摘要：為研究巷道切割形成孤立煤體沖擊失穩機理，以古城煤礦32采區下山區域沖擊地壓事故為工程背景，通過現場調研、理論分析和數值模擬等方法，研究了巷道卸壓后孤立煤體的應力演化規律，建立了巷道卸壓后孤立煤體承載能力估算模型和支承壓力分布簡化模型，揭示了超深井下山孤立煤體整體失穩沖擊機理：巷道卸壓后孤立煤體彈性承載區應力集中，當該集中應力與采掘活動等其他應力疊加后的孤立煤體平均支承壓力超過發生沖擊臨界值時，易誘發沖擊。在此基礎上提出了孤立煤體整體失穩沖擊力學判據，事故案例及數值模擬計算驗證了理論計算的正確性。在此基礎上提出了降低孤立煤體平均支承壓力和增強巷道圍巖綜合抗壓強度的具體防治措施。

　　關鍵詞：沖擊地壓;超深井;下山;孤立煤體;整體失穩

　　目前，我國已有超過50個礦井開采深度達到或超過1000m，由于超千米深井巷道圍巖應力、變形與破壞特征與淺部巷道有顯著區別，因而超千米深井煤層開采更易誘發沖擊地壓[1-2]。巷道切割形成孤立煤體是礦井開采中的常見現象，下山區域巷道切割現象更為普遍。對于千米深井及超千米深井而言，由于巖層處于高地應力狀態，巷道開掘后出現很高的集中應力，孤立煤體應力集中程度更甚。

　　眾多學者對煤柱沖擊機理[3-5]和煤柱安全穩定性[6-8]方面做了大量的研究，上述研究成果對煤柱沖擊的防治提供了有效的理論指導，但研究成果集中于區段煤柱及保護煤柱等，而對于巷道切割形成的孤立煤體沖擊研究較少。以古城煤礦32采區集中進風巷區域發生的沖擊地壓事故為背景，通過現場調研、理論分析和數值模擬等方法，揭示了巷道切割形成的孤立煤體產生整體失穩沖擊的機理，并提出了針對性的防沖措施，以期為相似條件深井巷道的沖擊地壓防治提供借鑒。

　　1工程背景

　　1.1事故概況

　　2015年8月30日，古城煤礦32采區集中進風巷在延深過程中發生沖擊地壓事故，造成巷道底鼓、下沉變形，主要表現為頂網撕裂、錨索破斷、支柱折彎、帶式輸送機掀翻、設備移位等。事故區域造成事故發生時，32采區集中進風巷正在進行掘進作業，32采區集中運輸巷和3209運輸巷正在支護。沖擊造成32采區大量巷道損壞，受損巷道包括32采區集中運輸巷、32采區集中進風巷和3209運輸巷，其中32采區集中進風巷迎頭區域受損最為嚴重。

　　1.2下山概況

　　為保護地表村莊，古城煤礦32采區采用條帶開采，32采區煤層底板標高為-1000～-1300m，地面標高為+53.86～+55.62m，采區平均采深為1256m。事故區域煤層厚度為9.08m，層傾角2°～14°，平均4°。根據沖擊傾向性鑒定結果，3煤層單軸抗壓平均強度為18.5MPa，彈性能量指數5.32，具有強沖擊傾向性。

　　頂、底板具有弱沖擊傾向性。事故區域巷道密集，分布有32采區集中運輸巷、32采區集中進風巷、3208運輸巷、3208軌道巷、3209運輸巷、3209軌道巷等巷道。

　　2下山孤立煤體沖擊事故機理分析

　　孤立煤體區域巷道發生沖擊地壓應滿足以下條件：①孤立煤體處于高支承壓力分布區，且煤體處于極限平衡狀態;②處于極限平衡狀態的孤立煤體在受到外部采掘活動等動載影響下發生失穩;③煤體沖擊時的能量波高于巷道圍巖體強度及支護強度，從而引發沖擊地壓。綜合分析此類事故，其主要原因是孤立煤體解除局部沖擊危險后，煤體彈性核區產生應力集中。

　　32采區下山區域采深約為1350m，超深井大采深條件下，煤層承受著高地應力，下山區域巷道開挖相互切割形成孤立煤體引起應力集中，應力集中程度超過煤體強沖擊危險標準;下山之間巷道間距留設不合理，為解除巷道局部沖擊危險，32采區巷道群采取大直徑卸壓鉆孔進行應力解除，卸壓后兩側巷道高支承壓力逐漸在孤立煤體彈性核區集中，孤立煤體平均支承壓力逐漸增大，在高應力作用下，孤立煤體處于臨界沖擊狀態;32采區集中進風巷處于掘進狀態，巷道開掘時引起的動力擾動使得孤立煤體平均支承壓力超過煤體綜合抗壓強度，從而誘發孤立煤體整體沖擊失穩。

　　綜上所述可知，孤立煤體未受動力擾動時，高自重應力和卸壓后產生的應力集中是形成孤立煤體靜態支承壓力的主要原因;32采區集中進風巷掘進過程中，孤立煤體受到動載作用，并與靜態支承壓力疊加共同形成了孤立煤體的平均支承壓力。

　　3下山孤立煤體沖擊力學分析

　　3.1孤立煤體靜力系分析

　　1)孤立煤體支承壓力演化規律。對于超深井而言，巷道開挖后應力集中程度遠大于淺井開采，當巷道圍巖應力集中超過煤巖體抗壓強度后，巷道具有局部沖擊危險，此時需采取卸壓解危措施，通常實施大直徑鉆孔進行卸壓。巷道圍巖采取卸壓解危措施后，巷道幫部圍巖積聚的彈性能得到釋放，淺部煤體的高應力由此向煤體中部轉移。

　　2)巷道卸壓后孤立煤體承載能力估算。巷道圍巖采取卸壓措施后，自巷道幫部至孤立煤體中央分別為卸壓區和彈性承載區，卸壓區煤體在高應力作用下發生破壞，煤體處于單向應力狀態，其強度降低為單向抗壓強度;孤立煤體中部彈性承載區煤體處于三向應力狀態，其強度為三向抗壓強度。

　　3)孤立煤體應力估算。巷道圍巖解除局部沖擊危險后，孤立煤體的應力分布狀態主要取決于巷道卸壓后引起的支承壓力影響范圍及煤柱的寬度[9]。當煤柱距離確定時，隨著卸壓區距離的增大，孤立煤體邊緣的支承壓力峰值將開始疊加，煤體中央的載荷增大，彈性承載區應力出現均化，煤體長期處于高應力狀態將產生塑性破壞，孤立煤體彈性承載區支承壓力呈“平臺形”分布。

　　4工程應用

　　4.1事故案例驗證

　　事故區域平均采深為h=1350m，32采區集中運輸巷和32采區集中進風巷間距D=70m，巷道寬度均為a=5m，卸壓鉆孔長度為L=25m，根據鉆屑量監測，巷道開挖后，應力峰值距煤壁距離為7m，影響范圍為15m，施工卸壓孔后，應力峰值距煤壁距離為S=30m，影響范圍為35m，即t=5m，動載系數η=1.3，煤體單軸抗壓強度[σc]=18.5MPa，煤體三向抗壓強度[σ3c]=55.5MPa。將各參數代入式(5)最終可得Ic=1.9>1.5，即孤立煤體平均支承壓力超過臨界沖擊狀態進而發生沖擊。

　　4.2數值模擬驗證

　　根據古城煤礦32采區地質條件，采用FLAC3D軟件建立數值計算模型長×寬×高=200m×10m×70m。大巷間距為70m時，巷道圍巖卸壓前應力峰值為48MPa，應力集中系數達到2.6，且峰值位置距離巷道較近，巷道有局部沖擊危險;巷道圍巖卸壓后應力向煤體中部轉移，應力峰值達到82MPa，將其值代入式(5)可得Ic=1.47，則巷道圍巖卸壓后，孤立煤體核區應力集中已到達整體失穩臨界沖擊狀態。當其受到采掘擾動時，最終突破孤立煤體整體失穩沖擊臨界狀態，從而誘發沖擊。

　　4.3下山孤立煤體沖擊防治對策

　　1)降低孤立煤體平均支承壓力。孤立煤體所受應力包括自重應力，巷道開挖卸壓后造成的集中應力和其他因素造成的集中應力，其中自重應力無法改變，而巷道開挖造成的集中應力可通過合理留設巷道間距實現。孤立煤體整體失穩沖擊與煤體寬度密切相關，煤體應力集中程度與巷道間距成反比關系，巷道間距留設不合理是誘發孤立煤體沖擊事故的主要原因，因此，開采設計之初增大巷道間距留設是消除孤立煤體沖擊危險性的根本方法。

　　2)增強巷道圍巖綜合抗壓強度。由式(5)可知，當孤立煤體應力集中程度不變時，可通過增強巷道圍巖綜合抗壓強度[σ3c]以此減小沖擊危險性。增強巷道圍巖綜合抗壓強度即合理選擇巷道層位，通過將巷道布設為半煤巖巷或巖巷，降低巷道圍巖(頂板、兩幫、底板)軟化系數，從而提高巷道自身圍巖強度，確保巷道的長期穩定性。通過安全性及經濟比較論證，該礦最終選擇增大下山間距方案，目前該礦下山巷道已經安全向下延伸。

　　5結論

　　1)巷道圍巖采取卸壓措施后，應力峰值向孤立煤體中部轉移疊加，孤立煤體在自重應力和地質構造應力等因素作用下，逐漸趨于整體失穩沖擊臨界狀態，在其受到巷道掘進擾動時，最終突破整體失穩沖擊的極限平衡條件而發生沖擊。

　　2)孤立煤體平均支承壓力達到煤體綜合抗壓強度的1.5倍時，孤立煤體處于臨界沖擊失穩狀態。通過對32采區實際參數的計算分析，下山孤立煤體沖擊危險系數為1.9，超過臨界沖擊失穩值，從而發生整體失穩沖擊。

　　3)降低孤立煤體平均支承壓力和增強巷道圍巖綜合抗壓強度是防治孤立煤體沖擊的關鍵。據此提出了針對性的防治對策：合理留設巷道間距及合理布置巷道層位等。

　　煤礦方向論文投稿刊物：《礦業科學學報》主要刊載礦業科學領域的原創性成果，內容包括礦業工程、煤礦開采、安全科學與工程、測繪科學與技術、地質資源與地質工程、礦山建設工程、巖石力學與地下工程、礦山機械工程、礦山電氣工程與自動化、礦物加工與利用、煤礦環境保護、煤炭能源綠色開采與潔凈利用、管理科學與工程、能源安全與發展戰略等。