動(dòng)靜載下深井臨空巷道沖擊破壞分析及防治

唐杰兵, 鞠文君, 陳法兵

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

0 引言

在我國(guó),進(jìn)入深部開采后以礦震、沖擊地壓為代表的煤礦動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生頻度與致災(zāi)烈度呈急劇上升態(tài)勢(shì)[1-2]，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量已從1985年的32個(gè)發(fā)展到2021年的329個(gè)，分布于20多個(gè)省市。內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)是國(guó)家“十五”時(shí)期建設(shè)的4個(gè)超億t煤炭基地之一，約占我國(guó)煤炭總產(chǎn)量的18.6%，采深超400 m礦井總產(chǎn)量達(dá)2億t，占地區(qū)總產(chǎn)量的1/3。目前，鄂爾多斯烏審旗、伊金霍洛旗、東勝區(qū)、鄂托克旗和鄂托克前旗的14座礦井在生產(chǎn)和建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了較強(qiáng)沖擊地壓動(dòng)力顯現(xiàn)[3-4]，沖擊地壓已被列為該地區(qū)煤炭開采的主要災(zāi)害，但該地區(qū)在深部地壓以及動(dòng)力災(zāi)害治理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和開采經(jīng)驗(yàn)積累上還處于起步階段[5]。鄂爾多斯礦區(qū)新投產(chǎn)礦井多數(shù)埋深在600 m以上，已進(jìn)入深部開采環(huán)境[6]，在采掘設(shè)計(jì)上借鑒神東淺部煤層留大煤柱開采的“雙巷快速掘進(jìn)”模式，普遍出現(xiàn)了在回采接續(xù)工作面時(shí)受二次采動(dòng)影響臨空巷道沖擊問(wèn)題[7]。針對(duì)該類問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。王博等[8]分析了陜蒙接壤深部礦區(qū)不同埋深下雙巷掘進(jìn)布置寬區(qū)段煤柱所處應(yīng)力環(huán)境，研究了寬區(qū)段煤柱破壞分區(qū)和應(yīng)力演化規(guī)律，揭示了寬區(qū)段煤柱誘沖機(jī)理。朱斯陶等[9]研究了臨空側(cè)采空區(qū)上覆頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)下煤柱支承壓力加載機(jī)制及沖擊風(fēng)險(xiǎn)判定，揭示了臨空巷道不同寬度隔離煤柱誘發(fā)局部沖擊、整體沖擊和礦震的機(jī)理。韓剛等[10]結(jié)合鄂爾多斯深井臨空巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，明確了采空區(qū)覆巖空間破裂與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)關(guān)聯(lián)是其動(dòng)力誘沖主因。趙毅鑫等[11]研究了內(nèi)蒙古伊金霍洛旗紅慶河煤礦開采鄰空巷道受載特征及沖擊失穩(wěn)機(jī)制，揭示了臨空巷道圍巖受采空區(qū)側(cè)向靜載、超前靜載及擾動(dòng)動(dòng)載的鄰空巷道 “三載荷”疊加誘沖機(jī)制。但上述文獻(xiàn)著眼點(diǎn)主要集中在臨空巷道靜載致災(zāi)研究上，對(duì)靜載基礎(chǔ)上的動(dòng)載疊加致災(zāi)機(jī)制研究不夠，在巷道圍巖動(dòng)載應(yīng)力波響應(yīng)方面未能將巷道破壞方式同應(yīng)力波擾動(dòng)及其力學(xué)效果相聯(lián)系。鑒此，本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)某礦3-1103工作面臨空巷道為研究對(duì)象，分析了臨空巷道沖擊破壞特征和沖擊地壓發(fā)生的動(dòng)靜載荷源，利用數(shù)值模擬方法分析采空區(qū)影響下的動(dòng)靜載巷道應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律并與現(xiàn)場(chǎng)沖擊破壞特征相互驗(yàn)證，提出了動(dòng)靜載下深部臨空巷道沖擊地壓防治對(duì)策，為鄂爾多斯礦區(qū)相似條件礦井區(qū)段煤柱沖擊地壓防治提供參考。

1 工程背景

內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)某礦3-1103工作面為3-1101首采工作面下一個(gè)區(qū)段工作面，區(qū)段煤柱寬度為30 m，平均賦存深度為706.3 m，工作面傾向長(zhǎng)度 為215 m，走向長(zhǎng)度 為20 780 m，煤層厚度為 5.52～7.20 m，平均厚度為 6.36 m，采用一次采全高長(zhǎng)壁后退式采煤法，工作面布置如圖1 所示。經(jīng)鑒定，該礦3-1煤層為強(qiáng)沖擊傾向性煤層，3-1煤層頂?shù)装鍨槿鯖_擊傾向性巖層。地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.5 倍。在集中應(yīng)力和厚硬頂板破斷產(chǎn)生的震源應(yīng)力波的疊加作用下，回采期間臨空巷道3-1103工作面輔助運(yùn)輸巷道II在動(dòng)靜載荷源的作用下沖擊頻發(fā)，沖擊地壓防治成為制約礦井安全高效開采的技術(shù)難題。

圖1 3-1103工作面平面圖

2 臨空巷道沖擊破壞分析

2.1 臨空巷道沖擊破壞特征

臨空巷道上覆頂板小能量微震事件頻發(fā)，特別是在3-1103工作面周期來(lái)壓期間，巷道圍巖在動(dòng)載應(yīng)力波作用下，淺部圍巖體開裂1 m，大量煤巖碎塊拋射于底板，錨桿錨固部分失效，出現(xiàn)崩盤、錨桿索斷裂等情況。大能量礦震沖擊發(fā)生時(shí)，頂板下沉，底板掀起，兩幫瞬間移近，并伴隨肩窩剪切滑移，這些現(xiàn)象在臨空巷道的回采幫更加顯著，嚴(yán)重沖擊地段的巷道斷面縮小為原來(lái)的20%?，F(xiàn)場(chǎng)主要破壞情況如圖2所示。發(fā)生在工作面超前段的巷道沖擊破壞導(dǎo)致支架未能及時(shí)卸壓、安全閥損壞、立柱無(wú)行程、頂梁不接頂?shù)取?/p>

(a)圍巖體拋射

2.2 臨空巷道動(dòng)靜載荷源分析

3-1103工作面覆巖破斷規(guī)律如圖3所示。在采空區(qū)充分垮落前，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，上覆巖層發(fā)生周期性“O-X”形態(tài)破斷，在煤層上方形成砌體梁結(jié)構(gòu)，鉸接巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，隨著初次來(lái)壓、一次見方、二次見方，懸臂梁結(jié)構(gòu)拉張破斷，垮落帶演化高度升高，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)從長(zhǎng)臂“F”型空間結(jié)構(gòu)向短臂“F”型空間結(jié)構(gòu)演化[12]。在頂板“O-X”破斷線向高位關(guān)鍵層擴(kuò)展過(guò)程中，“載荷三帶”中的延時(shí)加載帶DLZ將頂板動(dòng)載傳遞給即時(shí)加載帶ILZ[13]。隨著采空區(qū)不斷壓實(shí)，上覆巖層內(nèi)應(yīng)力拱拱腳從煤柱上方向臨空巷道實(shí)體煤側(cè)移動(dòng)。臨空巷道處于“F”型覆巖結(jié)構(gòu)下，在采空區(qū)壓實(shí)過(guò)程中，其靜載應(yīng)力分布主要受采空區(qū)側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)下的側(cè)向集中支承應(yīng)力和開采工作面超前采動(dòng)集中支承應(yīng)力的影響。在開采工作面二次采動(dòng)影響下，基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓、周期來(lái)壓和見方破斷形成的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)礦震釋放能量是臨空巷道的動(dòng)載力源。在沖擊性頂板巖層下動(dòng)靜載組合效應(yīng)極易誘發(fā)高地應(yīng)力下應(yīng)力場(chǎng)差異且應(yīng)力集中的巷道產(chǎn)生沖擊災(zāi)害。

(a)覆巖“O-X”形態(tài)破斷

3 臨空巷道動(dòng)靜載沖擊破壞驗(yàn)證分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，分析臨空巷道動(dòng)靜載荷源下沖擊巷道所處的應(yīng)力狀態(tài)以及礦震應(yīng)力波致災(zāi)影響作用，并與現(xiàn)場(chǎng)沖擊破壞特征進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析。模型兩側(cè)及底部限制節(jié)點(diǎn)法向速度為0，頂部為自由面，施加模型頂部的上覆巖層自重為15 MPa。采用fish 程序模擬采空區(qū)冒落帶壓實(shí)過(guò)程[14]，其他巖層采用摩爾-庫(kù)倫模型。采用預(yù)緊力端錨錨桿支護(hù)。模型及其網(wǎng)格如圖4所示。模型尺寸為293 m×169 m,臨空巷道中心坐標(biāo)(X，Z)為(179 m,37.8 m)。震源設(shè)置在臨空巷道回采側(cè)煤層上方22.5 m處。模型輸入的動(dòng)載應(yīng)力波速度時(shí)程曲線如圖5所示。傳播介質(zhì)瑞麗阻尼系數(shù)為5%，中心頻率為30 Hz，采用靜態(tài)邊界吸收模型邊界應(yīng)力波。

圖4 模型及其網(wǎng)格

采空區(qū)壓實(shí)過(guò)程中巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征如圖6所示。臨空巷道在采空區(qū)壓實(shí)過(guò)程中，最大垂直應(yīng)力(SZZ)逐漸由巷道煤柱幫側(cè)上方(37 MPa)向回采幫側(cè)上方轉(zhuǎn)移(52 MPa)，應(yīng)力集中系數(shù)是原巖應(yīng)力的3.23倍，彈性核內(nèi)彈性能易在較小動(dòng)載作用下引發(fā)巷道沖擊。

圖6 采空區(qū)壓實(shí)過(guò)程中巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移特征

采空區(qū)壓實(shí)前后巷道錨桿軸力云圖如圖7所示，回采幫上部和煤柱幫下部錨桿軸力增大，錨桿軸力差異化進(jìn)一步加大，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)處于極不平衡的靜載應(yīng)力場(chǎng)中。巷道圍巖動(dòng)靜載疊加最大、最小主應(yīng)力差蜘蛛圖如圖8所示。對(duì)比圖8(b)和圖8(c)可看出，巷道圍巖最大、最小主應(yīng)力差在應(yīng)力波作用下，圖8(a)中測(cè)點(diǎn)a3和e3的主應(yīng)力差分別從17.87，12.58 MPa升到36.45，25.62 MPa，圖8(a)中測(cè)點(diǎn)g3和c3的主應(yīng)力差分別從35.02，26.5 MPa降到21.87，15.26 MPa，臨空巷道回采幫側(cè)肩窩和煤柱幫下底角在動(dòng)載擾動(dòng)下處于強(qiáng)烈的增卸荷狀態(tài)。臨空巷道在震動(dòng)波作用時(shí)處于極不平衡的動(dòng)載應(yīng)力擾動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)載時(shí)同樣處于極不均衡的擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)中。動(dòng)靜載時(shí)的巷道圍巖應(yīng)力分布與現(xiàn)場(chǎng)巷道煤柱幫側(cè)下半部分嚴(yán)重鼓出與開裂、回采幫側(cè)肩窩剪切滑移以及底板掀起的現(xiàn)象一致。

(a)采空區(qū)壓實(shí)前錨桿受力狀態(tài)

(a)測(cè)點(diǎn)布置

最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(Peak Particle Velocity,PPV)是衡量動(dòng)載破壞強(qiáng)度的重要參數(shù)[15]，在臨空巷道外圍15 m的范圍內(nèi)每隔1 m×1 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，所得巷道圍巖內(nèi)PPV分布云圖如圖9所示，在巷道圍巖淺部因波阻抗變化而發(fā)生了應(yīng)力波反射疊加現(xiàn)象，PPV在巷道周圍的分布為0.52～0.12 m/s。

圖9 動(dòng)載過(guò)程中巷道圍巖PPV值分布云圖

巷道圍巖動(dòng)載PPV和最大動(dòng)載位移量Disp曲線如圖10所示，在巷道圍巖布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，巷道頂板中部測(cè)點(diǎn)b處PPV和圍巖淺部位移量最大，分別為0.474 m/s和45.43 mm；巷道底板中部測(cè)點(diǎn)f處PPV最小,為0.080 m/s,對(duì)應(yīng)的圍巖淺部位移量為13.605 mm。巷道在迎波側(cè)受動(dòng)載應(yīng)力波影響比背波側(cè)大，從迎波側(cè)到背波側(cè)巷道承受了較大的不均勻應(yīng)力波場(chǎng)。頻繁的礦震使巷道破碎的圍巖體拋出，幫部開裂，巷道抵抗沖擊的能力持續(xù)降低，增大了發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)。臨空巷道圍巖劣化形成了在高水平應(yīng)力條件下的壓剪破壞和動(dòng)載應(yīng)力波在巷道表面反射形成拉張破壞的組合破裂形式。

圖10 巷道圍巖動(dòng)載PPV和最大動(dòng)載位移量曲線

4 臨空巷道沖擊地壓防治

4.1 沖擊地壓防治措施

根據(jù)動(dòng)靜載荷下臨空巷道破壞特征及其數(shù)值模擬驗(yàn)證分析結(jié)果制定靜載荷卸壓降載、動(dòng)載荷減震消能的分源防治措施。在3-1103輔助運(yùn)輸巷道II沖擊危險(xiǎn)區(qū)主要采取了頂板水壓致裂、頂?shù)装灞菩秹?、巷幫大直徑鉆孔卸壓以及巷道圍巖加固等措施，以達(dá)到防止厚硬頂板彈性能積聚、消弱應(yīng)力波幅值以及改善圍巖受力環(huán)境的目的。

(1)頂板水壓致裂降低臨空巷道側(cè)向懸臂梁的能量積聚。沿3-1103工作面兩巷超前布置鉆孔，預(yù)裂方式為高壓水力壓裂，孔口距煤柱幫1 m，孔徑為56 mm，鉆孔深度為50 m，鉆孔軸向水平投影與巷道走向夾角為5°，鉆孔傾角為50°，頂板處理高度為煤層以上垂高38 m，沿工作面走向的預(yù)裂步距設(shè)定為10 m。額定注水壓力為62 MPa，分段壓裂長(zhǎng)度為2～3 m，每段壓裂30 min。

(2)爆破卸壓消弱動(dòng)載應(yīng)力波影響。3-1103輔助運(yùn)輸巷道II每個(gè)斷面設(shè)置7個(gè)爆破孔，斷面間距為20 m，其中回采幫設(shè)置2個(gè)爆破孔，煤柱幫設(shè)置3個(gè)鉆孔，頂?shù)装灞菩秹恒@孔布置如圖11所示。采用φ50～70 mm乳化炸藥藥卷，圖中黑色線條為封孔長(zhǎng)度，紅色線條為裝藥長(zhǎng)度，鉆孔間距設(shè)計(jì)為5 m，均采用正向裝藥、孔內(nèi)并聯(lián)、一孔一放、逐孔爆破方式。

圖11 頂?shù)装灞菩秹恒@孔布置

(3)大直徑鉆孔卸壓降低巷道兩幫靜載荷集中程度。3-1103工作面回采巷道兩幫煤體實(shí)施大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑為153 mm，鉆孔距巷道底板距離為1.2～1.5 m，傾角為±3～±5°，非煤柱幫鉆孔深度為20 m，煤柱幫鉆孔深度為18 m，單排布置。

(4)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)增強(qiáng)巷道抗沖擊能力。局部巷道在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，在頂板支護(hù)薄弱的區(qū)域進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×6 300 mm，間排距為1.0 m×2.0 m，并在兩幫采用4.3 m錨索配合槽鋼進(jìn)行加固，槽鋼截面尺寸為50 mm×37 mm×4.5 mm，每根槽鋼長(zhǎng)為3.2 m，配合3根錨索組合成一排，排距為2 m，槽鋼底部距離巷道底板1.5 m。臨空巷道注漿加固為單排布置，鉆孔間距為3.0 m，傾角為65°，直徑為48 mm，鉆孔深度為8 m，選擇頂板破碎的區(qū)域進(jìn)行施工，單孔注漿量為120～200 kg/m，最大注漿量不超過(guò)250 kg/m。注漿壓力控制在1～1.5 MPa，避免原有圍巖結(jié)構(gòu)破壞，并在圍巖破碎地段原有錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)巷道兩幫進(jìn)行厚度不小于200 mm噴漿加固。

4.2 防治效果分析

3-1103工作面輔助運(yùn)輸巷道II采取卸壓措施前后微震能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。卸壓后微震事件數(shù)量比卸壓前增加了117個(gè)，但總能量反而降低了49.2%。改變了厚硬頂板巖層沖擊能量釋放形式，103J以下微震小能量事件占比由卸壓前的75%升高到89%，說(shuō)明頂板弱化解危措施起到了效果，形成了小震級(jí)、多頻次的能量分散釋放的微震特征，且沒(méi)有出現(xiàn)105J以上能量級(jí)別的微震。3-1103工作面輔助運(yùn)輸巷道II圍巖在卸壓加固后有了足夠的能力抵抗超前和臨空側(cè)向集中支承應(yīng)力疊加以及應(yīng)力波沖擊的疊加作用，如圖12所示，對(duì)比回采幫卸壓加固之前的35號(hào)煤體深淺孔和之后的6號(hào)孔應(yīng)力變化情況，深淺孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)最大值分別降低6.25 MPa和6.4 MPa，且未出現(xiàn)較大波動(dòng)，巷道斷面基本滿足了使用要求，保證了3-1103工作面在規(guī)定的5 m/d開采速度下的安全回采。

表1 卸壓前后微震能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)

圖12 卸壓前后實(shí)體煤幫應(yīng)力變化

5 結(jié)論

(1)分析了臨空巷道沖擊地壓發(fā)生的動(dòng)靜載荷源，臨空巷道處于采空區(qū)側(cè)“F”型覆巖結(jié)構(gòu)下，靜載荷源為側(cè)向集中支承應(yīng)力和工作面回采超前采動(dòng)集中支承應(yīng)力的疊加應(yīng)力場(chǎng)。動(dòng)載荷源為基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓、周期來(lái)壓和見方破斷形成的近場(chǎng)礦震以及遠(yuǎn)場(chǎng)礦震釋放能量。

(2)采用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析了臨空巷道動(dòng)靜載荷源下沖擊巷道所處的應(yīng)力狀態(tài)以及礦震應(yīng)力波致災(zāi)影響作用，并與現(xiàn)場(chǎng)沖擊破壞特征進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析。數(shù)值模擬結(jié)果與臨空巷道現(xiàn)場(chǎng)破壞特征一致。采空區(qū)壓實(shí)過(guò)程中，最大垂直集中應(yīng)力由煤柱上方轉(zhuǎn)移至巷道回采幫側(cè)，錨桿軸力呈現(xiàn)不對(duì)稱分布狀態(tài)。動(dòng)載過(guò)程中，巷道圍巖主應(yīng)力差重復(fù)加卸載，迎波側(cè)應(yīng)力波PPV值大于背波側(cè)，圍巖淺部應(yīng)力波反射疊加，PPV值大小與圍巖淺部動(dòng)載后最大位移量一致。臨空巷道圍巖在動(dòng)靜載作用過(guò)程中形成了巷道回采幫側(cè)與煤柱幫應(yīng)力場(chǎng)差異以及動(dòng)載應(yīng)力場(chǎng)差異。

(3)基于動(dòng)靜載荷源及數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)破壞特征對(duì)比分析，制定了基于臨空巷道動(dòng)靜載荷源的靜載荷卸壓降載、動(dòng)載荷減震消能的分源防治措施。采取卸壓措施后，實(shí)測(cè)微震以小能級(jí)、多頻次的形式釋放能量，微震總能量比卸壓前降低了49.2%，103J以下微震小能量事件占比由卸壓前的75%升高到89%；回采煤幫深淺孔應(yīng)力變化未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，巷道圍巖靜載荷水平下降，監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了沖擊防治措施的有效性。