新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击+失稳规律分析.pdf

第4 5 卷第5 期 2 0 2 0 年5 月 煤炭 学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．5 M a y 2 0 2 0 移动阅读 赵毅鑫，周金龙，刘文岗．新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳规律分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 5 1 5 9 5 1 6 0 6 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．D Y 2 0 ．0 2 4 9 Z H A OY i x i n ，Z H O UJ i n l o n g ，L I UW e n g a n g ．C h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dp r e s s u r ea n dm e c h a n i s mo fc o a lb u r s ti nt h eg o b s i d er o a d w a ya tX i n j i ed e e pm i n i n ga r e a [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 5 1 5 9 5 1 6 0 6 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／ j ．c n k i ．j C C S ．D Y 2 0 ．0 2 4 9 新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击 失稳规律分析 赵毅鑫1 ”，周金龙1 ”，刘文岗3 1 ．中国矿业大学 北京 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．煤炭科学研究总院应急科学研究院，北京1 0 0 0 1 3 摘要随着我国煤炭资源开采战略西移，西部部分矿井已进入深部开采阶段，邻空巷道冲击失稳 频繁发生，严重威胁煤矿安全生产。以新街矿区红庆河煤矿为工程背景，综合运用现场调研、理论 分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受栽特征及冲击失稳机制进行研究。建立了 初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型；通过精细描述不同阶段静载及 扰动动载，提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道“三载荷”动静叠加原理， 并给出了发生冲击失稳的应力判据；揭示了邻空巷道围岩受“三载荷”叠加诱冲机制，即高应力、能 量经巷道“顶一帮一底”传递，巷道围岩形成应力集中，能量积聚，达到煤岩体冲击失稳临界值时， 诱发邻空巷道冲击失稳。针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害，提出了“切断动载 源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固”的防治措施。研究结果表明邻空工作面初次 来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称“T ”型结构，亚关键层I 破断，亚关键层Ⅱ未破断， 工作面来压较缓和，邻空巷道围岩所受静载较大，扰动动载较小；周期来压 充分采动 阶段相邻双 工作面采空区顶板形成对称“T 型结构，两组亚关键层均破断，邻空巷道围岩所受静载及扰动动载 均较大，此时易诱发邻空巷道冲击失稳。 关键词新街矿区；邻空巷道；顶板结构；动静载；冲击失稳 中图分类号T D 3 2 4文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 5 - 1 5 9 5 - 1 2 C h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dp r e s s u r ea n dm e c h a n i s mo fc o a lb u r s ti nt h e g o bs i d er o a d w a ya tX i n j i ed e e pm i n i n ga r e a Z H A OY i x i n l ”，Z H O UJ i n l o n 9 1 ”，L I UW e n g a n 9 3 I i j i n g K e yL a b o r a t o r y f o r P r e c i s e M i n i n go f I n t e r g r o w n E n e r g ya n d R e s o u r c e s ，C h i n aU n i v e r s i t y o f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y 洳培 ，B e q ／n g1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ；2 ．S c h o o lo f E n e r g ya n dM i n i n gE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e 0 “ ／n g ，B e q ／n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ．R e s e a r c hI n s t i t u t eo f E m e r g e n c yS c i e n c e ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h em a i nm i n i n ga r e a so fc o a lr e s o u r c e sa r em o v i n gt ot h ew e s t e r nC h i n a ，s o m ew e s t e r nm i n e sr e a c had e e p m i n i n gl e v e l ．T h ec o a lb u r s to fg o bs i d er o a d w a yo c c u r sf r e q u e n t l y ，w h i c ht h r e a t e n st h es a f em i n ep r o d u c t i o ns e r i o u s l y ． I nt h i sp a p e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dp r e s s u r ea n dm e c h a n i s mo fc o a lb u r s ti nt h eg o bs i d er o a d w a ya tX i n j i e d e e pm i n i n ga r e ai ss t u d i e db ys i t ei n v e s t i g a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h em e c h a n i c a lm o d e l 收稿日期2 0 2 0 0 2 2 3修回日期2 0 2 0 - 0 4 - 1 6责任编辑韩晋平 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F C 0 8 0 1 4 0 1 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 3 1 2 ，U 1 9 1 0 2 0 6 作者简介赵毅鑫 1 9 7 7 一 ，男，河南洛阳人，教授，博士生导师，博士。T e l 0 1 0 6 2 3 3 1 1 8 9 ，E - m a i l z h a o y x e u m t b ．e d u ．C l l 万方数据 1 5 9 6 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 o fg o bs i d er o a d w a yi nf r o n to fl o n g w a l lf a c eu n d e rt h ed y n a m i ca n ds t a t i cc o m b i n e dl o a d i n gi se s t a b l i s h e d ．T h i sm o d e l f o c u s e so nt h ei n i t i a lw e i g h t i n ga n df u l lm i n i n gs t a g e s ．T h ep r i n c i p l eo fd y n a m i ca n ds t a t i cc o m b i n e dl o a d i n gf o rt h e g o bs i d es t a t i cl o a d ，t h ef r o n ta b u t m e n tp r e s s u r ea n dt h em i n i n gi n d u c e dd y n a m i cl o a di sp r o p o s e db yf i n e l yd e s c r i b i n g t h es t a t i cl o a da n dm i n i n gi n d u c e dd y n a m i cl o a di nd i f f e r e n ts t a g e s ．T h es t r e s sc r i t e r i o no fc o a lb u r s to fg o bs i d er o a d - w a yi sp r o v i d e d ．T h em e c h a n i s mo fc o a lb u r s to ft h eg o bs i d er o a d w a yi sd i s c o v e r e d ，t h eh i g hs t r e s sa n de n e r g yw i l l t r a n s f e rf r o mt h er o o fs t r a t at ot h er i ba n df l o o ro fr o a d w a y ，w h i c hc a nr e s u l ti nt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na n de n e r g ya c c u m u l a t i o n ．A st h es t r e s sa n de n e r g yr e a c h e st h et h r e s h o l dv a l u eo ft h ec o a lb u r s t ，t h ec o a lb u r s ti ng o bs i d er o a d w a y w i l lo c c u r ．M o r e o v e r ，a sf a ra st h ec o a lb u r s td i s a s t e ri ng o bs i d er o a d w a yw i t ht h i c ka n dh a r ds t r a t u mi nt h er o o f ，t h e p r e v e n t i o nm e t h o d sf o rc o a lb u r s ta r ep r o p o s e d ．T h em e t h o dc o n s i s t so f “c u t t i n go f ft h ed y n a m i cl o a ds o u r c e s ”．“r e - d u c i n gt h es t a t i cl o a ds t r e s sc o n c e n t r a t i o n ”a n d “u s i n ge n e r g ya b s o r p t i o nb o l ta n c h o r a g ew i t hc o n s t a n tr e s i s t a n c ea t l a r g ed e f o r m a t i o n ”．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg o br o o fo fa d j a c e n td o u b l el o n g w a l lf a c e sc a nf o r ma s y m m e t r i c a lT t y p e s t r u c t u r ew h e nt h ei n i t i a lw e i g h t i n gs t a g ei ng o bs i d el o n g w a l lf a c e ，t h es u b k e ys t r a t u m S K S Ii sb r o k e n ，b u tt h e S K SI Ii sn o tb r o k e n ．T h er o o fw e i g h t i n go fl o n g w a l lf a c ei s s m a l l ，t h es t a t i cl o a di nt h es u r r o u n d i n gr o c ko fg o bs i d e r o a d w a yi sl a r g e ，a n dt h em i n i n gi n d u c e dd y n a m i cl o a di sr e l a t i v es m a l l ．H o w e v e r ，t h eg o br o o fo fa d j a c e n td o u b l el o n g - w a l lf a c e sc a nf o r mas y m m e t r i c a lT t y p es t r u c t u r ea tt h ep e r i o d i cw e i g h t i n g f u l lm i n i n g s t a g e ．T h ed o u b l es u b k e y s t r a t u m sa r eb r o k e n ，t h es t a t i cl o a da n dm i n i n gi n d u c e dd y n a m i cl o a da r eb o t hl a r g e ri nt h es u r r o u n d i n gr o c ko fg o b s i d er o a d w a y ，w h i c hc a ni n d u c eac o a lb u r s ti ng o bs i d er o a d w a ye a s i l y ． K e yw o r d s X i n j i em i n i n ga r e a ；g o bs i d er o a d w a y ；r o o fs t r u c t u r e ；d y n a m i ca n ds t a t i cl o a d ；c o a lb u r s t 我国煤炭资源开采深度以1 0 ～2 5m ／a 的速度增 加⋯，近年来中东部矿区普遍进入深部开采且可采 资源日益枯竭，煤炭开采逐渐向西部转移。随着西部 矿区的大范围、高强度开采，西部煤炭开采深度由原 来的普遍1 0 0 ～3 0 0m 不断增加，目前部分矿井采深 已达6 0 0 ～7 5 0m 。因此，西部煤炭开采也需面对深 部开采时采场和巷道围岩变形严重，矿压显现剧烈， 煤岩动力灾害频发等问题屯J 。新街矿区位于内蒙 古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗，赋存大量优质煤炭 资源，是我国煤炭的重要供给区，部分矿井受到冲击 地压灾害的严重威胁，制约了煤炭安全高效开采，因 此研究该区域冲击地压发生规律及防治方法具有重 要意义。 针对冲击地压发生机理及防治方法，诸多学者 开展了卓有成效的研究和探索。齐庆新等提出了 诱发冲击的“三因素”理论∞J ，提出以应力控制为中 心，以单位应力梯度为表征的冲击地压应力控制理 论H 1 ；窦林名等提出了冲击地压的强度弱化减冲理 论HJ ，动静载叠加原理№1 ；潘一山“ 嵋1 提出了冲击地 压扰动响应失稳理论，从机制、预测和防治方面形 成了一个完整体系；谭云亮等一1 研究了深部应变 型、断层滑移型和坚硬顶板型3 类冲击地压的致灾 机制，提出了以冲击地压类型为导向的监测预警及 组合式卸压解危方法；潘俊锋等叫提出了冲击地压 启动理论，将冲击地压发生分为启动阶段、能量传 递阶段和冲击地压显现3 个阶段。煤矿现场中冲 击地压多发生在工作面巷道，以往针对巷道冲击地 压机理，学者们建立了冲击巷道围岩力学模型、揭 示了巷道围岩能量积聚释放规律，提出了巷道围岩 控制方法。如张晓春等叫建立了巷道片帮型冲击 地压的层裂板压曲模型，认为巷道冲击由巷壁形成 的层裂板结构压曲失稳引起；黄庆享等2o 建立了煤 层平巷冲击地压的损伤断裂力学模型，认为薄煤层 壳弯曲变形压裂失稳引发冲击地压；高明仕引建立 了冲击地压巷道围岩“强弱强”结构力学模型，对巷 道在外部震源作用下破坏机理及表现出的“强弱 强”特征进行研究，提出了巷道冲击失稳判据及围 岩控制方法；姜福兴等4 1 建立了沿空巷道力学模 型，认为沿空巷道围岩高应力区附近的高应力差区 域是冲击地压易显现区域；马念杰等纠提出了巷道 蝶型冲击理论，阐明了冲击地压发生条件，给出了 “蝶型冲击三准则”，为巷道冲击地压预测、预报及 防治提供新思路；成云海等钊建立了工作面端头覆 岩结构力学模型，明确了有效控制巷道冲击载荷的原 理；J I A N G 等Ⅲo 将局部能量释放率指标用于深部隧 道冲击失稳判别；X U 等副提出了冲击地压能量释放 率概念，结合微震监测对巷道冲击危险区进行预测； 康红普等。1 引分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特 征，提出了冲击地压巷道支护形式选择原则，为冲击 地压巷道围岩控制提供指导。 上述研究成果极大地推动了冲击地压理论及防 治技术发展。然而，结合新街矿区矿井具体开采条 万方数据 第5 期赵毅鑫等新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳规律分析 件，针对工作面采动后覆岩结构形态、应力、载荷作用 方式等诱发邻空巷道冲击失稳的研究仍鲜有报道。 冲击地压的发生归根结底是由开采扰动所引起，采动 覆岩结构形态及形成的采动应力场、能量场对诱发冲 击地压至关重要。笔者在前人研究基础上，以新街矿 区红庆河煤矿为典型研究对象，通过建立不同开采阶 段采场顶板结构力学模型，对邻空巷道围岩所受动静 载进行精细描述，结合工作面采动应力及能量演化规 律，得出新街矿区邻空巷道冲击失稳发生规律，进而 提出相应防治措施。 1 开采条件及邻空巷道冲击失稳特征 1 ．1 工作面开采条件 红庆河煤矿位于东胜煤田新街矿区，没计产 能15 0 0 万t ／a ，采用立井开拓方式，主采3 。1 煤。首 采工作面为3 。11 0 l 工作面，位于矿井南翼，3 “1 0 3 为 首采工作面接续工作面，平均赋存深度7 0 7 ．1 5m ，工 作面长度2 1 0I T I ，回采长度24 8 0m ，煤层厚度5 ．5 2 ～ 7 ．2 0I l l ，平均6 ．3 6m ，采用长壁后退式一次采全高采 煤法，每日推进约8n l ，工作面布置3 条巷道，分别为 3 。11 0 1 工作面辅运巷，3 一1 0 3 工作面运输巷及辅运 巷。在3 叫1 0 l 工作面回采过程中，3 叫1 0 1 工作面旧 辅运巷道发生严重冲击变形，影响生产，在距旧辅运 巷道3 0m 处重新掘进3 1 0 1 工作面辅运巷，3l O l ， 3 1 0 3 工作面及巷道布置如图l 所示。在3 “1 0 3 工 作面回采过程中冲击地压主要发生在3 叫1 0 1 工作面 辅运巷 邻空巷道 ，表现为巷道瞬间顶板下沉、片 帮、底臌、锚杆锚索崩断等动力现象，严重影响工作面 安全生产，成为红庆河煤矿安全高效开采的主要制约 因素。 ．么、廿筑眵6 6 Q、瓠＼1 ＼／- | 3 1 0 II 搀面l 彳毛毒＼＼ 譬 饕醪紧 羹 角E 穗露辍薹 1 嘲 g＼／剖基 黧 i 毅 承、／ 凶＼善{室久攀襄 港爹 7 ／l 特累 j 、高、≤噩赜 。 睽＼￡“声I “葛 ’躐 ／昌 母礞 喜 饕 7 霎{ 旨 ／勺 喜躐慕 ＼ ＼bl 旺叫麟输巷 世 醑客王． 彗 言一鑫／ “ ／ ＼h ’ 0 ＼ 。／0 ／冲。旨彝件lI 作I l l 『推进冲击事什I 忭丽棒州Il ／l 厂、0 。，．{ ．7 ．0 5／＼0 N。⋯7 ．4 0 、 ＼ 罡／／位置l 推础E 2 69 m l位置 难进距2 7 1O Ⅻ yl I3 。。1 0工作向旧辅运巷1川＼ ≈6 6 0 j 4 3 敝嚣i 潮 囊E 差 。＼懈f ∥磷醐磷 ／ ’ 巷道冲- 1 i 显现区域l ／币’ 3 { ＼ 喜蠡荸 3 ，1 0 3 综震工作I j 二～6 7 s ＼ 3 移 o 。一工 ／7 g嘣 ， ／1 1 0 3 工漉输巷／／／，／，，’、 ∥“乡扩，i i ＼太一l 彩＼ }”／ 3J 1 0 3 腓嗲巷Y 图13 ～1 0 1 ．3 ～1 0 3 工作面及巷道布置 局部 F i g ．1L a y o u to f3 1 0 1 ．31 0 3h n g w a l lf a c e sa n 1r o a d w a y sfp a r t i a l 笔者主要对发生在邻空巷道的冲击地压进行研 究，选取3 。1 1 0 3 工作面回采过程中邻空巷道冲击失 稳频发区域附近的1 8 一1 2 号钻孔对上覆岩层进行分 析，钻孔柱状图 局部 如图2 所示。通过对直接顶 和部分基本顶岩层进行岩石力学实验可知顶板岩石 抗压强度为6 5 ～7 5M P a ，普遍较大。厚度较大、强度 较高的中粒砂岩和细粒砂岩 亚关键层I ，Ⅱ 的破 断运动将对工作面及巷道矿压显现产生显著影响。 1 ．2 邻空巷道冲击失稳显现 以某次3 。11 0 1 工作面辅运巷冲击地压事故为例 分析邻空巷道围岩变形破坏特征。 当3 ‘1 1 0 3 工作面推进2 7 1 ．0m 时，邻空巷道超 前工作面5 0m 范围垛式支架支护正常，无安全阀损 坏现象，巷道破坏不严重，超前支架以外2 6 0i n 巷道 发生冲击失稳，伴随强冲击波，震感强烈，巷道煤尘扬 起，能见度极差，巷道冲击失稳特征如图3 所示。通 过对3 1 0 l 工作面辅运巷冲击破坏处巷道尺寸进行 实地测量，得到超前工作面不同位置巷道顶底板移近 量和两帮收缩量变化规律如图4 所示。 由图4 可知，3 1 0 1 工作面辅运巷超前工作面 6 5m 超前支架以外 处顶底板移近量最大约2 ．0m ， 两帮收缩量达0 ．8I n ；远离工作面，顶底板移近量和 两帮收缩量均减小，在工作面前方3 2 5m 处减为 o ．1 ，一0 ．2n l 。可知此次邻空巷道冲击失稳范围为超 前工作面6 5 ～3 2 51 1 3 ，且随距工作面距离加大而减 弱。 1 ．3 邻空巷道冲击失稳原因初步分析 根据红庆河煤矿3 一煤层赋存条件、开拓布置方 式及回采过程中冲击失稳案例，分析得出以下诱因 1 开采深度大、开采强度高，煤层及上覆岩层 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 层号柱状层厚／m 埋深／m 岩性 备注 l2 ．7 03 1 1 ．8 l泥岩 ∑二￡二- o 22 1 ．5 53 3 3 ．3 6 细粒砂岩 3 Z 3 4 ．1 23 6 7 ．4 8含砾细粒砂岩 4 4 7 3 04 1 4 ．7 8 细粒砂岩 5 ＼’j ‘f ／2 7 ．2 6 4 4 2 ．0 4细砾岩 6 翩 3 6 ．6 5 4 7 8 ．6 9 粗粒砂岩 7渊3 9 ．2 9 5 1 7 ．9 8 中粒砂岩 81 6 ．4 4 5 3 4 ．4 2细粒砂岩 匀{ C ；≮} 92 8 ．8 35 6 3 ．2 5 泥岩 1 01 5 ．4 95 7 8 ．7 4砂质泥岩 1 l i i i 0 』1 4 ．4 7 5 9 3 ．2 1粉砂岩 1 2燃8 ．1 36 0 1 ．3 4砂质泥岩 1 31 9 ．1 56 2 0 ．4 9 粉砂岩 1 41 0 ．6 76 3 1 ．1 6 砂质泥岩 1 5 4 4 ．9 0 6 7 6 ．0 6 细粒砂岩亚关键层I I 1 6；专毫2 0 ．9 46 9 7 ．0 0中粒砂岩亚关键层I 1 7 、蕊i I 5 ．7 3 7 0 2 ．7 3 中砾岩 1 81 4 ．6 87 1 7 ．4 l 细粒砂岩 1 9 一。 9 ．1 l7 2 6 ．5 2粉砂岩 2 07 ．2 37 3 3 ．7 53I 煤 图21 8 1 2 号钻孔柱状图 局部 F i g ．2D r i l l i n gh i s t o g r a mf o rN o ．18 12 p a r t i a l 图3 3 11 0 1 辅运巷道冲击失稳现场照片 F i g ．3 C o a lb u r s tp h o t o so f3 1l0ls u b s i d i a r yr o a d w a y 强度大，且煤层具有强冲击倾向性，顶底板岩层具有 弱冲击倾向性，是巷道发生冲击的基础条件； 2 地表沉降量仅为6 ％左右，说明采空区上方 岩层存在大范围悬空现象，上覆悬顶的大范围突然垮 落产生的矿震应力波可能诱发巷道冲击； 3 在该区域地质条件下，宽煤柱的应力集中及 其影响范围比小煤柱大很多，采用大区段煤柱可能是 引发冲击失稳的原因； 昌 Ⅲ】Ⅲ| l 嫂 漤 蟠 世 ， 督 吕 咖1 姆 “ 鼯 惺 图43 ⋯1 0 1 辅运巷道变形特征 F 嘻4 D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f3 11 0 1s u b s i d i a r yr o a d w a y 4 目前采取的各种顶板弱化和卸压解危措施 并未达到预期效果，高应力集中、高能量积聚区依然 存在；受开采扰动影响时，可能诱发冲击事故。 综上，针对红庆河煤矿生产过程中出现的巷道冲 击地压事故，应从采场覆岩结构形态、煤柱及巷道围 岩受载特征出发，对工作面及煤柱采动应力、能量分 布特征进行研究，以得出邻空巷道冲击失稳发生规 律，并提出相应防治措施。 2 顶板结构及邻空巷道受载分析 2 ．1 工作面不同开采阶段顶板结构 根据岩层运动相关理论，建立3 。1 0 1 工作面已 采，3 。11 0 3 工作面初次来压、周期来压及充分采动3 个开采阶段的双工作面顶板结构模型。 1 3 ’11 0 3 工作面初次来压阶段 当3 1 0 1 工作面已采，3 叫1 0 3 工作面开采至初 次来压阶段，双工作面采空区顶板形成非对称“T ”型 结构，如图5 a 所示。3 。11 0 1 工作面上覆亚关键层 I ，1 I S K SI ，S K S Ⅱ 均破断，沿工作面布置方向形 成“双斜砌体梁”结构；3 1 0 3 工作面上覆亚关键层 I 破断，亚关键层Ⅱ未破断，出现悬顶现象，沿工作面 布置方向形成“单斜砌体梁”结构。此时3 ‘11 0 3 工作 面矿压显现较缓和，顶板载荷向工作面两端头煤岩体 传递，局部区域出现应力集中、能量积聚现象，为诱发 邻空巷道冲击失稳提供了条件。 2 3 ‘11 0 3 工作面周期来压阶段 3 。11 0 3 工作面周期来压阶段，上覆亚关键层Ⅱ破 断，沿工作面布置方向形成“双斜砌体梁”结构，双工 作面采空区顶板形成对称“T ”型结构，如图5 b 所 示。亚关键层Ⅱ破断将对亚关键层I 、工作面及两端 头煤岩体产生动载作用，若受载煤岩体已存在高应力 集中或大量弹性能积聚，在动载作用下易发生邻空巷 道冲击失稳。 3 3 。11 0 3 工作面充分采动阶段 万方数据 第5 期赵毅鑫等新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳规律分析 1 5 9 9 3i 1 0 1 工作面3 - ．1 0 3 S 作面 a 非对称“T ”型 初次来压 3t 1 0 1 工作面3 1 0 3 工作面 b 对称“T ”型 周期来压 31 1 0 1 工作向 31 1 0 3 工作向 C 对称“T ”型 充分采动 图5双工作面顶板结构模型 r i ’g ．5 R o o fs t r t l c l t l r eo fd o u b l el o n g w a l lf a c e s 3 。11 0 3 工作面充分采动阶段，双工作面采空区顶 板形成对称“T ’型结构，如图5 c 所示。此时双工 作面上覆高位厚硬岩层发生大范围运动，使顶板储存 的弹性能充分释放，增加了亚关键层Ⅱ对其下方煤岩 体动载扰动，形成强烈扰动动载；当煤岩体所受总应 力或能量超过其发生冲击失稳临界值时，邻空巷道发 生冲击失稳。与周期来压阶段相比，由于双工作面上 覆岩层大范围运动，形成更加强烈的动载效应，此阶 段邻空巷道冲击失稳发生几率更大。 2 ．2 邻空巷道受载分析 在3 叫1 0 3 工作面不同开采阶段，工作面前方邻 空巷道 3 。1 1 0 1 辅运巷 受到已采3 1 0 l 工作面采空 区侧向支承压力的影响基本相同，采空区侧向支承压 力形成的采空区侧向静载应力盯，可通过数值模拟或 现场实测进行估算，分布规律如图6 所示。3 ‘11 0 3 工 作面前方邻空巷道围岩主要受到3 1 0 1 工作面采空 区侧向支承压力、本工作面超前支承压力及上覆厚硬 岩层破断动载的叠加影响，达到某个临界载荷时就有 可能发生冲击失稳。工作面前方煤岩体所受载荷在 不同开采阶段有所不同，应根据各开采阶段顶板结构 具体分析，然后对邻空巷道受载状态进行精细描述。 1 3 。11 0 3 工作面初次来压阶段受载分析 3 叫1 0 3 工作面自开切眼至工作面初次来压阶段 沿工作面推进方向顶板结构及工作面前方动静载叠 加情况，如图7 a 所示。 图63 “1 0 3 工作面前方采空区侧向静载分布示意 F i g ．6 S c t l e m a t i co ft h eg o bs i d es t a t i cl o a dd i s t r i b u t i o ni n f r o n to t 。3 11 0 3l o n g w a l lf a c e 一一一 一∑一∑一一二一』一一∑一 一一二一4 一 叠加应力％扰动动载盯d 。】矿震应力波。 ‘。。_ ’．j ≥t 。 ‘ 誓’_ _ ≮‘■‘螽毫t ■0 ≯j 。誓≤。“文 i j 。． 超前静我砬力靠．f 7 ，‘，。。1 1 1fI ‘凡■一∥‘。tj 4 i 强轼。． d ．} 古 ，冀 a 初次来压阶段 b 充分采动阶段 图7 初次来压和充分采动阶段工作面前方动静载叠加示意 F i g ．7D y n a m i ca n ds t a t i cc o m b i n e dl o a d i n gi nf r o n to fl o n g w a l l f a c ew h e ni n i t i a lw e i g h t i n gs t a g ea n df u l lm i n i n gs t a g e 3 。11 0 3 工作面初次来压阶段，工作面邻空侧端头 附近及工作面前方邻空巷道围岩所受静载主要为 3 。。1 0 1 工作面采空区形成的侧向静载应力o r ．及 3 。1 1 0 3 工作面超前支承压力形成的超前静载应力 盯⋯。 工作面支承压力大小及分布规律受煤层采深、采 高，顶板岩性及其结构等诸多因素影响，通常采用极 限平衡理论对工作面顶板支承压力分布进行分 析心0 。 川，可得极限平衡区和弹性区支承压力分布为 盯。』孝‘p ， c 。‘妒’e 一c c 。‘妒 ‘o ，石。] 1 盯v2 。 Il ， 。 【K T H e 羔“一’‰， o 。 手 } 鬻 ，一旦1 。盟垡里竺Q 鲤 ‰2 影n 萄百葫 式中，盯。为垂直应力；f 为三轴应力系数；p 为工作面 支护阻力；c ，妒为煤体黏聚力和内摩擦角；厂为煤层与 顶底板接触面摩擦因数；m 为采高；x 为任一点距煤 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 壁距离；‰为极限平衡区宽度；K 为应力集中系数；7 为岩层容重；日为采深；A 为侧压系数。 根据式 1 可估算出3 叫1 0 3 工作面初次来压、周 期来压 充分采动 阶段超前静载应力o r ”o r “ 3 。11 0 3 工作面初次来压阶段，邻空巷道围岩所受 动载荷主要为亚关键层I 初次破断时产生的矿 震【2 2 ’，矿震释放应力波并向工作面前方煤岩体传 播 图7 a ，最终形成的扰动动载大小与震源处能 级、传播模式及衰减特征等因素有关。 现场微震监测得到矿震能量一般为顶板破断释 放能量的田倍，结合初次来压阶段亚关键层I 初次 破断前积聚弹性能计算式心3 | ，可得初次来压阶段亚 关键层I 破断产生的矿震能量为 ，，，，g 城⋯ “k r ／u w c 叼5 7 6 E J z 式中，仉为矿震能量；7 ／为能量转换系数，可取 0 ．1 ％～l ％【2 4 1 ；U 。。为亚关键层I 初次破断前积聚的 弹性能；g c 为亚关键层I 上覆岩层载荷；Z 。为亚关键 层I 初次破断步距；E 为顶板岩层的弹性模量；J 为 惯性矩。 文献[ 2 5 ] 对煤矿井下震动波传播规律原位试验 数据进行拟合分析，得到质点峰值振动速度与矿震能 量间关系为 V p 。 0 ．0 6 45 吠_ 如6 3 式中，屹。为质点峰值振动速度。 考虑震动波在传播过程中的衰减现象，文献 [ 2 6 ] 开展了煤矿井下震动波传播规律原位试验，得 到矿震引起的质点振动速度衰减规律为 妩 ％L V 4 式中，圪为传播距离L 处质点峰值振动速度；V o 为震 源处质点峰值振动速度；L 为震动波传播距离；肛为 衰减指数，可取1 ．5 2 6 心7 | 。 矿震应力波在煤岩体中产生的动载心2 】可表示为 o r d P ／s p V P ／s V p P ／s 5 式中，矿。Ⅳ。为P 波、S 波产生的动载；p 为介质密度； ％。为P 波、S 波传播速度； K Ⅳ。为质点由P 波、S 波传播引起的峰值振动速度。 研究表明，覆岩关键层破断产生的高能量矿震 中S 波振幅远比P 波大，动力破坏强度也更大心8 | ，因 此，选取s 波进行顶板破断扰动动载估算。 通过式 2 一 5 可得3 。1 1 0 3 工作面初次来压 阶段亚关键层I 破断时产生的扰动动载为 ， ，，2 1 5 、n 3 5 66 ‰2 0 0 6 4 劫蚝卜耥J L V 6 2 3 叫1 0 3 工作面充分采动阶段受载分析 根据2 ．1 节分析可知，充分采动阶段比周期来 压阶段邻空巷道更易发生冲击失稳，因此在工作面 初次来压后，主要对3 叫1 0 3 工作面