齊黎明，陳學習，程根銀，程 宥

(1.河北省礦井災害防治重點實驗室，河北 廊坊 065201;2.華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 101601;3.華北科技學院高教研究所，北京 東燕郊 101601)

隨著開采深度的增加，深部巖體力學行為出現(xiàn)了一系列新現(xiàn)象，最突出的是“三高一擾動”的復雜力學環(huán)境(三高是指高地應力、高溫、高瓦斯壓力;一擾動是指強烈的開采擾動)［1］。在這種深部環(huán)境下，煤礦工程中與應力和開采擾動密切相關的沖擊地壓等煤巖瓦斯動力災害也日趨增多，并表現(xiàn)出新的更為復雜的災害特征。為有效防止沖擊地壓的發(fā)生，國內(nèi)外學者開展了一系列卓有成效的研究工作，不僅提出了強度理論、能量理論、剛度理論、沖擊傾向理論和失穩(wěn)理論等沖擊地壓發(fā)生機理，而且，彈性變形能指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、煤的動態(tài)破壞時間等沖擊地壓預測指標在煤礦井下得到了廣泛應用［2－5］。雖然，國內(nèi)外對沖擊地壓的研究取得了很大的成果，但是，對于進入深部開采后，高地應力和瓦斯壓力如何耦合作用導致災害發(fā)生的研究還很少。本研究從理論上對該條件下的沖擊地壓觸發(fā)機制進行研究，從而為深部開采過程中的煤(巖)動力災害防治提供理論指導。

1 高地應力和瓦斯壓力耦合作用下的煤體受力物理模型

在采掘工作面前方，應力是先上升，后下降并趨于穩(wěn)定，瓦斯壓力是逐步上升，并最終趨于穩(wěn)定;對于容易發(fā)生沖擊地壓的煤層，在頂板與煤層之間存在較薄一層的粉狀軟煤(厚約0.1～0.2 m)［6－8］。采掘工作面前方的煤體，在應力集中條件下，煤體破裂，從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的同時，高壓瓦斯大量解吸，氣流將沿著煤層裂隙進入煤層頂部，煤層和頂板間的軟弱碎煤在高壓瓦斯氣流的作用下，向外噴出，在頂板和煤層間遺留下少量堅硬煤體顆粒，具體如圖1所示。

圖1 沖擊地壓發(fā)生前的煤巖體結(jié)構(gòu)圖

采掘工作面深部，煤體從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，其彈性變形能必然要釋放出來，這個能量多寡直接取決于它的沖擊能量指數(shù)，其釋放速度的快慢取決于動態(tài)破壞時間，則單位時間內(nèi)釋放能量的多少取決于這兩個指標的相對大小。單位時間內(nèi)釋放的能量越大，則形成的附加應力越高;由于煤不屬于剛體，則這個能量將以應力波的形式向采掘工作面?zhèn)鞑ァ?/p>

在應力波向采掘工作面?zhèn)鞑サ倪^程中，在應力波的擾動下，沿途煤體都會吸收一定的能量并產(chǎn)生變形;采掘工作面前方的煤體在不同的應力和瓦斯壓力條件下，其變形、失穩(wěn)所消耗的能量也是不同的。緊靠采掘工作面煤壁的一個單元煤體，在應力波的作用下可能發(fā)生彎曲變形甚至于失穩(wěn)垮塌，從宏觀上顯示沖擊地壓的發(fā)生。

每個單元煤體在應力波作用下，其力學模型可簡化為:左右受力，下端固定，有一定的抗剪切強度，上端通過一個球形煤塊與頂板接觸，它與球形煤塊之間相對運動屬于滾動摩擦。

當煤體破裂釋放的彈性變形能和瓦斯膨脹能比較高，其剩余能量所產(chǎn)生的附加應力達到一定程度，足以克服煤層頂部的滾動摩擦阻力和煤層底部的滑動摩擦阻力時。一方面，煤體自身受力進一步壓縮，另一方面，煤體向低應力區(qū)方向(巷道煤壁)產(chǎn)生位移，具體如圖2所示。

圖2 沖擊煤體受力示意圖

對于該條件下的煤體受力情況，可簡單看作懸臂梁來對待，并且，在梁的左右兩側(cè)受力的同時，在自由端也受到集中載荷的作用，整個煤體(包括煤體底部)都將產(chǎn)生位移。

2 高地應力和瓦斯壓力耦合作用下的煤體受力分析

σy為作用于煤體與沖擊方向垂直的應力，MPa;根據(jù)巖體力學的基本知識，在應力極限區(qū)內(nèi)，該應力基本呈指數(shù)規(guī)律上升，因此，可表示為:

在式(1)中，σb1為巷道煤壁處的壓應力，MPa，b1為描述應力變化速率的系數(shù)，m－1，x為距煤壁深度，m。

對于高地應力和高瓦斯壓力作用下的煤體，煤層頂部受力為滾動摩擦，底部受力為滑動摩擦，單位面積的滾動摩擦阻力和滑動摩擦阻力可分別表示為:

式中，μg為滾動摩擦系數(shù)，μh為滾動摩擦系數(shù)。

由彈性能和瓦斯膨脹能釋放所產(chǎn)生的附加應力可表示為:

式中，σt為煤體彈性變形能和瓦斯膨脹能的釋放所產(chǎn)生的附加應力，MPa，σb2為彈性波傳遞到巷道煤壁處的殘余應力，MPa，b2為描述應力變化速率的系數(shù)，m－1。

在附加應力的作用下，煤體自身發(fā)生壓縮后，煤體左右兩側(cè)的應力發(fā)生變化，并可達到短暫的應力平衡。此時，左側(cè)應力值可表示為:

式中，σx為煤體左側(cè)應力值，MPa，K為側(cè)壓系數(shù)。

對該煤體進行受力分析，構(gòu)建平衡方程有:

在式(6)中，L為發(fā)生沖擊地壓的煤層寬度，m，m為發(fā)生沖擊地壓的煤層厚度，m，ρ為煤體密度，kg/m3，a為所分析煤體微元的加速度，m/s2。

對式(6)進行簡化，有

將式(1)、(4)和(5)代入式(7)，有

對式(8)進行簡化，有

根據(jù)牛頓運動定律，有

在式(10)中，V為所分析煤體微元的整體移動速度，m/s，t為加速運動時間，s。

在整個加速運動過程中，煤體加速運動位移為初始位置距巷道煤壁的距離，則有，

該微元煤體所獲得動能為:

在式(12)中，W1為煤體整體移動所需能量，MJ。

將式(10)和式(11)代入式(12)，有

將式(9)代入式(13)，有

對式(14)進行積分有

3 高地應力和瓦斯壓力耦合作用下的沖擊地壓觸發(fā)機制

根據(jù)式(15)可知，對于某個礦井生產(chǎn)工作面來說，沖擊煤層厚度m和寬度L是固定的，用于沖擊移動煤體的能量與煤體原始應力和由彈性變形能與瓦斯膨脹能釋放所產(chǎn)生的附加應力成正比，與頂?shù)装宓哪Σ磷枇Τ煞幢?，與沖擊深度的關系比較復雜，難以直接判斷，采用數(shù)學軟件可繪制出該能量隨沖擊地點發(fā)生深度的變化曲線，具體如圖3所示。根據(jù)圖3可知，用于沖擊移動煤體的能量與沖擊地壓發(fā)生位置距煤壁的距離基本呈指數(shù)關系。

圖3 沖擊能量與沖擊深度關系曲線圖

對于高地應力與瓦斯壓力條件下的沖擊煤體來說，瞬間可釋放大量的煤巖體彈性變形能和瓦斯膨脹能，使得沖擊煤體的原始應力和附加應力都比較高，而高壓瓦斯和頂部粉碎煤體的存在，又改變了煤體沖擊摩擦阻力形式，降低了摩擦阻力，根據(jù)式(15)可知，這大大增加了用于沖擊移動煤體的能量，使得沖擊地壓發(fā)生風險急劇增加。

沖擊地壓發(fā)生位置距煤壁的距離越大，即沖擊深度越深，則煤體沖擊移動所需的能量越高，在同等條件下，發(fā)生沖擊地壓的風險也就越小。現(xiàn)行的沖擊地壓防治措施(包括卸壓爆破、煤層注水和水力割縫等)機理都在于增加采掘工作面前方的卸壓帶寬度，使得沖擊地壓發(fā)生地點距煤壁的距離增加，沖擊移動煤體的能耗急劇上升，從而有效降低沖擊地壓發(fā)生的風險。

4 結(jié)論

1)構(gòu)建了高地應力和瓦斯壓力條件下的沖擊煤體受力物理模型，在沖擊移動過程中，煤體與頂板之間的相對運動屬于滾動摩擦，而與底板之間的相對運動則屬于滑動摩擦。

2)在高地應力與瓦斯壓力條件下，煤巖體彈性變形能和瓦斯膨脹能瞬間釋放，不僅可為沖擊地壓的發(fā)生提供巨大的能量和動力，而且，改變了沖擊煤體與頂板之間的受力形式，降低了沖擊地壓發(fā)生的阻力，沖擊地壓發(fā)生的風險明顯升高。

3)對高地應力和瓦斯壓力條件下的沖擊煤體進行了受力分析，從理論上推導出了沖擊能量計算公式，它隨沖擊深度呈指數(shù)規(guī)律增長;因此，通過采取各類卸壓措施，增加卸壓帶寬帶，可以大幅度提高沖擊地壓發(fā)生的能耗條件，降低沖擊地壓發(fā)生的風險。

［1］ http://hi.baidu.com/songbook/blog/item/0b9d9964aedb48f2 f6365463.html.

［2］ 劉衛(wèi)方，張榮玉.沖擊地壓發(fā)生機理綜述［J］.礦業(yè)工程，2006，4(2):12 －14.

［3］ 張萬斌，王淑坤，騰學軍.我國沖擊地壓研究與防治的進展［J］. 煤炭學報，1992，(3):27－35.

［4］ 金立平，鮮學福.煤層沖擊傾向性試驗研究及模糊綜合評判［J］. 重慶大學學報，1993，(6):114－119.

［5］ 李忠華，潘一山.采煤工作面沖擊地壓的解析分析［J］.遼寧工程技術大學學報，2002，(1):40－42.

［6］ 齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2008.

［7］ 潘立友，張立俊，劉先貴，等.沖擊地壓預測與防治實用技術［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2006.

［8］ 林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1998.