呂鵬飛，張飛，邱林

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.神東煤炭集團有限責(zé)任公司 教育培訓(xùn)中心，陜西 榆林 719315)

井工煤礦開采中，矩形巷道由于具有施工方便、實用性強等優(yōu)點而備受青睞[1].但矩形巷道也因其特殊的受力特征時常會引起一定的動力顯現(xiàn)，特別是在高應(yīng)力煤柱區(qū)的底板沖擊顯現(xiàn)尤為突出[2].對我國沖擊地壓災(zāi)害最嚴(yán)重的山東礦區(qū)統(tǒng)計表明，高應(yīng)力煤柱區(qū)發(fā)生沖擊地壓的次數(shù)占總次數(shù)的67.8%，而在這些沖擊地壓中，發(fā)生在底板的次數(shù)又占75%～80%[3-4]，可見，巷道底板沖擊地壓嚴(yán)重危害礦山安全生產(chǎn)，亟待解決.

我國學(xué)者對巷道底板沖擊地壓的研究已取得一些成果.竇林名等[5]研究了動載應(yīng)力波作用下巷道底板煤體的應(yīng)力、位移的響應(yīng)特征，揭示了動載擾動誘發(fā)底板沖擊的原因，描述了底板沖擊顯現(xiàn)的過程；潘俊鋒[6]等在沖擊地壓啟動理論中明確指出，巷道底板是沖擊能量積聚和釋放的傳播體，兩幫的應(yīng)力集中來自于底板的應(yīng)力傳遞；潘一山等[7]采用復(fù)變函數(shù)方法求解巷道圍巖應(yīng)力，并對巷道周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)進行仿真分析；李勝等[8]根據(jù)綜放開采沿空留巷底鼓問題，建立底鼓力學(xué)模型并推導(dǎo)得出底鼓變形的計算公式；徐學(xué)鋒等[9]結(jié)合巷道底板發(fā)生沖擊地壓的結(jié)構(gòu)與影響因素特征構(gòu)建了底板沖擊的力學(xué)模型，初步確定了底板沖擊礦壓危險性系數(shù)的表達式.本研究基于前人成果建立力學(xué)模型，解析分析了高應(yīng)力區(qū)矩形巷道底板容易形成較大應(yīng)力集中和發(fā)生沖擊地壓的力學(xué)原因，并采用數(shù)值模擬進行了驗證.同時提出底板沖擊地壓的弱化控制技術(shù)，為矩形巷道底板沖擊地壓的防治提供參考.

1 底板沖擊地壓特點

底板沖擊地壓在我國甘肅華亭礦區(qū)、河南義馬礦區(qū)、山東兗州礦區(qū)、新疆烏東等礦區(qū)頻發(fā)，表現(xiàn)為底板煤巖瞬間向上突起，嚴(yán)重時導(dǎo)致巷道皮帶、軌道失效，錨桿(索)斷裂，圍巖破壞等.總結(jié)我國典型底板沖擊地壓案例，發(fā)現(xiàn)底板沖擊地壓一般具有如下特點：

(1)煤層及底板具有沖擊傾向性且薄煤層開采時容易誘發(fā)巷道底板煤巖沖擊顯現(xiàn).

(2)底板沖擊地壓發(fā)生時，一般在巷道兩個底腳位置的沖擊顯現(xiàn)強度相對較大.

(3)回采巷道留底煤掘進時容易誘發(fā)底板沖擊地壓.

(4)底板沖擊地壓發(fā)生巷道一般缺少實施底板卸壓措施或巷道支護不合理.

(5)煤層和底板屬于中硬及以上巖層，井田范圍或采掘區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力較大時容易誘發(fā)底板沖擊地壓.

2 矩形巷道底板應(yīng)力解析分析

假設(shè)巷道圍巖均質(zhì)且各向同性，忽略圍巖自重和體力情況下建立矩形巷道應(yīng)力計算力學(xué)模型如圖1所示.設(shè)巷道埋深為H，m；巷道受上覆巖層壓力為p=γH，N；γ為平均容重，N/m3；λ為側(cè)壓系數(shù)且λ≠1，巷道尺寸長×寬=a×b，m.

由于矩形巷道四個角不存在徑向線和切向線，力學(xué)計算不能推導(dǎo)此處的應(yīng)力表達式.因此基于復(fù)變函數(shù)理論和保角映射變換將矩形應(yīng)力求解問題轉(zhuǎn)換為單位圓應(yīng)力求解問題.根據(jù)文獻[10]提供的轉(zhuǎn)換結(jié)果，可得轉(zhuǎn)換后單位圓的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力表達式，見式(1).

(1)

式中：σθ為切向應(yīng)力，MPa；σρ為徑向應(yīng)力，MPa；p為上覆巖層垂直壓力，MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)；k為高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)；K為煤體的體積模量，MPa.

根據(jù)文獻[10]得出的轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)θ=-30°時，單位圓對應(yīng)位置的徑向與切向應(yīng)力分別為矩形巷道底板中部位置的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力.以此位置為例，計算表1中3種條件下矩形巷道底板中部位置應(yīng)力分布情況，如圖2所示.

表1 計算條件

由圖2可以看出，底板向下延伸，底板煤體垂直應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力，垂直應(yīng)力先減小后增大，這種拉壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換容易迫使巷道底板出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時形成底板破碎區(qū)，一旦發(fā)生沖擊地壓，較多破碎煤巖在動力驅(qū)使下拋向自由空間，沖擊地壓強度增大.與此同時，底板向下延伸，水平應(yīng)力先增大后減小，約在底板向下2 m位置達到水平應(yīng)力峰值，此位置煤巖基本屬于塑性煤巖體，粘結(jié)性較差，一旦發(fā)生沖擊地壓，塑性煤巖體容易受到水平方向擠壓作用向巷道空間拋出，加大沖擊地壓的危險程度.

對比圖2(a)，(b)可以看出：當(dāng)高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)不變，巷道圍巖側(cè)壓系數(shù)增大時，巷道底板的垂直應(yīng)力不發(fā)生變化，也就是說，巷道底板垂直應(yīng)力的變化不受巷道圍巖側(cè)向壓力的影響；但巷道底板的水平應(yīng)力會大幅度地增加，同時加大了巷道底板破碎煤巖向巷道空間拋出的趨勢，沖擊地壓危險程度增加.對比圖2(a)，(c)可以看出：當(dāng)高應(yīng)力區(qū)巷道圍巖側(cè)壓系數(shù)不變，應(yīng)力集中系數(shù)增大時，巷道底板的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力值都會大幅度地增加；也就是說，由超前支撐壓力和側(cè)向支撐壓力共同引起的應(yīng)力集中系數(shù)的增加，會使巷道底板的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力都大幅度增加.故高應(yīng)力區(qū)是容易造成巷道底板沖擊顯現(xiàn)的區(qū)域，可據(jù)此優(yōu)化煤礦采掘巷道的布置.

3 矩形巷道底板應(yīng)力模擬分析

3.1 建立數(shù)值計算模型

以甘肅某礦薄煤層開采為研究背景，分析巷道兩側(cè)為采空區(qū)時的應(yīng)力分布規(guī)律(此時巷道應(yīng)力集中程度最大)，基于FLAC2D軟件建立數(shù)值模型的地質(zhì)條件如下：巷道埋深800 m，煤層傾角0°，垂直應(yīng)力設(shè)置為20 MPa，水平應(yīng)力設(shè)置為23 MPa，煤層厚度1.2 m；直接頂為25 m厚泥巖；基本頂為40 m厚的粉細(xì)砂巖互層；直接底為厚12 m中粒砂巖；基本底為厚20 m的頁巖.巷道寬4 m，高3 m，臥底掘進；模型長10.4 m，高88.2 m.建立數(shù)值計算模型如圖3所示.

3.2 底板應(yīng)力分布模擬結(jié)果分析

圖4為巷道兩側(cè)工作面采空時圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力演化分布圖.圖5為距巷道底板垂直距離2 m的水平線上的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布結(jié)果(圖中顯示的巷道底板中心位置為0，左側(cè)為負(fù)數(shù)，右側(cè)為正數(shù)).可以看出，巷道底板的中部位置向兩側(cè)的垂直應(yīng)力逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定；而水平應(yīng)力逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定.說明在巷道底板的中心位置受水平應(yīng)力影響大于垂直應(yīng)力，而巷道底板兩側(cè)受水平應(yīng)力影響小于垂直應(yīng)力.故在水平應(yīng)力較大的區(qū)域巷道掘進時，巷道底板正下方受較大水平應(yīng)力影響，底板巖層容易受水平應(yīng)力擠壓作用而發(fā)生臌起現(xiàn)象，嚴(yán)重時將發(fā)生沖擊地壓等礦井動力災(zāi)害.模擬條件下底板水平應(yīng)力最大值為34.5 MPa，垂直應(yīng)力最大值為35.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)在1.75左右，具備沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件，必須采取相應(yīng)的解危措施.

4 底板弱化防控沖擊地壓技術(shù)

4.1 弱化降沖控制有效性分析

工作面采掘巷道施工后，雖然可以通過理論分析、試驗分析及現(xiàn)場調(diào)研分析等方法總結(jié)得出巷道底板發(fā)生沖擊地壓的影響因素，但多數(shù)因素是無法改變的，比如巷道尺寸、形狀、地應(yīng)力方向、巷道埋深、地質(zhì)構(gòu)造以及底板巖層結(jié)構(gòu)分布等.根據(jù)以上數(shù)值計算結(jié)果，認(rèn)為防治底板沖擊地壓最主要的任務(wù)是降低煤層底板的水平應(yīng)力，釋放由水平應(yīng)力集中引起的能量積聚.因此提出對底板巖層實施弱化控制降沖的防治理念.為驗證該理念的準(zhǔn)確性，對上述計算模型煤層底板5 m范圍內(nèi)的巖層實施強度弱化，具體方案為數(shù)值計算模型中降低巖層彈性模量和剪切模量至原來的50%，其他條件不變，重新計算模型.圖6為底板巖層參數(shù)弱化后的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布結(jié)果.可以看出，煤層底板的水平應(yīng)力相比弱化之前降低了29%，煤層底板垂直應(yīng)力相比弱化之前降低了25%.可見，對煤層底板進行強度弱化可有效降低底板水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的集中，從而大大降低沖擊地壓危險程度.實際工程實踐中，若同時對巷道兩幫和底板采取強度弱化措施，其沖擊地壓等礦井動力災(zāi)害的防治效果更佳.

4.2 弱化控制降沖技術(shù)措施及參數(shù)初探

基于上述研究，提出以下2項現(xiàn)場實際可用的巷道底板弱化降沖技術(shù)措施.

(1)底板傾斜大直徑鉆孔卸壓措施

底板傾斜大直徑鉆孔可以達到卸壓的作用是顯而易見的，下面在借鑒頂板及巷幫大直徑鉆孔卸壓技術(shù)措施及參數(shù)的同時，提出底板大直徑鉆孔卸壓技術(shù)措施及參數(shù).多個礦區(qū)開采實踐表明，頂板及巷幫的大直徑鉆孔直徑為130 mm時卸壓效果較好，故底板卸壓鉆孔直徑也選擇130 mm，鉆孔長度12 m，孔距10 m，傾斜角度為-30°.

(2)底板傾斜深孔爆破卸壓措施

底板傾斜深孔爆破卸壓措施技術(shù)參數(shù)如下：爆破鉆孔孔徑42 mm，鉆孔深度20 m，孔距15 m，傾斜角度-45°，平均分3段間隔式裝藥，毫秒起爆器起爆.

需要說明的是，以上技術(shù)措施參數(shù)設(shè)置是根據(jù)常規(guī)頂板及巷幫卸壓參數(shù)的實踐經(jīng)驗提出來的，毋庸置疑的是2種措施的有效性，但底板卸壓中具體的措施參數(shù)還應(yīng)根據(jù)不同礦區(qū)的地質(zhì)條件微調(diào).

5 結(jié)論

(1)建立了底板沖擊地壓力學(xué)解析模型，計算結(jié)果表明巷道側(cè)壓系數(shù)增大，底板水平應(yīng)力大幅度增加而垂直應(yīng)力不變；巷道應(yīng)力集中系數(shù)增大，底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力都大幅度增加.

(2)模擬分析了巷道兩側(cè)為薄煤層采空區(qū)條件下巷道圍巖水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的演化規(guī)律，證實了高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)底板應(yīng)力集中程度與沖擊地壓危險性增大的解析結(jié)論.

(3)提出了底板弱化防控沖擊地壓的理念及技術(shù)措施，同時提出2種底板防沖措施，即孔徑130 mm，孔深10 m，傾角-30°的底板大直徑鉆孔卸壓措施和孔徑42 mm，鉆孔深度20 m，孔距15 m，傾角-45°的深孔爆破卸壓措施.