动静载叠加扰动下碎裂煤巷围岩冲击破坏研究

姚亚虎 杨增强 张庆华 魏 臻

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037； 2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037； 3. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)



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动静载叠加扰动下碎裂煤巷围岩冲击破坏研究

姚亚虎1,2杨增强3张庆华1,2魏 臻3

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037； 2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037； 3. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

羊场湾煤矿1306孤岛工作面运输巷受顶板强烈动载扰动作用发生巷道冲击地压，通过现场调研、理论分析、微震监测和数值模拟等手段，对动静载叠加作用对巷道围岩的影响进行了研究。基于微震监测系统对冲击地压发生期间顶板大能量震动事件定位为依据，根据具体地质条件应用数值模拟方法建模分析了不同强度动载扰动作用下巷道围岩应力和位移演化规律。研究结果表明，随着动载震源与巷道距离的增加，巷道顶底板受到的影响效果急剧衰减，而两帮受到的影响效果成比例下降。

动静载 碎裂巷道 微震监测 冲击地压 数值模拟

冲击地压是指矿山压力超过煤岩体的极限强度，聚集在巷道周围煤岩体中的能量突然猛烈释放，造成煤岩体震动、破坏抛向采掘空间、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道破坏等。研究表明，爆破、顶底板破断、断层滑移等都能产生震动从而形成动载荷。动载荷通过弹性应力波的形式传播与煤矿开采形成的集中静载荷叠加形成动静载叠加效应，动静载叠加扰动能够对巷道围岩的稳定性造成严重的影响。统计资料表明，在煤层开采过程中约72.6%冲击地压事故发生在巷道中，使得针对动静载叠加扰动对巷道围岩冲击破坏的研究具有深远意义。

本文根据羊场湾煤矿1306工作面回采过程中运输巷发生的一次冲击地压事故，在理论分析和数值模拟的基础上，分析了动静载叠加作用与单独静载作用下巷道围岩变形破坏特征，并对不同动力扰动强度作用下巷道围岩应力响应特征进行了研究，旨在对受剧烈动力扰动巷道围岩稳定性控制提供一定的指导。

1 工程概况

羊场湾煤矿1306工作面为孤岛工作面，位于一采区东部，其西北方向为1305综放工作面采空区，东北方向以肖家庄一号支一断层为界，与七采区7301综放工作面采空区相邻，切眼位于肖家庄一号支一断层西南侧，东南方向以井田技术边界保护煤柱与东滩煤矿相邻，西南方向为官庄二号断层及一采区运输巷和一采区轨道巷。1306工作面平均埋深526 ～ 610 m，主采3#煤层，采用综合放顶煤开采方法。煤层厚度为8.9～ 12.3 m，平均厚度为9 m，煤层结构较复杂，裂隙发育，煤岩体强度低，软弱易碎，直接顶泥岩中所含的主要粘土矿物成份为高岭石和伊利石。1306工作面具体情况如图1所示。

图1 1306工作面平面布置图

1306工作面回采过程中，30 d内运输巷发生了多次严重的冲击地压显现事故，造成了大范围的冒顶事故，并伴随有底板鼓起和两帮内挤严重变形等，影响范围超过70 m，给矿井的安全生产带来了严重的阻碍，1306运输巷冲击地压事故现场如图2所示。

事故发生后，通过矿方安装的SOS微震监系统对工作面回采过程中工作面附近的矿震能量进行监测，监测结果如图3所示。

由图3(a)平面图监测结果可以看出，1306工作面回采过程中，工作面前方靠近1306运输巷的位置发生了一次能量级在104～105J的大能量事件，由图3(b)剖面图可以看出，此次事件发生于巷道上方的覆岩中，正是这次事件诱发了1306运输巷冲击地压事故的发生。

图2 1306运输巷冲击地压事故现场

图3 矿震震源分布图

2 动静载叠加机理分析

根据能量准则，冲击地压的发生是由于煤体-围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时产生的动力现象，可用下式表示：

(1)

式中：t——时间，s；

UJ——围岩中储存的能量，J；

UC——煤体中储存的能量，J；

US——矿震能量，J；

UB——冲击地压发生时消耗的能量，J。

煤岩体中储存的能量和矿震能量U可用下式表示：

(2)

式中：σj——煤岩体中的静载荷，Pa；

σd——矿震形成的动载荷，Pa；

E——弹性模量，Pa。

而冲击地压发生时消耗的最小能量可用下式表示：

(3)

式中：σbmin——发生冲击地压时的最小载荷。

因此，冲击地压的发生需要满足如下条件，即：

σj+σd≥σbmin

(4)

由式(4)可知，采掘空间周围煤岩体中的静

载荷与矿震形成的动载荷叠加超过了煤岩体冲击的最小载荷时，就会发生冲击地压灾害，即为冲击地压发生的动静叠加原理，其示意图如图4所示。

图4 冲击地压的动静叠加原理示意图

3 动静载叠加数值模拟

3.1FLAC2D数值模型建立

采用FLAC2D建立二维数值模型，模型总长度为390m，总高度170m。1306工作面两侧各开挖5.5m×4.5m的大断面巷道，1306工作面和1305采空区长度如图5所示。模型上部320m岩层采用均布载荷来代替，模型下部边界为固支约束，两侧限制X方向的位移，重力加速度g取9.8 m/s2。模型岩层属性赋值依据该煤矿18号钻孔资料，3#煤层主要顶底板岩层物理属性如表1所示。

表1 3#煤顶底板岩体物理力学参数

模拟震源位置依据现场SOS微震监测系统监测到的104～105J的大能量事件具体坐标确定。震源形式采用剪切波，震动主频率f=50 Hz，震动能量E=4.55×105J。数值模拟初始模型和震源位置如图5所示。

3.2 静载与动静载作用分析

模拟过程中，在1306运输巷顶板上方1 m和底板下方1 m设置监测点，主要监测动静载情况下和不同震源情况下这些点的应力和位移的变化规律。监测到的静载和动静载叠加作用情况下巷道顶底板应力变化情况如图6所示。

图5 数值模拟初始模型

图6 顶底板应力变化数值模拟结果

由图6可知，在震源产生震动时，巷道的顶底板瞬间产生一个应力增量，巷道应力随着震动波周期性波动，使其围岩顶底板应力在动静载扰动作用开始的一段时间内也随其发生周期性波动，但随后应力逐渐减小直到保持基本稳定，静载情况下应力没有波动。

静载作用下巷道顶板受到11.3 MPa的载荷作用，底板受到5.8 MPa的载荷作用；动静载叠加作用下巷道顶板受到15.6 MPa的载荷作用，底板受到9.1 MPa的载荷作用。因此在动静载叠加作用下巷道顶板受力增加4.3 MPa，底板增加3.3 MPa，巷道顶板比底板更容易发生冲击破坏。

监测到的静载和动静载叠加作用情况下巷道顶底板位移变化情况如图7所示。由图7可知，在震源产生震动时，巷道的顶底板瞬间产生一个位移增幅，顶板瞬间位移量可达245 mm，底板瞬间位移量可达196 mm，相比于静载作用下顶板位移量为86 mm，底板为80 mm，顶底板在动静载扰动作用下极容易发生冲击破坏。

图7 顶底板位移变化数值模拟结果

3.3 动静载叠加强度分析

改变震源(动载)位置来分析动静载叠加强度对巷道围岩的影响。分别模拟震源距离巷道垂直距离为20 m、40 m和60 m时，巷道围岩受力特征变化情况。随着震源位移不同，动静载叠加扰动强度也不同，巷道围岩(顶板、底板和两帮)应力变化情况如图8所示，围岩应力与震源距离整体关系如图9所示。

由图8和图9可知，巷道围岩(顶板、底板和两帮)具有相同的应力响应特征，即当震源距巷道20 m时，巷道围岩受到强烈动静载叠加扰动作用，围岩应力水平普遍较高，极易发生冲击破坏。当震源距巷道40 m和60 m时，动静载叠加对巷道围岩应力水平影响普遍下降，且顶板和底板下降幅度最为明显，说明随着震源距离的增加，动静载叠加对巷道顶底板影响效果急剧衰减。因此，把巷道布置在远离震动源的位置能够很好地保护巷道受动静载叠加扰动影响。而对于两帮，应力水平与震源位置基本成比例下降，说明震源距离对两帮的应力水平影响较大，只有震源与巷道距离足够远，才能保证两帮不受巷道冲击破坏影响。

图8 围岩应力变化数值模拟结果

图9 围岩应力与震源距离关系

4 结论

基于1306工作面运输巷某次冲击破坏事故为例，对静载和动静载叠扰动作用下巷道围岩应力和位移变化情况数值模拟研究，数值模拟结果表明：

(1)相比于静载作用，动静载叠加作用下巷道顶板和底板极易处于较高的应力和位移水平，从而易发生冲击破坏。

(2)震源距离巷道垂直距离为20 m、40 m和60 m时，巷道围岩应力响应特征也不同。

(3)顶底板在震源距离为40 m和60 m时，基本受动静载叠加影响较小，说明随着震源距离的增加，动静载叠加对巷道顶底板影响效果急剧衰减；两帮在震源距离为20 m、40 m和60 m时，动静载叠加对两帮影响基本成比例下降，说明震源距离对两帮影响较大。

(4)使震源尽量远离巷道，并对巷道围岩加强支护，尤其是要对两帮和顶板进行加强支护，能够有效降低巷道发生冲击地压事故的几率。

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(责任编辑 陶 赛)

Study on mechanism of rock burst in cataclastic roadway under superposition load disturbance

Yao Yahu1,2, Yang Zengqiang3, Zhang Qinghua1,2, Wei Zhen3

(1.State Key Lab of Gas Disaster Monitoring and Emergent Technology, Shapingba, Chongqing 400037, China; 2. Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology Engineering Group Corporation, Shapingba, Chongqing 400037, China; 3. School of Resource and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Headgate of 1306 work face at Yangchangwan Mine was under strong dynamic load from roof and rock burst in roadway occurred. By utilizing field investigation, theoretical analysis, microseismic monitoring and numerical simulation, this paper studied the influence of load superposition effect on the movement of surrounding rock. Based on microseismic monitoring system of roof energy vibration occurred during rock burst incident location, according to specific geological conditions, applying numerical simulation method to analyze different intensity of dynamic load disturbance of surrounding rock stress and displacement evolution. The results showed that with the increase of distance between dynamic load source and roadway, the influence of strata pressure on roof and floor decreased rapidly, and the effect of roadway side decreased proportionally.

superposition load, cataclastic roadway, microseismic monitoring, rock burst, numerical simulation

“十三五”重点研发计划(2016YFC0801404)，中国煤炭科工集团科技创新基金计划(2013ZD002)

姚亚虎，杨增强，张庆华等. 动静载叠加扰动下碎裂煤巷围岩冲击破坏研究 [J] . 中国煤炭，2017，43(4)：53-57. Yao Yahu, Yang Zengqiang, Zhang Qinghua, et al. Study on mechanism of rock burst in cataclastic roadway under superposition load disturbance [J] . China Coal，2017,43(4)：53-57.

TD324

A

姚亚虎(1987-)，男，陕西铜川人，硕士，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。