褶曲向斜构造区巷道底板失稳冲击机理与防治技术研究

陈永平 刘 鹏 陈锡庆 高元宏

(1. 青海省第二地质矿产勘查院，青海省西宁市，810028；2. 青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海省西宁市，810008)



褶曲向斜构造区巷道底板失稳冲击机理与防治技术研究

陈永平1刘 鹏1陈锡庆2高元宏1

(1. 青海省第二地质矿产勘查院，青海省西宁市，810028；2. 青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海省西宁市，810008)

针对余吾矿N2105工作面回采至褶曲向斜构造区时，超前工作面煤壁一定范围内的进风平巷内出现严重的底鼓变形破坏，发生了两次底板冲击地压事故，采用现场调研、理论分析、数值模拟、微震监测、井下试验等方法观测矿压，对向斜构造区底板失稳破坏机制与控制对策进行研究。研究结果表明：褶曲向斜构造区侧压系数λ在1.56～2.18之间，属于强构造应力区；当侧压系数λ大于1.5后，巷道底板塑性破坏区范围急剧增加，底板煤岩体稳定性恶化；巷帮大孔径卸压能够有效减小动静载组合叠加强度，释放巷道浅部围岩应力集中，对顶底板变形破坏有很好的防治作用。

向斜构造 底板冲击 数值模拟 大孔径卸压 矿压观测

随着国内煤矿开采深度的增加，开采过程中遇到的复杂地质构造等因素会造成巷道严重的底鼓破坏，甚至造成底板冲击地压事故的发生。针对受水平构造应力影响严重的巷道，由于其底板受力状态复杂多变，仅仅依靠加固底板浅部围岩的方法已不能有效控制巷道底鼓及底板冲击的发生。因此，研究底鼓和底板冲击发生的机理对我国煤矿安全生产具有重要意义。

本文以余吾矿N2105工作面具体地质条件为背景，基于理论分析和数值模拟研究，结合微震系统实时监测，提出在加固底板的基础上采用大直径钻孔对巷帮煤体卸压，进而实现对底板的有效控制。

1 工作面概况

N2105工作面为北风井东翼采区首采工作面，工作面地面标高1002～1027 m，井下标高430～495 m，工作面平均埋深为490 m。N2105工作面进风平巷在里程1600～2000 m处位于褶曲构造区。

N2105工作面回采过程中，当工作面回采至褶曲构造区时，超前工作面煤壁进风平巷底板多处发生底鼓现象，并发生了2次严重的巷道底板冲击地压事故。事故发生后，对北风井东翼采区煤岩样进行了冲击倾向性鉴定。测试结果显示，3号煤层的动态破坏时间为129.4 ms，弹性能量指数为4.259，冲击能量指数为4.48，单轴抗压强度为27.118 MPa；顶板抗拉强度为3.459 MPa，弹性模量为6.508 GPa，覆岩载荷为0.0261 MPa，弯曲能量指数为65.632，表明3号煤层及其顶板均具有II类弱冲击倾向性。

2 褶曲构造区底板冲击破坏机理

2.1 底板破坏概况

N2105工作面回采至褶曲构造区时，进风平巷底板出现多处底鼓变形，使得原本经水泥硬化处理过的巷道底板破坏严重，严重的地方甚至发生底板冲击地压，造成底板煤岩体瞬间向巷道空间内弹出，如图1所示。同时，布置于进风平巷中的瓦斯抽放等管路受到底板变形破坏影响，会造成管路的破损和泄露，严重时甚至会导致瓦斯爆炸事故的发生，对矿井安全生产和人员的安全作业造成严重威胁。

N2105进风平巷两次底板冲击地压事故发生位置及破坏影响范围如图2所示。由图2(a)可知，第一次底板冲击地压发生时，工作面大致推进至里程1700 m处，冲击显现范围从超前工作面煤壁95 m处开始，在进风平巷里程1800～2000 m范围内多处发生了严重的底鼓破坏。由图2(b)可知，第二次底板冲击地压发生时，工作面大致推进至里程1450 m处，冲击显现范围从超前工作面煤壁222.5 m处开始，在进风平巷里程1700～1800 m范围内多处发生了严重的底鼓破坏。

图1 N2105进风平巷底板破坏

图2 两次底板冲击显现位置平面图

两次严重的巷道底板冲击地压发生后，通过对N2105工作面地质状况进行分析，得知有一向斜构造沿着SE-NW方向从N2105工作面穿过，两次底板冲击位置刚好坐落于该褶曲向斜构造的两侧，褶曲构造所产生的水平构造应力对N2105工作面进风平巷底板挤压作用明显。通过对回风平巷褶曲构造区进行地应力测量，可知水平构造应力与垂直应力的比值λ(侧压系数)最小为1.56，最大为2.18，地应力测试结果表明褶曲构造区以水平构造应力为主，其值大于该矿区以往所测其他采区侧压系数平均值，为强构造应力影响区。

2.2 底板冲击破坏机理

N2105工作面进风平巷底板破坏力学模型如图3所示。根据太沙基理论，巷道底板在水平构造应力σx和两帮集中应力σy的共同作用下，超过了底板煤岩体的极限承载能力，煤岩体由弹性应力状态转变为塑性应力状态，底板煤岩体剪切破坏沿着连续滑动面从底板向巷道内挤出，当挤出力度大于底板表面水泥的抗压强度时，巷道底板产生底鼓变形。N2105工作面采动致使顶板周期性破断造成积聚在顶板岩层中的弹性应变能以震动应力波的形式向周围空间释放，产生的动力扰动动载荷σd，与巷帮煤体中的高集中静载荷σy组合叠加，会瞬间打破巷道底板原有的受力平衡，导致底板煤岩体瞬间破坏，大块煤岩体被弹起，进而造成底板冲击地压事故。

图3 底板冲击破坏力学模型

由图3可知，水平构造应力σx和两帮垂直应力σy矢量叠加满足下式：

≥Ubmin

(1)

式中：σx——水平构造应力，MPa；

σy——两帮垂直应力，MPa；

Ubmin——底板发生冲击地压时消耗的最小能量，MPa。

在埋藏深度一定的情况下，水平构造应力σx的大小直接影响着动静载荷组合叠加总能量的大小，且水平构造应力对底板的挤压力使得底板进一步失稳破坏，从而使得底板冲击更容易发生。

2.3 数值模拟

以N2105工作面地质条件为基础，运用FLAC2D数值模拟软件，建立巷道的二维平面应变有限元模型，选用摩尔-库伦模型计算。模型尺寸为100m×60m，模型底面固定约束，侧面水平约束，顶部距地表450m，故在模型上部施加11.25MPa的均布载荷模拟上覆岩层的重量。N2105进风平巷为半拱形巷道，巷道尺寸为4.5m×3.8m，煤岩力学参数根据实验室测定结果确定见表1。

表1 巷道围岩的力学特性参数

运用FLAC2D软件分别模拟了不同水平构造应力条件下进风平巷底板煤岩体塑性区的演化特征，侧压系数分别取值为0.5、1.0、1.5、2.0和2.5时的模拟结果如图4所示。由图4中5种不同的侧压系数条件下底板塑性区变化情况可知，随着侧压系数的增大，巷道底板塑性区深度范围不断扩大，同时塑性区范围向底板两底角方向延伸扩大，从而使得巷道底板稳定性急剧下降。

图4 不同侧压系数时底板塑性区

侧压系数与底板塑性区深度之间的关系如图5所示。由图5可知，随着侧压系数的增大，存在一突变点，即λ=1.5处。当λ>1.5后，巷道底板塑性区范围随着侧压系数的增加急剧扩大，底板围岩稳定性急剧恶化，极易受到N2105工作面回采扰动影响而诱发严重的底板冲击地压事故。

图5 侧压系数与底板塑性区深度关系

3 微震监测与卸压防治

N2105工作面进风平巷底板发生的两次冲击地压事故对矿井的安全高效生产带来了严重的阻碍，造成了巨额的经济损失。为了有效防治该类冲击灾害的再次发生，矿方联合科研单位对N2105工作面装备了冲击地压监测设备，旨在通过微震科学技术手段实时监测，揭示巷道底板冲击发生机制，实现危险性预评价和判定危险区域，从而实现提前解危和保障安全生产的目的。

3.1 微震监测

微震监测系统是一种区域性、实时的监测手段。利用微震监测系统对N2105工作面微震事件进行实时监测、定位、统计、分析，揭示巷道底板冲击发生机制，实现工作面冲击危险区的提前预测和判定，进而提前做好防冲卸压措施，实现防止冲击地压发生的目的。

N2105工作面微震系统共有8个监测探头，分布在顶板、巷帮和底板位置。通过对N2105工作面回采期间微震监测系统监测到的数据采集分析，形成微震事件分布图。安装微震监测系统后，一定时间内监测到的能量数据统计结果如图6所示。由图6可知，随着工作面远离褶曲向斜轴中部，震动频次和能量均呈现出下降趋势，说明随着远离褶曲向斜轴中部，侧压系数减小，巷道底板岩体稳定性增强，这与数值模拟结果吻合。

3.2 卸压防治方案

为了防止巷道底板冲击地压事故的再次发生，在N2105工作面后续回采过程中，在工作面煤壁后方250m和前方100m的进风平巷帮部实施大直径卸压钻孔，孔径为113m，同时在工作面煤壁前方100m的回风平巷帮部施工大直径卸压钻孔，提供压力释放空间。大孔径卸压孔布置方案如图7所示。实施卸压钻孔后，能够减弱巷道两帮向下的高集中静载荷σy的大小，根据式(1)可知，能够有效地降低动静载组合叠加对底板的冲击破坏。

图6 距向斜轴不同距离微震监测数据

图7 大孔径卸压孔布置方案图

根据N2105工作面地质条件建立的巷道3D模型，通过对比巷道实施大孔径卸压钻孔前后巷道浅部围岩的应力状态如图8所示。由图8可以看出，卸压前巷道顶底板应力集中明显，最大应力高于19.9MPa，极易在回采动力扰动作用下发生底板冲击地压；卸压后巷道顶底板应力集中明显消除，使得巷道围岩处于较稳定状态，不易发生巷道底板冲击地压。

矿方实施大直径钻孔卸压以来，在进风平巷中布置了6个测点(KD1、KD2、KD3、KD4、KD5和KD6)对顶底板变形量进行监测，测点间距为20m，总共监测范围长100m，监测结果如图9所示。

图8 卸压前后巷道浅部围岩应力状态

图9 顶底板移近量位移曲线

由图9可以看出，巷道顶底板变形量在实施钻孔卸压措施后，底鼓量明显减小，最大底鼓量不超过90mm。说明回采工作面两侧巷道帮部煤体所处应力环境良好，应力集中得到很好的转移，对底鼓的发生有很好的防治作用。

4 结论

(1)N2105工作面进风平巷所处褶曲构造区水平构造应力与垂直应力的比值λ(侧压系数)最小为1.56，最大为2.18，为强构造应力场。水平构造应力大小直接影响着动静载荷组合叠加总能量的大小，且水平构造应力对底板的挤压力使得底板进一步失稳破坏，从而使得底板冲击更容易发生。

(2)随着侧压系数λ值的增大，存在一突变点，突变点后巷道底板塑性区范围随着侧压系数λ值的增加急剧扩大，底板稳定性急剧恶化，极易发生底板冲击地压。

(3)大直径钻孔应力转移及卸压效果良好，卸压后，底鼓量明显减小，顶底板最大移近量不超过90mm，底板控制效果良好。

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(责任编辑 陶 赛)

Study on the destabilizing rock burst mechanism and prevention technology of roadway floor at fold syncline structure area

Chen Yongping1, Liu Peng1, Chen Xiqing2, Gao Yuanhong1

(1. Qinghai Institute of Geology and Mineral Resources, Xining, Qinghai 810028, China; 2. Qinghai Institute of Hydrogeology and Geology Engineering Geological and Environmental Geological Survey, Xining, Qinghai 810008, China)

Aiming at serious floor deformation failure, even two floor rock burst accidents, occurred at the wind drift ahead of N2105 work face of Yuwu Mine when mining at fold syncline area, using field investigation, theoretical analysis, numerical simulation, Micro-seismic monitoring, underground experiment to observe the mine pressure and study the floor failure mechanism and control measures at syncline area. The results showed that when the lateral pressure coefficient of fold syncline structure area was between 1.56 and 2.18, it belonged to strong structural stress area; when the lateral pressure coefficient was greater than 1.5, the range of roadway floor plastic damage area increased rapidly, the stability of coal rock mass floor was deteriorating; large-diameter borehole pressure releasing could effectively reduce the superposition load combination strength and release the stress concentration at shallow tunnel surrounding rock which had favorable control effect on the roof and floor deformation.

syncline structure, floor rock burst, numerical simulation, large-diameter borehole pressure relief, mining pressure observation

青海省国土资源厅项目(青地调勘2013-238，青地调勘2014-426)

陈永平，刘鹏，陈锡庆等. 褶曲向斜构造区巷道底板失稳冲击机理与防治技术研究 [J]. 中国煤炭，2017，43(6)：76-80.ChenYongping,LiuPeng,ChenXiqingetal.Studyonthedestabilizingrockburstmechanismandpreventiontechnologyofroadwayflooratfoldsynclinestructurearea[J].ChinaCoal，2017,43(6)：76-80.

TD

A

陈永平(1976-)，男，青海化隆人，探矿工程师，主要研究方向为地质钻探施工技术、隧道工程、矿山控制爆破。