摘要：斷層構造區(qū)靜動載應力耦合作用加劇了井下斷層區(qū)圍巖沖擊危險性，斷層構造區(qū)巷道圍巖應力分布規(guī)律及沖擊動載響應特征存在顯著特殊性。目前對于斷層構造區(qū)的沖擊研究主要集中于工作面采場附近，但對于斷層構造區(qū)巷道沖擊破壞鮮有研究。以陜西某礦深埋高應力斷層構造區(qū)巷道為工程背景，分析了斷層構造區(qū)巷道圍巖變形破壞力學特征：① 斷層面存在明顯應力阻隔效應，正斷層附近存在上盤應力集中區(qū)和下盤應力降低區(qū)2 個特殊應力區(qū)。巷道由于斷層面影響，巷幫靜載集中應力呈現(xiàn)非對稱分布特征，遠離斷層面?zhèn)葢谐潭却笥诳拷鼣鄬用鎮(zhèn)?，該側巷道圍巖沖擊破壞危險程度增大。② 斷層面對于應力波傳遞產(chǎn)生明顯阻隔作用，正斷層上盤動載響應大于下盤動載響應，由于巷道兩幫應力非對稱分布特征，右?guī)蛣虞d響應明顯大于左幫?；谏鲜鎏卣?，提出了斷層構造區(qū)巷道圍巖“卸（大直徑鉆孔卸壓）?支（梯次加固成層式吸能防沖支護）”協(xié)同防沖控制技術，工程試驗結果表明：① 巷道圍巖采取“卸?支”協(xié)同防沖處理措施后，巷道兩幫應力集中區(qū)往圍巖深部轉移3～5 m，應力峰值降低18.5%～20.3%，巷道幫部圍巖應力集中程度顯著降低。② 采用“卸?支”協(xié)同防沖處理措施前，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為856，334，325，567 mm，巷道圍巖變形破壞嚴重，采用“卸?支”協(xié)同防沖處理措施后，巷道圍巖變形量降低35.69%～62.03%，巷道圍巖穩(wěn)定性增強。③ 鉆孔煤粉量顯著低于臨界粉煤量，巷道圍巖動力顯現(xiàn)降低。

關鍵詞：高應力斷層構造區(qū)；沖擊地壓；斷層面；巷道圍巖；巷道防沖；大直徑鉆孔卸壓；梯次加固成層式吸能防沖支護

中圖分類號：TD353 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國煤炭資源開采強度增大，煤炭開采深度以年均8～12 m 的速度增加[1]，煤炭開采逐漸進入深部地層。深部煤炭開采存在“ 三高一擾動” 特征[2-3]，其中斷層作為深部煤炭資源開采常見地質(zhì)構造，易引起高應力與強沖擊，導致礦井生產(chǎn)系統(tǒng)變形，礦壓顯現(xiàn)明顯，嚴重影響礦井安全高效生產(chǎn)。

許多學者圍繞斷層構造區(qū)圍巖應力分布特征與沖擊破壞機理進行了研究。蔡武等[4]揭示了斷層沖擊地壓是由斷層附近圍巖高靜載與采動應力主導型或礦震動載主導型斷層活化動載疊加誘發(fā)所致。魏向志[5]研究發(fā)現(xiàn)斷層逆沖滑移產(chǎn)生的高水平應力和巨厚礫巖大面積懸頂產(chǎn)生的高垂直應力為沖擊地壓孕災提供了力源條件。郭長升等[6]研究了采動條件下斷層及其附近煤層應力時空分布規(guī)律，分析了斷層各處力學狀態(tài)全貌。孟祥軍等[7]揭示了覆巖結構運移演化規(guī)律及采動應力傳遞形成機制，提出了高應力突變致災宏觀判別準則。魏世明等[8]模擬了逆斷層上下盤開采時應力變化及斷層活化過程，分析了工作面在斷層不同區(qū)域沖擊危險性。榮海等[9]計算了井田構造應力，研究了斷層構造對沖擊地壓的宏觀控制作用。王宏偉等[10]研究了斷層覆巖失穩(wěn)突變效應，探討了覆巖運移和斷層滑移失穩(wěn)關聯(lián)耦合力學機制。王志強等[11]研究了臨近斷層工作面采動誘沖機制，分析了斷層沖擊影響因素。吳振華等[12]分析了地塹構造區(qū)域覆巖運動特征與應力演化規(guī)律，揭示了地塹區(qū)域沖擊誘發(fā)機理。潘立友等[13]建立了斷層誘發(fā)沖擊力學模型，分析了斷層夾持型不規(guī)則工作面沖擊地壓成因。王愛文等[14]基于覆巖空間結構失穩(wěn)與斷層活化耦合致災原理，研究了巨型逆沖斷層影響下巨厚堅硬頂板易沖擊煤層沖擊顯現(xiàn)特征。李振雷等[15]建立了斷層閉鎖與解鎖滑移力學模型，理論推導了斷層上行解鎖和下行解鎖判定公式。王同旭等[16]分析了斷層面應力場與位移場演化規(guī)律，探討了斷層活化失穩(wěn)面積變化趨勢及能量分布特征。林遠東等[17]研究了采動影響下斷層穩(wěn)定性問題及系統(tǒng)參量對斷層穩(wěn)定性的影響，提出了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性方法。譚云亮等[18-19]和譚彥等[20]研究了斷層兩盤活動差異性，分析了斷層區(qū)域沖擊地壓影響因素及孕災機制。張翔等[21]研究了深厚表土綜放采場斷層煤柱整體失穩(wěn)型沖擊地壓機制，提出了分級承載多層卸壓防沖技術。綜上所述，斷層構造區(qū)靜動載應力耦合作用加劇了井下斷層區(qū)域圍巖沖擊危險性，目前對于斷層構造區(qū)的沖擊研究主要集中于工作面采場附近，但對于斷層構造區(qū)的巷道沖擊破壞鮮有研究。巷道作為煤礦井下主要運輸系統(tǒng)，斷層構造區(qū)的巷道圍巖應力分布規(guī)律及沖擊動載響應特征存在顯著特殊性，因此迫切需要開展斷層構造區(qū)巷道沖擊破壞特征研究，提高斷層構造區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性。

本文以陜西某礦深埋高應力斷層構造區(qū)巷道為工程背景，通過分析斷層構造區(qū)巷道圍巖應力分布規(guī)律、沖擊動載應力波傳播過程及巷道圍巖動力響應特征，揭示高應力斷層構造區(qū)巷道圍巖沖擊變形破壞特征，提出相應防沖技術措施，為類似巷道防沖設計提供參考依據(jù)。

1 巷道地質(zhì)概況

401102 回風巷位于401 盤區(qū)4 煤中部，平均埋深為720 m，為全煤巷道，4 煤平均厚度為27 m，煤層傾角為3°， 巷道周圍存在DF29 正斷層， 斷層落差H 為18 m，傾角為60～65°，屬于典型深埋高應力構造區(qū)巷道。巷道斷面尺寸為5.5 m×3.75 m，北側為401102 工作面，南側為401101 采空區(qū)，巷道直接頂為泥巖，基本頂為厚36 m 的中砂巖，頂板破斷動載擾動強。位于DF29 正斷層面上盤附近5～30 m 區(qū)間的巷道圍巖出現(xiàn)頂板下沉和兩幫非對稱移近現(xiàn)象，嚴重影響礦井安全高效生產(chǎn)。401102 回風巷平面布置如圖1 所示。

2 斷層構造區(qū)巷道沖擊破壞力學分析

根據(jù)井下斷層構造區(qū)巷道空間與地層分布特征，建立斷層構造區(qū)巷道沖擊破壞模型，如圖2 所示。

由于巷道開挖，采掘擾動破壞地層原巖應力平衡狀態(tài)，巷道周圍出現(xiàn)靜載應力集中。厚硬頂板受回采擾動影響，頂板破斷釋放集聚彈性能，形成沖擊震源。頂板動載應力波以震源為中心，向四周進行傳遞，當頂板動載應力與巷幫周圍高靜載集中應力疊加大于巷道臨界應力時，巷道圍巖將發(fā)生沖擊動力破壞，即

σs +σd≥σbmin （1）

式中：σs 為巷道靜荷載應力，MPa；σd 為巷道動荷載應力， MPa； σbmin 為巷道發(fā)生沖擊破壞臨界荷載應力，MPa。

由于巖層阻尼效應，巷道頂板破斷沖擊動載隨傳播距離增大，呈冪函數(shù)衰減，即

式中：E0 為頂板沖擊震源強度，MPa；λi 為第i 種介質(zhì)的衰減系數(shù)；n 為介質(zhì)總數(shù)；Li 為應力波在第i 種介質(zhì)中的傳播距離，m。

基于最小能量原理可得，巷道發(fā)生沖擊破壞臨界荷載應力為

σbmin = Ec （3）

式中Ec 為煤巖體單軸抗壓強度，MPa。

在常規(guī)地質(zhì)條件下，巷道圍巖發(fā)生沖擊動力破壞判據(jù)為

深埋巷道周圍往往存在斷層等地質(zhì)構造，由于斷層影響，斷層構造區(qū)存在構造荷載應力σg，巷道開挖之后靜載應力與構造荷載應力疊加，導致巷道周圍出現(xiàn)高靜載應力集中。頂板破斷產(chǎn)生沖擊動載，巷道周圍高靜載集中應力與動載應力疊加，疊加后的靜動載應力顯著高于巷道沖擊臨界應力，巷道周圍形成沖擊啟動區(qū)，沖擊啟動區(qū)集聚高能量瞬時釋放，推動巷幫破壞區(qū)煤巖體出現(xiàn)動力破壞，因此在斷層構造影響下，巷道沖擊破壞判據(jù)為

由式（5）可知，斷層構造區(qū)的構造應力增大了巷道圍巖靜載能量集聚，較小沖擊能量即可誘發(fā)巷道圍巖沖擊破壞，且斷層構造區(qū)頂板活動較常規(guī)地質(zhì)段更加活躍，頂板破斷及斷層滑移易產(chǎn)生不同強度沖擊動載，動靜載疊加導致斷層構造區(qū)巷道圍巖沖擊危險性顯著增大。

3 斷層構造區(qū)巷道沖擊破壞特征模擬研究

由斷層構造區(qū)巷道沖擊破壞力學分析可知，斷層構造應力增大了巷道圍巖沖擊危險性，因此研究斷層構造區(qū)巷道圍巖應力分布特征及動靜載疊加巷道圍巖動力響應特征，可為巷道防沖設計提供依據(jù)。

3.1 數(shù)值模型

由于斷層上盤區(qū)域巷道沖擊破壞嚴重，所以根據(jù)401102 回風巷地質(zhì)條件和煤巖力學參數(shù)，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，建立110 m×75 m×50 m（長×寬×高）三維數(shù)值模型，回風巷布置于上盤區(qū)域煤層中部，如圖3 所示。模型采用莫爾庫侖準則，水平和垂直方向分別施加24.3，15.2 MPa 荷載，模型四周邊界固定。

模型采用靜力模塊和動力模塊依次加載，根據(jù)現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及震源定位，在距巷道頂板30 m的中砂巖位置設置沖擊震源。動載施加采用余弦波，頻率為50 Hz，沖擊動載作用時間為0.06 s，震源強度分別為10 ， 30 ， 60， 100 MPa，動載參數(shù)見表1，動力計算時間為0.3 s。模擬研究斷層構造區(qū)巷道圍巖靜載應力分布特征及不同沖擊強度作用下巷道圍巖動力響應特征。

3.2 巷道圍巖靜載應力分布特征

在斷層構造區(qū)及巷道位置布置水平測線，監(jiān)測斷層構造區(qū)及巷道圍巖垂直應力分布特征，如圖4—圖7 所示。

由圖4 和圖6 可看出，以斷層面為界線，正斷層上盤作為滑動主動盤，受到重力作用及斷層面之間的相互作用，正斷層上盤應力較下盤應力高，上盤應力達19.62 MPa，下盤應力達15.24 MPa，上盤應力較下盤應力高4.38 MPa，正斷層上盤存在應力增高區(qū)，未受采動影響的上盤煤體具有高靜載應力特征，且應力影響范圍可達40 m。

由圖5 和圖7 可看出，巷道開挖后，巷道兩幫出現(xiàn)靜載應力集中，由于斷層影響，巷道兩幫集中應力呈現(xiàn)非對稱分布特征，右?guī)蛻袇^(qū)偏向頂板，左幫應力集中區(qū)偏向底板， 左右?guī)蛻χ捣謩e為27.19， 30.64 MPa，右?guī)蛻^左幫高3.45 MPa。在高應力作用下，巷道右?guī)透灼茐?，這與巷道實際破壞情況相符，即遠離斷層面的巷道幫部變形量較靠近斷層面?zhèn)鹊南锏缼筒孔冃瘟看?，巷道幫部變形呈現(xiàn)非對稱特征。

綜上分析可知，斷層面存在明顯應力阻隔效應，正斷層附近存在上盤應力集中區(qū)和下盤應力降低區(qū)2 個特殊應力區(qū)。巷道由于斷層面影響，巷幫靜載集中應力呈現(xiàn)非對稱分布特征，遠離斷層面?zhèn)葢谐潭却笥诳拷鼣鄬用鎮(zhèn)龋搨认锏绹鷰r沖擊破壞危險程度增大。

3.3 巷道圍巖動載應力分布特征

模擬沖擊動載作用下應力波傳播規(guī)律，監(jiān)測巷道圍巖動載響應特征，如圖8、圖9 所示。其中左幫、右?guī)秃晚敯遒|(zhì)點振動速度擬合曲線分別為Vz，Vy， Vr，擬合系數(shù)為R2， Vz=0.096exp（x/118.164）?0.103，R2=0.998，Vy=0.426exp（x/186.115）?0.452，R2=0.994，Vr=1.728exp（x/312.130）?1.780，R2=0.998。

由圖8 可看出，沖擊動載應力波以震源為中心，以球形形式往外傳遞；0～0.01 s 為應力起始振動期，該期間震源破裂釋放能量，往圍巖四周進行傳遞，引起圍巖開始振動；0.01～0.07 s 為應力波動期，震源破裂釋放能量，引起巷道圍巖開始振動；0.07～0.30 s 為應力衰減期，震源殘余能量通過圍巖質(zhì)點慢速振動，快速消耗其能量。巷道周圍存在DF29 正斷層，斷層面為軟弱破碎帶，由于介質(zhì)兩側波阻抗差異，斷層面對動載應力波傳遞產(chǎn)生明顯阻隔作用，應力波傳遞主要集中于斷層上盤區(qū)域，下盤區(qū)域應力波傳遞較少，所以上盤區(qū)域受動載擾動明顯大于下盤區(qū)域。

由圖9 可看出，隨著沖擊強度增大，巷道圍巖質(zhì)點振動速度呈指數(shù)型增大，頂板質(zhì)點振動速度顯著大于幫部質(zhì)點振動速度，這主要是由于沖擊震源位于頂板，應力波傳遞到巷道頂板較幫部距離短，所以頂板動載響應更為劇烈。其中右?guī)唾|(zhì)點振動速度顯著大于左幫，這主要是由于受斷層構造影響，巷道兩幫應力呈現(xiàn)非對稱分布特征，右?guī)蛻谐潭容^左幫大，所以在沖擊動載作用下，右?guī)蛣虞d響應更為強烈，巷道右?guī)蜎_擊危險性顯著大于左幫。

綜上所述，斷層面對于應力波傳遞產(chǎn)生明顯阻隔作用，正斷層上盤動載響應大于下盤動載響應。由于巷道兩幫應力非對稱分布特征，右?guī)蛣虞d響應明顯大于左幫。

4 斷層構造區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術

根據(jù)斷層構造區(qū)巷道沖擊破壞機理及數(shù)值模擬研究，提出斷層構造區(qū)巷道圍巖“卸?支”協(xié)同防沖控制技術。

4.1 大直徑鉆孔卸壓技術

由于斷層構造應力影響，巷道兩側應力呈非對稱分布特征，為巷道圍巖沖擊提供了先決條件，所以可在巷道兩幫布置大直徑鉆孔，其卸壓原理如圖10所示。通過強排煤粉在巷道幫部構建松散層斷裂帶，轉移巷道圍巖高靜載于圍巖深部，降低巷道幫部靜載能量集聚。由于遠離斷層面?zhèn)认飵蛻谐潭却?，所以在遠離斷層面可設計直徑為113～153 mm、長度為15～20 m、間距為0.8～1 m 的卸壓孔；靠近斷層面設計直徑為113～153 mm、長度為15～20 m、間距為1.5～2 m 的卸壓孔。兩側卸壓孔根據(jù)巷道圍巖實際應力分布特征呈非對稱設計，實現(xiàn)巷道圍巖有效卸壓。

4.2 巷道圍巖補強加固技術

斷層構造區(qū)受高靜載應力和強動載影響，巷道淺表裂隙發(fā)育，采用常規(guī)錨網(wǎng)支護易出現(xiàn)冒頂及錨桿支護失效等情況，巷道圍巖控制難度大?；诖?，提出梯次加固成層式吸能防沖支護技術，原理如圖11 所示。利用長短錨桿索及吸能構件在巷道圍巖內(nèi)部構建一階補強加固支護層（錨桿）、二階抗沖強化層（中錨索）與三階懸吊吸能支護層（長錨索+吸能構件），利用三階協(xié)同支護在巷道圍巖內(nèi)部構建成層式吸能支護殼。通過優(yōu)化支護參數(shù)設計，充分發(fā)揮錨網(wǎng)索主動支護防沖性能，提高深部巷道圍巖穩(wěn)定性。

5 工程試驗

依據(jù)巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術對DF29 正斷層上盤斷層面區(qū)域50 m 進行了圍巖鉆孔卸壓與支護補強加固處理，通過分析圍巖變形量、應力分布特征與煤粉監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證“卸?支”協(xié)同防沖技術效果。

5.1 試驗方案

1） 大直徑鉆孔卸壓。遠離斷層面?zhèn)任挥?01102 回風巷道煤柱側，靜載應力集中高，在距離巷道底板1.5 m 位置處布置直徑為153 mm 的大直徑鉆孔，鉆孔間距為1 m、長度為15 m?？拷鼣鄬用?zhèn)任挥?01102 回風巷道實體煤側，在距離巷道底板高度1.2 m 處布置直徑為113 m 的大直徑鉆孔，鉆孔間距為1.5 m、長度為20 m。

2） 圍巖補強加固。401102 回風巷斷面尺寸為5.5 m×3.75 m，原支護方案采用錨網(wǎng)支護，頂板錨桿為?22 mm×2 500 mm，間排距為700 mm×700 mm，預緊力為150 kN。錨索為?21.8 mm×7 100 mm，間排距為1 200 mm×1 400 mm，預緊力為200 kN。幫部錨桿為?22 mm×2 500 mm，間排距為700 mm×700 mm，預緊力為150 kN?？紤]到原有支護方案強度低，錨桿和錨索抗沖性能差，頂板采用8.3 m 長錨索+讓壓管進行吸能支護，幫部采用7.1 m 中錨索進行補強加固支護，在巷道周圍形成梯次加固成層式吸能防沖支護殼。補強支護方案：頂板長錨索為?21.8 mm×8 300 mm，間排距為1 500 mm×1 400 mm，預緊力為300 kN，每根長錨索裝配讓壓管； 幫部中錨索為?21.8 mm×7 100 mm，靠近斷層面?zhèn)却怪毕飵筒荚O1 根，距離底板高度為1 500 mm，排距為1 400 mm；遠離斷層面?zhèn)戎绣^索間排距為1 500 mm×1 400 mm，中錨索預緊力為250 kN。補強支護整體方案如圖12 所示。

5.2 試驗效果

現(xiàn)場監(jiān)測巷道圍巖“卸?支”協(xié)同前后圍巖控制效果，如圖13—圖15 所示。

由圖13 可看出，巷道圍巖采取“卸?支”協(xié)同防沖處理措施后，巷道兩幫應力集中區(qū)往圍巖深部轉移3～5 m，應力峰值降低18.5%～20.3%，巷道幫部圍巖應力集中程度顯著降低。由圖14 可看出，采用“卸?支”協(xié)同防沖處理措施前，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為856，334，325，567 mm，巷道圍巖變形破壞嚴重；采用“卸?支”協(xié)同防沖處理措施后，巷道圍巖變形量降低35.69%～62.03%，巷道圍巖穩(wěn)定性增強。由圖15 可看出，采用“卸?支”協(xié)同防沖處理措施后，鉆孔煤粉量顯著低于臨界煤粉量，巷道圍巖動力顯現(xiàn)降低。

6 結論

1） 分析了斷層構造區(qū)巷道圍巖變形破壞力學特征，斷層構造區(qū)構造集中應力增大了巷道圍巖靜載能量集中程度，疊加較小沖擊動載，即可誘發(fā)巷道圍巖沖擊破壞，增強巷道圍巖沖擊危險性。

2） 斷層面具有應力阻隔效應，由于斷層面影響，斷層上盤存在應力集中現(xiàn)象，且位于上盤區(qū)域的巷道幫部應力呈現(xiàn)非對稱分布特征，增強了幫部非對稱沖擊變形破壞。

3） 斷層面對動載應力波傳遞具有阻斷效應，位于上盤區(qū)域的巷道受沖擊動載影響較大，且隨著沖擊能量增大，巷道圍巖動力響應加劇，遠離斷層面?zhèn)认飵推茐某潭容^靠近斷層面?zhèn)认飵推茐膰乐亍?/p>

4） 提出了斷層構造區(qū)巷道圍巖“卸?支”協(xié)同防沖控制技術，采用大直徑鉆孔卸壓和梯次加固成層式吸能防沖支護技術，可降低斷層構造區(qū)巷道沖擊危險性，提高巷道圍巖穩(wěn)定性。采用“卸?支”協(xié)同措施后，巷道圍巖應力峰值降低18.5%～20.3%，變形量降低35.69%～62.03%，鉆孔煤粉量低于臨界值，巷道圍巖穩(wěn)定性增強。

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基金項目：國家自然科學基金項目（52104081） ；河北省自然科學基金項目（E2022402031） ；河北省高等學校科學技術研究項目（BJK2023080）。