陳金宇 吳擁政 吳同性 楊運(yùn)峰 孫小巖

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3.河南大有能源股份有限公司，河南省義馬市，472300；4.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南省義馬市，472305)

隨著我國煤礦開采深度、強(qiáng)度和范圍的擴(kuò)大，沖擊地壓發(fā)生頻次和破壞程度愈加強(qiáng)烈，近年來研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)沖擊地壓發(fā)生在巷道中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國共有200多座沖擊地壓礦井，主要分布在山東、河南、黑龍江、遼寧、四川等省份。對(duì)于沖擊地壓巷道維護(hù)，國外普遍采用巷幫充填和架后充填配套技術(shù)和工藝，國內(nèi)普遍采用錨網(wǎng)、架棚、注漿和大噸位支架進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，但支護(hù)效果不理想，圍巖變形量大，破壞嚴(yán)重，錨桿、錨索支護(hù)體系嚴(yán)重破壞，回采巷道服務(wù)期間反復(fù)維修。因此，沖擊地壓巷道圍巖控制及防沖技術(shù)一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

盧愛紅等在巷道沖擊破裂的層裂屈曲模型基礎(chǔ)上研究應(yīng)力波對(duì)圍巖的破壞機(jī)理。康紅普等提出沖擊地壓巷道支護(hù)形式選擇原則，介紹了沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，提出錨桿與錨索支護(hù)為主、金屬支架為輔的復(fù)合支護(hù)方式。潘一山等針對(duì)沖擊地壓巷道，提出提高支護(hù)剛度和快速吸能讓位支護(hù)思路。姜耀東等分析了放炮震動(dòng)誘發(fā)煤礦巷道動(dòng)力失穩(wěn)的機(jī)理。顧金才等研究了爆炸荷載條件下錨固洞室破壞形態(tài)及不同錨桿支護(hù)參數(shù)的加固和抗爆效果。高明仕等提出沖擊地壓巷道的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型，并利用能量平衡理論對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。鞠文君計(jì)算得出了錨桿支護(hù)主要構(gòu)件吸能指數(shù)，給出了能量校核設(shè)計(jì)法應(yīng)用實(shí)例。蘇承東等提出掘進(jìn)施工采用短掘錨作業(yè)、及時(shí)錨網(wǎng)噴索支護(hù)、掛網(wǎng)等，消除和緩解沖擊地壓的危害。賀虎等研究了巷道圍巖與錨固體受沖擊載荷的動(dòng)載與變形特征，指出沖擊礦壓巷道支護(hù)體應(yīng)具備主動(dòng)讓壓功能。上述研究成果為分析沖擊地壓巷道圍巖變形破壞機(jī)理及控制方法提供了參考。義馬礦區(qū)作為我國沖擊地壓的典型礦區(qū)，在沖擊地壓巷道支護(hù)方面進(jìn)行過研究和試驗(yàn)。本文針對(duì)義馬礦區(qū)耿村礦發(fā)生沖擊地壓的巷道，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)沖擊地壓后巷道圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度、錨固性能進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。在掌握沖擊能量對(duì)圍巖及錨固支護(hù)體系破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出適合沖擊地壓回采巷道圍巖的錨網(wǎng)控制技術(shù)，豐富和促進(jìn)了沖擊地壓回采巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

1 地質(zhì)概況

河南大有能源股份有限公司耿村煤礦為典型的沖擊地壓礦井，自2010年于13190上巷首次發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象以來，隨著礦井開采深度的不斷增加，現(xiàn)記錄在案的沖擊地壓事件共12次。沖擊地壓由開始時(shí)的局部微小破壞逐步發(fā)展為巷道破壞性沖擊。其中2015年12月22日10時(shí)42分，根據(jù)澠池縣地震局發(fā)布的《震情初步核實(shí)情況報(bào)告》，澠池縣果園鄉(xiāng)政府附近發(fā)生里氏2.4級(jí)塌陷性地震，誘發(fā)13230回采工作面下巷發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊地壓，造成13230下巷端頭至前方約160 m范圍內(nèi)的巷道瞬間發(fā)生破壞，主要表現(xiàn)為兩幫整體收縮2.5 m左右、頂板下沉1.0 m、底板起底約2.1 m，液壓抬棚嚴(yán)重變形、彎曲折斷，井下設(shè)備損壞嚴(yán)重。

13230工作面平均埋深約622 m，主采2-3煤層，傾角為11°～13°，厚度10.2 m。煤層頂部存在厚約380 m的巨厚礫巖層，與煤層間距為240 m，處于沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域。2-3煤層頂?shù)装鍑鷰r巖性如圖1所示。

圖1 13230工作面頂?shù)装鍑鷰r柱狀圖

2 沖擊地壓巷道圍巖結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

沖擊地壓發(fā)生后，隨著巷道推進(jìn)修復(fù)過程中，分別在距離13230工作面端頭150 m和145 m布置了2組測(cè)站，對(duì)13230下巷發(fā)生沖擊破壞后圍巖的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位測(cè)試，如圖2所示。

圖2 13230下巷測(cè)站布置圖

由圖2可以看出，測(cè)點(diǎn)1距回采工作面。巷道具體位置的變形情況如下：左幫移近850 mm，右?guī)鸵平?300 mm，頂板下沉1140 mm，底鼓1200 mm。U型棚被沖擊變形，頂左側(cè)U型棚與液壓臺(tái)棚接觸處被沖平，且此處卡鎖被崩斷，液壓臺(tái)棚被沖擊向巷道內(nèi)側(cè)傾斜，局部錨桿托板變形，錨索尾部被沖散。測(cè)試點(diǎn)1的圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖及強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，13230下巷發(fā)生沖擊地壓后，巷道兩幫煤體和頂板表面破壞十分嚴(yán)重。在巷幫和頂板布置直徑56 mm、深10 m的鉆孔，采用CXK12(A)鉆孔成像儀對(duì)沖擊后圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位觀測(cè)。鉆孔淺部約2.5 m范圍內(nèi)的圍巖破碎嚴(yán)重、呈碎渣狀。鉆孔深部裂隙、離層等較為發(fā)育，節(jié)理和裂隙等不連續(xù)面較發(fā)育，極大弱化了巖層的整體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。

圖3 13230下巷沖擊后圍巖結(jié)構(gòu)窺視圖

圖4 測(cè)點(diǎn)1頂板及煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由圖4可以看出，掘進(jìn)期間對(duì)2-3煤體及頂板泥巖進(jìn)行原位強(qiáng)度測(cè)試，2-3煤抗壓強(qiáng)度約為14.8 MPa，頂板泥巖抗壓強(qiáng)度約為25.8 MPa。13230下巷發(fā)生沖擊地壓后，頂板泥巖原位測(cè)試強(qiáng)度約為6.9 MPa，巷幫2-3煤強(qiáng)度約為5.9 MPa。頂板泥巖沖擊后強(qiáng)度下降了73.3%，兩幫煤體強(qiáng)度下降了63.6%。沖擊地壓導(dǎo)致巷道圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度降低，進(jìn)而造成整個(gè)錨固系統(tǒng)失效。

3 沖擊地壓巷道圍巖錨固性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

沖擊地壓發(fā)生后，為滿足工作面的正常生產(chǎn)需求，對(duì)13230下巷沖擊地壓地段起底刷幫。修巷后巷道斷面為矩形，巷道使用的錨桿技術(shù)參數(shù)為：鋼號(hào)BHRB500，直徑22 mm，長2.4 m，錨桿預(yù)緊扭矩≥300 N·m；錨索技術(shù)參數(shù)為：直徑18.9 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度分別為6300 mm和4300 mm，要求錨索初始張拉不低于250 kN，預(yù)緊力損失后不低于200 kN。修巷后，在上述測(cè)點(diǎn)布置了2組測(cè)試，對(duì)修巷后巷道錨桿錨索的錨固力分別進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見表1。

由表1可知，擴(kuò)巷后巷道圍巖錨固力約為120 kN，和原巖進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的錨桿錨固力190 kN相比，下降了36.8%，說明沖擊發(fā)生后巷道圍巖破壞范圍較廣，擴(kuò)巷后錨固力仍較低。錨索錨固力132 kN左右，這與圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)查與強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果相吻合，圍巖在10 m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，強(qiáng)度也大幅度降低。

13230下巷修巷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)提取的錨桿錨固端脫粘情況如圖5所示。由圖5可以看出，桿體和錨固劑之間的第一界面的粘結(jié)強(qiáng)度基本不受圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響，只受錨固劑與桿體外形的影響，其粘結(jié)強(qiáng)度較高。但由于沖擊后煤巖體的松散破碎，錨固劑與煤巖體粘結(jié)的第二界面很容易在高預(yù)緊力作用下脫落，造成整個(gè)支護(hù)體系的失效。

表1 13230修巷時(shí)巷道圍巖錨固性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖5 錨固界面及脫粘情況

4 修復(fù)方案

要保證巷道修復(fù)的效果，必須改善第二錨固界面的粘結(jié)強(qiáng)度，才能保證整個(gè)錨網(wǎng)支護(hù)體系的強(qiáng)度。頂板采用全長預(yù)應(yīng)力錨桿配合鳥籠錨索支護(hù)，兩幫錨桿實(shí)現(xiàn)全長錨固較為困難，采用短的鳥籠錨索支護(hù)來提高第二界面的粘結(jié)面積，從而提高錨固力，為高預(yù)緊力的施加提供基礎(chǔ)。鳥籠錨索加工圖如圖6所示。

4.1 頂板支護(hù)

錨桿采用鋼號(hào)為500號(hào)、直徑22 mm、長度2.4 m的左旋無縱筋螺紋鋼筋，桿尾螺紋為M24；采用一支MSK2335和二支MSM2360樹脂錨固劑全長錨固，鉆頭直徑為30 mm，錨固長度1971 mm；錨桿排距900 mm，間距800 mm，每排布置7根錨桿；錨桿預(yù)緊扭矩≥400N·m，禁止超過550 N·m；

錨桿托板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，承載力不低于255 kN，配合高強(qiáng)螺母、調(diào)心球墊和尼龍墊圈。采用W型鋼護(hù)板護(hù)表，寬280 mm，長450 mm，厚度不低于5 mm，肋高不低于25 mm。

圖6 鳥籠錨索加工圖

4.2 巷幫支護(hù)

巷幫采用全鳥籠錨索支護(hù)，直徑18.9 mm，長度4300 mm，鉆頭直徑36 mm。采用一支MSK2835和兩支MSZ2860樹脂錨固劑加長錨固；錨索間距為900 mm，排距為900 mm，每幫每排打設(shè)4根鳥籠錨索；錨索的附件及護(hù)表構(gòu)件與頂板相同。錨索初始預(yù)緊力≥250 kN。

5 礦壓觀測(cè)

13230下巷圍巖表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在巷道剛修復(fù)完成后10 d內(nèi)，巷道表面變形十分迅速，頂?shù)装迤骄冃嗡俣仍?.65 mm/d左右，兩幫變形速度在4.89 mm/d左右。隨著維修工作面的推進(jìn)，巷道表面圍巖變形速度不斷降低，45 d后巷道變形基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖表面總體變形速度在0.14 mm/d以下，兩幫總位移量為83 mm，頂?shù)装蹇偽灰屏繛?8 mm左右，圍巖整體控制效果良好。

錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線如圖8所示。由圖8可以看出，巷道剛擴(kuò)修完成15 d左右，錨桿受力隨時(shí)間呈快速增長趨勢(shì)。巷道擴(kuò)修28 d后，錨桿受力出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，主要由于錨桿桿體受周圍巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布調(diào)整而產(chǎn)生壓縮、回彈的反應(yīng)過程。修復(fù)完成47 d以后，錨桿受力基本穩(wěn)定，這與巷道圍巖表面位移變化時(shí)間基本一致。錨桿最大受力穩(wěn)定在84 kN，錨索達(dá)到220 kN，受力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，13230下巷修巷期間兩幫移近量為83 mm，頂?shù)装逡平繛?8 mm，錨桿(索)受力穩(wěn)定且還有一定承載空間，完全可以滿足工作面回采的超前支承壓力。加長預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿、鳥籠錨索支護(hù)能夠有效地控制圍巖變形。

圖7 13230下巷圍巖表面位移監(jiān)測(cè)曲線

圖8 錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線

6 結(jié)論

(1)通過沖擊后巷道的圍巖窺視及強(qiáng)度測(cè)試可見，在錨桿錨索錨固范圍內(nèi)圍巖已經(jīng)全部破碎，頂板泥巖原位測(cè)試強(qiáng)度約為6.9 MPa，巷幫強(qiáng)度約為5.9 MPa。頂板泥巖沖擊后強(qiáng)度下降了73.3%，兩幫煤體強(qiáng)度下降了63.6%。

(2)通過對(duì)沖擊破壞后巷道維修時(shí)新打的錨桿錨索的錨固力進(jìn)行測(cè)試，錨桿錨固力約為120 kN，和原巖進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的錨桿錨固力190 kN相比，錨固力下降了36.8%，錨索錨固力在132 kN左右。沖擊地壓發(fā)生后，圍巖體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度遭到極大破壞，錨固第二界面已經(jīng)無法滿足高預(yù)緊力的要求，普通錨網(wǎng)支護(hù)無法實(shí)施。

(3)采用加長錨固高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿、配合鳥籠錨索聯(lián)合支護(hù)，增加第二錨固界面的粘結(jié)面積，為錨桿錨索初期施加高預(yù)緊力提供基礎(chǔ)，有效提高破碎圍巖體錨固系統(tǒng)抵抗沖擊載荷的能力，現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，實(shí)施效果顯著。