高应力区矩形巷道底板冲击力学机理及控制研究 *

吕鹏飞，张飞，邱林

(1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.神东煤炭集团有限责任公司 教育培训中心，陕西 榆林 719315)

井工煤矿开采中，矩形巷道由于具有施工方便、实用性强等优点而备受青睐[1].但矩形巷道也因其特殊的受力特征时常会引起一定的动力显现，特别是在高应力煤柱区的底板冲击显现尤为突出[2].对我国冲击地压灾害最严重的山东矿区统计表明，高应力煤柱区发生冲击地压的次数占总次数的67.8%，而在这些冲击地压中，发生在底板的次数又占75%～80%[3-4]，可见，巷道底板冲击地压严重危害矿山安全生产，亟待解决.

我国学者对巷道底板冲击地压的研究已取得一些成果.窦林名等[5]研究了动载应力波作用下巷道底板煤体的应力、位移的响应特征，揭示了动载扰动诱发底板冲击的原因，描述了底板冲击显现的过程；潘俊锋[6]等在冲击地压启动理论中明确指出，巷道底板是冲击能量积聚和释放的传播体，两帮的应力集中来自于底板的应力传递；潘一山等[7]采用复变函数方法求解巷道围岩应力，并对巷道周围岩体应力状态进行仿真分析；李胜等[8]根据综放开采沿空留巷底鼓问题，建立底鼓力学模型并推导得出底鼓变形的计算公式；徐学锋等[9]结合巷道底板发生冲击地压的结构与影响因素特征构建了底板冲击的力学模型，初步确定了底板冲击矿压危险性系数的表达式.本研究基于前人成果建立力学模型，解析分析了高应力区矩形巷道底板容易形成较大应力集中和发生冲击地压的力学原因，并采用数值模拟进行了验证.同时提出底板冲击地压的弱化控制技术，为矩形巷道底板冲击地压的防治提供参考.

1 底板冲击地压特点

底板冲击地压在我国甘肃华亭矿区、河南义马矿区、山东兖州矿区、新疆乌东等矿区频发，表现为底板煤岩瞬间向上突起，严重时导致巷道皮带、轨道失效，锚杆(索)断裂，围岩破坏等.总结我国典型底板冲击地压案例，发现底板冲击地压一般具有如下特点：

(1)煤层及底板具有冲击倾向性且薄煤层开采时容易诱发巷道底板煤岩冲击显现.

(2)底板冲击地压发生时，一般在巷道两个底脚位置的冲击显现强度相对较大.

(3)回采巷道留底煤掘进时容易诱发底板冲击地压.

(4)底板冲击地压发生巷道一般缺少实施底板卸压措施或巷道支护不合理.

(5)煤层和底板属于中硬及以上岩层，井田范围或采掘区域构造应力较大时容易诱发底板冲击地压.

2 矩形巷道底板应力解析分析

假设巷道围岩均质且各向同性，忽略围岩自重和体力情况下建立矩形巷道应力计算力学模型如图1所示.设巷道埋深为H，m；巷道受上覆岩层压力为p=γH，N；γ为平均容重，N/m3；λ为侧压系数且λ≠1，巷道尺寸长×宽=a×b，m.

由于矩形巷道四个角不存在径向线和切向线，力学计算不能推导此处的应力表达式.因此基于复变函数理论和保角映射变换将矩形应力求解问题转换为单位圆应力求解问题.根据文献[10]提供的转换结果，可得转换后单位圆的径向应力和切向应力表达式，见式(1).

(1)

式中：σθ为切向应力，MPa；σρ为径向应力，MPa；p为上覆岩层垂直压力，MPa；λ为侧压系数；k为高应力区应力集中系数；K为煤体的体积模量，MPa.

根据文献[10]得出的转换结果，当θ=-30°时，单位圆对应位置的径向与切向应力分别为矩形巷道底板中部位置的水平应力与垂直应力.以此位置为例，计算表1中3种条件下矩形巷道底板中部位置应力分布情况，如图2所示.

表1 计算条件

由图2可以看出，底板向下延伸，底板煤体垂直应力由拉应力逐渐变为压应力，垂直应力先减小后增大，这种拉压应力转换容易迫使巷道底板出现裂缝，严重时形成底板破碎区，一旦发生冲击地压，较多破碎煤岩在动力驱使下抛向自由空间，冲击地压强度增大.与此同时，底板向下延伸，水平应力先增大后减小，约在底板向下2 m位置达到水平应力峰值，此位置煤岩基本属于塑性煤岩体，粘结性较差，一旦发生冲击地压，塑性煤岩体容易受到水平方向挤压作用向巷道空间抛出，加大冲击地压的危险程度.

对比图2(a)，(b)可以看出：当高应力区的应力集中系数不变，巷道围岩侧压系数增大时，巷道底板的垂直应力不发生变化，也就是说，巷道底板垂直应力的变化不受巷道围岩侧向压力的影响；但巷道底板的水平应力会大幅度地增加，同时加大了巷道底板破碎煤岩向巷道空间抛出的趋势，冲击地压危险程度增加.对比图2(a)，(c)可以看出：当高应力区巷道围岩侧压系数不变，应力集中系数增大时，巷道底板的垂直应力和水平应力值都会大幅度地增加；也就是说，由超前支撑压力和侧向支撑压力共同引起的应力集中系数的增加，会使巷道底板的水平应力和垂直应力都大幅度增加.故高应力区是容易造成巷道底板冲击显现的区域，可据此优化煤矿采掘巷道的布置.

3 矩形巷道底板应力模拟分析

3.1 建立数值计算模型

以甘肃某矿薄煤层开采为研究背景，分析巷道两侧为采空区时的应力分布规律(此时巷道应力集中程度最大)，基于FLAC2D软件建立数值模型的地质条件如下：巷道埋深800 m，煤层倾角0°，垂直应力设置为20 MPa，水平应力设置为23 MPa，煤层厚度1.2 m；直接顶为25 m厚泥岩；基本顶为40 m厚的粉细砂岩互层；直接底为厚12 m中粒砂岩；基本底为厚20 m的页岩.巷道宽4 m，高3 m，卧底掘进；模型长10.4 m，高88.2 m.建立数值计算模型如图3所示.

3.2 底板应力分布模拟结果分析

图4为巷道两侧工作面采空时围岩垂直应力和水平应力演化分布图.图5为距巷道底板垂直距离2 m的水平线上的水平应力和垂直应力分布结果(图中显示的巷道底板中心位置为0，左侧为负数，右侧为正数).可以看出，巷道底板的中部位置向两侧的垂直应力逐渐增大，最终趋于稳定；而水平应力逐渐减小，最终趋于稳定.说明在巷道底板的中心位置受水平应力影响大于垂直应力，而巷道底板两侧受水平应力影响小于垂直应力.故在水平应力较大的区域巷道掘进时，巷道底板正下方受较大水平应力影响，底板岩层容易受水平应力挤压作用而发生臌起现象，严重时将发生冲击地压等矿井动力灾害.模拟条件下底板水平应力最大值为34.5 MPa，垂直应力最大值为35.3 MPa，应力集中系数在1.75左右，具备冲击地压发生的应力条件，必须采取相应的解危措施.

4 底板弱化防控冲击地压技术

4.1 弱化降冲控制有效性分析

工作面采掘巷道施工后，虽然可以通过理论分析、试验分析及现场调研分析等方法总结得出巷道底板发生冲击地压的影响因素，但多数因素是无法改变的，比如巷道尺寸、形状、地应力方向、巷道埋深、地质构造以及底板岩层结构分布等.根据以上数值计算结果，认为防治底板冲击地压最主要的任务是降低煤层底板的水平应力，释放由水平应力集中引起的能量积聚.因此提出对底板岩层实施弱化控制降冲的防治理念.为验证该理念的准确性，对上述计算模型煤层底板5 m范围内的岩层实施强度弱化，具体方案为数值计算模型中降低岩层弹性模量和剪切模量至原来的50%，其他条件不变，重新计算模型.图6为底板岩层参数弱化后的水平应力和垂直应力分布结果.可以看出，煤层底板的水平应力相比弱化之前降低了29%，煤层底板垂直应力相比弱化之前降低了25%.可见，对煤层底板进行强度弱化可有效降低底板水平应力和垂直应力的集中，从而大大降低冲击地压危险程度.实际工程实践中，若同时对巷道两帮和底板采取强度弱化措施，其冲击地压等矿井动力灾害的防治效果更佳.

4.2 弱化控制降冲技术措施及参数初探

基于上述研究，提出以下2项现场实际可用的巷道底板弱化降冲技术措施.

(1)底板倾斜大直径钻孔卸压措施

底板倾斜大直径钻孔可以达到卸压的作用是显而易见的，下面在借鉴顶板及巷帮大直径钻孔卸压技术措施及参数的同时，提出底板大直径钻孔卸压技术措施及参数.多个矿区开采实践表明，顶板及巷帮的大直径钻孔直径为130 mm时卸压效果较好，故底板卸压钻孔直径也选择130 mm，钻孔长度12 m，孔距10 m，倾斜角度为-30°.

(2)底板倾斜深孔爆破卸压措施

底板倾斜深孔爆破卸压措施技术参数如下：爆破钻孔孔径42 mm，钻孔深度20 m，孔距15 m，倾斜角度-45°，平均分3段间隔式装药，毫秒起爆器起爆.

需要说明的是，以上技术措施参数设置是根据常规顶板及巷帮卸压参数的实践经验提出来的，毋庸置疑的是2种措施的有效性，但底板卸压中具体的措施参数还应根据不同矿区的地质条件微调.

5 结论

(1)建立了底板冲击地压力学解析模型，计算结果表明巷道侧压系数增大，底板水平应力大幅度增加而垂直应力不变；巷道应力集中系数增大，底板垂直应力和水平应力都大幅度增加.

(2)模拟分析了巷道两侧为薄煤层采空区条件下巷道围岩水平应力与垂直应力的演化规律，证实了高构造应力区底板应力集中程度与冲击地压危险性增大的解析结论.

(3)提出了底板弱化防控冲击地压的理念及技术措施，同时提出2种底板防冲措施，即孔径130 mm，孔深10 m，倾角-30°的底板大直径钻孔卸压措施和孔径42 mm，钻孔深度20 m，孔距15 m，倾角-45°的深孔爆破卸压措施.