上覆巨厚砾岩层失稳诱发重力型冲击地压研究

上覆巨厚砾岩层失稳诱发重力型冲击地压研究
齐利伟;李宝富;梁向辉;常垒;王富林
【摘要】千秋煤矿是一个冲击地压灾害严重的矿井,其上覆巨厚砾岩层破断失稳对冲击地压的发生有着很重要的影响.本文通过相似模拟试验和理论分析,着重研究上覆巨厚砾岩层破断失稳诱发的重力型冲击地压机理,并对上覆离层垮落砾岩层诱发的冲击载荷进行估算.研究结论与现场实测吻合的很好,并针对该类冲击地压提出了监测与预防相结合的防控思路.
【期刊名称】《煤》
【年(卷),期】2012(021)006
【总页数】4页(P1-3,15)
【关键词】巨厚砾岩层;重力型冲击地压;相似模拟;冲击载荷
【作者】齐利伟;李宝富;梁向辉;常垒;王富林
【作者单位】河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000
【正文语种】中文
【中图分类】TD324
冲击地压是世界采矿业面临的共同问题，严重影响着矿井的安全生产，千秋煤矿的冲击地压尤为严重。

近年来，千秋煤矿随着开采深度的不断加大，冲击地压灾害在
井下巷道、工作面时有发生。

矿井自1991年首次发生冲击地压以来，随着开采深度的增加，冲击地压时有发生。

最为严重的是2008年6月，21201回采工作面
运输巷发生冲击地压，近105 m巷道顶底板合拢，此次事故造成11人受伤，13
人死亡。

此后，千秋煤矿又发生多次小型冲击地压。

千秋煤矿每年为防治冲击地压都投入巨额资金，在冲击地压预测预报和防治技术方面均取得大量成果，但冲击地压并没有完全得到遏制。

因此，结合千秋煤矿综放采场上覆巨厚砾岩层这一特定地质条件，找出巨厚砾岩层垮落失稳诱发重力型冲击地压机理，并采取相应的防治措施，是对千秋煤矿冲击地压研究的重要补充。

1.1 矿井概况
千秋煤矿现生产采区集中于21区下山盘区，开采的2号煤层，现生产工作面为21141综放工作面。

21141综放工作面设计面长为130 m，推进长度为1 296 m，平均埋深为730 m，煤层平均厚度为25 m。

千秋煤矿开采的2号煤层属易自燃特厚煤层，井田范围内距离2号煤层顶板上方约210 m远处有一层平均410 m厚
的巨厚砾岩层。

采用综放开采时，上覆巨厚砾岩层随采场推进可能会出现大面积悬顶而不垮落，当悬顶面积达到一定值时会出现突然性断裂和大范围垮落，诱发重力型冲击地压。

1.2 重力型冲击地压研究现状
主要受重力作用，不受构造力影响或受构造力影响很小的冲击地压称为重力型冲击地压。

重力型冲击地压发生的基本条件主要是煤岩层的赋存状况、力学性质、诱发冲击的空间及力源等方面。

煤岩层的赋存状况、力学性质是产生重力型冲击地压的根本条件［1］;诱发冲击空间是产生重力型冲击地压的关键。

力始终存在，力的强弱和诱发空间有密切关系。

诱发空间越大，冲击力就越大。

文献［2－3］都证明
巨厚砾岩层的运动是冲击地压发生的重要力源。

文献［4］表明煤层上覆100m范围内的坚硬、厚岩层是影响冲击地压发生的主要因素之一。

顶板坚硬岩层，特别是
顶板的关键层运动、破断，对冲击地压的发生有巨大的影响。

由此可以看出，上覆巨厚砾岩层对千秋煤矿冲击地压的发生有着至关重要的影响。

本文将着重讨论由于巨厚砾岩层局部破断垮落而引起的重力型冲击地压。

2.1 相似模拟材料的选择
相似材料是由胶结物和填料组合而成的，而胶结物的力学性质在很大程度上决定了相似材料的力学性质。

石膏、碳酸钙作为无机胶结物，具有脆性破坏的特点，强度较低，价格便宜［5］。

石膏弹性模量和抗压强度的调节范围较大，是应用最广泛的一种相似材料。

鉴于以上特点，此次相似实验就选用砂子、碳酸钙、石膏作为原料。

然后根据相似材料配比实验的结果和岩石力学实验的结果确定各岩层的相似材料配比。

2.2 相似模型的制作
根据现有实验条件，可以铺设大的最大模型尺寸为2 500 mm×1 500 mm×200 mm，本次实验主要研究巨厚砾岩层的破断规律，需对该层进行全层铺设，因此确定原型和模型几何相似比为500，最终确定模型的尺寸为2 500 mm×1 300 mm×200 mm，容重相似比为1.5，应力相似比为750。

制作好的相似模型如图1所示，模型中各岩层之间用云母粉隔开，其中的黑色部分为煤层。

2.3 相似模拟试验结果
模型制作完成后，等其自然风干后开始实验。

从距模型左边界300 mm处开挖，结合模型的相似常数，每次开挖20 mm(为实际距离10 m，后面叙述用实际距离表示)，两次开挖时间间隔2 h。

由于本文研究重点是巨厚砾岩层离层破断诱发的重力型冲击地压，故此处只讨论上覆巨厚砾岩层的破裂失稳过程。

根据相似模拟试验的结果，在工作面推进到约300 m时，上覆巨厚砾岩层下部出现张拉裂隙，如图2所示。

工作面继续向前推进，裂隙逐渐向上扩展，并越来越
大。

从图3反映的情况来看，当裂隙向上延伸约30 m后，裂隙便不再竖直向上扩展，而沿斜向上方向继续扩展，最后几乎是在水平方向沿工作面推进方向向前扩展，与巨厚砾岩层上部形成离层。

工作面继续向前推进，离层空间继续增加。

由图4
可以看出，当工作面推进到约700 m时，离层部分在自身重力作用下垮落，对砾
岩层下部岩层形成冲击。

砾岩层垮落破断部分近似一梯形。

这一现象与文献［6］的结论较为一致。

文献［5］对上覆大厚度坚硬岩层的破断规律分析中指出大厚度坚硬岩层在沉降过程中的运动方式有两种，其中一种就是厚岩层在弯沉过程中沿某一层面剪开，厚岩层转化成两个或更多的岩层分开运动。

本次相似模拟试验中的巨厚砾岩层移动及破断规律属于这种运动方式。

千秋煤矿由于开采煤层厚度平均达25 m，直接顶和老顶垮落后虽然会出现碎胀，但并不能把采空区填满。

这就给上面的岩层留下了继续下沉的空间。

随着工作面的不断推进，岩层垮落的高度越来越高。

随着岩层的不断垮落，砾岩层下方的弯曲下沉带下沉量也越来越大。

同时，由于砾岩层本身厚度较大，强度较高，通过观测发现，其下沉量非常小。

这样，砾岩层和其下部岩层的离层量就越来越大，据测量最大可达16 m，如图2所示。

3.1 冲击荷载的理论计算
砾岩层离层断裂垮落岩层部分的冲击是否会对工作面产生影响，取决于冲击荷载的大小。

下面根据相似实验的结果来估算冲击力。

为计算冲击荷载，需知道离层垮落部分的质量及冲击高度。

垮落岩层的质量和冲击高度越大，冲击力就越大，对工作面的影响就越大。

从图4知垮落部分截面为一近似梯形，为了计算的简便，就把该截面简化为梯形。

测得梯形上底L1为150 m，下底L2为280 m，高为90 m。

同时，已测定该层
砾岩的密度为2 720 kg/m3。

由冲量定理mv=Ft，可得冲击力:
式中:v为垮落部分的冲击速度，t为冲击时间。

冲击速度v可由下式求得:
式中:g为重力加速度，h为冲击高度，用离层值计算。

将式(2)代入式(1)可得:
由于冲击发生是瞬间发生的，发生的时间非常短，所以t的值很小，一般只有零点几秒。

由公式(3)和公式(4)可知，t越小，冲击荷载就越大，据估算会达到30 MPa 以上。

这大大超出砾岩层下方岩层的承载强度，所以砾岩层下方岩层会和其离层部分一起突然垮落。

由于冲击是由砾岩层离层部分重力作用引起的，所以这样的冲击属于重力型冲击。

千秋煤矿的ESG微震监测系统在21141工作面推进到700 m左右时监测到工作面后方距开切眼680 m处发生冲击。

这也证明了本次相似模拟实验与现场吻合的非常好。

3.2 结构弱面对冲击的影响
据钻孔得到的地质资料显示，自中生代以来，千秋井田发生过多次地壳运动，在长期的地质运动中，上覆巨厚砾岩层受到构造应力的影响，从而会在某些部位破坏产生结构弱面。

由上面的相似模拟实验可知，开采过程中，砾岩层必然会和其下部岩层产生较大离层，结构弱面附近的砾岩层会在自身重力的作用下垮落，造成冲击，冲击的强弱取决于垮落岩层部分的重力大小。

千秋煤矿现有的防冲措施如设置卸压硐室、放卸压炮和断底炮等都是针对由于弹性能积聚而诱发冲击地压的解危措施，而对于巨厚砾岩层离层垮落引起的重力型冲击地压的防治效果不明显。

根据相似模拟实验的结果，可以预知该重力型冲击地压发生在工作面后方，距开切眼300～700 m范围内。

由上面的分析可知，千秋煤矿巨厚砾岩层引发的重力型冲击地压主要与砾岩层的赋存状况、力学性质等有关，因此为了预防此类型的冲击地压，有必要对这两方面进
行深入细致的研究。

同时，可以通过钻孔等手段搞清楚砾岩层结构面的基本情况，这样可以预先知道该类型冲击地压可能发生的大致区域，当工作面推进到这些区域附近时，采取一定的措施。

具体来说，可采取如下措施:
1)当工作面推进到冲击地压可能发生的区域时，加强顶板支护，这样可以减小由于冲击造成的上覆岩层垮落对工作面的影响。

2)在可能发生重力型冲击地压的区域，采取措施，使工作面上方的顶板尽可能的垮落，这样可以减少冲击发生时垮落岩石的质量，有效降低冲击能量。

1)千秋煤矿采场上覆巨厚砾岩层离层垮落是重力型冲击地压发生的诱因。

当综放工作面推进到300～700 m时，巨厚砾岩层离层部分在自身重力作用下垮落，对砾
岩层下部岩层形成冲击，砾岩层垮落破断部分近似一梯形。

2)采用冲量定理对砾岩层垮落破断部分的冲击载荷进行计算，当冲击载荷大于下部离层岩层的承载强度时，砾岩层与下部岩层一起突然垮落，引发冲击地压。

由于冲击是由砾岩层离层部分重力作用引起的，该类型冲击属于重力型冲击。

3)针对重力型冲击地压的发生特点和可能的发生区域，在做好监测工作的同时要采取加强支护和减少冲击载荷相结合的防控措施，本文的结论对千秋煤矿即将开采的21172工作面有现实的指导意义。

【相关文献】
［1］窦林名，曹胜根，刘贞堂.三河尖煤矿坚硬顶板对冲击地压的影响分析［J］.中国矿业大学学报，2003，32 (4):388－392.
［2］何全洪.砾岩运动与冲击地压的关系探讨［J］.矿山压力与顶板管理.2003(4):95－96.
［3］郭惟嘉，孔令海，陈绍杰，等.岩层及地表移动与冲击地压相关性研究［J］.岩土力学，2009，30(2):447－451.
［4］李宝富，任永康，齐利伟，等.煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究［J］.煤炭工程，2011，4(93):93－ 95.
［5］王少一.厚煤层分层开采覆岩破坏与变形规律的试验研究［J］.现代矿业，2009(1):60－62.
［6］史红，姜福兴.采场上覆大厚度坚硬岩层破断规律的力学分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(18): 3 066－3 069.。