張金魁，侯 濤，李 民，李 鵬，顧合龍

(1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

沖擊地壓，即煤巖體中聚積的彈性能在一定條件下的突然猛烈釋放，是一種煤巖體失穩(wěn)、爆裂并彈出的動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)現(xiàn)象[1，2]。煤層大巷作為煤礦開采采區(qū)巷道布置的重要組成部分，采區(qū)準(zhǔn)備巷道不可避免會(huì)經(jīng)歷或直接布置在煤層中[3]。相比巖層大巷而言，煤層大巷具有掘進(jìn)速度快、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，然而由于巷道服務(wù)年限長(zhǎng)、受開采動(dòng)壓擾動(dòng)影響明顯，圍巖強(qiáng)度較弱的煤層巷道應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜[4]，導(dǎo)致煤層大巷存在圍巖穩(wěn)定性差、沖擊地壓及支護(hù)困難等問(wèn)題[5，6]，嚴(yán)重影響巷道服務(wù)期間安全使用，煤層大巷沖擊地壓災(zāi)害防控是實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)務(wù)須解決的重大問(wèn)題。

研究表明，約有85%沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生在煤層巷道中，受周圍工作面開采擾動(dòng)影響，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著改變，隨開采活動(dòng)進(jìn)行厚硬頂板巖層發(fā)生破斷進(jìn)而引起破斷動(dòng)載荷，使巷道圍巖處于“靜載+動(dòng)載”疊加載荷應(yīng)力狀態(tài)，動(dòng)靜載荷作用下煤柱或巷道圍巖產(chǎn)生大面積的動(dòng)力失穩(wěn)[7，8]。針對(duì)煤層巷道沖擊地壓機(jī)理和防治技術(shù)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開展了一系列研究[9-19]。然而，當(dāng)前對(duì)于沖擊地壓的防控仍主要以靜力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)[20]，對(duì)于動(dòng)靜組合加載控制下煤層大巷沖擊地壓的有效防治途徑與防治方法的研究鮮有涉及。本文以陜西正通煤業(yè)高家堡煤礦一盤區(qū)1#回風(fēng)大巷為工程背景，理論分析深部礦井煤層大巷沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，明確煤層大巷沖擊地壓防治基本途徑，針對(duì)性提出巷道圍巖“爆破松動(dòng)-圍巖注漿”防治技術(shù)，并結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)回風(fēng)大巷沖擊地壓防控效果進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證。研究可為受工作面開采擾動(dòng)影響的深部礦井煤層大巷圍巖穩(wěn)定性控制提供一定的理論參考和指導(dǎo)意義。

1 工程概況

陜西正通煤業(yè)高家堡煤礦主要開采4號(hào)煤層，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，井田內(nèi)斷層、褶皺十分發(fā)育。一盤區(qū)1#回風(fēng)大巷(煤層大巷)位于礦井一盤區(qū)(礦井西翼北部)，煤層賦存深度為800～1000m之間，煤層厚度為6.48～15m，傾角為2°～11°，平均傾角6.5°。煤層基本頂為粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖(厚度16～28m)，煤層直接底為鋁質(zhì)泥巖和泥巖，煤巖綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖綜合柱狀圖

礦井一盤區(qū)主要布置三條煤層大巷，分別為一盤區(qū)1#回風(fēng)大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)主運(yùn)輸大巷，三條煤層大巷均具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，大巷采用錨網(wǎng)帶索聯(lián)合支護(hù)方式，通過(guò)采掘空間“卸壓”和“支護(hù)”進(jìn)行沖擊地壓災(zāi)害防控，如圖2所示。目前，一盤區(qū)已開采101～103工作面(采空區(qū))，正在回采104工作面，二盤區(qū)已開采201、202工作面(采空區(qū))。

圖2 煤層大巷布置情況

2 煤層大巷沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

2.1 沖擊地壓發(fā)生的動(dòng)靜應(yīng)力作用過(guò)程

在開采擾動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，沖擊地壓的發(fā)生也是應(yīng)力作用的結(jié)果[21]。從巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)與能量場(chǎng)的演化特征來(lái)看，當(dāng)應(yīng)力作用下圍巖積聚的彈性能大于破壞所需的能量時(shí)，彈性能以動(dòng)能形式瞬間釋放，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓[22]，而剩余能量越多，則造成的沖擊破壞越強(qiáng)烈。

陜西高家堡煤礦4號(hào)煤層頂板中存在厚硬巖層，該類厚硬巖層頂板具有較好的儲(chǔ)能條件，如巖體堅(jiān)硬、致密、完整性良好、巖層厚和懸頂距離大等，具備沖擊地壓能量積聚的基本條件。礦井煤層大巷賦存深度800～1000m，巷道埋深大，巷道圍巖長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)，水平構(gòu)造應(yīng)力明顯，周圍分布大量采空區(qū)，導(dǎo)致大巷圍巖應(yīng)力集中并積聚大量的彈性能。受采動(dòng)應(yīng)力影響，構(gòu)造區(qū)域微震能量活動(dòng)劇烈，頂板結(jié)構(gòu)破斷產(chǎn)生動(dòng)載擾動(dòng)，高應(yīng)力煤體處于動(dòng)靜載疊加狀態(tài)，極易發(fā)生瞬間失穩(wěn)破壞。

2.2 煤層大巷沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力判據(jù)

根據(jù)高家堡煤礦一盤區(qū)1#回風(fēng)大巷工程背景，考慮煤層開采擾動(dòng)動(dòng)載和靜載疊加作用，建立煤層大巷沖擊地壓發(fā)生理論模型[9]，如圖3所示。

圖3 煤層大巷沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生理論模型

在煤層大巷沖擊地壓應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，可將煤層大巷等效簡(jiǎn)化為圓形巷道[23]。由彈性力學(xué)理論可知，圓孔周圍處于σ1=γh均勻應(yīng)力場(chǎng)中，距離巷道中心r(r≥r1)處的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ分別為：

巷道圍巖在支護(hù)條件下，動(dòng)載作用產(chǎn)生的彈性波將從沖擊振動(dòng)源傳播到巷道圍巖表面，如圖4所示，此時(shí)假定應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播能量衰減指數(shù)為η，支護(hù)體強(qiáng)度為σZ，而巷道圍巖承載小結(jié)構(gòu)外表面B處，動(dòng)態(tài)應(yīng)力為σB，應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播的能量衰減指數(shù)仍為η，則B處的沖擊波入射強(qiáng)度σB為：

圖4 動(dòng)靜組合加載下巷道圍巖結(jié)構(gòu)

σA=σB(d-r1)-η

(3)

式中，η=aD+b，其中，a，b均為常數(shù)；d為動(dòng)態(tài)應(yīng)力距離巷道中心的距離，近似等于r2。

在動(dòng)靜載荷作用下，煤層巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力大小應(yīng)為：

在沖擊作用下巷道圍巖破壞發(fā)生的應(yīng)力判據(jù)，即滿足σA>σZ時(shí)，巷道圍巖結(jié)構(gòu)將被沖擊破壞?？烧J(rèn)為在支護(hù)條件下，導(dǎo)致巷道圍巖破壞的主要影響因素為支護(hù)體強(qiáng)度。因此，對(duì)巷道采用科學(xué)的支護(hù)加固技術(shù)，保證巷道圍巖強(qiáng)度滿足承載要求，則可對(duì)一定震級(jí)范圍以內(nèi)的沖擊地壓起到緩沖或抑制作用。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，取σB=12MPa，a=0.8，b=0.2，r1=2，則可以得到巷道圍巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力σd隨震源距離與巷道圍巖損傷系數(shù)關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：隨著巷道承載結(jié)構(gòu)d與巷道圍巖損傷系數(shù)D增加，傳導(dǎo)至巷道圍巖動(dòng)載荷σA逐漸降低，結(jié)果表明保持巷道支護(hù)強(qiáng)度不變時(shí)，增加巷道圍巖的損傷與承載結(jié)構(gòu)的半徑，可促進(jìn)沖擊地壓的防護(hù)。

圖5 巷道圍巖動(dòng)應(yīng)力隨圍巖承載結(jié)構(gòu)厚度與損傷系數(shù)的變化趨勢(shì)

目前，煤層大巷沖擊防護(hù)通常采用加強(qiáng)支護(hù)和卸壓解危措施。若不采用煤層鉆孔解危方法，即使采用高強(qiáng)度支護(hù)即σZ較大時(shí)，仍會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)破壞。因此，煤層大巷沖擊地壓防治不僅應(yīng)考慮巷道支護(hù)強(qiáng)度，巷道圍巖應(yīng)力波的傳播與能量積聚范圍也是導(dǎo)致沖擊地壓破壞的主要因素，據(jù)此提出針對(duì)性防控措施，可通過(guò)增加巷道圍巖損傷與承載結(jié)構(gòu)半徑，促進(jìn)沖擊地壓的緩沖防護(hù)作用。

3 煤層大巷沖擊地壓防控技術(shù)

沖擊地壓災(zāi)害防控不僅需要考慮煤層大巷圍巖沖擊防控效果，還需考慮動(dòng)靜載荷作用下巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此，為增加巷道圍巖損傷范圍與承載結(jié)構(gòu)半徑，提高巷道圍巖強(qiáng)度，基于沖擊地壓防控失效判據(jù)提出應(yīng)力集中區(qū)采用鉆孔爆破與圍巖注漿相結(jié)合的方法，進(jìn)行煤層大巷沖擊地壓災(zāi)害防控，如圖6所示。

圖6 沖擊地壓聯(lián)合防護(hù)措施

為驗(yàn)證“爆破-注漿”措施實(shí)施前后災(zāi)害防控效果，對(duì)煤層大巷措施實(shí)施前后的應(yīng)力波傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬過(guò)程中，假設(shè)巷道圍巖為均質(zhì)巖體，處于各向同性，均為彈性介質(zhì)，且無(wú)蠕變或粘性行為；原巖應(yīng)力為各向等壓狀態(tài)；巷道埋深大(h>>r)，斷面為圓形，巷道半徑為r，巷道圍巖均為煤體。煤層注水前后巷道不同圈層的參數(shù)見表1。

表1 煤層大巷防護(hù)措施實(shí)施前后巷道圍巖力學(xué)參數(shù)

在模擬方案中，動(dòng)載荷加載位置為巷道左側(cè)邊緣中點(diǎn)，加載時(shí)間20ms，動(dòng)態(tài)加載強(qiáng)度20MPa，動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中煤層巷道圍巖云圖如圖7所示。由圖7數(shù)值模擬結(jié)果可知：煤層大巷未采取圍巖改性措施前，應(yīng)力波傳播范圍廣，傳播速度較快，衰減程度較小，巷道周圍巖體出現(xiàn)拉應(yīng)力集中程度及應(yīng)力集中范圍大；當(dāng)巷道圍巖采取爆破與注漿措施后，巷道圍巖形成一定損傷區(qū)時(shí)，應(yīng)力波傳播速度得到了抑制，巷道周圍拉應(yīng)力集中程度降低。結(jié)果表明：措施實(shí)施后巷道對(duì)動(dòng)載承受能力增強(qiáng)，沖擊地壓防控效果良好。

圖7 巷道圍巖“爆破+注漿”聯(lián)合防護(hù)措施實(shí)施前后應(yīng)力波傳播過(guò)程

為進(jìn)一步驗(yàn)證“爆破+注漿”聯(lián)合防控效果，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)應(yīng)力信號(hào)監(jiān)測(cè)方法，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證，巷道表面動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。聯(lián)合防控措施實(shí)施前后煤層大巷圍巖振動(dòng)信號(hào)分布情況分別如圖8、圖9所示，由此可知：措施實(shí)施后巷道圍巖振動(dòng)信號(hào)的數(shù)量與能量均出現(xiàn)大幅降低，表明煤層大巷圍巖應(yīng)力集中程度被大幅削弱，圍巖沖擊地壓發(fā)生的靜態(tài)應(yīng)力孕育條件得到遏制。

圖8 防控措施實(shí)施前大巷振動(dòng)信號(hào)分布

圖9 防控措施實(shí)施后大巷振動(dòng)信號(hào)分布

在聯(lián)合防護(hù)措施實(shí)施前后，相同時(shí)間段內(nèi)煤層大巷振動(dòng)信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明：該聯(lián)合措施可大幅度增加巷道圍巖應(yīng)力波的衰減速度，降低動(dòng)態(tài)應(yīng)力波傳播至巷道圍巖周邊的幅度，降低由于動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)巷道圍巖沖擊地壓災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，消除沖擊地壓發(fā)生的基本條件，以更好地起到保護(hù)煤層大巷的作用。

圖10 防控措施實(shí)施前后大巷動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)信號(hào)

4 結(jié) 論

1)深埋高應(yīng)力與采空區(qū)集中應(yīng)力分布，導(dǎo)致巷道圍巖靜應(yīng)力集中、頂板斷裂動(dòng)態(tài)應(yīng)力形成動(dòng)靜載組合作用，是煤層大巷形成沖擊地壓災(zāi)害的直接原因。

2)研究建立了動(dòng)靜載荷作用下煤層大巷動(dòng)態(tài)破壞的組合應(yīng)力判據(jù)，明確提出了煤層大巷沖擊地壓防控的關(guān)鍵因素在于加強(qiáng)巷道圍巖損傷與承載結(jié)構(gòu)半徑，促進(jìn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力波的衰減。

3)基于陜西正通煤業(yè)高家堡煤礦煤層大巷沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，揭示了煤層大巷防控失效的根本原因，并針對(duì)性提出了大巷圍巖“爆破松動(dòng)-圍巖注漿”沖擊地壓聯(lián)合防控技術(shù)措施，數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐監(jiān)測(cè)防控效果良好。