深部复杂构造区域冲击地压控制技术研究

黄贤锋

（山东兖矿设计咨询有限公司，山东 邹城 273500）

1 工程概况

赵各庄煤矿3137工作面为大采深、向斜构造分布形态，工作面主采12号煤，煤层厚度为8.5～11.2 m，平均厚9.7 m，属特厚煤层。煤层倾角9°～32°，平均倾角为20°，属倾斜煤层。因受矿井宽缓向斜影响，煤层走向变化大，煤层结构简单，硬度系数为1.54。工作面布置如图1所示。

图1 赵各庄煤矿3137工作面布置图

3137工作面老顶为粉砂岩，厚度为2.1～4.6 m，颜色呈深灰色，抗压强度较大，平均可达51.3 MPa；直接顶为泥质黏土岩，厚度为0.49～2.67 m，呈黑色，半腐化状态，抗压强度达53.9 MPa；直接底为灰色粉砂岩，抗压强度75.8 MPa，含有少量的黄铁矿凝结核，煤层层位关系和具体岩性如图2所示，顶底板情况如表1所示。

图2 煤层柱状图

表1 煤层顶底板情况

2 数值模拟

以3137工作面实际工程地质情况为原型，采用FLAC、RFPA数值模拟软件，建立数值模拟计算模型。将模型视为二维问题来建立平面应变力学模型。在计算模型的过程中，对模型两侧施加水平方向的位移约束，限制其水平位移；底边则限制垂直及水平两个方向的位移。岩石力学参数假定符合Weibull分布，岩石破裂采用库仑—摩尔强度准则判断。岩层相变准则参数详见表2。

表2 相变准则控制参数

2.1 巷道支护数值模拟

2.1.1 模型设计

进行FLAC模拟时，计算模型设计为长40 m、高30 m的长方形，水平方向和垂直方向分别为80和60个单元；进行RFPA模拟时，计算模型设计为长30 m、高60 m的长方形，水平方向和垂直方向分别有60和120个单元，每个单元均代表实际煤岩层数值为0.5 m。支护方式详见图3。

图3 支护方式示意图

2.1.2 计算结果

2.1.2 .1 FLAC模拟计算结果

在锚索支护情况下，FLAC模拟计算结果如图4—图7所示。

图4 巷道垂直应力（Pa）等高线图

图7 巷道顶板下缘垂直位移图

由图4、图5可知，在锚索支护情况下的巷道顶板垂直应力符合一般巷道垂直应力的分布规律，并没出现异常。

图5 巷道顶板下缘垂直应力图

由图6、图7可知，顶板下沉以巷道中心线为轴对称。在锚索支护情况下，通过观察巷道垂直位移可看出，巷道外的下沉逐渐趋近于零，从5 m到巷道中心下沉量逐渐增大，但峰值很小。

图6 巷道垂直位移（m）等高线图

结合锚索支护特点分析可知：因为锚索的长度为7～8 m，所以锚索能够穿过软岩区而打到坚硬岩层中，在锚索的悬吊作用和横梁的托举作用下，使得软岩顶板和上方的坚硬岩层连为一体。由于主要受力对象是软岩上方的坚硬岩层，保证了上部岩层的稳定性，所以顶板在锚索支护下消除了下沉、断裂及离层的威胁，可以继续使用该支护。

2.1.2 .2 RFPA模拟计算结果

在锚索支护情况下，RFPA模拟计算结果如图8所示。

由图8中的声发射图可看出，声发射现象主要集中在巷道两侧，说明该处存在应力集中现象，而对巷道顶板下沉和破坏程度较小；另从主应力图也可看出，声发射在巷道上方顶板局部产生，集中度和大小都较小。

图8 联合支护情况下的巷道主应力图（左图）和声发射图（右图）

综上分析，在锚索支护条件下，顶板的下沉、断裂离层已经得到了很好的控制，巷道可以正常使用。

2.2 不规则煤柱的爆破卸压数值模拟

对切眼顺槽附近采空侧不规则煤柱进行爆破卸压数值模拟，模型计算简化如图9所示，模拟计算结果如图10所示。

图9 采空区侧煤柱卸压爆破后模型计算简化图

图10 采空区侧煤柱卸压爆破后煤体的主应力图（左图）及声发射图（右图）

由图10可知，随着加载步数的增加，声发射图应力集中现象由巷道边缘逐步向煤体内部转移。产生该现象的主要原因是，左侧采空区煤柱卸压爆破后，煤体酥软，煤柱上覆弹性能及应力集中现象得到有效释放，无处释放的变形能只能向实体煤采空区方向转移。由于采空区承担了上覆岩层的大部分压力，从而使应力贯通的整个煤柱得到解放，保证了巷道的稳定性，避免了煤体突出的危险。煤体的垂直应力曲线如图11所示。

由图11可知，距离巷道10 m范围内煤体的垂直应力较小，应力峰值主要集中在距离巷帮约15 m位置，再次印证了煤体爆破卸压后，应力逐步向煤体深部转移，最终转移到采空区内部，有效降低了巷道煤柱一侧煤体的突出危险性，对巷道起到了卸压作用。

图11 煤体的垂直应力曲线

2.3 开掘卸压巷的数值模拟

对顺槽位置采用上部巷道开掘卸压巷解压下部巷道的方式进行应力释放的数值模拟，模型计算简化图如图12所示，模拟计算结果如图13所示。

图12 开掘卸压巷后模型计算简化图

图13 开掘卸压巷后煤体的主应力图（左图）及声发射图（右图）

由图13可知，在上部巷道附近人为制造“缺陷体”作用下[3]，声发射现象主要集中在缺陷体附近，由此说明在卸压巷道煤帮位置，巷道之间煤柱上部的弹性能得到了有效释放，从而保护了下部巷道的安全。同时也间接说明，工作面顺槽采用小煤柱（3～5 m）沿空掘巷比采用大煤柱（20～25 m）更有利于工作面防冲。由声发射图可知，破碎的缺陷体对上覆岩层压力的传递起到了一定的阻止作用（实际上，压力并没有实现真正意义上的被阻止，而是由破碎的导硐体吸收了），下部巷道几乎没有应力集中和能量积聚现象发生，围岩体也没有出现大的变形和破坏，进一步证明了开掘卸压巷道确实能起到有效防止冲击危险的效果。

3 结论

1）在锚索支护条件下，顶板的下沉、断裂离层已经得到了很好的控制，巷道可正常使用。

2）采用爆破卸压技术后，有效降低了巷道煤柱一侧煤体的突出危险性，对巷道起到了卸压作用。

3）开掘卸压巷形成缺陷体能起到有效防止冲击危险的效果。