褶曲构造带临空巷道围岩应力演化及冲击地压防治技术

刘 畅，张 宇，宋 洁，许日成

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院，北京 100013；4.徐州市检验检测中心，江苏 徐州 221111）

近些年，随着我国科技水平全面进步，煤矿支护方面也相应的进行了技术方面的革新。尤其液压支架机械化水平的大幅提升，致使工作面支护效果进一步提高，进而工作面回采期间受剧烈动载扰动影响诱发冲击显现的可能性大幅减小。工作面两侧回采巷道相对于工作面的支护强度明显要弱，因此目前大部分冲击显现多集中于巷道内，尤其靠近采空区侧的沿空巷道冲击显现更加频繁[1-2]。相关文献表明[3-4]，75%以上的冲击地压事故发生于工作面两侧巷道内，尤其是超前工作面0～80 m 范围内占比极高。特别是当工作面在褶曲等复杂地质构造区回采时，煤岩体动力灾害是研究的难点[5]。可见，针对巷道内尤其是超前工作面的巷道段的冲击地压防治研究，对于矿井的安全生产意义重大[6-7]。目前巷道冲击地压的研究主要从冲击发生机理、卸压防治及加强支护等多方面进行了相对独立、专门的研究[8-11]，很少考虑煤层倾角变化对巷道围岩应力分布特征的影响。

1 工程概况

1.1 采区地质概况

甘肃靖远煤业宝积山矿在开采东翼七采区时，由于该采区所处位置为一向斜褶曲构造的翼部区域，因此采区内不同工作面沿倾向倾角均不同，且相邻工作面之间沿倾向方向倾角呈现出渐变递减规律。当七采区内705 综放工作面回采时，其相邻的上部为703 和701 采空区，下部为实体煤。采区内目前回采的705 综放工作面已进入深部1 020 m 水平，对应地面标高在1 614～1 620 m 之间，工作面平均埋深600 m。

705 综放工作面主采1#煤层，该层煤结构稳定且单一，少有夹矸层存在，且煤层均厚为10.78 m。整个七采区内，随着煤层向下部开采，煤层倾角趋于减小，倾角变化范围为6°～48°。七采区内各工作面相对位置关系剖面如图1。

图1 七采区工作面位置剖面图Fig.1 The face position profile of the seventh mining area

1.2 冲击地压事故概况

705 综放工作面回采期间，于2018 年7 月18 日在回风巷内发生了严重的冲击地压事故。当工作面推进至距开切眼46 m 位置时，于工作面前方45 m 位置处发生冲击地压，破坏波及巷道范围长达82 m，“7·18”冲击事故位置及巷道变形破坏情况如图2。

图2“7·18”冲击地压事故位置关系平剖面图Fig.2 Flat profile of location relation of“7·18”rockburst accident

由图2 可知：此次冲击地压显现位于工作面沿空巷道超前段范围内，冲击造成了巷道煤柱帮和底板煤体抛向巷道内，造成了多处单体支柱折断、锚网索支护失效以及严重底鼓的发生。

1.3 1#煤层及顶底板冲击倾向性测试结果

根据国标GB/T 25217.2—2010《煤岩冲击倾向分类及指数测定方法》、MT—T174—2000《岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法》、GBT 25217.1—2010《顶板岩层冲击倾向分类及指数的测定方法》，在705 采区1#煤层采集煤岩样、加工试样、开展测试。试验结果见表1、表2。

表1 1#煤层冲击倾向性测试结果Table 1 The burst tendency test result of 1#coal seam

表2 1#煤层顶板、底板岩层弯曲能量指数Table 2 The burst tendency test result of 1#coal seam

冲击倾向性测试结果表明：1#煤层具有（Ⅲ类）强冲击倾向性，顶板具有（II 类）弱冲击倾向性，底板具有（II 类）弱冲击倾向性。

2 褶曲构造带应力特征及冲击发生机理

2.1 褶曲构造应力特征

煤矿冲击地压与所处煤层地应力直接相关。褶曲构造通常是应力集中的区域。褶曲构造从发生、发展到形成，是1 个随时间逐渐演变的非稳定构造应力场。通过数值模拟对水平加载作用下褶皱形成过程中最大水平应力和变形演化规律进行探讨，并在此基础上探讨工作面开采导致的局部应力场变化特征。根据煤岩样力学性能测试结果，数值模型计算中所用的煤岩样物理力学参数见表3。

表3 模型岩性力学特性参数Table 3 Parameters of lithological and mechanical properties of the model

多层褶皱形成过程中最大水平应力随水平应变的变化如图3，加载作用下褶皱中最大水平应力分布如图4。由图3、图4 可以看出：褶皱出现之前，岩层中的最大水平应力与水平应变近似成线性关系，上升幅度小；当褶皱出现后，最大水平应力随水平应变呈非线性急剧增长。褶曲构造带应力集中程度高是导致冲击发生的内因。

图3 多层褶皱形成过程中最大水平应力随水平应变的变化Fig.3 Variation of maximum horizontal stress with horizontal strain during the formation of multilayer folds

图4 加载作用下褶皱中最大水平应力分布Fig.4 Distribution of maximum horizontal stress in folds under loading

2.2 临空巷道围岩应力随煤层倾角变化规律

褶曲的出现会导致煤层存在倾角。倾角的不同还会引起的集中应力的变化。采空区顶板沿倾斜方向按弹性地基梁理论建立的力学模型如图5，基于图5 分析作用在采空区两侧煤体上的应力集中。

图5 沿煤层倾斜方向侧向支承压力简化模型Fig.5 Simplified model of lateral abutment pressure along inclined direction of coal seam

基于Winkler 弹性地基假定[12-13]可知：

式中：q 为作用在顶板上的垂向应力，kN；y 为顶板垂向位移量，m；k 为弹性地基垫层系数，MPa。

由于采空区上方基本顶沿倾向方向呈对称性，因此以采空区中部为对称轴，取其一半进行受力分析。参照Timoshenko 解，可以得到基本顶弯曲变形微分方程为：

式中：E 为弹性模量，GPa；I 为基本顶横截面的惯性矩，m4；N 为轴向力，MN；p 为基本顶上方均布载荷，MPa。

基本顶的垂向位移量表达式：

式中：M0为边界处弯矩，MN·m；Q0为边界处剪力，MN；s、r、α、β 为计算过程中的中间参量，其中：s=N/EI，r2=k/EI，α＝（r/2-s/4）1/2，β＝（r/2+s/4）1/2；x 为距离原点坐标距离，m。

由式（1）可知两侧支撑煤体所受垂向压应力与垂向位移量呈线性关系，比例系数为-k。因此可用垂向位移量的变化规律来反应基本顶对两侧支撑煤体垂向压应力作用情况。由式（3）可知垂向位移量与煤层倾角之间存在一定关系，分析可知：对于处于下侧的支撑煤层，随着煤层倾角减小，平行于顶板的轴向力N 增大，导致α 减小、β 增大，即引起衰减的因素e-αx作用减弱，而引起波动的因子β 增大，因此，处于下侧煤体支承压力增大；而对于处于上侧煤体，支承压力随倾角的变化规律刚好与之相反。这表明，随着煤层倾角的减小，采空区下侧煤体受到的残余支承压力逐步增大，将会对下侧接续工作面的采掘工作造成较大的影响。

3 临空巷道应力随煤层倾角变化数值模拟

3.1 数值模拟模型和方案

在理论分析的基础上，通过数值模拟进一步探讨受煤层倾角影响下相邻工作面回采过程中应力场空间演化规律。模型尺寸沿煤层走向长240 m，倾向长230 m，模型高度在煤层倾角为0°、15°、30°、45°时分别对应为80、130、186、235 m，采用FLAC3D软件建立的三维计算模型如图6。

图6 数值模型Fig.6 Numerical model

3.2 回采工作面应力分布特征

以703 和705 两相邻综放工作面为对象进行数值模拟计算，模拟研究了703 综放工作面回采结束后，不同煤层倾角条件下705 综放工作面回采期间的垂直应力分布规律如图7。

图7 不同倾角煤层回采期间应力分布云图Fig.7 Stress distribution cloud diagrams of coal seam with different dip angles during mining

由图7 可知：当705 综放工作面回采时，受703采空区残余支承应力以及705 工作面超前支承应力的叠加影响，容易在工作面上侧端头位置处形成“L”形应力集中区；当煤层倾角较大时（α=45°），工作面上端头“L”形应力集中不明显，此时沿空侧回采巷道超前段围岩应力环境较好，不存在较高的集中静载荷；当煤层倾角减小时（α=30°），工作面上端头开始出现“L”形应力集中区，且护巷煤柱内也出现了局部应力集中区，这说明煤层倾角减小时，邻近703 采空区对于705综放工作面造成的残余侧向支承应力进一步增大；随着煤层倾角进一步减小时（α=15°和0°），工作面上端头位置处“L”形应力集中程度进一步增大，煤柱内的应力集中程度也同步增大，甚至在煤层倾角为0°时煤柱体因承载极高的静载荷而出现失稳破坏，此时上端头位置处的应力集中程度极高，峰值应力高达136.59 MPa，极易受采动影响而发生冲击地压。

总体可知，随着煤层倾角从45°减小趋于0°，705 工作面受到邻近703 采空区残余侧向支承应力影响程度逐步增加，造成了工作面上端头位置处“L”形应力集中区内峰值应力由57.53 MPa 增至136.59 MPa，增幅高达137.4%。数值模拟结果与前述理论分析较一致，即随着煤层倾角减小，采空区下侧煤体受到的残余支承压力逐步增大，接续工作面回采期间发生冲击显现的可能性也进一步增加。

4 卸压与支护协同控制技术

不同煤层倾角条件下回风平巷围岩控制应采取不同的方法，随着煤层倾角减小，卸压重点区域也要由煤柱侧向实体煤侧转移，且支护方案也要进行相应调整。以705 工作面回采期间为例，705 工作面回风平巷附近煤层倾角32°，由应力场演化规律分析可知，此时煤柱侧应力峰值高于实体煤侧，且煤柱宽度12 m 承载能力较小，根据式（1）可知煤柱侧更容易在动静载叠加扰动下发生剧烈变形破坏[14-16]。

4.1 卸压技术

“7·18”冲击事故发生后，在后续回采过程中对回风平巷超前工作面煤柱侧实施大直径钻孔卸压，对实体煤侧实施大直径钻孔联合注水卸压，以消除回风平巷围岩中积聚的高集中静载，进而弱化动静载叠加对巷道围岩的扰动作用，705 回风平巷超前段卸压方案如图8。

图8 705 回风平巷超前段卸压方案Fig.8 Pressure relief scheme for leading section of 705 return air drift

根据模拟结果确定上端头超前工作面4～12 m的实体煤侧和3～10 m 的煤柱侧为重点卸压区域，卸压孔采用直径为108 mm 的大直径钻孔，考虑到卸压孔影响半径和现场采煤进度，孔间距定为2 m，布置角度为顺层布置。考虑到大直径钻孔卸压会使集中应力向深部转移，而工作面上部9～23 m 范围内顶板活动剧烈，因此在实体煤侧10～30 m 深度范围内进行高压注水对煤体进行软化。现场在孔间距8 m 的情况下两注水孔之间偶尔有轻微串水现象，暂时确定注水孔间距为10 m，根据现场实际封孔器选用情况确定注水孔直径为75 mm，注水孔同样顺层布置。保证超前工作面50 m 范围内进行卸压。

4.2 支护参数

705 综放工作面沿空侧回风平巷净断面尺寸为宽×高=3.8 m×3.5 m，且留设有12 m 的区段保护煤柱。当对巷道两帮进行卸压措施时，为了防止过度卸压造成的两帮失稳，在原有支护基础上对巷道两帮进行了锚索补强加固，最终形成的回风平巷超前段支护方案如图9。

图9 锚网索喷联合修复支护方案Fig.9 Rehabilitation and support scheme of bolt, mesh, cable and shotcrete

5 现场应用

电磁辐射信号与煤体应力状态呈正相关，煤体中应力越高，电磁辐射信号也就越强[10]。因此使用电磁辐射仪器（KBD5 型）对工作面推进至一次见方期间回风平巷超前工作面进行煤层冲击危险性监测。当工作面推进至一次见方位置时，在回风平巷内超前工作面100 m 的范围内布置测点对实体煤侧和煤柱侧进行监测。电磁辐射强度值监测结果如图10。

图10 电磁辐射监测结果Fig.10 Monitoring results of electromagnetic radiation

由图10 可知：705 综放工作面沿空侧巷道超前段0～50 m 卸压范围内，实体煤帮电磁辐射值整体水平大于煤柱帮电磁辐射值；且在超前卸压0～20 m范围内，实体煤帮电磁辐射平均值为30.3 mV，煤柱帮电磁辐射平均值为19.5 mV；在超前卸压20～50 m 范围内，实体煤帮电磁辐射平均值为17.5 mV，煤柱帮电磁辐射平均值为8.2 mV；平均值均小于电磁辐射临界强度值42 mV，说明705 综放工作面沿空侧巷道超前段0～50 m 范围内卸压充分，不易积聚高集中静载而诱发冲击显现；而对于705 综放工作面沿空侧巷道超前段50～100 m 未卸压范围内，煤柱帮电磁辐射值整体水平高于实体煤帮的，此时煤柱帮电磁辐射平均值为34.6 mV，实体煤帮电磁辐射平均值为24.8 mV；说明此范围内煤柱帮应力集中程度较高，当后续因705 综放工作面回采而受到其超前支承应力叠加影响时，由于煤柱体本身承载能力较弱，极易在较高的集中静载以及回采扰动作用下失稳冲击破坏。因此有必要提前做好卸压、修复加固等防护措施，以保障后续705 综放工作面的安全高效开采。

6 结 语

1）褶皱出现会引起集中应力急剧增长。褶曲构造带附近应力集中情况增加是引起冲击的内因。

2）随着煤层倾角减小，处于采空区下侧煤体支承压力增大。而处于采空区上侧煤体，支承压力随倾角的变化规律刚好相反。

3）随着煤层倾角减小，工作面上端头处“L”形区应力集中急剧增大，煤柱内峰值应力相较于“L”形区内峰值应力增幅较小。“L”形区峰值应力在倾角小于15°时开始大于煤柱侧，说明随着煤层倾角减小，高集中静载从煤柱侧向实体煤侧转移。相比于相邻703 工作面，705 工作面煤层倾角减小，煤层中集中增大幅度更高。

4）对705 回风巷超前段0～50 m 范围内实体煤帮实施大直径钻孔联合高压注水卸压，煤柱帮实施大直径钻孔卸压，并同时加强支护协同作用防治冲击地压，电磁辐射监测及现场观测结果表明卸压效果明显，一次见方期间未出现明显的矿压动力显现。