煤層沖擊地壓影響因素分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u126煤層沖擊地壓影響因素分析案例 165411.1煤層開采深度 1124121.2斷層活化 2130021.3褶曲構(gòu)造 3200341.4巨厚巖漿巖 3280691.5相變 8284881.6孤島工作面 9274951.7超深井開切眼 111.1煤層開采深度根據(jù)對(duì)我國(guó)沖擊地壓資料的調(diào)研分析，發(fā)生沖擊地壓的煤層單軸抗壓強(qiáng)度一般為15～25MPa，回采工作面的應(yīng)力集中系數(shù)取2，掘進(jìn)工作面應(yīng)力集中系數(shù)取1.5，煤層上方巖層的容重取25kN/m3，沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力為煤層單軸抗壓強(qiáng)度的1.5倍，則可反推回采工作面發(fā)生沖擊地壓的臨界深度為450～750m，掘進(jìn)工作面發(fā)生沖擊地壓的臨界深度為600～1000m。若考慮地質(zhì)因素及采礦條件對(duì)沖擊地壓的影響，回采或掘進(jìn)工作面發(fā)生沖擊地壓的臨界深度會(huì)降低，此時(shí)的深度為當(dāng)量臨界深度。若考慮地質(zhì)因素或采礦條件導(dǎo)致的應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，則回采工作面發(fā)生沖擊地壓的當(dāng)量臨界深度為300～500m，掘進(jìn)工作面發(fā)生沖擊地壓的當(dāng)量臨界深度為400～667m?？梢姡删蚩臻g發(fā)生沖擊地壓的當(dāng)量臨界深度小于臨界深度。由于煤層沉積條件的差異性、采礦條件的多變性及地質(zhì)構(gòu)造分布的不均衡性，采用當(dāng)量臨界深度描述沖擊地壓與采掘深度之間的關(guān)系更有意義。當(dāng)量采深是指根據(jù)采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力與覆巖容重計(jì)算出的煤層開采深度，該深度通常大于煤層的實(shí)際開采深度。工作面受構(gòu)造、側(cè)向支承壓力等影響，采場(chǎng)圍巖中的垂直應(yīng)力比自重應(yīng)力大，相當(dāng)于工作面的采深增大。如山東某礦1采區(qū)首采面（1301）及沿空面（1302）回采深度都約為800m，首采面回采過程中沒有發(fā)生沖擊地壓，而沿空面回采過程中卻發(fā)生了一次沖擊地壓（位置見圖1.1），說明沿空面煤體中的垂直應(yīng)力大于首采面煤體中的垂直應(yīng)力。從圖中可以看出，沿空面受到采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，煤體中的垂直應(yīng)力大于自重應(yīng)力。設(shè)受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，沿空面煤體的應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，則沿空面的當(dāng)量采深為1200m。1302工作面1302工作面1301采空區(qū)1302采空區(qū)沖擊地壓位置圖1.1山東某礦“3.7”沖擊地壓事故位置山東某煤礦在回采3采區(qū)第一、二個(gè)條帶工作面（3309、3305，見圖1.1）時(shí)沒有發(fā)生沖擊地壓，而在回采第三個(gè)條帶工作面（3301）時(shí)發(fā)生1次嚴(yán)重的沖擊地壓事故，這三個(gè)條帶工作面的回采深度都在950m左右。從圖中可以看出，3301工作面受3309采空區(qū)、3305采空區(qū)及工作面前方斷層、硐室群影響，工作面煤體中的垂直應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自重。設(shè)受上述因素影響工作面煤體的應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，則3301工作面的當(dāng)量采深約為1520m。1.2斷層活化斷層活化是巖層運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身的不穩(wěn)定性，在高應(yīng)力作用下，斷層比完整巖層先行運(yùn)動(dòng)。如圖3.4所示，隨著工作面或掘進(jìn)頭的推進(jìn)，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后，斷層本身構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，重新分布。斷層與工作面中間位置為應(yīng)力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身能夠積聚能量，則疊加后的應(yīng)力高峰區(qū)位置同樣容易積聚較大能量。當(dāng)滿足沖擊條件時(shí)，可能誘發(fā)沖擊地壓。1.3褶曲構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，采掘工作面接近向斜軸部或翼部時(shí)，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。煤礦常見的褶皺是巖層受縱彎作用形成的，即巖層在水平擠壓載荷長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生的緩慢變形。褶皺形成后，各部位的受力狀態(tài)有較大差異。向斜、背斜內(nèi)弧的波谷和波峰部位呈現(xiàn)水平壓應(yīng)力集中，向斜、背斜外弧的波谷和波峰部位呈現(xiàn)拉應(yīng)力集中，翼部呈現(xiàn)壓應(yīng)力集中。根據(jù)褶皺的形成機(jī)制，可將褶皺各部位的受力狀態(tài)分為5個(gè)區(qū)（見圖3.9）：Ⅰ區(qū)鉛直方向受拉，水平方向受壓，采掘工程布置在該區(qū)域時(shí)易發(fā)生片幫；Ⅱ區(qū)鉛直方向受壓，水平方向受拉，采掘工程布置在該區(qū)域時(shí)易發(fā)生冒頂和沖擊地壓；Ⅲ區(qū)水平、鉛直方向均受壓，采掘工程布置在該區(qū)域時(shí)易發(fā)生沖擊地壓；Ⅳ區(qū)的受力狀態(tài)同Ⅱ區(qū)，Ⅴ區(qū)的受力狀態(tài)同Ⅰ區(qū)；褶皺翼部受到強(qiáng)剪作用，采掘工程布置在該區(qū)域時(shí)還易發(fā)生剪切失穩(wěn)。另外，由于褶皺是受水平擠壓形成的，褶皺區(qū)巖體內(nèi)部存有殘余應(yīng)力和彈性能；彈性能釋放也是褶皺誘發(fā)沖擊地壓的重要原因。1.4巨厚巖漿巖王樓煤礦井田內(nèi)有一橄欖輝長(zhǎng)巖侵入體，呈巖床狀侵入到上侏羅統(tǒng)蒙陰組，厚度由0.00～163.10m，平均101.46m，呈南薄北厚，西區(qū)比東區(qū)厚，在井田的東南部被第四系剝蝕，如圖3.17所示。巖漿巖侵入于煤系上覆地層的上侏羅統(tǒng)蒙陰組中，層位穩(wěn)定，下距上侏羅統(tǒng)底界131.60～253.68m，平均約180m。距3上煤層頂界196.68～336.80m，平均278.93m。隨著巨厚巖漿巖下方3上煤層開采面積的增大，采空區(qū)面積也逐漸增大，上覆巖層由于失去支撐，不斷逐層離層垮落，當(dāng)覆巖離層垮落運(yùn)動(dòng)發(fā)展到巨厚巖漿巖所在層位后，如果巨厚巖漿巖達(dá)到了極限跨距，當(dāng)自身強(qiáng)度不足以支撐本身自重和上覆巖層壓力時(shí)，首先在兩個(gè)支撐點(diǎn)上表面拉壞，然后在巖梁中部下表面拉壞后斷裂，如圖1.2所示。由于巖漿巖厚度、硬度較大，當(dāng)斷裂時(shí)有可能誘發(fā)礦震型沖擊地壓，如圖1.3所示。巖漿巖巖漿巖圖1.2王樓煤礦巨厚巖漿巖剖面圖巨厚巖漿巖巨厚巖漿巖層面1面2面3面n垮落帶離層（a）3上煤層上方巨厚巖漿巖斷裂前狀態(tài)面1面1面2面3面n垮落帶（b）3上煤層上方巨厚巖漿巖斷裂后狀態(tài)圖1.3巨厚巖漿巖斷裂前后狀態(tài)采空區(qū)n采空區(qū)n煤柱礦震后側(cè)支承壓力礦震前側(cè)支承壓力礦震采空區(qū)2采空區(qū)1煤柱圖1.4巨厚巖漿巖斷裂誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理示意圖應(yīng)用材料力學(xué)知識(shí)對(duì)巨厚巖漿巖彎拉破壞過程進(jìn)行力學(xué)分析：巨厚巖漿巖下方巖層離層后其受力狀態(tài)如圖1.5（a）所示（圖中L段處于懸空狀態(tài)），巖漿巖上表面均布上覆巖層自重應(yīng)力，下表面懸空區(qū)域不受力，隨著遠(yuǎn)離懸空區(qū)域，下表面所受支撐力逐漸增大，直到支撐力等于巖漿巖下表面所處區(qū)域原巖應(yīng)力；巖漿巖兩個(gè)端部嵌固；綜合上述分析，巨厚巖漿巖斷裂前為嵌固梁，受力復(fù)雜，處于超靜定狀態(tài)，無法得出精確解；巨厚巖漿巖端部拉斷后演化為類簡(jiǎn)支梁，受力情況也比較復(fù)雜。為了得到巨厚巖漿巖的極限跨距，現(xiàn)從工程角度進(jìn)行估算。將圖1.5（a）中巨厚巖漿巖端部拉斷前受力模型簡(jiǎn)化為上表面只受垂直應(yīng)力的嵌固梁，如圖3.20（b）所示；端部拉斷后演化為上表面只受垂直應(yīng)力的簡(jiǎn)支梁，如圖1.5（c）所示。HHLq1=QUOTE1nmiγiq2=QUOTE1nmiγi+HγHq2=QUOTE1nmiγi+HγHMRRM(a)懸臂狀態(tài)巨厚巖漿巖受力狀態(tài)(b)嵌固狀態(tài)（c）簡(jiǎn)支狀態(tài)圖3.20巨厚巖漿巖初次斷裂力學(xué)分析根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，嵌固梁的極限跨度計(jì)算公式為：QUOTEMA=MB=112qL2+12mγL2=112γ簡(jiǎn)支梁的極限跨度計(jì)算公式為：QUOTEMA=MB=112qL2+12mγL2=112γ式中，q為巨厚巖漿巖上覆巖層自重應(yīng)力，q=γh=15.6MPa（h取622m，h取25KN/m3），H為巨厚巖漿巖厚度，取104m；RT為巨厚巖漿巖抗拉強(qiáng)度，取7MPa；將參數(shù)分別代入式（4-2）、（4-3）計(jì)算得出巨厚巖漿巖嵌固狀態(tài)下的極限跨度L1=99m，簡(jiǎn)支狀態(tài)下的極限跨度L2=80m。巨厚巖漿巖發(fā)生斷裂運(yùn)動(dòng)時(shí)推采工作面?zhèn)€數(shù)分析：根據(jù)覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，上覆巖層運(yùn)動(dòng)高度約為采空區(qū)傾向長(zhǎng)度一半，則連續(xù)開采工作面寬度為558m（巨厚巖漿巖到煤層距離的2倍）時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)就會(huì)發(fā)展到巨厚巖漿巖而使其達(dá)到的極限跨距（80~99m），則巨厚巖漿巖發(fā)生斷裂運(yùn)動(dòng)時(shí)推采工作面最大個(gè)數(shù)為：工作面采寬為150m時(shí)，為4個(gè)；工作面采寬為180m時(shí)，為3個(gè)；工作面采寬為240m時(shí)，為2個(gè)；工作面采礦300m是，為1個(gè)。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，巨厚巖漿巖距離3上煤層高度并不同一，厚度也不一致，具體連續(xù)采到第幾個(gè)工作面時(shí)巨厚巖漿巖出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)還需根據(jù)臨場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定，上述僅為估算結(jié)果。實(shí)際工作面推采中一定要加強(qiáng)工作面前方煤體應(yīng)力和地表巖移監(jiān)測(cè)，時(shí)刻關(guān)注巨厚巖漿巖動(dòng)向，以提前采取措施，防止發(fā)生沖擊地壓事故。結(jié)合王樓煤礦現(xiàn)場(chǎng)開采情況進(jìn)行分析：12310孤島工作面埋深889～916m，煤層厚度為1.3~4m，平均2.1m，傾角5～10°，煤層具有弱沖擊傾向，單軸抗壓強(qiáng)度12.32MPa；煤層直接頂為厚6m的鋁土質(zhì)泥巖，基本頂為厚50m的中砂巖；煤層上方300m為厚度135m的巖漿巖；直接底為厚3m的炭質(zhì)泥巖，基本底為厚47m的細(xì)砂巖；巷道寬度5m，高度2.7m，采用錨網(wǎng)索梯剛性強(qiáng)支護(hù)；工作面西部為12312采空區(qū)，傾向長(zhǎng)度135m，東部為12306和12304采空區(qū)，兩個(gè)采空區(qū)傾向長(zhǎng)度和為295m；12310工作面走向長(zhǎng)平均為1061m，傾向長(zhǎng)300m，如圖3.21所示。由于采深較大，且為孤島開采，當(dāng)工作面推采323m時(shí)，面前3條巷道變形嚴(yán)重，巷幫鼓出超過0.5m，頂板錨桿拉斷，頂板最大下沉可達(dá)1.4m，底鼓最大可達(dá)0.3m。12310孤島工作面推采過程中的微震監(jiān)測(cè)情況如圖3.22所示，地表下沉情況如圖3.23所示。結(jié)合圖3.22~3.23中微震監(jiān)測(cè)、地表巖移觀測(cè)和工作面前方煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，12310工作面開采后4個(gè)采空區(qū)的傾向長(zhǎng)將增大到約730m，導(dǎo)致巨厚巖漿巖的運(yùn)動(dòng)，從而使得工作面前方應(yīng)力集中程度增大，這是巷道產(chǎn)生大變形，甚至產(chǎn)生沖擊危險(xiǎn)的原因。12310孤島12310孤島工作面12312采空區(qū)12306采空區(qū)12304采空區(qū)圖1.612310孤島工作面平面圖（a）微震事件平面顯示4040-400-8080120160200240280320360距工作面距離/m12310工作面12312采空區(qū)12306采空區(qū)12304采空區(qū)巨厚巖漿巖（b）微震事件剖面投影顯示圖1.712310孤島推采過程中的微震監(jiān)測(cè)情況圖1.812310孤島中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表下沉曲線1.5相變煤層相變是指煤層厚度、硬度、煤質(zhì)等發(fā)生變化。研究表明，煤層相變帶是應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)采掘工作面接近相變帶時(shí)，易發(fā)生煤炮、沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象。沉積環(huán)境變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是相變產(chǎn)生的主要原因。煤層發(fā)生相變后，周圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生改變。圖3.24所示為煤層與沖刷層交界處的應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，由于煤層硬度比沖刷層的硬度大，煤層中產(chǎn)生應(yīng)力集中；當(dāng)采掘工作面逐漸接近相變帶時(shí)，采掘擾動(dòng)應(yīng)力與沖刷帶形成的支承壓力疊加，從而誘發(fā)沖擊地壓；煤層硬度、煤質(zhì)變化誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理與之相同。褶皺、斷層的形成通常伴有煤層厚度、傾角的變化。煤層厚度、傾角變化的力學(xué)機(jī)理是應(yīng)力集中。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)，煤層厚度變薄或傾角變大處往往是應(yīng)力集中處。因此，當(dāng)采掘工作面接近這些區(qū)域處，易產(chǎn)生應(yīng)力疊加，有可能導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。1.6孤島工作面隨著孤島的開采，孤島一側(cè)采空區(qū)面積繼續(xù)增大，覆巖運(yùn)動(dòng)高度也繼續(xù)增大，更高位覆巖重力向未開采孤島轉(zhuǎn)移，當(dāng)?shù)趎個(gè)孤島采畢后，第n+1孤島上的應(yīng)力分布演化為“拱形”，如圖3.32（c）所示，此時(shí)該孤島的應(yīng)力集中程度達(dá)到了沖擊地壓發(fā)生的臨界水平，從而導(dǎo)致該孤島不可采，之后，放棄第n+1孤島，從第n+2孤島開始采，直至又采到不可采孤島，依此循環(huán)，直至該區(qū)域可采孤島采畢。孤島孤島1孤島2孤島n+1采空區(qū)1采空區(qū)2（a）孤島開采前覆巖空間結(jié)構(gòu)及孤島應(yīng)力分布孤島2孤島2采空區(qū)1采空區(qū)2采空區(qū)3孤島n+1（b）孤島1開采后覆巖空間結(jié)構(gòu)及孤島應(yīng)力分布采空區(qū)采空區(qū)1采空區(qū)2采空區(qū)3孤島n+1采空區(qū)4（c）孤島n開采后覆巖空間結(jié)構(gòu)及孤島應(yīng)力分布圖1.9區(qū)域孤島開采中覆巖空間結(jié)構(gòu)演化及對(duì)應(yīng)孤島應(yīng)力通過分析上述區(qū)域孤島開采過程中的覆巖空間結(jié)構(gòu)演化，可以看出，無論是可采孤島，還是不可采孤島，孤島兩側(cè)采空區(qū)在達(dá)到充分采動(dòng)之前上方覆巖空間結(jié)構(gòu)都形成垮落帶、離層帶和未動(dòng)帶，該三帶的發(fā)展程度決定了孤島的應(yīng)力集中程度，基于此建立孤島應(yīng)力分布的力學(xué)模型如圖所示。從圖中可以看出，垮落帶對(duì)孤島應(yīng)力的影響主要為圖中藍(lán)色虛線內(nèi)巖層組，該組內(nèi)每層巖層重量的一半由孤島承擔(dān)，另一半由采空區(qū)矸石承擔(dān)；離層帶為脫離上方未動(dòng)帶的巖層組，該帶內(nèi)每層巖層一半的重量由孤島承擔(dān)，另一半由采空區(qū)另一側(cè)的支撐體承擔(dān)；未動(dòng)帶為未出現(xiàn)離層的巖層組，其對(duì)孤島施加均勻應(yīng)力且基本等于上覆巖層自重應(yīng)力。已垮落巖層巖移線已垮落巖層巖移線觸矸線離層帶未動(dòng)帶欲垮落巖層巖移線孤島孤島采空區(qū)αβLHh1h2h4h3圖1.10估算孤島應(yīng)力分布的力學(xué)模型以王樓煤礦12310應(yīng)力孤島工作面為例，采用上述方法對(duì)12310孤島的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行分析：12310孤島平均埋深903m，煤層傾角5～10°，厚度2.1m，具有沖擊傾向，單軸抗壓強(qiáng)度12.32MPa；煤層直接頂為厚6m的鋁土質(zhì)泥巖，基本頂為厚50m的中砂巖，煤層上方約300m為厚度135m的巖漿巖，除此之外無大厚度堅(jiān)硬巖層；直接底為厚3m的炭質(zhì)泥巖，基本底為厚47m的細(xì)砂巖；工作面西部為12312采空區(qū)，傾向長(zhǎng)度135m，東部為12306和12304采空區(qū)，兩個(gè)采空區(qū)傾向長(zhǎng)度之和為295m；12310孤島傾向長(zhǎng)300m，如圖1.11所示。1231212312采空區(qū)12310孤島12306采空區(qū)膠帶巷軌道巷中間巷12304采空區(qū)圖1.1112310孤島平面圖根據(jù)12312、12306和12304采空區(qū)傾向尺寸，很明顯看出12310孤島兩側(cè)采空區(qū)寬度小于1.2~1.4倍的采深，因此處于非充分采動(dòng)階段。從圖中可以看出，12310孤島應(yīng)力分布呈“馬鞍形”分布，則該孤島可采。目前雖然在推采過程中出現(xiàn)巷道變形、錨桿、錨索斷裂、底鼓等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，但通過實(shí)