深部构造区冲击地压巷道合理掘进错距研究

史庆稳 尹中凯 夏永学 王书文 佟 波

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2.山东新巨龙能源有限责任公司，山东省菏泽市，274900)

在现场实际生产过程中，为加快施工进度，往往采取两条或多条巷道同时进行开拓以及相邻巷道掘进的方式进行开掘。在此类开掘过程中，两条巷道之间会产生一定程度的相对扰动，尤其是掘进工作面之间的影响，保持两条巷道掘进工作面的合理开挖错距，可以有效地降低或避免两条巷道掘进工作面之间的不利影响，从而能够保证巷道的地质稳定性从而避免各自的应力集中区出现过度叠加。对于冲击地压矿井，研究该合理错距对防治掘进巷道冲击地压具有极其重大的意义。

研究表明，不同的巷道布置形式将会导致掘进工作面最大主应力呈现出不同的分布规律：当巷道轴向平行于最大水平主应力方向时，主应力对称分布随着夹角增大主应力分布变得不对称。掘进工作面附近应力分布的不对称性会使得不同地质条件下的同掘工作面的安全错距有所不同。在矿井实际生产过程中，应根据矿井的地应力环境和巷道设计断面等条件研究确定适应于具体地质、生产条件的合理掘进错距。基于此，本文针对某深部矿井工作面平行掘进诱发冲击地压的现象，对深部构造区掘进巷道的合理错距进行模拟分析及微震监测研究。

1 工程背景

该矿主采煤层经鉴定具有强冲击倾向性，矿井开拓大巷共布置有5条巷道，均为全煤巷道。煤层厚度约25 m，埋深650～680 m，巷道断面设计为宽度5.5 m、直墙高度1.8 m的直墙拱形。矿井基建期间掘进工作面数量多达9个，两掘进工作面平行掘进的情形多次出现。2015年7月，中央胶带大巷和中央一号辅运大巷均在断层、褶曲附近的深部构造区掘进，两巷煤柱宽度为35 m，一前一后平行掘进，如图1所示。

图1 中央胶带大巷与中央一号辅运大巷平行掘进示意图

2 深部无构造区掘进工作面合理错距的数值模拟分析

为考察不同条件下掘进工作面的合理错距，采用FLAC3D有限差分软件对掘进工作面不同错距时的应力分布规律进行数值计算分析。

计算模型各物理力学参数均参考煤岩体实验室结果和地应力实测结果进行赋值，模型中水平应力设置为垂直应力的1.5倍，方向垂直于中央一号辅运大巷。模拟巷道埋深为670 m，模型采用的各物理力学参数见表1。

表1 模型岩性参数

计算模型采用Mohr-Coulomb本构模型，模型侧面边界限制水平移动，底面边界限制垂直移动，顶部施加覆岩的自重应力。模型尺寸为120 m×50 m×65 m(长×宽×高)，采用不等分划分，巷道浅部围岩网格加密，整个模型共划分为443772个计算单元。

2.1 单巷掘进巷道围岩应力分布特征

在此次模拟中，在模型中间开挖一条掘进巷道，开挖长度50 m，然后计算分析巷道掘进工作面围岩附近的垂直应力、水平应力和塑性破坏区分布特征。掘进工作面前后顶板(顶板表面1 m位置)应力变化曲线如图2所示。

由图2可以看出，由于巷道开挖导致工作面前方顶板出现应力集中，沿着垂直于巷道轴向的水平应力最为明显，这是由于该矿最大主应力方向基本呈现为南北方向，与大巷和工作面回采巷道基本垂直。具体来看，顶板水平应力在超前工作面10 m内变化明显，并在3 m左右达到最大值，之后逐渐减小。在工作面位置，水平应力降低到原岩应力的11%，在掘进工作面的后方，顶板中垂直于巷道轴向的水平应力变得很小，而沿巷道轴向的水平应力则几乎消失。对于顶板中的垂直应力，在超前工作面3 m内为该应力的降低区，3～10 m为其升高区，随后逐渐至原岩应力水平。在工作面位置，垂直应力降低到原岩应力的9%。工作面后方1 m，垂直应力几乎为0。

由此可见，在掘进工作面前方一定范围内，围岩应力开始发生变化，在工作面附近应力分布变化剧烈，而且与矿井最大水平主应力方向一致的应力变化最为明显。在掘进工作面后方一定距离外，围岩应力分布趋于稳定，接近于不受任何扰动的巷道围岩应力分布。

图2 掘进工作面前、后顶板应力变化曲线

2.2 深部无构造区掘进工作面错距对围岩应力分布的影响

依据巷道工程条件，针对两巷道相距35 m情况下，对巷道掘进工作面周边区域的位移、应力、塑性区等开展数值模拟计算分析，巷道尺寸及位置见图3。在模拟过程中，先开挖巷道A，后开挖巷道B，先将巷道A开挖至150 m处，再开始分步开挖巷道B。

图3 巷道尺寸及监测点位置示意图

两条巷道掘进工作面错距-50 m时巷道围岩最大主应力分布云图如图4所示。由图4可知，掘进错距-50 m时，两巷道掘进工作面之间逐渐形成应力等值线，说明此时巷道B的掘进对已完成掘进的巷道A的围岩应力分布开始产生明显的影响，应力集中区域主要在开挖巷道掘进工作面前方。

两条巷道掘进工作面齐平时巷道围岩最大主应力分布云图如图5所示。由图5可知，两巷道掘进工作面之间区域出现应力集中现象，应力分布产生相互影响，且高应力分布区域范围比较大，最高应力值却与独头掘进时巷道掘进迎头处应力集中区域应力值基本持平，说明该矿条件下巷道平行掘进对巷道围岩应力分布的影响主要体现在扩大了高应力区的范围。

图4 错距为-50 m时最大主应力分布云图

图5 错距为0 m时最大主应力分布云图

两条巷道掘进工作面错距50 m时巷道围岩最大主应力分布云图如图6所示。由图6可知，掘进错距为50 m时，巷道B对巷道A的掘进工作面处应力分布还是有持续影响。随着巷道B的继续开挖，巷道B对巷道A的应力场分布影响逐渐减弱。

图6 错距为50 m时最大主应力分布云图

综合分析可知，在该矿无构造区域，当两条巷道平行掘进时掘进错距保持在50 m以上时，相对影响可以忽略不计，但是错距在50 m范围以内对两巷道的应力分布会有非常显著的影响。

3 深部构造区内双巷掘进合理错距的微震监测分析

对该矿2015年6-8月中央胶带大巷和中央一号辅运大巷在断层、褶曲范围内掘进错距不断减小直至发生冲击地压的过程进行微震监测和分析。

微震是岩体破裂的萌生、发展、贯通等失稳过程的动力现象。微震监测系统可实时监测记录全矿范围微震事件，可作为一种区域性监测手段。系统自动记录微震活动，人工进行震源定位、微震能量计算，为全矿范围内冲击地压危险评价提供依据。在两巷掘进错距由380 m逐渐减小到96 m的过程中，两个掘进工作面扰动区域的微震事件能量、频次演化曲线如图7所示。

由图7可知，图中自右往左即两巷逐渐逼近的过程中扰动区内的微震能量频次变化整体可分为3个阶段：高频低能阶段(两巷距离250～380 m)、高能低频阶段(两巷距离110～250 m)以及冲击孕育阶段(96～110 m)。

高频低能阶段如图7中绿色区域所示。在中央胶带大巷和中央一号辅运大巷掘进工作面相距250～380 m时，两掘进工作面扰动区日微震频次处于高位，基本在40～110次/d，日震动能量则普遍较低，约在5×104J/d以下。根据微震事件能量频次与冲击危险性的对应关系可知，该阶段煤岩层中弹性能以小能量事件的形式进行缓和的释放且释放程度较为充分，巷道围岩冲击危险性较低。

高能低频阶段如图7中黄色区域所示。随着中央一号辅运大巷的继续推进，中央胶带大巷和中央一号辅运大巷掘进工作面距离110～250 m时，两巷掘进扰动区内日震动能量大幅上升，约为1×105～5×105J，而日震动频次却下降至20～50次/d，且微震事件的空间分布维度降低。由此可见，当两巷掘进工作面距离小于250 m后，两巷掘进扰动区内煤岩体积聚了大量集中静载荷却不能得到有效释放，围岩活动烈度开始加强，载荷以更为高能、快速、集中的方式进行释放，诱发冲击地压的危险上升。

冲击孕育阶段如图7中红色区域所示。两巷掘进工作面距离小于110 m后，两巷掘进扰动区日微震能量突然上升且日震动频次也大量增加，日震动频次约为30～100次/d之间。在距离为108 m时日震动能量达到了1.2×106J的高峰，日震动频次为73次，冲击地压开始在扰动区煤岩体中逐渐孕育发展，期间中央胶带大巷迎头后方50～150 m内层发生大能量微震事件致使巷道浆皮脱落、巷帮存放物料震倒等的动力显现。2015年8月31日凌晨4点31分，两巷掘进工作面相距96 m，中央一号辅运大巷后方约30 m处发生剧烈显现，现场木托盘被压裂，浆皮大量脱落并有金属网被撕裂喷出部分煤体，巷帮出现宽度达80～150 mm的裂缝。微震监测显示，此次显现震动能量为1.2×106J，震源位于中央一号辅运大巷的右帮，冲击当天两巷掘进扰动区微震事件分布如图8所示。

根据微震监测结果可知，在构造影响区，当平行巷道的掘进工作面相距250 m以上可保证两掘进工作面互不扰动，两工作面距离在250 m以内各自的扰动区开始叠加，冲击危险性将随着错距的减小而快速增加，而当两工作面距离小于110 m后则随时可能发生冲击。在构造区平行掘进时，为保证巷道的安全，应使掘进错距不低于250 m。

图8 8月31日两掘进工作面相距160 m时扰动区日微震事件分布图

4 结论

(1)利用FLAC3D模拟分析了在深部煤层中掘进工作面围岩的应力分布规律，在掘进工作面及其前方一定距离围岩应力分布变化明显，且与矿井最大水平主应力方向一致的应力变化最为明显，在掘进工作面后方围岩应力分布则相对稳定。

(2)数值计算结果表明，在无构造区域两条巷道平行掘进时掘进错距小于在50 m时两巷道围岩的应力集中、塑性破坏、巷帮位移程度具有显著的增加。

(3)利用微震监测系统监测分析了深部构造区双巷掘进不同错距的微震活动规律，并将两巷错距减小过程中扰动区微震能量频次变化变化过程分为高频低能、高能低频、冲击孕育3个阶段，并得出在深部构造区内两巷掘进错距不低于250 m。