深井巷道底板动静载耦合诱发冲击矿压机理及控制研究

张克伟 李恩忠

(1.枣庄矿业付村煤业有限公司，山东省济宁市，277000；2.山东科技大学，山东省青岛市，266590)

随着我国煤矿开采深度逐年增加，冲击矿压显现次数与危害程度也相应增加，造成了大量设备损坏、巷道破坏和人员伤亡。此类事故的发生区域为距离震源位置较近的临空区，主要表现形式为底鼓，冲击矿压显现均伴随大能量的强矿震事件。

相关研究表明，此类底板冲击矿压发生的主要因素为煤岩体自重应力与高水平应力共同作用造成局部应力集中，最终导致整个煤岩系统失稳与破坏。

目前，针对动静载耦合作用下底板冲击矿压诱发机理的研究相对较少。本文结合弹性力学与应力波传播相关理论，对动静载组合作用诱发底板冲击矿压条件进行理论推导，利用数值模拟方法研究不同侧压系数条件下动静载组合作用对底板应力场、位移场、塑性区的影响规律，最后利用SOS微震监测技术对结论进行验证，并提出相应控制措施，为动静载组合作用下深井巷道底板冲击矿压显现提供一定理论指导。

1 动静载组合作用诱发冲击矿压力学条件

由于煤巷埋深较大，可以简化成圆形隧道的弹性力学问题。假设巷道围岩均质，各向同性，为弹性介质。根据弹性力学理论可知，圆形巷道围岩任意一点的静应力为：

(1)

式中：σr——底板径向应力，MPa；

σθ——底板切向应力，MPa；

q——垂直应力，MPa；

λ——侧压系数；

a——巷道半径，m；

r——围岩任意一点距巷道中心距离，m；

θ——极角，(°)。

假设应力波沿着巷道径向方向传播，应力波产生动载主要为p波(横波)，故不考虑s波(纵波)。故可得巷道底板p波产生动载的计算公式为：

σd=ρvP(vpp)Pe-ηd

(2)

式中：σd——底板动载，MPa；

ρ——煤岩体密度，kg/m3；

vp——p波传播速度，m/s2；

(vpp)p——p波造成煤岩体震动速度，m/s2；

η——衰减系数；

d——应力波传播距离，m。

由式(1)和式(2)可知，底板所受水平应力σ为底板切向应力σθ和动载σd之和，且动静载组合作用诱发底板冲击矿压时σ往往大于底板破坏的临界应力。

由库伦—摩尔准则可知，动静载组合作用下发生底板冲击矿压的力学条件为：

(3)

式中：φ——底板岩层内摩擦角，(°)；

σc——底板单轴抗压强度，MPa。

由式(3)可知，动静载组合作用诱发底板冲击矿压的静载参数包括底板径向应力、切向应力、煤岩体力学性质(密度、单轴抗压强度、内摩擦角)；动载参数包括p波传播速度、震动速度、衰减系数、震动波距离巷道位置等。当σθ远大于σr时或应力波传播速度较快、震源较近等条件下，很容易达到诱发冲击矿压条件。由此可见，动静载组合作用更容易发生底板冲击矿压。

2 动静载组合作用诱发底板冲击矿压规律

2.1 数值模型建立

巷道围岩力学参数依照付村煤矿一采区1108工作面地质勘探资料，如表1所示。采用FLAC2D中Dynamic动态功能模块，进行不同侧压系数条件下巷道煤岩体动力响应规律的研究。巷道埋深700 m，数值模型的几何尺寸为100 m×80 m，巷道尺寸为6 m×4 m。模型位移边界条件为两侧限定水平位移，底部边界限定垂直位移。应力边界条件为上部边界施加18.2 MPa的垂直载荷，两侧侧压系数λ分别取1.0、1.5、2.0和2.5，重力加速度g=9.81 m/s2。

表1 巷道围岩的力学特性参数

此次模拟将动载震源视为简谐波，每个模型的简谐波位置均在巷道顶板正上方15 m位置，根据微震监测要求，震动频率取15 Hz，作用时间为0.3 s。每个模型均提取底板水平应力、位移、塑性区分布图。各个工况的模拟过程分3步：计算初始位移场与应力场；计算巷道开挖后的位移场与应力场；施加应力波进行动态分析。

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 动静载组合作用下底板水平应力变化规律

不同侧压系数动静载组合作用下底板水平应力变化如图1所示。由图1可以看出，在动静载共同作用下，不同侧压力系数的底板水平应力在0～0.033 s内出现明显上升，并均在0.033 s时达到峰值；在0.033～0.093 s范围内，水平应力出现较大程度的下降；随着侧压系数的增加，应力下降幅度越大，0.093 s后应力值均基本平稳波动。这说明在应力波作用下，煤岩体可在0.033 s内释放较大弹性能，最终诱发冲击矿压。

图1 不同侧压系数动静载组合作用下底板水平应力变化

不同侧压系数条件下底板应力下降拟合曲线如图2所示。由图2可知，应力下降随侧压系数增加而呈抛物线型增加。当侧压系数大于1.5时，增加幅度逐渐减小，表明随着侧压系数增加，动载扰动下底板应力降随之增加，极限状态下煤岩体释放能量增高，更容易发生煤岩冲击现象。

图2 不同侧压系数底板应力下降拟合曲线

2.2.2 动静载组合作用下底板位移变化规律

不同侧压系数动静载组合作用下底板位移变化如图3所示。由图3可知，受动静载组合作用巷道底板位移均出现大幅度瞬间增长。在震动波作用0.27 s范围内，瞬时位移在侧压系数等于2时达到最大值0.433 m；0～0.04 s范围内，瞬时位移基本不变；0.04～0.25 s范围内，位移出现线性增长；0.25 s后底板位移逐渐平稳。由此可见，在动静载组合作用下底板位移也出现了瞬时增长的情况，但位移增长起始时间晚于应力下降起始时间约0.01 s。

图3 不同侧压系数动静载组合作用下底板位移变化

图4 不同侧压系数底板位移增长值拟合曲线

不同侧压系数底板位移增长值拟合曲线如图4所示。由图4可以看出，随着侧压系数增加，底板位移增长值呈抛物线型增加。侧压系数小于2时，底板位移增长值的上升幅度基本保持不变；侧压系数大于2时，底板的位移增长值小幅下降。这表明侧压系数大于2时，动静载组合作用造成底板破坏深度加大，但弹性能释放位置距离增加，导致底板临空面周围能量密度分布因子变小，动静载组合作用下底板位移增长值反而变小。

2.2.3 动静载组合作用下底板塑性区变化规律

不同侧压系数动静载组合作用下底板塑性区分布如图5所示。其中绿色叉代表剪切塑性区、紫色圆圈代表拉伸塑性区、红色叉代表围岩已经破碎。

由图5可以看出，在动静载组合作用下，底板出现剪切与拉伸破坏现象。这表明巷道底板稳定性减弱，动静载共同产生塑性区释放的能量随之增大，预示高水平应力下的冲击矿压强度会增强。

不同侧压系数底板塑性区深度拟合曲线如图6所示。由图6可知，底板塑性区深度随着侧压力系数增加而呈指数型增加。这说明随着开采深度增加，水平应力集中程度越大，底板受到相同动载扰动，冲击矿压强度将会变强。在底板从开始失稳到冲击发生的过程中，高水平侧压力是决定底板冲击矿压强度的基本条件，动载起到了诱发冲击作用及提高冲击强度作用。

图6 不同侧压系数底板塑性区深度拟合曲线

3 深井巷道底板微震监测分析

付村煤矿一采区位于矿井煤田中部，采区范围内褶曲构造发育，东侧为背斜轴部，西侧为向斜轴部。一采区煤层厚度18.2～54.5 m，平均厚度31.0 m。矿区的地应力以水平应力为主，巷道底板的侧压系数较大。通过对该矿进行地应力测量，在向斜轴部附近最大水平应力与垂直应力的比值范围为1.6～1.9，在背斜轴部附近比值范围为1.8。

巷道底板微震监测能量-频次分布如图7所示。由图7可以看出，微震监测系统布置在一采区1108工作面底板附近，距向斜轴900～1000 m时，侧压系数小于1.75，能量在2×106～4×106J范围内。距离向斜轴500～900m时，随着侧压系数逐渐增加，部分煤岩体处于极限状态，故底板震动过程中释放的能量稍大于距向斜轴900～1000 m，可达到4×106～6×106J范围内。

随着工作面逐渐推进至向斜轴附近，侧压系数逐渐增加，矿震频次逐渐升高，最终可以达到280次，震动能量也大幅度上升，距离向斜轴400 m范围内可达到6×106～1.8×107J范围内。由此可见，侧压系数越大，工作面底板震动频次越多，释放能量也越高。底板破坏引发冲击矿压的频次与强度与高侧压力有直接关系，动载在此过程中起到了诱发冲击作用，与前述分析结果一致。

图7 巷道底板微震监测能量-频次分布图

4 动静载诱发底板冲击矿压控制建议

针对深井巷道底板动静载耦合诱发冲击矿压形成机理来看，动静载诱发底板冲击矿压矿压控制的思路在于尽可能降低底板水平应力，提高底板煤岩体强度，并采取降低动载的措施。因此采取矿压控制措施需划分为3个方面：(1)近场卸压措施。以减小煤岩体水平应力集中现象，主要方法有大直径钻孔卸压、爆破卸压等方式；(2)远场高强度支护。加强2 m以外的远场区域煤岩体强度，抵抗一部分动载扰动，主要措施有底板锚杆或反弧形支护；(3)降低动载的传递。采用合理的采掘部署，尽量采取保护层开采方式，将巷道布置在应力降低区域内，防止大能量动载扰动，诱发冲击矿压。

5 结论

(1)理论分析表明，动静载组合作用诱发底板冲击矿压的静载条件有底板径向应力、切向应力、煤岩体力学性质(密度、单轴抗压强度、内摩擦角)；动载条件有p波传播速度、震动速度、衰减系数、震动波距离巷道位置等。

(2)动静载组合作用下底板突然破坏所需临界水平应力和最大应力差均随侧压力系数增加而呈抛物线型增加，底板位移均出现瞬间增长，底板塑性区的深度随着侧压力系数增加而呈指数增加。

(3)数值模拟结果和现场微震监测结果表明，在底板从失稳到发生冲击的过程中，高侧压力起到主导作用，动载起到了诱发冲击作用，并将矿压控制措施分为近场卸压、远场高强度支护、降低动载传递3个方面。