不同能級礦震波對深部盤區大巷圍巖擾動效應

任文濤，郭鵬慧，曲 柱，李家卓，5

（1.山東能源集團 魯西礦業有限公司，山東 菏澤 274700；2.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學 煤炭安全精準開采國家地方聯合工程研究中心，安徽 淮南 232001；4.濟寧能源發展集團有限公司，山東 濟寧 272073；5.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

進入21 世紀以來，我國煤炭開采已進入第二深度（500～2 000 m）空間[1]。目前，我國淺部煤炭資源已逐漸枯竭，預計在未來20 年，我國多數煤礦將達到1 000 m 的采深[2]。深部開采時，圍巖承受高靜載，礦震產生的微小動載應力增量即可使疊加載荷超過煤巖臨界值而誘發沖擊破壞[3-5]。隨開采深度增加，巷道圍巖處于“三高”的狀態，巖體非線性行為更加凸顯，高能級礦震更加頻繁，而且當巷道圍巖受到不同能級礦震礦震波時，對于巷道圍巖控制是較大的考驗，亟需對不同能級礦震礦震波擾動下巷道圍巖變形特征進行研究。楊書浩等[6]研究了高靜載條件下典型大斷面硐室圍巖受動載擾動后變形破壞過程，揭示了深部大斷面硐室幫部和頂板聯動失穩機理；靖洪文等[7]通過建立巷道圍巖結構模型，模擬再現了動靜載耦合作用下煤巷頂板沖擊全過程的結構演化細觀特征；楊逾等[8]運用數值模擬研究了動載前后巷道圍巖變形及微震響應特性；焦建康等[9-10]研究了動載擾動下巷道圍巖穩定性及多層次控制技術；曹安業等[11]研究了動靜載力作用下常規錨桿支護和補打幫部錨索加強支護方式對巷道圍巖變形的控制效果；其他如蘭紅等[12]、封雨捷[13]、郭鵬慧[14]、孫澤權等[15]、熊藤根等[16]、馬金寶等[17]通過理論分析、數值模擬、現場監測等多種研究方法對巷道圍巖變形特征及圍巖控制效果做了研究。

上述研究多數是定性研究單強度動載或多強度動載作用下巷道圍巖變形特征，但是鮮有定量研究對不同能級礦震礦震波擾動下深部巷道圍巖的收斂率。因此，以某煤礦一盤區大巷為工程背景，通過數值模擬和現場監測結合的方法，對比研究不同能級礦震礦震波對深部巷道圍巖的擾動效應，得到了不同動靜載荷比條件下巷道圍巖的收斂增量，闡明了巷道圍巖沖擊破壞微震監測能量特征。

1 工程概況

某煤礦位于彬長礦區西北部，一盤區位于礦井西翼北部，+120 m 水平，煤系地層為侏羅系中下統延安組，4#煤層為該區唯一開采煤層，平均煤厚9.53 m，賦存深度在800～1 096 m 之間，平均埋深950 m。一盤區煤層上限標高為+162 m，下限標高為+75 m，一盤區東西長約4.0 km，南北寬約3.0 km，面積約12 km2，一盤區大巷群部分穿越4#煤層，大巷頂板承受上覆巖層自重荷載較大，受構造應力影響較大，側壓系數達到了1.7，屬于高水平構造應力場。

煤巖體具有沖擊傾向性是煤巖體發生沖擊的必要條件，對比國標GB/T25217.2—2010，4#煤層上分層、4#煤層下分層動態破壞時間（DT）、沖擊能量指數（KE）、彈性能量指數（WET）、單軸抗壓強度（RC）等參數的測定結果見表1。

表1 4#煤層沖擊傾向性鑒定結果Table 1 Evaluation results of impact tendency of 4# coal seam

2 礦震影響下巷道圍巖微震能量及破壞變形特征

在監測預警方面，該礦不僅形成了由鉆屑法和礦壓監測集成的局部區域監測體系，還利用應力在線監測系統實施不間斷監測，而且安裝了SOS 微震監測系統，以加強局部監測效果。選取一盤區大巷發生的2 次典型沖擊地壓事故，對其微震監測能量特征進行分析，2018 年8 月礦震平-剖面分布圖如圖1，2018 年11 月礦震平-剖面分布圖如圖2。

圖1 2018 年8 月礦震平-剖面分布圖Fig.1 Plane profile distribution of mine earthquake in August 2018

圖2 2018 年11 月礦震平-剖面分布圖Fig.2 Plane profile distribution of shock bump in November 2018

圖1、圖2 中灰色小球代表106J 能量、紅色小球代表105J 能量、紫色小球代表104J 能量、綠色小球代表103J 能量、藍色小球代表102J 及以下能量，105J 及以上能量簡稱為“大能量礦震”。

1）沖擊地壓事故Ⅰ。2018 年8 月，一盤區大巷區域礦震以103能級為主，共發生3 次大能量礦震，其中2 次大能量礦震發生在巖巷中，因為巖石強度遠大于煤的強度，造成的危害不嚴重；從礦震剖面分布情況看，關鍵層中監測到105能級的礦震，且其中1 次大能量礦震發生在洛河組上段與關鍵層交界區域，另外2 次大能量礦震均發生在大巷頂板上方20～50 m 巖層中，礦震造成的強動載擾動直接觸發了8 月16 日一盤區3 條大巷同時發生沖擊地壓。一盤區輔運大巷40 m 范圍底鼓，底鼓高度20～30 cm，15 m 巷道右肩冒頂，20 m 巷道左肩冒頂，距離2#聯絡巷300 m 區域內頂板噴漿層大面積脫落，2 排制冷管路2 處漏水，4 路主供電電纜全部脫落。運輸大巷內2#聯絡巷至101 臨時泵房區域底鼓0.5～1.5 m，回風大巷內101 灌漿巷至103 回風道區域有一段長度50 m 帶式輸送機掀翻，局部斷面縮小至8 m3。

2）沖擊地壓事故Ⅱ。2018 年11 月，一盤區大巷區域礦震以104能級為主，共發生4 次大能量礦震，其中3 次發生在一盤區工作面前大巷區域，都發生在煤巷中，這3 次礦震直接導致一盤區大巷11 月4日發生沖擊事故。從礦震剖面分布情況看，礦震在空間位置聚集在一盤區大巷頂板上方100 m 區域內，其中1 次大能量礦震甚至發生在大巷右側煤柱中，對大巷影響較大。一盤區運輸大巷自2#聯絡巷以外150～223 m 區域合計73 m 巷道底鼓，底板抬起高度200～300 mm。一盤區回風大巷自102 回風道門口以里70 m 至103 回風道門口區域共123 m 巷道頂板冒落，局部斷面縮至5～6 m2，1 排φ450 mm PE 材質排水管路壓斷，導致回風大巷積水。

沖擊前后微震監測能量和頻次演化曲線如圖3。

圖3 沖擊前后微震監測能量和頻次演化曲線Fig.3 Micro-seismic monitoring energy and frequency evolution curves

從圖3 可以明顯看出：發生沖擊地壓前1 周，微震監測會有一定的前兆響應，偶有大能量事件出現，但是其余時間總頻次和總能量處于較低水平，總能量往往小于105J，此時圍巖體正在積聚能量，應當引起重視；沖擊地壓發生時，微震監測總頻次和總能量驟增，總能量達到105J 以上；沖擊地壓發生后，微震監測總能量和總頻次驟減，一段時間內幾乎處于靜默狀態。

3 不同能級礦震擾動巷道圍巖響應特征

3.1 數值模擬方案

為研究不同能級礦震對深部巷道圍巖的擾動效應，以一盤區煤層大巷為模擬對象，運用FLAC3D軟件建立數值模型，模型尺寸為70 m×70 m×67 m，巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道寬5.8 m，墻高3 m，拱高2 m，托頂煤2 m 左右，留底煤2 m 左右。建立的數值模型如圖4。其中劃分682 640 個單元，模型中的圍巖物理力學參數取值見表2。

圖4 數值模型圖Fig.5 Numerical model diagram

表2 煤巖物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

模型采用Mohr-coulomb 破壞準則，確定邊界條件如下：

1）靜力過程中，模型四周及下邊界采用位移邊界約束；模型上邊界為自由邊界，給模型施加自重應力場，重力加速度取9.81 m/s2，施加豎向均布載荷模擬上覆巖層的自重荷載，考慮到模型自重的影響，故施加上覆巖層的自重載荷大小為22 MPa。

2）動力過程中，模型上、下邊界采用靜力邊界，其余邊界均采用自由場邊界，這樣可以充分吸收邊界上的入射波，減少煤巖邊界上波的反射情況，模擬無限場地的效果。

3）為了使模擬環境更符合現場，減弱模型自然振動的振幅，應力波可以隨著應力-應變滯回圈的擴大逐漸消散，給模型設置瑞利阻尼參數。

文獻［18－19］通過微震監測獲得了頂板斷裂及斷層活化事件的波形特征，根據彈性波理論，任何復雜的應力波均可由若干簡諧波經傅里葉變換得到，即簡諧波是井下復雜應力波的基本形式。根據文獻［20］，現場沖擊地壓發生時微震監測系統記錄的震動持續時間僅為幾十毫秒，沖擊地壓一般不存在多輪沖擊的效應。如果把沖擊震源波簡化為簡諧波，一般礦震的主頻率在10～20 Hz 左右，周期為0.05～0.10 s，模擬中煤體沖擊破壞時所施加的動載時間在1 個周期。根據當天監測到的微震事件空間坐標及能量大小，用FLAC3D軟件中的Dynamic 模塊在巷道正上方20 m 處施加一簡諧應力波等效模擬106J 的礦震，設置震源強度48 MPa，頻率20 Hz，模擬動載時間為1 個周期（0.05 s），動載作用時間為0.1 s，布置3 條監測線。

實地測取縱波波速可以得到不同能級礦震對應的波動載荷，根據礦震波引起的縱波動應力為[21]：

式中：σp為縱波產生的應力，MPa；ρ 為介質密度，kg/m3；Cp為縱波波速，m/s；vp為質點由縱波引起的峰值振動速度，m/s。

該礦實際礦震波傳播過程中，實測縱波波速在4 700～4 900 m/s，取Cp=4 800 m/s，根據縱波波速與橫波波速Cs的關系：，可以得到Cs=2 771 m/s。因為102J 及以下能量屬于煤巖體自身微破裂產生的能量，107J 能級及以上的礦震現場極少出現，均不予以考慮，綜合分析實際條件，選取的動應力與能量對應關系見表3。

表3 模擬不同能級礦震波選取參數表Table 3 Parameters table for simulating shock bump waves of different energy levels

3.2 礦震擾動下巷道圍巖應力變化特征

垂直應力只能描述豎直方向力的大小變化，所以若要更加深入地分析不同能級礦震波對于巷道圍巖應力的影響，以主應力差值為指標，分析巷道在不同能級礦震波擾動條件下的圍巖應力場環境及變化特征。通過將主應力差值公式編入FISH 語言進行①號監測線數據的提取、分析，得到的礦震波影響下巷道圍巖主應力差變化曲線如圖5。

圖5 礦震波影響下巷道圍巖主應力差變化曲線Fig.5 Change curves of principal stress difference of roadway surrounding rock under the influence of shock bump waves

由圖5 可得：巷道頂板上方20 m 區域內，礦震波能級越高，主應力差值越小，因為高應力波使得巷道圍巖集中應力向兩幫及深部傳遞；巷道頂板上方20 m 以深區域，礦震波能級越高，主應力差值越大，由于高應力波傳播至巷道圍巖后，應力波在巷道周邊煤巖體邊界產生反射波，反射波又與頂板上方入射波進行干涉，礦震波能級越高，波干涉效應越強，所以該區域形成主應力差與礦震波的能級呈正相關關系。

3.3 礦震擾動下巷道圍巖能量變化特征

微小單元體三向應力條件下的彈性應變能U 為：

式中：E 為煤巖體的彈性模量；σ1、σ2、σ3分別為區域應力場主導下單元體的最大、中間、最小主應力，MPa；μ 為煤巖體的泊松比。

通過將彈性應變能公式編入FISH 語言進行①號監測線數據的提取、分析，得到的礦震波影響下巷道圍巖能量變化曲線如圖6。

圖6 礦震波影響下巷道圍巖能量變化曲線Fig.6 Energy change curves of roadway surrounding rock under the influence of shock bump waves

由圖6 可得：能量的演化趨勢與應力演化基本一致，能量以應力波為載體作用于煤巖體，每經過不同介質分界面能量均會減小，同種介質中礦震波能級越高，能量衰減系數越大，經過煤巖分界面時，礦震波能級越高，能量衰減系數越小。因為煤巖2 種介質理化性質差別較大，結構面較弱，高能級礦震波穿透能力更強，能量損耗更小。

3.4 礦震擾動下巷道圍巖破壞變形特征

3.4.1 靜載條件下巷道圍巖卸荷破壞變形特征

通過提取巷道表面監測點及頂底板煤巖分界面②號、③號監測線的數據，得到的靜載條件下巷道圍巖位移演化曲線如圖7。

圖7 靜載條件下巷道圍巖位移變化曲線Fig.7 Displacement curves of roadway surrounding rock under static load condition

由圖7（a）可知：開挖后巷道表面位移逐漸增大，頂底板及兩幫位移變化趨勢相同，但是頂板變化幅度不同，頂板位移最大、兩幫次之、底板最小，且大多發生在巷道開挖初期，巷道頂板下沉量穩定在65 cm，底板鼓起量穩定在30 cm，兩幫移近量穩定在50 cm。因為現場中沖擊地壓大部分情況是煤體拋出，頂底板監測線布置在頂底板煤巖分界線位置，目的是更好地監測頂底板離層情況，從而判斷巷道潛在的沖擊危險性。

由圖7（b）可知：頂底板巖層內發生不同程度位移，底板受到卸荷影響更大，因頂底板仍有殘余承載力，相比較處于卸荷狀態的巷道表面圍巖位移較小，頂板煤巖分界處最大垂直位移量28 cm，約為巷道頂板表面位移的43%，底板煤巖分界處最大垂直位移量13 cm，約為巷道底板表面位移的43%，煤巖分界處位移以巷道中線為中心大致呈對稱分布。

3.4.2 礦震波影響下巷道圍巖擾動破壞變形特征

通過提取礦震波影響下巷道表面監測點及頂底板煤巖分界面②號、③號監測線的數據，得到的礦震波影響下巷道圍巖位移演化曲線如圖8。

圖8 礦震波影響下巷道圍巖位移變化曲線Fig.8 Displacement variation curves of roadway surrounding rock under the influence of shock bump waves

由圖8（a）可知：不同能級礦震波作用下巷道圍巖頂板、底板、兩幫位移呈現非線性增長，且礦震能級越高，礦震波傳播速度越快，曲線變現為峰值點前移；103、104、105J 能級礦震波擾動下，前中期巷道兩幫位移大于底板位移，后期則相反，原因可能是礦震波能量前中期主要作用于巷道頂板及兩幫，未全部傳播至底板區域；106J 能級礦震波擾動下，巷道兩幫位移始終大于底板位移，由于巷道幫部較底板對于水平應力更加敏感，所以在106J 大能量的加持下巷道兩幫破壞相比較底板更加嚴重；礦震擾動1個周期后，巷道圍巖收斂量趨于穩定，相較于靜載條件下，103J 能級礦震波擾動下巷道頂板、底板、兩幫位移增量分別為4、3、2 cm；104J 能級礦震波擾動下巷道頂板、底板、兩幫位移增量分別為5、10、8 cm；105J 能級礦震波擾動下巷道頂板、底板、兩幫位移增量分別為35、28、22 cm；106J 能級礦震波擾動下巷道頂板、底板、兩幫位移增量分別為85、40、50 cm。

由圖8（b）可知：頂底板煤巖分界面位移趨勢與靜載條件下截然不同，靜載條件下巷道由于留底煤的原因，底鼓量大于頂板下沉量，然而受到礦震擾動后，頂板下沉量更大，當礦震能級達到105J 時頂板下沉量驟增，最大下沉量為72 cm，頂煤易與其相鄰巖層發生離層，增加頂板冒落的風險，若礦震進一步作用或采深逐漸增大，極易發生沖擊地壓。

2018 年一盤區大巷的動力顯現情況見表4。

表4 2018 年一盤區大巷部分沖擊顯現事件統計Table 4 Statistics of some impact events in the main cane of a panel in 2018

綜上可得，模擬結果與現場巷道圍巖變形情況基本吻合，105J 認為是誘發沖擊地壓的潛在危險值，106J 認為是沖擊地壓的破壞值；靜載條件下，底板相比較頂板離層現象更顯著，礦震擾動下，頂板相比較底板更易發生離層，105J 及以下能級礦震擾動下，對巷道圍巖產生的影響是頂板＞底板＞兩幫，105J 以上能級礦震擾動下，對巷道圍巖產生的影響是頂板＞兩幫＞底板。

4 結 語

1）沖擊地壓發生前，微震監測會有一定的前兆響應，偶有大能量事件出現，但是其余時間總頻次和總能量處于較低水平，總能量往往小于105J；沖發生時，微震監測總頻次和總能量驟增，總能量達到105J 以上；發生后，微震監測總能量和總頻次驟減，一段時間內幾乎處于靜默狀態。

2）靜載條件下，底板相比較頂板離層現象更顯著，礦震擾動下，頂煤易與其相鄰巖層發生離層，增加頂板冒落的風險；105J 認為是誘發沖擊地壓的潛在危險值，105J 及以下能級礦震擾動下，對巷道圍巖產生的影響分別是頂板最大、底板次之、兩幫最小；106J 認為是沖擊地壓的破壞值，105J 以上能級礦震擾動下，對巷道圍巖產生的影響分別是頂板最大、兩幫次之、底板最小。