)的巷間煤柱布設(shè)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)或開(kāi)展CT 反演等監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，可有效掌握巷間煤體的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)采取卸壓解危措施。

5 結(jié)論與探討

1）通過(guò)3 起典型煤柱型沖擊地壓工程案例分析，將當(dāng)前我國(guó)煤柱型沖擊地壓分為應(yīng)力疊加型沖擊地壓、整體失穩(wěn)型沖擊地壓和切割蠕變型沖擊地壓3 類(lèi)。

2）分別建立了3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的力學(xué)模型，揭示了3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，提出了3 類(lèi)煤柱型沖擊危險(xiǎn)的評(píng)估方法和防治對(duì)策。

3）由于我國(guó)礦井開(kāi)采深度和規(guī)模愈來(lái)愈大，實(shí)際生產(chǎn)中還會(huì)遇到很多具有隱蔽性的煤柱型沖擊地壓類(lèi)型，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中需要加強(qiáng)對(duì)這些隱蔽性煤柱型沖擊風(fēng)險(xiǎn)的判識(shí)和防治工作。

筆者以3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓案例為背景，揭示了3 類(lèi)煤柱型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理和防治對(duì)策。實(shí)際生產(chǎn)條件十分復(fù)雜，煤柱可簡(jiǎn)化定義為對(duì)頂板具有一定支撐能力的、部分區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力疊加的煤體，這樣定義可將很多隱蔽性的沖擊地壓囊括進(jìn)來(lái)，目的是重點(diǎn)研究上覆巖層載荷和煤柱自身特性對(duì)煤柱沖擊危險(xiǎn)的影響。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)因地制宜地運(yùn)用現(xiàn)有研究手段，注重對(duì)隱蔽性沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的排查、判別和防治。