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摘要：通过对唐山矿特厚煤层高应力煤柱开采发生冲击地压的统计分析，阐述了厚煤层高应力煤柱开采发生冲击地压的原因。为此而进行了厚煤层高应力煤柱开采的技术革命，采取了覆岩离层注浆、综放开采厚煤层高应力煤柱，实现了安全、高效回采；深入细致的阐述了覆岩离层注浆防治冲击地压的机理。
关键词：高应力煤柱、覆岩离层注浆、防治冲击地压。
中图分类号：[TE991]
一、唐山矿特厚煤层高应力煤柱开采发生冲击地压的统计分析
唐山煤矿5287N工作面，该面是原保护十一水平南翼大巷的护巷煤柱，因三石门开采结束，1982年开采该煤柱。工作面长120m，可采走向长度458m，煤层倾角10。，煤厚10.72m。煤层顶板为砂质泥岩，抗压强度达144MPa，煤层底板为砂质泥岩，抗压强度80.4 MPa。其上下相邻5285采空区和5287采空区，上部为5煤层的5257和5259已采区，并遗留一条倾斜条带残留煤柱。
5287N工作面采用倾斜分层金属网假顶综合机械化开采，在回采一分层的全过程中，共发生冲击地压32次，严重影响安全生产。其表现特点为：冲击地压发生的动力作用使巷道支架瞬间急速压缩、变形以至破坏，巷道底板隆起，设备器材挪移，工作人员被振起致伤；冲击地压发生时常产生强烈冲击波，可使巷旁煤岩破碎，并抛向工作空间，堵塞巷道，造成粉尘飞扬，瓦斯涌出增大。
统计分析5287N一分层及其它8、9槽合区发生的冲击地压，有以下特征：一是冲击地压都发生在工作面上下顺槽或前方巷道，或在工作面底板巷道中；二是受开采影响，工作面上下均为采空区，本条带煤柱开采形成三面均为采空区，造成孤岛煤柱应力集中所致；三是受上方5槽开采遗留煤柱集中支承压力作用，往往在此处发生冲击地压。而以上情况在其它8、9槽合区煤柱也都是存在的，要开采同样面临冲击地压的危险。
二、唐山矿冲击地压发生机理分析
（一）、历次冲击地压均发生在一500m标高以下，加上地面标高，深约550m，到达一定的深度才会发生。最大水平应力是垂直应力的3.88倍，这主要是地质构造形成的水平构造应力所致，二者形成了较大的原始应力场。
（二）、煤（岩）物理力学性质特点：八、九槽合区煤层顶板为砂质泥岩，致密坚硬，抗压强度达144Mpa，厚达12.3m，底板为厚5.8m的砂质泥岩，抗压强度80.4Mpa。在坚硬致密的顶底板夹持中的煤层厚度大，强度中硬（19.7Mpa），脆性较大，既能储存大量的弹性能量，又由于脆性破坏，瞬间释放弹性能。
（三）、开采引起煤（岩）应力发生变化。工作面推采后，坚硬顶板逐渐呈悬露状态，并产生弯曲，作用在煤壁前方的支承压力和顶板压力不断增大，坚硬顶板内的拉压力不断增大，当其达到强度极限后，坚硬顶板断裂，形成内外应力场。坚硬顶板随工作面推进周期性的断裂运动，形成采场煤（岩）应力周期性的发生变化。这是引起冲击地压的采动因素。
三、覆岩离层注浆防治冲击地压的机理
铁二采区开采是铁路煤柱，先采两侧后采中部，特别是当开采T2193下面时，已经形成孤岛煤柱开采的状态，铁二采区覆岩坚硬，如果不进行覆岩离层注浆减沉，那么发生冲击地压的危险性较大。由于实施覆岩离层注浆，开采过程中冲击地压一次也没有发生，实现了高地应力坚硬顶板下孤岛煤柱工作面的安全开采。
覆岩离层注浆减沉防治冲击地压的机理，主要表现在如下几个方面：
（一）、覆岩的注水软化作用
覆岩离层注浆使导水裂隙带之上岩层处于饱和水状态，岩层饱和水后，其强度与刚性会显著减低，从而降低了采场矿压显现强度，降低了发生冲击地压的危险性。这与煤层及顶板注水软化是同样的機理。
井下煤岩体是经常地，甚至是随时地，都发生不同程度破坏，但并不发生冲击地压，只有在煤岩变形处于非稳定状态失稳破坏时才发生冲击地压。因而对煤层注水就是通过增加煤层含水率或煤层中水的饱和度来改变煤岩物理力学性质，使煤层的抗压强度降低、弹性模量降低、塑性增加，使其不发生失稳破坏，从而避免冲击地压的发生。
（二）、注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用
覆岩离层中注浆压力，不仅支托了离层的上位岩层，同时也挤压了离层的下位岩层，从而促使下位岩层更快的弯曲下沉，这样就减少了采空区老塘上方覆岩的悬顶面积，从而减轻了采场四周围岩支承压力的集中程度，降低了支承压力峰值大小，也就降低了冲击地压的危险性。这与强制放顶防治冲击地压的机理一致。
（三）、离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱”降低煤体应力场的降压作用
整个铁二采区每个工作面都实施了覆岩离层注浆，在T2193下面这一孤岛面开采之前，由于相邻的上下两个面都已注浆，离层内的粉煤灰充填体，将其上覆岩层的重力荷载有效地传递到采空区底板上，从而避免了T2193下面该孤岛面两侧在上覆岩层中形成“压力拱”，这样就在一定程度上避免了孤岛面成为上覆岩层载荷的“承载条带”，从而减少了孤岛面煤柱的垂向支承荷载，即降低了煤体应力场，也就降低了冲击地压发生的危险性。
（四）、综采放顶煤对冲击地压的控制作用
综采放顶煤开采时，“围岩-煤体”系统的力学结构模型发生变化，由原来单一长壁或分层开采的“坚硬顶板-开采煤层-底板”结构变为“坚硬顶板-上方顶煤-开采煤层-底板”结构。由于上方煤体的存在，等于在开采煤层与坚硬顶板之间加了一个塑性垫层，从而使顶板运动和应力分布发生根本性变化。
经唐山矿对综放工作面矿压观测资料分析，有以下特点：
1、顶煤与顶板活动不同步。实测表明：顶煤在工作面前方11.4m处开始产生位移，随着工作面推进，位移量不断增加，直到工作面推过4.4m时，顶煤发生垮落，垮落角为93O；而顶板则在距工作面6.5m处开始产生位移，随工作面推进，位移量不断增加，直到工作面推过6.02m时发生垮落。由此可见，从位移的发生发展看，顶煤与顶板有相似的规律，但顶板开始产生位移滞后于顶煤4.9m，在工作面后方垮落滞后于顶煤1.62m。正是这种不同步在顶煤与顶板之间形成离层。
2、采动应力的增加发生变化。通过煤体应力测试发现：当采用综采分层开采头分层时，工作面前方95-25m范围煤体应力缓慢升高，升高以后上升较快，增速率达0.813MPa/m，到距工作面3.6m时达到最大值25Mpa，以后急剧下降，其超前应力峰值距面3.6m；当采用综采放顶煤开采时，工作面前方煤体应力随工作面推采而逐渐上升，到距工作面22.8m时达到最大值8.15Mpa，其在应力升高区增速率为0.097Mpa/m，综放开采工作面超前峰值距面22.8m。两种不同开采工艺表明综放开采，超前应力峰值距面远，应力增速率低，应力峰值低。
综上所述，综放开采矿压显现均比综采分层开采一分层小：如支架工作阻力小，初次来压与周期来压的步距和强度小，顶板悬顶距离小、支承压力峰值小，因此积聚的弹性能量小。当顶板拉伸断裂时，“围岩一煤体”系统释放的能量将造成上顶煤体破碎，减少传递到开采煤层的能量。由此可见：通过“坚硬顶板-上方煤顶-开采煤层-底板”力学系统的分析，由于上方顶煤（塑性垫层）的存在，增强了煤体塑性变形能力。煤体的夹持作用成弱，综放开采使顶板、煤层的运动和应力分布发生根本性改变，从而大大降低和减缓了冲击地压的危险程度。
关键词：高应力煤柱、覆岩离层注浆、防治冲击地压。
中图分类号：[TE991]
一、唐山矿特厚煤层高应力煤柱开采发生冲击地压的统计分析
唐山煤矿5287N工作面，该面是原保护十一水平南翼大巷的护巷煤柱，因三石门开采结束，1982年开采该煤柱。工作面长120m，可采走向长度458m，煤层倾角10。，煤厚10.72m。煤层顶板为砂质泥岩，抗压强度达144MPa，煤层底板为砂质泥岩，抗压强度80.4 MPa。其上下相邻5285采空区和5287采空区，上部为5煤层的5257和5259已采区，并遗留一条倾斜条带残留煤柱。
5287N工作面采用倾斜分层金属网假顶综合机械化开采，在回采一分层的全过程中，共发生冲击地压32次，严重影响安全生产。其表现特点为：冲击地压发生的动力作用使巷道支架瞬间急速压缩、变形以至破坏，巷道底板隆起，设备器材挪移，工作人员被振起致伤；冲击地压发生时常产生强烈冲击波，可使巷旁煤岩破碎，并抛向工作空间，堵塞巷道，造成粉尘飞扬，瓦斯涌出增大。
统计分析5287N一分层及其它8、9槽合区发生的冲击地压，有以下特征：一是冲击地压都发生在工作面上下顺槽或前方巷道，或在工作面底板巷道中；二是受开采影响，工作面上下均为采空区，本条带煤柱开采形成三面均为采空区，造成孤岛煤柱应力集中所致；三是受上方5槽开采遗留煤柱集中支承压力作用，往往在此处发生冲击地压。而以上情况在其它8、9槽合区煤柱也都是存在的，要开采同样面临冲击地压的危险。
二、唐山矿冲击地压发生机理分析
（一）、历次冲击地压均发生在一500m标高以下，加上地面标高，深约550m，到达一定的深度才会发生。最大水平应力是垂直应力的3.88倍，这主要是地质构造形成的水平构造应力所致，二者形成了较大的原始应力场。
（二）、煤（岩）物理力学性质特点：八、九槽合区煤层顶板为砂质泥岩，致密坚硬，抗压强度达144Mpa，厚达12.3m，底板为厚5.8m的砂质泥岩，抗压强度80.4Mpa。在坚硬致密的顶底板夹持中的煤层厚度大，强度中硬（19.7Mpa），脆性较大，既能储存大量的弹性能量，又由于脆性破坏，瞬间释放弹性能。
（三）、开采引起煤（岩）应力发生变化。工作面推采后，坚硬顶板逐渐呈悬露状态，并产生弯曲，作用在煤壁前方的支承压力和顶板压力不断增大，坚硬顶板内的拉压力不断增大，当其达到强度极限后，坚硬顶板断裂，形成内外应力场。坚硬顶板随工作面推进周期性的断裂运动，形成采场煤（岩）应力周期性的发生变化。这是引起冲击地压的采动因素。
三、覆岩离层注浆防治冲击地压的机理
铁二采区开采是铁路煤柱，先采两侧后采中部，特别是当开采T2193下面时，已经形成孤岛煤柱开采的状态，铁二采区覆岩坚硬，如果不进行覆岩离层注浆减沉，那么发生冲击地压的危险性较大。由于实施覆岩离层注浆，开采过程中冲击地压一次也没有发生，实现了高地应力坚硬顶板下孤岛煤柱工作面的安全开采。
覆岩离层注浆减沉防治冲击地压的机理，主要表现在如下几个方面：
（一）、覆岩的注水软化作用
覆岩离层注浆使导水裂隙带之上岩层处于饱和水状态，岩层饱和水后，其强度与刚性会显著减低，从而降低了采场矿压显现强度，降低了发生冲击地压的危险性。这与煤层及顶板注水软化是同样的機理。
井下煤岩体是经常地，甚至是随时地，都发生不同程度破坏，但并不发生冲击地压，只有在煤岩变形处于非稳定状态失稳破坏时才发生冲击地压。因而对煤层注水就是通过增加煤层含水率或煤层中水的饱和度来改变煤岩物理力学性质，使煤层的抗压强度降低、弹性模量降低、塑性增加，使其不发生失稳破坏，从而避免冲击地压的发生。
（二）、注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用
覆岩离层中注浆压力，不仅支托了离层的上位岩层，同时也挤压了离层的下位岩层，从而促使下位岩层更快的弯曲下沉，这样就减少了采空区老塘上方覆岩的悬顶面积，从而减轻了采场四周围岩支承压力的集中程度，降低了支承压力峰值大小，也就降低了冲击地压的危险性。这与强制放顶防治冲击地压的机理一致。
（三）、离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱”降低煤体应力场的降压作用
整个铁二采区每个工作面都实施了覆岩离层注浆，在T2193下面这一孤岛面开采之前，由于相邻的上下两个面都已注浆，离层内的粉煤灰充填体，将其上覆岩层的重力荷载有效地传递到采空区底板上，从而避免了T2193下面该孤岛面两侧在上覆岩层中形成“压力拱”，这样就在一定程度上避免了孤岛面成为上覆岩层载荷的“承载条带”，从而减少了孤岛面煤柱的垂向支承荷载，即降低了煤体应力场，也就降低了冲击地压发生的危险性。
（四）、综采放顶煤对冲击地压的控制作用
综采放顶煤开采时，“围岩-煤体”系统的力学结构模型发生变化，由原来单一长壁或分层开采的“坚硬顶板-开采煤层-底板”结构变为“坚硬顶板-上方顶煤-开采煤层-底板”结构。由于上方煤体的存在，等于在开采煤层与坚硬顶板之间加了一个塑性垫层，从而使顶板运动和应力分布发生根本性变化。
经唐山矿对综放工作面矿压观测资料分析，有以下特点：
1、顶煤与顶板活动不同步。实测表明：顶煤在工作面前方11.4m处开始产生位移，随着工作面推进，位移量不断增加，直到工作面推过4.4m时，顶煤发生垮落，垮落角为93O；而顶板则在距工作面6.5m处开始产生位移，随工作面推进，位移量不断增加，直到工作面推过6.02m时发生垮落。由此可见，从位移的发生发展看，顶煤与顶板有相似的规律，但顶板开始产生位移滞后于顶煤4.9m，在工作面后方垮落滞后于顶煤1.62m。正是这种不同步在顶煤与顶板之间形成离层。
2、采动应力的增加发生变化。通过煤体应力测试发现：当采用综采分层开采头分层时，工作面前方95-25m范围煤体应力缓慢升高，升高以后上升较快，增速率达0.813MPa/m，到距工作面3.6m时达到最大值25Mpa，以后急剧下降，其超前应力峰值距面3.6m；当采用综采放顶煤开采时，工作面前方煤体应力随工作面推采而逐渐上升，到距工作面22.8m时达到最大值8.15Mpa，其在应力升高区增速率为0.097Mpa/m，综放开采工作面超前峰值距面22.8m。两种不同开采工艺表明综放开采，超前应力峰值距面远，应力增速率低，应力峰值低。
综上所述，综放开采矿压显现均比综采分层开采一分层小：如支架工作阻力小，初次来压与周期来压的步距和强度小，顶板悬顶距离小、支承压力峰值小，因此积聚的弹性能量小。当顶板拉伸断裂时，“围岩一煤体”系统释放的能量将造成上顶煤体破碎，减少传递到开采煤层的能量。由此可见：通过“坚硬顶板-上方煤顶-开采煤层-底板”力学系统的分析，由于上方顶煤（塑性垫层）的存在，增强了煤体塑性变形能力。煤体的夹持作用成弱，综放开采使顶板、煤层的运动和应力分布发生根本性改变，从而大大降低和减缓了冲击地压的危险程度。