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煤矿冲击地压应力控制理论与实践

齐庆新1,2,李晓璐1,2,赵善坤1,2

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京100013,2.煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京100013)

基金项目:基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2016CB226806,2016CB201606),国家自然科学基金资助项目(51174112)

作者简介:齐庆新(1964—),男,吉林九台人,满族,研究员,博士生导师,博士.Tel:,E-mail:

摘 要:基于冲击地压理论研究和现场实践,提出以应力控制为中心,以单位应力梯度为表征的冲击地压应力控制理论,并采用相似模拟和数值模拟分析了原岩应力,构造应力,采动应力对冲击地压发生诱发机制,从应力控制的角度对冲击地压防治进行现场实践.研究结果表明:断层的构造应力是导致冲击地压发生的主要原因,受邻近采区残余应力的影响,采动应力也会诱发掘进巷道发生冲击地压.超前深孔顶板预裂爆破和开切眼贯通动态应力控制技术应用于防冲实践中,验证了应力控制理论的有效性.

关 键 词:冲击地压,应力控制理论,单位应力梯度,相似模拟

中图分类号:TD713文献标识码:A

Theoryandpracticesonstresscontrolofminepressurebumping

ingxin1,2,LiXiaolu1,2,ZhaoShankun1,2

(1.MineSafetyBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China,2.NationalKeyLabofCoalResourcesHighEfficientMiningandCleanUtilization,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China)

Abstract:Basedonthestudyandsitepracticesontheminepressurebumpingtheory,withthestresscontrolasthecenterandtheunitstressgradientastheminepressurebumpingstresscontrolandpreventiontheorywasputforward,thesimilarsimulationandthenumericalsimulationwereappliedtoanalyzethein-siturockstress,structurestressandminingstresstotheinducedmechanioftheminepressurebumpingoccurred.Fromtheviewofthestresscontrol,sitepracticeswereconductedontheminepressurebumpingpreventionandcontrol.Thestudyresultsshowedthatthestructurestressofthefaultwouldbethemajorcausestomaketheminepressurebumpingoccurred.Affectedbytheresidualstresromtheneighborminingblocks,theminingstressofthecoalalsowouldcauseminepressurebumpinginthemineroadway.Intheminepressurebumpingpreventionpracticeswiththeadvanceroofpre-fracturingblastingwithdeepboreholeandthedynamicstresscontrolwhentheopen-offcutwascut-through,theeffectivenessofthestresscontroltheorywasproved.

Keywords:minepressurebumping,stresscontroltheory,unitstressgradient,similarsimulation0引言

目前我国部分煤矿进入深部开采范围,煤矿冲击地压发生频率,强度及区域都在逐年增加,造成的人员伤亡与经济损失也日益严重.针对冲击地压预测和防治技术的基础,多年来各国学者从不同的角度对冲击地压理论进行了研究,其中最具代表性的理论有强度理论,能量理论,冲击倾向性理论和"三准则"理论[1-3].随着现代数学理论的发展,非线性理论和分形理论也被应用到冲击地压机理的分析.有学者在总结试验结果和冲击现场特征的基础上,认为冲击地压发生的过程是煤岩地层受力的瞬间粘滑过程,并提出了"三因素"理论[4-6].总的来说,我国冲击地压机理等相关理论的研究才刚起步[7-12],解决实际问题还需要做大量的工作.因此,对于冲击地压发生机理仍需开展深入的研究工作.基于多年冲击地压理论研究和现场实践工作,笔者提出冲击地压应力控制理论,并采用相似模型试验和数值模拟研究,分析了原岩应力,构造应力,采动应力对冲击地压的诱发机制,尝试从应力控制的角度对冲击地压进行监测预报和有效防治,为冲击地压的理论研究,监测预报和防治解危提供新的方向.

1冲击地压应力控制理论

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煤岩体的应力包括原岩应力和采动应力,其中原岩应力不可控,而采动应力是可以控制的.作为时间与空间的函数,采动应力的大小,方向和分布位置直接地,动态地影响着煤岩体的稳定状态,并可通过监测煤岩体的相对应力来获得.然而,由于冲击地压的发生位置与冲击启动位置通常并不重合,使得一个点的相对应力变化无法判断冲击危险性和冲击危险区域.为此,提出了单位应力梯度Δσn,t的概念,表征不同时刻每个点的相对应力的变化量,即

Δσn,t等于(σn,t2-σn,t1)/(t2-t1)(1)

式中:σn,t1,σn,t2分别为t2和t1时刻n点位置煤体的相对应力,MPa.

通Δσn,t的变化,可以评价冲击危险性和冲击危险区域.因此,冲击地压的监测预报与防治解危应以煤岩体的应力状态分析为基础,以控制应力为中心.一方面在煤岩体未形成高应力集中或不具有冲击危险之前,通过区域应力协调转移等措施避免煤岩体形成高应力集中,另一方面在已经形成高应力集中或冲击危险区域,通过应力释放和转移措施使煤岩体的应力集中程度降低,尤其是降低采动过程中的单位应力梯度,破坏冲击地压发生的应力条件,达到降低或者防治冲击的目的.

2应力控制下的冲击地压发生机理

1)构造应力诱发冲击地压.2016年11月3日,河南义马煤业集团公司千秋煤矿21221回风巷掘进时发生1起冲击地压事故,地面震感强烈,事故发生地点位于F16断层构造带附近,构造应力影响显着.根据千秋煤矿煤岩层地质条件,模拟煤岩层物理力学参数见表1,运用UDEC建立基于连续体的离散单元二维数值模型,如图1a所示.

表1模型各层的岩石物理力学参数achlayerofrockphysicalandmechanicalparametersinmodel

模型层位厚度/m密度/(kg·m-3)黏结力/MPa内摩擦角/(o)抗拉强度/MPa基本顶190260029.0405.20直接顶1825006.0282.00煤层1014001.7251.40直接底425006.0282.00基本底26260024.7353.5

图1试验模型

Fig.1Testmodel

工作面推进过程中围岩的位移变化如图2所示.此外,还采用相似模拟试验研究了工作面过断层期上覆岩层的运动规律和应力变化,模型比例为1:200,试验模型和监测设备如图1b所示.3号测点的4个应力传感器(D1,D2,D3,D4)监测应力随工作面推进的变化曲线如图3所示,3号测点位于断层上盘,与断层相距150m左右.通过数值模拟和相似模型试验可以看出,工作面距断层50m之前,断层构造应力对工作面推进过程中的应力分布状态和单位应力梯度影响不明显.随着工作面的推进,在采动应力叠加影响下,煤层顶板裂隙也开始扩展发育,顶板岩体沿断裂结构面发生滑移,回转和破坏失稳.当工作面推进距断层40~50m时,断层活化,工作面前方的支承压力开始激增,在断层位置应力峰值达到80MPa,过断层后,由于断层上下盘岩体间具有较小的静摩擦,能阻止顶板岩层荷载向前方煤体中转移,导致工作面前方煤体中支承压力降低.在断层构造应力和工作面采动应力的叠加影响下,工作面推进至断层附近处,煤岩体单位应力梯度70MPa,动应力比为4.5,大于发生冲击地压的临界值1.5,可见此时的工作面具有很强的冲击危险性,这是导致冲击地压发生的主要原因.

图3工作面推进过程中应力变化曲线

Fig.3Stresschangecurveintheprocessofmining

图2工作面推进过程中围岩位移变化

Fig.2Surroundingrockchangeintheprocessofmining

2)采动应力诱发冲击地压.某煤矿在工作面运输巷掘进时发生冲击地压事故,事故影响巷道范围为50m,如图4所示.

图4事故现场破坏情况

Fig.4Thesceneoftheaccidentdamage

根据相关资料建立FLAC3D的数值模型.巷道开采深度达到了800m,原岩应力大,并且距离事故地段巷道约100m处存在上层煤的采空区,上层煤与本层煤层间距30m,残余支承压力仍然对该次事故有明显影响,模拟后的垂直应力分布云图如图5所示,由图5a可知,事故地段巷道处于煤层的合层地段(相变地段),且由于钻场的存在,造成事故地段构造应力高度集中,对诱发片帮冲击有明显影响(图5b).在原岩应力,构造应力和采动应力的综合影响下,巷道的最大主应力(图5c),由图5c可知,巷道最大主应力主要位于上帮,应力分布范围与事故范围相一致,单位应力梯度为90MPa,动应力比为4.5,大于发生冲击地压的临界值1.5,掘进工作面具有高度冲击危险性.由此可知,应力是导致冲击地压发生的最主要因素,只有控制应力才能有效防治冲击地压.图5模拟后的垂直应力分布云图

Fig.5Verticalstressdistributionnephogramfromthesimulation

3冲击地压应力控制理论实践

3.1超前深孔顶板预裂爆破防冲击地压

河南义马煤业集团公司跃进煤矿25110工作面采深较大,冲击地压现象明显,巷道变形较严重,掘进过程中有多次冲击地压显现.根据该工作面超前采动应力监测结果,确定工作面回风巷前方50m范围为一级冲击危险区.为此,2016年在跃进煤矿25110工作面回风巷330m处进行了现场断顶爆破试验,对爆破前后的应力及卸压效果通过钻孔应力计进行检验.爆破前后爆孔附近煤岩体应力变化如图6所示.随着爆破的进行,爆破产生的应力波和爆轰气体促使巷帮高应力向煤体深部转移的同时,爆孔附近的高应力得以释放,冲击危险降低.

图6爆破段附近钻孔应力变化

Fig.6Thestresschangingtheboreholenearlyblasting

3.2开切眼贯通动态应力控制防冲击地压

跃进煤矿223070工作面属于孤岛工作面,工作面2条巷道均与采空区相邻,开切眼掘进过程中在上覆岩层自重应力和多次采动应力叠加作用下,具有强冲击危险.为了对开切眼贯通期间冲击危险区进行划分并制定相应的防冲措施,采用数值模拟手段(表1)分析孤岛工作面开切眼贯通期间应力运移规律,如图7所示.

图7孤岛工作面开切眼贯通期间应力分布云图

Fig.7Thestressdistributionnephogramduringopen-offcutthroughinislandminingface随着开切眼上下端头不断地掘进,在原岩应力与采动应力的叠加作用下,两掘进工作面前端的实体煤内形成应力集中,且下掘进工作面前端的集中应力峰值与范围都明显大于上掘进工作面.当上下端头各掘进80m时,两掘进工作面的超前支承压力影响区合并叠加,应力峰值达50MPa左右,单位应力梯度达到30MPa,该应力已经超过煤岩的承载能力,容易发生冲击地压.根据应力控制理论,利用煤矿现有的监测设备和防冲技术措施,建立23070工作面开切眼贯通动态应力控制防冲技术体系,将开切眼掘进划分为初始期间,掘进期间和贯通期间3个阶段,根据现场煤岩体应力,能量和变形量的监测结果和现场冲击显现特征,动态调整上下掘进工作面的监测密度和预警阈值,通过对断顶爆破,上下端头掘进工作面注水和断底卸压爆破等卸压措施相关参数和时空组合方式优化,顺利实现了开切眼贯通.其中,2016年11月,23070工作面开切眼从掘进到贯通共耗时151d,这期间在开切眼附近共监测到343个不同等级的微震事件,按能量分布统计,如图8所示.由图8可知,能量主要为102~104J,多为小煤炮事件,说明上下开切眼煤岩体的高应力得到有效控制.

图8开切眼掘进期间微震能量分布

Fig.8Seiicenergydistributioninduringopen-offcuttunnelling

4结论

1)冲击地压导致煤岩体突然破坏是高应力作用的结果,应力控制理论的核心是控制煤岩体的应力分布状态和单位应力梯度.

2)现场实践,数值模拟和相似模拟研究表明:冲击地压的发生是由于应力的变化所引起的,即冲击地压的防治是可以通过控制应力来实现的.

3)断层的构造应力会造成煤岩体的应力分布集中和单位应力梯度明显增加,动应力比远大于临界值,是导致冲击地压发生的主要原因,受邻近采区残余应力的影响,巷道掘进过程中,采场应力分布的不均匀,通常也会诱发掘进巷道冲击地压.

4)在超前深孔顶板预裂爆破和开切眼贯通动态应力控制的防冲实践中,验证了可通过应力控制理论来实现冲击地压的有效防治.