张金魁，侯 涛，李 民，李 鹏，顾合龙

(1.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 712000；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

冲击地压，即煤岩体中聚积的弹性能在一定条件下的突然猛烈释放，是一种煤岩体失稳、爆裂并弹出的动力灾害显现现象[1，2]。煤层大巷作为煤矿开采采区巷道布置的重要组成部分，采区准备巷道不可避免会经历或直接布置在煤层中[3]。相比岩层大巷而言，煤层大巷具有掘进速度快、经济成本低等优点，然而由于巷道服务年限长、受开采动压扰动影响明显，围岩强度较弱的煤层巷道应力环境复杂[4]，导致煤层大巷存在围岩稳定性差、冲击地压及支护困难等问题[5，6]，严重影响巷道服务期间安全使用，煤层大巷冲击地压灾害防控是实现矿井安全生产务须解决的重大问题。

研究表明，约有85%冲击地压灾害发生在煤层巷道中，受周围工作面开采扰动影响，巷道围岩应力状态发生显著改变，随开采活动进行厚硬顶板岩层发生破断进而引起破断动载荷，使巷道围岩处于“静载+动载”叠加载荷应力状态，动静载荷作用下煤柱或巷道围岩产生大面积的动力失稳[7，8]。针对煤层巷道冲击地压机理和防治技术，国内外诸多学者开展了一系列研究[9-19]。然而，当前对于冲击地压的防控仍主要以静力学为基础进行设计[20]，对于动静组合加载控制下煤层大巷冲击地压的有效防治途径与防治方法的研究鲜有涉及。本文以陕西正通煤业高家堡煤矿一盘区1#回风大巷为工程背景，理论分析深部矿井煤层大巷冲击地压发生机理，明确煤层大巷冲击地压防治基本途径，针对性提出巷道围岩“爆破松动-围岩注浆”防治技术，并结合数值模拟与现场实践应用，对回风大巷冲击地压防控效果进行科学验证。研究可为受工作面开采扰动影响的深部矿井煤层大巷围岩稳定性控制提供一定的理论参考和指导意义。

1 工程概况

陕西正通煤业高家堡煤矿主要开采4号煤层，煤层具有强冲击倾向性，井田内断层、褶皱十分发育。一盘区1#回风大巷(煤层大巷)位于矿井一盘区(矿井西翼北部)，煤层赋存深度为800～1000m之间，煤层厚度为6.48～15m，倾角为2°～11°，平均倾角6.5°。煤层基本顶为粗粒砂岩和细粒砂岩(厚度16～28m)，煤层直接底为铝质泥岩和泥岩，煤岩综合柱状图如图1所示。

图1 煤岩综合柱状图

矿井一盘区主要布置三条煤层大巷，分别为一盘区1#回风大巷、一盘区辅助运输大巷、一盘区主运输大巷，三条煤层大巷均具有强冲击危险，大巷采用锚网带索联合支护方式，通过采掘空间“卸压”和“支护”进行冲击地压灾害防控，如图2所示。目前，一盘区已开采101～103工作面(采空区)，正在回采104工作面，二盘区已开采201、202工作面(采空区)。

图2 煤层大巷布置情况

2 煤层大巷冲击地压发生机理

2.1 冲击地压发生的动静应力作用过程

在开采扰动影响下巷道围岩应力发生改变，冲击地压的发生也是应力作用的结果[21]。从巷道围岩应力场与能量场的演化特征来看，当应力作用下围岩积聚的弹性能大于破坏所需的能量时，弹性能以动能形式瞬间释放，进而诱发冲击地压[22]，而剩余能量越多，则造成的冲击破坏越强烈。

陕西高家堡煤矿4号煤层顶板中存在厚硬岩层，该类厚硬岩层顶板具有较好的储能条件，如岩体坚硬、致密、完整性良好、岩层厚和悬顶距离大等，具备冲击地压能量积聚的基本条件。矿井煤层大巷赋存深度800～1000m，巷道埋深大，巷道围岩长期处于高应力状态，水平构造应力明显，周围分布大量采空区，导致大巷围岩应力集中并积聚大量的弹性能。受采动应力影响，构造区域微震能量活动剧烈，顶板结构破断产生动载扰动，高应力煤体处于动静载叠加状态，极易发生瞬间失稳破坏。

2.2 煤层大巷冲击地压发生的应力判据

根据高家堡煤矿一盘区1#回风大巷工程背景，考虑煤层开采扰动动载和静载叠加作用，建立煤层大巷冲击地压发生理论模型[9]，如图3所示。

图3 煤层大巷冲击地压灾害发生理论模型

在煤层大巷冲击地压应力计算过程中，可将煤层大巷等效简化为圆形巷道[23]。由弹性力学理论可知，圆孔周围处于σ1=γh均匀应力场中，距离巷道中心r(r≥r1)处的径向应力σr和切向应力σθ分别为：

巷道围岩在支护条件下，动载作用产生的弹性波将从冲击振动源传播到巷道围岩表面，如图4所示，此时假定应力波在介质中传播能量衰减指数为η，支护体强度为σZ，而巷道围岩承载小结构外表面B处，动态应力为σB，应力波在介质中传播的能量衰减指数仍为η，则B处的冲击波入射强度σB为：

图4 动静组合加载下巷道围岩结构

σA=σB(d-r1)-η

(3)

式中，η=aD+b，其中，a，b均为常数；d为动态应力距离巷道中心的距离，近似等于r2。

在动静载荷作用下，煤层巷道围岩支护结构所受到的应力大小应为：

在冲击作用下巷道围岩破坏发生的应力判据，即满足σA>σZ时，巷道围岩结构将被冲击破坏。可认为在支护条件下，导致巷道围岩破坏的主要影响因素为支护体强度。因此，对巷道采用科学的支护加固技术，保证巷道围岩强度满足承载要求，则可对一定震级范围以内的冲击地压起到缓冲或抑制作用。

依据现场实际情况，取σB=12MPa，a=0.8，b=0.2，r1=2，则可以得到巷道围岩动态应力σd随震源距离与巷道围岩损伤系数关系如图5所示。由图5可知：随着巷道承载结构d与巷道围岩损伤系数D增加，传导至巷道围岩动载荷σA逐渐降低，结果表明保持巷道支护强度不变时，增加巷道围岩的损伤与承载结构的半径，可促进冲击地压的防护。

图5 巷道围岩动应力随围岩承载结构厚度与损伤系数的变化趋势

目前，煤层大巷冲击防护通常采用加强支护和卸压解危措施。若不采用煤层钻孔解危方法，即使采用高强度支护即σZ较大时，仍会发生动态破坏。因此，煤层大巷冲击地压防治不仅应考虑巷道支护强度，巷道围岩应力波的传播与能量积聚范围也是导致冲击地压破坏的主要因素，据此提出针对性防控措施，可通过增加巷道围岩损伤与承载结构半径，促进冲击地压的缓冲防护作用。

3 煤层大巷冲击地压防控技术

冲击地压灾害防控不仅需要考虑煤层大巷围岩冲击防控效果，还需考虑动静载荷作用下巷道围岩的稳定性。因此，为增加巷道围岩损伤范围与承载结构半径，提高巷道围岩强度，基于冲击地压防控失效判据提出应力集中区采用钻孔爆破与围岩注浆相结合的方法，进行煤层大巷冲击地压灾害防控，如图6所示。

图6 冲击地压联合防护措施

为验证“爆破-注浆”措施实施前后灾害防控效果，对煤层大巷措施实施前后的应力波传播过程进行数值模拟分析。模拟过程中，假设巷道围岩为均质岩体，处于各向同性，均为弹性介质，且无蠕变或粘性行为；原岩应力为各向等压状态；巷道埋深大(h>>r)，断面为圆形，巷道半径为r，巷道围岩均为煤体。煤层注水前后巷道不同圈层的参数见表1。

表1 煤层大巷防护措施实施前后巷道围岩力学参数

在模拟方案中，动载荷加载位置为巷道左侧边缘中点，加载时间20ms，动态加载强度20MPa，动态加载过程中煤层巷道围岩云图如图7所示。由图7数值模拟结果可知：煤层大巷未采取围岩改性措施前，应力波传播范围广，传播速度较快，衰减程度较小，巷道周围岩体出现拉应力集中程度及应力集中范围大；当巷道围岩采取爆破与注浆措施后，巷道围岩形成一定损伤区时，应力波传播速度得到了抑制，巷道周围拉应力集中程度降低。结果表明：措施实施后巷道对动载承受能力增强，冲击地压防控效果良好。

图7 巷道围岩“爆破+注浆”联合防护措施实施前后应力波传播过程

为进一步验证“爆破+注浆”联合防控效果，通过振动信号监测与动态应力信号监测方法，进行现场实践验证，巷道表面动态应力监测测点布置如图2所示。联合防控措施实施前后煤层大巷围岩振动信号分布情况分别如图8、图9所示，由此可知：措施实施后巷道围岩振动信号的数量与能量均出现大幅降低，表明煤层大巷围岩应力集中程度被大幅削弱，围岩冲击地压发生的静态应力孕育条件得到遏制。

图8 防控措施实施前大巷振动信号分布

图9 防控措施实施后大巷振动信号分布

在联合防护措施实施前后，相同时间段内煤层大巷振动信号测试结果如图10所示。结果表明：该联合措施可大幅度增加巷道围岩应力波的衰减速度，降低动态应力波传播至巷道围岩周边的幅度，降低由于动力扰动诱发巷道围岩冲击地压灾害的风险，消除冲击地压发生的基本条件，以更好地起到保护煤层大巷的作用。

图10 防控措施实施前后大巷动态应力监测信号

4 结 论

1)深埋高应力与采空区集中应力分布，导致巷道围岩静应力集中、顶板断裂动态应力形成动静载组合作用，是煤层大巷形成冲击地压灾害的直接原因。

2)研究建立了动静载荷作用下煤层大巷动态破坏的组合应力判据，明确提出了煤层大巷冲击地压防控的关键因素在于加强巷道围岩损伤与承载结构半径，促进动态应力波的衰减。

3)基于陕西正通煤业高家堡煤矿煤层大巷冲击地压发生机理，揭示了煤层大巷防控失效的根本原因，并针对性提出了大巷围岩“爆破松动-围岩注浆”冲击地压联合防控技术措施，数值模拟及现场实践监测防控效果良好。