褶曲構造帶臨空巷道圍巖應力演化及沖擊地壓防治技術

劉 暢，張 宇，宋 潔，許日成

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；3.煤炭科學技術研究院有限公司 檢測分院，北京 100013；4.徐州市檢驗檢測中心，江蘇 徐州 221111）

近些年，隨著我國科技水平全面進步，煤礦支護方面也相應的進行了技術方面的革新。尤其液壓支架機械化水平的大幅提升，致使工作面支護效果進一步提高，進而工作面回采期間受劇烈動載擾動影響誘發沖擊顯現的可能性大幅減小。工作面兩側回采巷道相對于工作面的支護強度明顯要弱，因此目前大部分沖擊顯現多集中于巷道內，尤其靠近采空區側的沿空巷道沖擊顯現更加頻繁[1-2]。相關文獻表明[3-4]，75%以上的沖擊地壓事故發生于工作面兩側巷道內，尤其是超前工作面0～80 m 范圍內占比極高。特別是當工作面在褶曲等復雜地質構造區回采時，煤巖體動力災害是研究的難點[5]?？梢?，針對巷道內尤其是超前工作面的巷道段的沖擊地壓防治研究，對于礦井的安全生產意義重大[6-7]。目前巷道沖擊地壓的研究主要從沖擊發生機理、卸壓防治及加強支護等多方面進行了相對獨立、專門的研究[8-11]，很少考慮煤層傾角變化對巷道圍巖應力分布特征的影響。

1 工程概況

1.1 采區地質概況

甘肅靖遠煤業寶積山礦在開采東翼七采區時，由于該采區所處位置為一向斜褶曲構造的翼部區域，因此采區內不同工作面沿傾向傾角均不同，且相鄰工作面之間沿傾向方向傾角呈現出漸變遞減規律。當七采區內705 綜放工作面回采時，其相鄰的上部為703 和701 采空區，下部為實體煤。采區內目前回采的705 綜放工作面已進入深部1 020 m 水平，對應地面標高在1 614～1 620 m 之間，工作面平均埋深600 m。

705 綜放工作面主采1#煤層，該層煤結構穩定且單一，少有夾矸層存在，且煤層均厚為10.78 m。整個七采區內，隨著煤層向下部開采，煤層傾角趨于減小，傾角變化范圍為6°～48°。七采區內各工作面相對位置關系剖面如圖1。

圖1 七采區工作面位置剖面圖Fig.1 The face position profile of the seventh mining area

1.2 沖擊地壓事故概況

705 綜放工作面回采期間，于2018 年7 月18 日在回風巷內發生了嚴重的沖擊地壓事故。當工作面推進至距開切眼46 m 位置時，于工作面前方45 m 位置處發生沖擊地壓，破壞波及巷道范圍長達82 m，“7·18”沖擊事故位置及巷道變形破壞情況如圖2。

圖2“7·18”沖擊地壓事故位置關系平剖面圖Fig.2 Flat profile of location relation of“7·18”rockburst accident

由圖2 可知：此次沖擊地壓顯現位于工作面沿空巷道超前段范圍內，沖擊造成了巷道煤柱幫和底板煤體拋向巷道內，造成了多處單體支柱折斷、錨網索支護失效以及嚴重底鼓的發生。

1.3 1#煤層及頂底板沖擊傾向性測試結果

根據國標GB/T 25217.2—2010《煤巖沖擊傾向分類及指數測定方法》、MT—T174—2000《巖石沖擊傾向性分類及指數的測定方法》、GBT 25217.1—2010《頂板巖層沖擊傾向分類及指數的測定方法》，在705 采區1#煤層采集煤巖樣、加工試樣、開展測試。試驗結果見表1、表2。

表1 1#煤層沖擊傾向性測試結果Table 1 The burst tendency test result of 1#coal seam

表2 1#煤層頂板、底板巖層彎曲能量指數Table 2 The burst tendency test result of 1#coal seam

沖擊傾向性測試結果表明：1#煤層具有（Ⅲ類）強沖擊傾向性，頂板具有（II 類）弱沖擊傾向性，底板具有（II 類）弱沖擊傾向性。

2 褶曲構造帶應力特征及沖擊發生機理

2.1 褶曲構造應力特征

煤礦沖擊地壓與所處煤層地應力直接相關。褶曲構造通常是應力集中的區域。褶曲構造從發生、發展到形成，是1 個隨時間逐漸演變的非穩定構造應力場。通過數值模擬對水平加載作用下褶皺形成過程中最大水平應力和變形演化規律進行探討，并在此基礎上探討工作面開采導致的局部應力場變化特征。根據煤巖樣力學性能測試結果，數值模型計算中所用的煤巖樣物理力學參數見表3。

表3 模型巖性力學特性參數Table 3 Parameters of lithological and mechanical properties of the model

多層褶皺形成過程中最大水平應力隨水平應變的變化如圖3，加載作用下褶皺中最大水平應力分布如圖4。由圖3、圖4 可以看出：褶皺出現之前，巖層中的最大水平應力與水平應變近似成線性關系，上升幅度??；當褶皺出現后，最大水平應力隨水平應變呈非線性急劇增長。褶曲構造帶應力集中程度高是導致沖擊發生的內因。

圖3 多層褶皺形成過程中最大水平應力隨水平應變的變化Fig.3 Variation of maximum horizontal stress with horizontal strain during the formation of multilayer folds

圖4 加載作用下褶皺中最大水平應力分布Fig.4 Distribution of maximum horizontal stress in folds under loading

2.2 臨空巷道圍巖應力隨煤層傾角變化規律

褶曲的出現會導致煤層存在傾角。傾角的不同還會引起的集中應力的變化。采空區頂板沿傾斜方向按彈性地基梁理論建立的力學模型如圖5，基于圖5 分析作用在采空區兩側煤體上的應力集中。

圖5 沿煤層傾斜方向側向支承壓力簡化模型Fig.5 Simplified model of lateral abutment pressure along inclined direction of coal seam

基于Winkler 彈性地基假定[12-13]可知：

式中：q 為作用在頂板上的垂向應力，kN；y 為頂板垂向位移量，m；k 為彈性地基墊層系數，MPa。

由于采空區上方基本頂沿傾向方向呈對稱性，因此以采空區中部為對稱軸，取其一半進行受力分析。參照Timoshenko 解，可以得到基本頂彎曲變形微分方程為：

式中：E 為彈性模量，GPa；I 為基本頂橫截面的慣性矩，m4；N 為軸向力，MN；p 為基本頂上方均布載荷，MPa。

基本頂的垂向位移量表達式：

式中：M0為邊界處彎矩，MN·m；Q0為邊界處剪力，MN；s、r、α、β 為計算過程中的中間參量，其中：s=N/EI，r2=k/EI，α＝（r/2-s/4）1/2，β＝（r/2+s/4）1/2；x 為距離原點坐標距離，m。

由式（1）可知兩側支撐煤體所受垂向壓應力與垂向位移量呈線性關系，比例系數為-k。因此可用垂向位移量的變化規律來反應基本頂對兩側支撐煤體垂向壓應力作用情況。由式（3）可知垂向位移量與煤層傾角之間存在一定關系，分析可知：對于處于下側的支撐煤層，隨著煤層傾角減小，平行于頂板的軸向力N 增大，導致α 減小、β 增大，即引起衰減的因素e-αx作用減弱，而引起波動的因子β 增大，因此，處于下側煤體支承壓力增大；而對于處于上側煤體，支承壓力隨傾角的變化規律剛好與之相反。這表明，隨著煤層傾角的減小，采空區下側煤體受到的殘余支承壓力逐步增大，將會對下側接續工作面的采掘工作造成較大的影響。

3 臨空巷道應力隨煤層傾角變化數值模擬

3.1 數值模擬模型和方案

在理論分析的基礎上，通過數值模擬進一步探討受煤層傾角影響下相鄰工作面回采過程中應力場空間演化規律。模型尺寸沿煤層走向長240 m，傾向長230 m，模型高度在煤層傾角為0°、15°、30°、45°時分別對應為80、130、186、235 m，采用FLAC3D軟件建立的三維計算模型如圖6。

圖6 數值模型Fig.6 Numerical model

3.2 回采工作面應力分布特征

以703 和705 兩相鄰綜放工作面為對象進行數值模擬計算，模擬研究了703 綜放工作面回采結束后，不同煤層傾角條件下705 綜放工作面回采期間的垂直應力分布規律如圖7。

圖7 不同傾角煤層回采期間應力分布云圖Fig.7 Stress distribution cloud diagrams of coal seam with different dip angles during mining

由圖7 可知：當705 綜放工作面回采時，受703采空區殘余支承應力以及705 工作面超前支承應力的疊加影響，容易在工作面上側端頭位置處形成“L”形應力集中區；當煤層傾角較大時（α=45°），工作面上端頭“L”形應力集中不明顯，此時沿空側回采巷道超前段圍巖應力環境較好，不存在較高的集中靜載荷；當煤層傾角減小時（α=30°），工作面上端頭開始出現“L”形應力集中區，且護巷煤柱內也出現了局部應力集中區，這說明煤層傾角減小時，鄰近703 采空區對于705綜放工作面造成的殘余側向支承應力進一步增大；隨著煤層傾角進一步減小時（α=15°和0°），工作面上端頭位置處“L”形應力集中程度進一步增大，煤柱內的應力集中程度也同步增大，甚至在煤層傾角為0°時煤柱體因承載極高的靜載荷而出現失穩破壞，此時上端頭位置處的應力集中程度極高，峰值應力高達136.59 MPa，極易受采動影響而發生沖擊地壓。

總體可知，隨著煤層傾角從45°減小趨于0°，705 工作面受到鄰近703 采空區殘余側向支承應力影響程度逐步增加，造成了工作面上端頭位置處“L”形應力集中區內峰值應力由57.53 MPa 增至136.59 MPa，增幅高達137.4%。數值模擬結果與前述理論分析較一致，即隨著煤層傾角減小，采空區下側煤體受到的殘余支承壓力逐步增大，接續工作面回采期間發生沖擊顯現的可能性也進一步增加。

4 卸壓與支護協同控制技術

不同煤層傾角條件下回風平巷圍巖控制應采取不同的方法，隨著煤層傾角減小，卸壓重點區域也要由煤柱側向實體煤側轉移，且支護方案也要進行相應調整。以705 工作面回采期間為例，705 工作面回風平巷附近煤層傾角32°，由應力場演化規律分析可知，此時煤柱側應力峰值高于實體煤側，且煤柱寬度12 m 承載能力較小，根據式（1）可知煤柱側更容易在動靜載疊加擾動下發生劇烈變形破壞[14-16]。

4.1 卸壓技術

“7·18”沖擊事故發生后，在后續回采過程中對回風平巷超前工作面煤柱側實施大直徑鉆孔卸壓，對實體煤側實施大直徑鉆孔聯合注水卸壓，以消除回風平巷圍巖中積聚的高集中靜載，進而弱化動靜載疊加對巷道圍巖的擾動作用，705 回風平巷超前段卸壓方案如圖8。

圖8 705 回風平巷超前段卸壓方案Fig.8 Pressure relief scheme for leading section of 705 return air drift

根據模擬結果確定上端頭超前工作面4～12 m的實體煤側和3～10 m 的煤柱側為重點卸壓區域，卸壓孔采用直徑為108 mm 的大直徑鉆孔，考慮到卸壓孔影響半徑和現場采煤進度，孔間距定為2 m，布置角度為順層布置?？紤]到大直徑鉆孔卸壓會使集中應力向深部轉移，而工作面上部9～23 m 范圍內頂板活動劇烈，因此在實體煤側10～30 m 深度范圍內進行高壓注水對煤體進行軟化?，F場在孔間距8 m 的情況下兩注水孔之間偶爾有輕微串水現象，暫時確定注水孔間距為10 m，根據現場實際封孔器選用情況確定注水孔直徑為75 mm，注水孔同樣順層布置。保證超前工作面50 m 范圍內進行卸壓。

4.2 支護參數

705 綜放工作面沿空側回風平巷凈斷面尺寸為寬×高=3.8 m×3.5 m，且留設有12 m 的區段保護煤柱。當對巷道兩幫進行卸壓措施時，為了防止過度卸壓造成的兩幫失穩，在原有支護基礎上對巷道兩幫進行了錨索補強加固，最終形成的回風平巷超前段支護方案如圖9。

圖9 錨網索噴聯合修復支護方案Fig.9 Rehabilitation and support scheme of bolt, mesh, cable and shotcrete

5 現場應用

電磁輻射信號與煤體應力狀態呈正相關，煤體中應力越高，電磁輻射信號也就越強[10]。因此使用電磁輻射儀器（KBD5 型）對工作面推進至一次見方期間回風平巷超前工作面進行煤層沖擊危險性監測。當工作面推進至一次見方位置時，在回風平巷內超前工作面100 m 的范圍內布置測點對實體煤側和煤柱側進行監測。電磁輻射強度值監測結果如圖10。

圖10 電磁輻射監測結果Fig.10 Monitoring results of electromagnetic radiation

由圖10 可知：705 綜放工作面沿空側巷道超前段0～50 m 卸壓范圍內，實體煤幫電磁輻射值整體水平大于煤柱幫電磁輻射值；且在超前卸壓0～20 m范圍內，實體煤幫電磁輻射平均值為30.3 mV，煤柱幫電磁輻射平均值為19.5 mV；在超前卸壓20～50 m 范圍內，實體煤幫電磁輻射平均值為17.5 mV，煤柱幫電磁輻射平均值為8.2 mV；平均值均小于電磁輻射臨界強度值42 mV，說明705 綜放工作面沿空側巷道超前段0～50 m 范圍內卸壓充分，不易積聚高集中靜載而誘發沖擊顯現；而對于705 綜放工作面沿空側巷道超前段50～100 m 未卸壓范圍內，煤柱幫電磁輻射值整體水平高于實體煤幫的，此時煤柱幫電磁輻射平均值為34.6 mV，實體煤幫電磁輻射平均值為24.8 mV；說明此范圍內煤柱幫應力集中程度較高，當后續因705 綜放工作面回采而受到其超前支承應力疊加影響時，由于煤柱體本身承載能力較弱，極易在較高的集中靜載以及回采擾動作用下失穩沖擊破壞。因此有必要提前做好卸壓、修復加固等防護措施，以保障后續705 綜放工作面的安全高效開采。

6 結 語

1）褶皺出現會引起集中應力急劇增長。褶曲構造帶附近應力集中情況增加是引起沖擊的內因。

2）隨著煤層傾角減小，處于采空區下側煤體支承壓力增大。而處于采空區上側煤體，支承壓力隨傾角的變化規律剛好相反。

3）隨著煤層傾角減小，工作面上端頭處“L”形區應力集中急劇增大，煤柱內峰值應力相較于“L”形區內峰值應力增幅較小?！癓”形區峰值應力在傾角小于15°時開始大于煤柱側，說明隨著煤層傾角減小，高集中靜載從煤柱側向實體煤側轉移。相比于相鄰703 工作面，705 工作面煤層傾角減小，煤層中集中增大幅度更高。

4）對705 回風巷超前段0～50 m 范圍內實體煤幫實施大直徑鉆孔聯合高壓注水卸壓，煤柱幫實施大直徑鉆孔卸壓，并同時加強支護協同作用防治沖擊地壓，電磁輻射監測及現場觀測結果表明卸壓效果明顯，一次見方期間未出現明顯的礦壓動力顯現。