楊 磊岳春輝，王書文，秦子晗

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司 鳳水溝煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076)

深部厚煤層留底煤掘進(jìn)巷道沖擊地壓發(fā)生原因及防治方法

楊 磊1，2岳春輝3，王書文1，2，秦子晗1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司 鳳水溝煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076)

結(jié)合具體工程案例分析了沖擊顯現(xiàn)特征，從圍巖應(yīng)力分布和彈性能釋放兩個(gè)角度分析了其發(fā)生沖擊地壓的主要原因，并提出了相應(yīng)的防范及防治對策。研究結(jié)果表明：深部厚煤層掘進(jìn)留設(shè)頂?shù)酌汉?，巷道頂?shù)装迕簬r體水平應(yīng)力集中程度較高，尤其是巷道底煤，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.6；開挖后底煤2m處煤巖體彈性能呈迅速積聚隨后釋放特征，是重點(diǎn)潛在沖擊危險(xiǎn)源，開挖穩(wěn)定后，頂、底板和迎頭前方彈性能水平較高。為此提出了不留設(shè)底煤或底煤留設(shè)小于2m的防范措施，基于圍巖彈性能的演化規(guī)律提出了卸-支時(shí)空耦合的沖擊地壓防治對策。

底煤；掘進(jìn)巷道；沖擊地壓；卸-支時(shí)空耦合

隨著我國煤礦開采深度的不斷加大，沖擊地壓災(zāi)害逐步頻繁，沖擊顯現(xiàn)的位置和形式也趨于多樣性[1-2]，沖擊地壓災(zāi)害的防治工作更加困難。近年來，沖擊地壓災(zāi)害頻繁在掘進(jìn)巷道中發(fā)生，尤其是厚煤層掘進(jìn)巷道，且顯現(xiàn)位置不一，有的沖擊地壓發(fā)生在掘進(jìn)迎頭，有的發(fā)生在掘進(jìn)迎頭后方區(qū)域；顯現(xiàn)特征主要以瞬間底鼓和迎頭煤體拋出為主[3-5]。目前我國部分學(xué)者對厚煤層掘進(jìn)沖擊地壓的發(fā)生原因進(jìn)行了相關(guān)研究，一部分研究發(fā)現(xiàn)厚煤層掘進(jìn)過程中沖擊地壓的發(fā)生主要集中在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，較高的構(gòu)造應(yīng)力是造成沖擊的最重要因素，同時(shí)夾矸、節(jié)理面的存在為煤體拋出提供了突破口[6-8]；另一部分研究發(fā)現(xiàn)采掘布置不合理及采動應(yīng)力擾動也是造成掘進(jìn)巷道發(fā)生沖擊地壓的重要原因，如采掘相向、采空區(qū)影響等[9-11]。影響深部厚煤層掘進(jìn)巷道發(fā)生沖擊地壓的另一個(gè)主要因素即巷道的自身?xiàng)l件，厚煤層掘進(jìn)巷道不可避免地會留設(shè)頂煤或底煤，在深部高地應(yīng)力條件下，頂煤與底煤是應(yīng)力集中和彈性能釋放的重點(diǎn)區(qū)域，在支護(hù)不到位或無支護(hù)情況下其應(yīng)力分布和彈性能釋放規(guī)律是影響沖擊地壓發(fā)生的重要因素。

本文結(jié)合具體工程案例分析深部厚煤層留底煤掘進(jìn)巷道沖擊顯現(xiàn)特征，研究巷道圍巖應(yīng)力分布及彈性能釋放規(guī)律，揭示其發(fā)生沖擊地壓的原因，在此基礎(chǔ)上提出有針對性的局部解危及優(yōu)化防范措施。

1 案例分析

陜西某礦開采延安組4號煤，埋藏深度在800～1000m之間，煤層厚度0～15m，平均6.48m，為近水平煤層。煤層單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到20MPa，具有強(qiáng)沖擊傾向性。煤層直接頂為粗粒砂巖和細(xì)粒砂巖，其厚度為4～25m，煤層底板由鋁質(zhì)泥巖及泥巖組成。該礦井一盤區(qū)為首采區(qū)，一盤區(qū)大巷布置有回風(fēng)大巷、膠帶大巷和輔運(yùn)大巷，巷道之間留設(shè)35m煤柱，大巷掘進(jìn)時(shí)沿頂板布置，底煤厚度平均在2m以上，局部達(dá)到5m。一盤區(qū)大巷在掘進(jìn)過程中曾多次發(fā)生沖擊動力顯現(xiàn)，表1所示為幾次主要沖擊顯現(xiàn)情況。

表1 掘進(jìn)期間沖擊顯現(xiàn)情況

分析發(fā)現(xiàn)，一盤區(qū)實(shí)體煤大巷掘進(jìn)過程中沖擊地壓顯現(xiàn)的位置主要分布在掘進(jìn)迎頭附近及迎頭后方區(qū)域，顯現(xiàn)形式主要表現(xiàn)為瞬間底鼓和迎頭大塊煤溜出等。根據(jù)采掘工程平面圖和現(xiàn)場反饋，掘進(jìn)巷道附近沒有明顯地質(zhì)構(gòu)造，且作為首采區(qū)，也不存在采掘布置不合理等情況，但仍頻繁發(fā)生沖擊等動力現(xiàn)象。這表明該礦這種條件下，掘進(jìn)巷道周圍煤巖體內(nèi)積聚的彈性能已臨近或達(dá)到其失穩(wěn)破壞所需要的能量，掘進(jìn)過程中容易誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)，因此需對這種條件下沖擊地壓的發(fā)生原因加以研究。

2 深部厚煤層掘進(jìn)巷道沖擊地壓發(fā)生原因

為了研究深部厚煤層掘進(jìn)巷道沖擊地壓的發(fā)生原因，就必須對掘進(jìn)巷道的圍巖應(yīng)力分布特征及彈性能釋放規(guī)律進(jìn)行深入分析，為此建立了有限差分FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為90m×100m×70m，如圖1所示。模型中，煤層厚度10m，開采深度900m，在模型的頂部施加豎向載荷用于模擬上覆巖層自重，模型四個(gè)側(cè)面約束水平位移，底面約束垂直位移。在模型正中間開挖半圓拱形巷道，巷道寬度4m，壁高2m，開挖后采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算平衡。

圖1 FLAC3D數(shù)值模型

2.1 圍巖應(yīng)力分布特征分析

根據(jù)大量深部礦井地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，數(shù)值模型側(cè)壓系數(shù)取2，掘進(jìn)開挖計(jì)算平衡后掘進(jìn)工作面處圍巖的應(yīng)力分布如圖2、圖3所示，從圖2、圖3中可以看出，在巷道頂?shù)装鍍?nèi)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在巷道兩幫應(yīng)力水平相對較低，為了準(zhǔn)確分析應(yīng)力集中位置和應(yīng)力集中程度，對圍巖應(yīng)力提取分析，如圖4、圖5所示。

圖2 掘進(jìn)迎頭圍巖水平應(yīng)力分布

圖3 掘進(jìn)迎頭圍巖垂直應(yīng)力分布

圖4 掘進(jìn)迎頭前方圍巖應(yīng)力分布

圖5 掘進(jìn)迎頭頂?shù)装逅綉?yīng)力分布

從圖2～圖5可以看出，掘進(jìn)面前方煤體內(nèi)的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布特征相類似，掘進(jìn)面前方2～6m范圍內(nèi)應(yīng)力升高，應(yīng)力峰值位于前方4m處，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，但由于深部側(cè)壓系數(shù)較大的影響，水平應(yīng)力明顯要高于垂直應(yīng)力。巷道的頂?shù)装鍍?nèi)垂直應(yīng)力較低，水平應(yīng)力集中較為明顯，且底板側(cè)應(yīng)力明顯高于頂板側(cè)，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.6，應(yīng)力峰值位于底板內(nèi)3.5m處。

2.2 圍巖彈性能釋放規(guī)律分析

為了研究掘進(jìn)巷道圍巖彈性能釋放規(guī)律，對巷道開挖至穩(wěn)定過程中煤巖體彈性能釋放特征進(jìn)行深入分析。模型開挖后計(jì)算，每隔5時(shí)步即對迎頭附近煤巖體的彈性應(yīng)變能進(jìn)行提取分析。

圖6所示為迎頭附近幫部、底板及迎頭前方不同深度煤巖體彈性能釋放過程曲線。

圖6 迎頭附近煤巖體彈性能釋放過程曲線

根據(jù)圖6分析發(fā)現(xiàn)，巷道開挖前，原巖應(yīng)力作用下的幫部、底板和迎頭的彈性能密度基本一致，彈性能密度為282kJ/m3。開挖后，彈性能的釋放主要集中在剛開挖后的一段時(shí)間內(nèi)，煤體向自由面空間位移致使巷道兩幫彈性能由淺至深依次釋放，且釋放量逐漸減?。坏装?m處煤巖體由于向巷道空間產(chǎn)生位移，彈性能迅速釋放，而2m處煤巖體彈性能則先增大后減小，增大至454kJ/m3后又降至291kJ/m3并穩(wěn)定，底板3m處煤巖體彈性能則呈緩慢上升隨后穩(wěn)定，最終底板2m和3m處煤巖體彈性能處于較高水平；迎頭表面煤巖體彈性能釋放較明顯，深部不明顯。由此可見，巷道掘進(jìn)后，在高地應(yīng)力作用下底板一定深度(2，3m)處煤巖體的彈性能呈先積聚后釋放的特征，當(dāng)積聚的彈性能達(dá)到煤巖體破壞所需的能量時(shí)則易發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，應(yīng)及時(shí)采取卸壓等措施；迎頭及兩幫表面煤巖體彈性能迅速釋放，易發(fā)生片幫現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)支護(hù)；迎頭及兩幫的深部煤巖體彈性能釋放較小，開挖穩(wěn)定后彈性能處于相對較高水平。

3 防范措施及防治對策

3.1 重點(diǎn)防范

根據(jù)深部厚煤層掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力分布特征及彈性能積聚和釋放的動態(tài)規(guī)律：掘進(jìn)巷道底煤的應(yīng)力集中程度最高，底煤3m深位置為應(yīng)力集中峰值區(qū)域，底煤2m深位置為彈性能迅速積聚釋放區(qū)域，兩幫及迎頭淺部的應(yīng)力集中程度較小且彈性能釋放迅速。因此，底煤是最主要的潛在沖擊危險(xiǎn)源，從防范角度出發(fā)，在巷道掘進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免留設(shè)底煤，或留設(shè)底煤厚度小于2m。

3.2 卸-支時(shí)空耦合防治

對于已留設(shè)底煤的掘進(jìn)巷道，應(yīng)根據(jù)彈性能的時(shí)空演化特征進(jìn)行防治，即從開挖后彈性能的時(shí)域變化特征和穩(wěn)定后的空間分布特征出發(fā)，在合理的時(shí)機(jī)采取相應(yīng)的有針對性的解危措施，主要為以下兩步：

(1)及時(shí)支護(hù) 巷道開挖后的較短時(shí)間內(nèi)，迎頭淺部和兩幫煤巖體彈性能迅速釋放，因此開挖后應(yīng)立即對兩幫及頂煤進(jìn)行支護(hù)，盡可能避免因彈性能迅速釋放造成的片幫冒頂或沖擊。

(2)重點(diǎn)卸壓 卸壓對象主要為底煤和迎頭，及時(shí)對底煤進(jìn)行大孔徑鉆孔卸壓或切槽卸壓，在底煤彈性能積聚前采取措施，可有效緩解底煤的彈性能積聚水平，同時(shí)使應(yīng)力集中向煤體深部轉(zhuǎn)移；此外應(yīng)對迎頭進(jìn)行大孔徑鉆孔卸壓，以耗散迎頭深部的彈性能，降低潛在沖擊危險(xiǎn)；之后再根據(jù)需要對巷道兩幫進(jìn)行卸壓工作。

4 結(jié) 論

(1)深部厚煤層留底煤掘進(jìn)巷道沖擊地壓主要以底板瞬間鼓起和迎頭大塊煤拋出為主，分析發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装迕簬r體水平應(yīng)力集中程度較高，尤其是底板，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.6，應(yīng)力峰值位于底板內(nèi)3.5m處；開挖后底板2m左右煤巖體彈性能呈迅速積聚隨后釋放特征，開挖穩(wěn)定后，迎頭前方和頂、底板彈性能水平較高。這兩點(diǎn)分別從應(yīng)力和彈性能角度解釋了底板和迎頭易發(fā)生沖擊地壓的原因。

(2)基于深部掘進(jìn)巷道沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力與能量機(jī)制，提出了不留底煤或底煤留設(shè)小于2m的防范措施，同時(shí)從開挖后彈性能的時(shí)域演化規(guī)律、穩(wěn)定后的空間分布以及應(yīng)力分布特征出發(fā)，提出了卸-支時(shí)空耦合的沖擊地壓防治對策。

[1]藍(lán) 航，齊慶新，潘俊鋒，等.我國煤礦沖擊地壓特點(diǎn)及防治技術(shù)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(1)：11-15.

[2]姜耀東，潘一山，姜福興，等.我國煤炭開采中的沖擊地壓機(jī)理和防治[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(2)：205-213.

[3]潘俊鋒，毛德兵，藍(lán) 航，等.我國煤礦沖擊地壓防治技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(6)：21-25.

[4]曹安業(yè)，朱亮亮，杜中雨，等.巷道底板沖擊控制原理與解危技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30(6)：848-855.

[5]徐學(xué)鋒，竇林名，劉 軍，等.煤礦巷道底板沖擊礦壓發(fā)生的原因及控制研究[J].巖土力學(xué)，2010，31(6)：1977-1982.

[6]潘立友，孫劉偉，范宗乾.深部礦井構(gòu)造區(qū)厚煤層沖擊地壓機(jī)理與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(9)：126-128，137.

[7]王建超，姜福興，朱斯陶，等.夾矸厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓機(jī)理及防治技術(shù)[J].煤礦安全，2016，47(1)：88-91.

[8]厲建林，杜濤濤.堅(jiān)硬頂板條件掘進(jìn)期間多因素誘發(fā)沖擊地壓分析[J].煤礦開采，2016，21(6)：71-73，53.

[9]藍(lán) 航，杜濤濤.近距離煤層掘進(jìn)巷道過終采線沖擊地壓防治技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(1)：10-14.

[10]陳國祥，郭兵兵.沖擊礦壓的靜動疊加失穩(wěn)機(jī)制和發(fā)生模式[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(9) ：2021-2025.

[11]姜福興，成 功，馮 宇，等.兩側(cè)不規(guī)則采空區(qū)孤島工作面煤體整體沖擊失穩(wěn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34(2)：4164-4170.

[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

PreventionMethodandReasonsofRockBurstinDrivingRoadwaywithLayoutFloorCoalandThicknessCoalSeaminDeep

YANG Lei1,2，YUE Chun-hui3；WANG Shu-wen1,2,QIN zi-han1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.Fengshuigou Coal Mine, Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co., Ltd.，Chifeng 024076))

Rock burst appear characters were analyzed under practical example，the main reasons of rock burst happened were analyzed from two sides as surrounding rock stress distribution and elastic energy relation，and then corresponding prevention methods were put forward.The results showed that the degree of horizontal stress concentration was high in roof and floor of roadway as roof and floor coal were layout after thick seam was driving in deep，floor coal was high specially，its factor reached 1.6，the elastic energy of coal and rock mass in position of 2m in floor coal appeared as accumulated firstly and then relaxed，it was an importance and potential rock burst hazard source，when stability formed after driving，the elastic energy of roof，floor and head-on were high.Then the preventive measures as without floor coal or floor coal thickness less than 2m were put forward，unloading and supporting time and space coupling measures for rock burst prevention was put forward under surrounding rock elastic energy evaluation law.

floor coal；driving roadway；rock burst；unloading- supporting time and space coupling

TD324

A

1006-6225(2017)05-0075-03

2017-05-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.019

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574149)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0801401)

楊 磊(1988-)，男，江蘇淮安人，助理研究員，主要從事沖擊地壓、巖層控制等方面的研究工作。

楊 磊，岳春輝，王書文，等.深部厚煤層留底煤掘進(jìn)巷道沖擊地壓發(fā)生原因及防治方法[J].煤礦開采，2017，22(5)：75-77，85.