动静载叠加作用下冲击启动区诱发冲击机理及防治研究

段云鹏

(山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司， 山西 晋城 048006)

井工开采期间发生冲击地压灾害时，显现位置多集中于工作面两侧的巷道内，尤其以沿空侧巷道超前段为主。研究统计表明，85%以上的冲击显现位置发生于沿空侧巷道超前工作面0～100 m[1]，因此有必要针对此区域冲击显现发生的原因进行分析。

冲击显现发生的机理相关学者研究较多，潘俊峰等[2]依据微震监测结果提出了巷道冲击启动理论；何江[3]研究了动静组合诱发冲击地压机理；李夕兵等[4]建立了煤岩体动静组合作用下的破坏准则；彭维红、温颖远等[5-6]采用数模模拟研究了动载对巷道冲击破坏特性。本文以冲击启动理论和动静载叠加诱发冲击机理为思路对沿空侧巷道超前段发生冲击显现的原因进行分析，并在此基础上提出相应的防治措施，以期为沿空侧巷道防冲提供借鉴。

1 工程地质概况

甘肃靖远煤电股份有限公司宝积山煤矿在开采井田内的七采区时，由于采区处于一向斜地质构造的翼部区域，因此采区内的煤层存在倾角渐变效应。针对不同区域煤层的开采，所布置工作面的倾角也有所不同，且开采深度也随之增加。七采区内703综放工作面回采期间曾发生几次较为严重的动力显现事故，当进入深部705综放工作面开采时，动力显现事故愈发严重，一度造成工作面的停滞，对生产造成了严重的影响。七采区内工作面布置相对位置关系的剖面情况见图1.

图1 七采区内工作面布置剖面图

705综放工作面平均埋深接近600 m，煤层平均厚度为10.6 m，工作面平均倾向长度为90 m，工作面内落差在0.5～2.5 m的小断层地质构造较为发育。705工作面掘进期间矿压显现事故较少，而当其进入回采阶段时，随着工作面的回采，在采区内沿空侧的705回风平巷超前段发生了多次矿压动力显现事故，分布图见图2.

图2 705综放工作面矿压动力显现分布图

由图2可知，在705综放工作面回采初期，较为严重的矿压动力显现事故发生了5起，其中在工作面一次见方、二次见方和三次见方期间矿压显现剧烈，对705回风平巷超前段造成了破坏，同时工作面液压支架也发生了压架事故。而在705综放工作面回采初期，受F10小断层的活化扰动影响，当工作面推进至一次见方期间时705回风平巷发生了较为严重的冲击地压事故，即“7.18”冲击地压事故，造成了705回风平巷的严重破坏和作业人员的受伤，对705工作面的后续安全高效开采造成了阻碍。

由于705综放工作面开采期间矿压动力显现事故频发，对七采区内煤层和顶底板岩层进行了冲击倾向性鉴定，鉴定结果表明七采区主采的3号煤层具有强冲击倾向性，其顶底板均具有弱冲击倾向性。因此有必要针对七采区内工作面进行防冲治理，防止后续开采过程中严重矿压动力显现的发生。

2 冲击机理力学分析

图3 静载应力叠加力学模型图

由图3a)可知，本工作面上端头一定范围的实煤体将会受到较高的支承应力作用，其最大峰值应力为原岩应力的n倍(n取值往往大于3)，在这样较高的支承应力作用下，该范围内的实体煤趋于临界失稳状态，极其不稳定，可视为冲击启动区。图3b)为图3a)沿着A-A′剖面线的剖面图，从图中可知沿空侧回风顺槽实体煤帮侧的冲击启动区不仅仅受到较高的支承应力，同时还受到周围煤体对其产生的围压应力。基于摩尔-库伦强度准则[7]，可以对高支承应力影响区煤体的临界支承压应力进行计算，计算公式如下：

(1)

式中：

σmax—冲击启动区煤体的极限抗压强度，MPa；

σ3—周围煤体对其产生的围岩应力，MPa；

C—煤体的内聚力，MPa；

φ—煤体的内摩擦角，(°).

可知当σ3取值为0 MPa时，冲击启动区煤体失稳破坏所需的临界支承压应力最小，计算公式如下：

多维尺度分析是基于数据空间距离来探索观察量的内在结构，以二维(三维)空间居多，将观察量以点分布的形式描述其在空间所处位置。不同观察量所呈现点的位置的空间距离远近代表了其相似性的高低。相似度越高的关键词越易聚拢形成学科热点。同时，越靠拢中心位置的关键词表明其中介中心性越强，与其相联系的关键词越多，其越处于所在研究的核心位置；反之则越少，越处于边缘。以22个高频关键词所构建的相异系数矩阵导至SPSS 21.0进行多维尺度分析(结果如图4)，设置标准Z分数，拟合参数值如下：Stress=0.24，RSQ=0.63。说明高频词间拟合度有待提升。

(2)

式中：

[σmax]min—冲击启动区煤体失稳破坏所需的最小临界支承压应力，MPa.

对于具体的煤体其内聚力和内摩擦角是一定的，随着周围煤体对其产生的围岩应力σ3的增大，冲击启动区煤体失稳破坏所需的临界支承压应力也相应增大，即需要在较高的动静载叠加作用下才能发生失稳破坏而冲击启动。而围岩应力σ3的存在也导致冲击启动区煤体由弹塑性状态向应力软化状态过度，因此对于其失稳破坏的数值模拟不能采用传统的弹塑性模型，而应该选用应变软化模型进行模拟分析。

同时，基于太沙基理论可知冲击启动区煤体将会对下方底板产生一定的压力作用，与水平构造应力σx共同作用下，将导致底板煤岩体产生较大范围的塑性破坏，在工作面回采引起的剧烈动载扰动作用下瞬间滑移失稳涌入巷道内，进而造成底板冲击显现的发生,底板煤岩体冲击破力学模型见图4.

图4 底板煤岩体冲击破力学模型图

3 动静载叠加作用下冲击启动模拟研究

3.1 数值模型的建立及参数确定

由于冲击启动区内煤体受到周围煤体对其产生的围压应力，表现出一定的应变软化特征，因此在应用FLAC3D软件进行数值模拟研究时，不能采用图5a)所示的弹脆塑性本构模型，而应该采用图5b)所示的应变软化本构模型。二者的本质区别为峰后阶段的应力-应变曲线不同，具体为应变软化模型峰后残余强度是缓慢下降至某一强度值，而弹脆塑性模型峰后残余强度是瞬间下降至某一强度值。

图5 两种本构模型的应力-应变曲线图

应变软化模型的煤岩物理力学参数可以参照实验室测试的705工作面煤样在一定围压的应力-应变曲线，在此基础上采用试错法确定数值模拟模型的赋值参数。当数值模拟模型的体积模量、剪切模量和密度参数大小分别取值为1.29 GPa、0.83 GPa和1 350 kg/m3时，且内聚力和内摩擦角随着应变变化取值见表1，此时实验室测试的应力-应变曲线与数值模拟运算后的应力-应变曲线吻合性较好，见图6.

表1 内聚力和内摩擦角最优参数表

图6 数值模拟与实验测试的应力-应变曲线图

3.2 动静载叠加诱发冲击分析

分别模拟研究了不同静载相同动载和不同动载相同静载两种情况下数值模拟模型的应力-应变曲线，以此来分析静载和动载在动静载叠加诱发冲击显现中所起到的作用。其中模拟不同静载相同动载条件时，静载为对数值模拟模型预先加载至20%、40%、60%和80%的最小临界支承压应力[σmax]min，动载为采用0.06 m/min的加载速率；模拟不同动载相同静载条件时，静载为对数值模拟模型预先加载至20%的最小临界支承压应力[σmax]min，动载分别采用0.06 m/min、0.6 m/min、3 m/min的加载速率。数值模拟结果见图7.

图7 不同动静载叠加作用下的应力-应变曲线图

由图7a)可知，随着数值模拟模型初始静载的增加，其在相同动载叠加扰动作用下轴向压应力呈增大趋势，且发生破坏所需要的应变呈减小趋势，说明高静载低动载情况下数值模拟模型容易瞬间失稳发生破坏。由图7b)可知，随着数值模拟模型初始动载的增加，其在相同静载条件下受到动载叠加扰动作用下轴向压应力同样呈增大趋势，且发生破坏所需要的应变同样呈减小趋势，说明高动载低静载情况下数值模拟模型容易瞬间失稳发生破坏。可见，单独的动载和静载对于数值模拟模型的破坏影响较小，但当动静载叠加作用较高时，数值模拟模型容易瞬间失稳发生破坏，即所谓的发生冲击启动。

4 强化控制与巷帮卸压耦合防治技术

根据上述研究结果可知，现场为了提高冲击启动区的启动条件，可以通过加强围岩控制来提高冲击启动区的围压，进而增大冲击启动区所能承载的最小临界支承压应力；同时对巷帮煤体进行大直径水射流钻孔卸压，降低冲击启动区本身承受的静载荷，致使冲击启动区内煤体要在更高的动载扰动下才能瞬间失稳而发生冲击启动。对巷道围岩采取强化控制与巷帮卸压耦合防治技术后，巷道围岩的应力环境见图8.

图8 巷道围岩垂直应力模拟云图

由图8可知，巷道围岩中由内向外形成了锚网索强化控制“强结构区”和大直径水射流钻孔卸压“弱结构区”，强弱结构区耦合作用实现对于巷道的防冲效果。

强化控制与巷帮卸压耦合防治技术前后的巷道围岩结构弯矩分布情况见图9.

图9 巷道围岩结构的弯矩分布图

由图9b)可知，巷道围岩结构上的弯矩分布更加均匀，且弯矩最大值也要比图9a)中的小很多。此时底板最大弯矩由原来的2.37×105N·m降低至1.7×105N·m，降幅为28.3%；实体煤帮侧最大弯矩由原来的2.4×105N·m降低至1.2×105N·m，降幅为50.0%；煤柱帮侧最大弯矩由原来的2.7×105N·m降低至1.5×105N·m，降幅为44.4%. 可见，采取强化控制与巷帮卸压耦合防治技术后巷道围岩应力环境更加均质，不易存在局部高应力集中，进而实现对于巷道围岩发生冲击的防治目的。

5 结 论

1) 工作面回采期间沿空侧巷道超前段容易诱发冲击的原因为上端头实体煤帮内一定范围的煤体将受到较高的支承应力作用，处于高静载应力状态；同时高静载作用范围内煤体受周围煤体对其产生的围压应力，导致其由弹塑性状态向应力软化状态过度。

2) 数值模拟采用试错法确定了数值试件的赋值参数，并研究了不同静载相同动载和不同动载相同静载两种情况下数值模拟模型的应力-应变曲线，指出单独的动载和静载对于数值模拟模型的破坏影响较小，而在动静载叠加作用较高时，模拟试件容易瞬间失稳发生冲击破坏。

3) 提出了针对冲击启动区的强化控制与巷帮卸压耦合防治技术，并通过数值模拟巷道围岩垂直应力云图演化规律和现场监测巷道围岩结构的弯矩分布情况验证了该技术的可行性。