特厚煤層中掘進巷道過聯(lián)絡巷期間巷道圍巖活動規(guī)律研究*
史慶穩(wěn)
（煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013）
摘要針對陜西某礦掘進巷道過聯(lián)絡巷期間發(fā)生的礦壓異�，F(xiàn)象，基于現(xiàn)場異常礦壓觀測情況，利用FLAC3D有限差分軟件對特厚煤層中掘進巷道穿聯(lián)絡巷過程中不同時期巷道圍巖應力分布演化特征進行了數(shù)值計算分析，并結(jié)合SOS微震監(jiān)測結(jié)果對巷道圍巖微震活動過程進行了研究。結(jié)果表明，在特厚煤層中掘進巷道穿聯(lián)絡巷過程中穿聯(lián)絡巷的巷道圍 巖沖擊危險性呈現(xiàn)“升高一降低一升高一降低”的演化規(guī)律，并據(jù)此將巷道圍巖應力分布演化過程近似劃分為5個具有不同應力特點的階段。
關鍵詞 特厚煤層掘進巷道聯(lián)絡巷 沖擊危險性數(shù)值計算微震監(jiān)測
中圖分類號 TD353
陜西某礦井在開拓過程中，迫于礦井復雜的地質(zhì)條件不可避免地在平行巷道間布置了諸多聯(lián)絡巷用于通風、運料、行人等，因而在礦井的掘進或生產(chǎn)過程中過聯(lián)絡巷成為礦井的常態(tài)。根據(jù)礦山壓力理論，巷道開挖完成后將在巷道的兩側(cè)形成一定寬度的側(cè)向支承壓力分布區(qū)和小范圍的巷道卸壓區(qū)，從而使得聯(lián)絡巷圍巖應力分布趨于復雜，而巷道交叉處圍巖應力高度集中進一步導致局部靜載荷水平升高．過薄的底板煤層導致底板抗沖能力較弱，掘進工作面的施工也會對巷道圍巖產(chǎn)生持續(xù)的動力擾動，這些不利因素的累加將使該礦井的聯(lián)絡巷巷道圍巖沖擊危險性大為增加，故而掌握掘進巷道過聯(lián)巷時圍巖活動規(guī)律對于防治沖擊地壓、保障礦井安全生產(chǎn)具有重大意義�；诖耍疚尼槍υ摰V中央一號輔運大巷過4#聯(lián)絡巷期間的礦壓異�，F(xiàn)象，對特厚煤層中掘進巷道過聯(lián)絡巷期間的圍巖活動規(guī)律進行模擬分析及微震監(jiān)測研究。
1 工程背景
陜西某礦主采煤層經(jīng)鑒定具有強沖擊傾向性，礦井開拓大巷共布置5條巷道，均為全煤巷道。在中央帶式輸送機大巷和中央一號回風大巷約1380m處、兩大巷之間設置有4#聯(lián)絡巷，該聯(lián)絡巷處煤層厚度約為25 m，埋深650～680 m，斷面設計為與大巷斷面相同的直墻拱形，巷寬5.5 m，直墻高度1.8 m。2015年7月，中央一號輔運大巷按計劃掘進至4#聯(lián)絡巷附近，根據(jù)礦井實測資料，中央一號輔運大巷與4#聯(lián)絡巷交叉處僅留有不足4m的間隔煤柱，如圖1所示。
2 過巷期間圍巖應力演化數(shù)值模擬分析
為考察中央一號輔運大巷穿4#聯(lián)絡巷期間巷道圍巖應力分布演化規(guī)律，采用FLAC3D有限差分軟件對中央一號輔運大巷掘進過程中不同時期巷道圍巖應力分布特征進行數(shù)值計算分析。
2.1 計算模型
為使模擬結(jié)果貼合現(xiàn)場實際情況，計算模型各物理力學參數(shù)均參考煤巖體實驗室試驗結(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，由于模擬分析的對象為巷道不同空間關系對巷道圍巖應力分布的影響，故可將巷道支護及巷道斷面形狀視為次要條件，在模型中不對巷道做支護處理并將巷道取為矩形，巷寬6m，巷高5m。模型采用的各物理力學參數(shù)見表1。
計算模型采用摩爾一庫倫( Mohr- Coulomb)本構模型，模型側(cè)面邊界限制水平移動，底面邊界限制垂直移動；模型尺寸為120m×50m×65m（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。
2.2模擬方案
模擬將貫穿掘進工作面靠近4#聯(lián)絡巷并從其底板煤層穿過的全過程，著重分析中央一號輔運大巷掘進工作面圍巖及4#聯(lián)絡巷圍巖垂直應力的演化規(guī)律及其對圍巖沖擊危險性的影響。在計算模型中，先模擬恢復大巷圍巖初始地應力狀態(tài)，然后依次進行開挖，實現(xiàn)當中央一號輔運大巷掘進工作面距離4#聯(lián)絡巷55m、50m等不同距離并最終逐漸穿過、遠離4#聯(lián)絡巷（以下簡稱聯(lián)巷）時巷道圍巖應力分布狀態(tài)。
2.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析
中央一號輔運大巷穿聯(lián)巷的模擬計算過程中，巷道圍巖應力分布各階段呈現(xiàn)出不同的特點，根據(jù)這些特點可近似將該過程劃分為5個階段：東側(cè)無聯(lián)巷影響階段、聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段、聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段、聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段、西側(cè)無聯(lián)巷影響階段。
2.3.1 東側(cè)無聯(lián)巷影響階段
數(shù)值計算結(jié)果顯示，當中央一號輔運大巷距離4#聯(lián)巷55m時，兩條巷道支承壓力區(qū)尚未疊加，兩巷之間存在一定范圍的原巖應力區(qū)，此時即為東側(cè)無聯(lián)巷影響階段，該階段中央一號輔運大巷掘進工作面前方最大應力集中系數(shù)約為1. 22。此外，聯(lián)巷的開挖導致聯(lián)巷底板出現(xiàn)了以聯(lián)絡巷為對稱軸的卸壓區(qū)域。
2.3.2 聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段
當中央一號輔運大巷繼續(xù)掘進時，掘進工作面超前支承壓力區(qū)隨之前移，并逐漸與4#聯(lián)絡巷東側(cè)側(cè)向支承壓力區(qū)疊加，該過程稱為聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段。根據(jù)計算結(jié)果，當中央一號輔運大巷與4#聯(lián)絡巷距離小于約50m后，由于支承壓力作用區(qū)相互疊加，兩巷間的原巖應力區(qū)消失，掘進工作面前方支承壓力峰值隨之上升導致該范圍內(nèi)沖擊危險性大幅上升。
2.3.3 聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段
4#聯(lián)絡巷開挖完成后，將在巷道底板一定深度內(nèi)形成塑性區(qū)，由于塑性區(qū)煤體承載力微弱，當掘進工作面前方支承壓力作用到該塑性區(qū)范圍內(nèi)時必然會導致支承壓力向塑性區(qū)外轉(zhuǎn)移從而使掘進工作面前方區(qū)域得到大幅度的卸壓，該階段即為聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段。
對該階段巷道圍巖垂直應力演化過程進行分析后發(fā)現(xiàn)，在該礦地質(zhì)條件下，當中央一號輔運大巷與4#聯(lián)絡巷距離小于10～15 m后，輔運大巷掘進工作面超前支承壓力迅速降低；而當輔運大巷掘進工作面推進至4#聯(lián)絡巷東側(cè)邊緣的正下方時掘進工作面超前支承壓力作用區(qū)完全位于4#聯(lián)絡巷卸壓區(qū)的作用范圍內(nèi)，輔運大巷超前支承壓力受到更大程度的疏散；隨著掘進工作面的持續(xù)推進，輔運大巷超前支承壓力區(qū)部分地離開4#聯(lián)絡巷卸壓區(qū)，掘進工作面超前支承壓力區(qū)再次顯現(xiàn)，其超前支承壓力區(qū)最大應力集中系數(shù)約為1. 09，依然處于較低的水平；當輔運大巷推進至超前4#聯(lián)絡巷約5 m的位置時掘進工作面已基本離開4#聯(lián)巷卸壓區(qū)，其超前支承壓力區(qū)最大應力集中系數(shù)約為1. 28，接近無聯(lián)巷影響時的應力集中水平�？梢娐�(lián)巷卸壓區(qū)作用階段輔運大巷掘進工作面超前支承壓力大小近似以4#聯(lián)絡巷為對稱軸呈現(xiàn)出對稱變化的過程，先減小直至支承壓力形態(tài)完全消失，然后再逐漸增大直至恢復到無聯(lián)巷影響時的應力集中水平。數(shù)值計算還發(fā)現(xiàn)，輔運大巷開完后在巷道頂板煤層形成了明顯的卸壓區(qū)，導致上方的聯(lián)絡巷區(qū)域發(fā)生沖擊地壓的可能性大大降低。
2.3.4 聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段
當中央一號輔運大巷穿過4#聯(lián)絡巷卸壓區(qū)后將進入聯(lián)巷西側(cè)的側(cè)向支承壓力作用區(qū)，從而在聯(lián)巷西側(cè)再次形成應力集中區(qū)域，即為聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段。
根據(jù)計算結(jié)果，當中央一號輔運大巷掘至超前4#聯(lián)絡巷5～10m時，掘進工作面前方支承壓力峰值迅速上升并在兩巷相距10m時達到25.2MPa的極值。此后，隨著輔運大巷漸漸掘離聯(lián)絡巷，掘進工作面前方支承壓力即開始緩慢回落。
兩巷距離大于20～25m后，中央一號輔運大巷掘進工作面超前支承壓力已漸漸穩(wěn)定在22～2MPa，掘進工作面逐漸進入聯(lián)絡巷西側(cè)的原巖應力區(qū)，即為西側(cè)無聯(lián)巷影響階段。
3 過巷期間微震活動特征分析
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)測法就是采用微震網(wǎng)絡進行實時監(jiān)測，通過提供震源位置和發(fā)生時間來確定微震事件，并計算釋放的能量，進而統(tǒng)計微震活動的強弱和頻率最終實現(xiàn)沖擊危險性評價和預警。
圖2是中央一號輔運大巷過聯(lián)巷前后巷道圍巖微震時序分布。在7月11日-8月19日的時間區(qū)間內(nèi)，巷道圍巖微震事件日震動能量近似以8月4日為軸呈現(xiàn)對稱分布的特點，結(jié)合中央一號輔運大巷相對4#聯(lián)絡巷距離變化可以發(fā)現(xiàn)巷道圍巖微震事件時序演化過程同樣可以近似劃分為5個階段，即東側(cè)無聯(lián)巷影響階段(A)、聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段(B)、聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段(C)、聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段(D)、西側(cè)無聯(lián)巷影響階段(E)。
由圖2可以看出，當掘進工作面與4#聯(lián)絡巷的距離保持在約50m以上時為東側(cè)無聯(lián)巷影響階段，兩巷支承壓力尚未相互作用，微震日震動能量不超過105J；7月25日-8月2日隨著掘進工作面超前支承壓力逐漸與聯(lián)絡巷東側(cè)側(cè)向支承壓力疊加，日震動能量整體在震蕩中不斷走高，該階段為聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段；掘進工作面逐漸進入4#聯(lián)絡巷卸壓區(qū)時即為聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段，應力集中程度較之前有所緩解，微震日震動能量和頻次均顯著下降；聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段掘進工作面超前支承壓力推移進入聯(lián)絡巷西側(cè)側(cè)向支承壓力分布區(qū)，兩者壓力峰值再次疊加導致微震事件日震動能量急劇增加，8月6日兩峰值疊加程度最為嚴重并使微震日震動能量達到最大值；8月10日-8月13日為西側(cè)無聯(lián)巷影響階段，該階段由于掘進工作面超前支承壓力漸漸遠離4#聯(lián)絡巷西側(cè)側(cè)向支承壓力的影響區(qū)域，應力集中程度趨緩，導致微震事件日震動能量大幅降低至與7月份近似相同的水平。
4結(jié)論
(1)利用FLAC3D模擬分析了在特厚煤層中掘進巷道過聯(lián)巷過程中巷道圍巖應力分布的演化規(guī)律，并根據(jù)該過程中圍巖應力分布所呈現(xiàn)出的不同特點將其劃分為東側(cè)無聯(lián)巷影響階段、聯(lián)巷東側(cè)壓力區(qū)作用階段、聯(lián)巷卸壓區(qū)作用階段、聯(lián)巷西側(cè)壓力區(qū)作用階段、西側(cè)無聯(lián)巷影響階段等5個典型的階段，并分析了各階段巷道圍巖應力分布特點。
(2)數(shù)值計算結(jié)果表明，掘進巷道的開挖將在巷道頂板也即聯(lián)絡巷所在層位形成長度與掘進巷道開挖長度相當?shù)男秹簠^(qū)，該卸壓區(qū)的存在可使聯(lián)絡巷圍巖局部應力得到疏散，從一定程度上有利于降低局部圍巖的沖擊危險性。
(3)利用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測分析了特厚煤層中掘進巷道穿聯(lián)絡巷時巷道圍巖微震活動時序分布規(guī)律，分析結(jié)果顯示，在該過程中巷道圍巖微震活動規(guī)律與應力分布演化規(guī)律基本一致，即隨著掘進巷道和聯(lián)絡巷空間位置的變化，巷道圍巖沖擊危險性呈現(xiàn)為升高一降低一升高一降低的規(guī)律。
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