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[摘要]針对采动煤岩体的应力演化的相关特征，综合FLAC数值模拟的结果，以田陈煤矿7110工作面为例，来研究采场上覆巨厚砂岩条件下的冲击地压致灾机理；并提出7110工作面的防冲措施及方案，事实证明：工作面采取煤层卸压、加强支护等措施之后，该采场范围内发生冲击地压危险几率大幅度降低。
[关键词]巨厚砂岩； 垂直应力； 冲击危险； 卸压解危； 加强支护
中图分类号：TD324 + . 1 文献标志码：B 文章编号：
1引言
近10年来，随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断加大，发生冲击地压的矿井的分布范围越来越广；并且冲击地压发生的条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击地压现象，从采深200m至1300m，地质构造从机简单至极复杂，煤层从水平至急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压[1]。正是由于发生冲击地压的条件不同，也就造成我国冲击地压显现的复杂性和多样性。
本文以田陈煤矿7110工作面为研究对象，该工作面走向长度为1464m，沿倾向长度为162m，煤层平均厚度为6.5m，埋藏深度为720m。基本顶为中细砂岩，平均厚度为80m，工作面采用ZF9000-23/50型支撑掩护式液压支架及ZFG10000-23/42型端头过渡支架3架支护工作面顶板， 运输巷采用ZT10000-25/50型端头卸载支架对工作面机头巷道进行支护，采空区顶板采用全部垮落法。
2数值试验模型的建立
采用FLAC数值模拟田陈煤矿7110工作面在回采过程中上覆坚硬巨厚砂岩对其采场及周围冲击危险性影响规律进行研究。模型边界条件为：模型四个侧面为水平位移约束，底面为竖向位移约束，顶面为载荷边界，载荷大小为模型上边界以上的上覆岩层自重，煤层埋深720m，故模型上边界施加16.2MPa的垂直应力。各岩层所选取的物理力学参数如表1所列。。
岩
层 岩性 厚度
/m 容重d（kg/m?） 体积模量K/GPa 切变模量G/GPa 内摩擦角 内聚力
/MPa 抗拉强度
/MPa
顶
板 中细砂岩 80 2700 2.39 1.2 32 11.5 6.26
粉砂质泥岩 2 2580 1.94 1.11 31 4.5 1.59
中砂岩 10.5 2760 1.67 1 31 30.2 5.5
砂质泥岩 2 2480 1.94 1.11 31 4.5 1.59
煤层 煤 8.5 1400 1.11 0.54 32 2 0.85
底
板 砂质泥岩 3 2580 1.94 1.11 31 4.5 1.59
中砂岩 39 2660 1.67 1 31 30.2 5.5
细砂岩 33 2860 2.44 1.68 27 8 3.2
表1 模型中各岩层物理力学参数表
3 数值模拟结果与推断
由于冲击地压通常是在煤岩力学条件系统到达极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放能量，导致煤岩层瞬时破坏并伴随有煤粉的冲击，造成井巷的破坏及人身伤亡事故。然而，其冲击能量释放是煤岩体应力在发展演化过程中积聚的必然结果。为此，本文仅从FLAC数值模拟的角度来研究随该工作面不同推进距离时煤壁前方垂直应力演化规律。
图2 不同推进步距时煤壁前方垂直应力分布情况
由图2可知，当7110工作面推进时其工作面前方垂直应力分布发生不同程度的聚集与叠加。当工作面推进40m时，其工作面前方最大垂直应力为52.6MPa，距离工作面前方10m，经计算可知该煤岩体的原岩应力为23MPa，该工作面最大垂直应力是其原岩应力的2.28倍，所以其应力集中系数为2.28倍，较高的应力值为诱发冲击地压的发生提高了条件；当工作面推进55m时，工作面前方最大垂直应力为52.7MPa，距离工作面10m，其应力集中系数为2.29，应力集中系数较工作面推进40m时，有所升高，这是因为工作面上覆巨厚坚硬岩层在工作面推进过程中该岩层运动的结果；当7110工作面推进距离为75m时，该工作面前方垂直应力值出现了急剧的增长，其煤壁前方最高垂直应力值为61.29MPa，同样是距离工作面10m，该垂直应力值是工作面推进40m和50m垂直应力的1.2倍，是煤岩体原岩应力的2.66倍，由此可知，当工作面推进75m时，工作面上覆巨厚坚硬岩层出现了剧烈的运动而导致工作面煤壁前方垂直应力值急剧的升高。为此，在该过程中可以判断出当工作面推进40m左右时，工作前方垂直应力值将有一个升高的过程，同时也是工作面采场及其周围冲击危险的程度将不断升高。当工作面推进75m，工作面采场周围诱发冲击危险的可能性将大大增加。
4.冲击地压的预测与防治
田陈煤矿根据7110工作面地质条件以及开采条件制定出了预测预报、卸压解危的防治措施和工作面及两巷严格加强支护的管理措施来防治冲击地压的发生。
冲击地压预报是采矿领域的世界性难题，到目前为止，还没有一种普遍实用的预报方法！国内外对冲击地压监测预报方法[2-6]主要有声发射与微震监测法、电磁辐射监测法、应力监测法、开采判定法、钻屑法、流动地音检测法、顶板动态法、煤层含水量变化观测法、煤层围岩压力观测法和锤击波速法等等！田陈煤矿结合地质条件与现场实际制定出了针对冲击地压的监测系统：
1、煤体应力监测系统
设计在该工作面布置测点49组，两巷测点均向工作面布置，联络巷、施工道均向切眼方向布置，每组两个传感器，KSE-Ⅱ-1钻孔应力计（7m）1个，KSE-Ⅱ-1钻孔应力计（15m），联络巷段受断层影响，钻孔应力计深度分别选取10m，15m，传感器间距5m，深浅顺序布置，KSE-Ⅱ-1钻孔应力计（7m）靠工作面推进方向。 2、工作面礦压监测
工作面安装顶板压力动态监测系统，对工作面液压支架布置10个点进行支架阻力24小时观测，以便掌握全面支架受力情况，施工单位技术员及矿压组成员要及时对工作面顶板来压情况进行全面预报分析，为工作面安全推采提供可靠的顶板来压预报。
3、顶板监测
工作面两巷顶板均安装有顶板离层仪，安排人员每周观察记录一次顶板离层状况，单位技术员根据顶板运动状况分析矿压显现程度。
4、钻屑监测
切眼进行生产活动前必须施工煤粉监测，切眼两端头距拐点10m位置各施工一个煤粉监测钻孔，后每隔30m施工一个煤粉监测钻孔。
5、微震监测
3下7110工作面两巷设计布置aramis微震监测测点5个，随推采进行逐渐撤除，但保持该区域有效监测传感器3个以上，监测微震事件，及时预报顶板来压及冲击危险性。
该工作面上覆岩层为巨厚坚硬岩层并且其硬度较大。为此，本工作面煤层卸压主要采取钻孔卸压和煤体注水两种措施来防治冲击地压的发生。煤层钻孔深度为25m，钻孔直径为110mm，孔口高度钻孔之间的间距为1m，而对于在工作面回采冲击地压预测预报过程中出现较大显著的应力值时，应加大钻孔深度和缩小钻孔之间的密度；7110工作面重点落实了煤体预注水，在两巷每隔15m向煤壁打深孔注水，钻孔采用双巷布置，孔深不小于工作面面长2/3，采用静压注水，注水后煤层含水率不小于4%，注水位置在工作面超前100m范围内，确保提前30天预注水，保证煤炭软化效果，降低煤体因遇水膨胀造成应力叠加及脆性过高等诱发冲击地压。
且由于7110工作面诱发冲击地压危险性可能性较大，所以在工作面支护方面采用全部垮落法管理顶板，出现大面积悬顶时应及时进行强制放顶。工作面保持直线匀速推进，推进速度不宜过快，加强工作面顶板管理，确保工作面液压支架初撑力不小于24MPa，工作面必须拉线移架，确保直线度；两巷支护方面工作面超前支护100m范围内加强支护，确保单体液压支柱初撑力不小于12MPa，单体液压支柱必须迎山有力，排成一条直线，使用好防倒设施。工作面两巷超前150m范围内不得存放备用闲置物料、设备等，在用电气设备全部进行固定。此范围外码放的闲置物品必须用绳捆绑固定在帮部，防止物品移动或滚落伤人。并且要做好工作人员对冲击地压危险程度的重视度及规划好冲击地压发生后紧急避灾路线等。
5 结论
（1）该工作面推进40m和55m时，工作面前方最大垂直应力值基本一致，但是它们的应力集中程度都大于2.2，采场发生冲击危险的程度增大。当7110工作面推进75m时，工作面前方最大垂直应力显著增大，并且是其原岩应力的2.66倍，该采场及采场周围发生冲击危险的可能性大大增强。
（2）经该工作面煤层采取卸压解危、加强支护之后，采场及其周围的应力状况发生了明显的改善，大幅度降低了7110工作面发生冲击危险的可能性。
参考文献
[1] 齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.
[2] 窦林名，何学秋.冲击地压防治理论及技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.
[3] 章梦涛.我国冲击地压预测和防治[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2001，20（4）：434-435.
[4] 齐庆新，陈尚本，王怀新，等.冲击地压、岩爆、岩震的关系及其数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1852-1858.
[5] 齐庆新，王永秀，毛德兵.非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机制初探[J].岩石力学与工 程学报，2005，24（S1）：5002-5006.
[6] 姜福兴，杨淑华，Xun Luo.微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态[J].煤炭学报，2003，28（4）：357-360.
作者简介：
朱绍雷（1968-），男，山东滕州人，1987年7月参加工作，大学本科学历，工程师，现任枣矿集团田陈煤矿生产科科长。
[关键词]巨厚砂岩； 垂直应力； 冲击危险； 卸压解危； 加强支护
中图分类号：TD324 + . 1 文献标志码：B 文章编号：
1引言
近10年来，随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断加大，发生冲击地压的矿井的分布范围越来越广；并且冲击地压发生的条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击地压现象，从采深200m至1300m，地质构造从机简单至极复杂，煤层从水平至急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压[1]。正是由于发生冲击地压的条件不同，也就造成我国冲击地压显现的复杂性和多样性。
本文以田陈煤矿7110工作面为研究对象，该工作面走向长度为1464m，沿倾向长度为162m，煤层平均厚度为6.5m，埋藏深度为720m。基本顶为中细砂岩，平均厚度为80m，工作面采用ZF9000-23/50型支撑掩护式液压支架及ZFG10000-23/42型端头过渡支架3架支护工作面顶板， 运输巷采用ZT10000-25/50型端头卸载支架对工作面机头巷道进行支护，采空区顶板采用全部垮落法。
2数值试验模型的建立
采用FLAC数值模拟田陈煤矿7110工作面在回采过程中上覆坚硬巨厚砂岩对其采场及周围冲击危险性影响规律进行研究。模型边界条件为：模型四个侧面为水平位移约束，底面为竖向位移约束，顶面为载荷边界，载荷大小为模型上边界以上的上覆岩层自重，煤层埋深720m，故模型上边界施加16.2MPa的垂直应力。各岩层所选取的物理力学参数如表1所列。。
岩
层 岩性 厚度
/m 容重d（kg/m?） 体积模量K/GPa 切变模量G/GPa 内摩擦角 内聚力
/MPa 抗拉强度
/MPa
顶
板 中细砂岩 80 2700 2.39 1.2 32 11.5 6.26
粉砂质泥岩 2 2580 1.94 1.11 31 4.5 1.59
中砂岩 10.5 2760 1.67 1 31 30.2 5.5
砂质泥岩 2 2480 1.94 1.11 31 4.5 1.59
煤层 煤 8.5 1400 1.11 0.54 32 2 0.85
底
板 砂质泥岩 3 2580 1.94 1.11 31 4.5 1.59
中砂岩 39 2660 1.67 1 31 30.2 5.5
细砂岩 33 2860 2.44 1.68 27 8 3.2
表1 模型中各岩层物理力学参数表
3 数值模拟结果与推断
由于冲击地压通常是在煤岩力学条件系统到达极限强度时，以突然、急剧、猛烈的形式释放能量，导致煤岩层瞬时破坏并伴随有煤粉的冲击，造成井巷的破坏及人身伤亡事故。然而，其冲击能量释放是煤岩体应力在发展演化过程中积聚的必然结果。为此，本文仅从FLAC数值模拟的角度来研究随该工作面不同推进距离时煤壁前方垂直应力演化规律。
图2 不同推进步距时煤壁前方垂直应力分布情况
由图2可知，当7110工作面推进时其工作面前方垂直应力分布发生不同程度的聚集与叠加。当工作面推进40m时，其工作面前方最大垂直应力为52.6MPa，距离工作面前方10m，经计算可知该煤岩体的原岩应力为23MPa，该工作面最大垂直应力是其原岩应力的2.28倍，所以其应力集中系数为2.28倍，较高的应力值为诱发冲击地压的发生提高了条件；当工作面推进55m时，工作面前方最大垂直应力为52.7MPa，距离工作面10m，其应力集中系数为2.29，应力集中系数较工作面推进40m时，有所升高，这是因为工作面上覆巨厚坚硬岩层在工作面推进过程中该岩层运动的结果；当7110工作面推进距离为75m时，该工作面前方垂直应力值出现了急剧的增长，其煤壁前方最高垂直应力值为61.29MPa，同样是距离工作面10m，该垂直应力值是工作面推进40m和50m垂直应力的1.2倍，是煤岩体原岩应力的2.66倍，由此可知，当工作面推进75m时，工作面上覆巨厚坚硬岩层出现了剧烈的运动而导致工作面煤壁前方垂直应力值急剧的升高。为此，在该过程中可以判断出当工作面推进40m左右时，工作前方垂直应力值将有一个升高的过程，同时也是工作面采场及其周围冲击危险的程度将不断升高。当工作面推进75m，工作面采场周围诱发冲击危险的可能性将大大增加。
4.冲击地压的预测与防治
田陈煤矿根据7110工作面地质条件以及开采条件制定出了预测预报、卸压解危的防治措施和工作面及两巷严格加强支护的管理措施来防治冲击地压的发生。
冲击地压预报是采矿领域的世界性难题，到目前为止，还没有一种普遍实用的预报方法！国内外对冲击地压监测预报方法[2-6]主要有声发射与微震监测法、电磁辐射监测法、应力监测法、开采判定法、钻屑法、流动地音检测法、顶板动态法、煤层含水量变化观测法、煤层围岩压力观测法和锤击波速法等等！田陈煤矿结合地质条件与现场实际制定出了针对冲击地压的监测系统：
1、煤体应力监测系统
设计在该工作面布置测点49组，两巷测点均向工作面布置，联络巷、施工道均向切眼方向布置，每组两个传感器，KSE-Ⅱ-1钻孔应力计（7m）1个，KSE-Ⅱ-1钻孔应力计（15m），联络巷段受断层影响，钻孔应力计深度分别选取10m，15m，传感器间距5m，深浅顺序布置，KSE-Ⅱ-1钻孔应力计（7m）靠工作面推进方向。 2、工作面礦压监测
工作面安装顶板压力动态监测系统，对工作面液压支架布置10个点进行支架阻力24小时观测，以便掌握全面支架受力情况，施工单位技术员及矿压组成员要及时对工作面顶板来压情况进行全面预报分析，为工作面安全推采提供可靠的顶板来压预报。
3、顶板监测
工作面两巷顶板均安装有顶板离层仪，安排人员每周观察记录一次顶板离层状况，单位技术员根据顶板运动状况分析矿压显现程度。
4、钻屑监测
切眼进行生产活动前必须施工煤粉监测，切眼两端头距拐点10m位置各施工一个煤粉监测钻孔，后每隔30m施工一个煤粉监测钻孔。
5、微震监测
3下7110工作面两巷设计布置aramis微震监测测点5个，随推采进行逐渐撤除，但保持该区域有效监测传感器3个以上，监测微震事件，及时预报顶板来压及冲击危险性。
该工作面上覆岩层为巨厚坚硬岩层并且其硬度较大。为此，本工作面煤层卸压主要采取钻孔卸压和煤体注水两种措施来防治冲击地压的发生。煤层钻孔深度为25m，钻孔直径为110mm，孔口高度钻孔之间的间距为1m，而对于在工作面回采冲击地压预测预报过程中出现较大显著的应力值时，应加大钻孔深度和缩小钻孔之间的密度；7110工作面重点落实了煤体预注水，在两巷每隔15m向煤壁打深孔注水，钻孔采用双巷布置，孔深不小于工作面面长2/3，采用静压注水，注水后煤层含水率不小于4%，注水位置在工作面超前100m范围内，确保提前30天预注水，保证煤炭软化效果，降低煤体因遇水膨胀造成应力叠加及脆性过高等诱发冲击地压。
且由于7110工作面诱发冲击地压危险性可能性较大，所以在工作面支护方面采用全部垮落法管理顶板，出现大面积悬顶时应及时进行强制放顶。工作面保持直线匀速推进，推进速度不宜过快，加强工作面顶板管理，确保工作面液压支架初撑力不小于24MPa，工作面必须拉线移架，确保直线度；两巷支护方面工作面超前支护100m范围内加强支护，确保单体液压支柱初撑力不小于12MPa，单体液压支柱必须迎山有力，排成一条直线，使用好防倒设施。工作面两巷超前150m范围内不得存放备用闲置物料、设备等，在用电气设备全部进行固定。此范围外码放的闲置物品必须用绳捆绑固定在帮部，防止物品移动或滚落伤人。并且要做好工作人员对冲击地压危险程度的重视度及规划好冲击地压发生后紧急避灾路线等。
5 结论
（1）该工作面推进40m和55m时，工作面前方最大垂直应力值基本一致，但是它们的应力集中程度都大于2.2，采场发生冲击危险的程度增大。当7110工作面推进75m时，工作面前方最大垂直应力显著增大，并且是其原岩应力的2.66倍，该采场及采场周围发生冲击危险的可能性大大增强。
（2）经该工作面煤层采取卸压解危、加强支护之后，采场及其周围的应力状况发生了明显的改善，大幅度降低了7110工作面发生冲击危险的可能性。
参考文献
[1] 齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.
[2] 窦林名，何学秋.冲击地压防治理论及技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.
[3] 章梦涛.我国冲击地压预测和防治[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2001，20（4）：434-435.
[4] 齐庆新，陈尚本，王怀新，等.冲击地压、岩爆、岩震的关系及其数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1852-1858.
[5] 齐庆新，王永秀，毛德兵.非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机制初探[J].岩石力学与工 程学报，2005，24（S1）：5002-5006.
[6] 姜福兴，杨淑华，Xun Luo.微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态[J].煤炭学报，2003，28（4）：357-360.
作者简介：
朱绍雷（1968-），男，山东滕州人，1987年7月参加工作，大学本科学历，工程师，现任枣矿集团田陈煤矿生产科科长。