高明仕，賀永亮，陸菜平，邵 軒，楊 征

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.河南大有能源股份有限公司 常村煤礦，河南 三門峽 472400; 4.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

沖擊地壓是影響煤礦安全高效開采最嚴(yán)重的動力災(zāi)害之一，隨著煤礦開采深度不斷增加，沖擊地壓危害越來越嚴(yán)重[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，發(fā)生在巷道內(nèi)的沖擊地壓事故占沖擊地壓總數(shù)的90.8%[2]?，F(xiàn)有的沖擊地壓巷道支護(hù)體系僅從支護(hù)角度進(jìn)行設(shè)計，未考慮動靜載能量的吸收和轉(zhuǎn)移，巷道防沖主要是開采保護(hù)層、鉆孔卸壓、爆破卸壓等措施，卸壓的同時有可能使巷道的支護(hù)體系遭到破壞。卸壓技術(shù)對控制巷道變形及沖擊地壓防治在短期內(nèi)效果顯著，隨著服務(wù)年限的增加，應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中弱化了巷道圍巖強(qiáng)度，使巷道穩(wěn)定性下降。沖擊區(qū)域巷道內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與卸壓防沖的矛盾無法協(xié)調(diào)解決，不能同時滿足沖擊地壓巷道的支護(hù)與防沖要求。

近幾年，一些研究人員開始改變支護(hù)方式和支護(hù)材料研究沖擊地壓巷道的支護(hù)?？导t普等[3]研究了高沖擊韌性錨桿(索)的力學(xué)性能，將高沖擊韌性錨桿(索)作為支護(hù)材料應(yīng)用于沖擊地壓巷道，有效控制了沖擊巷道變形。何滿潮等[4]研究恒阻大變形錨桿(索)，分析了恒阻大變形錨桿(索)的解析模型，并成功應(yīng)用于沖擊地壓巷道支護(hù)，取得較好效果。楊仁樹等[5]提出了錨桿、錨索、槽鋼梁、噴射混凝土、U型鋼聯(lián)合支護(hù)方案，解決了高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)，有效控制高應(yīng)力軟巖巷道變形。潘一山等[6]提出了高強(qiáng)度巷道液壓支架、防沖吸能液壓支架、金屬支架-泡沫鋁聯(lián)合支護(hù)用于沖擊地壓巷道支護(hù)。張農(nóng)等[7]研究了“卸壓-錨固”沿空留巷控制機(jī)理，實現(xiàn)了巷道卸壓后大間排距主動控制，取得較好效果。劉軍、徐學(xué)鋒等[8-9]研究了封閉剛?cè)嵛苤ёo(hù)沖擊地壓巷道。王猛等[10]分析了深部鉆孔卸壓巷道規(guī)律、巷道弱化特征，得出卸壓同時增加了巷道圍巖的破碎程度。趙同彬等[11]實現(xiàn)了卸壓后巷道支護(hù)強(qiáng)度計算，現(xiàn)場試驗表明卸壓后支護(hù)強(qiáng)度明顯降低。支護(hù)材料和支護(hù)方式的發(fā)展極大推動了沖擊地壓巷道支護(hù)技術(shù)的改革，但從現(xiàn)場應(yīng)用及實際效果看，巷道圍巖內(nèi)部卸壓防沖破壞了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，使巷道支護(hù)強(qiáng)度明顯減弱，沖擊地壓巷道支護(hù)與卸壓無法同時滿足，不能有效控制巷道圍巖變形，沖擊地壓巷道內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與卸壓防沖的矛盾有待深入研究和解決。

筆者依據(jù)“強(qiáng)弱強(qiáng)”結(jié)構(gòu)模型[12]，提出錨桿(索)主動支護(hù)+液壓抬棚減跨強(qiáng)力支護(hù)+弱結(jié)構(gòu)吸能技術(shù)支護(hù)方案，研究了反復(fù)掏裂形成弱結(jié)構(gòu)技術(shù)，協(xié)調(diào)解決了沖擊地壓巷道內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與卸壓防沖的矛盾，提高了沖擊地壓巷道支護(hù)與卸壓效果。

1 巷道情況

1.1 工程地質(zhì)

義馬常村煤礦21170運(yùn)輸巷埋深780 m，巷道直接頂和基本頂主要為泥巖，泥巖厚度大，易風(fēng)化破碎，直接底為煤矸互疊層或炭質(zhì)泥巖，遇水易膨脹，基本底為黏土巖砂巖互層。受上覆巖層中巨厚礫巖層的存在和F16斷層的影響，地應(yīng)力、采動應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力的疊加造成局部應(yīng)力高度集中，煤體中聚集的高彈性能在釋放過程中經(jīng)常發(fā)生煤炮或沖擊破壞。21170工作面示意圖及煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 21170工作面示意及煤層柱狀圖Fig.1 21170 working face schematic diagram and coal seam histogram

1.2 巷道原支護(hù)及破壞特征

21170運(yùn)輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面采用斜墻三心拱斷面，寬×高=6 900 mm×4 050 mm，原支護(hù)設(shè)計如圖2所示。一級支護(hù):巷道頂板、兩幫采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等主動支護(hù)；二級支護(hù):錨網(wǎng)后架棚，棚距1 200 mm，支架后頂預(yù)留300 mm空間，背設(shè)主動承壓，兩幫讓壓300 mm；三級支護(hù):支架后順巷道中心打一道連續(xù)液壓抬棚加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 21170運(yùn)輸巷原支護(hù)斷面Fig.2 Cross section of 21170 roadway original support

因防沖工作需要在巷道圍巖幫部施工大直徑卸壓深孔，卸壓鉆孔參數(shù):直徑110 mm，深度25 m，間距2.0 m。根據(jù)礦方資料及巷道表面位移原始記錄，卸壓鉆孔施工后，巷道表面位移變化較大，造成了巷道嚴(yán)重變形破壞，整個斷面幾乎閉合，防沖鉆孔極大破壞了巷道幫部煤體的完整性，生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。造成了沖擊地壓巷道支護(hù)與卸壓間的矛盾。21170運(yùn)輸巷破壞如圖3所示。

圖3 巷道破壞Fig.3 Roadway failure diagram

2 沖擊區(qū)域巷道強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制模型

2.1 強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)

強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制模型以開挖巷道為中心，由近及遠(yuǎn)依次將巷道周圍煤巖體分為內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)、中間弱結(jié)構(gòu)和外強(qiáng)大結(jié)構(gòu)。內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)為巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)體，即巷道支護(hù)層，用于支護(hù)巷道穩(wěn)定;中間弱結(jié)構(gòu)為消波吸能區(qū)，經(jīng)過致裂破碎形成的松散煤巖體，用于吸收沖擊地壓震源所產(chǎn)生的能量;外強(qiáng)大結(jié)構(gòu)即穩(wěn)定層，由未經(jīng)開采擾動的原巖體組成。強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)中內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)、中間弱結(jié)構(gòu)和外強(qiáng)大結(jié)構(gòu)每一個結(jié)構(gòu)在沖擊地壓巷道的支護(hù)、防沖作用中具有不同的作用。沖擊地壓巷道強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制模型如圖4所示。

2.2 強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)消波吸能特性分析

2.2.1內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)能量準(zhǔn)則

沖擊區(qū)域巷道破壞是煤巖體集聚的能量釋放失穩(wěn)的過程，巷道失穩(wěn)是積聚在煤巖體的能量突然釋放[13]。沖擊區(qū)域巷道煤巖體破壞的最小能量Emin為

(1)

式中，σc為煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度;E為煤巖體的彈性模量。

巷道在煤巖體中集聚的能量E0為

(2)

式中，σ1，σ2，σ3為煤巖體3個主應(yīng)力;ν為煤巖體泊松比。

強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析示意圖如圖5所示，圖中，r為巷道半徑，m;rx為巷道中心到內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)距離，m;rd為巷道中心到弱結(jié)構(gòu)的距離，m;h為巷道埋深，m;t為巷道圍巖承載拱厚度，m；數(shù)字“1，2，3，4”為在無沖擊狀態(tài)下，巷道圍巖周邊的應(yīng)力重新分布，應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，由圖5中的曲線1和曲線2轉(zhuǎn)移到弱結(jié)構(gòu)外的曲線3和曲線4。假設(shè)沖擊震動源的能量為Ed，沖擊波在煤巖體的傳播過程中逐漸衰減，衰減后的能量Edh為

Edh=Edh-η

(3)

式中，h=d-r為震源到巷幫的距離,d為震源到巷道中心點的距離，m;η為衰減系數(shù)。

圖5 強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析示意Fig.5 Strong-Soft-Strong structure analysis

沖擊區(qū)域巷道煤巖體的能量Ez為

Ez=Edh+E0

(4)

沖擊區(qū)域巷道煤巖體殘余能量Er為

Er=Ez-Ex=Edh+E0-Ex

(5)

式中，Ex為巷道開挖擴(kuò)修耗散能量。

沖擊區(qū)域巷道破壞能量準(zhǔn)則為:Er>Emin。

此時，剩余的殘余能量以動能、巷道支護(hù)體振動失效或巷幫圍巖較大位移形式顯現(xiàn)出來，造成了巷道圍巖的破壞。

2.2.2弱結(jié)構(gòu)吸能效應(yīng)

① 弱結(jié)構(gòu)塊體松散吸能E1。動載沖擊波在致裂的煤巖體中傳播比在致密煤巖體傳播所用時間長，導(dǎo)致沖擊波波速降低，振動波速也降低，從而沖擊能量減少。② 致裂煤巖體旋轉(zhuǎn)吸能E2。動載沖擊波在致裂煤巖體的破碎區(qū)域傳播，使致裂破碎煤巖體發(fā)生反轉(zhuǎn)與移動，將沖擊能量轉(zhuǎn)化為致裂破碎煤巖體的動能，從而使沖擊動能較小。③ 空間散射吸能E3。煤巖體致裂形成的破碎區(qū)域，動載沖擊波在傳播時向四周破碎區(qū)域散射，在松散區(qū)域不斷擴(kuò)展，使動載沖擊波的強(qiáng)度降低。④ 破碎圍巖反射吸能E4。動載沖擊波在致裂破碎區(qū)域傳播，與破裂煤巖體發(fā)生反射與透射現(xiàn)象，經(jīng)反射后，透射后的動載沖擊波將減少，同時波會發(fā)生彌散，因此，動載沖擊波向巷道傳播的沖擊能減少。綜上，致裂煤巖體形成的弱結(jié)構(gòu)區(qū)域吸能總量為Ep=E1+E2+E3+E4。根據(jù)能量守恒原理，動載沖擊波經(jīng)致裂煤巖體形成的弱結(jié)構(gòu)進(jìn)入內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)，動載沖擊能將轉(zhuǎn)化為內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)的動能及彈性能、弱結(jié)構(gòu)的吸收能。由于內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)動能將沿著巷道圍巖破壞巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，弱結(jié)構(gòu)的吸收能越大，傳遞到內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)的動能越小，巷道越穩(wěn)定。

Er-Ep

(6)

若式(6)滿足，弱結(jié)構(gòu)設(shè)置時機(jī)合適，衰減指數(shù)增加，沖擊殘余能量被吸收，傳遞到內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)剩余能量足夠小，對巷道不足以造成破壞，巷道支護(hù)穩(wěn)定。

3 內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)機(jī)制

3.1 弱結(jié)構(gòu)卸壓破碎區(qū)因素分析

致裂鉆孔周圍在無鋼管作用下反復(fù)致裂形成破碎區(qū)，設(shè)鉆孔半徑為a，反復(fù)致裂形成破碎區(qū)半徑為b，假設(shè)鉆孔附近煤體為各向同性介質(zhì)，鉆孔周圍致裂破碎區(qū)由塑性區(qū)到彈性區(qū)，其中彈性區(qū)不發(fā)生損傷，如圖6所示，根據(jù)鉆孔破碎區(qū)的力學(xué)特征推導(dǎo)中間弱結(jié)構(gòu)[14-15]。

圖6 致裂區(qū)分析Fig.6 Broken zone analysis diagram

摩爾-庫倫準(zhǔn)則:

(7)

微分方程:

(8)

由邊界條件得:

(σr)r=a=0

(9)

式中，σr為鉆孔徑向應(yīng)力;σθ為鉆孔切向應(yīng)力;φp為內(nèi)摩擦角;cp為黏聚力;a為鉆孔半徑。

3.1.1破碎區(qū)

一次致裂徑向應(yīng)力σ′r1及切向應(yīng)力σ′θ1為

(10)

(11)

二次致裂徑向應(yīng)力及切向應(yīng)力為

(12)

(13)

式中，μ1為第2次致裂半徑修正系數(shù)，μ1=1.1～1.2。

n次致裂徑向應(yīng)力σ′rn及切向應(yīng)力σ′θn為

(14)

(15)

式中，μn-1為第n次致裂半徑修正系數(shù)，μn-1=1.1～1.8，n≥2。

在r=b處:

(16)

3.1.2塑性區(qū)

塑性區(qū)的徑向應(yīng)力σ″r及切向應(yīng)力σ″θ為

(17)

(18)

式中，Rp為塑性區(qū)半徑;λ為降模量。

在破碎區(qū)與塑性區(qū)交界處r=b時，σ″θ(b)=mσ″r(b)，得

(19)

3.1.3彈性區(qū)

彈性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力σ″r及切向應(yīng)力σ″θ為

(20)

(21)

式中，Re為彈性區(qū)半徑。

塑性區(qū)與彈性區(qū)Re=Rp時，得

(22)

由式(16)，(19)和(22)可得

(23)

多次反復(fù)致裂半徑b與鉆孔半徑a、初始應(yīng)力σ0、內(nèi)摩擦角φp、彈性模量E、降模量λ、峰值強(qiáng)度σc和致裂半徑修正系數(shù)μn-1有關(guān)。致裂半徑修正系數(shù)μn-1是指破碎區(qū)半徑在一次致裂后，由于地應(yīng)力、巖體性質(zhì)及致裂技術(shù)等原因造成的破碎區(qū)半徑與理論值之間的偏差。鉆孔在巷道高應(yīng)力下進(jìn)行反復(fù)掏裂，使周圍的煤巖體破裂，形成中間弱結(jié)構(gòu)，達(dá)到吸收高應(yīng)力的效果，實現(xiàn)巷道穩(wěn)定。

3.2 內(nèi)置鋼管支撐護(hù)壁技術(shù)

巷道圍巖的強(qiáng)度和支護(hù)體的結(jié)構(gòu)對沖擊巷道支護(hù)有重要影響，鉆孔、爆破等巷道內(nèi)卸壓是最常用的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)，在轉(zhuǎn)移巷道應(yīng)力的同時對巷道圍巖的強(qiáng)度和支護(hù)體結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生一定的破壞，不利于沖擊巷道內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)的穩(wěn)定。通過數(shù)值模擬分析了內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)內(nèi)置鋼管支撐護(hù)壁技術(shù)對巷道圍巖的強(qiáng)度和支護(hù)體結(jié)構(gòu)完整性控制效果以及周圍煤巖體的應(yīng)力、位移的破壞規(guī)律。

根據(jù)義馬常村煤礦21170運(yùn)輸巷煤層地質(zhì)條件進(jìn)行簡化，采用有限元FLAC3D對煤體內(nèi)置鋼管護(hù)壁效果進(jìn)行模擬，分析鋼管對煤層中內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用，模型尺寸為60 m×10 m×50 m，采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則，中間弱結(jié)構(gòu)致裂鉆孔直徑為110 mm，水平、底邊界約束位移，上邊界施加17.5 MPa荷載。

圖7 模型計算Fig.7 Numerical models

鋼管體采用線彈性本構(gòu)模型，彈性模量E=210 GPa，壁厚0.045 m，煤體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，根據(jù)煤體性質(zhì)，體積模量E=4.8 GPa，剪切模量G=3.6 GPa，密度1 400 kg/m3，抗拉強(qiáng)度0.8 MPa，黏聚力c=1.1 MPa。鋼管采用柱形殼體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分盡可能均勻，鋼管與煤體接觸處網(wǎng)格保持一致。在兩者之間設(shè)置鋼管煤接觸面，鋼管側(cè)的接觸面處采用中間為空心的柱體網(wǎng)格。

圖8為應(yīng)力計算結(jié)果，有鋼管套入時煤體應(yīng)力無法釋放與未鉆孔前應(yīng)力相似，而無鋼管鉆孔應(yīng)力得到釋放。由圖9可以看出，無鋼管致裂鉆孔周圍塑性區(qū)是有鋼管的5～8倍，在致裂鉆孔中套入鋼管，鉆孔周圍的塑性區(qū)明顯減小。無鋼管套入的鉆孔，塑性區(qū)較大，以致影響巷道內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)支護(hù)的穩(wěn)定性。圖10可以看出，套入鋼管鉆孔周圍基本不發(fā)生位移，而無鋼管套入鉆孔周圍煤體位移是有鋼管套入位移的20倍。

圖8 豎直方向應(yīng)力圖Fig.8 Vertical direction stress

圖9 塑性破壞區(qū)Fig.9 Plastic failure zone

圖10 X方向位移計算Fig.10 X direction displacement calculation

鉆孔中套入鋼管，保護(hù)了鉆孔周圍煤體不受破壞，也保護(hù)了巷道支護(hù)的內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)，同時，中間弱結(jié)構(gòu)區(qū)域在高應(yīng)力作用下被壓實后，可通過鋼管再次進(jìn)行中間弱結(jié)構(gòu)致裂，保護(hù)了內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)中煤體不受二次破壞。

3.3 內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)機(jī)制

巷道開挖或擴(kuò)修后，在巷道圍巖周邊建立一個內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)支護(hù)圈，控制巷道圍巖穩(wěn)定性，同時，在巷道兩幫致裂中間弱結(jié)構(gòu)，弱化圍巖強(qiáng)度轉(zhuǎn)移高應(yīng)力，沖擊地壓巷道支護(hù)與卸壓協(xié)調(diào)機(jī)制如下:

(1)錨桿(索)、鋼帶聯(lián)合支護(hù)[16]控制頂板兩幫錨固區(qū)，防治巷道兩幫位移變化，頂板梯次支護(hù)[17]加固淺部圍巖也強(qiáng)化深部圍巖支護(hù)圈，防治巷道頂板下沉，內(nèi)置鋼管支撐護(hù)壁技術(shù)保護(hù)內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)不被卸壓鉆孔弱化，形成內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)結(jié)構(gòu)。避免因大直徑卸壓鉆孔破壞巷道的完整性[18]，造成巷道破壞。

(2)利用巷道兩幫防沖卸壓孔構(gòu)建中間弱結(jié)構(gòu)，巷道幫部弱結(jié)構(gòu)的致裂為巷道支護(hù)提供了更好的應(yīng)力環(huán)境，巷道的卸壓效果更佳[19-21]，避免了巷道在沖擊動載下造成的破壞，形成弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖結(jié)構(gòu)。弱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移高應(yīng)力，吸收沖擊能量，避免因沖擊對巷道造成的嚴(yán)重破壞。

(3)內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)的主動強(qiáng)化支護(hù)構(gòu)建了巷道支護(hù)穩(wěn)定的錨固承載圈，中間弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖為巷道提供了良好的應(yīng)力支護(hù)條件，內(nèi)置鋼管支撐護(hù)壁技術(shù)在保護(hù)內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)不受破壞的作用下可以多次進(jìn)行中間弱結(jié)構(gòu)致裂，既防內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)松動圈裂隙擴(kuò)展，又防止巷道支護(hù)層的整體失穩(wěn)，同時致裂了中間弱結(jié)構(gòu)，解決了沖擊地壓巷道支護(hù)與卸壓間的矛盾。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場應(yīng)用在義馬礦區(qū)常村煤礦21170運(yùn)輸巷，巷道處于沖擊危險區(qū)域范圍內(nèi)，為深井大斷面高應(yīng)力強(qiáng)卸壓大蠕變沖擊地壓巷道。本次支護(hù)方案依據(jù)強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)，考慮巷道最終使用斷面，巷道斷面采用矩形斷面，寬×高=5.8 m×3.5 m，以錨桿、錨索、金屬網(wǎng)主動支護(hù)，液壓抬棚減跨支護(hù)構(gòu)建內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)，以反復(fù)掏裂法實現(xiàn)中間弱結(jié)構(gòu)消波吸能，即“錨桿索主動支護(hù)+液壓抬棚強(qiáng)力支護(hù)+弱結(jié)構(gòu)防沖吸能”內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)支護(hù)方案。

4.1 內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)參數(shù)

頂板支護(hù):頂板用7根φ22 mm×L2 500 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿加兩節(jié)3.1 m長四孔M4鋼帶，錨桿間距900 mm，排距800 mm。沿巷道走向布置3根φ18.9 mm×L5 300 mm讓壓短錨索，托盤尺寸為400 mm×400 mm×16 mm，錨索間距1.5 m，排距1.6 m，即:兩排錨桿施工一組短錨索。沿巷道的走向方向布置φ18.9 mm×L8 000 mm讓壓長錨索，托盤尺寸為400 mm×400 mm×16 mm，兩根單體錨索間距2.5 m，排距1.6 m，即:兩排錨桿施工兩根長錨索。

圖11 支護(hù)與卸壓協(xié)調(diào)機(jī)制示意Fig.11 Coordination mechanism between support and pressure relief

圖12 巷道具體支護(hù)參數(shù)Fig.12 Roadway support parameters

幫部支護(hù):巷道兩幫均采用5根φ22 mm×L2 500 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿加3.5 m長四孔M4鋼帶，錨桿間距850 mm，排距800 mm。施工10～20 m后，在兩幫中上及靠近底板位置施工兩排幫部走向錨索梁，錨索為φ18.9 mm×L5 300 mm，3.2 m長槽鋼梁，孔間距1.6 m，孔外端長度0.8 m。

液壓抬棚加強(qiáng)支護(hù):錨網(wǎng)支護(hù)后，緊跟施工點順巷道中心打一道液壓走向抬棚加強(qiáng)支護(hù)，液壓走向抬棚是內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)重要一部分。

4.2 弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖方案

利用反復(fù)掏裂法致裂技術(shù)弱化巷道兩幫實現(xiàn)“中間弱結(jié)構(gòu)”吸收動靜載能量，鉆機(jī)分別在巷道的左右兩幫向煤巖體指定位置打若干個卸壓孔，鉆孔直徑110 mm，卸壓孔孔口之間的間隔為3 m，同時在鉆孔內(nèi)套入10 m鋼管保護(hù)內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)不受破壞，起到了加固巷道內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)的作用，之后，從鋼管內(nèi)向卸壓鉆孔繼續(xù)鉆孔，利用深入卸壓鉆孔內(nèi)的鉆桿對巷道的煤巖體進(jìn)行致裂，致裂后煤巖體相互貫通，形成巷道兩幫的防沖弱結(jié)構(gòu)。當(dāng)巷道兩幫的防沖弱結(jié)構(gòu)在煤巖體壓力作用下壓實后，再次通過鋼管反復(fù)多次循環(huán)對煤巖體進(jìn)行致裂卸壓而不破壞巷道內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)，巷道支護(hù)層不會在卸壓鉆孔作用下使煤巖體松動圈擴(kuò)大。致裂示意如圖13所示。

圖13 弱結(jié)構(gòu)構(gòu)建示意Fig.13 Soft structure construction diagram

21170運(yùn)輸巷中間弱結(jié)構(gòu)層利用防沖卸壓孔設(shè)置中間弱結(jié)構(gòu)鉆孔。根據(jù)礦壓觀測，在巷道兩幫各打20 m鉆孔，鉆孔直徑為110 mm，在鉆孔開口10 m段放入直徑正好滿孔直徑的鋼管。10 m鋼管可由短鋼管公母螺絲對接聯(lián)結(jié)而成。在鋼管外端10 m以外，利用鉆孔過程掏煤松動效應(yīng)形成煤巖松散弱結(jié)構(gòu)。當(dāng)巷道兩幫的防沖弱結(jié)構(gòu)層在煤巖體壓力作用下壓實后，再次從鋼管內(nèi)向卸壓鉆孔內(nèi)鉆進(jìn)，對巷道左右兩幫的煤巖體進(jìn)行致裂，根據(jù)巷道兩幫防沖弱結(jié)構(gòu)壓實情況，反復(fù)對巷道左右兩幫的煤巖體致裂多次。在此過程中，巷道左右兩幫不會在卸壓鉆孔作用下使煤巖體松動圈擴(kuò)大，在致裂弱結(jié)構(gòu)的同時保護(hù)了巷道內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)。

4.3 礦壓觀測及分析

在巷道擴(kuò)修期間，對巷道的兩幫位移、頂板離層及中間弱結(jié)構(gòu)致裂前后微震監(jiān)測能量進(jìn)行觀測分析。

4.3.1巷道兩幫表面位移變化量

21170運(yùn)輸巷兩幫位移變化量如圖14所示。隨著維護(hù)時間的增加，巷道表面位移量不斷增加，兩幫最大位移量為611 mm。兩幫位移量在60 d左右趨于穩(wěn)定，弱結(jié)構(gòu)致裂前后對比可以看出，弱結(jié)構(gòu)致裂對巷道內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)的影響較小，弱結(jié)構(gòu)致裂后巷道在一定時間內(nèi)并沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。160 d后由于工作面采動影響，導(dǎo)致巷道兩幫移近量增加。

圖14 21170運(yùn)輸巷兩幫位移變化Fig.14 21170 roadway surface displacement diagram

4.3.2頂板下沉量

頂板變化量如圖15所示，隨著維護(hù)時間的增加，巷道頂板變化不斷增加，頂板最大下沉量52 mm，頂板得到了有效控制，中間弱結(jié)構(gòu)致裂對巷道頂板沒有很大影響，巷道頂板沒有因中間弱結(jié)構(gòu)致裂而發(fā)生較大的離層造成巷道失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖15 21170運(yùn)輸巷頂板下沉量Fig.15 21170 roadway roof separation

4.3.3弱結(jié)構(gòu)實施后微震監(jiān)測

圖16顯示了弱結(jié)構(gòu)致裂前后巷道微震能量監(jiān)測，弱結(jié)構(gòu)致裂后，巷道微震監(jiān)測到的能量明顯減小。煤體內(nèi)的應(yīng)力得到了明顯轉(zhuǎn)移或吸收，有效減少了高應(yīng)力及沖擊地壓對巷道破壞。

4.4 巷道支護(hù)效果

21170運(yùn)輸巷支護(hù)效果如圖17所示。內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與煤巖體致裂卸壓防沖消波吸能方案明顯改善了巷道支護(hù)情況，支護(hù)參數(shù)選擇合理，有效控制了頂板離層并抑制巷道圍巖變形，回采之前不需要再次返修。不僅巷道支護(hù)效果顯著，同時節(jié)約了多次返修材料和人工成本，經(jīng)濟(jì)效果較好。

圖17 21170運(yùn)輸巷效果Fig.17 21170 roadway implementation diagram

5 結(jié) 論

(1)基于強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制模型，研究了內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)主動強(qiáng)力加固措施及中間弱結(jié)構(gòu)致裂吸能效應(yīng)，提出了保護(hù)內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)不受破壞，致裂中間弱結(jié)構(gòu)消波吸能的關(guān)鍵技術(shù)，解決了沖擊區(qū)域巷道內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖的矛盾。

(2)提出了反復(fù)掏裂技術(shù)致裂中間弱結(jié)構(gòu)技術(shù)，理論推導(dǎo)了中間弱結(jié)構(gòu)的影響因素。在指定區(qū)域適當(dāng)時間致裂中間弱結(jié)構(gòu)，達(dá)到有效卸壓目的，中間弱結(jié)構(gòu)致裂后，巷道兩幫能量明顯減少，巷道兩幫頂板位移變化較小。兩幫弱結(jié)構(gòu)對改善巷道圍巖應(yīng)力，進(jìn)一步提高巷道支護(hù)穩(wěn)定性有重要影響。

(3)通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究了內(nèi)置鋼管支撐護(hù)壁技術(shù)能夠有效保護(hù)巷道圍巖強(qiáng)度和完整性不受破壞，提高了巷道幫部圍巖穩(wěn)定性，中間弱結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力壓實后可以再次致裂，保護(hù)了內(nèi)強(qiáng)小結(jié)構(gòu)不受鉆孔的二次破壞。研究成果協(xié)調(diào)解決了沖擊區(qū)域巷道內(nèi)強(qiáng)主動支護(hù)與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖間的矛盾，有效控制了巷道變形，支護(hù)效果顯著，可在高應(yīng)力強(qiáng)沖擊同類巷道進(jìn)行推廣應(yīng)用。