深部煤矿开采地质条件对冲击地压的控制机理研究

一、引言

煤炭是我国的主要能源，也是我国的主体能源，随着浅部煤炭资源逐渐减少，我国煤炭开采逐渐向深部开采发展。深部开采遇到的系列问题中，冲击地压问题最为突出，冲击地压是在煤矿开采过程中，煤岩体在短时间内以脉冲形式释放弹性能，形成的动力灾害，具有突发性和破坏性强的特点，严重威胁煤矿安全生产及煤矿职工生命安全。由于不同的地质构造、煤层岩性和顶底板条件等造成的煤岩体应力状态、能源聚集和释放方式的差异对冲击地压的发生强度与概率均有很大的影响。因此，对深部煤矿开采地质条件控制冲击地压的发生机理进行研究，在防治冲击地压发生方面、确保深部煤矿安全生产具有重要的现实意义。

二、地质构造对冲击地压的影响

2.1 断层构造

断层对冲击地压发生影响显著。断层附近煤岩体完整性遭破坏，力学性质改变。开采接近断层时，因两侧岩体力学性质差异及断层面摩擦特性，易形成应力集中区。如正断层下盘岩体承受更大应力，开采扰动下更易发生冲击地压。

从力学方面来讲，弹性力学可以解释断裂区附近应力集中的问题：当开采活动影响后，断裂区两盘发生应力场的畸变，按照应力叠加原理，在断裂区端点、拐点处，应力较断裂区外侧显著增大。数值结果也表明：断裂区附近开采时，煤岩体的最大主应力比断裂区外侧大，并且随着开采距离的减小，出现的应力集中现象越来越剧烈。

2.2 褶皱构造

褶皱构造是影响冲击地压的重要因素。褶皱轴部岩层弯曲变形，应力状态复杂：背斜轴部受拉伸形成微裂隙，虽降低岩体强度但易积聚弹性能；向斜轴部受挤压，应力集中程度高。

开采涉及褶皱区域会打破应力平衡：背斜轴部采出煤岩体后，积聚的弹性能突然释放引发冲击地压；向斜轴部因本身应力集中，开采扰动进一步增应力，增加冲击风险。研究表明，褶皱越紧闭、波长与煤层厚度比值越小，冲击地压发生风险越高。

三、煤层特性对冲击地压的影响

3.1 煤层厚度与倾角

影响煤层冲击地压发生的因素首先就是煤层的厚度和倾角。煤层越厚，在开采过程中形成的煤岩体变形和破坏范围和能量就越大，积聚的弹性能量也越高，厚煤层开采时由于采高大导致顶板岩层垮落的高度和范围增大，使得煤壁承受到更大的垂直应力和水平应力，因此易于诱发冲击地压。

煤层倾角的影响主要表现在采动期间应力分布和煤岩体稳定性方面。煤层倾角较大时，受自重影响煤岩体会产生沿着煤层面滑动的作用力，煤岩体的稳定性变差，而开采活动进一步加剧了煤岩体的应力场，煤层倾角变化范围较大的区域容易出现应力集中，从而诱发冲击地压发生，研究表明，当煤层倾角达到一定角度时冲击地压发生的概率就会大幅攀升。

3.2 煤层硬度与强度

煤层强度与硬度关系到煤层抵受破坏变形的能力。坚硬、强度高、容易积聚弹性能的煤层，受开采扰动时可积聚较多的弹性能，当弹性能积聚超过煤层的承载极限时，出现突变，引起冲击地压。如无烟煤等煤层硬度、强度高，在深部开采时冲击地压问题会比较严重。

经实验室试验及现场实测研究表明，煤层的硬度和强度与发生冲击地压有着很大的关系，用单轴抗压强度、抗拉强度等指标表征煤层强度，当煤层的单轴抗压强度大于某一个数之后，冲击地压发生风险显著提高。而且煤层的硬度和强度也影响煤岩体的破坏类型。坚硬煤层破坏类型一般为脆性破坏，瞬间释放出来的能量较大，冲击地压危害性更大。

3.3 煤层冲击倾向性

煤层冲击倾向性强弱是衡量煤层冲击地压潜在发生可能程度的指标。

冲击倾向性强的煤层，容易发生冲击地压。目前，用较多的评价煤层冲击倾向性指标有弹性能指标、冲击强度指标、破坏运动时间等。

弹性变形能指数是煤层在弹性变形过程中储存弹性能的能力指标，指数越大，表示煤层储存弹性能的能力越强，冲击倾向性越强；冲击能量指数是煤层破坏所释放能量与吸收能量的比值，比值越大，煤层冲击倾向性越强；动态破坏时间是煤样在冲击载荷作用下发生破坏到完全破坏的时间，时间越短，煤层冲击倾向性越强。通过不同煤层的冲击倾向性指标测试结果分析，冲击倾向性强的煤层深部开采时，冲击地压的频次与强度都较大。

四、顶底板条件对冲击地压的影响

4.1 顶板岩层结构与特性

顶板岩层的结构、性质是产生冲击地压的重要因素。坚硬厚层顶板垮落困难，容易造成大面积顶板悬顶以及积聚大量的弹性能量，当悬顶范围达到临界值时，顶板突然垮落，其释放的一瞬间巨大的能量作用于煤层和底板上，从而产生冲击地压。如深部煤层中厚层砂岩或石灰岩顶板，这种类型顶板的单轴抗压强度和完整性较好，当煤层开采初期时容易保持相对稳定，但是随着煤层采空区范围的加大，悬顶面积以及积聚的能量也会不断增大，一旦垮落，就产生了较强的冲击载荷，远大于煤体本身的承载能力。而对于多层不同岩石类型构成的顶板而言，由于不同的力学性质造成层间变形破坏不协调，从而在层间产生应力集中，增加了冲击地压的风险。

4.2 底板岩层稳定性

冲击危险性影响冲击地压。对于深部开采中的底板，处于上覆岩层压力和煤层开采扰动的影响下，如果其强度较低、稳定性较差，易产生变形与底鼓，进而造成煤层底板支承应力变小，影响煤层的稳定性。底鼓会使煤体在底部的约束条件发生变化，对煤层应力进行重新调整，形成应力集中带，同时底板变形破坏会促使能量累积与释放，引发冲击地压。研究表明，底板厚度、岩性和其与煤层的接触关系等都会影响冲击地压的稳定，如软弱的泥岩、页岩等底板容易产生底鼓现象，由于抗变形能力弱，冲击危险性较大。

4.3 顶底板与煤层的相互作用

顶板和底板与煤层的密切互作用对冲击地压具有较大影响。顶底板与煤层共同作用时，开采扰动下顶底板变形破坏传递应力引起煤层应力变化，煤层开采引起顶底板应力分布和稳定性变化。顶板垮落的冲击加载经煤层传递作用底板，引起底板破坏，而底板变形底鼓反作用煤层使煤层稳定性变差。顶底板与煤层间的摩擦力、粘结力等力学参数影响相互作用，摩擦力小开采扰动下易发生相互滑动，容易在应力集中处释放能量引发冲击地压发生。

五、结束语

深部煤矿开采时要高度重视地质条件的勘查和研究，在地质勘查的基础上，精准地掌握开采工程区域的地质条件、煤层和顶底板状况，为冲击地压防治工作提供科学合理的地质基础；在开采规划、设计和施工中，要结合地质条件特征选择开采方法和支护方式，采取应力控制、能量释放等必要的冲击地压预防治理措施，减少冲击地压发生的频率和强度。今后对地质条件与开采扰动的耦合作用机理要开展深入的研究，完善冲击地压预测预报和冲击地压防治技术，实现对深部煤矿安全生产的有力保障。

参考文献：

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