深井巷道底板動(dòng)靜載耦合誘發(fā)沖擊礦壓機(jī)理及控制研究

張克偉 李恩忠

(1.棗莊礦業(yè)付村煤業(yè)有限公司，山東省濟(jì)寧市，277000；2.山東科技大學(xué)，山東省青島市，266590)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度逐年增加，沖擊礦壓顯現(xiàn)次數(shù)與危害程度也相應(yīng)增加，造成了大量設(shè)備損壞、巷道破壞和人員傷亡。此類(lèi)事故的發(fā)生區(qū)域?yàn)榫嚯x震源位置較近的臨空區(qū)，主要表現(xiàn)形式為底鼓，沖擊礦壓顯現(xiàn)均伴隨大能量的強(qiáng)礦震事件。

相關(guān)研究表明，此類(lèi)底板沖擊礦壓發(fā)生的主要因素為煤巖體自重應(yīng)力與高水平應(yīng)力共同作用造成局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致整個(gè)煤巖系統(tǒng)失穩(wěn)與破壞。

目前，針對(duì)動(dòng)靜載耦合作用下底板沖擊礦壓誘發(fā)機(jī)理的研究相對(duì)較少。本文結(jié)合彈性力學(xué)與應(yīng)力波傳播相關(guān)理論，對(duì)動(dòng)靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓條件進(jìn)行理論推導(dǎo)，利用數(shù)值模擬方法研究不同側(cè)壓系數(shù)條件下動(dòng)靜載組合作用對(duì)底板應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)的影響規(guī)律，最后利用SOS微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，并提出相應(yīng)控制措施，為動(dòng)靜載組合作用下深井巷道底板沖擊礦壓顯現(xiàn)提供一定理論指導(dǎo)。

1 動(dòng)靜載組合作用誘發(fā)沖擊礦壓力學(xué)條件

由于煤巷埋深較大，可以簡(jiǎn)化成圓形隧道的彈性力學(xué)問(wèn)題。假設(shè)巷道圍巖均質(zhì)，各向同性，為彈性介質(zhì)。根據(jù)彈性力學(xué)理論可知，圓形巷道圍巖任意一點(diǎn)的靜應(yīng)力為：

(1)

式中：σr——底板徑向應(yīng)力，MPa；

σθ——底板切向應(yīng)力，MPa；

q——垂直應(yīng)力，MPa；

λ——側(cè)壓系數(shù)；

a——巷道半徑，m；

r——圍巖任意一點(diǎn)距巷道中心距離，m；

θ——極角，(°)。

假設(shè)應(yīng)力波沿著巷道徑向方向傳播，應(yīng)力波產(chǎn)生動(dòng)載主要為p波(橫波)，故不考慮s波(縱波)。故可得巷道底板p波產(chǎn)生動(dòng)載的計(jì)算公式為：

σd=ρvP(vpp)Pe-ηd

(2)

式中：σd——底板動(dòng)載，MPa；

ρ——煤巖體密度，kg/m3；

vp——p波傳播速度，m/s2；

(vpp)p——p波造成煤巖體震動(dòng)速度，m/s2；

η——衰減系數(shù)；

d——應(yīng)力波傳播距離，m。

由式(1)和式(2)可知，底板所受水平應(yīng)力σ為底板切向應(yīng)力σθ和動(dòng)載σd之和，且動(dòng)靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓時(shí)σ往往大于底板破壞的臨界應(yīng)力。

由庫(kù)倫—摩爾準(zhǔn)則可知，動(dòng)靜載組合作用下發(fā)生底板沖擊礦壓的力學(xué)條件為：

(3)

式中：φ——底板巖層內(nèi)摩擦角，(°)；

σc——底板單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

由式(3)可知，動(dòng)靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓的靜載參數(shù)包括底板徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、煤巖體力學(xué)性質(zhì)(密度、單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角)；動(dòng)載參數(shù)包括p波傳播速度、震動(dòng)速度、衰減系數(shù)、震動(dòng)波距離巷道位置等。當(dāng)σθ遠(yuǎn)大于σr時(shí)或應(yīng)力波傳播速度較快、震源較近等條件下，很容易達(dá)到誘發(fā)沖擊礦壓條件。由此可見(jiàn)，動(dòng)靜載組合作用更容易發(fā)生底板沖擊礦壓。

2 動(dòng)靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓規(guī)律

2.1 數(shù)值模型建立

巷道圍巖力學(xué)參數(shù)依照付村煤礦一采區(qū)1108工作面地質(zhì)勘探資料，如表1所示。采用FLAC2D中Dynamic動(dòng)態(tài)功能模塊，進(jìn)行不同側(cè)壓系數(shù)條件下巷道煤巖體動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的研究。巷道埋深700 m，數(shù)值模型的幾何尺寸為100 m×80 m，巷道尺寸為6 m×4 m。模型位移邊界條件為兩側(cè)限定水平位移，底部邊界限定垂直位移。應(yīng)力邊界條件為上部邊界施加18.2 MPa的垂直載荷，兩側(cè)側(cè)壓系數(shù)λ分別取1.0、1.5、2.0和2.5，重力加速度g=9.81 m/s2。

表1 巷道圍巖的力學(xué)特性參數(shù)

此次模擬將動(dòng)載震源視為簡(jiǎn)諧波，每個(gè)模型的簡(jiǎn)諧波位置均在巷道頂板正上方15 m位置，根據(jù)微震監(jiān)測(cè)要求，震動(dòng)頻率取15 Hz，作用時(shí)間為0.3 s。每個(gè)模型均提取底板水平應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布圖。各個(gè)工況的模擬過(guò)程分3步：計(jì)算初始位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)；計(jì)算巷道開(kāi)挖后的位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)；施加應(yīng)力波進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 動(dòng)靜載組合作用下底板水平應(yīng)力變化規(guī)律

不同側(cè)壓系數(shù)動(dòng)靜載組合作用下底板水平應(yīng)力變化如圖1所示。由圖1可以看出，在動(dòng)靜載共同作用下，不同側(cè)壓力系數(shù)的底板水平應(yīng)力在0～0.033 s內(nèi)出現(xiàn)明顯上升，并均在0.033 s時(shí)達(dá)到峰值；在0.033～0.093 s范圍內(nèi)，水平應(yīng)力出現(xiàn)較大程度的下降；隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，應(yīng)力下降幅度越大，0.093 s后應(yīng)力值均基本平穩(wěn)波動(dòng)。這說(shuō)明在應(yīng)力波作用下，煤巖體可在0.033 s內(nèi)釋放較大彈性能，最終誘發(fā)沖擊礦壓。

圖1 不同側(cè)壓系數(shù)動(dòng)靜載組合作用下底板水平應(yīng)力變化

不同側(cè)壓系數(shù)條件下底板應(yīng)力下降擬合曲線如圖2所示。由圖2可知，應(yīng)力下降隨側(cè)壓系數(shù)增加而呈拋物線型增加。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1.5時(shí)，增加幅度逐漸減小，表明隨著側(cè)壓系數(shù)增加，動(dòng)載擾動(dòng)下底板應(yīng)力降隨之增加，極限狀態(tài)下煤巖體釋放能量增高，更容易發(fā)生煤巖沖擊現(xiàn)象。

圖2 不同側(cè)壓系數(shù)底板應(yīng)力下降擬合曲線

2.2.2 動(dòng)靜載組合作用下底板位移變化規(guī)律

不同側(cè)壓系數(shù)動(dòng)靜載組合作用下底板位移變化如圖3所示。由圖3可知，受動(dòng)靜載組合作用巷道底板位移均出現(xiàn)大幅度瞬間增長(zhǎng)。在震動(dòng)波作用0.27 s范圍內(nèi)，瞬時(shí)位移在側(cè)壓系數(shù)等于2時(shí)達(dá)到最大值0.433 m；0～0.04 s范圍內(nèi)，瞬時(shí)位移基本不變；0.04～0.25 s范圍內(nèi)，位移出現(xiàn)線性增長(zhǎng)；0.25 s后底板位移逐漸平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，在動(dòng)靜載組合作用下底板位移也出現(xiàn)了瞬時(shí)增長(zhǎng)的情況，但位移增長(zhǎng)起始時(shí)間晚于應(yīng)力下降起始時(shí)間約0.01 s。

圖3 不同側(cè)壓系數(shù)動(dòng)靜載組合作用下底板位移變化

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)底板位移增長(zhǎng)值擬合曲線

不同側(cè)壓系數(shù)底板位移增長(zhǎng)值擬合曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨著側(cè)壓系數(shù)增加，底板位移增長(zhǎng)值呈拋物線型增加。側(cè)壓系數(shù)小于2時(shí)，底板位移增長(zhǎng)值的上升幅度基本保持不變；側(cè)壓系數(shù)大于2時(shí)，底板的位移增長(zhǎng)值小幅下降。這表明側(cè)壓系數(shù)大于2時(shí)，動(dòng)靜載組合作用造成底板破壞深度加大，但彈性能釋放位置距離增加，導(dǎo)致底板臨空面周?chē)芰棵芏确植家蜃幼冃。瑒?dòng)靜載組合作用下底板位移增長(zhǎng)值反而變小。

2.2.3 動(dòng)靜載組合作用下底板塑性區(qū)變化規(guī)律

不同側(cè)壓系數(shù)動(dòng)靜載組合作用下底板塑性區(qū)分布如圖5所示。其中綠色叉代表剪切塑性區(qū)、紫色圓圈代表拉伸塑性區(qū)、紅色叉代表圍巖已經(jīng)破碎。

由圖5可以看出，在動(dòng)靜載組合作用下，底板出現(xiàn)剪切與拉伸破壞現(xiàn)象。這表明巷道底板穩(wěn)定性減弱，動(dòng)靜載共同產(chǎn)生塑性區(qū)釋放的能量隨之增大，預(yù)示高水平應(yīng)力下的沖擊礦壓強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)。

不同側(cè)壓系數(shù)底板塑性區(qū)深度擬合曲線如圖6所示。由圖6可知，底板塑性區(qū)深度隨著側(cè)壓力系數(shù)增加而呈指數(shù)型增加。這說(shuō)明隨著開(kāi)采深度增加，水平應(yīng)力集中程度越大，底板受到相同動(dòng)載擾動(dòng)，沖擊礦壓強(qiáng)度將會(huì)變強(qiáng)。在底板從開(kāi)始失穩(wěn)到?jīng)_擊發(fā)生的過(guò)程中，高水平側(cè)壓力是決定底板沖擊礦壓強(qiáng)度的基本條件，動(dòng)載起到了誘發(fā)沖擊作用及提高沖擊強(qiáng)度作用。

圖6 不同側(cè)壓系數(shù)底板塑性區(qū)深度擬合曲線

3 深井巷道底板微震監(jiān)測(cè)分析

付村煤礦一采區(qū)位于礦井煤田中部，采區(qū)范圍內(nèi)褶曲構(gòu)造發(fā)育，東側(cè)為背斜軸部，西側(cè)為向斜軸部。一采區(qū)煤層厚度18.2～54.5 m，平均厚度31.0 m。礦區(qū)的地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，巷道底板的側(cè)壓系數(shù)較大。通過(guò)對(duì)該礦進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，在向斜軸部附近最大水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值范圍為1.6～1.9，在背斜軸部附近比值范圍為1.8。

巷道底板微震監(jiān)測(cè)能量-頻次分布如圖7所示。由圖7可以看出，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置在一采區(qū)1108工作面底板附近，距向斜軸900～1000 m時(shí)，側(cè)壓系數(shù)小于1.75，能量在2×106～4×106J范圍內(nèi)。距離向斜軸500～900m時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)逐漸增加，部分煤巖體處于極限狀態(tài)，故底板震動(dòng)過(guò)程中釋放的能量稍大于距向斜軸900～1000 m，可達(dá)到4×106～6×106J范圍內(nèi)。

隨著工作面逐漸推進(jìn)至向斜軸附近，側(cè)壓系數(shù)逐漸增加，礦震頻次逐漸升高，最終可以達(dá)到280次，震動(dòng)能量也大幅度上升，距離向斜軸400 m范圍內(nèi)可達(dá)到6×106～1.8×107J范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，側(cè)壓系數(shù)越大，工作面底板震動(dòng)頻次越多，釋放能量也越高。底板破壞引發(fā)沖擊礦壓的頻次與強(qiáng)度與高側(cè)壓力有直接關(guān)系，動(dòng)載在此過(guò)程中起到了誘發(fā)沖擊作用，與前述分析結(jié)果一致。

圖7 巷道底板微震監(jiān)測(cè)能量-頻次分布圖

4 動(dòng)靜載誘發(fā)底板沖擊礦壓控制建議

針對(duì)深井巷道底板動(dòng)靜載耦合誘發(fā)沖擊礦壓形成機(jī)理來(lái)看，動(dòng)靜載誘發(fā)底板沖擊礦壓礦壓控制的思路在于盡可能降低底板水平應(yīng)力，提高底板煤巖體強(qiáng)度，并采取降低動(dòng)載的措施。因此采取礦壓控制措施需劃分為3個(gè)方面：(1)近場(chǎng)卸壓措施。以減小煤巖體水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要方法有大直徑鉆孔卸壓、爆破卸壓等方式；(2)遠(yuǎn)場(chǎng)高強(qiáng)度支護(hù)。加強(qiáng)2 m以外的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域煤巖體強(qiáng)度，抵抗一部分動(dòng)載擾動(dòng)，主要措施有底板錨桿或反弧形支護(hù)；(3)降低動(dòng)載的傳遞。采用合理的采掘部署，盡量采取保護(hù)層開(kāi)采方式，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)，防止大能量動(dòng)載擾動(dòng)，誘發(fā)沖擊礦壓。

5 結(jié)論

(1)理論分析表明，動(dòng)靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓的靜載條件有底板徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、煤巖體力學(xué)性質(zhì)(密度、單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角)；動(dòng)載條件有p波傳播速度、震動(dòng)速度、衰減系數(shù)、震動(dòng)波距離巷道位置等。

(2)動(dòng)靜載組合作用下底板突然破壞所需臨界水平應(yīng)力和最大應(yīng)力差均隨側(cè)壓力系數(shù)增加而呈拋物線型增加，底板位移均出現(xiàn)瞬間增長(zhǎng)，底板塑性區(qū)的深度隨著側(cè)壓力系數(shù)增加而呈指數(shù)增加。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在底板從失穩(wěn)到發(fā)生沖擊的過(guò)程中，高側(cè)壓力起到主導(dǎo)作用，動(dòng)載起到了誘發(fā)沖擊作用，并將礦壓控制措施分為近場(chǎng)卸壓、遠(yuǎn)場(chǎng)高強(qiáng)度支護(hù)、降低動(dòng)載傳遞3個(gè)方面。