煤柱型冲击地压的力学机制.doc

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煤柱型冲击地压的力学机制
1、十一矿22122切眼煤柱情况
平煤十一矿采深接近1 000 m，受冲击地压威胁严重。二水平二采区2212区段开采二1煤层，煤厚4.2 m左右，分层开采。22122采面设计开采2212区段下分层，采深820～880 m，走向长度1 300m，倾斜长180m，下分层采厚2.0m。为便于切眼掘进和支护，同风平巷自开口1 280 m向上（上层切眼以外）进入原生煤段。然后沿煤层顶板掘22122切眼，即22122切眼布置在采空区外侧实体煤顶分层中，距上分层采宅区20～30 m，22122切眼附近巷道布置情况如图1所示。煤层及顶底板围岩物理力学参数如表1所示。

（a） 平面图

（b）A-A剖面
图1 22122切眼附近巷道布置图

表 1 22122切眼围岩物理力学参数
层位
岩性
厚度/m
抗压强度
/MPa
黏聚力
c/MPa
内摩擦角
φ/(°)
老顶
砂质泥岩与细砂岩互层
10.0
74.61~113.28
1.85
38.20
直接顶
砂质泥岩
2.0
46.91
10.97
34.40
煤层
无烟煤
5.4
13.86
-
-
直接底
泥岩
12.0
28.55
1.22
33.21
老底
石灰岩
10.0
88.54
11.54
28.12

2、冲击地压发生情况
22122切眼在掘进过程中发生过3次冲击地压，第一次发生时间为2009年12月27日中班，切眼往下掘进至100～105 m位置，冲击发生后迎头以后20 m范围内底臌0.5 m，两帮收敛0.3 m，造成设备损坏和人员受伤，能量达到4.56×105J。第二次发生在2010年1月15日中班23时10分，切眼向下掘进到125 m处，当时正施工瓦斯排放措施孔，事故发生后迎头后退20～30 m范围内两帮收缩0.2 m，迎头后退30m范围内，底臌0.4～0.8m，煤尘飞扬，溜子抬高0.4 m，造成设备损坏、人员受伤，瓦斯涌出量没有明显变化，微震监测系统显示此次冲击地压能量1.52×105J：第三次发生在2010年2月19日18时53分，切眼距下巷3m处，迎头退后5m的50 m范围内底板臌起0.7～0.8 m，两帮收缩0.3～0.4 mm，多名工作人员被弹起，由于穿有防护服，无人员受伤，冲击能量达到3.33×105 J。
3冲击地压发生机制分析
（1）应力条件
22122切眼发牛的3次冲击地压，是典型的由采矿活动引起的煤柱型（压力型）冲击。巷道周围煤体中的压力由亚稳态增加至极限值，煤体内聚积的能量突然释放。从围岩应力条件分析，煤柱区位置的埋深达到820～880 m，按岩体平均容重γ=25 kN／m3，则岩体自重应力在21MPa以上。如图2所示，上分层采空区侧煤壁由于受到基本顶断裂及下沉影响，使煤柱承受较高的支承压力，并与22122切眼支承压力形成叠加。数值模拟计算表明，垂直应力集中系数达到原始应力的2.0～2.5倍，采空区侧的垂直应力最大，接近原始应力的3.0倍（见图3）。因此，煤柱承受的应力已经远大于煤体单向抗压强度（13.86MPa）。采掘引起的应力高度集中为弹性能的积聚创造了条件，是引发冲击地压的主要原因。

图2 22122切眼煤柱支承压力作用示意图

图3 煤柱垂直应力分布图
（2）煤岩冲击倾向性能
在煤岩特性方面，按照国家煤炭行业标准对煤层及顶板岩层进行了冲击倾向性测试，结果表明，二1煤层具有中等偏强冲击倾向性能，直接顶无冲击倾向，老顶具有中等冲击倾向，在煤层上方30m左右有一层厚度超过20 m的石英砂岩，具有强冲击倾向。煤及岩层本身具有的冲击倾向性能也是引发冲击地压的重要因素。
（3）围岩体结构
22122切眼沿二1顶板布置，底板留有2 m厚度的底煤，是切眼围岩结构中的软弱部位（底板无支护），成为能量释放的突破口。当煤柱内积聚的大量弹性能达到极限时，就在底板及煤柱侧释放出来，产生冲击地压。

企业介绍：
山东科大中天位于中国院士泰山创业基地，注册基金1150万元，由中国科学院宋振骐院士汇聚多位院士等业内高端专家，充分依托山东科技大学联合中国矿业大学与山东大学等多所高校院所组建而成。
以煤矿安全监控预警与智能化安全开采成套技术及其全过程实施管理信息化为主导产业，强力打造专家服务团队、技术研发团队与现场实施团队，不断拓展了实用矿山压力控制等理论与研究方法体系，确保公司的产品研制与现场应用始终处于领先水平。
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