褶曲向斜構造區巷道底板失穩沖擊機理與防治技術研究

陳永平 劉 鵬 陳錫慶 高元宏

(1. 青海省第二地質礦產勘查院，青海省西寧市，810028；2. 青海省水文地質工程地質環境地質調查院，青海省西寧市，810008)

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褶曲向斜構造區巷道底板失穩沖擊機理與防治技術研究

陳永平1劉 鵬1陳錫慶2高元宏1

(1. 青海省第二地質礦產勘查院，青海省西寧市，810028；2. 青海省水文地質工程地質環境地質調查院，青海省西寧市，810008)

針對余吾礦N2105工作面回采至褶曲向斜構造區時，超前工作面煤壁一定范圍內的進風平巷內出現嚴重的底鼓變形破壞，發生了兩次底板沖擊地壓事故，采用現場調研、理論分析、數值模擬、微震監測、井下試驗等方法觀測礦壓，對向斜構造區底板失穩破壞機制與控制對策進行研究。研究結果表明：褶曲向斜構造區側壓系數λ在1.56～2.18之間，屬于強構造應力區；當側壓系數λ大于1.5后，巷道底板塑性破壞區范圍急劇增加，底板煤巖體穩定性惡化；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力集中，對頂底板變形破壞有很好的防治作用。

向斜構造 底板沖擊 數值模擬 大孔徑卸壓 礦壓觀測

隨著國內煤礦開采深度的增加，開采過程中遇到的復雜地質構造等因素會造成巷道嚴重的底鼓破壞，甚至造成底板沖擊地壓事故的發生。針對受水平構造應力影響嚴重的巷道，由于其底板受力狀態復雜多變，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生。因此，研究底鼓和底板沖擊發生的機理對我國煤礦安全生產具有重要意義。

本文以余吾礦N2105工作面具體地質條件為背景，基于理論分析和數值模擬研究，結合微震系統實時監測，提出在加固底板的基礎上采用大直徑鉆孔對巷幫煤體卸壓，進而實現對底板的有效控制。

1 工作面概況

N2105工作面為北風井東翼采區首采工作面，工作面地面標高1002～1027 m，井下標高430～495 m，工作面平均埋深為490 m。N2105工作面進風平巷在里程1600～2000 m處位于褶曲構造區。

N2105工作面回采過程中，當工作面回采至褶曲構造區時，超前工作面煤壁進風平巷底板多處發生底鼓現象，并發生了2次嚴重的巷道底板沖擊地壓事故。事故發生后，對北風井東翼采區煤巖樣進行了沖擊傾向性鑒定。測試結果顯示，3號煤層的動態破壞時間為129.4 ms，彈性能量指數為4.259，沖擊能量指數為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 褶曲構造區底板沖擊破壞機理

2.1 底板破壞概況

N2105工作面回采至褶曲構造區時，進風平巷底板出現多處底鼓變形，使得原本經水泥硬化處理過的巷道底板破壞嚴重，嚴重的地方甚至發生底板沖擊地壓，造成底板煤巖體瞬間向巷道空間內彈出，如圖1所示。同時，布置于進風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，嚴重時甚至會導致瓦斯爆炸事故的發生，對礦井安全生產和人員的安全作業造成嚴重威脅。

N2105進風平巷兩次底板沖擊地壓事故發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生時，工作面大致推進至里程1700 m處，沖擊顯現范圍從超前工作面煤壁95 m處開始，在進風平巷里程1800～2000 m范圍內多處發生了嚴重的底鼓破壞。由圖2(b)可知，第二次底板沖擊地壓發生時，工作面大致推進至里程1450 m處，沖擊顯現范圍從超前工作面煤壁222.5 m處開始，在進風平巷里程1700～1800 m范圍內多處發生了嚴重的底鼓破壞。

圖1 N2105進風平巷底板破壞

圖2 兩次底板沖擊顯現位置平面圖

兩次嚴重的巷道底板沖擊地壓發生后，通過對N2105工作面地質狀況進行分析，得知有一向斜構造沿著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造的兩側，褶曲構造所產生的水平構造應力對N2105工作面進風平巷底板擠壓作用明顯。通過對回風平巷褶曲構造區進行地應力測量，可知水平構造應力與垂直應力的比值λ(側壓系數)最小為1.56，最大為2.18，地應力測試結果表明褶曲構造區以水平構造應力為主，其值大于該礦區以往所測其他采區側壓系數平均值，為強構造應力影響區。

2.2 底板沖擊破壞機理

N2105工作面進風平巷底板破壞力學模型如圖3所示。根據太沙基理論，巷道底板在水平構造應力σx和兩幫集中應力σy的共同作用下，超過了底板煤巖體的極限承載能力，煤巖體由彈性應力狀態轉變為塑性應力狀態，底板煤巖體剪切破壞沿著連續滑動面從底板向巷道內擠出，當擠出力度大于底板表面水泥的抗壓強度時，巷道底板產生底鼓變形。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變能以震動應力波的形式向周圍空間釋放，產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，導致底板煤巖體瞬間破壞，大塊煤巖體被彈起，進而造成底板沖擊地壓事故。

圖3 底板沖擊破壞力學模型

由圖3可知，水平構造應力σx和兩幫垂直應力σy矢量疊加滿足下式：

≥Ubmin

(1)

式中：σx——水平構造應力，MPa；

σy——兩幫垂直應力，MPa；

Ubmin——底板發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，水平構造應力σx的大小直接影響著動靜載荷組合疊加總能量的大小，且水平構造應力對底板的擠壓力使得底板進一步失穩破壞，從而使得底板沖擊更容易發生。

2.3 數值模擬

以N2105工作面地質條件為基礎，運用FLAC2D數值模擬軟件，建立巷道的二維平面應變有限元模型，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進風平巷為半拱形巷道，巷道尺寸為4.5m×3.8m，煤巖力學參數根據實驗室測定結果確定見表1。

表1 巷道圍巖的力學特性參數

運用FLAC2D軟件分別模擬了不同水平構造應力條件下進風平巷底板煤巖體塑性區的演化特征，側壓系數分別取值為0.5、1.0、1.5、2.0和2.5時的模擬結果如圖4所示。由圖4中5種不同的側壓系數條件下底板塑性區變化情況可知，隨著側壓系數的增大，巷道底板塑性區深度范圍不斷擴大，同時塑性區范圍向底板兩底角方向延伸擴大，從而使得巷道底板穩定性急劇下降。

圖4 不同側壓系數時底板塑性區

側壓系數與底板塑性區深度之間的關系如圖5所示。由圖5可知，隨著側壓系數的增大，存在一突變點，即λ=1.5處。當λ>1.5后，巷道底板塑性區范圍隨著側壓系數的增加急劇擴大，底板圍巖穩定性急劇惡化，極易受到N2105工作面回采擾動影響而誘發嚴重的底板沖擊地壓事故。

圖5 側壓系數與底板塑性區深度關系

3 微震監測與卸壓防治

N2105工作面進風平巷底板發生的兩次沖擊地壓事故對礦井的安全高效生產帶來了嚴重的阻礙，造成了巨額的經濟損失。為了有效防治該類沖擊災害的再次發生，礦方聯合科研單位對N2105工作面裝備了沖擊地壓監測設備，旨在通過微震科學技術手段實時監測，揭示巷道底板沖擊發生機制，實現危險性預評價和判定危險區域，從而實現提前解危和保障安全生產的目的。

3.1 微震監測

微震監測系統是一種區域性、實時的監測手段。利用微震監測系統對N2105工作面微震事件進行實時監測、定位、統計、分析，揭示巷道底板沖擊發生機制，實現工作面沖擊危險區的提前預測和判定，進而提前做好防沖卸壓措施，實現防止沖擊地壓發生的目的。

N2105工作面微震系統共有8個監測探頭，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測系統監測到的數據采集分析，形成微震事件分布圖。安裝微震監測系統后，一定時間內監測到的能量數據統計結果如圖6所示。由圖6可知，隨著工作面遠離褶曲向斜軸中部，震動頻次和能量均呈現出下降趨勢，說明隨著遠離褶曲向斜軸中部，側壓系數減小，巷道底板巖體穩定性增強，這與數值模擬結果吻合。

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生，在N2105工作面后續回采過程中，在工作面煤壁后方250m和前方100m的進風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測數據

圖7 大孔徑卸壓孔布置方案圖

根據N2105工作面地質條件建立的巷道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力狀態如圖8所示。由圖8可以看出，卸壓前巷道頂底板應力集中明顯，最大應力高于19.9MPa，極易在回采動力擾動作用下發生底板沖擊地壓；卸壓后巷道頂底板應力集中明顯消除，使得巷道圍巖處于較穩定狀態，不易發生巷道底板沖擊地壓。

礦方實施大直徑鉆孔卸壓以來，在進風平巷中布置了6個測點(KD1、KD2、KD3、KD4、KD5和KD6)對頂底板變形量進行監測，測點間距為20m，總共監測范圍長100m，監測結果如圖9所示。

圖8 卸壓前后巷道淺部圍巖應力狀態

圖9 頂底板移近量位移曲線

由圖9可以看出，巷道頂底板變形量在實施鉆孔卸壓措施后，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巷道幫部煤體所處應力環境良好，應力集中得到很好的轉移，對底鼓的發生有很好的防治作用。

4 結論

(1)N2105工作面進風平巷所處褶曲構造區水平構造應力與垂直應力的比值λ(側壓系數)最小為1.56，最大為2.18，為強構造應力場。水平構造應力大小直接影響著動靜載荷組合疊加總能量的大小，且水平構造應力對底板的擠壓力使得底板進一步失穩破壞，從而使得底板沖擊更容易發生。

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

(3)大直徑鉆孔應力轉移及卸壓效果良好，卸壓后，底鼓量明顯減小，頂底板最大移近量不超過90mm，底板控制效果良好。

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(責任編輯 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(青地調勘2013-238，青地調勘2014-426)

陳永平，劉鵬，陳錫慶等. 褶曲向斜構造區巷道底板失穩沖擊機理與防治技術研究 [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，青海化隆人，探礦工程師，主要研究方向為地質鉆探施工技術、隧道工程、礦山控制爆破。