李小亮，郭伟耀，尹延春，肖亚勋，汤兴学

（1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛266590；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉430071）

随着煤炭资源的开采，煤层的开采深度也随之 增加。矿井冲击地压危害与日俱增，严重危害煤炭开采的安全[1-5]。针对如何防治冲击地压这种矿山动力灾害，国内外研究学者对冲击地压的机理进行深入的研究。先后提出了强度理论、刚度理论、能量理论[6-7]、三准则理论[8]等，其中从能量的角度揭示冲击地压发生的机理得到了广大学者的普遍认可，继而从能量的角度考虑防治措施，是解决冲击地压防治问题的关键。国内外研究学者通过从能量的角度揭示冲击地压机理来防止冲击地压灾害，先后提出了一列的理论与防治方法。窦林名等[9]提出的冲击地压强度弱化减冲理论，指出在冲击危险区域通过采取松散煤岩体的方式，降低煤岩体的强度和冲击倾向性，使得冲击危险性降低。于正兴等[10]提出防治冲击地压的应力三向化理论，通过对煤层进行扩孔卸压，煤层顶板进行断顶卸压，煤层底板进行断底卸压，三向卸压使应力高峰区向煤岩体深部转移，从而解除冲击危险区域。周立春等[11]通过室内试验测得卸压钻孔可以改变煤体的物理力学性质, 通过降低煤体破坏极限强度和密度, 降低了煤体的冲击倾向性,增加了煤体的应变率,在一定范围内形成卸压保护带。谭云亮等[12-13]研究了“煤体”自身能量释放型和“煤体+顶底板”共同能量释放型2 类煤巷帮部失稳诱冲机理, 分析了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征,揭示了深部煤巷帮部“卸-固”协同控制机理。对于煤岩体卸压手段，国内外研究学者分别采取煤层大钻孔卸压、煤层注水、煤层爆破卸压等技术来研究煤层卸压对防治冲击地压的效果[14-18]，李跃文[19]，刘华博[20]等利用数值软件模拟卸压钻孔对巷道煤体的卸压作用，研究表明：对煤岩体卸压能够释放煤体内部能量，降低冲击性危险性，能够有效的防治冲击地压灾害。目前，关于煤体卸压的研究较多，但对于卸压后的煤体对冲击能量的缓冲吸能效果，以及对支护系统影响的问题有待进一步的研究和完善。通过利用PFC 颗粒流模拟卸压煤体对冲击能量的缓冲吸能效果以及对支护系统的影响，揭示了卸压煤体缓冲吸能的规律。

1 卸压煤岩体缓冲吸能机理

采掘工作面围岩在高应力和开采扰动的作用下，会形成破碎区、损伤区和弹性区，其中破碎区承载能力较低，由破碎煤岩块体组成，具有非连续性、接触耗散性等特征。相对于完整的煤体，破碎的煤体聚积能量的能力较弱，煤体的冲击倾向性也大大降低。卸压煤体缓冲吸能示意图如图1，在冲击荷载作用下，破碎区煤岩块体会相互碰撞、滑动或滚动，块体压实及进一步破碎，对冲击起到一定的缓冲作用，从而降低冲击对巷道支护体系的破坏。鉴于破碎区对防冲的有利效果，冲击矿井一般采用大钻孔卸压、深孔爆破、高压注水等方法，进一步扩大破碎区的范围及破碎程度，充分发挥破碎区缓冲吸能作用，从而达到理想的防冲效果。

图1 卸压煤体缓冲吸能示意图Fig.1 Schematic chart of buffer energy absorption of pressure-relief coal

2 巷道围岩局部模型

为研究巷道周围卸压后的破碎煤岩体对冲击能量的缓冲吸能效果，利用PFC 颗粒流方法，建立了巷道围岩局部模型，分析巷道围岩不同卸压破碎区损伤度、破碎范围下破碎煤体对冲击能量的缓冲吸能作用，对卸压参数设计提供一定的指导。本次模拟建立的破碎围岩颗粒流模型如图2，模型分为顶板、底板、煤体和巷帮支护体。其中顶板、底板、煤体均采用颗粒填充且相互接触，巷帮支护体采用墙体模型实现。煤体划分为2 部分，一部分为完整煤体，另一部分为破碎煤体。

图2 破碎围岩颗粒流模型Fig.2 Particle flow model of fractured surrounding rock

为模拟卸压破碎煤体，即卸压煤体中填充的颗粒存在黏结与无黏结颗粒。煤体的破碎程度用无黏结的颗粒数量与填充的总颗粒数量之比表示，即煤体的损伤度D。破碎煤体的伤度D 用公式表示为：

式中：N0为无黏结的颗粒单元数量；N 为总颗粒单元数量。

模拟试验中，首先为模拟深部煤岩体受到的高地应力，对模型顶部施加10 MPa 竖向恒定应力。为模拟煤岩体收到矿震冲击，然后在模型左侧施加一正弦速度波作为冲击源，速度水平向右，周期为10 s，幅值为5 m/s，冲击源震动波波形曲线如图3，模型中煤岩体参数选取见表1。

图3 冲击源震动波波形曲线Fig.3 Waveform curve of vibration wave

表1 模型材料的力学参数Table 1 Mechanical parameters of model materials

3 卸压煤体对冲击能量的吸收效果

为分析煤体对冲击能量的缓冲吸能作用，给定卸压煤岩体宽3 m、损伤度为40%，且受冲击荷载作用下时，在0～4 m 的范围内每隔0.5 m 设1 个监测点记录煤体内部动能变化，卸压煤体动能监测示意图如图4。

图4 卸压煤体动能监测示意图Fig.4 Schematic diagram of kinetic energy monitoring of pressure-relief coal

1）动能演化曲线如图5。分析图5 曲线发现：随着时间及冲击源处颗粒速度加载的变化，煤体内部动能也随着发生近似正弦的波动变化，且随距冲击源距离的增加，动能波形曲线极值点时间延后、数值逐渐减小。

图5 动能演化曲线Fig.5 Kinetic energy evolution curves

2）不同煤体深度处动能极值及减少值如图6。分析图6 曲线发现：完整煤体和卸压煤体对动能的吸收效果有明显的差别，在完整煤体中，2 m 的距离动能减少值为1.8～2.7 kJ，卸压煤体每0.5 m 平均吸收动能3.2 kJ，卸压煤体对冲击能量的消耗大约是完整煤体的2 倍；在完整煤体与卸压煤体交界面和卸压煤体与支护体交界面附近，煤体对冲击能量的消耗明显增加。

图6 不同煤体深度处动能极值及减少值Fig.6 Extremum and reduction of kinetic energy at different coal body depths

4 不同卸压条件下支护体受力分析

4.1 不同损伤度煤体支护体受力对比

不同损伤度煤体巷帮支护体受力变化如图7。卸压煤体破碎深度为3 m，考虑了4 种不同的煤体损伤度，即0%、20%、40%、60%，通过分析曲线发现：随着煤体损伤度的增加，静载下巷帮支护体受力逐渐增加；与静载相比，冲击载荷作用下支护体受力随煤体损伤度增加而逐渐减小，这种递减趋势在损伤度0～20%范围内非常显著，而在损伤度大于20%之后，递减趋势逐渐变缓；当卸压煤体的损伤度在40%左右时，在保持支护体受力较小下，并充分吸收冲击能量。

图7 不同损伤度煤体巷帮支护体受力变化Fig.7 Stress change of support body of coal roadside with different damage degrees

4.2 不同破碎深度煤体支护体受力对比

由4.1 中，卸压煤体在损伤度40%时，能够达到较为理想吸收冲击能量效果，不同破碎深度煤体巷旁支护体受力变化如图8。图8 给出了卸压煤体损伤度40%，考虑了4 种不同的煤体破碎深度，即1、2、3、4 m，通过分析曲线发现：随着煤体破碎深度的增加，静载下巷帮支护体受力逐渐增加；与静载相比，冲击作用下支护力随煤体破碎深度增加而逐渐减小，这种减小的趋势在0～2 m 范围内尤为明显，而在破碎深度大于2 m 之后，递减趋势逐渐变缓；当卸压煤体的损伤度在40%，破碎深度为3 m 左右时，达到较为理想了缓冲吸能效果，减少巷帮支护体成本。

图8 不同破碎深度煤体巷旁支护体受力变化Fig.8 Stress change of support body of coal roadside with different crushing depths

5 工程案例

模拟研究表明，在一定范围内煤体破碎程度与深度越大，对冲击荷载的缓冲越有利，但过度破碎的煤体会造成支护体失效，从而变相诱发动力灾害。因此，在进行高应力煤体卸压时，应选择合理的卸压参数，确保“卸-支”平衡，即要充分发挥卸压煤体缓冲吸能效果，又要确保支护体的承载强度。现阶段最常用的冲击地压局部解危措施是大直径钻孔卸压，钻孔直径一般为110～150 mm，孔深为10～20 m，钻孔间距根据冲击危险程度设计为1、2、3 m（或1.2 m 的倍数等）。大直径卸压钻孔施工时，巷帮浅部支护影响区与深部高应力区的孔径与孔间距参数一致，参数设计较难满足“卸-支”平衡的要求。

针对巷帮深-浅煤体在冲击地压防治中的作用与角色不同，唐口矿实施了1 种分段扩孔卸压技术，即：巷帮浅部区域（0～5 m）钻孔孔径为90 mm，深部区域（5～20 m）孔径扩大为230 mm。分段扩孔卸压示意图如图9。

图9 分段扩孔卸压示意图Fig.9 Block reaming pressure relief diagram

结合模拟结果，破碎程度越高的煤岩体对冲击能量的缓冲吸能效果越好，该分段扩孔技术通过对深部区域孔径扩大增加深部区域煤岩体的破碎程度，充分吸收冲击能量；模拟结果表明随着煤体破碎程度的增加，在静载作用下巷帮支护体受力也随之增加，在巷帮浅部区域减小孔径减小煤岩体破碎程度，降低巷帮支护体受力；数值模拟中发现在完整煤体与卸压煤体交界面和卸压煤体与支护体交界面附近，煤体对冲击能量的消耗明显增加，通过分段扩孔技术增加交界面也达到了充分吸收冲击能量的效果。该技术可在保证卸压效果的基础上，避免过度破坏支护体系，确保“卸-支”平衡。

6 结 论

1）随着距离冲击源的距离的增加，煤体内部受到冲击能量逐渐减小，对煤体的冲击效果逐渐降低，且随着距离的增加，煤体内部冲击荷载呈现波形相似、幅值减小、时间延后的演化规律。相较于完整煤体，损伤度40%卸压煤体吸收冲击能量是完整煤体的2 倍，卸压煤体对冲击能量的消耗要远远大于完整煤体。

2）随着煤体破碎程度和破碎深度的增加，在静载作用下巷帮支护体受力也随之增加，同时由于煤体的破碎程度增加对冲击能量的消耗也增加，能够降低冲击载荷对支护体的冲击，在冲击载荷作用下，煤巷支护体受力呈递减趋势。

3）当卸压煤体的损伤度在40%，破碎深度在3 m 时，能够充分的吸收冲击能量同时减少巷帮支护体成本。为了达到理想的卸-支平衡效果，可以采取卸压煤体破碎带破碎程度高-低结合的卸压方式，即深部高破碎度，浅部低破碎度，能够有效吸收冲击能量同时达到较好的卸-支平衡。