峻德煤矿倾斜煤层开采沿空侧巷道诱冲机理研究

江丽丽，李常浩，杨增强，翟春佳

(1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；2.潞安集团余吾煤业有限公司，山西 长治 046103；3.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)

近些年，随着煤矿开采深度的不断增加，以及综采液压支架在工作面的普遍应用，85%的冲击地压显现均发生于巷道中，尤其是发生在沿空侧回采巷道的超前段区域[1-3]。

我国煤炭资源赋存规律千差万别，从各类地质条件中煤层可采储量所占比重可知，倾斜煤层占比为10.16%，急倾斜煤层占比为3.88%[4-6]。虽然倾斜煤层所占比重较小，但矿井数量众多，煤质一般较好，具有重要的开采价值。据不完全统计，在全国20多处重点矿区内，存在倾斜煤层开采条件的矿井数量高达100多个，约占全国重点矿井数的1/6[7-8]。鉴于此，开展针对倾斜煤层工作面开采诱发冲击地压机理的研究，对冲击地压准确判识预警与防治具有重要的指导意义。

1 工程地质概况

鹤岗矿区内的峻德井田褶曲简单，煤系地层为走向呈北—北东、向东倾斜的单斜构造，煤层倾角为 25°～35°，平均倾角30°。井田内三水平北17层三四区二段工作面倾斜长度178 m，推进长度1 106 m，煤层倾角为28°～36°，平均倾角32°，属于中倾斜煤层。该工作面主采17#煤层，其平均厚度9.8 m，采用放顶煤开采工艺。工作面回采期间，沿空侧回风平巷多次发生冲击地压显现，对矿井安全生产造成严重影响。如回采初期的“11.14”冲击地压事故，造成了回风平巷超前段严重破坏。

现场采集的煤岩样冲击倾向性测试结果表明：17#煤层单轴抗压强度为19.353 MPa，动态破坏时间为2 077 ms，冲击能量指数为2.893，弹性能量指数为6.417，根据国标GB/T 25217.2—2010可以综合判定17#煤层具有Ⅲ类强冲击倾向性；顶板复合弯曲能量指数为469.39 kJ，可以判定17#煤层顶板具有 Ⅲ类强冲击倾向性。

2 倾斜煤层覆岩破断特征

2.1 微震事件定位结果

通过矿方安装的SOS微震监测系统对该次冲击地压事件进行监测分析，定位结果如图1所示。

(a)平面图

(b)剖面图

由图1可知，在三四区二段工作面内监测到1个1.17×104J的大能量微震事件，该事件位于工作面前方20 m、二段回风巷下帮40.90 m位置，且距煤层顶板40.43 m、距工作面顶板54.25 m。说明在倾斜煤层开采期间，工作面上侧坚硬顶板较下侧顶板更容易发生破断而释放较大的能量，进而形成强烈的动载荷。

2.2 覆岩运移规律物理相似模拟

根据三四区二段工作面现场地质情况，采用物理相似模拟实验对回采工作面覆岩运移规律进行模拟研究，结果如图2所示。可以看出，沿着工作面走向推进方向覆岩“三带”呈等腰梯形破断，垮落角α大小与岩层力学性质有关；沿着工作面倾向方向，由于受煤层倾角θ的影响(θ=30°)，覆岩“三带”呈现出非对称破断特征，并沿倾向方向形成“空顶区→部分充填区→完全充填区→压实区”的过渡结构特征[9-10]。可见，在倾斜煤层回采期间，工作面上部覆岩较下部的运移更为剧烈，从而更容易在工作面上部覆岩中形成剧烈的动力载荷。

(a)工作面走向

(b)工作面倾向

2.3 覆岩运移规律数值模拟

采用FLAC3D数值软件对三四区二段工作面进行模拟，模型尺寸沿煤层走向长240 m，倾向长230 m，模型高度在煤层倾角为0°、15°、30°、45°时分别对应为80、130、186、235 m。所建立的三维模型采用Mohr-Coulomb强度准则作为煤岩体材料屈服判据，其煤岩物理力学参数如表1所示。

表1 煤岩物理力学参数

对于数值模拟结果，引入应力拱壳判别系数来进行分析[11]。关于应力拱壳判别系数，可由下式表示：

(1)

式中：η为应力拱壳判别系数；σ0、σ1分别为煤层开采前后同一位置处的应力值。

由公式(1)可知，当η<0时，表明煤层开采后应力降低，属于应力降低区；当η>0时，表明煤层开采后应力增高，属于应力增高区；当η=0时，表明煤层开采后应力不变，属于临界点，即应力拱壳的边界值。根据数值模拟结果，并基于应力拱壳判别系数，可以得到三四区二段工作面开采后覆岩中应力拱壳的演化特征，如图3所示。

(a)沿走向方向

(b)沿倾向方向

由图3可知，沿工作面走向推进方向，覆岩中应力拱壳纵半轴高度随着工作面的推进而不断增大，当工作面推进至一定距离后，应力拱壳的纵半轴高度趋于稳定，此时形似一等腰梯形状态；沿着工作面倾向方向，覆岩中应力拱壳形态受煤层倾角影响而呈非对称分布特征，应力拱壳纵半轴最大高度位置偏向于回风巷一侧，且随着工作面的推进，呈现出的非对称特征愈发明显。

综上所述，现场微震监测、物理相似模拟，以及FLAC3D数值模拟结果具有较好的一致性，说明倾斜煤层开采期间覆岩沿煤层倾向方向呈非对称破断特征，靠近回风巷的上侧覆岩高位厚硬关键层更容易发生破断，从而产生剧烈的动载扰动。

3 倾斜煤层煤体内应力演化特征

3.1 煤层内应力场演化规律数值模拟

基于FLAC3D数值软件[12]对三四区二段工作面回采期间的模拟结果，可以得到不同煤层倾角下煤层内的应力分布规律，如图4和5所示。

(a)θ=45°

(b)θ=30°

(c)θ=15°

(d)θ=0°

(a)θ=45°

(b)θ=30°

(c)θ=15°

(d)θ=0°

由图4和5可知，随着煤层倾角从45°向0°递减，二段回风巷煤柱帮内应力峰值从86.18 MPa向57.53 MPa递减，而二段回风巷实体煤帮内应力峰值从43.67 MPa向136.59 MPa 递增。可见，随着煤层倾角的减小，沿空侧回风巷煤柱帮内应力集中程度减小，而实体煤帮内应力集中程度增大，说明当煤层倾角较大时，煤柱帮内存在较高的集中静载荷，而在煤层倾角较小时，煤柱帮内的应力向实体煤帮转移，此时实体煤帮内存在较高的集中静载荷。工作面下侧机巷实体煤帮应力集中程度较低，这说明邻近采空区的残余侧向支承应力对下侧机巷围岩影响较小，而主要对沿空侧回风巷造成影响。

3.2 回风巷围岩应力场演化规律理论计算

针对沿空侧回风巷两帮煤体内应力演化规律，基于Winkler弹性地基假定[13]建立力学模型，如图6所示。

图6 回风巷两帮煤体沿倾向方向力学模型

由图6可知，假定支承基本顶的煤柱和实体煤符合Winkler弹性地基梁理论，则煤体对基本顶的垂直支承应力满足下式：

p=-ky

(2)

式中：p为煤体对基本顶的垂直支承应力；k为垫层系数；y为煤体的垂直变形量。

将基本顶视为半无限长梁，取邻近采空区边缘位置为坐标原点，基本顶悬臂末端横坐标为-L，基本顶受到竖直方向载荷q作用在基本顶上的垂直分量载荷qy，梁端面弯矩M0、剪切力Q0及轴向力N作用。参照Timoshenko解，可得基本顶弯曲变形微分方程：

煤柱上方(0≤x

EIy″″+Ny″=qy-ky

(3)

沿空巷道上方(W≤x

EIy″″+Ny″=qy

(4)

实体煤上方(W+W1≤x<∞)：

EIy″″+Ny″=qy-ky

(5)

根据现场调研和测试可知，q=γ(h1+h2)为竖向分布载荷，基本顶厚度h1=3.44 m，软弱加载层厚度h2=1.56 m，体积力γ=25 kN/m3，EI为基本顶抗弯刚度，基本顶弹性模量E=30 GPa，基本顶惯性矩I=3.39 m4，根据基本顶抗拉强度Rt=3.46 MPa可求得悬臂梁A的最大悬臂长度L=5.58 m。因而M0=9.77 MN·m，Q0=1.37 MN，N=0.81 MN，N/EI=0.000 007 9 m2，垫层系数取k=100 MPa。根据三四区二段工作面实际煤柱留设宽度取W=12 m，巷道宽度取Wt=4 m，求解微分方程可以得到不同倾角条件下基本顶内位移变化曲线，如图7所示。

图7 基本顶内位移变化曲线

根据公式(2)可知,基本顶位移和煤体对基本顶的垂直支承应力呈正相关关系，因此煤层倾角变化导致的位移变化规律也能很好地反映出煤层中的应力变化情况。由图7可知，随着煤层倾角减小，回风巷煤柱帮内应力集中程度减小，实体煤帮内应力集中程度增大，应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移，这与前述数值模拟结果相一致。

4 倾斜煤层开采诱发冲击机理

三四区二段工作面回采期间沿空侧回风巷发生了多次严重的冲击地压事故，而掘进期间巷道稳定性却相对较好，这说明掘巷引起的应力集中不足以诱发冲击地压。当与工作面回采引起的超前支承压力叠加形成高集中静载，并受回采引起的顶板破断等动载扰动影响，易导致巷道两侧煤体在动静组合扰动影响下而失稳发生冲击。

根据冲击地压启动理论[14-15]可知，巷道冲击地压的发生要经历冲击启动、冲击能量传递和冲击地压显现3个阶段。冲击启动阶段煤体中过剩的能量Us可表示为：

(6)

式中：σj为巷道围岩中的高静载荷；σd为覆岩破断形成的强动载荷；σmin为巷道围岩失稳破坏的最小临界载荷；E为巷道围岩的弹性模量。

冲击启动阶段Us沿煤体介质向巷道传递过程中所消耗的能量为UΩ1，冲击显现时支护系统具有的“柔性吸能功能”所消耗的能量为UΩ2，最终剩余能量ΔU以巷道浅部的煤体为载体向巷道自由空间冲出而释放能量：

ΔU=Us-UΩ1-UΩ2

(7)

由公式(7)可知，巷道冲击地压发生的前提条件是Us>0，冲击显现的剧烈程度由ΔU的大小决定。因此，冲击启动是由巷道两侧内承受高集中静载的煤体引起的，巷道浅部煤体、底板只是冲击能释放的载体，即冲击地压显现位置。

因此，该倾斜煤层工作面后续回采阶段，要做好工作面回风巷超前段的卸压防冲工作，且卸压防冲重点区域要结合现场实际煤层倾角进行分析选择，从而确保降低冲击地压发生的可能性,减小冲击显现破坏程度。

5 结论

1)根据峻德煤矿“11.14”冲击地压微震监测结果，并结合物理相似模拟和数值模拟，得出倾斜煤层工作面开采期间覆岩沿煤层倾向方向呈非对称破断特征，靠近回风巷的上侧覆岩高位坚硬关键层更容易发生破断而形成剧烈的动载扰动。

2)对三四区二段工作面开采期间进行数值模拟和理论分析计算，得出沿空侧巷道两帮煤体内易积聚高集中静载荷。且随着煤层倾角递减，回风巷煤柱帮内应力集中程度减小，实体煤帮内应力集中程度增大，应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移。

3)不同煤层倾角条件下高集中静载荷在回风巷两帮煤体内的积聚程度也不同，其与覆岩关键层破断形成的剧烈动载扰动叠加，基于冲击地压启动理论而诱发冲击地压。