众所周知，冲击地压是煤矿开采过程中一种特殊动力现象，此灾害发生是由于煤岩体中积聚的弹性能突然释放所导致的，一直以来由于其影响因素众多，机理复杂不清而无法精准地预测和防治，严重威胁着煤矿安全高效生产^[1-3]。地质构造作为一种特殊的地质现象，例如断层、褶皱、相变等地质构造会影响围岩应力传递，引起原岩应力分布异常，尤其是受采动影响，原岩应力和采动应力叠加，围岩能量积聚程度高^[4-6]。而煤厚变化属于相变地质构造的一种，该区域原岩应力分布异常，回采期间矿压显现剧烈，极易诱发冲击地压。

学者们采用室内实验、数值模拟、理论分析等方法，研究了煤厚变化对冲击地压的影响。在室内实验方面：以煤岩组合体为对象，左建平等^[7]、李成杰等^[8]认为煤厚占比越大，组合体强度越低；GUO等^[9]、CHENG 等^[10]揭示了组合体发生破坏力学机制；左建平等^[11]、陈光波等^[12]探讨了煤厚变化对组合体能量积聚的影响，认为煤厚占比越大，组合体峰前能量积聚越多。在数值模拟方面： BAI等^[13]、WANG等^[14]认为煤厚变化、顶板厚度变化会导致原岩应力分布异常，且顶板厚度越大、煤层厚度越薄，垂直应力越大；南存全等^[15]、ZHU等^[16]分析了采动影响下煤厚变化区超前支承压力分布规律，认为煤厚变化区异常应力和超前支承压力叠加，容易诱发冲击地压；王勇等^[17]、沈腾飞等^[18]、任衷平等^[19]讨论了煤厚变化区能量积聚规律，认为煤厚变化区围岩能量积聚程度高，会增加冲击地压发生的可能性。在理论分析方面：赵同彬等^[20]讨论了煤厚变化区开采冲击地压发生的力学机制。

以上研究探讨了煤厚变化区围岩应力及能量分布规律，对于煤厚变化区冲击地压防治有重要的参考价值。然而，针对煤厚变化区围岩应力转移机制及开采方向对其影响有待于进一步研究。为此，以鹤岗峻德煤矿17^#煤层冲击倾向性煤层为研究背景，以组合岩层为对象，探讨了煤厚变化区应力转移机制，揭示了煤厚变化区原岩应力与煤岩厚度比、弹性模量比之间关系，阐明了开采方向对煤厚变化区采动应力及能量积聚规律的影响，旨在为煤厚变化区域冲击地压防治提供参考。

1.   工程背景

峻德煤矿17^#煤层为强冲击倾向性煤层，且煤层厚度变化幅度较大，曾经发生过冲击地压。工作面埋深约660 m。煤层厚度介于1.98~7.98 m，煤层厚度变化幅度较大，平均厚度3.2 m；煤层上方直接顶页岩厚度介于2.02~7.01 m，平均厚度为2.95 m；基本顶为细砂岩，平均厚度为10.0 m；底板为粉砂岩，平均厚度9.8 m。经实验室力学测定，细砂岩单轴抗压强度可达70.3 MPa，由此可知基本顶强度较高。煤层顶底板岩性柱状图如图1所示。

图  1  煤层及顶底板柱状图

Figure  1.  Coal seam and roof and floor histogram

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2.   煤层厚度变化区域应力转移机制

2.1   原岩应力分析

煤厚变化区应力转移模型如图2所示。假设煤厚变化区域总高度为M，岩石厚度为h，岩石部分弹性模量（E_R）大于煤弹性模量（E_c），煤厚变薄区域（c₁）和变厚区域顶板变形量（c₀）相同，煤厚变薄区域原岩应力为σ_b，煤厚变厚区域原岩应力为σ₀。当岩石强度（刚度）大于煤时，采动应力转移至岩石部分，从而峰值应力（σ_max）出现在岩石部分，谷值应力（σ_min）出现在煤区域。

图  2  煤厚变化区应力转移模型

Figure  2.  Stress transfer model of coal thickness variation zone

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假设煤层顶板变形量相同，即：

式中：ρ为上覆岩层密度，t/m³；H为煤厚变化区距地表距离，m。

由于岩石和煤的强度（刚度）差异，导致煤厚变化区域主应力分布不均匀，在煤岩交界面出现峰值应力（σ_max）和谷值应力（σ_min）。由图2可知：S₁和S₂区域为剪应力区，其中，S₁区域表示σ_max与σ_b之间应力差作用区，S₂区域表示σ_max与σ_min之间应力差作用区，且σ_max与σ_min之间应力差大于σ_max与σ_b，说明S₂区域受剪切作用大于S₁区域。因此，无论煤层开采方向由厚到薄还是由薄到厚，工作面经过S₁和S₂区域都会受到剪切作用。

由式（4）可知：峰值应力（σ_max）与开采深度、煤厚度和弹性模量、岩石厚度和弹性模量有关。假定煤层埋深H为660 m，密度ρ为2.5 t/m³，h/M取值为0.1~0.9，E_c/E_R取值为0.2~0.8，代入式（4），得到的σ_max与h/M、E_c/E_R关系如图3所示。

图  3  σ_max与h/M、E₀/E₁关系

Figure  3.  Relationship between σ_max and h/M, E₀/E₁

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由图3可知：当E_c/E_R值一定，h/M值越大，峰值应力σ_max越大；当h/M值一定，E_c/E_R值越小，峰值应力σ_max越大。因此，对于煤厚变化区，煤厚变化范围越大，煤和岩石弹性模量比值越小，煤厚变化区峰值应力σ_max越大，发生冲击危险的可能性越大。

2.2   采动应力分析

煤厚变化区采动应力分布如图4所示。受采动影响，工作面前方形成超前支承压力，区域T为超前支承压力峰值与工作面附近应力差作用区，如图4（a）所示；煤厚变化区不均匀分布异常应力峰值和超前支承压力峰值叠加形成叠加应力峰值σ′(x)作用区如图4（b）所示。

图  4  煤厚变化区采动应力分布

Figure  4.  Mining stress distribution in coal thickness change area

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σ′(x)随x发生变化，可由式（5）表示：

式中：σ(x)为不均匀分布异常应力峰值，MPa；Δσ表示超前支承压力峰值，MPa。

由图4（a）可知：当工作面处于煤厚稳定区域，主应力分布相对均匀，即σ(x)为0，仅受超前支承压力影响，形成的峰值应力σ′(x)相对较小，区域T剪应力相对较小，几乎不会发生剪切破坏。

由图4（b）可知：当工作面处于煤厚变化区域，主应力分布不均匀，即σ(x)较大，区域T进入煤厚变化区域S₁或S₂，形成的叠加应力峰值σ′(x)强于煤厚稳定区域，此时该区域受剪切作用较强。因此，煤厚变化区域受剪切作用要强于煤厚稳定区域。

3.   煤厚变化区冲击发生条件及影响因素

据相关研究^[13-14]，具有冲击倾向性的煤层受到应力差作用会发生剪切破坏，容易诱发冲击地压等动力灾害。煤厚变化区是否发生冲击地压，首先要判断其是否发生剪切破坏，如果该区域发生剪切破坏，就需满足剪切破坏条件，如式（6）所示：

式中：τ为剪切应力；[τ]为极限剪切强度。

在采动影响下，一旦该区域发生剪切破坏，会诱发大量能量释放。依据摩尔-库仑准则^[21]，最大剪应力τ可以转化为：

式中：σ₁为最大主应力，MPa；σ₃为最小主应力，MPa；α为超前支承压力应力集中系数。

当采煤工作面靠近煤厚变化区域时，τ逐渐增大，其最大值为ασ_max/2。由式（7）代入式（6）可知，冲击发生时应满足式（8）所示的应力条件：

煤厚变化区发生冲击，不仅需要满足剪切破坏条件，还需满足冲击危险性条件，如式（9）所示：

式中：DT为动态破坏时间，ms；W_ET为弹性能量指数；K_E为冲击能量指数；R_c为单轴抗压强度，MPa。

结合式（4）和式（9）可知，煤厚变化区冲击危险性与开采深度（H），超前支承压力集中系数（α）、煤厚变化区峰值应力σ_max和煤的冲击危险性（DT、W_ET、K_E、R_c）呈现正相关关系，而与抗剪强度[τ]呈现负相关关系。结合图3可知：煤厚变化区峰值应力σ_max与煤厚变化范围呈现正相关关系，与煤和岩石弹性模量比呈现负相关关系。

4.   煤厚变化区围岩应力分布特征

4.1   模型建立及参数选取

采用FLAC^{3 D}软件建立数值模型，模型长×宽×高=180 m×10 m×80 m，如图5所示。

图  5  数值模型

Figure  5.  Numerical model

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模型四周边界及下边界均采用位移约束，上边界施加垂直应力σ_z为15 MPa，煤岩层力学参数见表1，采用mohr-Column本构模型进行计算。为方便计算，设置煤厚变化区长度为20 m，煤厚变化范围为2~8 m。侧压系数取0.8。

表  1  岩层力学参数

Table  1.  Mechanical parameters of rock strata

名称	密度/ （kg·m−3）	体积模 量/GPa	剪切模 量/GPa	黏聚力/ MPa	内摩擦 角/（°）	抗拉强 度/MPa
中砂岩	2530	7.02	4.36	2.82	36	3.20
粉砂岩	2630	8.21	4.05	3.21	38	3.50
细砂岩	2540	6.95	4.42	2.68	36	3.65
煤层	1440	1.88	1.22	1.51	25	1.65
页岩	2430	3.42	1.72	2.11	30	2.30

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4.2   采空区模型处理

工作面回采过程中，考虑FLAC^3D软件无法模拟采空区顶板垮落过程及充填效应，对采空区垮落矸石作整体等效充填方法处理，即采空区矸石采用Double-Yield本构模型。由SALAMON^[22]经验公式得到采空区矸石压实应力-应变关系，如式（10）所示：

式中：σ为采空区矸石垂直应力，MPa；ε为采空区矸石垂直应力作用下体积应变；ε_m为采空区矸石垂直应力作用下最大体积应变；E₀为采空区矸石初始弹性模量，GPa。

采空区矸石最大体积应变和初始弹性模量可由式（11）和（12）求出^[23-24]：

式中：K_P为垮落矸石碎胀系数；σ_c为采空区矸石抗压强度，MPa。

采空区矸石力学参数见表2。依据工程概况，采空区矸石碎胀系数取1.25，矸石最大体积应变和弹性模量分别为0.2、0.2 GPa，采用1 m×1 m×1 m的立方体在数值模拟中反复尝试，数值模拟和理论公式得到的采空区矸石应力-应变关系如图6所示。

表  2  采空区矸石物理力学参数

Table  2.  Mechanical parameters of gangue in goaf

名称	密度/ （kg·m−3）	体积模 量/GPa	剪切模 量/GPa	内摩擦 角/（°）	剪胀角/ （°）
矸石	1100	5.12	3.20	20	6

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图  6  采空区矸石理论曲线和模拟曲线对比

Figure  6.  Comparison of theoretical curve and simulation curve of gangue in goaf

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4.3   原岩应力

为分析煤岩厚度比、煤岩弹性模量比对原岩应力分布特征的影响，将煤岩厚度比看作煤厚变化，煤岩弹性模量比看作煤弹性模量保持不变，顶板弹性模量变化。不同煤厚变化、顶板弹性模量变化的垂直应力分布特征如图7所示。

图  7  煤厚变化区原岩应力分布

Figure  7.  Stress distribution of primary rock in coal thickness variation area

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由图7可知：垂直应力在煤厚变化区变化范围较大。当煤层厚度由薄到厚变化时，垂直应力先增大后减小，之后逐渐增大至定值，峰值应力位于煤层变薄区域，谷值应力位于煤层变厚区域；煤厚变化范围越大，煤层变薄区域峰值应力越大，变厚区域谷值应力越小。顶板弹性模量变化与煤厚变化垂直应力分布类似，顶板弹性模量越大，煤层变薄区域峰值应力越大，变厚区域谷值应力越小。

可见，煤厚变化区原岩应力分布异常，煤厚变化范围越大、顶板弹性模量越大，煤层变薄区域峰值应力越大，煤层变厚区域谷值应力越小，这与上文1.1节得出的结论一致。

4.4   采动应力分布规律

为研究煤厚变化对采动应力的影响，选取煤厚2~8 m变化为例，分析由薄向厚、由厚向薄回采2种情况下采动应力分布特征，煤厚变化区应力集中系数分布如图8所示。

图  8  煤厚变化区应力集中系数分布

Figure  8.  Stress coneentration factor distribution in coal thickness change area

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由图8可知：无论工作面采取由薄向厚回采、还是由厚向薄回采应力集中系数曲线会出现先增大后减小再增大后逐渐减小至定值。说明超前支承压力出现2个峰值现象，简称“应力双峰”，1个峰值为超前支承压力峰值，另1个应力峰值为应力异常区峰值，不同的是，超前支承压力峰值是由于超前支承压力影响产生的，应力异常区峰值是由于煤厚变薄区域原岩应力异常，在该区域原岩应力和超前支承压力叠加所导致的。

随着工作面接近煤厚变化区域，超前支承压力峰值和应力异常区峰值均逐渐增大；当工作面推进至煤厚变化区，应力异常区域峰值应力逐渐消失，超前支承压力峰值继续增大。由薄向厚回采，超前支承压力、应力异常区峰值应力集中系数变化范围分别为1.60~2.35、1.23~1.68；由厚向薄回采，超前支承压力、应力异常区峰值应力集中系数变化范围分别为1.51~1.92、1.20~1.68；可以看出，工作面由薄向厚回采应力集中程度略大于由厚向薄回采。但是，工作面由厚向薄回采应力集中范围明显大于由薄向厚回采。

由此说明，工作面由薄向厚回采应力集中程度略大于由厚向薄回采，由薄向厚回采应力集中范围小于由厚向薄回采。工作面无论由薄向厚、由厚向薄回采，采动应力集中程度及影响范围均较大。

5.   煤厚变化区围岩能量积聚规律

取围岩结构中单元体为对象，依据岩石在三向应力状态下弹性应变能密度可计算出围岩弹性应变能密度，如式（13）所示：

式中：U为能量密度，MJ/m³；E为弹性模量，GPa；σ₂为中间主应力，MPa；μ为泊松比。

以煤厚2~8 m变化为例，分析由薄向厚、由厚向薄2种回采情况下围岩弹性应变能分布特征，工作面前方弹性应变能分布规律如图9所示。

图  9  工作面前方弹性应变能分布规律

Figure  9.  Distribution law of elastic strain energy in front of working face

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由图9可知：无论工作面采取由薄向厚、由厚向薄回采，工作面前方弹性应变能密度曲线均呈现先增大后减小再增大后逐渐减小至定值，说明工作面前方出现2个能量峰值，简称“能量双峰”，1个为超前支承压力峰值引起的能量峰值，1个为应力异常区引起的能量峰值，这与前文“应力双峰”类似。

随着工作面接近煤厚变化区，能量双峰均逐渐增大。由薄向厚回采，能量双峰峰值变化范围分别为0.25~0.41、0.43~1.28 MJ/m³；由厚向薄回采，能量双峰峰值变化范围分别为0.70~1.24、0.43~0.95 MJ/m³；可知由薄向厚回采工作面前方能量集中程度明显小于由厚向薄回采，且由厚向薄回采在煤厚变化区能量聚集更为明显。

可见，工作面由薄向厚回采能量积聚程度小于由厚向薄回采，从而工作面由薄向厚回采更为合理。

6.   防控思路及效果

冲击地压发生是采动影响下煤岩共同作用的结果，煤岩作为受载体，其应力环境是由地应力和采动支承压力组成，而工程扰动引起的动载荷是其发生的诱因。

6.1   开采方向对冲击地压影响

不同开采方向下煤厚变化区冲击发生机制如图10所示。

图  10  煤厚变化区开采冲击发生机制

Figure  10.  Mechanism of mining impact in coal thickness variation area

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当工作面由薄向厚回采时，采动应力由变薄区向变厚区转移，超前支承压力和应力异常区叠加形成仅1个峰值应力，工作面前方存在1个冲击危险区，围岩能量积聚程度高。当工作面由厚向薄回采时，静载荷应力在工作面前方出现“应力双峰”和“能量双峰”，说明采动影响下工作面前方存在2个冲击危险区，超前支承压力区和应力异常区，围岩积聚能量范围广，冲击发生可能性大。

在煤厚变化区进行工作面回采，受超前支承压力和应力异常区叠加作用，围岩能量积聚程度高、范围广，在顶板断裂动载作用下，很容易诱发冲击地压。同时结合图9，由薄向厚回采能量积聚程度小于由厚向薄回采，且仅存在1个冲击危险区，由此得到，由薄向厚回采更为合理。

6.2   防控思路

基于以上对煤厚变化区冲击地压发生机制分析，结合采场围岩结构及应力、能量积聚特征，提出的煤厚变化区冲击地压防控思路如图11所示。

图  11  防控思路

Figure  11.  Prevention and control strategy

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1）采场围岩应力调控。煤厚变化区受超前支承压力及异常应力影响，煤岩体应力集中程度高；当工作面由薄煤层向厚煤层回采时，存在1个冲击危险区，因此防治思路应将浅部高应力转移至深部围岩，卸压范围应不小于高应力范围；当工作面由厚煤层向薄煤层回采时，工作面前方形成应力双峰和能量双峰，存在2个冲击危险区，因此防治思路应是降低应力双峰应力集中程度，同时应避免2个冲击危险区叠加。采用大直径钻孔卸压方式，煤厚变化区形成卸压带，从而起到卸压效果；同时，应适当采取煤层注水措施，降低煤体强度及弹性模量，减弱煤体冲击危险性。

2）采场围岩结构调控。随着工作面正常回采，顶板发生周期破断；鉴于坚硬顶板硬度大、垮落步距大，顶板破断会释放大量的弹性能，会产生强烈震动；另一方面，大面积悬空顶板突然垮落，会冲击采场后方。若采用水力压裂、深孔爆破技术，人为破坏顶板内部结构，可以使顶板积聚的弹性能释放，并且可以有效降低顶板来压强度，从而降低冲击危险性。

3）增加冲击阻能。受采动影响巷道两帮煤体发生塑性破坏，需要定期对巷道进行检查，及时对破碎区域进行维护，增加巷道支护强度，从而增加冲击阻能。

6.3   现场应用

在黑龙江鹤岗峻德煤矿17^#煤层某工作面进行工业实践，煤层开采方向采用由薄到厚进行回采。

依据现场经验，将煤厚变化区附近30 m作为强冲击危险区，采用大直径钻孔卸压和煤层注水的方法进行卸压；大直径钻孔距底板距离为1.5 m左右，钻孔直径113 mm、钻孔间距1 m、钻孔长度应大于20 m，第1个注水孔位于工作面前方30 m位置，孔间距10 m，孔径65 mm；注水孔垂直于巷道走向方向分别布置在下巷道上侧、上巷道下侧，孔长度70 m（大于工作面长度的1/2），考虑到工作面上方基本顶为10 m厚的细砂岩不易垮落，在煤厚变化区附近断顶卸压，每隔50 m施工1组，每组3个钻孔，分别于煤层倾角成15°、30°、45°，孔深为90 m。回采过程中，回采巷道使用吸能防冲支架。

现场微震监测效果如图12所示（3月代表未采取措施前，5月代表采取措施后）。

图  12  现场监测效果

Figure  12.  Field monitoring effect

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由图12可知：采取上述措施后，峻德煤矿此工作面采动过程中未出现明显动力现象，采动过程中微震事件数量和能量强度明显降低。有效地降低了冲击地压发生的可能性。

7.   结　语

1）由于岩石和煤的强度（刚度）差异，导致煤厚变化区域主应力分布不均匀，在煤厚变薄区域出现峰值应力，变厚区域出现谷值应力，且煤厚变化范围越大、煤岩弹性模量比越小，峰值应力越大，谷值应力越小。

2）煤厚变化区冲击危险性与开采深度，工作面支承压力集中系数、煤厚变化区峰值应力和煤的冲击危险性呈现正相关关系，而与煤的抗剪强度呈现负相关关系。

3）无论工作面由薄向厚、由厚向薄回采，采动应力集中程度及影响范围均较大。由薄向厚回采，超前支承压力区和应力异常区叠加，存在1个冲击危险区，应力集中程度略大于由厚向薄回采；由厚向薄回采存在两个冲击危险区，从而由薄向厚回采更为合理。

4）针对煤厚变化区采动应力及能量积聚规律，提出调控采场围岩结构、围岩应力、增加冲击阻能的防控思路，并进行工程应用，效果良好。