本文是一篇建筑论文，笔者针对坚硬顶板工作面，通过文献调研和资料分析等方法对坚硬顶板型冲击地压发生机理以及典型坚硬顶板型冲击地压案例进行了分析，包括坚硬顶板型冲击地压顶板能量发展过程及坚硬顶板型冲击地压诱发影响因素。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
煤炭是我国的主体能源。冲击地压作为一种在深部开采中经常出现的自然灾害，为矿井生产带来了极大的威胁。我国煤矿开采的地质条件复杂，在各地矿区都有发生冲击地压事故的案例。1933年我国首次记录冲击地压事故，事故发生地为辽宁抚顺胜利煤矿；截至2017年初，我国发生冲击地压的矿井数量达到177个的峰值；截止2019年6月，我国正在生产的冲击地压矿井数量为121个[1]。在我国煤炭安全生产状况已经取得根本性好转的状况下，冲击地压却成为了威胁矿井生产安全的重要隐患，如何防止煤矿生产过程中冲击地压事故的发生，已经成为了煤矿深部开采过程中需要首先解决的问题。
我国赋存有坚硬顶板的煤层约占1/3左右，综合大量冲击地压事故表明，坚硬顶板是造成冲击地压事故的重要因素。随着开采工作面的推进，强度越大的坚硬顶板越不易垮落，当其达到极限步距时，顶板突然断裂释放大量能量，造成顶板来压，使工作面煤岩体出现动力破坏，引发冲击地压事故。
对于具有坚硬顶板的工作面开采中冲击地压发生机理主要涉及到以下方面：
（1）在进行单侧采空区开采，双侧采空区等不同开采条件下，上覆坚硬顶板应力场的演化过程、能量积聚及结构变化特征。
（2）在进行开采中，煤层应力场的演化特征以及在开采中如何诱发坚硬顶板的断裂震动。
目前对于冲击地压发生机理的研究成果众多，冲击地压发生是多种因素共同作用下的结果。坚硬顶板是冲击地压矿井常见的地质条件，对于赋存有坚硬顶板的工作面，考虑不同的影响因素，对不同采场空间结构下赋存有坚硬顶板的工作面采动过程中应力及能量演化规律进行分析，能够为实际生产过程中解决冲击地压灾害提供参考，在采场布置及开采阶段为冲击地压防治提供理论依据。对于预防解决类似工况下冲击地压灾害具有重要意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 采动应力场演化研究现状
采场围岩应力场的分布规律，是开采方案设计，煤与瓦斯突出防治，冲击地压现象预测及防治等技术问题解决的关键依据[2]。
Cong Li[3]提出了一种采动应力增量原位试验方法，提出了一种计算强度因子的新方法，得到了支护压力的分布特征；王普[4]基于温克勒基础梁力学模型，通过理论分析，建立了基于高位硬厚岩层弯矩特性和位置的计算表达式，研究了高位置硬厚岩层采动应力的破断过程及演化规律；Guojun Wu[5]采用三组FBG应变花环粘附在块体的三个相邻表面上，可以得到6个应变分量，对于挤压岩石深埋隧道具有一定的准确性；J.Kodama[6]提出了一种通过分析采动变形来评估区域应力状态和杨氏模量的方法，可以解释由构造板块运动引起的区域应变状态变化的影响；Hongwei Wang[7]在考虑采动应力的基础上建立了断层表面应力分布，解释了侧向压力系数大于1.0和小于1.0时正断层和逆断层的形成机理，提出了断层势能的概念；张明[8]建立了关键层水平集中力近似估算模型；夏永学[9]提出了实测最大和最小主应力有关的表征参数，分析不同地应力类型与提出表征参数和采掘深度的关系分析发生冲击地压的概率；娄金福[10][10]针对回采过程中的覆岩迁移以及采动应力演化的耦合作用阐述了采动应力的宏观形态以及演化机理，认为覆岩破断的表现为梁拱二元结构；Yu Feng[11]等提出新型贝叶斯模型来分析OC测量数据引入概率参数进行应力的量化，改善了应力测量的准确性；郑建伟[12]借助UDEC分析采动过程中覆岩结构的时空演化结构以及应力场的演化特征，将应力场的演变规律分为三个阶段，分别为发生期、发育期、稳定期；崔峰[13]分析不同推进速度以及采厚条件下煤岩的采动应力、能量释放特征进行了模拟，从而研究了不同因素下的开采扰动特征；雷显权[14][14]采用三维弹塑性有限元数值模型对综采工作面的回采过程进行了计算模拟，解释了工作面顶、底板围岩的变性特征以及采动应力的空间分布特征以及演化规律；王普[15]利用UDEC模拟了坚硬顶板下邻断层在不同推采方向的应力分布以及演化规律，得出当断层煤柱减至一定程度时，断层附近存在发生冲击地压的潜在危险区域。
目前对于采动应力场演化的研究仍在不断补充完善，采动应力的演化特征对于防治冲击地压灾害有着重要意义，因此对于采动应力场演化特征研究有着重要意义。
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2 坚硬顶板型冲击地压诱冲机理及因素分析
2.1 坚硬顶板型冲击地压案例分析
我国大部分矿井地质条件复杂，具有坚硬顶板的工作面占比很大，本节对国内典型坚硬顶板工作面冲击地压事故的案例进行简要分析，分析总结事故发生原因。
2.1.1 雨田煤矿冲击地压原因分析
（1）雨田煤矿工作面概况
雨田煤矿处于新疆吐鲁番地区托克逊县布尔碱矿区向斜南翼的中西部。采区开采深度为400m~600m，地质结构简单鲜明，全区无断裂构造。雨田煤矿地质构造主要为褶曲构造，一采区全区结构为单斜构造，工作面布置见图2.1。主采3-3煤层，煤层结构性质良好，全区可采，采厚为4m左右，顶板以灰白色砂砾岩为主，底板为深灰色-灰黑色粉砂岩、炭泥岩，都较为坚硬。W1102工作面为一采区二号工作面，走向长1040m，倾向长180m~195m，除南部为采空区，其余周围为待采煤层，采空区与该工作面之间的保护煤柱在走向长750m处由18m变化为36m。该工作面曾多次发生冲击地压事故。
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（2）冲击地压事故概况
2014年10月30日与2016年9月21日，W1102在掘进回风巷期间和回采期间发生了冲击地压事故，掘进期间的冲击地压事故造成30m左右的掘进巷道破坏，煤体被抛向巷道，造成支护体系损坏，变形达30cm，工作面变形严重。掘进期间现场事故图如图2.2所示。回采期间，工作面回风顺槽发生冲击地压事故，造成了40m左右的变形破坏。
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2.2 坚硬顶板型冲击地压发生机理分析
2.2.1 坚硬顶板能量发展诱冲机理分析
在开采过程中煤岩体与外界不断进行着能量与物质的交换，在此过程中从平衡状态向近平衡状态直至非平衡状态发展。坚硬顶板型冲击地压属于冲击型冲击地压是由于坚硬顶板将自身积聚能量释放导致的。能量增加和应力突变是该类冲击地压前兆信息中两个主要特点。此类冲击地压发生坚硬顶板的能量发展过程大致可分为4个阶段，如图2.9所示：第一阶段为初始稳定阶段，即没有开采时，上覆岩层把自身重量传递到坚硬顶板，顶板再传递给下覆岩层，此时顶板能量处于初始稳定状态；随着开采长度的增加等多种影响因素的扰动，坚硬顶板开始进入能量积聚状态，即第二阶段；影响因素复杂多样，不同的影响因素对坚硬顶板能量发展影响不同，但从总体上看都是破坏了“上覆岩层—坚硬顶板—煤层”初始的应力平衡状态，导致顶板积聚能量呈上升趋势；当坚硬顶板中能量不断积聚达到峰值时，此时整个煤岩系统平衡状态的稳定性最差，加之各种因素的继续影响，即使微小的扰动也会破坏此时煤岩系统的平衡状态，导致坚硬顶板发生拉伸失稳破坏，进入第三阶段能量释放过程；坚硬顶板断裂时能量释放和自身力学结构改变的过程，这一过程迅速且短暂，坚硬顶板中积聚的弹性势能在很短时间内释放，造成猛烈的顶板来压；释放能量之后的坚硬顶板将进入新的稳定阶段，但随着开采等各种影响因素的持续，会逐渐进入新的蓄能过程。
坚硬顶板强度大，容易悬顶。造成采空区周边煤体应力集中，同时自身还会存储大量的能量。顶板的稳定性主要受拉应力控制，随着采空区不断增大加之各种因素的影响以及开采扰动，顶板的稳定性会逐渐变差，直至极限平衡状态。此时，非常微弱的扰动也会使顶板断裂失稳，发生拉伸破坏，瞬间释放自身积聚的弹性造成冲击地压。
从能量发展的角度分析坚硬顶板型冲击地压的发生机理是由于不同因素影响下，煤岩体的应力发生改变导致坚硬顶板积聚能量直至释放的过程。影响这一过程的因素复杂多样，但最终原因也是煤岩系统在外力扰动及空间结构变化下应力场的变化。
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3 坚硬顶板工作面采动应力及能量演化规律数值模拟 ................................ 20
3.1 工程背景 ...................................... 20
3.2 模型建立及模拟方案..................... 21
4 坚硬顶板工作面开采覆岩破坏动态演化数值模拟............................. 40
4.1 模型建立及模拟方案 .............................................. 40
4.2 不同厚度坚硬顶板开采模拟 ........................... 41
5 坚硬顶板工作面防冲技术研究 ...................................... 58
5.1 钻孔卸压与顶板预裂卸压机理 ........................................ 58
5.2 煤层钻孔卸压及顶板预裂爆破卸压效果数值模拟 .............. 59
5 坚硬顶板工作面防冲技术研究
5.1 钻孔卸压与顶板预裂卸压机理
（1）钻孔卸压机理
煤层钻孔卸压是指，通过对未开采的煤层进行卸压钻孔，使煤层中形成一定范围的损伤破坏带，破坏煤层的整体性，降低其承载能力，将煤岩体的构造应力以及积聚的应变能进行释放，降低钻孔周围的应力集中程度，高应力环境下的煤体应力重新分布，使得应力峰值大小降低，应力峰值位置向煤体深部转移，改善了巷道围岩应力环境，降低了煤岩体的冲击危险性，从而防治冲击地压的发生。同时，卸压区域煤体对深部煤体和巷道顶底板中发生的动力显现起到吸能保护作用，降低了深部煤体失稳对巷道空间的影响，而且卸压区域煤体能够吸收应力调整过程中煤体产生的膨胀变形，从而控制巷道围岩变形[51]。
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通过图5.1钻孔卸压机理可知，通过在煤层中卸压钻孔，距离巷道较近的集中应力区的围岩结构发生破坏，承载能力降低，钻孔发生变形释放应变能。此时高应力深部转移，塑性区范围开始增大，向深部拓展，从而降低了浅部煤岩体应力集中程度，保证了煤层开采过程中的施工安全。该方法施工工艺简单、经济效益好、同时安全性好，是国内防治冲击地压矿井常用的解危方法。
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6 结论
针对坚硬顶板工作面，通过文献调研和资料分析等方法对坚硬顶板型冲击地压发生机理以及典型坚硬顶板型冲击地压案例进行了分析，包括坚硬顶板型冲击地压顶板能量发展过程及坚硬顶板型冲击地压诱发影响因素。运用数值模拟手段，以某矿六采区坚硬顶板工作面为工程背景，开展了三种典型覆岩空间结构的坚硬顶板工作面开采过程模拟，计算分析了一面采空工作面、两面采空工作面及三面采空工作面采场围岩采动应力及弹性变形能得分布演化特征。开展了不同厚度坚硬顶板，不同埋深的坚硬顶板工作面的开采过程模拟，分析了不同工况下覆岩破坏、位移及应力演化特征。此外，针对坚硬顶板工作面的防冲措施，开展了单一煤层钻孔卸压、单一顶板预裂以及同时实施两种措施时的数值模拟，并通过对实施措施前后巷道上方应力的分布对三种情况下的卸压效果进行了评价。主要结论如下：
（1）坚硬顶板是影响冲击地压发生的重要因素之一，不论是顶板初次来压带来的巨大动载还是周期来压带来的较小反复动载都可引起冲击地压。综合典型案例分析与理论分析，采场应力的演化及能量释放是造成冲击地压发生的直接因素。
（2）对于首采工作面，煤层支承压力超前影响范围、弹性变形能受采动超前影响范围随工作面推进距离得增大而不断增大。当工作面为两面采空时，两面采空区上覆同层位顶板岩层共同作用，左侧采空区保护煤柱支承压力增高，煤岩层支承压力及弹性变形能的超前影响范围随工作面的推进距离呈现先减小后增大的趋势。当工作面为三面采空时，开采初期的支承压力及弹性变形能超前影响范围很大，煤层充分采动后，支承压力和弹性变形能逐渐向两侧煤柱及采空区弹性介质上转移，且煤柱应力集中程度较大，该类型结构工作面在开采过程中要特别注意两侧巷道及保护煤柱的支护及监测。
参考文献（略）