楊 軍，喬林珂，周開放，程小遠，鮑甜甜

(1.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；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

急傾斜特厚高巖墻誘發(fā)沖擊地壓機理及防治措施

楊 軍1，喬林珂1，周開放1，程小遠2，鮑甜甜2

(1.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；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

針對烏東煤礦南采區(qū)急傾斜煤層特殊賦存形式和開采方式，建立了誘發(fā)沖擊地壓的“懸臂梁”模型，得出巖墻內(nèi)部能量值與巖墻有效彎曲長度三次方成正比，并對此采用相應(yīng)的空間綜合治理措施。即對巖墻上部+500～+736m范圍進行地面深孔爆破預(yù)裂，改變巖體儲能條件；而在巖墻底部+475～+515m水平實施注水和深孔爆破措施，降低巖墻底腳部位煤巖層沖擊傾向性。通過ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)進行效果檢驗，結(jié)果表明上述措施明顯改善了巖墻內(nèi)部儲能方式，降低了沖擊風(fēng)險。

沖擊地壓；急傾斜煤層；懸臂梁；應(yīng)力集中；深孔爆破；注水

沖擊地壓是礦山開采過程中發(fā)生的一種煤巖動力學(xué)現(xiàn)象，具有瞬時性、破壞性、復(fù)雜性，一般伴有煤巖體拋出，其根本主要由于構(gòu)造應(yīng)力或重力導(dǎo)致煤巖體內(nèi)大量能量積蓄，而人類開挖活動為這些能量釋放創(chuàng)造條件，能量在短時間尋求一種新的平衡，釋放過程中即造成巨大災(zāi)害。

學(xué)者們對沖擊地壓做了很多研究，姜耀東等[1-2]對與沖擊地壓發(fā)生基本機理及研究進展、超前預(yù)警技術(shù)、防治措施等做了詳細論述；石平五等[3-6]在急傾斜煤層巖層移動破壞規(guī)律方面的研究對采動誘發(fā)沖擊地壓機理及防治具有重要意義上的借鑒作用；對于“懸臂梁”結(jié)構(gòu)運動模型，鞠金峰等[7-8]對覆巖關(guān)鍵層提出了3種運動形式，即“懸臂梁”直接垮落式、“懸臂梁”雙向回轉(zhuǎn)垮落式、“懸臂梁-砌體梁”交替式，揭示三種覆巖運動形式對礦壓不同影響規(guī)律。

煤巖體的應(yīng)力環(huán)境和力學(xué)性質(zhì)是發(fā)生沖擊地壓的根本原因，因此，控制沖擊地壓主要有兩條途徑：一是減緩應(yīng)力梯度，改變儲能方式，避免應(yīng)力集中或使應(yīng)力峰值區(qū)向煤巖體深部轉(zhuǎn)移；二是改變煤巖體物理力學(xué)性能，降低其沖擊傾向性。本文結(jié)合烏東煤礦南采區(qū)特殊地質(zhì)構(gòu)造及采煤方法，通過對中間巖墻建立力學(xué)模型揭示該區(qū)域沖擊地壓發(fā)生機理，并對此提出上下空間綜合治理思路，即對巖墻上部+500～+736 m范圍進行地面深孔爆破預(yù)裂，而在巖墻底部+475～+515 m水平實施注水和深孔爆破措施，治理效果顯著。

1 沖擊地壓機理分析

1.1 工程概況

烏東煤礦南采區(qū)位于八道灣向斜南翼，地面標(biāo)高+850 m，目前主采煤層為B1+2、B3+6兩層，兩層煤回采面走向長度分別為1 990 m和1 817 m，煤層厚度分別為37 m和49 m。兩組煤被一沿東向西逐漸變薄的巖墻隔開，巖墻厚度在53～110 m之間，煤層傾角為87°，屬于急傾斜煤層，由于經(jīng)歷數(shù)十年開采，在距離石門1 100 m以東區(qū)域存在分布不規(guī)則煤柱。采用綜采放頂采煤方法，采高為3 m，放煤厚度22 m，頂板即為采空區(qū)，以地面回填黃土為假頂。工作面及巷道布置圖見圖1。

圖1 工作面及巷道布置圖

回采前期，巷道壓力顯現(xiàn)不明顯，隨著采掘深度增加，逐漸出現(xiàn)頂板網(wǎng)兜、幫臌和底臌等軟巖非線性大變形現(xiàn)象，造成極大安全隱患，并在B3+6綜采工作面發(fā)生兩次沖擊地壓事件，人員安全受到嚴(yán)重威脅，所以有必要對該地區(qū)沖擊地壓機理進行深入研究，并采取相應(yīng)防治措施。

1.2 烏東南采區(qū)沖擊地壓理論分析

采用微震監(jiān)測系統(tǒng)對回采區(qū)域圍巖體進行監(jiān)測，得到微震事件分布立面圖和巖體內(nèi)部應(yīng)力分布立面圖分別見圖2、圖3，由圖2、圖3可知，微震事件主要分布在中間巖墻內(nèi)部，占所有微震事件的50 %以上，同時70 %以上高能量微震事件也發(fā)生在該區(qū)域，表明中間巖墻內(nèi)部應(yīng)力集中程度相對較大，是發(fā)生沖擊地壓的主要震源，需要采取適當(dāng)措施降低該區(qū)域沖擊危險性。

圖2 微震事件分布立面圖(單位：m)

圖3 應(yīng)力分布立面云圖

圖4 數(shù)值模型

為研究急傾斜巖墻沖擊地壓機理，根據(jù)地質(zhì)條件建立數(shù)值模型如圖4所示，研究巖墻內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律，模型尺寸為250 m×1 700 m×400 m(長×寬×高)，煤層傾角為87°，共模擬5層煤巖，分別為B3+6煤層頂板、B3+6煤層、中間巖墻、B1+2煤層及B1+2煤層底板。水平構(gòu)造應(yīng)力呈漸變分布，其中垂直巷道走向方向的最大水平主應(yīng)力為14.31 MPa，沿巷道走向方向最大水平主應(yīng)力為8.05 MPa，模型底端固定，四周水方向鉸支約束，模型煤巖物理及力學(xué)參數(shù)見表1。

圖5和圖6分別為在自重應(yīng)力作用下，+500水平中間巖墻豎直應(yīng)力分布云圖和水平應(yīng)力云圖，由于巖墻傾角呈87°偏南傾斜，巖墻南側(cè)邊緣應(yīng)力值明顯高于北側(cè)，最大值達11.35 MPa左右，自距離石門1 100 m向西區(qū)域應(yīng)力分布明顯不均勻，為沖擊地壓的發(fā)生提供了必要條件。而距石門1 194～1 400 m附近區(qū)域應(yīng)力分布均勻，豎向應(yīng)力在8.0M～9.5MPa之間，由于B1+2煤層1 200～1 550 m以及B3+6煤層1 000～1 350 m存在上覆煤柱保護區(qū)域，致使該區(qū)域內(nèi)處于應(yīng)力降低區(qū)；由圖5水平應(yīng)力云圖可知，由于煤柱的存在，加劇了B3+6煤層與B1+2煤層間的水平應(yīng)力傳遞，致使中間巖墻1 000～1 200 m區(qū)域和1 400～1 500 m處于水平應(yīng)力升高區(qū)。

表1 煤巖物理及力學(xué)參數(shù)

圖5 +500水平中間巖墻豎向應(yīng)力云圖

圖6 +500水平中間巖墻水平應(yīng)力云圖

2 沖擊地壓防治措施

為降低沖擊地壓風(fēng)險，結(jié)合上述沖擊機理分析，采取兩項具體防治措施，即將中間巖墻分為上下兩部分進行空間綜合治理。巖墻上部+500～+850 m范圍進行地面深孔爆破預(yù)裂技術(shù)，改變上部巖體儲能條件，減小其產(chǎn)生彎曲作用的有效長度；在巖墻底部+475～+515 m水平實施注水和爆破措施，降低該位置巖層沖擊傾向性能[9-12]。

2.1 巖墻地面深孔爆破

為降低中間巖墻完整性，采取在地面處施工深孔進行爆破預(yù)裂，爆破孔布置平面、立面圖分別見圖7(a)、圖7(b)。一方面，可將該區(qū)域中間巖墻分割為上下整體性和強度不同的兩部分，降低巖墻底腳部位由于彎曲撬動效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力集中程度，切斷爆破影響范圍內(nèi)巖體沿垂直方向應(yīng)力傳遞路徑，使應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置向巖墻深部轉(zhuǎn)移；另一方面，巖墻在爆破動力影響下，可形成沿傾向分布的松動面，切斷了巖墻內(nèi)部應(yīng)力沿走向傳播路徑，減小由于巖墻下部采掘活動造成應(yīng)力在其走向擾動范圍。爆破孔布置詳圖見圖7(c)，炮孔長度為300 m，其中裝藥段166 m，封孔段為104 m，分兩段裝藥共計20 000 kg。

2.2 注水及深孔爆破

為降低巖墻底腳部位應(yīng)力集中程度，采取向巖墻底腳注水及深孔爆破措施。在應(yīng)力集中區(qū)域施工石門，并在石門迎頭施工1個鉆場，石門長度為54 m，斷面為4 m2，注水硐室斷面18 m2。在鉆場內(nèi)沿巖墻走向方向施工注水孔和爆破孔，同時在巖墻傾向方向施工爆破孔，爆破措施待注水措施結(jié)束后進行。裝藥及注水工程量見表2，注水和爆破布置見圖8。

圖7 爆破孔布置圖

圖8 +475水平石門注水及爆破示意圖(單位：mm)

表2 石門裝藥和注水工程量表

鉆孔類別孔徑(mm)孔長(m)孔數(shù)(個)平均長度(m)合計(m)裝藥量(t)注水量(t)爆破孔沿巖墻走向1132081．616323．40-爆破孔沿巖墻傾向1131636．55842．27-注水孔參數(shù)1134100．0400-783

3 治理結(jié)果分析

采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)對上述措施進行效果評價，卸壓措施前3 d共檢測微震事件206次，豎向主要分布在+475～+525 m水平之間巖體，水平方向向主要分布在+500水平工作面前250 m和采空區(qū)后方200 m范圍內(nèi)的巖層中，高能量事件(能級>105J)主要分布在+475～+525 m之間低位巖層，卸壓前微震事件分布平立面圖見圖9(a)、圖9(b)。采取措施后3 d，監(jiān)測到微震事件分布，見圖9(c)、圖9(d)，監(jiān)測結(jié)果具有以下幾點變化。

圖9 卸壓效果微震監(jiān)測(單位：m)

1)微震能量和頻次明顯降低。+500水平雖然仍有微震事件發(fā)生，但頻次明顯降低，屬于采動影響下正常能量釋放。3 d內(nèi)監(jiān)測到微震事件162次，覆巖釋放的能量降低近2倍，高能量等級微震事件降幅最大，說明煤巖體內(nèi)應(yīng)力得到很大程度釋放。

2)高位巖層(+650～+750 m)開始活動。高位巖體內(nèi)微震事件發(fā)生次數(shù)明顯減少，而+650～+750 m范圍內(nèi)開始出現(xiàn)微震并伴有高能量事件發(fā)生，說明卸壓措施引起了高位巖層活動，上部分巖體產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致整體強度開始弱化。

4 結(jié)論

本文針對烏東煤礦南采區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境下沖擊地壓發(fā)生機理進行力學(xué)分析并建立數(shù)學(xué)模型，進而采取空間綜合治理措施，得出以下幾點結(jié)論。

1)針對中間巖墻誘發(fā)沖擊地壓機理以及其受力情況，建立數(shù)學(xué)模型表明，中間巖墻內(nèi)部積蓄的能量值與其長度的三次方成正比，所以，切斷巖墻彎曲有效長度可明顯改善巖墻的蓄能方式。

2)結(jié)合中間巖墻的沖擊機理，從兩個角度采取相應(yīng)治理措施。一方面，對巖墻上部采用地面深孔爆破預(yù)裂措施，減小其彎曲效應(yīng)有效長度，減低巖墻底腳部位由于彎曲撬動效應(yīng)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，同時在爆破區(qū)域產(chǎn)生松動破裂面，切斷巖墻內(nèi)部應(yīng)力傳播路徑；另一方面，對巖墻下部的巷道內(nèi)進行先注水后爆破措施，減弱了下部巖體沖擊性能。

3)ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測表明，采取卸壓措施后，高位巖體發(fā)生高能級微震事件頻次明顯減少，高位巖層開始釋放能量，說明本文空間治理措施的思路是可行的。

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Research on the mechanism and control measures of rock burst in steeply-inclined and extremely thick coal dike

YANG Jun1, QIAO Linke1, ZHOU Kaifang1, CHENG Xiaoyuan2, BAO Tiantian2

(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China; 2. School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

A cantilever beam model which induces the rockburst is established aiming at the especial mode of occurrence of the steep seam and mining way. Then a corresponding comprehensive control measure is proposed by the result of the model that the energy inside the middle rockwall is proportional to the cube of effective bending length. The energy-saving condition can be changed by the deep hole blasting on the ground at the range of +500～+736m along the rockwall. besides, the rockburst tendency will reduce by the measures which is composed of water pouring and deep hole blasting at range of +475～+515m. At last, it indicates that this series of measures reduce the risk of rockburst obviously with the technology of ARAMIS M/E.

rockburst; steep seam; cantilever beam; stress concentration; deep hole blasting; water pouring

2016-10-15

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51674265)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目資助

楊軍(1979-)，男，山東泰安人，副教授，工學(xué)博士，從事軟巖工程巖體力學(xué)、巖土工程加固技術(shù)等方面的研究，E-mail：yjlr@163.com。

TD713

A

1004-4051(2017)02-0112-05