褶曲構(gòu)造帶臨空巷道圍巖應(yīng)力演化及沖擊地壓防治技術(shù)

劉 暢，張 宇，宋 潔，許日成

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013；4.徐州市檢驗(yàn)檢測中心，江蘇 徐州 221111）

近些年，隨著我國科技水平全面進(jìn)步，煤礦支護(hù)方面也相應(yīng)的進(jìn)行了技術(shù)方面的革新。尤其液壓支架機(jī)械化水平的大幅提升，致使工作面支護(hù)效果進(jìn)一步提高，進(jìn)而工作面回采期間受劇烈動(dòng)載擾動(dòng)影響誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的可能性大幅減小。工作面兩側(cè)回采巷道相對于工作面的支護(hù)強(qiáng)度明顯要弱，因此目前大部分沖擊顯現(xiàn)多集中于巷道內(nèi)，尤其靠近采空區(qū)側(cè)的沿空巷道沖擊顯現(xiàn)更加頻繁[1-2]。相關(guān)文獻(xiàn)表明[3-4]，75%以上的沖擊地壓事故發(fā)生于工作面兩側(cè)巷道內(nèi)，尤其是超前工作面0～80 m 范圍內(nèi)占比極高。特別是當(dāng)工作面在褶曲等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)回采時(shí)，煤巖體動(dòng)力災(zāi)害是研究的難點(diǎn)[5]。可見，針對巷道內(nèi)尤其是超前工作面的巷道段的沖擊地壓防治研究，對于礦井的安全生產(chǎn)意義重大[6-7]。目前巷道沖擊地壓的研究主要從沖擊發(fā)生機(jī)理、卸壓防治及加強(qiáng)支護(hù)等多方面進(jìn)行了相對獨(dú)立、專門的研究[8-11]，很少考慮煤層傾角變化對巷道圍巖應(yīng)力分布特征的影響。

1 工程概況

1.1 采區(qū)地質(zhì)概況

甘肅靖遠(yuǎn)煤業(yè)寶積山礦在開采東翼七采區(qū)時(shí)，由于該采區(qū)所處位置為一向斜褶曲構(gòu)造的翼部區(qū)域，因此采區(qū)內(nèi)不同工作面沿傾向傾角均不同，且相鄰工作面之間沿傾向方向傾角呈現(xiàn)出漸變遞減規(guī)律。當(dāng)七采區(qū)內(nèi)705 綜放工作面回采時(shí)，其相鄰的上部為703 和701 采空區(qū)，下部為實(shí)體煤。采區(qū)內(nèi)目前回采的705 綜放工作面已進(jìn)入深部1 020 m 水平，對應(yīng)地面標(biāo)高在1 614～1 620 m 之間，工作面平均埋深600 m。

705 綜放工作面主采1#煤層，該層煤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且單一，少有夾矸層存在，且煤層均厚為10.78 m。整個(gè)七采區(qū)內(nèi)，隨著煤層向下部開采，煤層傾角趨于減小，傾角變化范圍為6°～48°。七采區(qū)內(nèi)各工作面相對位置關(guān)系剖面如圖1。

圖1 七采區(qū)工作面位置剖面圖Fig.1 The face position profile of the seventh mining area

1.2 沖擊地壓事故概況

705 綜放工作面回采期間，于2018 年7 月18 日在回風(fēng)巷內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的沖擊地壓事故。當(dāng)工作面推進(jìn)至距開切眼46 m 位置時(shí)，于工作面前方45 m 位置處發(fā)生沖擊地壓，破壞波及巷道范圍長達(dá)82 m，“7·18”沖擊事故位置及巷道變形破壞情況如圖2。

圖2“7·18”沖擊地壓事故位置關(guān)系平剖面圖Fig.2 Flat profile of location relation of“7·18”rockburst accident

由圖2 可知：此次沖擊地壓顯現(xiàn)位于工作面沿空巷道超前段范圍內(nèi)，沖擊造成了巷道煤柱幫和底板煤體拋向巷道內(nèi)，造成了多處單體支柱折斷、錨網(wǎng)索支護(hù)失效以及嚴(yán)重底鼓的發(fā)生。

1.3 1#煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性測試結(jié)果

根據(jù)國標(biāo)GB/T 25217.2—2010《煤巖沖擊傾向分類及指數(shù)測定方法》、MT—T174—2000《巖石沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》、GBT 25217.1—2010《頂板巖層沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》，在705 采區(qū)1#煤層采集煤巖樣、加工試樣、開展測試。試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

表1 1#煤層沖擊傾向性測試結(jié)果Table 1 The burst tendency test result of 1#coal seam

表2 1#煤層頂板、底板巖層彎曲能量指數(shù)Table 2 The burst tendency test result of 1#coal seam

沖擊傾向性測試結(jié)果表明：1#煤層具有（Ⅲ類）強(qiáng)沖擊傾向性，頂板具有（II 類）弱沖擊傾向性，底板具有（II 類）弱沖擊傾向性。

2 褶曲構(gòu)造帶應(yīng)力特征及沖擊發(fā)生機(jī)理

2.1 褶曲構(gòu)造應(yīng)力特征

煤礦沖擊地壓與所處煤層地應(yīng)力直接相關(guān)。褶曲構(gòu)造通常是應(yīng)力集中的區(qū)域。褶曲構(gòu)造從發(fā)生、發(fā)展到形成，是1 個(gè)隨時(shí)間逐漸演變的非穩(wěn)定構(gòu)造應(yīng)力場。通過數(shù)值模擬對水平加載作用下褶皺形成過程中最大水平應(yīng)力和變形演化規(guī)律進(jìn)行探討，并在此基礎(chǔ)上探討工作面開采導(dǎo)致的局部應(yīng)力場變化特征。根據(jù)煤巖樣力學(xué)性能測試結(jié)果，數(shù)值模型計(jì)算中所用的煤巖樣物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 模型巖性力學(xué)特性參數(shù)Table 3 Parameters of lithological and mechanical properties of the model

多層褶皺形成過程中最大水平應(yīng)力隨水平應(yīng)變的變化如圖3，加載作用下褶皺中最大水平應(yīng)力分布如圖4。由圖3、圖4 可以看出：褶皺出現(xiàn)之前，巖層中的最大水平應(yīng)力與水平應(yīng)變近似成線性關(guān)系，上升幅度小；當(dāng)褶皺出現(xiàn)后，最大水平應(yīng)力隨水平應(yīng)變呈非線性急劇增長。褶曲構(gòu)造帶應(yīng)力集中程度高是導(dǎo)致沖擊發(fā)生的內(nèi)因。

圖3 多層褶皺形成過程中最大水平應(yīng)力隨水平應(yīng)變的變化Fig.3 Variation of maximum horizontal stress with horizontal strain during the formation of multilayer folds

圖4 加載作用下褶皺中最大水平應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of maximum horizontal stress in folds under loading

2.2 臨空巷道圍巖應(yīng)力隨煤層傾角變化規(guī)律

褶曲的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致煤層存在傾角。傾角的不同還會(huì)引起的集中應(yīng)力的變化。采空區(qū)頂板沿傾斜方向按彈性地基梁理論建立的力學(xué)模型如圖5，基于圖5 分析作用在采空區(qū)兩側(cè)煤體上的應(yīng)力集中。

圖5 沿煤層傾斜方向側(cè)向支承壓力簡化模型Fig.5 Simplified model of lateral abutment pressure along inclined direction of coal seam

基于Winkler 彈性地基假定[12-13]可知：

式中：q 為作用在頂板上的垂向應(yīng)力，kN；y 為頂板垂向位移量，m；k 為彈性地基墊層系數(shù)，MPa。

由于采空區(qū)上方基本頂沿傾向方向呈對稱性，因此以采空區(qū)中部為對稱軸，取其一半進(jìn)行受力分析。參照Timoshenko 解，可以得到基本頂彎曲變形微分方程為：

式中：E 為彈性模量，GPa；I 為基本頂橫截面的慣性矩，m4；N 為軸向力，MN；p 為基本頂上方均布載荷，MPa。

基本頂?shù)拇瓜蛭灰屏勘磉_(dá)式：

式中：M0為邊界處彎矩，MN·m；Q0為邊界處剪力，MN；s、r、α、β 為計(jì)算過程中的中間參量，其中：s=N/EI，r2=k/EI，α＝（r/2-s/4）1/2，β＝（r/2+s/4）1/2；x 為距離原點(diǎn)坐標(biāo)距離，m。

由式（1）可知兩側(cè)支撐煤體所受垂向壓應(yīng)力與垂向位移量呈線性關(guān)系，比例系數(shù)為-k。因此可用垂向位移量的變化規(guī)律來反應(yīng)基本頂對兩側(cè)支撐煤體垂向壓應(yīng)力作用情況。由式（3）可知垂向位移量與煤層傾角之間存在一定關(guān)系，分析可知：對于處于下側(cè)的支撐煤層，隨著煤層傾角減小，平行于頂板的軸向力N 增大，導(dǎo)致α 減小、β 增大，即引起衰減的因素e-αx作用減弱，而引起波動(dòng)的因子β 增大，因此，處于下側(cè)煤體支承壓力增大；而對于處于上側(cè)煤體，支承壓力隨傾角的變化規(guī)律剛好與之相反。這表明，隨著煤層傾角的減小，采空區(qū)下側(cè)煤體受到的殘余支承壓力逐步增大，將會(huì)對下側(cè)接續(xù)工作面的采掘工作造成較大的影響。

3 臨空巷道應(yīng)力隨煤層傾角變化數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型和方案

在理論分析的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬進(jìn)一步探討受煤層傾角影響下相鄰工作面回采過程中應(yīng)力場空間演化規(guī)律。模型尺寸沿煤層走向長240 m，傾向長230 m，模型高度在煤層傾角為0°、15°、30°、45°時(shí)分別對應(yīng)為80、130、186、235 m，采用FLAC3D軟件建立的三維計(jì)算模型如圖6。

圖6 數(shù)值模型Fig.6 Numerical model

3.2 回采工作面應(yīng)力分布特征

以703 和705 兩相鄰綜放工作面為對象進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬研究了703 綜放工作面回采結(jié)束后，不同煤層傾角條件下705 綜放工作面回采期間的垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖7。

圖7 不同傾角煤層回采期間應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress distribution cloud diagrams of coal seam with different dip angles during mining

由圖7 可知：當(dāng)705 綜放工作面回采時(shí)，受703采空區(qū)殘余支承應(yīng)力以及705 工作面超前支承應(yīng)力的疊加影響，容易在工作面上側(cè)端頭位置處形成“L”形應(yīng)力集中區(qū)；當(dāng)煤層傾角較大時(shí)（α=45°），工作面上端頭“L”形應(yīng)力集中不明顯，此時(shí)沿空側(cè)回采巷道超前段圍巖應(yīng)力環(huán)境較好，不存在較高的集中靜載荷；當(dāng)煤層傾角減小時(shí)（α=30°），工作面上端頭開始出現(xiàn)“L”形應(yīng)力集中區(qū)，且護(hù)巷煤柱內(nèi)也出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中區(qū)，這說明煤層傾角減小時(shí)，鄰近703 采空區(qū)對于705綜放工作面造成的殘余側(cè)向支承應(yīng)力進(jìn)一步增大；隨著煤層傾角進(jìn)一步減小時(shí)（α=15°和0°），工作面上端頭位置處“L”形應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增大，煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度也同步增大，甚至在煤層傾角為0°時(shí)煤柱體因承載極高的靜載荷而出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，此時(shí)上端頭位置處的應(yīng)力集中程度極高，峰值應(yīng)力高達(dá)136.59 MPa，極易受采動(dòng)影響而發(fā)生沖擊地壓。

總體可知，隨著煤層傾角從45°減小趨于0°，705 工作面受到鄰近703 采空區(qū)殘余側(cè)向支承應(yīng)力影響程度逐步增加，造成了工作面上端頭位置處“L”形應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)峰值應(yīng)力由57.53 MPa 增至136.59 MPa，增幅高達(dá)137.4%。數(shù)值模擬結(jié)果與前述理論分析較一致，即隨著煤層傾角減小，采空區(qū)下側(cè)煤體受到的殘余支承壓力逐步增大，接續(xù)工作面回采期間發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的可能性也進(jìn)一步增加。

4 卸壓與支護(hù)協(xié)同控制技術(shù)

不同煤層傾角條件下回風(fēng)平巷圍巖控制應(yīng)采取不同的方法，隨著煤層傾角減小，卸壓重點(diǎn)區(qū)域也要由煤柱側(cè)向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，且支護(hù)方案也要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。以705 工作面回采期間為例，705 工作面回風(fēng)平巷附近煤層傾角32°，由應(yīng)力場演化規(guī)律分析可知，此時(shí)煤柱側(cè)應(yīng)力峰值高于實(shí)體煤側(cè)，且煤柱寬度12 m 承載能力較小，根據(jù)式（1）可知煤柱側(cè)更容易在動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)下發(fā)生劇烈變形破壞[14-16]。

4.1 卸壓技術(shù)

“7·18”沖擊事故發(fā)生后，在后續(xù)回采過程中對回風(fēng)平巷超前工作面煤柱側(cè)實(shí)施大直徑鉆孔卸壓，對實(shí)體煤側(cè)實(shí)施大直徑鉆孔聯(lián)合注水卸壓，以消除回風(fēng)平巷圍巖中積聚的高集中靜載，進(jìn)而弱化動(dòng)靜載疊加對巷道圍巖的擾動(dòng)作用，705 回風(fēng)平巷超前段卸壓方案如圖8。

圖8 705 回風(fēng)平巷超前段卸壓方案Fig.8 Pressure relief scheme for leading section of 705 return air drift

根據(jù)模擬結(jié)果確定上端頭超前工作面4～12 m的實(shí)體煤側(cè)和3～10 m 的煤柱側(cè)為重點(diǎn)卸壓區(qū)域，卸壓孔采用直徑為108 mm 的大直徑鉆孔，考慮到卸壓孔影響半徑和現(xiàn)場采煤進(jìn)度，孔間距定為2 m，布置角度為順層布置?？紤]到大直徑鉆孔卸壓會(huì)使集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，而工作面上部9～23 m 范圍內(nèi)頂板活動(dòng)劇烈，因此在實(shí)體煤側(cè)10～30 m 深度范圍內(nèi)進(jìn)行高壓注水對煤體進(jìn)行軟化?，F(xiàn)場在孔間距8 m 的情況下兩注水孔之間偶爾有輕微串水現(xiàn)象，暫時(shí)確定注水孔間距為10 m，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際封孔器選用情況確定注水孔直徑為75 mm，注水孔同樣順層布置。保證超前工作面50 m 范圍內(nèi)進(jìn)行卸壓。

4.2 支護(hù)參數(shù)

705 綜放工作面沿空側(cè)回風(fēng)平巷凈斷面尺寸為寬×高=3.8 m×3.5 m，且留設(shè)有12 m 的區(qū)段保護(hù)煤柱。當(dāng)對巷道兩幫進(jìn)行卸壓措施時(shí)，為了防止過度卸壓造成的兩幫失穩(wěn)，在原有支護(hù)基礎(chǔ)上對巷道兩幫進(jìn)行了錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，最終形成的回風(fēng)平巷超前段支護(hù)方案如圖9。

圖9 錨網(wǎng)索噴聯(lián)合修復(fù)支護(hù)方案Fig.9 Rehabilitation and support scheme of bolt, mesh, cable and shotcrete

5 現(xiàn)場應(yīng)用

電磁輻射信號與煤體應(yīng)力狀態(tài)呈正相關(guān)，煤體中應(yīng)力越高，電磁輻射信號也就越強(qiáng)[10]。因此使用電磁輻射儀器（KBD5 型）對工作面推進(jìn)至一次見方期間回風(fēng)平巷超前工作面進(jìn)行煤層沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測。當(dāng)工作面推進(jìn)至一次見方位置時(shí)，在回風(fēng)平巷內(nèi)超前工作面100 m 的范圍內(nèi)布置測點(diǎn)對實(shí)體煤側(cè)和煤柱側(cè)進(jìn)行監(jiān)測。電磁輻射強(qiáng)度值監(jiān)測結(jié)果如圖10。

圖10 電磁輻射監(jiān)測結(jié)果Fig.10 Monitoring results of electromagnetic radiation

由圖10 可知：705 綜放工作面沿空側(cè)巷道超前段0～50 m 卸壓范圍內(nèi)，實(shí)體煤幫電磁輻射值整體水平大于煤柱幫電磁輻射值；且在超前卸壓0～20 m范圍內(nèi)，實(shí)體煤幫電磁輻射平均值為30.3 mV，煤柱幫電磁輻射平均值為19.5 mV；在超前卸壓20～50 m 范圍內(nèi)，實(shí)體煤幫電磁輻射平均值為17.5 mV，煤柱幫電磁輻射平均值為8.2 mV；平均值均小于電磁輻射臨界強(qiáng)度值42 mV，說明705 綜放工作面沿空側(cè)巷道超前段0～50 m 范圍內(nèi)卸壓充分，不易積聚高集中靜載而誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)；而對于705 綜放工作面沿空側(cè)巷道超前段50～100 m 未卸壓范圍內(nèi)，煤柱幫電磁輻射值整體水平高于實(shí)體煤幫的，此時(shí)煤柱幫電磁輻射平均值為34.6 mV，實(shí)體煤幫電磁輻射平均值為24.8 mV；說明此范圍內(nèi)煤柱幫應(yīng)力集中程度較高，當(dāng)后續(xù)因705 綜放工作面回采而受到其超前支承應(yīng)力疊加影響時(shí)，由于煤柱體本身承載能力較弱，極易在較高的集中靜載以及回采擾動(dòng)作用下失穩(wěn)沖擊破壞。因此有必要提前做好卸壓、修復(fù)加固等防護(hù)措施，以保障后續(xù)705 綜放工作面的安全高效開采。

6 結(jié) 語

1）褶皺出現(xiàn)會(huì)引起集中應(yīng)力急劇增長。褶曲構(gòu)造帶附近應(yīng)力集中情況增加是引起沖擊的內(nèi)因。

2）隨著煤層傾角減小，處于采空區(qū)下側(cè)煤體支承壓力增大。而處于采空區(qū)上側(cè)煤體，支承壓力隨傾角的變化規(guī)律剛好相反。

3）隨著煤層傾角減小，工作面上端頭處“L”形區(qū)應(yīng)力集中急劇增大，煤柱內(nèi)峰值應(yīng)力相較于“L”形區(qū)內(nèi)峰值應(yīng)力增幅較小。“L”形區(qū)峰值應(yīng)力在傾角小于15°時(shí)開始大于煤柱側(cè)，說明隨著煤層傾角減小，高集中靜載從煤柱側(cè)向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移。相比于相鄰703 工作面，705 工作面煤層傾角減小，煤層中集中增大幅度更高。

4）對705 回風(fēng)巷超前段0～50 m 范圍內(nèi)實(shí)體煤幫實(shí)施大直徑鉆孔聯(lián)合高壓注水卸壓，煤柱幫實(shí)施大直徑鉆孔卸壓，并同時(shí)加強(qiáng)支護(hù)協(xié)同作用防治沖擊地壓，電磁輻射監(jiān)測及現(xiàn)場觀測結(jié)果表明卸壓效果明顯，一次見方期間未出現(xiàn)明顯的礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)。