深部構(gòu)造區(qū)沖擊地壓巷道合理掘進(jìn)錯(cuò)距研究

史慶穩(wěn) 尹中凱 夏永學(xué) 王書(shū)文 佟 波

(1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東省菏澤市，274900)

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為加快施工進(jìn)度，往往采取兩條或多條巷道同時(shí)進(jìn)行開(kāi)拓以及相鄰巷道掘進(jìn)的方式進(jìn)行開(kāi)掘。在此類開(kāi)掘過(guò)程中，兩條巷道之間會(huì)產(chǎn)生一定程度的相對(duì)擾動(dòng)，尤其是掘進(jìn)工作面之間的影響，保持兩條巷道掘進(jìn)工作面的合理開(kāi)挖錯(cuò)距，可以有效地降低或避免兩條巷道掘進(jìn)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(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)過(guò)度疊加。對(duì)于沖擊地壓礦井，研究該合理錯(cuò)距對(duì)防治掘進(jìn)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(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)工作面最大主應(yīng)力呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律：當(dāng)巷道軸向平行于最大水平主應(yīng)力方向時(shí)，主應(yīng)力對(duì)稱分布隨著夾角增大主應(yīng)力分布變得不對(duì)稱。掘進(jìn)工作面附近應(yīng)力分布的不對(duì)稱性會(huì)使得不同地質(zhì)條件下的同掘工作面的安全錯(cuò)距有所不同。在礦井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)礦井的地應(yīng)力環(huán)境和巷道設(shè)計(jì)斷面等條件研究確定適應(yīng)于具體地質(zhì)、生產(chǎn)條件的合理掘進(jìn)錯(cuò)距。基于此，本文針對(duì)某深部礦井工作面平行掘進(jìn)誘發(fā)沖擊地壓的現(xiàn)象，對(duì)深部構(gòu)造區(qū)掘進(jìn)巷道的合理錯(cuò)距進(jìn)行模擬分析及微震監(jiān)測(cè)研究。

1 工程背景

該礦主采煤層經(jīng)鑒定具有強(qiáng)沖擊傾向性，礦井開(kāi)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(shè)計(jì)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(jìn)工作面數(shù)量多達(dá)9個(gè)，兩掘進(jìn)工作面平行掘進(jìn)的情形多次出現(xiàn)。2015年7月，中央膠帶大巷和中央一號(hào)輔運(yùn)大巷均在斷層、褶曲附近的深部構(gòu)造區(qū)掘進(jìn)，兩巷煤柱寬度為35 m，一前一后平行掘進(jìn)，如圖1所示。

圖1 中央膠帶大巷與中央一號(hào)輔運(yùn)大巷平行掘進(jìn)示意圖

2 深部無(wú)構(gòu)造區(qū)掘進(jìn)工作面合理錯(cuò)距的數(shù)值模擬分析

為考察不同條件下掘進(jìn)工作面的合理錯(cuò)距，采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)掘進(jìn)工作面不同錯(cuò)距時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

計(jì)算模型各物理力學(xué)參數(shù)均參考煤巖體實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行賦值，模型中水平應(yīng)力設(shè)置為垂直應(yīng)力的1.5倍，方向垂直于中央一號(hào)輔運(yùn)大巷。模擬巷道埋深為670 m，模型采用的各物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型巖性參數(shù)

計(jì)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(dòng)，底面邊界限制垂直移動(dòng)，頂部施加覆巖的自重應(yīng)力。模型尺寸為120 m×50 m×65 m(長(zhǎng)×寬×高)，采用不等分劃分，巷道淺部圍巖網(wǎng)格加密，整個(gè)模型共劃分為443772個(gè)計(jì)算單元。

2.1 單巷掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力分布特征

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

由圖2可以看出，由于巷道開(kāi)挖導(dǎo)致工作面前方頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中，沿著垂直于巷道軸向的水平應(yīng)力最為明顯，這是由于該礦最大主應(yīng)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(lái)看，頂板水平應(yīng)力在超前工作面10 m內(nèi)變化明顯，并在3 m左右達(dá)到最大值，之后逐漸減小。在工作面位置，水平應(yīng)力降低到原巖應(yīng)力的11%，在掘進(jìn)工作面的后方，頂板中垂直于巷道軸向的水平應(yīng)力變得很小，而沿巷道軸向的水平應(yīng)力則幾乎消失。對(duì)于頂板中的垂直應(yīng)力，在超前工作面3 m內(nèi)為該應(yīng)力的降低區(qū)，3～10 m為其升高區(qū)，隨后逐漸至原巖應(yīng)力水平。在工作面位置，垂直應(yīng)力降低到原巖應(yīng)力的9%。工作面后方1 m，垂直應(yīng)力幾乎為0。

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

圖2 掘進(jìn)工作面前、后頂板應(yīng)力變化曲線

2.2 深部無(wú)構(gòu)造區(qū)掘進(jìn)工作面錯(cuò)距對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響

依據(jù)巷道工程條件，針對(duì)兩巷道相距35 m情況下，對(duì)巷道掘進(jìn)工作面周邊區(qū)域的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算分析，巷道尺寸及位置見(jiàn)圖3。在模擬過(guò)程中，先開(kāi)挖巷道A，后開(kāi)挖巷道B，先將巷道A開(kāi)挖至150 m處，再開(kāi)始分步開(kāi)挖巷道B。

圖3 巷道尺寸及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

兩條巷道掘進(jìn)工作面錯(cuò)距-50 m時(shí)巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由圖4可知，掘進(jìn)錯(cuò)距-50 m時(shí)，兩巷道掘進(jìn)工作面之間逐漸形成應(yīng)力等值線，說(shuō)明此時(shí)巷道B的掘進(jìn)對(duì)已完成掘進(jìn)的巷道A的圍巖應(yīng)力分布開(kāi)始產(chǎn)生明顯的影響，應(yīng)力集中區(qū)域主要在開(kāi)挖巷道掘進(jìn)工作面前方。

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

圖4 錯(cuò)距為-50 m時(shí)最大主應(yīng)力分布云圖

圖5 錯(cuò)距為0 m時(shí)最大主應(yīng)力分布云圖

兩條巷道掘進(jìn)工作面錯(cuò)距50 m時(shí)巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖如圖6所示。由圖6可知，掘進(jìn)錯(cuò)距為50 m時(shí)，巷道B對(duì)巷道A的掘進(jìn)工作面處應(yīng)力分布還是有持續(xù)影響。隨著巷道B的繼續(xù)開(kāi)挖，巷道B對(duì)巷道A的應(yīng)力場(chǎng)分布影響逐漸減弱。

圖6 錯(cuò)距為50 m時(shí)最大主應(yīng)力分布云圖

綜合分析可知，在該礦無(wú)構(gòu)造區(qū)域，當(dāng)兩條巷道平行掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)錯(cuò)距保持在50 m以上時(shí)，相對(duì)影響可以忽略不計(jì)，但是錯(cuò)距在50 m范圍以內(nèi)對(duì)兩巷道的應(yīng)力分布會(huì)有非常顯著的影響。

3 深部構(gòu)造區(qū)內(nèi)雙巷掘進(jìn)合理錯(cuò)距的微震監(jiān)測(cè)分析

對(duì)該礦2015年6-8月中央膠帶大巷和中央一號(hào)輔運(yùn)大巷在斷層、褶曲范圍內(nèi)掘進(jìn)錯(cuò)距不斷減小直至發(fā)生沖擊地壓的過(guò)程進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)和分析。

微震是巖體破裂的萌生、發(fā)展、貫通等失穩(wěn)過(guò)程的動(dòng)力現(xiàn)象。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄全礦范圍微震事件，可作為一種區(qū)域性監(jiān)測(cè)手段。系統(tǒng)自動(dòng)記錄微震活動(dòng)，人工進(jìn)行震源定位、微震能量計(jì)算，為全礦范圍內(nèi)沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。在兩巷掘進(jìn)錯(cuò)距由380 m逐漸減小到96 m的過(guò)程中，兩個(gè)掘進(jìn)工作面擾動(dòng)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(guò)程中擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的微震能量頻次變化整體可分為3個(gè)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(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面相距250～380 m時(shí)，兩掘進(jìn)工作面擾動(dòng)區(qū)日微震頻次處于高位，基本在40～110次/d，日震動(dòng)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(xiǎn)性的對(duì)應(yīng)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(jìn)行緩和的釋放且釋放程度較為充分，巷道圍巖沖擊危險(xiǎn)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(hào)輔運(yùn)大巷的繼續(xù)推進(jìn)，中央膠帶大巷和中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面距離110～250 m時(shí)，兩巷掘進(jìn)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)日震動(dòng)能量大幅上升，約為1×105～5×105J，而日震動(dòng)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(jiàn)，當(dāng)兩巷掘進(jìn)工作面距離小于250 m后，兩巷掘進(jìn)擾動(dòng)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(dòng)烈度開(kāi)始加強(qiáng)，載荷以更為高能、快速、集中的方式進(jìn)行釋放，誘發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)上升。

沖擊孕育階段如圖7中紅色區(qū)域所示。兩巷掘進(jìn)工作面距離小于110 m后，兩巷掘進(jìn)擾動(dòng)區(qū)日微震能量突然上升且日震動(dòng)頻次也大量增加，日震動(dòng)頻次約為30～100次/d之間。在距離為108 m時(shí)日震動(dòng)能量達(dá)到了1.2×106J的高峰，日震動(dòng)頻次為73次，沖擊地壓開(kāi)始在擾動(dòng)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(dòng)力顯現(xiàn)。2015年8月31日凌晨4點(diǎn)31分，兩巷掘進(jìn)工作面相距96 m，中央一號(hào)輔運(yùn)大巷后方約30 m處發(fā)生劇烈顯現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)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(dá)80～150 mm的裂縫。微震監(jiān)測(cè)顯示，此次顯現(xiàn)震動(dòng)能量為1.2×106J，震源位于中央一號(hào)輔運(yùn)大巷的右?guī)?，沖擊當(dāng)天兩巷掘進(jìn)擾動(dòng)區(qū)微震事件分布如圖8所示。

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在構(gòu)造影響區(qū)，當(dāng)平行巷道的掘進(jìn)工作面相距250 m以上可保證兩掘進(jìn)工作面互不擾動(dòng)，兩工作面距離在250 m以內(nèi)各自的擾動(dòng)區(qū)開(kāi)始疊加，沖擊危險(xiǎn)性將隨著錯(cuò)距的減小而快速增加，而當(dāng)兩工作面距離小于110 m后則隨時(shí)可能發(fā)生沖擊。在構(gòu)造區(qū)平行掘進(jìn)時(shí)，為保證巷道的安全，應(yīng)使掘進(jìn)錯(cuò)距不低于250 m。

圖8 8月31日兩掘進(jìn)工作面相距160 m時(shí)擾動(dòng)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(jìn)工作面圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，在掘進(jìn)工作面及其前方一定距離圍巖應(yīng)力分布變化明顯，且與礦井最大水平主應(yīng)力方向一致的應(yīng)力變化最為明顯，在掘進(jìn)工作面后方圍巖應(yīng)力分布則相對(duì)穩(wěn)定。

(2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在無(wú)構(gòu)造區(qū)域兩條巷道平行掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)錯(cuò)距小于在50 m時(shí)兩巷道圍巖的應(yīng)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(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析了深部構(gòu)造區(qū)雙巷掘進(jìn)不同錯(cuò)距的微震活動(dòng)規(guī)律，并將兩巷錯(cuò)距減小過(guò)程中擾動(dòng)區(qū)微震能量頻次變化變化過(guò)程分為高頻低能、高能低頻、沖擊孕育3個(gè)階段，并得出在深部構(gòu)造區(qū)內(nèi)兩巷掘進(jìn)錯(cuò)距不低于250 m。