李小亮，郭偉耀，尹延春，肖亞勛，湯興學(xué)

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島266590；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430071）

隨著煤炭資源的開(kāi)采，煤層的開(kāi)采深度也隨之 增加。礦井沖擊地壓危害與日俱增，嚴(yán)重危害煤炭開(kāi)采的安全[1-5]。針對(duì)如何防治沖擊地壓這種礦山動(dòng)力災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)沖擊地壓的機(jī)理進(jìn)行深入的研究。先后提出了強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論[6-7]、三準(zhǔn)則理論[8]等，其中從能量的角度揭示沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理得到了廣大學(xué)者的普遍認(rèn)可，繼而從能量的角度考慮防治措施，是解決沖擊地壓防治問(wèn)題的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過(guò)從能量的角度揭示沖擊地壓機(jī)理來(lái)防止沖擊地壓災(zāi)害，先后提出了一列的理論與防治方法。竇林名等[9]提出的沖擊地壓強(qiáng)度弱化減沖理論，指出在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域通過(guò)采取松散煤巖體的方式，降低煤巖體的強(qiáng)度和沖擊傾向性，使得沖擊危險(xiǎn)性降低。于正興等[10]提出防治沖擊地壓的應(yīng)力三向化理論，通過(guò)對(duì)煤層進(jìn)行擴(kuò)孔卸壓，煤層頂板進(jìn)行斷頂卸壓，煤層底板進(jìn)行斷底卸壓，三向卸壓使應(yīng)力高峰區(qū)向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，從而解除沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。周立春等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得卸壓鉆孔可以改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì), 通過(guò)降低煤體破壞極限強(qiáng)度和密度, 降低了煤體的沖擊傾向性,增加了煤體的應(yīng)變率,在一定范圍內(nèi)形成卸壓保護(hù)帶。譚云亮等[12-13]研究了“煤體”自身能量釋放型和“煤體+頂?shù)装濉惫餐芰酷尫判? 類(lèi)煤巷幫部失穩(wěn)誘沖機(jī)理, 分析了深部煤巷幫部不同破壞類(lèi)型的能量釋放特征,揭示了深部煤巷幫部“卸-固”協(xié)同控制機(jī)理。對(duì)于煤巖體卸壓手段，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者分別采取煤層大鉆孔卸壓、煤層注水、煤層爆破卸壓等技術(shù)來(lái)研究煤層卸壓對(duì)防治沖擊地壓的效果[14-18]，李躍文[19]，劉華博[20]等利用數(shù)值軟件模擬卸壓鉆孔對(duì)巷道煤體的卸壓作用，研究表明：對(duì)煤巖體卸壓能夠釋放煤體內(nèi)部能量，降低沖擊性危險(xiǎn)性，能夠有效的防治沖擊地壓災(zāi)害。目前，關(guān)于煤體卸壓的研究較多，但對(duì)于卸壓后的煤體對(duì)沖擊能量的緩沖吸能效果，以及對(duì)支護(hù)系統(tǒng)影響的問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究和完善。通過(guò)利用PFC 顆粒流模擬卸壓煤體對(duì)沖擊能量的緩沖吸能效果以及對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的影響，揭示了卸壓煤體緩沖吸能的規(guī)律。

1 卸壓煤巖體緩沖吸能機(jī)理

采掘工作面圍巖在高應(yīng)力和開(kāi)采擾動(dòng)的作用下，會(huì)形成破碎區(qū)、損傷區(qū)和彈性區(qū)，其中破碎區(qū)承載能力較低，由破碎煤巖塊體組成，具有非連續(xù)性、接觸耗散性等特征。相對(duì)于完整的煤體，破碎的煤體聚積能量的能力較弱，煤體的沖擊傾向性也大大降低。卸壓煤體緩沖吸能示意圖如圖1，在沖擊荷載作用下，破碎區(qū)煤巖塊體會(huì)相互碰撞、滑動(dòng)或滾動(dòng)，塊體壓實(shí)及進(jìn)一步破碎，對(duì)沖擊起到一定的緩沖作用，從而降低沖擊對(duì)巷道支護(hù)體系的破壞。鑒于破碎區(qū)對(duì)防沖的有利效果，沖擊礦井一般采用大鉆孔卸壓、深孔爆破、高壓注水等方法，進(jìn)一步擴(kuò)大破碎區(qū)的范圍及破碎程度，充分發(fā)揮破碎區(qū)緩沖吸能作用，從而達(dá)到理想的防沖效果。

圖1 卸壓煤體緩沖吸能示意圖Fig.1 Schematic chart of buffer energy absorption of pressure-relief coal

2 巷道圍巖局部模型

為研究巷道周?chē)秹汉蟮钠扑槊簬r體對(duì)沖擊能量的緩沖吸能效果，利用PFC 顆粒流方法，建立了巷道圍巖局部模型，分析巷道圍巖不同卸壓破碎區(qū)損傷度、破碎范圍下破碎煤體對(duì)沖擊能量的緩沖吸能作用，對(duì)卸壓參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。本次模擬建立的破碎圍巖顆粒流模型如圖2，模型分為頂板、底板、煤體和巷幫支護(hù)體。其中頂板、底板、煤體均采用顆粒填充且相互接觸，巷幫支護(hù)體采用墻體模型實(shí)現(xiàn)。煤體劃分為2 部分，一部分為完整煤體，另一部分為破碎煤體。

圖2 破碎圍巖顆粒流模型Fig.2 Particle flow model of fractured surrounding rock

為模擬卸壓破碎煤體，即卸壓煤體中填充的顆粒存在黏結(jié)與無(wú)黏結(jié)顆粒。煤體的破碎程度用無(wú)黏結(jié)的顆粒數(shù)量與填充的總顆粒數(shù)量之比表示，即煤體的損傷度D。破碎煤體的傷度D 用公式表示為：

式中：N0為無(wú)黏結(jié)的顆粒單元數(shù)量；N 為總顆粒單元數(shù)量。

模擬試驗(yàn)中，首先為模擬深部煤巖體受到的高地應(yīng)力，對(duì)模型頂部施加10 MPa 豎向恒定應(yīng)力。為模擬煤巖體收到礦震沖擊，然后在模型左側(cè)施加一正弦速度波作為沖擊源，速度水平向右，周期為10 s，幅值為5 m/s，沖擊源震動(dòng)波波形曲線如圖3，模型中煤巖體參數(shù)選取見(jiàn)表1。

圖3 沖擊源震動(dòng)波波形曲線Fig.3 Waveform curve of vibration wave

表1 模型材料的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model materials

3 卸壓煤體對(duì)沖擊能量的吸收效果

為分析煤體對(duì)沖擊能量的緩沖吸能作用，給定卸壓煤巖體寬3 m、損傷度為40%，且受沖擊荷載作用下時(shí)，在0～4 m 的范圍內(nèi)每隔0.5 m 設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄煤體內(nèi)部動(dòng)能變化，卸壓煤體動(dòng)能監(jiān)測(cè)示意圖如圖4。

圖4 卸壓煤體動(dòng)能監(jiān)測(cè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of kinetic energy monitoring of pressure-relief coal

1）動(dòng)能演化曲線如圖5。分析圖5 曲線發(fā)現(xiàn)：隨著時(shí)間及沖擊源處顆粒速度加載的變化，煤體內(nèi)部動(dòng)能也隨著發(fā)生近似正弦的波動(dòng)變化，且隨距沖擊源距離的增加，動(dòng)能波形曲線極值點(diǎn)時(shí)間延后、數(shù)值逐漸減小。

圖5 動(dòng)能演化曲線Fig.5 Kinetic energy evolution curves

2）不同煤體深度處動(dòng)能極值及減少值如圖6。分析圖6 曲線發(fā)現(xiàn)：完整煤體和卸壓煤體對(duì)動(dòng)能的吸收效果有明顯的差別，在完整煤體中，2 m 的距離動(dòng)能減少值為1.8～2.7 kJ，卸壓煤體每0.5 m 平均吸收動(dòng)能3.2 kJ，卸壓煤體對(duì)沖擊能量的消耗大約是完整煤體的2 倍；在完整煤體與卸壓煤體交界面和卸壓煤體與支護(hù)體交界面附近，煤體對(duì)沖擊能量的消耗明顯增加。

圖6 不同煤體深度處動(dòng)能極值及減少值Fig.6 Extremum and reduction of kinetic energy at different coal body depths

4 不同卸壓條件下支護(hù)體受力分析

4.1 不同損傷度煤體支護(hù)體受力對(duì)比

不同損傷度煤體巷幫支護(hù)體受力變化如圖7。卸壓煤體破碎深度為3 m，考慮了4 種不同的煤體損傷度，即0%、20%、40%、60%，通過(guò)分析曲線發(fā)現(xiàn)：隨著煤體損傷度的增加，靜載下巷幫支護(hù)體受力逐漸增加；與靜載相比，沖擊載荷作用下支護(hù)體受力隨煤體損傷度增加而逐漸減小，這種遞減趨勢(shì)在損傷度0～20%范圍內(nèi)非常顯著，而在損傷度大于20%之后，遞減趨勢(shì)逐漸變緩；當(dāng)卸壓煤體的損傷度在40%左右時(shí)，在保持支護(hù)體受力較小下，并充分吸收沖擊能量。

圖7 不同損傷度煤體巷幫支護(hù)體受力變化Fig.7 Stress change of support body of coal roadside with different damage degrees

4.2 不同破碎深度煤體支護(hù)體受力對(duì)比

由4.1 中，卸壓煤體在損傷度40%時(shí)，能夠達(dá)到較為理想吸收沖擊能量效果，不同破碎深度煤體巷旁支護(hù)體受力變化如圖8。圖8 給出了卸壓煤體損傷度40%，考慮了4 種不同的煤體破碎深度，即1、2、3、4 m，通過(guò)分析曲線發(fā)現(xiàn)：隨著煤體破碎深度的增加，靜載下巷幫支護(hù)體受力逐漸增加；與靜載相比，沖擊作用下支護(hù)力隨煤體破碎深度增加而逐漸減小，這種減小的趨勢(shì)在0～2 m 范圍內(nèi)尤為明顯，而在破碎深度大于2 m 之后，遞減趨勢(shì)逐漸變緩；當(dāng)卸壓煤體的損傷度在40%，破碎深度為3 m 左右時(shí)，達(dá)到較為理想了緩沖吸能效果，減少巷幫支護(hù)體成本。

圖8 不同破碎深度煤體巷旁支護(hù)體受力變化Fig.8 Stress change of support body of coal roadside with different crushing depths

5 工程案例

模擬研究表明，在一定范圍內(nèi)煤體破碎程度與深度越大，對(duì)沖擊荷載的緩沖越有利，但過(guò)度破碎的煤體會(huì)造成支護(hù)體失效，從而變相誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。因此，在進(jìn)行高應(yīng)力煤體卸壓時(shí)，應(yīng)選擇合理的卸壓參數(shù)，確?！靶?支”平衡，即要充分發(fā)揮卸壓煤體緩沖吸能效果，又要確保支護(hù)體的承載強(qiáng)度?，F(xiàn)階段最常用的沖擊地壓局部解危措施是大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑一般為110～150 mm，孔深為10～20 m，鉆孔間距根據(jù)沖擊危險(xiǎn)程度設(shè)計(jì)為1、2、3 m（或1.2 m 的倍數(shù)等）。大直徑卸壓鉆孔施工時(shí)，巷幫淺部支護(hù)影響區(qū)與深部高應(yīng)力區(qū)的孔徑與孔間距參數(shù)一致，參數(shù)設(shè)計(jì)較難滿(mǎn)足“卸-支”平衡的要求。

針對(duì)巷幫深-淺煤體在沖擊地壓防治中的作用與角色不同，唐口礦實(shí)施了1 種分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)，即：巷幫淺部區(qū)域（0～5 m）鉆孔孔徑為90 mm，深部區(qū)域（5～20 m）孔徑擴(kuò)大為230 mm。分段擴(kuò)孔卸壓示意圖如圖9。

圖9 分段擴(kuò)孔卸壓示意圖Fig.9 Block reaming pressure relief diagram

結(jié)合模擬結(jié)果，破碎程度越高的煤巖體對(duì)沖擊能量的緩沖吸能效果越好，該分段擴(kuò)孔技術(shù)通過(guò)對(duì)深部區(qū)域孔徑擴(kuò)大增加深部區(qū)域煤巖體的破碎程度，充分吸收沖擊能量；模擬結(jié)果表明隨著煤體破碎程度的增加，在靜載作用下巷幫支護(hù)體受力也隨之增加，在巷幫淺部區(qū)域減小孔徑減小煤巖體破碎程度，降低巷幫支護(hù)體受力；數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)在完整煤體與卸壓煤體交界面和卸壓煤體與支護(hù)體交界面附近，煤體對(duì)沖擊能量的消耗明顯增加，通過(guò)分段擴(kuò)孔技術(shù)增加交界面也達(dá)到了充分吸收沖擊能量的效果。該技術(shù)可在保證卸壓效果的基礎(chǔ)上，避免過(guò)度破壞支護(hù)體系，確?！靶?支”平衡。

6 結(jié) 論

1）隨著距離沖擊源的距離的增加，煤體內(nèi)部受到?jīng)_擊能量逐漸減小，對(duì)煤體的沖擊效果逐漸降低，且隨著距離的增加，煤體內(nèi)部沖擊荷載呈現(xiàn)波形相似、幅值減小、時(shí)間延后的演化規(guī)律。相較于完整煤體，損傷度40%卸壓煤體吸收沖擊能量是完整煤體的2 倍，卸壓煤體對(duì)沖擊能量的消耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于完整煤體。

2）隨著煤體破碎程度和破碎深度的增加，在靜載作用下巷幫支護(hù)體受力也隨之增加，同時(shí)由于煤體的破碎程度增加對(duì)沖擊能量的消耗也增加，能夠降低沖擊載荷對(duì)支護(hù)體的沖擊，在沖擊載荷作用下，煤巷支護(hù)體受力呈遞減趨勢(shì)。

3）當(dāng)卸壓煤體的損傷度在40%，破碎深度在3 m 時(shí)，能夠充分的吸收沖擊能量同時(shí)減少巷幫支護(hù)體成本。為了達(dá)到理想的卸-支平衡效果，可以采取卸壓煤體破碎帶破碎程度高-低結(jié)合的卸壓方式，即深部高破碎度，淺部低破碎度，能夠有效吸收沖擊能量同時(shí)達(dá)到較好的卸-支平衡。