深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究_万晓.pdf

1632023 年第 2 期万 晓等：深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究万 晓等：深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究万 晓 赵荣学 贾海宾（山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918）摘 要 通过分析深部大巷临界冲击载荷与围岩强度的关系，建立了深部大巷巷间煤柱、停采保护煤柱力学模型用于静载荷估算，提出了基于深部大巷静载荷与围岩强度的冲击危险性评价方法及分级指标，研究成果在矿区深部大巷冲击危险性评价得到了实际应用。关键词 冲击地压；深部大巷；静载荷；危险性评价；震波 CT 探测中图分类号 TD324 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.057Study on Static Load Estimation and Impact Hazard Assessment of Deep Main RoadwayWan Xiao Zhao Rongxue Jia Haibin(Shandong Xinjulong Energy Co.,Ltd.,Shandong Heze 274918)Abstract:Based on the analysis of the relationship between the critical impact load of deep main roadway and the strength of surrounding rock,the mechanical models of coal pillar and stop mining protective coal pillar between the deep main roadway are established for static load estimation.The impact hazard assessment method and classification index based on the static load and surrounding rock strength of deep main roadway are put forward,and the research results are applied in the impact risk assessment of deep main roadway in mining area.Key words:rock burst;deep main roadway;static load;risk assessment;seismic wave CT detection 收稿日期 2022-06-09作者简介 万晓（1981），男，山东泰安人，2011 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，研究生，工程硕士学位，工程师，现从事采矿工程管理工作。万 晓等：深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究万 晓等：深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究近十多年来，我国在深部开采设计中由于缺乏防冲理念1，对深部矿井盘（采）区大巷稳定性的诸多研究，主要为解决大巷变形破坏等问题2-5，而对于深井大巷的冲击地压问题研究较少。针对深部盘（采）区大巷冲击地压问题，潘俊锋等6提出深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型，采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。上述研究成果侧重于深部大巷成巷后的冲击地压防治，而对深部大巷冲击危险性评价研究较少。为此，以近年来深部大巷冲击地压显现为工程背景，研究了深部大巷冲击危险性评价方法，将研究成果应用于新巨龙公司深部大巷的冲击危险性评价，采用震波CT现场探测对评价结果进行了分析。1 深部大巷冲击危险性分析1.1 深部大巷冲击启动载荷路径针对深部大巷高静载加载型冲击，以深部大巷围岩冲击地压启动区域的垂直应力变化为研究对象，深部大巷静载荷主要包括自重应力、构造应力、巷道开挖转移应力及工作面开采转移应力，即大巷开挖区域分别叠加构造应力集中系数 K1、巷道围岩侧向支承压力集中系数 K2以及采空区走向支承压力集中系数 K3。由于在考虑应力集中系数时多次考虑自重应力，故应该减去多考虑自重应力，获得深部大巷围岩静载荷 J，公式表达如下：J=（K1+K2+K3-2）H （1）式中：K1、K2、K3为已知系数；H为深部大巷埋深，m；为岩土体的天然重度，kN/m3。深部大巷冲击地压启动荷载路径如图 1。图 1 深部大巷冲击地压启动载荷路径1642023 年第 2 期图中：H 为大巷埋深，m；为岩土体的天然重度，kN/m3；K1为大巷开挖前构造应力造成的应力集中系数，K11；K2为大巷开挖后巷道围岩侧向支承压力集中系数，K21；K3为大巷两侧工作面开采后作用于深井大巷的走向支承压力集中系数，K31。将深部大巷静载荷加载分为三个阶段：（1）OA 段：大巷开挖前的巷道围岩处于高静载，主要包括自重应力、构造应力。（2）AB 段：巷道开挖后侧向支承压力作用于围岩开始加载。（3）BC 段：大巷两侧工作面开采后采空区走向支承压力作用于围岩开始加载。综上，深部大巷高静载加载型冲击地压发生判据见式（2）。J-L 0 （2）式中：J为深部大巷静载荷；L为冲击地压发生临界载荷。1.2 深部大巷静载荷估算（1）自重及构造应力深部大巷自重应力的估算主要有两种：经验估算法和地应力测试法 7-8。（2）大巷保护煤柱应力建立沿工作面采空区走向方向的盘（采）区大巷保护煤柱应力计算模型，假设 Hmax为大巷埋深，为岩层断裂角，Mi为关键层 i 厚度，Lwi为关键层i 跨度，hmax为压力传递拱的最大高度，Hi为关键层i 厚度中心到采空区底板的距离，如图 2。图 2 盘（采）区大巷保护煤柱应力估算模型大巷保护煤柱所受静载荷主要为自重应力及工作面采空区侧向支承压力，其自重产生的垂直应力t估算见式（3）：maxmaxtmaxmaxmaxmax 0cot=tan cotcot cothxhxxhHHxH|，（3）非充分采动条件下，假设第 i 个关键层传递到一侧工作面前方的重量为其重量的一半，传递到煤层上的应力增量近似为等腰三角形分布，则第 i 个关键层传递到一侧工作面前方的垂直应力增量见式（4）：()maxmaxtan/0cot=21/2tan cot2cot0 2cotiiiiiiiiix HxHxHxHHxH|，（4）式（4）中，maxi为第 i 层关键层作用在煤层上的垂直最大支承压力，MPa，见式（5）：maxi=qitan/Hi （5）式（5）中，qi为第 i 层关键层在采空区悬露部分重量的一半，N/m，见式（6）：qi=LiMi/2 （6）综上，保护煤柱上方的静载荷见式（7）：tt1in=+（7）（3）静载荷叠加综合上述研究，建立深部大巷区域静载荷垂直应力估算模型如图 3，进一步估算深部大巷垂直应力分布曲线。图 3 大巷区域静载荷垂直应力估算模型1.3 深部大巷冲击危险性评价及分级深部大巷冲击地压发生判据见式（8）：J-c0 （8）假设深部大巷围岩单轴抗压强度为 c，双向抗压强度为 1.53 倍的 c，三向抗压强度为 35 倍的c。引入深部大巷冲击危险性指数 Cw，见式（9），可得深部大巷冲击危险性分级指标见表 1。Cw=J/c （9）式中：J为大巷围岩静载荷；c为大巷围岩单轴抗压强度。1652023 年第 2 期万 晓等：深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究万 晓等：深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究表 1 深部大巷冲击危险性分级指标Cw0111.51.533冲击危险性无弱中等强2 现场应用2.1 工程概况新巨龙公司-980 m 水平八采区为单翼开采，目前首采 8301 综放工作面已经回采完毕，埋深约 900 m，煤层平均厚度 9.06 m，工作面倾向宽度 260 m。工作面停采线距-980 m 边界进风下山约 160220 m，-980 m 边界运输下山约 240300 m，-980 m 边界回风下山距停采线约 320380 m，如图 4。图 4 8301 工作面示意图矿井在开采过程中大巷区域有过冲击地压显现，故需对该区域大巷冲击危险性进行分析，采用上述研究对该区域的大巷冲击危险性进行评价。2.2 静载荷估算（1）自重及构造应力采用应力解除法对该区域自重及构造应力进行测试，测试结果见表 2。结果表明该区域属 Hv型地应力场，通过原位测试法得到 K1H 为 27.33 MPa。表 2 地应力测试结果主应力类别主应力值/MPa方位角/（）倾角/（）H45.21997V27.33461h25.3619227（2）巷间煤柱应力根据巷道宽度 4.8 m，取 a 为 2.4 m；采用井下钻屑法实测距离巷帮 79 m 左右钻屑量较大，取 L1为 8 m；根据矿井工程经验取侧向支承压力峰值系数 K2为 1.5，近似巷道煤壁垂直应力为 0。根据现场实测和工程经验简化，计算可得巷道开挖影响范围 L2约为 25.5 m。大巷巷间煤柱为 80 m，进一步估算下山巷道的应力分布曲线如图 5。2.3 冲击危险性评价与现场探测（1）冲击危险性评价根据下山巷道距 8301 采空区距离不同，8301采空区对应的-980 m 边界进风下山、-980 m 边界运输下山、-980 m 边界回风下山巷道应力峰值变化如图 6。-980 m 边界进风下山布置在煤层底板细砂岩，实验室测试其单轴抗压强度约为 79.3 MPa；-980 m边界回风下山和-980 m 边界运输下山布置在煤层中，实验室测试其单轴抗压强度约为 13.51 MPa。图 5 下山巷道巷间煤柱垂直应力分布示意 图 6 下山巷道围岩垂直应力峰值变化曲线分别对三条下山的冲击危险性进行评价。-980 m 边界进风下山围岩静载荷为 4553 MPa，巷道围岩单轴抗压强度约为 79.3 MPa，巷道无冲击危险；-980 m 边界运输下山大巷围岩静载荷为 4240 MPa，巷道围岩单轴抗压强度约为 13.51 MPa，巷道具有强冲击危险；-980 m 边界回风下山大巷围岩静载荷为 40 MPa，巷道围岩单轴抗压强度约为13.51 MPa，巷道具有强冲击危险。（2）现场探测采用 PASAT-M 型便携式震波 CT 探测系统对8301 采空区对应下山区域进行了震波 CT 原位探测，评估了下山区域的冲击地压危险状态，如图 7。根据评价模型，探测区域内-980 m 边界运输下山冲击危险性较高，-980 m 边界进风下山冲击危险性较低，现场探测结果与本文提出的评价方法相符。图 7 8301 采空区对应下山区域震波 CT 探测结果1662023 年第 2 期3 朱德亚.模糊综合评价法在杨庄煤矿地质构造分类中的应用 J.山东煤炭科技，2017（10）：168-169+177.4 陈娅鑫，王峰，李焕同，等.彬长矿区小庄煤矿构造发育特征及其对开采的影响分析 J.中国煤炭，2019，45（07）：111-115.3 结论（1）研究了深部大巷冲击地压启动载荷路径，提出了基于静载荷和临界冲击载荷的深部大巷冲击危险性评价方法及分级指标。（2）建立了深部大巷巷间煤柱、停采保护煤柱力学模型，提出了工程经验、原位测试、实验室测试等相结合的深部大巷静载荷估算方法。（3）以新巨龙公司深部大巷冲击地压灾害防治为工程背景，将研究成果应用于下山区域冲击危险性评价，采用震波 CT 探测技术对评价结果进行了现场验证，表明研究成果可以初步用于深部大巷的冲击危险性评价。【参考文献】1 齐庆新，李一哲，赵善坤，等.我国煤矿冲击地压发展 70 年：理论与技术体系的建立与思考 J.煤炭科学技术，2019，47（09）：1-40.2 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