張科學(xué)，朱俊傲，何滿潮，亢 磊，姜耀東，李 東，孫健東，程志恒，王曉玲，楊海江，吳永偉，閆星辰，李舉然，尹宇航

(1.華北科技學(xué)院 河北省礦山智能化開采技術(shù)重點實驗室，北京 101601；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.華北科技學(xué)院 智能化無人開采研究所，北京 101601； 4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；5.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；6.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 101601)

0 引 言

向斜構(gòu)造在地殼中分布十分廣泛，在煤系地層中比較常見，是巖層在構(gòu)造作用下形成的一系列連續(xù)彎曲。相關(guān)研究[1-4]及實踐證明[3，5-9]向斜構(gòu)造是影響沖擊地壓發(fā)生的重要因素之一，義馬礦區(qū)、大同礦區(qū)、京西礦區(qū)等沖擊地壓案例表明，在次一級的向斜構(gòu)造軸部，傾角大于45°的翼部及其轉(zhuǎn)折部位是沖擊地壓的多發(fā)區(qū)域。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者從構(gòu)造應(yīng)力場的角度對向斜作用下沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律和特征進(jìn)行了研究?？导t普等[10]通過地應(yīng)力實際測量，建立了相應(yīng)的向斜數(shù)值模型，研究了甘肅華亭礦區(qū)的大型向斜構(gòu)造，得到了向斜軸部水平應(yīng)力明顯大于垂直應(yīng)力，且向斜軸部水平應(yīng)力也明顯比向斜翼部水平應(yīng)力大。宋佩德等[11]建立了不同構(gòu)造應(yīng)力條件下工作面沖擊地壓計算模型，研究了構(gòu)造應(yīng)力對煤層及其頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力場和能量場的影響，得到了高水平構(gòu)造應(yīng)力場是試驗礦井沖擊地壓發(fā)生的主要影響因素。陳國祥等[12]建立了褶皺區(qū)不同介質(zhì)接觸型沖擊地壓突變模型，研究認(rèn)為向斜附近區(qū)域煤巖體更容易積聚能量，而其積聚的能量在開采擾動下易引發(fā)沖擊地壓，使該區(qū)域沖擊地壓危險程度更高。陳國祥等[13]還開展了褶皺區(qū)應(yīng)力場對沖擊地壓影響的相關(guān)研究，認(rèn)為工作面自背斜軸部開采時，支承應(yīng)力集中系數(shù)比自向斜軸部開采大，工作面從褶皺翼部開始回采沖擊危險程度更??；當(dāng)褶皺背向斜同時存在時，工作面從褶皺背斜軸部開始俯采時，沖擊危險性遠(yuǎn)高于從褶皺向斜軸部開始仰采的危險性。王存文等[14]根據(jù)褶皺的縱彎形成機制，將褶皺分為5個區(qū)，不同部位具有不同的應(yīng)力狀態(tài)，研究認(rèn)為向斜軸部區(qū)域水平應(yīng)力集中較大。王宏偉等[15]通過相似模擬試驗分析了開采擾動條件下斷層滑動面切應(yīng)力的動態(tài)演化特征，得到了工作面回采過程中斷層面上聲發(fā)射事件數(shù)的分布規(guī)律，構(gòu)建了斷層賦存條件下的工作面回采模型，得到了斷層滑移失穩(wěn)時切應(yīng)力分布和能量釋放的動態(tài)演化特征，總結(jié)了斷層滑移失穩(wěn)的前兆信息。王桂峰等[16]把巷道圍巖作為一個整體進(jìn)行沖擊地壓空間孕育機制的研究，提出“一大兩小”的孕育模型，研究表明向斜構(gòu)造引起的應(yīng)力場是沖擊礦壓發(fā)生的內(nèi)在應(yīng)力根源，并通過采用頂板巖層深孔爆破的措施進(jìn)行防治。然而，相關(guān)學(xué)者多是從向斜構(gòu)造應(yīng)力場[17-20]及周圍大采場環(huán)境下進(jìn)行研究與評價[21-24]，且多是從宏觀進(jìn)行探討其發(fā)生規(guī)律及孕育機理，雖然回采巷道沖擊地壓在沖擊事故中占多數(shù)[25]，但并沒有引起學(xué)者們的足夠重視，尤其對向斜作用下回采巷道沖擊地壓的深入研究更是少見。因此通過力學(xué)分析、數(shù)值計算及現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方法，深入研究向斜作用下回采巷道圍巖沖擊特性，以希望取得一些有益結(jié)論，對同類型地質(zhì)條件下回采巷道沖擊地壓預(yù)防與治理具有借鑒意義。

1 工程概況

試驗巷道為某礦區(qū)21221工作面運輸巷(以下簡稱“下巷”)，該礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為60萬t/a，2007年核定生產(chǎn)能力為210萬t/a；主采2號煤層，煤層傾角為3°～13°，平均傾角為10°；煤層平均厚度為10 m；煤層普氏系數(shù)為1.5～3.0，煤層節(jié)理、層理發(fā)育；煤層直接頂為0～24 m的脆性泥巖，基本頂為侏羅系巨厚礫巖，且厚度為179～429 m，平均410 m。21采區(qū)采掘工程平面如圖1所示。

2 向斜作用下回采巷道力學(xué)分析

2.1 回采巷道應(yīng)力集中分析

將煤礦巷道圍巖的應(yīng)力求解簡化為彈性力學(xué)中的求解矩形孔口區(qū)域的應(yīng)力問題[26]，如圖2a所示，帶小圓孔的矩形板，受x向均布拉力q1，y向均布拉力q2，可以將荷載分解為2部分：第1部分是四邊的均布拉力，如圖2b所示，得到應(yīng)力解答：

(1)

式中：σρ為圓形巷道沿ρ方向的徑向正應(yīng)力；σφ為圓形巷道沿φ方向的切向正應(yīng)力；τρφ、τφρ均為圓形巷道切應(yīng)力；r為圓形巷道半徑；ρ為極坐標(biāo)系中的極徑；φ為極坐標(biāo)系中的極角；q1為x向均布拉力；q2為y向均布拉力。

第2部分是左右兩邊的均布拉力和上下兩邊的均布壓力，如圖2c所示，得到應(yīng)力解答：

(2)

將式(1)和式(2)解答疊加，即得原荷載作用下的應(yīng)力分量：

(3)

由于原巖應(yīng)力場是分析開采空間周圍應(yīng)力重新分布的基礎(chǔ)，研究巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，為分析開挖煤巖體過程中煤巖體內(nèi)部應(yīng)力變化[27]、合理設(shè)計巷道支護提供依據(jù)。原巖應(yīng)力場主要由自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場組成。

2.2 向斜作用下回采巷道力學(xué)分析

2.2.1 向斜作用下回采巷道力學(xué)模型

地殼自然運動過程中，大規(guī)?；蛘邊^(qū)域巖石受力彎曲變形形成向斜構(gòu)造，因此在向斜構(gòu)造的受力分析時，可以通過巖石的彎曲變形進(jìn)行簡化處理，而彎曲彈性梁的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以很好地描述巖石彎曲變形的過程。巖層在彎矩M的作用下彎曲，以中性層為界，下部受拉應(yīng)力作用，上部受壓應(yīng)力作用，并且拉(或壓)應(yīng)力離中性層越遠(yuǎn)越大，其最大值在遠(yuǎn)離中性層最遠(yuǎn)的上下邊緣處，如圖3所示。

在巖層本身彎曲(純彎曲)所決定的應(yīng)力狀態(tài)中，最大和最小壓應(yīng)力(σ1和σ2)垂直或者平行于巖層表面(與位于中性層上、下有關(guān))，并垂直于向斜軸，而中間應(yīng)力平行于巖層面和向斜軸[28]。

因此，巖層的最大拉應(yīng)力為：

(4)

式中：σ1為最大拉應(yīng)力；y為應(yīng)力點距中性層的距離；E為巷道圍巖彈性模量；ρ′為向斜構(gòu)造曲率半徑。

若令q1=σ1，q2=-γH(γ為覆巖容重，H為埋深)，代入式(3)，解出向斜作用下回采巷道圍巖應(yīng)力分布：

(5)

2.2.2 向斜作用下回采巷道力學(xué)分析

該礦區(qū)向斜構(gòu)造走向一般為東西方向，向斜翼間角約為160°；煤層平均埋深為758.5 m；21221工作面長度約為176 m，下巷巷道半徑近似為3.0 m。

(6)

綜上所述可知：向斜作用下回采巷道底板圍巖應(yīng)力集中較大，應(yīng)力集中系數(shù)為5.8，且為拉應(yīng)力，易發(fā)底板沖擊；幫部圍巖應(yīng)力集中相對較高，應(yīng)力集中系數(shù)為3.6，為壓應(yīng)力，可發(fā)生幫部沖擊；頂板圍巖應(yīng)力較小，不易發(fā)生頂板沖擊。

3 向斜作用下回采巷道沖擊特性

3.1 CDEM數(shù)值軟件介紹及模型建立

3.1.1 CDEM數(shù)值軟件介紹

連續(xù)-非連續(xù)單元方法(CDEM)是中國科學(xué)院力學(xué)研究所非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及工程災(zāi)害聯(lián)合實驗室提出的適用于模擬材料在靜、動載荷作用下非連續(xù)變形及漸進(jìn)破壞的一種數(shù)值算法。CDEM具有將有限元與離散元耦合計算、單元體破裂、大變形位移、GPU加速等優(yōu)點[3]。因此，基于CDEM數(shù)值軟件的優(yōu)點，對采礦工程中的大變形、垮落、斷層位移場等問題，更具有真實直觀性和實際參考價值。

3.1.2 數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬工程背景以該礦21221工作面下巷為數(shù)據(jù)支撐，并結(jié)合礦區(qū)向斜、力學(xué)分析及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)籌，將向斜作用下回采巷道圍巖沖擊特性數(shù)值模擬方案分為2個，分別為向斜軸部回采巷道沖擊地壓模型和向斜翼部回采巷道沖擊地壓模型。數(shù)值模型建立采用CDEM數(shù)值軟件，依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)確定數(shù)值模擬中向斜翼間角(正交剖面上兩翼間的內(nèi)夾角，圓弧形向斜的翼間角是指通過兩翼上2個拐點的切線之間的夾角)為160°，為平緩向斜。

CDEM數(shù)值模型建模思路及過程具體如下[3]：①在AutoCAD中建立向斜作用下回采巷道沖擊地壓模型；②AutoCAD模型文件以DXF格式輸出保存；③把 .dxf文件導(dǎo)入GID軟件，并在GID軟件中進(jìn)行分組及復(fù)雜網(wǎng)格劃分操作；④把GID模型以ASCII文件格式(美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼)輸出，最后以 .msh文件保存；⑤把 .msh文件導(dǎo)入CDEM數(shù)值軟件，模型建立完成。

模型邊界條件主要是根據(jù)工作面的現(xiàn)場地質(zhì)條件和向斜地質(zhì)特征，并綜合考慮各方面的因素確定的。模型的邊界條件為左右邊界水平方向固定，底邊界垂直方向固定，頂部自由邊界。依據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果對模型開挖前應(yīng)力場進(jìn)行設(shè)置，最大水平主應(yīng)力約為22.87 MPa，最小水平主應(yīng)力約為11.67 MPa，垂直主應(yīng)力約為19.54 MPa。

向斜作用下回采巷道沖擊地壓數(shù)值模型，如圖6所示。整個模型尺寸(長×高)確定為：266 m×247 m，+X方向為工作面的推進(jìn)方向，+Y方向為垂直向上。模型巷道尺寸(長×高)確定為：6 m×5 m。

圖6 向斜作用下回采巷道沖擊地壓數(shù)值模型Fig.6 Numerical model of mining roadway under influence of syncline

3.1.3 巖體力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型中材料本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型，模擬中各煤巖層的巖體力學(xué)參數(shù)參考了煤巖塊力學(xué)性能測試結(jié)果以及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料等，最終得到各巖層的巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值計算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 向斜軸部回采巷道圍巖沖擊特性分析

巷道沖擊地壓的本質(zhì)原因是巷道圍巖在高應(yīng)力作用下的突然失穩(wěn)、變形和破壞。巷道圍巖沖擊特性主要是指巷道沖擊地壓在孕育、發(fā)生過程中伴隨著周圍煤巖體應(yīng)力場轉(zhuǎn)移、能量場積聚、塑性區(qū)擴展和位移場演化(三場一區(qū))，巷道圍巖的應(yīng)力場、能量場、塑性區(qū)和位移場是巷道圍巖沖擊特性的表現(xiàn)形式。

重點關(guān)注巷道頂板圍巖、底板圍巖和兩幫圍巖，

并分別在巷道的四周布置監(jiān)測點，分別監(jiān)測巷道頂板、底板、左幫、右?guī)秃偷装迳畈繃鷰r的應(yīng)力、能量和位移變化情況[29-30]，巷道頂板、底板、左幫和右?guī)捅砻鎳鷰r監(jiān)測點序號分別為1、2、3和4，巷道底板深部圍巖監(jiān)測點序號分別為21、22、23、25和28(以28監(jiān)測點序號為例，代表意義：前面數(shù)字2為底板，后面數(shù)字8為底板表面距監(jiān)測點深度為8 m)，巷道圍巖監(jiān)測點布置序號及深度如圖7所示。

圖7 巷道圍巖監(jiān)測點布置序號及深度Fig.7 Arrangement of surrounding rock monitoring points

3.2.1 應(yīng)力場演化規(guī)律

統(tǒng)計和分析CDEM數(shù)值軟件計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)向斜軸部采場及巷道圍巖水平應(yīng)力場演化規(guī)律，如圖8所示。向斜軸部巷道圍巖應(yīng)力演化特征，如圖9所示。

圖8 向斜軸部采場及巷道圍巖水平應(yīng)力場Fig.8 Working face and roadway surrounding rock near synclinal axis

圖9 向斜軸部巷道圍巖應(yīng)力演化特征Fig.9 Stress evolution of roadway surrounding rock near synclinal axis

由圖8和圖9分析可知，采動影響下向斜軸部回采巷道圍巖應(yīng)力場演化特征及規(guī)律如下：

1)向斜軸部回采巷道圍巖應(yīng)力隨采動影響總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后持續(xù)穩(wěn)定，然后突變降低，最后持續(xù)穩(wěn)定在高應(yīng)力狀態(tài)或低應(yīng)力狀態(tài)；巷道圍巖垂直應(yīng)力最后穩(wěn)定值高于水平應(yīng)力。

2)巷道表面圍巖應(yīng)力中底板應(yīng)力最小，兩幫的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力明顯高于頂?shù)装?，且?guī)筒康拇怪睉?yīng)力可以保持相對的高應(yīng)力狀態(tài)；左幫的垂直應(yīng)力和頂板的水平應(yīng)力發(fā)生復(fù)雜變化后穩(wěn)定在一種相對高應(yīng)力狀態(tài)，其最后的穩(wěn)定應(yīng)力分別為26.9 MPa和17.2 MPa；巷道表面圍巖垂直應(yīng)力平均值為11.5 MPa，水平應(yīng)力平均值為6.2 MPa。

3)采動影響下向斜軸部回采巷道底板深部圍巖應(yīng)力總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后小范圍下降，再持續(xù)穩(wěn)定波動，然后突變降低，最后緩慢穩(wěn)定；底板深部圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)相同的規(guī)律性變化，底板1～3 m圍巖最后的穩(wěn)定應(yīng)力約為其峰值應(yīng)力的1/4，甚至更低；底板5～8 m圍巖最后的穩(wěn)定應(yīng)力約為其峰值應(yīng)力的1/3～1/2。

3.2.2 能量場演化規(guī)律

計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向斜軸部回采巷道圍巖能量場變化具有一定的規(guī)律性，其圍巖能量演化特征，如圖10所示。

圖10 向斜軸部巷道圍巖能量演化特征Fig.10 Energy evolution of roadway surrounding rock near synclinal axis

由圖10分析可知，采動影響下向斜軸部回采巷道圍巖能量演化特征如下：

1)采動影響下向斜軸部回采巷道圍巖能量總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后持續(xù)穩(wěn)定，然后突變降低，最后持續(xù)穩(wěn)增加到一定應(yīng)力狀態(tài)，或者穩(wěn)定不變；對比分析向斜軸部巷道圍巖應(yīng)力可知，巷道圍巖應(yīng)力和巷道圍巖積聚的能量存在著某種的對應(yīng)關(guān)系。

2)巷道表面圍巖積聚的能量中底板最小，最后其能量值為0；兩幫圍巖積聚的能量整體上高于頂?shù)装鍑鷰r，頂板和兩幫圍巖最后積聚的能量值穩(wěn)定在一定水平，其中頂板圍巖積聚的能量最后穩(wěn)定在76.3 kJ/m3。

3)采動影響下向斜軸部回采巷道底板深部圍巖能量總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后小范圍下降，再持續(xù)穩(wěn)定波動，然后突變降低，最后緩慢穩(wěn)定在一定水平上；底板深部圍巖能量整體上釋放的較多，其中底板0～3 m圍巖釋放能量的程度大于底板深部5～8 m。

3.2.3 位移場演化規(guī)律

向斜軸部采場及巷道圍巖位移場演化規(guī)律，如圖11所示。向斜軸部巷道圍巖位移和移近速度演化特征，如圖12所示。

圖11 向斜軸部采場及巷道圍巖位移Fig.11 Displacement of working face and roadway near synclinal axis

d—位移； v—速度；下角1，2，3，…，28—測點；下角x,y—方向

由圖11和圖12分析可知，采動影響下向斜軸部回采巷道圍巖應(yīng)力場演化特征及規(guī)律如下：

1)采動影響下向斜軸部回采巷道圍巖變形以頂?shù)装遄冃螢橹?，兩幫變形為輔，底鼓尤為突出。

2)在第13 000時步巷道圍巖開始出現(xiàn)急劇變形，其中底板的移近速率最高，最大值達(dá)到2.8 mm/step，在20 000時步巷道圍巖變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但其巷道底鼓量已達(dá)1.0 m。

3)采動影響下向斜軸部回采巷道底板深部圍巖變形呈現(xiàn)出先急劇升高，后持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)；底板深1、2、3、5、8 m圍巖的最大變形量分別為0.98、0.78、0.62、0.36和0.08 m，最大變形速率分別為2.79、2.76、2.71、2.22、1.74 mm/step，由此分析可知，底板1～3 m深度圍巖變形較大，且變形劇烈；底板5～8 m深度圍巖變形較小，較為穩(wěn)定。

3.3 向斜翼部回采巷道圍巖沖擊特性分析

3.3.1應(yīng)力場演化規(guī)律

向斜翼部采場及巷道圍巖應(yīng)力場演化規(guī)律和演化特征分別如圖13和圖14所示。

由圖13和圖14分析可知，采動影響下向斜翼部回采巷道圍巖應(yīng)力場演化特征及規(guī)律如下：

圖13 向斜翼部采場及巷道圍巖應(yīng)力場演化規(guī)律Fig.13 Stress field evolution of working face and roadway near synclinal limb

圖14 向斜翼部巷道圍巖應(yīng)力演化特征Fig.14 Stress field evolution of roadway near synclinal limb

1)采動影響下向斜翼部回采巷道圍巖應(yīng)力總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后持續(xù)穩(wěn)定，然后突變降低，最后持續(xù)穩(wěn)定在高應(yīng)力狀態(tài)或低應(yīng)力狀態(tài)；巷道圍巖垂直應(yīng)力最后穩(wěn)定值高于水平應(yīng)力；向斜翼部巷道圍巖在高應(yīng)力狀態(tài)下會發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移、能量積聚，當(dāng)其巷道圍巖應(yīng)力達(dá)到煤巖體強度極限時，煤巖體產(chǎn)生破壞，除煤巖體中保存的部分殘余變形能外，其儲存的應(yīng)力(能量)將大部分或者全部釋放，巷道圍巖一部分應(yīng)力向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，另一部分應(yīng)力必定全部釋放出來，因此會出現(xiàn)應(yīng)力的突變降低。

2)巷道表面圍巖應(yīng)力中底板應(yīng)力最小，兩幫的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力明顯高于頂?shù)装?，且?guī)筒康拇怪睉?yīng)力可以保持相對的高應(yīng)力狀態(tài)；左幫的垂直應(yīng)力和頂板的水平應(yīng)力發(fā)生復(fù)雜變化后穩(wěn)定在一種相對高應(yīng)力狀態(tài)，其最后的穩(wěn)定應(yīng)力分別為31.2 MPa和8.5 MPa，其中頂板圍巖水平應(yīng)力明顯低于向斜軸部巷道頂板圍巖水平應(yīng)力；巷道表面圍巖垂直應(yīng)力平均值為11.1 MPa，水平應(yīng)力平均值為5.5 MPa。

3)采動影響下向斜翼部回采巷道底板深部圍巖應(yīng)力總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后小范圍下降，再持續(xù)穩(wěn)定波動，然后突變降低，最后緩慢穩(wěn)定；底板深部圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)相同的規(guī)律性變化，且隨底板深度的增加垂直應(yīng)力穩(wěn)定值更具有線性關(guān)系；底板深1 m圍巖水平應(yīng)力明顯低于底板深度2～8 m處，其應(yīng)力約為底板深5～8 m圍巖應(yīng)力的2/3。

3.3.2 能量場演化規(guī)律

向斜翼部回采巷道圍巖能量場變化具有一定的規(guī)律性，其能量演化特征，如圖15所示。

圖15 向斜翼部巷道圍巖能量演化特征Fig.15 Energy field evolution of roadway near synclinal limb

由圖15分析可知，采動影響下向斜翼部回采巷道圍巖能量演化特征如下：

1)采動影響下向斜翼部回采巷道圍巖能量總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后持續(xù)穩(wěn)定，然后突變降低，最后持續(xù)穩(wěn)增加到一定應(yīng)力狀態(tài)，或者穩(wěn)定不變；對比分析向斜翼部巷道圍巖應(yīng)力可知，巷道圍巖應(yīng)力和巷道圍巖積聚的能量存在著某種的對應(yīng)關(guān)系。

2)巷道表面圍巖積聚的能量中底板最小，最后其能量值為0；兩幫圍巖積聚的能量整體上高于頂?shù)装鍑鷰r，頂板和兩幫圍巖最后積聚的能量值穩(wěn)定在一定水平，其中左幫圍巖積聚的能量最后穩(wěn)定在103.4 kJ/m3。

3)采動影響下向斜翼部回采巷道底板深部圍巖能量總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后小范圍下降，再持續(xù)穩(wěn)定波動，然后突變降低，最后緩慢穩(wěn)定在一定水平上；底板深部圍巖能量整體上釋放的較多，其中底板1 m深度圍巖能量值僅為0.9 kJ/m3明顯低于底板深度2～8 m圍巖能量值，說明底板1 m深度圍巖能量釋放較多，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重。

3.3.3 位移場演化規(guī)律

向斜翼部采場及巷道圍巖位移場演化規(guī)律，如圖16所示。向斜翼部巷道圍巖位移和移近速度演化特征，如圖17所示。

由圖16和圖17分析可知，采動影響下向斜翼部回采巷道圍巖應(yīng)力場演化特征及規(guī)律如下：

圖16 向斜翼部采場及巷道圍巖位移場變化規(guī)律Fig.16 Displacement field evolution of working face and roadway near synclinal limb

1)采動影響下向斜翼部回采巷道圍巖變形中底板和幫部變形都較為嚴(yán)重；向斜翼部巷道圍巖受向斜軸部構(gòu)造應(yīng)力影響，但是其影響程度較軸部小，也因此表現(xiàn)出向斜翼部巷道幫部變形也較為嚴(yán)重；巷道圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的共同釋放是底板和幫部變形破壞的根本原因，但水平應(yīng)力的整體釋放程度高于垂直應(yīng)力，因此巷道圍巖穩(wěn)定后整體水平應(yīng)力低于垂直應(yīng)力。

2)在第15 000時步巷道圍巖開始出現(xiàn)急劇變形，其中底板和右?guī)偷囊平俾瘦^高，分別為1.7、1.68 mm/step，在23 000時步巷道圍巖變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，底板和右?guī)偷膰鷰r變形量分別為0.47、0.43 m。

3)采動影響下向斜軸部回采巷道底板深部圍巖變形整體上呈現(xiàn)出先急劇升高，后持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)；底板深度1、2、3、5、8 m圍巖的最大變形量分別為0.39、0.29、0.24、0.16、0.06 m，最大變形速率分別為1.72、1.64、1.48、1.01、0.79 mm/step，由此分析可知，底板1 m深度圍巖變形明顯大于底板2～8 m深度圍巖，且底板2～8 m深度圍巖變形具有線性變化規(guī)律。

3.4 向斜軸部和翼部回采巷道圍巖沖擊特性對比分析

綜上分析可知，向斜軸部與翼部巷道圍巖沖擊特性中表現(xiàn)出不同的規(guī)律，對比分析向斜軸部和翼部回采巷道(X軸為推進(jìn)時步；Y軸為至向斜軸部距離，向斜軸部巷道為0 m，向斜翼部巷道為30 m；Z軸為應(yīng)力、能量或位移)圍巖應(yīng)力場、能量場和位移場的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，如圖18所示。

d—位移； v—速度；下角1，2，3，…，28—測點；下角x,y—方向

由3.2節(jié)、3.3節(jié)和圖18分析可知，采動影響向斜作用下回采巷道圍巖沖擊特性具有如下規(guī)律：

1)采動影響向斜作用下回采巷道圍巖應(yīng)力總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后持續(xù)穩(wěn)定，然后突變降低，最后持續(xù)穩(wěn)定在高應(yīng)力狀態(tài)或低應(yīng)力狀態(tài)；巷道圍巖垂直應(yīng)力最后穩(wěn)定值高于水平應(yīng)力。

2)巷道圍巖能量總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后持續(xù)穩(wěn)定，然后突變降低，最后持續(xù)穩(wěn)增加到一定應(yīng)力狀態(tài)，或者穩(wěn)定不變；巷道圍巖應(yīng)力和巷道圍巖積聚的能量存在著正相關(guān)的對應(yīng)關(guān)系。

3)向斜軸部巷道圍巖變形以底鼓為主，向斜翼部巷道圍巖變形是底板和幫部同時變形；向斜軸部巷道圍巖變形整體上大于向斜翼部，其中向斜軸部巷道底鼓量約為向斜翼部的2倍；向斜軸部巷道底板深度1～3 m圍巖變形劇烈，底板深度5～8 m圍巖較為穩(wěn)定，而向斜翼部巷道底板深度1 m圍巖變形明顯大于底板深度2～8 m圍巖，且底板深度2～8 m圍巖變形具有線性變化規(guī)律。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

21221工作面掘進(jìn)期間共發(fā)生了3次巷道沖擊地壓事故?！?.16”礦震事件發(fā)生在距巷口約477 m，底鼓變形量約260 mm，造成單體柱向上幫歪斜，輸送帶架偏移。“8.31”礦震事件發(fā)生在距巷口約570 m，底鼓變形量約300 mm，造成下幫梁腿輕微滑移。“11·3”礦震事件發(fā)生在距巷口約550 m，底鼓變形量約350 mm，造成上幫移出210 mm，煤塵大，持續(xù)時間較長，沖擊波大。沖擊引起的回采巷道變形破壞以底鼓為主，并伴隨上幫移出，下幫肩角鼓出等破壞。

根據(jù)21221工作面運輸巷作業(yè)規(guī)程相關(guān)資料及現(xiàn)場實際，得知21221工作面現(xiàn)有支護體系主要有一級支護和二級支護，即錨桿支護體系和聯(lián)合支護體系(36U型鋼+錨桿支護體系)。現(xiàn)有支護體系在發(fā)生沖擊時不能有效地控制巷道變形，使巷道圍巖變形嚴(yán)重，尤其是巷道底鼓沒有得到很好控制，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。根據(jù)21221工作面運輸巷沖擊地壓發(fā)生影響因素及圍巖變形特點，提出了采用錨桿支護體系+“O”型棚+門式液壓支架(或垛式液壓支架)的強力柔性支護體系，為回采巷道沖擊地壓綜合支護體系中的三級支護，此強力柔性支護體系在該礦的回采巷道防沖支護中得到了良好的應(yīng)用。21221工作面巷道強力柔性支護斷面參數(shù)設(shè)計如圖19所示。

圖19 21221工作面巷道強力柔性支護斷面參數(shù)設(shè)計Fig.19 Parameter design drawing of strong flexible support section of No.21221 working face roadway

綜合21221工作面下巷微震、電磁輻射、鉆孔應(yīng)力和巷道圍巖變形監(jiān)測規(guī)律可以得出回采巷道沖擊地壓前兆規(guī)律如下：

沖擊事件發(fā)生前3～5 d微震能量和頻次信號均出現(xiàn)上升趨勢，之后1～4 d達(dá)到峰值后下降，在下降后2～3 d發(fā)生沖擊事件；電磁輻射強度在沖擊事件發(fā)生之前1～2 d出現(xiàn)高值，且整體上在沖擊前后呈現(xiàn)“∧”型和“N”型變化趨勢；鉆孔應(yīng)力在沖擊發(fā)生前7～28 d出現(xiàn)連續(xù)上升趨勢，沖擊發(fā)生前1～2 d達(dá)到峰值，之后開始下降，在下降過程中發(fā)生沖擊；沖擊事件發(fā)生前15～20 d頂?shù)装逡平砍霈F(xiàn)連續(xù)增大的趨勢，沖擊發(fā)生前1～2 d達(dá)到峰值后突然下降，在下降過程中發(fā)生沖擊。

強力柔性防沖支護體系在回采巷道沖擊地壓現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，防沖支護體系在控制巷道圍巖變形中起到了關(guān)鍵控制作用，且沖擊地壓發(fā)生后，巷道仍可以滿足礦井安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1)向斜作用下回采巷道底板圍巖應(yīng)力集中較大，易發(fā)底板沖擊；幫部圍巖應(yīng)力集中相對較高，可發(fā)生幫部沖擊；頂板圍巖應(yīng)力較小，不易發(fā)生頂板沖擊。

2)向斜作用下回采巷道圍巖能量隨采動影響總體上呈現(xiàn)先急劇增大，后持續(xù)穩(wěn)定，然后突變降低，最后持續(xù)穩(wěn)增加到一定應(yīng)力狀態(tài)，或者穩(wěn)定不變；巷道圍巖應(yīng)力和巷道圍巖積聚的能量存在著正相關(guān)的對應(yīng)關(guān)系。

3)向斜軸部巷道圍巖變形以底鼓為主，向斜翼部巷道圍巖變形是底板和幫部同時變形；向斜軸部巷道圍巖變形整體上大于向斜翼部，其中向斜軸部巷道底鼓量約為向斜翼部的2倍。

4)向斜軸部巷道底板深度1～3 m圍巖變形劇烈，底板深度5～8 m圍巖較為穩(wěn)定，而向斜翼部巷道底板深度1 m圍巖變形明顯大于底板深度2～8 m圍巖，且底板深度2～8 m圍巖變形具有線性變化規(guī)律。