深部巷道沖擊地壓動靜載分源防治理論與技術

潘俊鋒，劉少虹，高家明，孫?？?，夏永學，王 琦

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013; 3.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013; 4.淄博礦業(yè)集團有限責任公司，山東 淄博 255000; 5.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

隨著我國煤炭資源大規(guī)模步入深部開采，沖擊地壓發(fā)生的頻度、強度與日俱增。實踐證明，過去淺部開采防治沖擊地壓的思路和方法難以滿足深部開采的條件[1]。探索深部開采條件下沖擊地壓防治理論與方法逐漸成為國內(nèi)外學者及工程技術人員任務。早在1996年，毛仲玉等[2]總結了華豐礦5 a來在沖擊地壓發(fā)生機理、預測預報與防治等方面的研究和應用成果。潘立友等[3]研究了深部礦井構造區(qū)厚煤層沖擊地壓機理;王愛文等[4]采用相似模擬方法研究了斷層作用下深部開采沖擊地壓原理;裴廣文等[5]研究了深部開采過程中構造型沖擊地壓的能量級別預測方法;深部防治方面的文獻主要有，譚云亮等[6]認為深部應變型沖擊地壓應優(yōu)先順序為開采保護層、大直徑鉆孔、斷底和煤層注水;深部堅硬頂板型沖擊地壓應優(yōu)先順序為開采保護層、深孔斷頂爆破、大直徑鉆孔、斷底和煤層注水;深部斷層型沖擊地壓應優(yōu)先順序為開采保護層、大直徑鉆孔和煤層注水。潘俊鋒等[7]針對深部礦井,盤(采)區(qū)巷道群屢次發(fā)生沖擊地壓這一問題,理論分析了巷道群無動載誘發(fā)沖擊啟動的機理，并采用基于集中靜載荷疏導的深孔區(qū)間爆破法開展了沖擊地壓災害防治。為了解決沖擊地壓威脅深部智能開采與防沖人員安全問題，提出了深部沖擊地壓智能防控方法與發(fā)展路徑[8]。劉軍等[9]根據(jù)躍進煤礦沖擊地壓防治，總結了深部沖擊地壓礦井剛?cè)嵋惑w化吸能支護技術。潘一山等[10]研制了具有吸能功能的巷道防沖液壓支架及自移式巷道超前支架，已在部分礦井開展了現(xiàn)場應用。筆者等[11]揭示了我國煤炭深部開采沖擊地壓的特征、類型，開發(fā)了頂板動載荷“鉆-切-壓”一體化技術;煤層一次成孔300 mm超大直徑無人鉆孔技術;巷道底角聯(lián)排樁基阻斷水平應力技術。齊慶新等[12]凝練了深部開采煤巖動力災害防控的關鍵科學技術問題，提出了多尺度分源防控深部煤巖動力災害的思想，確定了深部開采煤巖動力災害防控技術的攻關方向，構建了煤礦深部開采煤巖動力災害多尺度分源防控理論與技術架構。

實際上，深部開采與淺部的區(qū)別，核心在于煤層上覆巖層總厚度的變化，因而帶來一系列差別，研究深部沖擊地壓防治，必須研究采動覆巖結構。誘發(fā)沖擊地壓的動、靜載荷源都與覆巖結構及其運動密切相關。為了探索覆巖結構與沖擊地壓發(fā)生的相關性，姜福興等[13-15]對長壁采場覆巖結構進行了探討，并提出了采場覆巖的“載荷三帶”結構模型。竇林名及其團隊[16-18]對煤礦覆巖空間結構及演化規(guī)律進行了研究，分析了覆巖空間結構OX-F-T等特征。

上述針對深部沖擊地壓防治所做研究，主要以沖擊地壓自身發(fā)生條件或者原理為出發(fā)點，少數(shù)文獻注意到了覆巖結構對沖擊地壓的影響，但仍處于沖擊地壓發(fā)生原理研究階段，從深部采動覆巖結構特征角度開展沖擊地壓防治技術研究文獻鮮有報道。

本文將深部開采覆巖結構特征研究向沖擊地壓防治技術延伸，揭示了深部開采沖擊地壓啟動的2種載荷途徑，提出了深部臨空巷道強沖擊危險區(qū)域的“雙F、大L”力源結構模型，并給出了臨空巷道、采場大L型力源區(qū)域沖擊地壓啟動判據(jù)算法。提出了深部巷道沖擊地壓動、靜載荷源分源防治方法。工程實踐證明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)深部強沖危險工作面安全回采。

1 深部巷道沖擊地壓啟動的2種載荷途徑

煤礦井下采場、巷道形成過程也是圍巖載荷局部化集中的過程，尤其是深部高地壓環(huán)境，載荷局部化進程更快。如圖1所示，巷道開挖后煤層迅速形成塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖區(qū)，在彈塑性時變過程中，巷幫煤體中垂直應力σy、水平應力σx以及原巖應力σ0也逐步形成，沖擊地壓潛在啟動區(qū)處于彈性區(qū)范圍。假設巷道走向無限長，巷道兩幫圍巖結構對稱，從巷道側(cè)向彈性區(qū)取出微單元煤體dx，研究其達到?jīng)_擊啟動條件歷程與路徑。

圖1 巷道幫部應力分區(qū)[19]Fig.1 Stress zoning of roadway rib side[19]

巷道彈性區(qū)微單元dx在三維應力狀態(tài)下發(fā)生動力學沖擊全過程如圖2所示，圖2中，OB階段為巷道開挖，靜載荷局部化集中后，微單元dx所獲得的載荷，為誘發(fā)沖擊啟動的基礎靜載荷，從O點到C點總體為該微單元沖擊啟動孕育階段，也是開采活動產(chǎn)生的動、靜載荷加載至極限階段。對于深部開采條件來說，自B點起，達到?jīng)_擊啟動點C有2種途徑：一種途徑是微單元dx繼續(xù)獲得靜載荷增量，比如臨近掘進巷道或者回采工作面過來造成的靜載荷遷移、疊加;另一種途徑是微單元dx獲得靜載荷沒有變化，而是獲得周邊外界動載荷增量的擾動、加載，常見的是頂板斷裂、爆破震動等。微單元dx通過2種途徑滿足沖擊啟動條件后，沖擊地壓進入發(fā)生歷程，微單元dx在如圖1所示的三維圍巖條件下因強度不足先發(fā)生材料破壞，消耗能量，后又釋放剩余的能量，進入沖擊能量傳遞階段，迫使巷道圍巖結構因穩(wěn)定性不夠發(fā)生結構動力失穩(wěn)，也就是危害圍巖、人身安全的階段，能量衰減殆盡，災害結果形成就是沖擊地壓顯現(xiàn)階段。

圖2 沖擊地壓啟動載荷途徑[19]Fig.2 loading path of rock burst start-up[19]

以上分析可得，誘發(fā)深部沖擊地壓啟動具有兩大途徑：一種是動、靜載荷疊加途徑;另一種是純靜載荷疊加途徑，而對于歷時幾秒鐘的沖擊地壓發(fā)生過程，上述2種途徑主要作用在沖擊啟動條件形成階段，不是后啟動階段。因此深部沖擊地壓發(fā)生條件研究應該重點研究誘發(fā)沖擊啟動的動、靜載荷來源。

2 深部巷道沖擊采動覆巖“雙F、大L”力源結構

圖3 懸空頂板導通形成大 L型力源區(qū)域Fig.3 Large L-shaped force source area of conclucted hanging roof

深部開采煤層上覆巨厚巖層，由于巖性、層厚、上覆載荷等差異，在工作面臨空巷道及本工作面后方沿垂高方向，形成長短不一的F型懸頂結構?；夭晒ぷ髅娉隹诩芭c其連通的臨空巷道超前300 m左右為沖擊地壓頻繁發(fā)生區(qū)域。如圖3所示，建立臨空巷道側(cè)工作面回采邊界條件模型。圖4分別為臨空巷道側(cè)向F型懸臂結構，采場后方F型懸臂結構示意。由于上述2種頂板F型懸臂結構，導致臨空巷道、采場出口連通處形成大L型力源區(qū)域。在工作面距離較遠時，臨空巷道兩幫僅受側(cè)向F型懸臂結構影響，當工作面臨近時，由于本工作面與相鄰工作面采空區(qū)導通，上覆厚硬頂板懸空區(qū)域也導通，因此發(fā)生下沉-彎曲-回轉(zhuǎn)幅度更大，懸而不垮造成加大彎曲彈性能儲存在L區(qū)域，垮斷時又造成較大動載荷作用在L區(qū)域煤巖體。下面分析該L型力源區(qū)域靜、動載荷來源。

如圖5所示，建立回采工作面臨空側(cè)受側(cè)向、本面后方懸頂影響形成的臨空巷道、采場“雙F、大L”力源結構示意。由外國學者阿維爾申[20]的研究可得，臨空巷道、采場大L型力源區(qū)域積聚的靜載彈性能由體變彈性能Uv、形變彈性能Uf和頂板彎曲彈性能Uw三部分組成，即

UJ=Uv+Uf+Uw

(1)

其中，UJ為靜載彈性能;L型力源區(qū)域煤體內(nèi)由于體積壓縮而積聚的彈性能近似計算為

(2)

式中，μ為泊松比;γ為容重，N/m3;H為埋深，m;E為彈性模量。

圖4 臨空巷道側(cè)向F型懸臂結構Fig.4 F-shaped cantilever structure

圖5 臨空巷道、采場“雙F、大L”力源結構Fig.5 Structure of “double-F-large-L” force source in empty roadway and stope

由于形狀改變而積聚的彈性能近似計算為

(3)

其中頂板彎曲彈性能Uw，由于受雙F、多層頂板懸頂影響，近似計算為

Uw=Uwc+Uwh

(4)

(5)

(6)

式中，q為頂板及上覆巖層附加載荷的單位長度載荷，N/m;L為頂板來壓步距，m;L′為頂板懸臂長度;E為頂板巖層彈性模量，Pa;J為頂板端面慣性矩，m4;Uwc為頂板側(cè)向彈性能;Uwh為頂板彈性能后方彈性能。

圖5中，任何一處頂板斷裂彈性能傳遞至煤壁極限平衡區(qū)的能量UD由下式計算:

UD=Ud0R-η

(7)

式中，Ud0為頂板斷裂時釋放的初始能量，可由微震監(jiān)測出;R為頂板斷裂位置與煤壁極限平衡區(qū)的距離，可由微震定位計算得到;η為煤巖介質(zhì)中彈性波傳播時的能量衰減指數(shù)。

由此，根據(jù)沖擊地壓發(fā)生的能量準則條件[21]，臨空巷道、采場“雙F、大L”力源結構區(qū)域，沖擊地壓發(fā)生方程為

UJ+Uc>Uc

(8)

3 深部巷道沖擊地壓動靜載荷分源防治方法

以上以我國深部開采沖擊地壓發(fā)生最為頻繁的回采工作面臨空巷道沖擊載荷條件為例，進行了沖擊地壓動、靜載荷疊加路徑分析。典型的案例諸如我國陜西彬長礦區(qū)，內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)回風巷道沖擊地壓發(fā)生都具有這個特征。另外一些礦井例如義馬礦區(qū)千秋煤礦、躍進煤礦、常村煤礦以及吉林龍家堡煤礦，臨空巷道采用小煤柱沿空掘巷后，沖擊地壓主要顯現(xiàn)在距離采場較近的實體煤側(cè)巷道，其原理是高基礎靜載荷的巷道獲得了本工作面后方F型懸臂結構加載，屬于純靜載荷疊加路徑。

總之，從防治角度來講，促成沖擊啟動的載荷可以是集中靜載荷，也可以是集中動載荷，但是從根本上講，都是系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷必須達到臨界條件。也就是集中動載荷如果參與，那就是幫助系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷達到臨界條件，如果系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷不夠大，來自于系統(tǒng)外的動載荷傳遞到靜載荷集中區(qū)將被消耗，因此難以完成沖擊啟動。因此，目前雖然不能對2種載荷量進行量化評估，但是由采動覆巖“雙F、大L”力源結構分析表明，誘發(fā)臨空巷道沖擊啟動的載荷來源在空間上是確定的，如圖6所示，F(xiàn)型懸頂垮斷提供動載荷源，巷道兩幫存在垂直應力靜載荷，巷道底板高水平應力也屬于靜載荷源。為此，可對誘發(fā)沖擊啟動的動、靜載荷源進行分源處置，如圖7所示，即針對F型頂板懸臂斷裂造成的動載荷源進行爆破預裂;針對巷道兩幫煤體中垂直應力集中進行煤層爆破卸壓;針對巷道底板高水平應力進行底板爆破，阻斷其推動底板作用。

圖6 臨空巷道沖擊載荷源空間分類[11]Fig.6 Spatial classification of impact load sources in roadway[11]

圖7 沖擊載荷源分源防治技術Fig.7 Prevention technology of rock burst with distinguish dynamic and static load source

4 工程實踐

4.1 工程背景

陜西亭南煤礦開采深度700 m左右，主采煤層為4煤，具有強沖擊傾向性，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度15 m，平均傾角3°。煤層直接頂為粗粒砂巖，其厚度為6.46 m，基本頂為厚硬砂巖，平均厚度30.5 m。頂板具有強沖擊傾向性。受埋深、相鄰采空區(qū)及巷道交叉等多因素綜合影響，二盤區(qū)206工作面回采期間發(fā)生41次沖擊地壓，38次發(fā)生在臨空巷道、采場“雙F、大L”力源結構影響區(qū)。緊跟接續(xù)的207工作面為本盤區(qū)第4個回采工作面，工作面走向長2 400 m，傾斜長200 m，上覆巖層活動范圍大，巖層尚未穩(wěn)定，危險性更大，多處兩側(cè)留設的30 m煤柱中又進行了矸石充填掘巷。在工作面尚未安裝時就已經(jīng)發(fā)生了3次沖擊地壓。工作面位置及歷史沖擊地壓顯現(xiàn)情況如圖8所示。

圖8 沖擊地壓顯現(xiàn)位置Fig.8 Location of rockburst

4.2 沖擊地壓動靜載分源防治技術

礦井接續(xù)的207工作面地質(zhì)、開采條件與206類似，但因緊密接續(xù)、煤柱結構復雜等因素，207工作面經(jīng)專家組論證危險性更大。通過對206工作面回采期間沖擊地壓規(guī)律分析，38次沖擊分布在臨空巷道、采場“雙F、大L”力源結構影響區(qū)。為此，筆者承接207工作面回采沖擊地壓防治研究任務后，迅速按照圖8所示技術方案，采取沖擊啟動的動、靜載荷源分源治理。

(1)頂板動載荷交叉扇形深孔爆破消源技術。

針對207工作面回風巷受本工作面及206采空區(qū)覆巖雙F、大L力源結構影響形成強沖擊危險區(qū)域，針對雙F懸頂在回風巷道超前進行頂板傾斜方向、走向方向扇形深孔預裂爆破。頂板深孔預裂爆破的施工區(qū)域需要覆蓋207工作面開切眼向外20 m至終采線向外約40 m范圍。頂板處理高度為煤層以上垂高30 m，頂煤厚度按5.5 m計算，多數(shù)炮孔在垂向的投影均為35.5 m，其中，裝藥段的垂向投影為17 m，封孔段的垂向投影為13 m。巷道超前區(qū)域和沿工作面走向的爆破步距均設定為20 m。走向孔的開孔位置為鉆場位置沿巷道走向向外平移2 m。

(2)煤層靜載荷大直徑鉆孔疏壓技術。

考慮到該煤層瓦斯含量高，回風巷兩幫有瓦斯抽放鉆孔，不能采取爆破，兩幫采用了直徑為150 mm的大直徑鉆孔。鉆孔長度在回采幫為30 m，煤柱幫為24 m，鉆孔間距分別為0.8,0.6 m。鑒于初次卸壓完成后，應力容易恢復。因此，需要采取沖擊地壓應力在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測應力恢復情況。如發(fā)現(xiàn)應力恢復，說明已施工鉆孔已失效，則需要在原鉆孔之間，補打大直徑卸壓孔。

(3)底板水平應力深孔爆破阻斷技術。

鑒于礦井受水平構造應力作用，沖擊表現(xiàn)出底臌問題，在巷道兩底角施工深孔爆破，驅(qū)趕并切斷水平應力傳遞路徑，阻止底板沖擊滑移。鉆孔深度為13 m，傾角為45°。走向間距為3 m，每孔裝藥量為12 kg。

在工作面推進過程中，上述3種技術組合方案嚴格落實，工作面日進尺保證每日不超過4 m。在該方案下，自2017年5月至2019年7月，工作面已安全回采結束，達到預期效果。

5 結 論

(1)分析認為深部開采高地壓環(huán)境，載荷局部化進程快。誘發(fā)深部沖擊地壓啟動具有兩大途徑，一種是動、靜載荷疊加途徑;另一種是純靜載荷疊加途徑，上述2種途徑主要作用在沖擊啟動條件形成階段，不是后啟動階段。因此深部沖擊地壓發(fā)生條件研究應該重點研究誘發(fā)沖擊啟動的動、靜載荷來源。

(2)認為深部工作面L型區(qū)域頻繁發(fā)生沖擊的原理，是在工作面距離較遠時，臨空巷道兩幫僅受側(cè)向F型懸臂結構影響，當工作面臨近時，由于本面與相鄰工作面采空區(qū)導通，上覆厚硬頂板懸空區(qū)域也導通，因此發(fā)生下沉—彎曲—回轉(zhuǎn)幅度更大，懸而不垮造成較多彎曲彈性能儲存在L區(qū)域，垮斷時又造成較大動載荷作用在L區(qū)域煤巖體。提出了深部工作面臨空巷道、采場“雙F、大L”力源結構模型。

(3)采動覆巖“雙F、大L”力源結構分析表明，誘發(fā)臨空巷道沖擊啟動的載荷來源是空間確定的，提出了深部巷道沖擊地壓動、靜載荷源分源防治方法。即針對F型頂板懸臂斷裂造成的動載荷源進行爆破預裂;針對巷道兩幫煤體中垂直應力集中進行煤層爆破卸壓;針對巷道底板高水平應力進行底板爆破，阻斷其推動底板作用。工程實踐證明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)深部強沖危險工作面安全回采。