齐庆新团队提出冲击地压应力流概念- 工业快报

近日，煤科总院齐庆新研究员团队基于冲击地压的应力条件，提出了煤矿开采下的应力流概念，理论分析了缓倾斜单一煤层相邻工作面开采条件下的应力流动方向和应力流发生的临界条件，针对应力流控制，提出了相邻工作面的布置原则及参数。相关研究成果以《冲击地压应力流思想及其控制理论初探》为题发表于《采矿与安全工程学报》2021年第5期，李一哲为通讯作者。

　　应力是冲击地压发生的必要条件。对于既定矿山，其总体应力环境可划分为静态原岩应力环境和动态采动应力环境，其中动态应力环境是冲击地压机理及防治研究的关键切入点。

　　以此为基础，研究提出“应力流”的概念：应力流是指由于煤矿开采而导致的应力在时间和空间上的演化过程。应力流是对应力重分布行为的具象化，以流动的特征描述这一连续行为，使冲击地压应力的研究依赖于更为具体的概念。应力流在特定的环境下赋存于介质中，对于既定的介质，当赋存介质的结构特征发生改变时，将会产生应力流动，即应力流具有“结构敏感性”。

　　为便于理解，研究人员从应力流诱冲机理和应力流控制的角度给出两个形象比拟如下。

　　（1）应力流诱发冲击机理——闸门理论

　　随着工作面的开采，应力向煤岩系统的不同方向传递，在某时刻的某位置处，当应力超过煤(岩)体的承载极限或煤(岩)的结构强度，煤(岩)体失稳，冲击地压发生。将工作面视为闸门，开采导致的应力流动视为闸门放水过程，水流冲击导致河岸坍塌视为冲击地压。河岸坍塌的2 种主要影响因素是：水动力因素取决于开闸放水量(开拓布置和开采强度)，河岸力学因素取决于土体抗剪强度和抗冲强度(煤岩强度)。

　　（2）应力流控制理念——水流疏导

　　一旦工作面开采(开闸)，即存在应力流动，对于应力的控制，难以直接对应力源进行消除，而是对应力流路径展开控制。通过工作面开拓布置和开采强度的合理设计，增大应力流向采空区和井田边界数百米高强度煤柱等无人的非生产区域的占比，减弱煤矿当前开采区域的应力流输入，从而降低工作面煤岩的冲击危险性。上述过程可形象理解为水流疏导，通过闸门的控制，人为将水流引入废弃河道，降低现用河道的水流强度，从而达到防止现用河道河岸坍塌的目的。

矿区开采覆岩空间结构示意

　　对于矿区开采形成的不同类型覆岩空间结构，其共性特征均为小范围内存在近距离工作面，故将相邻工作面开采形成的覆岩结构视为区域覆岩结构单元。覆岩结构单元包括两采空区、中间煤柱及两相邻工作面范围内的未垮落岩层，缓倾斜单一煤层开采、缓倾斜多煤层开采、急倾斜多煤层开采的结构单元分别呈现“T”形、“斜空”形和“山”形特征，为矿区开采的应力流动提供了结构条件。

缓倾斜单一煤层开采覆岩结构力学模型构建

　　研究理论求解了缓倾斜单一煤层相邻工作面开采后的应力流动方向和应力流发生的临界条件。

　　义马矿区地质赋存环境具有极为复杂的特征，其南部赋存控制4 座煤矿的大型逆冲断层(落差50~450 m)；深部煤层顶板赋存发育至地表或接近地表的厚度300~700 m 的巨厚砾岩，容易形成悬顶；煤层厚度由北向南变化较大，甚至局部发育超30 m的特厚煤层。经过数十年的开采，井田内存在大量的采空区和遗留煤柱，导致冲击地压成为该矿区的主要灾害之一。因此，义马矿区具有能够影响应力流动的丰富的结构因素。

　　研究人员基于义马矿区实际条件，建立了邻面开采数值模型，模型中考虑的地质因素变量有：煤层厚度、巨厚砾岩厚度；开采因素变量有：中间煤柱宽度、两工作面倾向长度、两工作面垂直错距、先采工作面率先回采长度、后采工作面回采方向。

　　数值模拟因素变量及条件变量