考慮時(shí)變特性的煤層大巷群沖擊地壓機(jī)理及防治

潘俊鋒，閆耀東，馬小輝，謝 非，馬文濤，呂大釗，孫曉東，馮美華

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

煤層大巷擔(dān)負(fù)著所在區(qū)域的提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、動(dòng)力供應(yīng)等重要任務(wù)，基本上都是成群組布置，服務(wù)周期可達(dá)幾十年，因此除了很寬的保護(hù)煤柱，巷間還采用寬煤柱隔離。由于大巷群重要的“咽喉”作用，其穩(wěn)定性研究得到大家關(guān)注。針對(duì)巷道群的常規(guī)礦壓問題，蘇學(xué)貴等采用理論分析，數(shù)值模擬與工程應(yīng)用的綜合方法，研究了上層煤開采后，下層煤應(yīng)力分布規(guī)律，巷道群的變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性控制對(duì)策。盧興利等提出了預(yù)應(yīng)力組合錨桿(索)-U型鋼支架-分步注漿控制巷道幫頂、幫角/底角錨桿-底板預(yù)應(yīng)力錨索控制底板的深部松散破碎巷道群穩(wěn)定性綜合控制對(duì)策和設(shè)計(jì)方案。鄭兵亮采用現(xiàn)場(chǎng)圍巖窺視、理論分析和井下試驗(yàn)的方法,分析研究了巷道群圍巖變形破壞的機(jī)理、特征及加固措施。于洋等通過總結(jié)大巷群在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下的圍巖變形破壞特征，確定了采動(dòng)應(yīng)力反復(fù)擾動(dòng)是導(dǎo)致大巷群圍巖災(zāi)變的根本原因。孟慶彬等運(yùn)用理論分析與數(shù)值模擬的手段，分析了巷道群圍巖應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)及塑性區(qū)的分布規(guī)律，確定了巷道群合理的布置與開挖方式。張向陽等結(jié)合淮南礦區(qū)開拓巷道群受采動(dòng)影響的變形破壞特點(diǎn)，對(duì)巷道群圍巖變形采動(dòng)效應(yīng)及合理保護(hù)煤柱留設(shè)進(jìn)行研究。劉帥等運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬及工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討了巷道群非對(duì)稱變形破壞機(jī)理。研究沖擊地壓導(dǎo)致的煤層大巷群穩(wěn)定問題的文獻(xiàn)甚少。劉宏軍研究了采動(dòng)影響下巷道群的應(yīng)力分布狀態(tài)，分析了大小煤柱破壞前后的支承應(yīng)力變化和能量轉(zhuǎn)移方向，得出在采動(dòng)誘發(fā)下密集巷道群自身應(yīng)力疊加是造成沖擊地壓的直接原因。潘俊鋒等以我國新建千米深井盤區(qū)巷道群沖擊地壓發(fā)生為背景，理論分析了巷道群沖擊啟動(dòng)的機(jī)理與防治方法，認(rèn)為深部煤層巷道群沖擊地壓屬集中靜載荷型，采用基于集中靜載荷疏導(dǎo)的深孔區(qū)間爆破法可防治沖擊地壓災(zāi)害。史俊偉等應(yīng)用數(shù)值模擬研究巷道群在開挖過程中護(hù)巷煤柱支承應(yīng)力和巷道圍巖變形規(guī)律，從而對(duì)巷道群沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。上述文獻(xiàn)普遍從多巷掘進(jìn)相互擾動(dòng)或大巷群周邊回采擾動(dòng)角度對(duì)大巷群沖擊地壓機(jī)理及防治開展研究。然而，近幾年來接連出現(xiàn)幾起在用大巷群，周邊無采掘活動(dòng)情況下的沖擊問題，比如2016-08-15，梁寶寺煤礦在用35000采區(qū)集中軌道巷、運(yùn)輸巷沖擊地壓，周圍沒有采掘活動(dòng)；2017-02-03，高家堡煤礦一盤區(qū)3條在用大巷沖擊，發(fā)生在春節(jié)全礦停產(chǎn)期間；2020-05-24，孟村煤礦在用中央大巷群沖擊地壓，周圍沒有采掘活動(dòng)。由于既無采掘擾動(dòng)，又不存在采空區(qū)懸頂條件，這幾起沖擊地壓已經(jīng)無法用傳統(tǒng)理論進(jìn)行解釋，進(jìn)而難以拿出針對(duì)性措施。究其原因是材料存在時(shí)變特性，這一研究在巖土界受到大量關(guān)注研究，而煤礦災(zāi)害防治方面被忽視。

鑒于大巷群服務(wù)周期長這一顯著特點(diǎn)，筆者以陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司孟村煤礦“5·24”大巷沖擊地壓為背景，從巷道圍巖時(shí)變特性角度出發(fā)，通過現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、力學(xué)分析、數(shù)值模擬等研究，從另一新角度揭示了深部構(gòu)造區(qū)域大巷群沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，并提出了新的防治方法，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果良好。

1 工程背景

孟村煤礦主采4號(hào)煤層，煤層厚度平均20 m，埋深700 m，煤層頂板含多層砂巖，直接底板為鋁土泥巖。經(jīng)鑒定煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性。礦井5條中央大巷布置在4號(hào)煤層中，巷間隔離煤柱寬度為35 m，大巷保護(hù)煤柱寬度為200 m。5條大巷相對(duì)位置如圖1所示。中央大巷在一盤區(qū)區(qū)域自西向東分別賦存：① B2背斜，軸線呈EW轉(zhuǎn)NE向，兩翼基本呈對(duì)稱狀，兩翼傾角為3°～5°；② DF29斷層(=0～38 m，正斷層，SE∠55°)；③ X1向斜，軸線呈NE—SW向，兩翼呈對(duì)稱狀，兩翼傾角為2°～4°。中央二號(hào)回風(fēng)大巷200 m外為2020-03-07日已回采結(jié)束的礦井首采401101采煤工作面，中央一號(hào)回風(fēng)大巷南側(cè)為實(shí)體煤。2020-05-24 T00:08，中央二號(hào)輔運(yùn)大巷及中央運(yùn)輸大巷在DF29斷層上盤及X1向斜區(qū)域發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)(圖1)。為了保障礦井生產(chǎn)持續(xù)，課題組介入開展沖擊機(jī)理與防治方法研究。通過調(diào)研，除了中央二號(hào)回風(fēng)大巷，其他4條大巷在DF29斷層下盤影響區(qū)采用巖層布置，巷道布置層位如圖2所示。

圖1 中央大巷及沖擊地壓顯現(xiàn)位置(平面)

圖2 中央二號(hào)輔運(yùn)大巷及沖擊地壓顯現(xiàn)位置(剖面)

2 沖擊危險(xiǎn)性原位探測(cè)評(píng)價(jià)

為了了解礦井中央大巷構(gòu)造區(qū)域高應(yīng)力集中狀態(tài)，評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性，根據(jù)波速傳播異常指數(shù)與煤體應(yīng)力大小的正相關(guān)關(guān)系，采用了波蘭進(jìn)口震波CT探測(cè)系統(tǒng)PASAT，共分為2個(gè)區(qū)域進(jìn)行中央大巷構(gòu)造區(qū)域原位探測(cè)，每個(gè)區(qū)域的探測(cè)長度約為400 m。圖3為第1探測(cè)區(qū)，即中央一號(hào)輔運(yùn)大巷及中央一號(hào)回風(fēng)大巷間煤巖體波速傳播異常指數(shù)分布，圖中從藍(lán)色到紅色，依次對(duì)應(yīng)由小到大的波速傳播異常指數(shù)。探測(cè)結(jié)果表明區(qū)域內(nèi)最大值為0.85，最小值為0.30。由圖3可見，以斷層面為界，2條中央大巷在斷層左側(cè)布置在巖層中，兩巷之間為巖層，震波波速傳遞快，波速傳播異常指數(shù)較大；斷層右側(cè)兩巷布置在煤層中，兩巷之間為煤層，在斷層面附近波速傳播異常指數(shù)較小，而在斷層上盤與X1向斜共同影響區(qū)，波速傳播異常指數(shù)較大，表明應(yīng)力集中，沖擊危險(xiǎn)性較高。

圖3 第1探測(cè)區(qū)域波速傳播異常指數(shù)分布

圖4為第2探測(cè)區(qū)，即中央二號(hào)輔運(yùn)大巷及中央運(yùn)輸大巷間煤巖體波速傳播異常指數(shù)分布，圖中顏色梯度與波速傳播異常指數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系同圖3，區(qū)域內(nèi)最大值為0.8，最小值為0.2。圖4所示第2探測(cè)區(qū)結(jié)果與圖3大體一致。2條中央大巷在斷層面左側(cè)巖層內(nèi)指數(shù)較高，可達(dá)0.8，在右側(cè)煤層中時(shí)，表現(xiàn)出較大的梯度落差，斷面附近煤層中指數(shù)小，在斷層上盤與X1向斜共同影響區(qū)，波速傳播異常指數(shù)大，表明應(yīng)力集中，沖擊危險(xiǎn)性較高。

圖4 第2探測(cè)區(qū)域波速傳播異常指數(shù)分布

結(jié)合圖3，4中央大巷構(gòu)造區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性探測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果，認(rèn)為DF29斷層左側(cè)巖層布置中巷間巖柱波速傳播異常指數(shù)較高，為巖層屬性導(dǎo)致，巖層中震波傳播速度高，應(yīng)與煤層中應(yīng)力集中區(qū)域震波傳播速度高予以區(qū)分。

為了證實(shí)斷層面右側(cè)煤層巷道沖擊危險(xiǎn)高，統(tǒng)計(jì)了中央大巷構(gòu)造區(qū)微震事件，如圖5所示。斷層上盤區(qū)域發(fā)生的微震頻次是下盤的3倍，斷層上盤區(qū)域發(fā)生的微震能量是下盤的4倍。DF29斷層為一正斷層，在“斷層-褶曲”復(fù)合作用下，微震事件分布范圍也表明，在斷層上盤，其影響范圍約為斷層落差的4倍；在斷層下盤，其影響范圍約為斷層落差的2倍。由此可見，DF29斷層上盤與X1向斜共同影響區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性較高。

圖5 DF29斷層區(qū)域微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 沖擊地壓機(jī)理力學(xué)分析

以發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的中央運(yùn)輸大巷及中央二號(hào)輔運(yùn)大巷為例，開展力學(xué)模型分析。假設(shè)非臨空的兩巷開挖后的圍巖應(yīng)力位移分布隨時(shí)間變化基本對(duì)稱，如圖6所示。

圖6 兩巷圍巖應(yīng)力分布示意

圖6中，為上覆巖層載荷；為巷幫煤巖承載；為巷道圍巖初始應(yīng)力；為煤巖極限破壞強(qiáng)度。圖6(a)中時(shí)刻為巷道開挖形成初期，兩巷間應(yīng)力暫無交互影響，此時(shí)刻巷道側(cè)向支承壓力1均在煤幫淺部集中，并在巷道頂板較近范圍內(nèi)形成應(yīng)力拱支承頂板，巷幫圍巖破碎區(qū)范圍較小，有<<，其中，，分別表示時(shí)刻下巷道圍巖的破碎區(qū)、塑性區(qū)及原巖區(qū)的長度范圍。圖6(b)中時(shí)刻為巷道開挖形成末期，兩巷間應(yīng)力相互疊加影響，此時(shí)刻中央運(yùn)輸大巷處側(cè)向支承壓力s2及中央二號(hào)輔運(yùn)巷處側(cè)向支承壓力f2均轉(zhuǎn)移至煤幫深部并在此處疊加為2，同時(shí)在巷道頂板較遠(yuǎn)范圍內(nèi)形成應(yīng)力拱支承頂板，兩幫間已經(jīng)無原巖區(qū)，塑性區(qū)范圍較小，有>。其中，分別表示時(shí)刻下巷道圍巖的破碎區(qū)及塑性區(qū)的長度范圍。

以圖6(a)中中央二號(hào)輔運(yùn)大巷黃色虛線方框圈出的區(qū)域?yàn)槔?，做如下假設(shè)：模型方面，巷道斷面為矩形且無傾角，煤層及頂板巖層變形固體滿足材料力學(xué)3個(gè)基本物性假設(shè)，巷道頂板看作為兩端固支的3次超靜定結(jié)構(gòu)；受力方面，在巷道開挖瞬間過程中頂板受力均勻，此過程中應(yīng)力不發(fā)生轉(zhuǎn)移；邊界方面：頂板彎曲下沉范圍發(fā)生在巷道幫部破碎區(qū)及塑性區(qū)之內(nèi)。

則作出巷道開挖形成瞬間的受力模型如圖7所示，圖7中，，分別為巷道的寬度及高度，m；為巷道頂板煤巖體所受的均布載荷，N/m；為巷幫破碎區(qū)及塑性區(qū)長度范圍之和，m。

圖7 巷道開挖瞬間頂板受力狀態(tài)

運(yùn)用卡氏第2定理可得到頂板彎曲變形的撓曲線方程()：

(1)

其中，為頂板巖梁的抗彎剛度；，分別為頂板去掉右側(cè)固定端約束后的剪力及彎矩；為巷道開挖后幫部圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)范圍，其計(jì)算方式為

(2)

式中，，為煤層與頂?shù)装鍘r層接觸面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，MPa，(°)；為開挖巷道的支護(hù)強(qiáng)度，MPa；為側(cè)壓系數(shù)；為巷道開挖高度，m；為開挖時(shí)刻巷幫側(cè)支承應(yīng)力集中系數(shù)；為上覆巖層容重，MN/m；為開采深度，m。

上述推導(dǎo)的撓曲線方程()可計(jì)算從巷道開挖至開挖結(jié)束0～時(shí)間段內(nèi)巷幫長度范圍內(nèi)頂板發(fā)生的撓度，此過程中隨著巷道內(nèi)煤巖體的逐步挖除，原作用于此處支承頂板的均布載荷逐漸減小，巷道圍巖系統(tǒng)的平衡被破壞，頂板初步下沉。假設(shè)此過程頂板下沉速率與巷道內(nèi)煤巖的挖除速率相一致，則有

∝(0<≤)

可見在初始巷道開挖過程中(0～)巷道圍巖系統(tǒng)的撓度正比于時(shí)間，受掘巷速率的影響。

當(dāng)巷內(nèi)煤巖全部挖除后，頂板載荷向兩幫轉(zhuǎn)移尋求新的平衡，即得到如圖6(a)中時(shí)刻的狀態(tài)，轉(zhuǎn)移的頂板載荷與煤幫原支承壓力疊加為1，在垂直方向壓縮巷幫煤巖，幫部煤巖承載發(fā)生蠕變，當(dāng)幫部煤巖變形到一定程度強(qiáng)度下降形成破碎區(qū)、塑性區(qū)，圍巖應(yīng)力需向深部煤層尋求支承達(dá)到新的平衡，即得到如圖6(b)中時(shí)刻的狀態(tài)，破碎區(qū)范圍進(jìn)一步增大形成，此過程頂板壓縮煤幫持續(xù)位移，直至平衡。將～時(shí)間段內(nèi)幫部煤巖承載蠕變，應(yīng)用西原正夫流變力學(xué)模型，得到幫部煤巖的蠕變曲線上任一時(shí)間<<的應(yīng)變方程：

(3)

式中，為時(shí)刻下的側(cè)向支承壓力；，為幫部煤巖的彈性模量；為幫部煤巖的黏性系數(shù)。

由式(3)可知幫部煤巖發(fā)生蠕變時(shí)的應(yīng)變是關(guān)于時(shí)間的增函數(shù)，～時(shí)間內(nèi)巷內(nèi)高度為的煤幫蠕變產(chǎn)生的變形同樣為關(guān)于時(shí)間的增函數(shù)有

=() (<≤)

(4)

圍巖系統(tǒng)的頂板全過程變形撓度如圖8所示，其數(shù)值為0～時(shí)間內(nèi)頂板彎曲產(chǎn)生的撓度與～時(shí)間內(nèi)頂板由于幫部煤巖蠕變產(chǎn)生的下沉量之和，即

圖8 巷道開挖后頂板下沉示意

=+(0<≤)

(5)

由式(4),(5)可知，中央大巷開挖后，巷幫煤巖在垂直方向承載蠕變變形隨時(shí)間增長逐漸增大，此時(shí)間內(nèi)頂板彎曲下沉撓度持續(xù)增大，上覆厚硬頂板懸空范圍增加，幫部煤巖受壓形變后對(duì)頂板支承能力下降，頂板載荷向深部煤層轉(zhuǎn)移，然而大巷群的開挖巷間煤柱尺寸有限，致使側(cè)向支承壓力在巷間煤柱中的疊加效應(yīng)明顯，表現(xiàn)為側(cè)向支承壓力隨時(shí)間的變化增長顯著。根據(jù)式(2)，在巷道開挖條件不變的情況下巷幫塑性區(qū)及破碎區(qū)范圍的變化與側(cè)向支承壓力正相關(guān)，也隨時(shí)間的增長而增大，故兩巷間煤柱內(nèi)彈性區(qū)減少。

又由前文分析可得，屢次發(fā)生沖擊地壓的該區(qū)域，斷層、褶曲等提供了高應(yīng)力基礎(chǔ)環(huán)境，即在該區(qū)域由于構(gòu)造應(yīng)力、重應(yīng)力以及采動(dòng)應(yīng)力三者疊加，巷道圍巖載荷瀕臨臨界狀態(tài)。對(duì)于單條巷道而言，服務(wù)周期較長的大巷巷道圍巖由于塑性區(qū)及破碎區(qū)范圍的擴(kuò)大，迫使巷幫彈性區(qū)域隨時(shí)間延長而變窄，應(yīng)力集中程度不斷加大。對(duì)于大巷群而言，則相鄰巷道間彈性區(qū)由不斷減小，變?yōu)閾碛泄餐膹椥詤^(qū)，從而出現(xiàn)2個(gè)應(yīng)力峰值隨時(shí)間延長相互疊加的效應(yīng)，該疊加應(yīng)力促使本來瀕臨臨界狀態(tài)的圍巖應(yīng)力達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)；由于巷道圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍的擴(kuò)大，巷道頂板兩端支撐點(diǎn)勢(shì)必向兩側(cè)外移，促使頂板懸空長度加大，此時(shí)巷道懸空頂板撓度隨時(shí)間在增大，斷裂趨勢(shì)增加，懸空面積增大的頂板發(fā)生斷裂，產(chǎn)生動(dòng)載荷源對(duì)兩巷疊加的已經(jīng)處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)的靜載荷高度集中區(qū)產(chǎn)生擾動(dòng)，誘發(fā)巷道圍巖沖擊啟動(dòng)。

4 沖擊地壓機(jī)理數(shù)值模擬

為了對(duì)上述力學(xué)模型分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，本部分采用數(shù)值模擬分析從中央大巷巷間煤柱尺寸、煤柱時(shí)變特性等方面開展分析。

4.1 巷間煤柱寬度影響規(guī)律

4.1.1 巷間煤柱寬度為15 m

巷間煤柱寬度影響規(guī)律主要采用FLAC數(shù)值模擬方法，物理、力學(xué)參數(shù)來自于孟村礦采樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，當(dāng)巷道群隔離煤柱為15 m時(shí)，如圖9(a)所示，各巷道圍巖形成類橢圓塑性區(qū)，應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，各巷道之間形成單峰應(yīng)力集中，最大應(yīng)力約為25 MPa?？傮w來看，高集中應(yīng)力主要轉(zhuǎn)移至護(hù)巷煤柱中，應(yīng)力峰值達(dá)43 MPa，表明各巷間隔離煤柱不承載，上覆巖層載荷主要轉(zhuǎn)移至大巷的護(hù)巷寬煤柱中。圖9(b)展示了5條大巷形成的巷道群的圍巖塑性區(qū)分布特征，由圖9(b)可見，各巷間塑性區(qū)已全部貫通，進(jìn)一步表明隔離煤柱不承載，但也表明各巷道間煤柱已破壞，不具有隔離防漏風(fēng)功能，因此巷道群隔離煤柱不宜過小。

圖9 巷道群應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)分布特征(煤柱寬度15 m)

4.1.2 巷間煤柱寬度為35 m

圖10(a)為巷間隔離煤柱寬度為35 m時(shí)，圍巖應(yīng)力分布特征。該方案與孟村煤礦中央大巷隔離煤柱實(shí)際寬度相同。從圖10(a)可看出，各巷道圍巖形成橢圓形塑性區(qū)，應(yīng)力集中向兩幫轉(zhuǎn)移，最終在巷間煤柱中形成“駝峰”狀應(yīng)力集中，最大達(dá)到28 MPa，而與邊界大煤柱相鄰的應(yīng)力集中峰值較小，達(dá)到26 MPa左右。圖10(b)為巷間煤柱寬度為35 m時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)分布。由圖10(b)可得，雖然各巷道有塑性區(qū)發(fā)育，但遠(yuǎn)沒有貫通，相鄰塑性區(qū)間仍有約19 m未破壞區(qū)，結(jié)合圖10(a)可得，當(dāng)煤柱寬度為35 m時(shí)，其承載較大，整體載荷沒有向兩側(cè)護(hù)巷寬煤柱轉(zhuǎn)移，主要由巷間隔離煤柱承擔(dān)，所以應(yīng)力較高。

圖10 巷道群應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)分布特征(煤柱寬度35 m)

4.1.3 巷間煤柱寬度為55 m

如圖11(a)所示，巷間隔離煤柱寬度為55 m，大體規(guī)律與圖10(a)相似。在55 m寬的隔離煤柱中也形成“駝峰”狀應(yīng)力集中，最大達(dá)到27 MPa左右，只是與邊界大煤柱相鄰的應(yīng)力集中峰值與其相當(dāng)。圖11(b)為5條巷道形成的塑性區(qū)分布。從圖11(b)可以看出，各巷道間塑性區(qū)相距更遠(yuǎn)，結(jié)合圖11(a)分析，表明當(dāng)巷間煤柱寬度為55 m時(shí)，巷間煤柱與護(hù)巷寬煤柱均勻承載，且應(yīng)力峰值在3種方案中最小。

圖11 巷道群應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)分布特征(煤柱寬度55 m)

4.2 巷道圍巖時(shí)變特性影響

巷道開挖前，煤巖體應(yīng)力處于均布狀態(tài)，開挖后，巷道空洞處于卸荷狀態(tài)，而兩幫則處于彈塑性變形調(diào)整過程中，出現(xiàn)應(yīng)力局部集中，懸空頂板在重力作用下出現(xiàn)下沉趨勢(shì)，承載區(qū)向巷道兩幫遷移，由于兩幫近似二維受力，因此容易產(chǎn)生形變，覆巖開始向兩幫深處尋找更剛性、更堅(jiān)實(shí)的承載區(qū)。在巷道開挖后的圍巖重組織過程中表現(xiàn)出了各種時(shí)變特征。如圖12所示，反映了單一巷道一側(cè)圍巖時(shí)變特征，圖中為巷道圍巖初始應(yīng)力，()為巷道開挖后幫部煤巖應(yīng)力隨時(shí)間的變化。

圖12 巷道圍巖時(shí)變過程[24-25]

圖12中表示原巖區(qū)、表示塑性區(qū)、表示破碎區(qū)。圖12可反映巷道圍巖時(shí)變過程。尤其是孟村中央大巷此類永久性巷道，必然經(jīng)歷時(shí)變?nèi)^程，那么多組巷道布置，必然出現(xiàn)時(shí)變特性疊加效應(yīng)。

為了分析中央大巷群圍巖時(shí)變特性疊加效應(yīng)，采用FLAC數(shù)值模擬技術(shù)分析一段時(shí)間后的巷道群圍巖載荷與變形特性。也就是分析了當(dāng)巷間煤柱為35 m時(shí)，巷道兩幫煤柱經(jīng)過彈塑性區(qū)時(shí)變，兩幫塑性區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，此時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律如圖13所示。相比圖10(a)，圖13(a)中無論隔離煤柱中應(yīng)力還是兩側(cè)護(hù)巷寬煤柱中應(yīng)力都提高較大，由原來“駝峰”近似變?yōu)閱畏?，隔離煤柱應(yīng)力達(dá)到36 MPa，增長8 MPa；兩側(cè)護(hù)巷寬煤柱中應(yīng)力也達(dá)到了32 MPa左右。圖13(b)反映出了隨著時(shí)間的延續(xù)，巷間煤柱彈性區(qū)在減小，結(jié)合圖13(a)，表明由于巷道圍巖應(yīng)力、物性的隨時(shí)間變化，產(chǎn)生時(shí)變特性疊加效應(yīng)，其穩(wěn)定性也會(huì)受到影響，這一規(guī)律與前文力學(xué)分析結(jié)論相吻合。

圖13 圍巖變形后巷道群應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)分布特征(煤柱寬度35 m)

5 沖擊地壓防治方法

5.1 原理與方案

由前文機(jī)理分析可知，造成中央大巷側(cè)向塑性區(qū)寬度不斷加大、煤柱彈性核寬度不斷減小，應(yīng)力不斷集中的根本原因是上覆厚硬頂板長梁式懸臂與下沉，并且隨時(shí)間變化不斷加劇，直至斷裂產(chǎn)生誘發(fā)沖擊的動(dòng)載荷。因此，如圖14所示，防治該類沖擊地壓發(fā)生，如果只在煤層中做卸壓工作，頂板未處理，煤體應(yīng)力隨時(shí)間延長會(huì)恢復(fù)。必須針對(duì)煤層上覆厚硬頂板，人為致裂，使其長梁變短梁，大塊變小塊，從而不再具備懸臂功能，相鄰巷道疊加側(cè)向支承壓力由接近極限的2變?yōu)閴毫押蟮?span id="j5i0abt0b" class="subscript">3，也使得其上覆載荷由硬傳遞變?yōu)檐泜鬟f，達(dá)到降低巷道圍巖載荷，防治沖擊地壓目的。

注：kyt3γh,ket3γh分別為壓裂后t3時(shí)刻中央一號(hào)回風(fēng)巷南幫、中央二號(hào)回風(fēng)巷北幫的支承壓力

基于以上原理，考慮到井下千米鉆進(jìn)深孔壓裂半徑約為20 m及井下巷道安全性，結(jié)合中央大巷壓力拱發(fā)育高度，以大巷上覆45 m高度的粉砂巖為目標(biāo)層位，在中央運(yùn)輸大巷里程600 m處設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng)，采用千米鉆機(jī)進(jìn)行目標(biāo)巖層深孔壓裂，如圖15(a)所示，鉆場(chǎng)內(nèi)布置5個(gè)鉆孔，由鉆場(chǎng)開口呈扇形輻射至5條大巷煤柱上覆頂板中。設(shè)計(jì)壓裂層位距巷道高度以上45 m位置，孔1、孔2、孔3、孔4間距約40 m，孔5位于大巷保護(hù)煤柱上方，與孔4間距約70 m，如圖15(b)所示。

圖15 頂板千米順層區(qū)域壓裂鉆孔布置

采用上述方案于2020-06-13—08-15完成了頂板區(qū)域壓裂施工，1～5號(hào)鉆孔累計(jì)鉆進(jìn)進(jìn)尺2 538 m，壓裂長度2 115 m，壓裂50次。具體施工流程為：固定千米鉆機(jī)→打孔→連接壓裂工具串→開動(dòng)壓裂泵→管路測(cè)壓→封隔壓裂→穩(wěn)壓注水→停泵放水與檢測(cè)→退管柱→下分段壓裂作業(yè)。壓裂采用倒退式分段壓裂法，分段間距約15 m(具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔內(nèi)坐封情況調(diào)整)，鉆孔拐彎段也進(jìn)行壓裂。壓裂過程中初始裂縫起裂后水壓會(huì)有所下降，繼而進(jìn)入保壓階段，在這個(gè)階段，裂紋擴(kuò)展的同時(shí)伴隨著新裂紋的產(chǎn)生，利用電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量及注入的水量，保證頂板巖層充分破裂軟化。壓裂過程中觀測(cè)臨近長鉆孔及周圍頂板出水情況，壓裂時(shí)間一般不少于30 min。

5.2 效果分析

圖16為頂板壓裂前后微震與地音監(jiān)測(cè)傳感器布置方案。其中在構(gòu)造區(qū)域布置微震傳感器4個(gè)，地音傳感器7個(gè)。

圖16 頂板壓裂微震、地音監(jiān)測(cè)方案

圖17為頂板壓裂前后50 d微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。對(duì)比壓裂前50 d(5月24日—7月12日)和壓裂后50 d(8月16日—10月4日)微震活動(dòng)情況，可以看出微震事件由壓裂前的79次降低至壓裂后的44次，降低了44.3%，總能量由4.04×10J降至6.73×10J，降低了83.3%。表明厚層堅(jiān)硬頂板得到有效預(yù)裂，覆巖載荷分布趨于均勻，局部承載至巖層破斷事件降低明顯。

圖17 頂板壓裂前后50 d微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖18為頂板壓裂前后構(gòu)造區(qū)中央大巷微震事件分布。從圖18可以看出,壓裂后各類微震事件頻次降低明顯，大能量級(jí)微震事件消失。表明頂板壓裂效果顯著。

圖18 頂板壓裂前后50 d微震事件分布

頂板壓裂前后50 d地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出巨大變化，以中央二號(hào)輔運(yùn)大巷地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，9號(hào)地音探頭監(jiān)測(cè)地音頻次由19 345次降至1 854次，降低了90.4%，總能量由5.17×10J降至1.26×10J，降低了75.6%。中央二號(hào)輔運(yùn)大巷8號(hào)地音探頭監(jiān)測(cè)地音頻次由20 646次降低至2 965次，降低了85.6%，總能量由6.32×10J降至1.50×10J，降低了76.3%。

除了微震、地音監(jiān)測(cè)外，巷道錨桿錨索測(cè)力計(jì)數(shù)據(jù)分析無明顯變化，錨桿錨索屬于主動(dòng)支護(hù)，錨桿錨索受力的降低往往是在錨固體受損的情況下出現(xiàn)，受力曲線沒有降低說明水力壓裂并沒有導(dǎo)致巷道支護(hù)能力下降，這對(duì)防沖是有利的。

截止到目前，再?zèng)]有出現(xiàn)過沖擊地壓顯現(xiàn)或4次方及以上微震事件。

6 結(jié) 論

(1)中央大巷構(gòu)造區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性探測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，DF29斷層面附近波速傳播異常指數(shù)較小，而在斷層上盤與X1向斜共同影響區(qū)，波速傳播異常指數(shù)較大，沖擊危險(xiǎn)性較高，“斷層-褶曲”復(fù)合作用下，微震事件發(fā)生與分布規(guī)律驗(yàn)證了該觀點(diǎn)。

(2)中央大巷構(gòu)造區(qū)域，斷層、褶曲、埋深等提供了高應(yīng)力基礎(chǔ)環(huán)境，服務(wù)周期長的大巷群圍巖時(shí)變特性疊加效應(yīng)促使巷間煤柱靜載荷高度集中，懸空面積增大的頂板斷裂，產(chǎn)生動(dòng)載荷對(duì)煤柱靜載荷擾動(dòng)誘發(fā)沖擊地壓啟動(dòng)。

(3)造成中央大巷巷間煤柱靜載荷高度集中的根本原因是上覆厚硬頂板長梁式懸臂與下沉，并且隨時(shí)間變化不斷加劇，直至斷裂產(chǎn)生了誘發(fā)沖擊的動(dòng)載荷。提出該類沖擊地壓防治，應(yīng)該針對(duì)煤層上覆厚硬頂板，人為致裂，使其長梁變短梁，大塊變小塊，從而不再具備懸臂功能，也使得其上覆載荷由硬傳遞變?yōu)檐泜鬟f，采用千米鉆機(jī)進(jìn)行目標(biāo)巖層深孔壓裂試驗(yàn)，達(dá)到了降低巷道圍巖載荷，防治沖擊地壓目的。