褶曲向斜構(gòu)造區(qū)巷道底板失穩(wěn)沖擊機理與防治技術(shù)研究

陳永平 劉 鵬 陳錫慶 高元宏

(1. 青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海省西寧市，810028；2. 青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海省西寧市，810008)

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褶曲向斜構(gòu)造區(qū)巷道底板失穩(wěn)沖擊機理與防治技術(shù)研究

陳永平1劉 鵬1陳錫慶2高元宏1

(1. 青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海省西寧市，810028；2. 青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海省西寧市，810008)

針對余吾礦N2105工作面回采至褶曲向斜構(gòu)造區(qū)時，超前工作面煤壁一定范圍內(nèi)的進(jìn)風(fēng)平巷內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓變形破壞，發(fā)生了兩次底板沖擊地壓事故，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、微震監(jiān)測、井下試驗等方法觀測礦壓，對向斜構(gòu)造區(qū)底板失穩(wěn)破壞機制與控制對策進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：褶曲向斜構(gòu)造區(qū)側(cè)壓系數(shù)λ在1.56～2.18之間，屬于強構(gòu)造應(yīng)力區(qū)；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ大于1.5后，巷道底板塑性破壞區(qū)范圍急劇增加，底板煤巖體穩(wěn)定性惡化；巷幫大孔徑卸壓能夠有效減小動靜載組合疊加強度，釋放巷道淺部圍巖應(yīng)力集中，對頂?shù)装遄冃纹茐挠泻芎玫姆乐巫饔谩?/p>

向斜構(gòu)造 底板沖擊 數(shù)值模擬 大孔徑卸壓 礦壓觀測

隨著國內(nèi)煤礦開采深度的增加，開采過程中遇到的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等因素會造成巷道嚴(yán)重的底鼓破壞，甚至造成底板沖擊地壓事故的發(fā)生。針對受水平構(gòu)造應(yīng)力影響嚴(yán)重的巷道，由于其底板受力狀態(tài)復(fù)雜多變，僅僅依靠加固底板淺部圍巖的方法已不能有效控制巷道底鼓及底板沖擊的發(fā)生。因此，研究底鼓和底板沖擊發(fā)生的機理對我國煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

本文以余吾礦N2105工作面具體地質(zhì)條件為背景，基于理論分析和數(shù)值模擬研究，結(jié)合微震系統(tǒng)實時監(jiān)測，提出在加固底板的基礎(chǔ)上采用大直徑鉆孔對巷幫煤體卸壓，進(jìn)而實現(xiàn)對底板的有效控制。

1 工作面概況

N2105工作面為北風(fēng)井東翼采區(qū)首采工作面，工作面地面標(biāo)高1002～1027 m，井下標(biāo)高430～495 m，工作面平均埋深為490 m。N2105工作面進(jìn)風(fēng)平巷在里程1600～2000 m處位于褶曲構(gòu)造區(qū)。

N2105工作面回采過程中，當(dāng)工作面回采至褶曲構(gòu)造區(qū)時，超前工作面煤壁進(jìn)風(fēng)平巷底板多處發(fā)生底鼓現(xiàn)象，并發(fā)生了2次嚴(yán)重的巷道底板沖擊地壓事故。事故發(fā)生后，對北風(fēng)井東翼采區(qū)煤巖樣進(jìn)行了沖擊傾向性鑒定。測試結(jié)果顯示，3號煤層的動態(tài)破壞時間為129.4 ms，彈性能量指數(shù)為4.259，沖擊能量指數(shù)為4.48，單軸抗壓強度為27.118 MPa；頂板抗拉強度為3.459 MPa，彈性模量為6.508 GPa，覆巖載荷為0.0261 MPa，彎曲能量指數(shù)為65.632，表明3號煤層及其頂板均具有II類弱沖擊傾向性。

2 褶曲構(gòu)造區(qū)底板沖擊破壞機理

2.1 底板破壞概況

N2105工作面回采至褶曲構(gòu)造區(qū)時，進(jìn)風(fēng)平巷底板出現(xiàn)多處底鼓變形，使得原本經(jīng)水泥硬化處理過的巷道底板破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重的地方甚至發(fā)生底板沖擊地壓，造成底板煤巖體瞬間向巷道空間內(nèi)彈出，如圖1所示。同時，布置于進(jìn)風(fēng)平巷中的瓦斯抽放等管路受到底板變形破壞影響，會造成管路的破損和泄露，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生，對礦井安全生產(chǎn)和人員的安全作業(yè)造成嚴(yán)重威脅。

N2105進(jìn)風(fēng)平巷兩次底板沖擊地壓事故發(fā)生位置及破壞影響范圍如圖2所示。由圖2(a)可知，第一次底板沖擊地壓發(fā)生時，工作面大致推進(jìn)至里程1700 m處，沖擊顯現(xiàn)范圍從超前工作面煤壁95 m處開始，在進(jìn)風(fēng)平巷里程1800～2000 m范圍內(nèi)多處發(fā)生了嚴(yán)重的底鼓破壞。由圖2(b)可知，第二次底板沖擊地壓發(fā)生時，工作面大致推進(jìn)至里程1450 m處，沖擊顯現(xiàn)范圍從超前工作面煤壁222.5 m處開始，在進(jìn)風(fēng)平巷里程1700～1800 m范圍內(nèi)多處發(fā)生了嚴(yán)重的底鼓破壞。

圖1 N2105進(jìn)風(fēng)平巷底板破壞

圖2 兩次底板沖擊顯現(xiàn)位置平面圖

兩次嚴(yán)重的巷道底板沖擊地壓發(fā)生后，通過對N2105工作面地質(zhì)狀況進(jìn)行分析，得知有一向斜構(gòu)造沿著SE-NW方向從N2105工作面穿過，兩次底板沖擊位置剛好坐落于該褶曲向斜構(gòu)造的兩側(cè)，褶曲構(gòu)造所產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力對N2105工作面進(jìn)風(fēng)平巷底板擠壓作用明顯。通過對回風(fēng)平巷褶曲構(gòu)造區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測量，可知水平構(gòu)造應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值λ(側(cè)壓系數(shù))最小為1.56，最大為2.18，地應(yīng)力測試結(jié)果表明褶曲構(gòu)造區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，其值大于該礦區(qū)以往所測其他采區(qū)側(cè)壓系數(shù)平均值，為強構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)。

2.2 底板沖擊破壞機理

N2105工作面進(jìn)風(fēng)平巷底板破壞力學(xué)模型如圖3所示。根據(jù)太沙基理論，巷道底板在水平構(gòu)造應(yīng)力σx和兩幫集中應(yīng)力σy的共同作用下，超過了底板煤巖體的極限承載能力，煤巖體由彈性應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)力狀態(tài)，底板煤巖體剪切破壞沿著連續(xù)滑動面從底板向巷道內(nèi)擠出，當(dāng)擠出力度大于底板表面水泥的抗壓強度時，巷道底板產(chǎn)生底鼓變形。N2105工作面采動致使頂板周期性破斷造成積聚在頂板巖層中的彈性應(yīng)變能以震動應(yīng)力波的形式向周圍空間釋放，產(chǎn)生的動力擾動動載荷σd，與巷幫煤體中的高集中靜載荷σy組合疊加，會瞬間打破巷道底板原有的受力平衡，導(dǎo)致底板煤巖體瞬間破壞，大塊煤巖體被彈起，進(jìn)而造成底板沖擊地壓事故。

圖3 底板沖擊破壞力學(xué)模型

由圖3可知，水平構(gòu)造應(yīng)力σx和兩幫垂直應(yīng)力σy矢量疊加滿足下式：

≥Ubmin

(1)

式中：σx——水平構(gòu)造應(yīng)力，MPa；

σy——兩幫垂直應(yīng)力，MPa；

Ubmin——底板發(fā)生沖擊地壓時消耗的最小能量，MPa。

在埋藏深度一定的情況下，水平構(gòu)造應(yīng)力σx的大小直接影響著動靜載荷組合疊加總能量的大小，且水平構(gòu)造應(yīng)力對底板的擠壓力使得底板進(jìn)一步失穩(wěn)破壞，從而使得底板沖擊更容易發(fā)生。

2.3 數(shù)值模擬

以N2105工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，運用FLAC2D數(shù)值模擬軟件，建立巷道的二維平面應(yīng)變有限元模型，選用摩爾-庫倫模型計算。模型尺寸為100m×60m，模型底面固定約束，側(cè)面水平約束，頂部距地表450m，故在模型上部施加11.25MPa的均布載荷模擬上覆巖層的重量。N2105進(jìn)風(fēng)平巷為半拱形巷道，巷道尺寸為4.5m×3.8m，煤巖力學(xué)參數(shù)根據(jù)實驗室測定結(jié)果確定見表1。

表1 巷道圍巖的力學(xué)特性參數(shù)

運用FLAC2D軟件分別模擬了不同水平構(gòu)造應(yīng)力條件下進(jìn)風(fēng)平巷底板煤巖體塑性區(qū)的演化特征，側(cè)壓系數(shù)分別取值為0.5、1.0、1.5、2.0和2.5時的模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4中5種不同的側(cè)壓系數(shù)條件下底板塑性區(qū)變化情況可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道底板塑性區(qū)深度范圍不斷擴大，同時塑性區(qū)范圍向底板兩底角方向延伸擴大，從而使得巷道底板穩(wěn)定性急劇下降。

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)時底板塑性區(qū)

側(cè)壓系數(shù)與底板塑性區(qū)深度之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，存在一突變點，即λ=1.5處。當(dāng)λ>1.5后，巷道底板塑性區(qū)范圍隨著側(cè)壓系數(shù)的增加急劇擴大，底板圍巖穩(wěn)定性急劇惡化，極易受到N2105工作面回采擾動影響而誘發(fā)嚴(yán)重的底板沖擊地壓事故。

圖5 側(cè)壓系數(shù)與底板塑性區(qū)深度關(guān)系

3 微震監(jiān)測與卸壓防治

N2105工作面進(jìn)風(fēng)平巷底板發(fā)生的兩次沖擊地壓事故對礦井的安全高效生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的阻礙，造成了巨額的經(jīng)濟損失。為了有效防治該類沖擊災(zāi)害的再次發(fā)生，礦方聯(lián)合科研單位對N2105工作面裝備了沖擊地壓監(jiān)測設(shè)備，旨在通過微震科學(xué)技術(shù)手段實時監(jiān)測，揭示巷道底板沖擊發(fā)生機制，實現(xiàn)危險性預(yù)評價和判定危險區(qū)域，從而實現(xiàn)提前解危和保障安全生產(chǎn)的目的。

3.1 微震監(jiān)測

微震監(jiān)測系統(tǒng)是一種區(qū)域性、實時的監(jiān)測手段。利用微震監(jiān)測系統(tǒng)對N2105工作面微震事件進(jìn)行實時監(jiān)測、定位、統(tǒng)計、分析，揭示巷道底板沖擊發(fā)生機制，實現(xiàn)工作面沖擊危險區(qū)的提前預(yù)測和判定，進(jìn)而提前做好防沖卸壓措施，實現(xiàn)防止沖擊地壓發(fā)生的目的。

N2105工作面微震系統(tǒng)共有8個監(jiān)測探頭，分布在頂板、巷幫和底板位置。通過對N2105工作面回采期間微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)采集分析，形成微震事件分布圖。安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)后，一定時間內(nèi)監(jiān)測到的能量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著工作面遠(yuǎn)離褶曲向斜軸中部，震動頻次和能量均呈現(xiàn)出下降趨勢，說明隨著遠(yuǎn)離褶曲向斜軸中部，側(cè)壓系數(shù)減小，巷道底板巖體穩(wěn)定性增強，這與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

3.2 卸壓防治方案

為了防止巷道底板沖擊地壓事故的再次發(fā)生，在N2105工作面后續(xù)回采過程中，在工作面煤壁后方250m和前方100m的進(jìn)風(fēng)平巷幫部實施大直徑卸壓鉆孔，孔徑為113m，同時在工作面煤壁前方100m的回風(fēng)平巷幫部施工大直徑卸壓鉆孔，提供壓力釋放空間。大孔徑卸壓孔布置方案如圖7所示。實施卸壓鉆孔后，能夠減弱巷道兩幫向下的高集中靜載荷σy的大小，根據(jù)式(1)可知，能夠有效地降低動靜載組合疊加對底板的沖擊破壞。

圖6 距向斜軸不同距離微震監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 大孔徑卸壓孔布置方案圖

根據(jù)N2105工作面地質(zhì)條件建立的巷道3D模型，通過對比巷道實施大孔徑卸壓鉆孔前后巷道淺部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)如圖8所示。由圖8可以看出，卸壓前巷道頂?shù)装鍛?yīng)力集中明顯，最大應(yīng)力高于19.9MPa，極易在回采動力擾動作用下發(fā)生底板沖擊地壓；卸壓后巷道頂?shù)装鍛?yīng)力集中明顯消除，使得巷道圍巖處于較穩(wěn)定狀態(tài)，不易發(fā)生巷道底板沖擊地壓。

礦方實施大直徑鉆孔卸壓以來，在進(jìn)風(fēng)平巷中布置了6個測點(KD1、KD2、KD3、KD4、KD5和KD6)對頂?shù)装遄冃瘟窟M(jìn)行監(jiān)測，測點間距為20m，總共監(jiān)測范圍長100m，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖8 卸壓前后巷道淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)

圖9 頂?shù)装逡平课灰魄€

由圖9可以看出，巷道頂?shù)装遄冃瘟吭趯嵤┿@孔卸壓措施后，底鼓量明顯減小，最大底鼓量不超過90mm。說明回采工作面兩側(cè)巷道幫部煤體所處應(yīng)力環(huán)境良好，應(yīng)力集中得到很好的轉(zhuǎn)移，對底鼓的發(fā)生有很好的防治作用。

4 結(jié)論

(1)N2105工作面進(jìn)風(fēng)平巷所處褶曲構(gòu)造區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值λ(側(cè)壓系數(shù))最小為1.56，最大為2.18，為強構(gòu)造應(yīng)力場。水平構(gòu)造應(yīng)力大小直接影響著動靜載荷組合疊加總能量的大小，且水平構(gòu)造應(yīng)力對底板的擠壓力使得底板進(jìn)一步失穩(wěn)破壞，從而使得底板沖擊更容易發(fā)生。

(2)隨著側(cè)壓系數(shù)λ值的增大，存在一突變點，突變點后巷道底板塑性區(qū)范圍隨著側(cè)壓系數(shù)λ值的增加急劇擴大，底板穩(wěn)定性急劇惡化，極易發(fā)生底板沖擊地壓。

(3)大直徑鉆孔應(yīng)力轉(zhuǎn)移及卸壓效果良好，卸壓后，底鼓量明顯減小，頂?shù)装遄畲笠平坎怀^90mm，底板控制效果良好。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Study on the destabilizing rock burst mechanism and prevention technology of roadway floor at fold syncline structure area

Chen Yongping1, Liu Peng1, Chen Xiqing2, Gao Yuanhong1

(1. Qinghai Institute of Geology and Mineral Resources, Xining, Qinghai 810028, China; 2. Qinghai Institute of Hydrogeology and Geology Engineering Geological and Environmental Geological Survey, Xining, Qinghai 810008, China)

Aiming at serious floor deformation failure, even two floor rock burst accidents, occurred at the wind drift ahead of N2105 work face of Yuwu Mine when mining at fold syncline area, using field investigation, theoretical analysis, numerical simulation, Micro-seismic monitoring, underground experiment to observe the mine pressure and study the floor failure mechanism and control measures at syncline area. The results showed that when the lateral pressure coefficient of fold syncline structure area was between 1.56 and 2.18, it belonged to strong structural stress area; when the lateral pressure coefficient was greater than 1.5, the range of roadway floor plastic damage area increased rapidly, the stability of coal rock mass floor was deteriorating; large-diameter borehole pressure releasing could effectively reduce the superposition load combination strength and release the stress concentration at shallow tunnel surrounding rock which had favorable control effect on the roof and floor deformation.

syncline structure, floor rock burst, numerical simulation, large-diameter borehole pressure relief, mining pressure observation

青海省國土資源廳項目(青地調(diào)勘2013-238，青地調(diào)勘2014-426)

陳永平，劉鵬，陳錫慶等. 褶曲向斜構(gòu)造區(qū)巷道底板失穩(wěn)沖擊機理與防治技術(shù)研究 [J]. 中國煤炭，2017，43(6)：76-80.ChenYongping,LiuPeng,ChenXiqingetal.Studyonthedestabilizingrockburstmechanismandpreventiontechnologyofroadwayflooratfoldsynclinestructurearea[J].ChinaCoal，2017,43(6)：76-80.

TD

A

陳永平(1976-)，男，青?；∪?，探礦工程師，主要研究方向為地質(zhì)鉆探施工技術(shù)、隧道工程、礦山控制爆破。