不同能级矿震波对深部盘区大巷围岩扰动效应

任文涛，郭鹏慧，曲 柱，李家卓，5

（1.山东能源集团 鲁西矿业有限公司，山东 菏泽 274700；2.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心，安徽 淮南 232001；4.济宁能源发展集团有限公司，山东 济宁 272073；5.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

进入21 世纪以来，我国煤炭开采已进入第二深度（500～2 000 m）空间[1]。目前，我国浅部煤炭资源已逐渐枯竭，预计在未来20 年，我国多数煤矿将达到1 000 m 的采深[2]。深部开采时，围岩承受高静载，矿震产生的微小动载应力增量即可使叠加载荷超过煤岩临界值而诱发冲击破坏[3-5]。随开采深度增加，巷道围岩处于“三高”的状态，岩体非线性行为更加凸显，高能级矿震更加频繁，而且当巷道围岩受到不同能级矿震矿震波时，对于巷道围岩控制是较大的考验，亟需对不同能级矿震矿震波扰动下巷道围岩变形特征进行研究。杨书浩等[6]研究了高静载条件下典型大断面硐室围岩受动载扰动后变形破坏过程，揭示了深部大断面硐室帮部和顶板联动失稳机理；靖洪文等[7]通过建立巷道围岩结构模型，模拟再现了动静载耦合作用下煤巷顶板冲击全过程的结构演化细观特征；杨逾等[8]运用数值模拟研究了动载前后巷道围岩变形及微震响应特性；焦建康等[9-10]研究了动载扰动下巷道围岩稳定性及多层次控制技术；曹安业等[11]研究了动静载力作用下常规锚杆支护和补打帮部锚索加强支护方式对巷道围岩变形的控制效果；其他如兰红等[12]、封雨捷[13]、郭鹏慧[14]、孙泽权等[15]、熊藤根等[16]、马金宝等[17]通过理论分析、数值模拟、现场监测等多种研究方法对巷道围岩变形特征及围岩控制效果做了研究。

上述研究多数是定性研究单强度动载或多强度动载作用下巷道围岩变形特征，但是鲜有定量研究对不同能级矿震矿震波扰动下深部巷道围岩的收敛率。因此，以某煤矿一盘区大巷为工程背景，通过数值模拟和现场监测结合的方法，对比研究不同能级矿震矿震波对深部巷道围岩的扰动效应，得到了不同动静载荷比条件下巷道围岩的收敛增量，阐明了巷道围岩冲击破坏微震监测能量特征。

1 工程概况

某煤矿位于彬长矿区西北部，一盘区位于矿井西翼北部，+120 m 水平，煤系地层为侏罗系中下统延安组，4#煤层为该区唯一开采煤层，平均煤厚9.53 m，赋存深度在800～1 096 m 之间，平均埋深950 m。一盘区煤层上限标高为+162 m，下限标高为+75 m，一盘区东西长约4.0 km，南北宽约3.0 km，面积约12 km2，一盘区大巷群部分穿越4#煤层，大巷顶板承受上覆岩层自重荷载较大，受构造应力影响较大，侧压系数达到了1.7，属于高水平构造应力场。

煤岩体具有冲击倾向性是煤岩体发生冲击的必要条件，对比国标GB/T25217.2—2010，4#煤层上分层、4#煤层下分层动态破坏时间（DT）、冲击能量指数（KE）、弹性能量指数（WET）、单轴抗压强度（RC）等参数的测定结果见表1。

表1 4#煤层冲击倾向性鉴定结果Table 1 Evaluation results of impact tendency of 4# coal seam

2 矿震影响下巷道围岩微震能量及破坏变形特征

在监测预警方面，该矿不仅形成了由钻屑法和矿压监测集成的局部区域监测体系，还利用应力在线监测系统实施不间断监测，而且安装了SOS 微震监测系统，以加强局部监测效果。选取一盘区大巷发生的2 次典型冲击地压事故，对其微震监测能量特征进行分析，2018 年8 月矿震平-剖面分布图如图1，2018 年11 月矿震平-剖面分布图如图2。

图1 2018 年8 月矿震平-剖面分布图Fig.1 Plane profile distribution of mine earthquake in August 2018

图2 2018 年11 月矿震平-剖面分布图Fig.2 Plane profile distribution of shock bump in November 2018

图1、图2 中灰色小球代表106J 能量、红色小球代表105J 能量、紫色小球代表104J 能量、绿色小球代表103J 能量、蓝色小球代表102J 及以下能量，105J 及以上能量简称为“大能量矿震”。

1）冲击地压事故Ⅰ。2018 年8 月，一盘区大巷区域矿震以103能级为主，共发生3 次大能量矿震，其中2 次大能量矿震发生在岩巷中，因为岩石强度远大于煤的强度，造成的危害不严重；从矿震剖面分布情况看，关键层中监测到105能级的矿震，且其中1 次大能量矿震发生在洛河组上段与关键层交界区域，另外2 次大能量矿震均发生在大巷顶板上方20～50 m 岩层中，矿震造成的强动载扰动直接触发了8 月16 日一盘区3 条大巷同时发生冲击地压。一盘区辅运大巷40 m 范围底鼓，底鼓高度20～30 cm，15 m 巷道右肩冒顶，20 m 巷道左肩冒顶，距离2#联络巷300 m 区域内顶板喷浆层大面积脱落，2 排制冷管路2 处漏水，4 路主供电电缆全部脱落。运输大巷内2#联络巷至101 临时泵房区域底鼓0.5～1.5 m，回风大巷内101 灌浆巷至103 回风道区域有一段长度50 m 带式输送机掀翻，局部断面缩小至8 m3。

2）冲击地压事故Ⅱ。2018 年11 月，一盘区大巷区域矿震以104能级为主，共发生4 次大能量矿震，其中3 次发生在一盘区工作面前大巷区域，都发生在煤巷中，这3 次矿震直接导致一盘区大巷11 月4日发生冲击事故。从矿震剖面分布情况看，矿震在空间位置聚集在一盘区大巷顶板上方100 m 区域内，其中1 次大能量矿震甚至发生在大巷右侧煤柱中，对大巷影响较大。一盘区运输大巷自2#联络巷以外150～223 m 区域合计73 m 巷道底鼓，底板抬起高度200～300 mm。一盘区回风大巷自102 回风道门口以里70 m 至103 回风道门口区域共123 m 巷道顶板冒落，局部断面缩至5～6 m2，1 排φ450 mm PE 材质排水管路压断，导致回风大巷积水。

冲击前后微震监测能量和频次演化曲线如图3。

图3 冲击前后微震监测能量和频次演化曲线Fig.3 Micro-seismic monitoring energy and frequency evolution curves

从图3 可以明显看出：发生冲击地压前1 周，微震监测会有一定的前兆响应，偶有大能量事件出现，但是其余时间总频次和总能量处于较低水平，总能量往往小于105J，此时围岩体正在积聚能量，应当引起重视；冲击地压发生时，微震监测总频次和总能量骤增，总能量达到105J 以上；冲击地压发生后，微震监测总能量和总频次骤减，一段时间内几乎处于静默状态。

3 不同能级矿震扰动巷道围岩响应特征

3.1 数值模拟方案

为研究不同能级矿震对深部巷道围岩的扰动效应，以一盘区煤层大巷为模拟对象，运用FLAC3D软件建立数值模型，模型尺寸为70 m×70 m×67 m，巷道断面形状为直墙半圆拱形，巷道宽5.8 m，墙高3 m，拱高2 m，托顶煤2 m 左右，留底煤2 m 左右。建立的数值模型如图4。其中划分682 640 个单元，模型中的围岩物理力学参数取值见表2。

图4 数值模型图Fig.5 Numerical model diagram

表2 煤岩物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

模型采用Mohr-coulomb 破坏准则，确定边界条件如下：

1）静力过程中，模型四周及下边界采用位移边界约束；模型上边界为自由边界，给模型施加自重应力场，重力加速度取9.81 m/s2，施加竖向均布载荷模拟上覆岩层的自重荷载，考虑到模型自重的影响，故施加上覆岩层的自重载荷大小为22 MPa。

2）动力过程中，模型上、下边界采用静力边界，其余边界均采用自由场边界，这样可以充分吸收边界上的入射波，减少煤岩边界上波的反射情况，模拟无限场地的效果。

3）为了使模拟环境更符合现场，减弱模型自然振动的振幅，应力波可以随着应力-应变滞回圈的扩大逐渐消散，给模型设置瑞利阻尼参数。

文献［18－19］通过微震监测获得了顶板断裂及断层活化事件的波形特征，根据弹性波理论，任何复杂的应力波均可由若干简谐波经傅里叶变换得到，即简谐波是井下复杂应力波的基本形式。根据文献［20］，现场冲击地压发生时微震监测系统记录的震动持续时间仅为几十毫秒，冲击地压一般不存在多轮冲击的效应。如果把冲击震源波简化为简谐波，一般矿震的主频率在10～20 Hz 左右，周期为0.05～0.10 s，模拟中煤体冲击破坏时所施加的动载时间在1 个周期。根据当天监测到的微震事件空间坐标及能量大小，用FLAC3D软件中的Dynamic 模块在巷道正上方20 m 处施加一简谐应力波等效模拟106J 的矿震，设置震源强度48 MPa，频率20 Hz，模拟动载时间为1 个周期（0.05 s），动载作用时间为0.1 s，布置3 条监测线。

实地测取纵波波速可以得到不同能级矿震对应的波动载荷，根据矿震波引起的纵波动应力为[21]：

式中：σp为纵波产生的应力，MPa；ρ 为介质密度，kg/m3；Cp为纵波波速，m/s；vp为质点由纵波引起的峰值振动速度，m/s。

该矿实际矿震波传播过程中，实测纵波波速在4 700～4 900 m/s，取Cp=4 800 m/s，根据纵波波速与横波波速Cs的关系：，可以得到Cs=2 771 m/s。因为102J 及以下能量属于煤岩体自身微破裂产生的能量，107J 能级及以上的矿震现场极少出现，均不予以考虑，综合分析实际条件，选取的动应力与能量对应关系见表3。

表3 模拟不同能级矿震波选取参数表Table 3 Parameters table for simulating shock bump waves of different energy levels

3.2 矿震扰动下巷道围岩应力变化特征

垂直应力只能描述竖直方向力的大小变化，所以若要更加深入地分析不同能级矿震波对于巷道围岩应力的影响，以主应力差值为指标，分析巷道在不同能级矿震波扰动条件下的围岩应力场环境及变化特征。通过将主应力差值公式编入FISH 语言进行①号监测线数据的提取、分析，得到的矿震波影响下巷道围岩主应力差变化曲线如图5。

图5 矿震波影响下巷道围岩主应力差变化曲线Fig.5 Change curves of principal stress difference of roadway surrounding rock under the influence of shock bump waves

由图5 可得：巷道顶板上方20 m 区域内，矿震波能级越高，主应力差值越小，因为高应力波使得巷道围岩集中应力向两帮及深部传递；巷道顶板上方20 m 以深区域，矿震波能级越高，主应力差值越大，由于高应力波传播至巷道围岩后，应力波在巷道周边煤岩体边界产生反射波，反射波又与顶板上方入射波进行干涉，矿震波能级越高，波干涉效应越强，所以该区域形成主应力差与矿震波的能级呈正相关关系。

3.3 矿震扰动下巷道围岩能量变化特征

微小单元体三向应力条件下的弹性应变能U 为：

式中：E 为煤岩体的弹性模量；σ1、σ2、σ3分别为区域应力场主导下单元体的最大、中间、最小主应力，MPa；μ 为煤岩体的泊松比。

通过将弹性应变能公式编入FISH 语言进行①号监测线数据的提取、分析，得到的矿震波影响下巷道围岩能量变化曲线如图6。

图6 矿震波影响下巷道围岩能量变化曲线Fig.6 Energy change curves of roadway surrounding rock under the influence of shock bump waves

由图6 可得：能量的演化趋势与应力演化基本一致，能量以应力波为载体作用于煤岩体，每经过不同介质分界面能量均会减小，同种介质中矿震波能级越高，能量衰减系数越大，经过煤岩分界面时，矿震波能级越高，能量衰减系数越小。因为煤岩2 种介质理化性质差别较大，结构面较弱，高能级矿震波穿透能力更强，能量损耗更小。

3.4 矿震扰动下巷道围岩破坏变形特征

3.4.1 静载条件下巷道围岩卸荷破坏变形特征

通过提取巷道表面监测点及顶底板煤岩分界面②号、③号监测线的数据，得到的静载条件下巷道围岩位移演化曲线如图7。

图7 静载条件下巷道围岩位移变化曲线Fig.7 Displacement curves of roadway surrounding rock under static load condition

由图7（a）可知：开挖后巷道表面位移逐渐增大，顶底板及两帮位移变化趋势相同，但是顶板变化幅度不同，顶板位移最大、两帮次之、底板最小，且大多发生在巷道开挖初期，巷道顶板下沉量稳定在65 cm，底板鼓起量稳定在30 cm，两帮移近量稳定在50 cm。因为现场中冲击地压大部分情况是煤体抛出，顶底板监测线布置在顶底板煤岩分界线位置，目的是更好地监测顶底板离层情况，从而判断巷道潜在的冲击危险性。

由图7（b）可知：顶底板岩层内发生不同程度位移，底板受到卸荷影响更大，因顶底板仍有残余承载力，相比较处于卸荷状态的巷道表面围岩位移较小，顶板煤岩分界处最大垂直位移量28 cm，约为巷道顶板表面位移的43%，底板煤岩分界处最大垂直位移量13 cm，约为巷道底板表面位移的43%，煤岩分界处位移以巷道中线为中心大致呈对称分布。

3.4.2 矿震波影响下巷道围岩扰动破坏变形特征

通过提取矿震波影响下巷道表面监测点及顶底板煤岩分界面②号、③号监测线的数据，得到的矿震波影响下巷道围岩位移演化曲线如图8。

图8 矿震波影响下巷道围岩位移变化曲线Fig.8 Displacement variation curves of roadway surrounding rock under the influence of shock bump waves

由图8（a）可知：不同能级矿震波作用下巷道围岩顶板、底板、两帮位移呈现非线性增长，且矿震能级越高，矿震波传播速度越快，曲线变现为峰值点前移；103、104、105J 能级矿震波扰动下，前中期巷道两帮位移大于底板位移，后期则相反，原因可能是矿震波能量前中期主要作用于巷道顶板及两帮，未全部传播至底板区域；106J 能级矿震波扰动下，巷道两帮位移始终大于底板位移，由于巷道帮部较底板对于水平应力更加敏感，所以在106J 大能量的加持下巷道两帮破坏相比较底板更加严重；矿震扰动1个周期后，巷道围岩收敛量趋于稳定，相较于静载条件下，103J 能级矿震波扰动下巷道顶板、底板、两帮位移增量分别为4、3、2 cm；104J 能级矿震波扰动下巷道顶板、底板、两帮位移增量分别为5、10、8 cm；105J 能级矿震波扰动下巷道顶板、底板、两帮位移增量分别为35、28、22 cm；106J 能级矿震波扰动下巷道顶板、底板、两帮位移增量分别为85、40、50 cm。

由图8（b）可知：顶底板煤岩分界面位移趋势与静载条件下截然不同，静载条件下巷道由于留底煤的原因，底鼓量大于顶板下沉量，然而受到矿震扰动后，顶板下沉量更大，当矿震能级达到105J 时顶板下沉量骤增，最大下沉量为72 cm，顶煤易与其相邻岩层发生离层，增加顶板冒落的风险，若矿震进一步作用或采深逐渐增大，极易发生冲击地压。

2018 年一盘区大巷的动力显现情况见表4。

表4 2018 年一盘区大巷部分冲击显现事件统计Table 4 Statistics of some impact events in the main cane of a panel in 2018

综上可得，模拟结果与现场巷道围岩变形情况基本吻合，105J 认为是诱发冲击地压的潜在危险值，106J 认为是冲击地压的破坏值；静载条件下，底板相比较顶板离层现象更显著，矿震扰动下，顶板相比较底板更易发生离层，105J 及以下能级矿震扰动下，对巷道围岩产生的影响是顶板＞底板＞两帮，105J 以上能级矿震扰动下，对巷道围岩产生的影响是顶板＞两帮＞底板。

4 结 语

1）冲击地压发生前，微震监测会有一定的前兆响应，偶有大能量事件出现，但是其余时间总频次和总能量处于较低水平，总能量往往小于105J；冲发生时，微震监测总频次和总能量骤增，总能量达到105J 以上；发生后，微震监测总能量和总频次骤减，一段时间内几乎处于静默状态。

2）静载条件下，底板相比较顶板离层现象更显著，矿震扰动下，顶煤易与其相邻岩层发生离层，增加顶板冒落的风险；105J 认为是诱发冲击地压的潜在危险值，105J 及以下能级矿震扰动下，对巷道围岩产生的影响分别是顶板最大、底板次之、两帮最小；106J 认为是冲击地压的破坏值，105J 以上能级矿震扰动下，对巷道围岩产生的影响分别是顶板最大、两帮次之、底板最小。