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摘 要：煤层群开采条件下，上覆残留煤柱会造成下层煤的应力集中及冲击危险。针对南山煤矿18层三分段工作面开采过程中经过上覆残留煤柱的实际情况，通过分析煤柱载荷作用下底板应力分布规律，研究了上覆煤柱诱发下部煤层开采冲击地压的机理，提出了有效的卸压措施及检验方法，保证了工作面的安全开采。
关键词：冲击地压、冲击地压危险评定、荷载处理、煤层注水
1 引言
近年来，随着我国没看开采深度的日益增加和开采强度的逐步增大，冲击地压显现越来越频繁和强烈。煤层群开采设计过程中，为最大限度地防治冲击地压，应该优先开采冲击倾向性弱或无的煤层，称为保护层开采，可以有效降低下部煤层的应力水平。然而，煤层群开采过程中遗留煤柱对下部煤层的安全开采造成极大隐患。
2 工作面概括
南山煤矿位于黑龙江省鹤岗市南山区境内，行政区划隶属鹤岗市南山区管辖，矿井核定生产能力为120万吨/年。煤矿中部含煤段发育16个煤层组，21个煤层，全区可采8层，大部可采3层，局部可采6层，不可采煤层4层。煤层多为中厚或厚煤层，个别为特厚煤层。本段地层平均厚度700m，煤层平均总厚度73.00m，含煤系数10.4%，矿井开采为典型的煤层群开采矿井，现主要开采煤层15层、18层、22层。18层三分段工作面位于南山矿井田腹部，属盆底区，地表为丘陵地带，无大型建筑物和河流，埋深在600m左右。如图所示，工作面上覆15煤层大部分已经开采，卸压范围内应力和支承压力得到降低，但是15煤层局部残留长约100m、宽度横跨工作面的煤柱。当煤层采出后，破坏了原始煤岩体的应力平衡状态，在寻找新的平衡过程中，上覆岩层和老顶悬梁作用的重量转移到煤柱上造成煤柱应力升高，形成煤柱支承压力，同时在煤柱支承压力作用下，在底板传播形成煤柱底板应力场，应力场在底板中的传播影响到下方煤岩层的原岩应力分布，使下部采场、巷道所受的压力更高，从而诱发冲击地压。本文通过分析煤柱导致冲击地压的机理，从而提出合理的防治措施。
3 上覆煤柱诱发冲击地压的机理
把煤柱载荷按均布载荷处理，底板考虑为弹性，通过叠加原理推广到自由边界上受均布载荷的作用，如图2所示。图中，q为作用于底板上的均布载荷，L为均布载荷宽度，τxy为剪应力，σx为水平应力，σy为垂直应力。
均布载荷作用下底板岩层内的的应力计算公式为：
在岩爆、冲击地压等动力灾害研究领域多以岩体静态强度的若干倍作为是否发生动力灾害的判断依据，根据煤的力学性质，综合考虑动态强度和静态强度，以垂直应力与煤体单轴抗压强度大于1.5作为冲击危险临界判据，即当煤体承受垂直应力满足以下条件则煤体处于冲击危险状态：
式中，σ—煤体承受垂直应力，[σc]—煤体单轴抗压强度。
4 冲击地压综合防治措施
（1）煤层注水：水对煤的冲击倾向有着显著的降低作用，注水后由于煤的结构发生改变，导致强度下降，变形特性明显“塑化”，煤体积聚弹性能的能力下降，以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加，煤的冲击倾向大为减弱，甚至完全失去冲击能力。
钻孔布置：使用ZY-750D型液压钻机，在溜子道及回风道每15m执行一个高压注水孔；溜子道高压注水孔角度为+20°，孔深约90m；回风道高压注水孔角度为+6°，孔深约40m。使用3D2A-SI型注水泵逐个孔进行高压注水，单孔注水量为97.2m3，每孔每班按4小时计算，四个班注完一个孔所需水量，发现煤层出现渗水现象时，停止注水。工作面推进到距钻孔15m时，停止该钻孔注水工作。
（2）大直径钻孔卸压：通过对煤体进行大直径钻孔卸压，改变了巷道深部煤體的力学性质，使得具有冲击倾向的煤体内部出现破碎带，释放出弹性能量，降低了冲击危险性，并避免了冲击地压的发生。
在工作面15层煤柱区域采用ZY-750D型液压钻机，钻杆φ42mm，钻头直径φ113mm，钻杆长度0.76m，进行大直径钻孔卸压，施工完后为防止孔内有瓦斯渗出，及时用黄泥或水泥灰封孔，封孔长度不小于1m，钻孔呈三角花布置，长度15m。垂直煤体中钻孔，见下图。
（3）效果检验：工作面安装了冲击地压应力在线监测系统，在巷道工作面侧安装了深度为9m和15m的钻孔应力计，实时监测应力变化情况。采用了上述卸压措施后，巷道浅部应力较低，说明应力向深部转移，卸压措施有效。
5 结论
（1）煤层群开采条件下，优先保护层开采能有效降低被保护层的应力，但是残留煤柱对下部煤层的安全开采造成极大隐患。
（2）把煤柱载荷按均布载荷处理，分析了底板应力分布规律，根据煤的力学性质，综合考虑动态强度和静态强度，以垂直应力与煤体单轴抗压强度大于1.5作为冲击危险临界判据。
（3）煤层注水能有效降低煤体的冲击倾向性，而大直径钻孔卸压能有效降低应力集中水平，使应力向工作面深部转移，从而有效的防治冲击地压。
参考文献
[1]潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机制及防治研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1
[2]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001：1–17.
[3]姜福兴，史先锋，王存文，等.高应力区分层开采冲击地压事故发生机理研究[J].岩土工程学报，2015，37（6）：1123-1131.
[4]章梦涛，宋维源，潘一山.煤层注水预防冲击地压的研究[J].中国安全科学学报，2004，13（10）：69-72.
[5]刘金海，姜福兴，孙广京，等.强排煤粉防治冲击地压的机制与应用[J].岩石力学与工程学报，2014，33（4）：748-754.
关键词：冲击地压、冲击地压危险评定、荷载处理、煤层注水
1 引言
近年来，随着我国没看开采深度的日益增加和开采强度的逐步增大，冲击地压显现越来越频繁和强烈。煤层群开采设计过程中，为最大限度地防治冲击地压，应该优先开采冲击倾向性弱或无的煤层，称为保护层开采，可以有效降低下部煤层的应力水平。然而，煤层群开采过程中遗留煤柱对下部煤层的安全开采造成极大隐患。
2 工作面概括
南山煤矿位于黑龙江省鹤岗市南山区境内，行政区划隶属鹤岗市南山区管辖，矿井核定生产能力为120万吨/年。煤矿中部含煤段发育16个煤层组，21个煤层，全区可采8层，大部可采3层，局部可采6层，不可采煤层4层。煤层多为中厚或厚煤层，个别为特厚煤层。本段地层平均厚度700m，煤层平均总厚度73.00m，含煤系数10.4%，矿井开采为典型的煤层群开采矿井，现主要开采煤层15层、18层、22层。18层三分段工作面位于南山矿井田腹部，属盆底区，地表为丘陵地带，无大型建筑物和河流，埋深在600m左右。如图所示，工作面上覆15煤层大部分已经开采，卸压范围内应力和支承压力得到降低，但是15煤层局部残留长约100m、宽度横跨工作面的煤柱。当煤层采出后，破坏了原始煤岩体的应力平衡状态，在寻找新的平衡过程中，上覆岩层和老顶悬梁作用的重量转移到煤柱上造成煤柱应力升高，形成煤柱支承压力，同时在煤柱支承压力作用下，在底板传播形成煤柱底板应力场，应力场在底板中的传播影响到下方煤岩层的原岩应力分布，使下部采场、巷道所受的压力更高，从而诱发冲击地压。本文通过分析煤柱导致冲击地压的机理，从而提出合理的防治措施。
3 上覆煤柱诱发冲击地压的机理
把煤柱载荷按均布载荷处理，底板考虑为弹性，通过叠加原理推广到自由边界上受均布载荷的作用，如图2所示。图中，q为作用于底板上的均布载荷，L为均布载荷宽度，τxy为剪应力，σx为水平应力，σy为垂直应力。
均布载荷作用下底板岩层内的的应力计算公式为：
在岩爆、冲击地压等动力灾害研究领域多以岩体静态强度的若干倍作为是否发生动力灾害的判断依据，根据煤的力学性质，综合考虑动态强度和静态强度，以垂直应力与煤体单轴抗压强度大于1.5作为冲击危险临界判据，即当煤体承受垂直应力满足以下条件则煤体处于冲击危险状态：
式中，σ—煤体承受垂直应力，[σc]—煤体单轴抗压强度。
4 冲击地压综合防治措施
（1）煤层注水：水对煤的冲击倾向有着显著的降低作用，注水后由于煤的结构发生改变，导致强度下降，变形特性明显“塑化”，煤体积聚弹性能的能力下降，以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加，煤的冲击倾向大为减弱，甚至完全失去冲击能力。
钻孔布置：使用ZY-750D型液压钻机，在溜子道及回风道每15m执行一个高压注水孔；溜子道高压注水孔角度为+20°，孔深约90m；回风道高压注水孔角度为+6°，孔深约40m。使用3D2A-SI型注水泵逐个孔进行高压注水，单孔注水量为97.2m3，每孔每班按4小时计算，四个班注完一个孔所需水量，发现煤层出现渗水现象时，停止注水。工作面推进到距钻孔15m时，停止该钻孔注水工作。
（2）大直径钻孔卸压：通过对煤体进行大直径钻孔卸压，改变了巷道深部煤體的力学性质，使得具有冲击倾向的煤体内部出现破碎带，释放出弹性能量，降低了冲击危险性，并避免了冲击地压的发生。
在工作面15层煤柱区域采用ZY-750D型液压钻机，钻杆φ42mm，钻头直径φ113mm，钻杆长度0.76m，进行大直径钻孔卸压，施工完后为防止孔内有瓦斯渗出，及时用黄泥或水泥灰封孔，封孔长度不小于1m，钻孔呈三角花布置，长度15m。垂直煤体中钻孔，见下图。
（3）效果检验：工作面安装了冲击地压应力在线监测系统，在巷道工作面侧安装了深度为9m和15m的钻孔应力计，实时监测应力变化情况。采用了上述卸压措施后，巷道浅部应力较低，说明应力向深部转移，卸压措施有效。
5 结论
（1）煤层群开采条件下，优先保护层开采能有效降低被保护层的应力，但是残留煤柱对下部煤层的安全开采造成极大隐患。
（2）把煤柱载荷按均布载荷处理，分析了底板应力分布规律，根据煤的力学性质，综合考虑动态强度和静态强度，以垂直应力与煤体单轴抗压强度大于1.5作为冲击危险临界判据。
（3）煤层注水能有效降低煤体的冲击倾向性，而大直径钻孔卸压能有效降低应力集中水平，使应力向工作面深部转移，从而有效的防治冲击地压。
参考文献
[1]潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机制及防治研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1
[2]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001：1–17.
[3]姜福兴，史先锋，王存文，等.高应力区分层开采冲击地压事故发生机理研究[J].岩土工程学报，2015，37（6）：1123-1131.
[4]章梦涛，宋维源，潘一山.煤层注水预防冲击地压的研究[J].中国安全科学学报，2004，13（10）：69-72.
[5]刘金海，姜福兴，孙广京，等.强排煤粉防治冲击地压的机制与应用[J].岩石力学与工程学报，2014，33（4）：748-754.