深部復雜構造區域沖擊地壓控制技術研究

黃賢鋒

（山東兗礦設計咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

趙各莊煤礦3137工作面為大采深、向斜構造分布形態，工作面主采12號煤，煤層厚度為8.5～11.2 m，平均厚9.7 m，屬特厚煤層。煤層傾角9°～32°，平均傾角為20°，屬傾斜煤層。因受礦井寬緩向斜影響，煤層走向變化大，煤層結構簡單，硬度系數為1.54。工作面布置如圖1所示。

圖1 趙各莊煤礦3137工作面布置圖

3137工作面老頂為粉砂巖，厚度為2.1～4.6 m，顏色呈深灰色，抗壓強度較大，平均可達51.3 MPa；直接頂為泥質黏土巖，厚度為0.49～2.67 m，呈黑色，半腐化狀態，抗壓強度達53.9 MPa；直接底為灰色粉砂巖，抗壓強度75.8 MPa，含有少量的黃鐵礦凝結核，煤層層位關系和具體巖性如圖2所示，頂底板情況如表1所示。

圖2 煤層柱狀圖

表1 煤層頂底板情況

2 數值模擬

以3137工作面實際工程地質情況為原型，采用FLAC、RFPA數值模擬軟件，建立數值模擬計算模型。將模型視為二維問題來建立平面應變力學模型。在計算模型的過程中，對模型兩側施加水平方向的位移約束，限制其水平位移；底邊則限制垂直及水平兩個方向的位移。巖石力學參數假定符合Weibull分布，巖石破裂采用庫侖—摩爾強度準則判斷。巖層相變準則參數詳見表2。

表2 相變準則控制參數

2.1 巷道支護數值模擬

2.1.1 模型設計

進行FLAC模擬時，計算模型設計為長40 m、高30 m的長方形，水平方向和垂直方向分別為80和60個單元；進行RFPA模擬時，計算模型設計為長30 m、高60 m的長方形，水平方向和垂直方向分別有60和120個單元，每個單元均代表實際煤巖層數值為0.5 m。支護方式詳見圖3。

圖3 支護方式示意圖

2.1.2 計算結果

2.1.2 .1 FLAC模擬計算結果

在錨索支護情況下，FLAC模擬計算結果如圖4—圖7所示。

圖4 巷道垂直應力（Pa）等高線圖

圖7 巷道頂板下緣垂直位移圖

由圖4、圖5可知，在錨索支護情況下的巷道頂板垂直應力符合一般巷道垂直應力的分布規律，并沒出現異常。

圖5 巷道頂板下緣垂直應力圖

由圖6、圖7可知，頂板下沉以巷道中心線為軸對稱。在錨索支護情況下，通過觀察巷道垂直位移可看出，巷道外的下沉逐漸趨近于零，從5 m到巷道中心下沉量逐漸增大，但峰值很小。

圖6 巷道垂直位移（m）等高線圖

結合錨索支護特點分析可知：因為錨索的長度為7～8 m，所以錨索能夠穿過軟巖區而打到堅硬巖層中，在錨索的懸吊作用和橫梁的托舉作用下，使得軟巖頂板和上方的堅硬巖層連為一體。由于主要受力對象是軟巖上方的堅硬巖層，保證了上部巖層的穩定性，所以頂板在錨索支護下消除了下沉、斷裂及離層的威脅，可以繼續使用該支護。

2.1.2 .2 RFPA模擬計算結果

在錨索支護情況下，RFPA模擬計算結果如圖8所示。

由圖8中的聲發射圖可看出，聲發射現象主要集中在巷道兩側，說明該處存在應力集中現象，而對巷道頂板下沉和破壞程度較小；另從主應力圖也可看出，聲發射在巷道上方頂板局部產生，集中度和大小都較小。

圖8 聯合支護情況下的巷道主應力圖（左圖）和聲發射圖（右圖）

綜上分析，在錨索支護條件下，頂板的下沉、斷裂離層已經得到了很好的控制，巷道可以正常使用。

2.2 不規則煤柱的爆破卸壓數值模擬

對切眼順槽附近采空側不規則煤柱進行爆破卸壓數值模擬，模型計算簡化如圖9所示，模擬計算結果如圖10所示。

圖9 采空區側煤柱卸壓爆破后模型計算簡化圖

圖10 采空區側煤柱卸壓爆破后煤體的主應力圖（左圖）及聲發射圖（右圖）

由圖10可知，隨著加載步數的增加，聲發射圖應力集中現象由巷道邊緣逐步向煤體內部轉移。產生該現象的主要原因是，左側采空區煤柱卸壓爆破后，煤體酥軟，煤柱上覆彈性能及應力集中現象得到有效釋放，無處釋放的變形能只能向實體煤采空區方向轉移。由于采空區承擔了上覆巖層的大部分壓力，從而使應力貫通的整個煤柱得到解放，保證了巷道的穩定性，避免了煤體突出的危險。煤體的垂直應力曲線如圖11所示。

由圖11可知，距離巷道10 m范圍內煤體的垂直應力較小，應力峰值主要集中在距離巷幫約15 m位置，再次印證了煤體爆破卸壓后，應力逐步向煤體深部轉移，最終轉移到采空區內部，有效降低了巷道煤柱一側煤體的突出危險性，對巷道起到了卸壓作用。

圖11 煤體的垂直應力曲線

2.3 開掘卸壓巷的數值模擬

對順槽位置采用上部巷道開掘卸壓巷解壓下部巷道的方式進行應力釋放的數值模擬，模型計算簡化圖如圖12所示，模擬計算結果如圖13所示。

圖12 開掘卸壓巷后模型計算簡化圖

圖13 開掘卸壓巷后煤體的主應力圖（左圖）及聲發射圖（右圖）

由圖13可知，在上部巷道附近人為制造“缺陷體”作用下[3]，聲發射現象主要集中在缺陷體附近，由此說明在卸壓巷道煤幫位置，巷道之間煤柱上部的彈性能得到了有效釋放，從而保護了下部巷道的安全。同時也間接說明，工作面順槽采用小煤柱（3～5 m）沿空掘巷比采用大煤柱（20～25 m）更有利于工作面防沖。由聲發射圖可知，破碎的缺陷體對上覆巖層壓力的傳遞起到了一定的阻止作用（實際上，壓力并沒有實現真正意義上的被阻止，而是由破碎的導硐體吸收了），下部巷道幾乎沒有應力集中和能量積聚現象發生，圍巖體也沒有出現大的變形和破壞，進一步證明了開掘卸壓巷道確實能起到有效防止沖擊危險的效果。

3 結論

1）在錨索支護條件下，頂板的下沉、斷裂離層已經得到了很好的控制，巷道可正常使用。

2）采用爆破卸壓技術后，有效降低了巷道煤柱一側煤體的突出危險性，對巷道起到了卸壓作用。

3）開掘卸壓巷形成缺陷體能起到有效防止沖擊危險的效果。