動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)下碎裂煤巷圍巖沖擊破壞研究

姚亞虎 楊增強(qiáng) 張慶華 魏 臻

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037； 2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

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★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★

動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)下碎裂煤巷圍巖沖擊破壞研究

姚亞虎1,2楊增強(qiáng)3張慶華1,2魏 臻3

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037； 2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

羊場(chǎng)灣煤礦1306孤島工作面運(yùn)輸巷受頂板強(qiáng)烈動(dòng)載擾動(dòng)作用發(fā)生巷道沖擊地壓，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、微震監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬等手段，對(duì)動(dòng)靜載疊加作用對(duì)巷道圍巖的影響進(jìn)行了研究。基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沖擊地壓發(fā)生期間頂板大能量震動(dòng)事件定位為依據(jù)，根據(jù)具體地質(zhì)條件應(yīng)用數(shù)值模擬方法建模分析了不同強(qiáng)度動(dòng)載擾動(dòng)作用下巷道圍巖應(yīng)力和位移演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著動(dòng)載震源與巷道距離的增加，巷道頂?shù)装迨艿降挠绊懶Ч眲∷p，而兩幫受到的影響效果成比例下降。

動(dòng)靜載 碎裂巷道 微震監(jiān)測(cè) 沖擊地壓 數(shù)值模擬

沖擊地壓是指礦山壓力超過(guò)煤巖體的極限強(qiáng)度，聚集在巷道周?chē)簬r體中的能量突然猛烈釋放，造成煤巖體震動(dòng)、破壞拋向采掘空間、支架與設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道破壞等。研究表明，爆破、頂?shù)装迤茢唷鄬踊频榷寄墚a(chǎn)生震動(dòng)從而形成動(dòng)載荷。動(dòng)載荷通過(guò)彈性應(yīng)力波的形式傳播與煤礦開(kāi)采形成的集中靜載荷疊加形成動(dòng)靜載疊加效應(yīng)，動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)能夠?qū)ο锏绹鷰r的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。統(tǒng)計(jì)資料表明，在煤層開(kāi)采過(guò)程中約72.6%沖擊地壓事故發(fā)生在巷道中，使得針對(duì)動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)對(duì)巷道圍巖沖擊破壞的研究具有深遠(yuǎn)意義。

本文根據(jù)羊場(chǎng)灣煤礦1306工作面回采過(guò)程中運(yùn)輸巷發(fā)生的一次沖擊地壓事故，在理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，分析了動(dòng)靜載疊加作用與單獨(dú)靜載作用下巷道圍巖變形破壞特征，并對(duì)不同動(dòng)力擾動(dòng)強(qiáng)度作用下巷道圍巖應(yīng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，旨在對(duì)受劇烈動(dòng)力擾動(dòng)巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供一定的指導(dǎo)。

1 工程概況

羊場(chǎng)灣煤礦1306工作面為孤島工作面，位于一采區(qū)東部，其西北方向?yàn)?305綜放工作面采空區(qū)，東北方向以肖家莊一號(hào)支一斷層為界，與七采區(qū)7301綜放工作面采空區(qū)相鄰，切眼位于肖家莊一號(hào)支一斷層西南側(cè)，東南方向以井田技術(shù)邊界保護(hù)煤柱與東灘煤礦相鄰，西南方向?yàn)楣偾f二號(hào)斷層及一采區(qū)運(yùn)輸巷和一采區(qū)軌道巷。1306工作面平均埋深526 ～ 610 m，主采3#煤層，采用綜合放頂煤開(kāi)采方法。煤層厚度為8.9～ 12.3 m，平均厚度為9 m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裂隙發(fā)育，煤巖體強(qiáng)度低，軟弱易碎，直接頂泥巖中所含的主要粘土礦物成份為高嶺石和伊利石。1306工作面具體情況如圖1所示。

圖1 1306工作面平面布置圖

1306工作面回采過(guò)程中，30 d內(nèi)運(yùn)輸巷發(fā)生了多次嚴(yán)重的沖擊地壓顯現(xiàn)事故，造成了大范圍的冒頂事故，并伴隨有底板鼓起和兩幫內(nèi)擠嚴(yán)重變形等，影響范圍超過(guò)70 m，給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的阻礙，1306運(yùn)輸巷沖擊地壓事故現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

事故發(fā)生后，通過(guò)礦方安裝的SOS微震監(jiān)系統(tǒng)對(duì)工作面回采過(guò)程中工作面附近的礦震能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)平面圖監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，1306工作面回采過(guò)程中，工作面前方靠近1306運(yùn)輸巷的位置發(fā)生了一次能量級(jí)在104～105J的大能量事件，由圖3(b)剖面圖可以看出，此次事件發(fā)生于巷道上方的覆巖中，正是這次事件誘發(fā)了1306運(yùn)輸巷沖擊地壓事故的發(fā)生。

圖2 1306運(yùn)輸巷沖擊地壓事故現(xiàn)場(chǎng)

圖3 礦震震源分布圖

2 動(dòng)靜載疊加機(jī)理分析

根據(jù)能量準(zhǔn)則，沖擊地壓的發(fā)生是由于煤體-圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時(shí)所釋放的能量大于所消耗的能量時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象，可用下式表示：

(1)

式中：t——時(shí)間，s；

UJ——圍巖中儲(chǔ)存的能量，J；

UC——煤體中儲(chǔ)存的能量，J；

US——礦震能量，J；

UB——沖擊地壓發(fā)生時(shí)消耗的能量，J。

煤巖體中儲(chǔ)存的能量和礦震能量U可用下式表示：

(2)

式中：σj——煤巖體中的靜載荷，Pa；

σd——礦震形成的動(dòng)載荷，Pa；

E——彈性模量，Pa。

而沖擊地壓發(fā)生時(shí)消耗的最小能量可用下式表示：

(3)

式中：σbmin——發(fā)生沖擊地壓時(shí)的最小載荷。

因此，沖擊地壓的發(fā)生需要滿(mǎn)足如下條件，即：

σj+σd≥σbmin

(4)

由式(4)可知，采掘空間周?chē)簬r體中的靜

載荷與礦震形成的動(dòng)載荷疊加超過(guò)了煤巖體沖擊的最小載荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，即為沖擊地壓發(fā)生的動(dòng)靜疊加原理，其示意圖如圖4所示。

圖4 沖擊地壓的動(dòng)靜疊加原理示意圖

3 動(dòng)靜載疊加數(shù)值模擬

3.1FLAC2D數(shù)值模型建立

采用FLAC2D建立二維數(shù)值模型，模型總長(zhǎng)度為390m，總高度170m。1306工作面兩側(cè)各開(kāi)挖5.5m×4.5m的大斷面巷道，1306工作面和1305采空區(qū)長(zhǎng)度如圖5所示。模型上部320m巖層采用均布載荷來(lái)代替，模型下部邊界為固支約束，兩側(cè)限制X方向的位移，重力加速度g取9.8 m/s2。模型巖層屬性賦值依據(jù)該煤礦18號(hào)鉆孔資料，3#煤層主要頂?shù)装鍘r層物理屬性如表1所示。

表1 3#煤頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)參數(shù)

模擬震源位置依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的104～105J的大能量事件具體坐標(biāo)確定。震源形式采用剪切波，震動(dòng)主頻率f=50 Hz，震動(dòng)能量E=4.55×105J。數(shù)值模擬初始模型和震源位置如圖5所示。

3.2 靜載與動(dòng)靜載作用分析

模擬過(guò)程中，在1306運(yùn)輸巷頂板上方1 m和底板下方1 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)動(dòng)靜載情況下和不同震源情況下這些點(diǎn)的應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。監(jiān)測(cè)到的靜載和動(dòng)靜載疊加作用情況下巷道頂?shù)装鍛?yīng)力變化情況如圖6所示。

圖5 數(shù)值模擬初始模型

圖6 頂?shù)装鍛?yīng)力變化數(shù)值模擬結(jié)果

由圖6可知，在震源產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)，巷道的頂?shù)装逅查g產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力增量，巷道應(yīng)力隨著震動(dòng)波周期性波動(dòng)，使其圍巖頂?shù)装鍛?yīng)力在動(dòng)靜載擾動(dòng)作用開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)也隨其發(fā)生周期性波動(dòng)，但隨后應(yīng)力逐漸減小直到保持基本穩(wěn)定，靜載情況下應(yīng)力沒(méi)有波動(dòng)。

靜載作用下巷道頂板受到11.3 MPa的載荷作用，底板受到5.8 MPa的載荷作用；動(dòng)靜載疊加作用下巷道頂板受到15.6 MPa的載荷作用，底板受到9.1 MPa的載荷作用。因此在動(dòng)靜載疊加作用下巷道頂板受力增加4.3 MPa，底板增加3.3 MPa，巷道頂板比底板更容易發(fā)生沖擊破壞。

監(jiān)測(cè)到的靜載和動(dòng)靜載疊加作用情況下巷道頂?shù)装逦灰谱兓闆r如圖7所示。由圖7可知，在震源產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)，巷道的頂?shù)装逅查g產(chǎn)生一個(gè)位移增幅，頂板瞬間位移量可達(dá)245 mm，底板瞬間位移量可達(dá)196 mm，相比于靜載作用下頂板位移量為86 mm，底板為80 mm，頂?shù)装逶趧?dòng)靜載擾動(dòng)作用下極容易發(fā)生沖擊破壞。

圖7 頂?shù)装逦灰谱兓瘮?shù)值模擬結(jié)果

3.3 動(dòng)靜載疊加強(qiáng)度分析

改變震源(動(dòng)載)位置來(lái)分析動(dòng)靜載疊加強(qiáng)度對(duì)巷道圍巖的影響。分別模擬震源距離巷道垂直距離為20 m、40 m和60 m時(shí)，巷道圍巖受力特征變化情況。隨著震源位移不同，動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)強(qiáng)度也不同，巷道圍巖(頂板、底板和兩幫)應(yīng)力變化情況如圖8所示，圍巖應(yīng)力與震源距離整體關(guān)系如圖9所示。

由圖8和圖9可知，巷道圍巖(頂板、底板和兩幫)具有相同的應(yīng)力響應(yīng)特征，即當(dāng)震源距巷道20 m時(shí)，巷道圍巖受到強(qiáng)烈動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)作用，圍巖應(yīng)力水平普遍較高，極易發(fā)生沖擊破壞。當(dāng)震源距巷道40 m和60 m時(shí)，動(dòng)靜載疊加對(duì)巷道圍巖應(yīng)力水平影響普遍下降，且頂板和底板下降幅度最為明顯，說(shuō)明隨著震源距離的增加，動(dòng)靜載疊加對(duì)巷道頂?shù)装逵绊懶Ч眲∷p。因此，把巷道布置在遠(yuǎn)離震動(dòng)源的位置能夠很好地保護(hù)巷道受動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)影響。而對(duì)于兩幫，應(yīng)力水平與震源位置基本成比例下降，說(shuō)明震源距離對(duì)兩幫的應(yīng)力水平影響較大，只有震源與巷道距離足夠遠(yuǎn)，才能保證兩幫不受巷道沖擊破壞影響。

圖8 圍巖應(yīng)力變化數(shù)值模擬結(jié)果

圖9 圍巖應(yīng)力與震源距離關(guān)系

4 結(jié)論

基于1306工作面運(yùn)輸巷某次沖擊破壞事故為例，對(duì)靜載和動(dòng)靜載疊擾動(dòng)作用下巷道圍巖應(yīng)力和位移變化情況數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明：

(1)相比于靜載作用，動(dòng)靜載疊加作用下巷道頂板和底板極易處于較高的應(yīng)力和位移水平，從而易發(fā)生沖擊破壞。

(2)震源距離巷道垂直距離為20 m、40 m和60 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力響應(yīng)特征也不同。

(3)頂?shù)装逶谡鹪淳嚯x為40 m和60 m時(shí)，基本受動(dòng)靜載疊加影響較小，說(shuō)明隨著震源距離的增加，動(dòng)靜載疊加對(duì)巷道頂?shù)装逵绊懶Ч眲∷p；兩幫在震源距離為20 m、40 m和60 m時(shí)，動(dòng)靜載疊加對(duì)兩幫影響基本成比例下降，說(shuō)明震源距離對(duì)兩幫影響較大。

(4)使震源盡量遠(yuǎn)離巷道，并對(duì)巷道圍巖加強(qiáng)支護(hù)，尤其是要對(duì)兩幫和頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，能夠有效降低巷道發(fā)生沖擊地壓事故的幾率。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Study on mechanism of rock burst in cataclastic roadway under superposition load disturbance

Yao Yahu1,2, Yang Zengqiang3, Zhang Qinghua1,2, Wei Zhen3

(1.State Key Lab of Gas Disaster Monitoring and Emergent Technology, Shapingba, Chongqing 400037, China; 2. Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology Engineering Group Corporation, Shapingba, Chongqing 400037, China; 3. School of Resource and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Headgate of 1306 work face at Yangchangwan Mine was under strong dynamic load from roof and rock burst in roadway occurred. By utilizing field investigation, theoretical analysis, microseismic monitoring and numerical simulation, this paper studied the influence of load superposition effect on the movement of surrounding rock. Based on microseismic monitoring system of roof energy vibration occurred during rock burst incident location, according to specific geological conditions, applying numerical simulation method to analyze different intensity of dynamic load disturbance of surrounding rock stress and displacement evolution. The results showed that with the increase of distance between dynamic load source and roadway, the influence of strata pressure on roof and floor decreased rapidly, and the effect of roadway side decreased proportionally.

superposition load, cataclastic roadway, microseismic monitoring, rock burst, numerical simulation

“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0801404)，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金計(jì)劃(2013ZD002)

姚亞虎，楊增強(qiáng)，張慶華等. 動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)下碎裂煤巷圍巖沖擊破壞研究 [J] . 中國(guó)煤炭，2017，43(4)：53-57. Yao Yahu, Yang Zengqiang, Zhang Qinghua, et al. Study on mechanism of rock burst in cataclastic roadway under superposition load disturbance [J] . China Coal，2017,43(4)：53-57.

TD324

A

姚亞虎(1987-)，男，陜西銅川人，碩士，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。