深部構(gòu)造區(qū)沖擊地壓巷道合理掘進錯距研究

史慶穩(wěn) 尹中凱 夏永學 王書文 佟 波

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.山東新巨龍能源有限責任公司，山東省菏澤市，274900)

在現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，為加快施工進度，往往采取兩條或多條巷道同時進行開拓以及相鄰巷道掘進的方式進行開掘。在此類開掘過程中，兩條巷道之間會產(chǎn)生一定程度的相對擾動，尤其是掘進工作面之間的影響，保持兩條巷道掘進工作面的合理開挖錯距，可以有效地降低或避免兩條巷道掘進工作面之間的不利影響，從而能夠保證巷道的地質(zhì)穩(wěn)定性從而避免各自的應力集中區(qū)出現(xiàn)過度疊加。對于沖擊地壓礦井，研究該合理錯距對防治掘進巷道沖擊地壓具有極其重大的意義。

研究表明，不同的巷道布置形式將會導致掘進工作面最大主應力呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律：當巷道軸向平行于最大水平主應力方向時，主應力對稱分布隨著夾角增大主應力分布變得不對稱。掘進工作面附近應力分布的不對稱性會使得不同地質(zhì)條件下的同掘工作面的安全錯距有所不同。在礦井實際生產(chǎn)過程中，應根據(jù)礦井的地應力環(huán)境和巷道設計斷面等條件研究確定適應于具體地質(zhì)、生產(chǎn)條件的合理掘進錯距。基于此，本文針對某深部礦井工作面平行掘進誘發(fā)沖擊地壓的現(xiàn)象，對深部構(gòu)造區(qū)掘進巷道的合理錯距進行模擬分析及微震監(jiān)測研究。

1 工程背景

該礦主采煤層經(jīng)鑒定具有強沖擊傾向性，礦井開拓大巷共布置有5條巷道，均為全煤巷道。煤層厚度約25 m，埋深650～680 m，巷道斷面設計為寬度5.5 m、直墻高度1.8 m的直墻拱形。礦井基建期間掘進工作面數(shù)量多達9個，兩掘進工作面平行掘進的情形多次出現(xiàn)。2015年7月，中央膠帶大巷和中央一號輔運大巷均在斷層、褶曲附近的深部構(gòu)造區(qū)掘進，兩巷煤柱寬度為35 m，一前一后平行掘進，如圖1所示。

圖1 中央膠帶大巷與中央一號輔運大巷平行掘進示意圖

2 深部無構(gòu)造區(qū)掘進工作面合理錯距的數(shù)值模擬分析

為考察不同條件下掘進工作面的合理錯距，采用FLAC3D有限差分軟件對掘進工作面不同錯距時的應力分布規(guī)律進行數(shù)值計算分析。

計算模型各物理力學參數(shù)均參考煤巖體實驗室結(jié)果和地應力實測結(jié)果進行賦值，模型中水平應力設置為垂直應力的1.5倍，方向垂直于中央一號輔運大巷。模擬巷道埋深為670 m，模型采用的各物理力學參數(shù)見表1。

表1 模型巖性參數(shù)

計算模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型側(cè)面邊界限制水平移動，底面邊界限制垂直移動，頂部施加覆巖的自重應力。模型尺寸為120 m×50 m×65 m(長×寬×高)，采用不等分劃分，巷道淺部圍巖網(wǎng)格加密，整個模型共劃分為443772個計算單元。

2.1 單巷掘進巷道圍巖應力分布特征

在此次模擬中，在模型中間開挖一條掘進巷道，開挖長度50 m，然后計算分析巷道掘進工作面圍巖附近的垂直應力、水平應力和塑性破壞區(qū)分布特征。掘進工作面前后頂板(頂板表面1 m位置)應力變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，由于巷道開挖導致工作面前方頂板出現(xiàn)應力集中，沿著垂直于巷道軸向的水平應力最為明顯，這是由于該礦最大主應力方向基本呈現(xiàn)為南北方向，與大巷和工作面回采巷道基本垂直。具體來看，頂板水平應力在超前工作面10 m內(nèi)變化明顯，并在3 m左右達到最大值，之后逐漸減小。在工作面位置，水平應力降低到原巖應力的11%，在掘進工作面的后方，頂板中垂直于巷道軸向的水平應力變得很小，而沿巷道軸向的水平應力則幾乎消失。對于頂板中的垂直應力，在超前工作面3 m內(nèi)為該應力的降低區(qū)，3～10 m為其升高區(qū)，隨后逐漸至原巖應力水平。在工作面位置，垂直應力降低到原巖應力的9%。工作面后方1 m，垂直應力幾乎為0。

由此可見，在掘進工作面前方一定范圍內(nèi)，圍巖應力開始發(fā)生變化，在工作面附近應力分布變化劇烈，而且與礦井最大水平主應力方向一致的應力變化最為明顯。在掘進工作面后方一定距離外，圍巖應力分布趨于穩(wěn)定，接近于不受任何擾動的巷道圍巖應力分布。

圖2 掘進工作面前、后頂板應力變化曲線

2.2 深部無構(gòu)造區(qū)掘進工作面錯距對圍巖應力分布的影響

依據(jù)巷道工程條件，針對兩巷道相距35 m情況下，對巷道掘進工作面周邊區(qū)域的位移、應力、塑性區(qū)等開展數(shù)值模擬計算分析，巷道尺寸及位置見圖3。在模擬過程中，先開挖巷道A，后開挖巷道B，先將巷道A開挖至150 m處，再開始分步開挖巷道B。

圖3 巷道尺寸及監(jiān)測點位置示意圖

兩條巷道掘進工作面錯距-50 m時巷道圍巖最大主應力分布云圖如圖4所示。由圖4可知，掘進錯距-50 m時，兩巷道掘進工作面之間逐漸形成應力等值線，說明此時巷道B的掘進對已完成掘進的巷道A的圍巖應力分布開始產(chǎn)生明顯的影響，應力集中區(qū)域主要在開挖巷道掘進工作面前方。

兩條巷道掘進工作面齊平時巷道圍巖最大主應力分布云圖如圖5所示。由圖5可知，兩巷道掘進工作面之間區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力分布產(chǎn)生相互影響，且高應力分布區(qū)域范圍比較大，最高應力值卻與獨頭掘進時巷道掘進迎頭處應力集中區(qū)域應力值基本持平，說明該礦條件下巷道平行掘進對巷道圍巖應力分布的影響主要體現(xiàn)在擴大了高應力區(qū)的范圍。

圖4 錯距為-50 m時最大主應力分布云圖

圖5 錯距為0 m時最大主應力分布云圖

兩條巷道掘進工作面錯距50 m時巷道圍巖最大主應力分布云圖如圖6所示。由圖6可知，掘進錯距為50 m時，巷道B對巷道A的掘進工作面處應力分布還是有持續(xù)影響。隨著巷道B的繼續(xù)開挖，巷道B對巷道A的應力場分布影響逐漸減弱。

圖6 錯距為50 m時最大主應力分布云圖

綜合分析可知，在該礦無構(gòu)造區(qū)域，當兩條巷道平行掘進時掘進錯距保持在50 m以上時，相對影響可以忽略不計，但是錯距在50 m范圍以內(nèi)對兩巷道的應力分布會有非常顯著的影響。

3 深部構(gòu)造區(qū)內(nèi)雙巷掘進合理錯距的微震監(jiān)測分析

對該礦2015年6-8月中央膠帶大巷和中央一號輔運大巷在斷層、褶曲范圍內(nèi)掘進錯距不斷減小直至發(fā)生沖擊地壓的過程進行微震監(jiān)測和分析。

微震是巖體破裂的萌生、發(fā)展、貫通等失穩(wěn)過程的動力現(xiàn)象。微震監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測記錄全礦范圍微震事件，可作為一種區(qū)域性監(jiān)測手段。系統(tǒng)自動記錄微震活動，人工進行震源定位、微震能量計算，為全礦范圍內(nèi)沖擊地壓危險評價提供依據(jù)。在兩巷掘進錯距由380 m逐漸減小到96 m的過程中，兩個掘進工作面擾動區(qū)域的微震事件能量、頻次演化曲線如圖7所示。

由圖7可知，圖中自右往左即兩巷逐漸逼近的過程中擾動區(qū)內(nèi)的微震能量頻次變化整體可分為3個階段：高頻低能階段(兩巷距離250～380 m)、高能低頻階段(兩巷距離110～250 m)以及沖擊孕育階段(96～110 m)。

高頻低能階段如圖7中綠色區(qū)域所示。在中央膠帶大巷和中央一號輔運大巷掘進工作面相距250～380 m時，兩掘進工作面擾動區(qū)日微震頻次處于高位，基本在40～110次/d，日震動能量則普遍較低，約在5×104J/d以下。根據(jù)微震事件能量頻次與沖擊危險性的對應關(guān)系可知，該階段煤巖層中彈性能以小能量事件的形式進行緩和的釋放且釋放程度較為充分，巷道圍巖沖擊危險性較低。

高能低頻階段如圖7中黃色區(qū)域所示。隨著中央一號輔運大巷的繼續(xù)推進，中央膠帶大巷和中央一號輔運大巷掘進工作面距離110～250 m時，兩巷掘進擾動區(qū)內(nèi)日震動能量大幅上升，約為1×105～5×105J，而日震動頻次卻下降至20～50次/d，且微震事件的空間分布維度降低。由此可見，當兩巷掘進工作面距離小于250 m后，兩巷掘進擾動區(qū)內(nèi)煤巖體積聚了大量集中靜載荷卻不能得到有效釋放，圍巖活動烈度開始加強，載荷以更為高能、快速、集中的方式進行釋放，誘發(fā)沖擊地壓的危險上升。

沖擊孕育階段如圖7中紅色區(qū)域所示。兩巷掘進工作面距離小于110 m后，兩巷掘進擾動區(qū)日微震能量突然上升且日震動頻次也大量增加，日震動頻次約為30～100次/d之間。在距離為108 m時日震動能量達到了1.2×106J的高峰，日震動頻次為73次，沖擊地壓開始在擾動區(qū)煤巖體中逐漸孕育發(fā)展，期間中央膠帶大巷迎頭后方50～150 m內(nèi)層發(fā)生大能量微震事件致使巷道漿皮脫落、巷幫存放物料震倒等的動力顯現(xiàn)。2015年8月31日凌晨4點31分，兩巷掘進工作面相距96 m，中央一號輔運大巷后方約30 m處發(fā)生劇烈顯現(xiàn)，現(xiàn)場木托盤被壓裂，漿皮大量脫落并有金屬網(wǎng)被撕裂噴出部分煤體，巷幫出現(xiàn)寬度達80～150 mm的裂縫。微震監(jiān)測顯示，此次顯現(xiàn)震動能量為1.2×106J，震源位于中央一號輔運大巷的右?guī)停瑳_擊當天兩巷掘進擾動區(qū)微震事件分布如圖8所示。

根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果可知，在構(gòu)造影響區(qū)，當平行巷道的掘進工作面相距250 m以上可保證兩掘進工作面互不擾動，兩工作面距離在250 m以內(nèi)各自的擾動區(qū)開始疊加，沖擊危險性將隨著錯距的減小而快速增加，而當兩工作面距離小于110 m后則隨時可能發(fā)生沖擊。在構(gòu)造區(qū)平行掘進時，為保證巷道的安全，應使掘進錯距不低于250 m。

圖8 8月31日兩掘進工作面相距160 m時擾動區(qū)日微震事件分布圖

4 結(jié)論

(1)利用FLAC3D模擬分析了在深部煤層中掘進工作面圍巖的應力分布規(guī)律，在掘進工作面及其前方一定距離圍巖應力分布變化明顯，且與礦井最大水平主應力方向一致的應力變化最為明顯，在掘進工作面后方圍巖應力分布則相對穩(wěn)定。

(2)數(shù)值計算結(jié)果表明，在無構(gòu)造區(qū)域兩條巷道平行掘進時掘進錯距小于在50 m時兩巷道圍巖的應力集中、塑性破壞、巷幫位移程度具有顯著的增加。

(3)利用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測分析了深部構(gòu)造區(qū)雙巷掘進不同錯距的微震活動規(guī)律，并將兩巷錯距減小過程中擾動區(qū)微震能量頻次變化變化過程分為高頻低能、高能低頻、沖擊孕育3個階段，并得出在深部構(gòu)造區(qū)內(nèi)兩巷掘進錯距不低于250 m。