巖漿巖床下伏短壁綜放面集中靜載荷型沖擊啟動原理

潘俊鋒，秦子晗，馮美華，劉少虹

（1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013）

1 引 言

據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局2012年的調(diào)研報告，我國沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量已達140 多個，分布于20 多個省、市、自治區(qū)，統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個重要的特點就是，淺部開采礦井沖擊地壓發(fā)生案例增多[1]。過去，人們普遍認(rèn)為沖擊地壓發(fā)生與煤層開采深度存在正相關(guān)關(guān)系，甚至認(rèn)為只有深部開采才發(fā)生沖擊地壓，為此以“深部動力災(zāi)害”為主題做的研究比較多，國家資助的重大科學(xué)研究也多[2－7]。然而，近年來，新疆、華亭、平莊等淺部開采礦井接連發(fā)生沖擊地壓，使得人們最初認(rèn)識的沖擊地壓發(fā)生臨界開采深度越來越小[8]。

實際上，沖擊地壓發(fā)生與是淺部還是深部關(guān)系密切程度,遠不如與采掘圍巖所承載載荷的局部化集中程度及其對外界動載源的響應(yīng)敏感度更為密切，也就是說，不管開采區(qū)深不深，只要具有沖擊傾向的煤巖所承受載荷足夠大，就能發(fā)生沖擊地壓。沖擊地壓的發(fā)生多數(shù)與頂板是否垮斷無關(guān)，這就是為什么人們發(fā)現(xiàn)有的沖擊地壓發(fā)生在實體煤的掘進期間，并且位于掘進面后方幾百米以外；發(fā)生在回采工作面的沖擊地壓，也有的并未發(fā)生在本工作面采空區(qū)頂板斷裂影響范圍內(nèi)；甚至有的礦井工作面還沒推進，巷道局部區(qū)域就發(fā)生沖擊地壓。而關(guān)于這一困惑問題，目前的研究文獻較少。為了探討這類問題，本文以平莊礦區(qū)的淺埋短壁綜放面未推進便發(fā)生巷道沖擊地壓案例為切入點，在探索其巨厚堅硬整層巖漿巖頂板條件下沖擊啟動類型與原理的過程中，得到了淺埋短壁綜放面堅硬頂板難以垮斷，為沖擊啟動提供了集中靜載荷；短壁工作面開采使得下巷處于高位高應(yīng)力區(qū)中，加劇了下巷沖擊危險性；傾斜煤層巷道沖擊時，圍巖沖擊、鼓出非對稱局部化，并且大致位于煤層傾向面的法線方向等有益結(jié)論。

2 工程背景

平莊礦區(qū)某礦一井主采煤層為6-2 煤層，煤層具有弱沖擊傾向性，平均厚度為15 m，傾角為26°。6 m 厚的變質(zhì)煤以上直至地表為堅硬巖漿巖侵入性整體頂板，侵入產(chǎn)狀與煤層基本一致，巖性致密堅硬，單軸抗壓強度達147 MPa，具有強沖擊傾向性，目前開采區(qū)鉆孔實見最大厚度為238.4 m。煤層底板為60 m 左右的砂巖。礦井目前開采的是十采區(qū)東翼的069-2 綜放工作面，工作面走向長為393 m，傾斜長為59 m，埋深約350 m。

該工作面西與西翼069-2 工作面相鄰，東至一、三井井田邊界并與三井西066-1 工作面（2012年6月采終）相鄰，淺部自八采區(qū)+254 采空區(qū)（2011年12月采終），深部至+218 水平。工作面周圍開采情況及相對位置見圖1 所示。

2012年10月17日，本工作面切眼貫通，綜采設(shè)備準(zhǔn)備安裝時，距石門170～270 m 段（069-1 工作面切眼外以遠約100 m 處，見圖1）發(fā)生強烈沖擊地壓顯現(xiàn)，70 多米巷道嚴(yán)重變形，部分巷道已經(jīng)閉合，主體顯現(xiàn)規(guī)律為巷道左下頂板下沉，右上底板鼓起強烈。此次沖擊造成地面有強烈震感，13 人受傷，工作面安裝推遲3 個月。

圖1 069-2 工作面及沖擊地壓顯現(xiàn)位置Fig.1 Location of 069-2 face and rockburst

3 巖漿巖下伏短壁綜放面沖擊地壓啟動原理

3.1 沖擊地壓啟動類型及原理

沖擊地壓事故發(fā)生后，專業(yè)技術(shù)人員開始進駐現(xiàn)場并要求立即停工，等初步查明事故發(fā)生原因并實施解危后方可恢復(fù)生產(chǎn)。課題組采用計算機數(shù)值模擬方法來仿真工作面三面孤島開采環(huán)境與圍巖應(yīng)力演化。數(shù)值模擬采用FLAC3D程序。

在數(shù)值模型中，煤巖層的物理、力學(xué)參數(shù)參照了實驗室測定數(shù)據(jù)，該煤層埋深約為350 m，在模型頂部約有260 m 厚巖層作等效載荷處理，煤層底板考慮30 m。計算時，模型4 個立面法向位移及地面法向位移為0，層理弱面用INTERFACE 模擬，支架用BEAM 單元模擬。整個模型共劃分單元為243 460，節(jié)點為281 254 個。

3.1.1 工作面傾斜長度對圍巖應(yīng)力影響

為了研究工作面設(shè)計傾斜長度對巷道圍巖承載的影響，采用計算機模擬了工作面長度為20、59、100、150 m 共4 種工作面兩巷應(yīng)力分布情況。

由4 種長度的數(shù)值模擬結(jié)果分析表明（見圖2），069-2 工作面受上區(qū)段采空影響，其高應(yīng)力向下區(qū)段遷移，并且賦存區(qū)域基本穩(wěn)定，基本不受本工作面下巷布置位置影響，對于兩巷賦存應(yīng)力環(huán)境而言，上巷基本處于低應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)工作面傾向長度大于100 m 左右時，下巷基本不受上覆高應(yīng)力區(qū)影響，而目前069-2 工作面傾斜長度為59 m 左右，下巷正處于覆巖高應(yīng)力集中區(qū)，因此，造成下巷應(yīng)力集中程度進一步提高。

3.1.2 沖擊地壓啟動類型與條件

圖2 工作面不同傾斜長度時覆巖應(yīng)力剖面圖(單位:Pa)Fig.2 Contours of the dip direction stress of work face with different inclined lengths(unit:Pa)

根據(jù)現(xiàn)場實際開采及圍巖受力條件建立069-2工作面下巷圍巖受力模型如圖3 所示。根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力σH量值上約為垂直主應(yīng)力σV的1.96～2.03 倍，所以下巷在水平方向受20～25 MPa 的水平應(yīng)力；在垂直方向所受應(yīng)力較大并且不斷變化，記垂直應(yīng)力為FM（G，F(xiàn)C，N，F(xiàn)Q，F(xiàn)h），F(xiàn)M則是巷道覆巖自重應(yīng)力G、巷道側(cè)向支承壓力FC、工作面上區(qū)段頂板彎曲彈性能N、本工作面超前支承壓力FQ、上分層069-1 采空區(qū)切眼后側(cè)支承壓力Fh的函數(shù)，并且全部正相關(guān)，其所包含的載荷主要為壓縮彈性能和彎曲彈性能，因此，為集中靜載荷。如果忽略巷道上方6 m 左右的變質(zhì)煤，上述垂直應(yīng)力FM(G，F(xiàn)C，N，F(xiàn)Q，F(xiàn)h)載荷源就是巖漿巖頂板。

圖3 069-2 工作面下巷承載示意圖Fig.3 Schematic diagram of the bearing capacity of the lower roadway of 069-2 face

根據(jù)沖擊啟動理論[9]，沖擊啟動的能量判據(jù)為E靜+E動? Ec＞0(E靜、E動、Ec分別代表集中靜載荷、集中動載荷、巖體動力破壞所需要的最小載荷)。因此，下巷圍巖沖擊啟動與否，在于極限平衡區(qū)FM(G，F(xiàn)C，N，F(xiàn)Q，F(xiàn)h)自身能否達到極限。

實際上，巷道兩幫極限平衡區(qū)高應(yīng)力、底板巖層中的水平應(yīng)力是客觀存在的，由于工作面不同回采時期、不同區(qū)域其巷道兩幫極限平衡區(qū)靜載荷FM(G，F(xiàn)C，N，F(xiàn)Q，F(xiàn)h)的集中度、動載荷來源與時刻存在差異，這就是為什么對于巷道全長來說，有的區(qū)域沒有沖擊事件，沖擊地壓顯現(xiàn)具有局部性特點，并且沖擊地壓發(fā)生時，采掘空間極限平衡區(qū)是失穩(wěn)的核心，而底板往往是能量釋放的突破口，是沖擊地壓顯現(xiàn)位置。

依據(jù)參考文獻[10]，將圍成巷道的頂板-煤層-底板看作一個結(jié)構(gòu)物，則巷道兩幫主承載區(qū)就是該結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)，承載區(qū)對應(yīng)底板就是地基，建筑物上部載荷自然通過基礎(chǔ)傳遞給地基，有所不同的是，地面建筑物建成后就是給定載荷，而煤礦井下這個載荷隨條件在動態(tài)變化。這個建筑物的基礎(chǔ)寬度與支承壓力帶寬度B 相當(dāng)（見圖4），圖4 中，q 表示底板支護反力，α=45°?φ/2。

圖4 巷道底板承載力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of the bearing capacity of roadway floor

巷道的底板或建筑的地基所承載達到其承受臨界狀態(tài)時，底板巖體應(yīng)力狀態(tài)由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，并且出現(xiàn)剪切滑動。如圖4 所示，底板巖體滑動時將產(chǎn)生區(qū)域劃分，圖中ACO為主動滑動區(qū)，ADF為被動滑動區(qū)，ADC 則為過渡區(qū)，N為實測的較大水平應(yīng)力，將進一步推動上述三區(qū)的運動，運動趨勢如圖所示。

上述三區(qū)整體處于極限平衡的塑性受力狀態(tài)，而主承載區(qū)寬度B 下對應(yīng)的底板極限承載力計算為

式中：Nq、Nc、Nγ均為底板承載力計算系數(shù)；c、φ、γ 根據(jù)底板巖樣數(shù)據(jù)，c=2.8 MPa，φ=31°和γ=2.18 N/m3，其物理意義分別表示底板巖體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和重度；q ≈0.09 MPa。巷道兩幫極限平衡區(qū)承載的高應(yīng)力實測平均值為 Pn=143MPa。

由此可見，Pn＞Pu，即底板巖層承載突破極限，剪切破壞體將以O(shè)CDF為滑動面向巷道空間快速擠出，底板沖擊發(fā)生。

實測得069-2 工作面煤層中應(yīng)力集中系數(shù)平均為1.7，而下巷所處深度折算重應(yīng)力為9.25 MPa，考慮應(yīng)力集中系數(shù)，則為15.73 MPa，大于煤層的單軸強度10.51 MPa。

對于500 m 走向長度的巷道來說，沖擊發(fā)生點可看作一個單位區(qū)，那么巷幫極限平衡區(qū)集中靜載荷E靜由虎克定律估算為45 kJ/m3，根據(jù)文獻[11]中提供公式計算Ec=/(2 E)=15.34 kJ/m3，則有E靜? Ec＞0，由沖擊啟動理論，就集中靜載荷足以使得巷道發(fā)生動力沖擊。

因此，069-2 工作面所發(fā)生的“10.17”沖擊地壓原因是因巷道埋深折算自重應(yīng)力已經(jīng)與煤的單軸抗壓強度接近，工作面長度設(shè)計不合理，導(dǎo)致下巷全長位于覆巖高位高應(yīng)力N 區(qū)中，而上分層069-1切眼后側(cè)存在較高的支承壓力Fh對該段巷道側(cè)向支承壓力FC的疊加，并且3 種應(yīng)力因掘巷擾動相互疊加為時間t 的正相關(guān)函數(shù)，而該區(qū)域的煤巖體長期強度則為時間t 的負(fù)相關(guān)函數(shù)，失穩(wěn)時機逐漸成熟，此時的集中靜載荷FM(G，F(xiàn)C(t)，N(t)，F(xiàn)h(t))在缺乏FQ的情況下仍滿足沖擊啟動條件。這就是為什么巷道剛剛貫通，工作面沒有推進，沒有頂板垮斷，而又偏偏在上分層工作面切眼后側(cè)發(fā)生沖擊地壓。其沖擊機制為多種靜載荷的相互加載使得巷幫極限平衡區(qū)下方底板破壞深度加大，具有沖擊傾向性的底板儲存了水平構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生的彎曲彈性能，底板承受載荷達到極限，先產(chǎn)生自身巖體的材料失穩(wěn)，進而產(chǎn)生頂板-煤層-底板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，底板無約束產(chǎn)生剪切滑動，瞬間釋放自身的彎曲彈性能和煤幫傳遞來的壓縮彈性能，造成沖擊地壓顯現(xiàn)。

3.1.3 巷道沖擊地壓顯現(xiàn)非對稱局部化原理

圖5為069-2 工作面下巷圍巖水平應(yīng)力及主作用合力分布圖。圖示了沿傾向方向工作面的水平應(yīng)力分布云圖，箭頭為主作用合力矢量。從圖中可以看出，在下巷圍巖的頂板及底板中，均出現(xiàn)了較大的水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，底板應(yīng)力較大。從圖中的主作用合力的矢量分布上來看，頂板中主作用合力的主要作用方向沿巷道左上角向下，而底板中主作用合力主要位于靠近上區(qū)段采空區(qū)的區(qū)域，主作用方向與頂板主應(yīng)力相反，沿巷道右下角斜向上。

圖6為069-2 工作面下巷圍巖位移矢量圖。從巷道圍巖的位移矢量圖中可以看出，在回采過程中，巷道出現(xiàn)了左下頂板下沉、右上底板隆起、兩幫擠壓等變形現(xiàn)象，其中位移較大的頂?shù)装宓囊平?，尤其是底鼓現(xiàn)象明顯。

為此，根據(jù)理論分析與數(shù)值模擬驗證，069-2工作面下巷在水平應(yīng)力作用及兩幫垂直應(yīng)力不斷疊加條件下，其主作用力如圖3 所示，從而揭示了傾斜煤層巷道沖擊后，巷道左下頂板及右上底板顯現(xiàn)強烈的原因，即沖擊方向與煤層傾向方向正交的原因。

圖5 下巷圍巖水平應(yīng)力及主應(yīng)力分布圖(單位:MPa)Fig.5 Horizontal stress and the principal stress distributions of lower roadway(unit:MPa)

圖6 下巷圍巖位移矢量圖(單位:MPa)Fig.6 Displacement vectors of lower roadway surrounding rock(unit:MPa)

3.2 短壁綜放工作面推進后圍巖應(yīng)力演化特征

3.2.1 工作面傾向應(yīng)力演化特征

圖7為069-2 工作面開采模型，工作面推進120 m 時的應(yīng)力環(huán)境。為了分析工作面沿傾向方向的應(yīng)力分布特征，將工作面推進過程中，在超前工作面煤壁20 m 的位置進行了沿傾向剖面，所得如圖8 所示。

圖7 工作面推進120 m 時圍巖應(yīng)力(單位:MPa)Fig.7 Surrounding rock stress when work face advancing to 120 m(unit:MPa)

從工作面傾向剖面圖中可以看出，069-2 工作面前方煤體的應(yīng)力集中區(qū)域主要存在于進入069-1采空區(qū)之前。應(yīng)力集中區(qū)域主要位于距離上巷下幫15 m 以外的范圍和下巷兩側(cè)區(qū)域。從高度上來看，069-2 工作面的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在煤層上部及頂板區(qū)域，上巷采用沿空掘巷，巷道位于塑性破壞區(qū)，不具備承載能力，沒有應(yīng)力集中，但變形量較大。根據(jù)不同推進情況來看，當(dāng)工作面距離上分層采空區(qū)邊緣40 m 左右時，工作面前方應(yīng)力集中程度最大。當(dāng)工作面剛推進至采空區(qū)下方時，工作面下部處于卸壓狀態(tài)，但在068-1 工作面采空區(qū)邊緣存在集中應(yīng)力影響下，上巷下幫煤體內(nèi)出現(xiàn)了相對較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進至068-1 采空區(qū)下后，工作面整體呈卸壓狀態(tài)，應(yīng)力集中區(qū)域主要位于069-1 采空區(qū)的邊緣位置。

圖8 工作面不同推進距離傾向應(yīng)力云圖(單位:MPa)Fig.8 Contours of dip direction stress when face advancing to different locations(unit:MPa)

在模擬回采過程中，在工作面前方20 m 的位置設(shè)置一條測線，記錄推進過程中煤體內(nèi)的應(yīng)力變化情況，將垂直應(yīng)力的數(shù)據(jù)進行提取，繪制成應(yīng)力分布曲線如圖9 所示。

從圖中可以看出，沿工作面傾向，工作面下部煤體內(nèi)及下巷兩幫應(yīng)力最大，達到16.6 MPa，而上巷受力較小。在工作面推進至069-1 采空區(qū)時，下巷應(yīng)力開始降幅明顯，上巷變化較??；當(dāng)工作面推進至068-1 采空區(qū)時，工作面整體應(yīng)力都處于卸壓狀態(tài)。

圖9 工作面不同推進距離傾向應(yīng)力分布曲線Fig.9 Dip direction stress curves when face at different propulsion distances

3.2.2 工作面走向應(yīng)力演化特征

模擬工作面推進時，分別對069-2 工作面上巷附近和下巷附近沿走向方向的剖面進行分析，如圖10 所示。

圖10 工作面推進136 m 時工作面走向應(yīng)力云圖(單位:MPa)Fig.10 Contours along strike stress after work face advancing to 136 m(unit:MPa)

由圖10 可以看出，069-2 工作面上下巷受上分層069-1、068-1 采空區(qū)的影響，在接近采空區(qū)邊緣都產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖11為工作面不同推進距離時，069-2 工作面前方煤體垂直應(yīng)力變化曲線圖。隨著工作面的推進，工作面前方超前支承壓力的影響越來越明顯，尤其是當(dāng)工作面接近069-1 采空區(qū)時，應(yīng)力產(chǎn)生疊加，下巷在走向方向出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。隨著工作面繼續(xù)向采空區(qū)推進，則應(yīng)力集中程度開始降低。

圖11 工作面不同推進距離時上下巷垂直應(yīng)力曲線Fig.11 Vertical stress curves of upper and lower roadways when face at different propulsion distances

從圖11 中可以看出，應(yīng)力分布情況在工作面推進152 m 時，出現(xiàn)了應(yīng)力最大值，上巷為10 MPa，下巷為14 MPa，下巷圍巖應(yīng)力要明顯高于上巷。

工作面推進后圍巖應(yīng)力演化規(guī)律表明，工作面不同推進時期，上、下巷不同程度都存在高應(yīng)力集中，下巷更為突出，推進過程中由于本工作面超前支承壓力及采場覆巖的影響，本工作面仍然面臨煤巖沖擊的危險。

4 現(xiàn)場實測驗證

工作面正式生產(chǎn)后，以2013年5月14～30日微震監(jiān)測數(shù)據(jù)為例（見圖12）。井田區(qū)域范圍內(nèi)共監(jiān)測到微震事件200 個，其中絕大部分微震事件分布在已采空的069-1 工作面切眼后側(cè)的069-2 工作面下巷附近，其中5月17日下巷距離069-1 采空區(qū)切眼60 m，發(fā)生能量為2.76×106J 的沖擊事件；5月24日距離該切眼49 m，發(fā)生能量為1.61×107J的沖擊事件；5月26日距離該切眼約46 m，發(fā)生能量為8.68×107J 的沖擊事件（雖然“10.17”沖擊地壓使得該段巷道能量得到過釋放，但由于本工作面的推進，工作面超前支承壓力FQ為新增力源）。由平面投影圖得出，微震及沖擊事件定位主要集中在069-2 工作面與上分層069-1 切眼之間的下巷；由剖面圖得出，事件主要集中分布于下分層煤體和底板內(nèi)。表明069-2 工作面不斷向上分層采空區(qū)推進過程中，F(xiàn)M(G，F(xiàn)C，N，F(xiàn)Q，F(xiàn)h)中各種靜載荷源不斷疊加，導(dǎo)致煤層及底板破裂事件產(chǎn)生，同時表明，巨厚巖漿巖頂板沒有破裂事件產(chǎn)生，沒有斷裂，這與地表觀測結(jié)論一致，進一步說明下巷上覆巖漿巖整層頂板沒有破斷，隨著相鄰區(qū)段的不斷采空，069-2 工作面下巷正好處于懸臂頂板的支點處，導(dǎo)致下巷應(yīng)力異常高。

圖12 微震事件分布圖Fig.12 Distribution of microseismic events

由埋設(shè)在該段巷道的應(yīng)力監(jiān)測儀觀測發(fā)現(xiàn)，隨著工作面不斷向上分層采空區(qū)推進，該段巷道應(yīng)力不斷集中（圖13），即FM(G，F(xiàn)C，N，F(xiàn)Q，F(xiàn)h)實測值在不斷增大，達到橙色預(yù)警，進一步說明巨厚巖漿巖頂板提供的是集中靜載荷而不是斷裂后提供集中動載荷，“10.17”沖擊地壓啟動完全可以由靜載荷不斷集中而誘發(fā)，驗證了數(shù)值模擬與理論分析結(jié)論。

5 結(jié) 論

（1）本案例的沖擊啟動原理為工作面斜長較短，導(dǎo)致下巷位于難垮覆巖高位高應(yīng)力區(qū)中。此外，上分層069-1 切眼后側(cè)高支承壓力與該段巷道側(cè)向支承壓力的疊加，而對于新掘巷道，3 種應(yīng)力相互疊加為時間t 的正相關(guān)函數(shù)，而該區(qū)域的煤巖體長期強度則為時間t 的負(fù)相關(guān)函數(shù)，失穩(wěn)時機逐漸成熟，此時匯集的集中靜載荷，不需要工作面采動，仍達到了沖擊啟動條件。

（2）傾斜煤層巷道頂、底板受較高的水平應(yīng)力作用，同時兩幫極限平衡區(qū)受不斷加載的垂直應(yīng)力作用，促使巷道圍巖主作用合力大致與煤層傾向正交，從而揭示了傾斜煤層巷道沖擊方向與煤層傾向方向正交。這一認(rèn)識為傾斜煤層沖擊地壓巷道支護與卸壓實行非對稱性提供新論點。

（3）理論與現(xiàn)場實測結(jié)果表明，煤層之上，直達地表的巖漿巖整體頂板沒有垮斷，為069-2 工作面巷道沖擊地壓啟動提供了壓縮彈性能和彎曲彈性能，該沖擊地壓啟動為集中靜載荷型。

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