D0I:10.13374/j.issnl0(01-t03.2007.3.001 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2007 水旱交接处护巷煤柱冲击矿压控制 姚精明) 何富连)窦林名)张蕾)刘海涛)李哲) 1)北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室，北京1000832)中国矿业大学能源学院，徐州221008 摘要在水采工作面和旱采工作面交接的护巷煤柱处，极易发生冲击矿压事故：通过对冲击矿压机理的分析，认为冲击矿 压的发生是由于积聚较高能量的受载煤体裂纹不稳定扩展所致·提出了增加卸载区的范围，促使煤体裂纹稳定扩展，降低单 位煤体储能，从而控制冲击矿压发生的原理。给出了该条件下增加煤体孔隙率，减少瓦斯、空气流通通道的防治原则.在此基 础上，给出了分段治理，注水和注浆相结合的防治方案。工程实践证明该方案是切实有效的 关键词冲击矿压；失稳；护巷煤柱；煤层注水 分类号TD324 我国是世界上产煤量最大的国家，目前我国的 受到这些缺陷很大的影响，煤岩体的破坏正是从裂 年产煤量已趋近于20亿t:随着大量地下煤体的采 纹扩展开始的 出，必然会遗留大量废弃的采掘空间，而这些采掘空 对单个裂纹进行力学分析，用Sh模型，如图 间和现有的工作面或巷道往往是采用护巷煤柱隔 1所示，对一块承受最大主应力为1和最小主应力 离.在这些采掘空间里充斥着高浓度的瓦斯，一旦 o3的平板，其中一个长轴为a、短轴为b的椭圆孔 护巷煤柱发生冲击矿压，其相邻废弃采掘空间的高 在平面应力状态下临界裂纹的集中拉应力如下式 浓度瓦斯必然向现行工作面或巷道涌出而造成瓦斯 所示： 事故；如果煤层有自燃发生倾向，还会造成煤层自燃 =(十b)2(g-)2 事故，目前这类因为护巷煤柱发生冲击而导致工作 4abg2+03 (1) 面或回采巷道发生瓦斯突出、爆炸以及煤层自燃的 事故在煤矿开采中呈逐渐上升的趋势，这在水采工 作面和旱采工作面交接处的护巷煤柱表现得尤为明 显山.这些事故常常导致矿井人员的伤亡、设备支 架的损坏、巷道垮落破坏，严重威胁旱采工作面的正 常开采，因此，有效地防治这些事故对矿井的生产 实践、提高煤矿的经济效益有着非常重要的意义， 1冲击矿压发生的机理 冲击矿压是聚集在巷道或采场周围煤岩体的能 量突然释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特 图1压应力下平板内椭圆孔的应力模型 征的动力现象[，其在现场的宏观表像为大量破碎 Fig.I Stress model of an ellipse hole in slab under press stress 煤体被挤入巷道，这为冲击矿压机理研究提供了方 当裂纹尖端拉应力大于煤岩体的抗拉强度时， 向，即从煤体在加载状态下微观变形失稳机理方面 裂纹会扩展，裂纹扩展稳定与否可根据下式判 来研究冲击矿压的发生机理， 断可： 煤岩材料存在许多裂纹、孔隙、空位，是一种节 Gn2b2 4R U= +2YC- 理繁多、孔隙发育的多裂纹介质材料，这些裂纹、空 4π(1-)C 位、缺陷称为Griffith缺陷[).而煤岩体的力学行为 (-)c2anbc 8G 2 (2) 收稿日期：2005-12-21修回日期：2006-06-19 式中，G为煤体的抗剪强度，。为裂纹尖端拉应力， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50074030):国家自然科 R为发生位错的煤体的边界，为煤体的泊松比， 学基金重大项目(No.50490270) 作者简介：姚精明(1979一)，男，博士研究生 n为发生位错的煤体数，C为裂纹长度，Y为煤体的水旱交接处护巷煤柱冲击矿压控制 姚精明1） 何富连1） 窦林名2） 张 蕾1） 刘海涛1） 李 哲1） 1） 北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室‚北京100083 2） 中国矿业大学能源学院‚徐州221008 摘 要 在水采工作面和旱采工作面交接的护巷煤柱处‚极易发生冲击矿压事故．通过对冲击矿压机理的分析‚认为冲击矿 压的发生是由于积聚较高能量的受载煤体裂纹不稳定扩展所致．提出了增加卸载区的范围‚促使煤体裂纹稳定扩展‚降低单 位煤体储能‚从而控制冲击矿压发生的原理．给出了该条件下增加煤体孔隙率‚减少瓦斯、空气流通通道的防治原则．在此基 础上‚给出了分段治理‚注水和注浆相结合的防治方案．工程实践证明该方案是切实有效的． 关键词 冲击矿压；失稳；护巷煤柱；煤层注水 分类号 TD324 收稿日期：20051221 修回日期：20060619 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50074030）；国家自然科 学基金重大项目（No．50490270） 作者简介：姚精明（1979—）‚男‚博士研究生 我国是世界上产煤量最大的国家‚目前我国的 年产煤量已趋近于20亿 t．随着大量地下煤体的采 出‚必然会遗留大量废弃的采掘空间‚而这些采掘空 间和现有的工作面或巷道往往是采用护巷煤柱隔 离．在这些采掘空间里充斥着高浓度的瓦斯‚一旦 护巷煤柱发生冲击矿压‚其相邻废弃采掘空间的高 浓度瓦斯必然向现行工作面或巷道涌出而造成瓦斯 事故；如果煤层有自燃发生倾向‚还会造成煤层自燃 事故．目前这类因为护巷煤柱发生冲击而导致工作 面或回采巷道发生瓦斯突出、爆炸以及煤层自燃的 事故在煤矿开采中呈逐渐上升的趋势‚这在水采工 作面和旱采工作面交接处的护巷煤柱表现得尤为明 显［1］．这些事故常常导致矿井人员的伤亡、设备支 架的损坏、巷道垮落破坏‚严重威胁旱采工作面的正 常开采．因此‚有效地防治这些事故对矿井的生产 实践、提高煤矿的经济效益有着非常重要的意义． 1 冲击矿压发生的机理 冲击矿压是聚集在巷道或采场周围煤岩体的能 量突然释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特 征的动力现象［2］‚其在现场的宏观表像为大量破碎 煤体被挤入巷道．这为冲击矿压机理研究提供了方 向‚即从煤体在加载状态下微观变形失稳机理方面 来研究冲击矿压的发生机理． 煤岩材料存在许多裂纹、孔隙、空位‚是一种节 理繁多、孔隙发育的多裂纹介质材料‚这些裂纹、空 位、缺陷称为 Griffith 缺陷［3］．而煤岩体的力学行为 受到这些缺陷很大的影响‚煤岩体的破坏正是从裂 纹扩展开始的． 对单个裂纹进行力学分析‚用 Sih 模型［4］‚如图 1所示．对一块承受最大主应力为σ1 和最小主应力 σ3 的平板‚其中一个长轴为 a、短轴为 b 的椭圆孔 在平面应力状态下临界裂纹的集中拉应力如下式 所示： σt＝ （ a＋b） 2 4ab （σ1—σ3） 2 σ2＋σ3 （1） 图1 压应力下平板内椭圆孔的应力模型 Fig．1 Stress model of an ellipse hole in slab under press stress 当裂纹尖端拉应力大于煤岩体的抗拉强度时‚ 裂纹会扩展．裂纹扩展稳定与否可根据下式判 断［5］： U＝ Gn 2b 2 4π（1—ν） ln 4R C ＋2γC— π（1—ν）σ2C 2 8G — σnbC 2 （2） 式中‚G 为煤体的抗剪强度‚σ为裂纹尖端拉应力‚ R 为发生位错的煤体的边界‚ν为煤体的泊松比‚ n 为发生位错的煤体数‚C 为裂纹长度‚γ为煤体的 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．001