吳擁政付玉凱何 杰陳金宇褚曉威孟憲志

(1.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院,北京 100013;4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013)

沖擊地壓(沖擊礦壓)是指煤礦開采空間內(nèi)煤巖體由于彈性能的瞬時釋放出現(xiàn)的一種突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象,煤巖體破壞過程中伴有震動、巨響及氣浪等特征,具有很強的破壞性[1-2]。近年來,我國煤礦安全形勢日益好轉(zhuǎn),但也相繼發(fā)生了數(shù)起較大、重大沖擊地壓事故[3]。隨著開采深度和強度的增加,沖擊地壓發(fā)生的頻次和破壞程度均呈增大的趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2019年,我國的沖擊地壓礦井達到180 余座,主要分布在山東、河南、黑龍江、陜西及山西等25 個省份,幾乎遍布各大主采煤區(qū),沖擊地壓造成巷道大面積垮塌、人員傷亡、設(shè)備損傷以及誘發(fā)瓦斯突出等次生災(zāi)害,已成為嚴重制約礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一[4-6]。

鑒于沖擊地壓事故主要發(fā)生在回采巷道,回采巷道沖擊地壓防治已成為目前國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點。沖擊地壓災(zāi)害的防治主要分為災(zāi)害預(yù)警和災(zāi)害防控,災(zāi)害預(yù)警主要包括微震監(jiān)測、地音監(jiān)測、電磁監(jiān)測及煤柱應(yīng)力監(jiān)測等手段[7-8],災(zāi)害防控主要是從采區(qū)布置優(yōu)化、主動解危和支護防沖等方面開展[9-11]。由于沖擊地壓發(fā)生地點和時間難以提前預(yù)測、預(yù)報,單獨依靠預(yù)警、卸壓解危等措施仍不能徹底控制沖擊地壓的發(fā)生。巷道支護作為巷道沖擊地壓防治的最后一道防線,合理的防沖支護能有效降低或避免沖擊地壓造成的破壞。目前,國內(nèi)對深部沖擊地壓巷道控制方面的研究主要集中在2 個方面:①應(yīng)力控制。齊慶新等[12]提出了應(yīng)力控制理論,通過采用大直徑鉆孔、深孔爆破及斷頂爆破等技術(shù)手段降低危險區(qū)域的應(yīng)力水平,從而控制沖擊地壓的發(fā)生;竇林名等[13]提出了沖擊地壓強度弱化減沖理論,利用人工干預(yù)手段改變煤巖體力學(xué)屬性,通過降低煤巖體儲存的彈性能控制沖擊地壓的發(fā)生;潘俊鋒等[9]基于沖擊地壓啟動理論,提出了沖擊地壓巷道以“卸”為主,以“支”為輔的防沖技術(shù)。②防沖支護。沖擊地壓巷道支護防沖的形式主要有高強錨桿支護、U 型棚支護及防沖支架等?；跊_擊地壓巷道對支護材料的特殊要求,國內(nèi)外科研人員相繼研發(fā)了高沖擊韌性錨桿、預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿、Garford 錨桿、Durabar 錨桿、Yielding Secura 錨桿和Roofex 錨桿等新型支護材料[14-21],新型支護材料的成功研發(fā),一定程度上解決了沖擊地壓巷道支護材料動載失效破斷難題。為了提高沖擊地壓巷道的安全性,潘一山等[22-23]聯(lián)合支架生產(chǎn)廠家,研發(fā)了系列防沖支架,如單體液壓防沖支架、垛式液壓防沖支架及門式液壓防沖支架等,通過防沖支架吸能構(gòu)件的快速讓位吸能作用減小沖擊動能對巷道圍巖的作用,有效控制了沖擊地壓巷道的沖擊破壞?？梢?采用應(yīng)力控制和防沖支護是實現(xiàn)沖擊地壓巷道圍巖控制的2 種關(guān)鍵技術(shù)手段,國內(nèi)外學(xué)者在上述方面開展了大量的研究工作,但缺乏對卸壓、支護及防護3 種防控手段的相互作用機制及協(xié)同防控原理方面的研究,有必要從卸壓、支護及防護3 個方面開展研究,分析3種技術(shù)手段間的互饋機制,揭示深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控原理,從而充分發(fā)揮3種技術(shù)手段的協(xié)同防控效果。

基于此,在分析深部沖擊地壓巷道變形破壞特征的基礎(chǔ)上,建立了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控力學(xué)模型,分析了動、靜疊加載荷、支護應(yīng)力、圍巖力學(xué)屬性與莫爾圓間的相互關(guān)系,提出了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控原理與技術(shù),為深部沖擊地壓巷道圍巖防控提供借鑒。

1 深部沖擊地壓巷道變形破壞機制

1.1 深部沖擊地壓巷道圍巖變形破壞特征

河南義馬礦區(qū)是我國典型的沖擊地壓礦區(qū),現(xiàn)場調(diào)研了義馬礦區(qū)的常村、耿村等典型的沖擊地壓巷道變形情況,巷道埋深600～950 m,煤層厚度8.5～11.4 m,直接頂多為泥巖、砂質(zhì)泥巖,基本頂為砂巖、礫巖,堅硬巖層厚度變化較大,厚度位于100～270 m。巷道通常沿底板掘進,巷道斷面采用三心拱斷面,毛斷面普遍超過25 m2,斷面較大。卸壓方式主要采用巷幫大直徑鉆孔、斷底爆破及斷頂爆破等,巷道一級支護采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等進行支護,二級支護為U 型棚,棚距0.6～1.2 m,棚與圍巖間預(yù)留300～500 mm 的變形量,工作面回采前,在U 型棚中部打設(shè)液壓抬棚、門式支架等(三級支護)進行加強支護。

巷道掘進過程中,沖擊事件能量相對較小,沖擊能量基本位于106J 以下,但巷道在所受高靜載荷作用下已出現(xiàn)持續(xù)變形,巷道頂板下沉300 mm 以上,底臌達600 mm,兩幫收縮嚴重。巷幫卸壓鉆孔施工后,巷幫錨桿(索)大部分出現(xiàn)失效,圍巖完整性遭到嚴重破壞,單幫移近超過1 000 mm,U 型棚預(yù)留的變形量在巷道掘進期間已出現(xiàn)閉合。工作面回采時,由于受工作面超前支承壓力的影響,回采巷道超前300 m 范圍內(nèi)巷道變形極其嚴重,大能量事件頻發(fā),頂板錨桿、錨索出現(xiàn)破斷,兩幫整體鼓出,底板強烈底臌,整個斷面幾乎閉合。U 型棚、液壓抬棚、門式支架等因圍巖收縮擠壓出現(xiàn)變形、壓死和折斷的現(xiàn)象,二級和三級支護體系在沖擊地壓發(fā)生前已失效,未能有效發(fā)揮二級與三級支護體系的防護作用,沖擊地壓發(fā)生后,巷道整體出現(xiàn)坍塌、閉合等破壞。巷道變形破壞如圖1所示。

圖1 沖擊發(fā)生后巷道圍巖變形情況Fig.1 Deformation of surrounding rock after impact

1.2 深部沖擊地壓巷道防控難點

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研深部沖擊地壓巷道變形破壞情況,影響深部沖擊地壓巷道圍巖防控的難點主要有下面幾個方面:

(1)巷道受高動、靜疊加載荷影響。沖擊地壓巷道埋深普遍較大,再加上構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力及采動應(yīng)力的共同作用,巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中。同時,厚層堅硬巖層的瞬間斷裂會產(chǎn)生高能量的沖擊載荷,高動、靜載荷疊加使圍巖受力復(fù)雜,在高動、靜載荷雙重作用下巷道極易出現(xiàn)強烈變形。

(2)卸壓措施對圍巖和支護系統(tǒng)的劣化作用。大直徑鉆孔、爆破等卸壓手段是目前最常用的應(yīng)力控制技術(shù),通過卸壓來轉(zhuǎn)移巷幫煤體內(nèi)的高集中應(yīng)力。在防沖卸壓設(shè)計時通常不考慮其對圍巖和支護系統(tǒng)的影響,卸壓措施在轉(zhuǎn)移巷幫煤體高集中應(yīng)力的同時對圍巖與支護系統(tǒng)造成了嚴重影響,巷幫圍巖完整性遭到破壞,錨桿(索)錨固結(jié)構(gòu)出現(xiàn)劣化,圍巖強度和錨固力顯著降低,巷幫支護系統(tǒng)的支護作用和抗沖擊能力明顯降低。

(3)三級支護體系相互不協(xié)調(diào)。錨桿(索)支護系統(tǒng)、U 型棚、液壓抬棚等防護手段被各個擊破,無法實現(xiàn)協(xié)同防沖。錨桿(索)支護系統(tǒng)未能發(fā)揮主動支護作用,巷道在高靜載荷作用下出現(xiàn)強烈變形,使得靜載作用下錨桿(索)支護系統(tǒng)已接近臨界失效狀態(tài),U 型棚、液壓抬棚及門式支架等防控裝備因圍巖收縮擠壓出現(xiàn)變形、壓死和折斷,防護裝備在沖擊地壓發(fā)生前已失效。

(4)巷幫、底板防護薄弱。從巷道沖擊地壓顯現(xiàn)來看,巷幫、底板顯現(xiàn)最為明顯,沖擊后兩幫收縮、強烈底臌,由于巷幫煤體強度低,底板處于裸露狀態(tài),使得巷幫、底板成為沖擊地壓能量釋放的通道,巷幫與底板沖擊顯現(xiàn)難以有效控制。

1.3 深部沖擊地壓巷道變形破壞機制

沖擊地壓巷道上方存在的巨厚堅硬砂巖、礫巖易積聚彈性能,隨著工作面的回采,巷道上方的覆巖結(jié)構(gòu)受到構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力及采動應(yīng)力所形成的高疊加應(yīng)力作用出現(xiàn)破斷,厚層堅硬巖層的破斷釋放高積聚能量,能量在巷道圍巖內(nèi)部形成動載荷,而巷道本身就處于高應(yīng)力狀態(tài),在巷道圍巖受到高動、靜疊加載荷作用下,當(dāng)疊加載荷超過巷道圍巖沖擊臨界載荷時,巷道圍巖就會出現(xiàn)沖擊失穩(wěn)。此時,若支護系統(tǒng)不能有效抵御高動、靜疊加載荷作用,不能充分吸收堅硬巖層斷裂所釋放的沖擊動能就會造成支護系統(tǒng)失效。為了分析深部沖擊地壓巷道破壞機制,可從應(yīng)力和能量2 個角度進行分析。

1.3.1 巷道沖擊破壞應(yīng)力條件

建立的深部沖擊地壓巷道變形破壞機制示意圖如圖2所示,其中假設(shè)巷道圍巖的靜載荷為σs,沖擊震源產(chǎn)生的動載荷為σ0,根據(jù)彈性波傳播理論,σd=σ0R-η,其中,σd為應(yīng)力波傳至巷道周圍的動載荷;R為震源與巷道間的距離;η為應(yīng)力波在圍巖中的衰減系數(shù)。巷幫大直徑鉆孔會在鉆孔周圍形成破碎區(qū),當(dāng)疊加載荷σs+ σd大于臨界沖擊載荷σbmin時,巷道即會出現(xiàn)沖擊失穩(wěn)破壞。圖3為深部沖擊地壓巷道開挖后各階段圍巖受力的莫爾圓,其中σ1為煤巖體垂直應(yīng)力;σ3為煤巖體圍壓;c為煤巖體黏聚力;φ為煤巖體內(nèi)摩擦角;τf為煤巖體剪應(yīng)力;σ為剪切面正應(yīng)力;圓1 為煤巖體原巖應(yīng)力下的莫爾圓;圓2 為巷道開挖后煤巖體的莫爾圓;圓3 為沖擊事件發(fā)生后,煤巖體在動、靜疊加載荷作用下的莫爾圓,線A為巷道開挖后煤巖體的抗剪強度包絡(luò)線,線B為大直徑鉆孔、爆破等巷道內(nèi)卸壓措施實施后圍巖抗剪強度包絡(luò)線。莫爾圓圓心坐標為,半徑為

假定沖擊地壓巷道煤巖體壓剪破壞符合莫爾-庫倫強度準則,那么影響圍巖破壞的主要因素包括動、靜疊加載荷、支護力及圍巖力學(xué)參數(shù)[24]。巷道開挖后,煤巖體σ3相應(yīng)減小,莫爾圓圓心坐標左移,莫爾圓半徑增加,莫爾圓由1 調(diào)整為2。當(dāng)巷道上方厚堅硬巖層發(fā)生斷裂釋放沖擊動能時,沖擊動載荷與靜載荷疊加,使得σ1顯著增大,莫爾圓圓心右移,莫爾圓半徑進一步增加,莫爾圓由2 調(diào)整為3,莫爾圓與抗剪包絡(luò)線A相切,巷道煤巖體處于極限平衡狀態(tài);若相交,煤巖體將出現(xiàn)沖擊失穩(wěn)破壞。

圖2 深部沖擊地壓巷道變形破壞機制示意Fig.2 Schematic diagram of failure mechanism in deep rock burst roadway

圖3 深部沖擊地壓巷道各階段破壞的莫爾圓Fig.3 Mohr circle of deep rock burst roadway in different stages

由于沖擊地壓巷道幫部通常施工大直徑鉆孔轉(zhuǎn)移巷幫集中應(yīng)力,底板施工斷底炮切斷巷道底板的水平集中應(yīng)力,上述卸壓措施的實施會造成圍巖強度的降低和支護結(jié)構(gòu)完整性的破壞,從而使巷道圍巖的抗剪強度包絡(luò)線由A調(diào)整為B,進一步加劇了沖擊地壓巷道兩幫和底板的沖擊顯現(xiàn)程度。

總之,沖擊地壓巷道沖擊破壞程度與巷道圍巖靜載荷大小、沖擊動載荷大小、圍巖物理力學(xué)參數(shù)及支護強度等密切相關(guān)。

1.3.2 巷道沖擊破壞能量條件

巷道沖擊失穩(wěn)破壞是煤巖體積聚的彈性能釋放的過程,煤巖體三向應(yīng)力下積聚的彈性能[25]為

式中,σ2為煤巖體的中間主應(yīng)力;ν為煤巖體泊松比;E為彈性模量。

煤巖體未受擾動時,處于三向應(yīng)力狀態(tài),積聚的彈性能較大,一旦受到擾動破壞,立刻處于單向應(yīng)力狀態(tài),向外釋放彈性能,釋放的彈性能將以應(yīng)力波的形式向四周傳播,其釋放的彈性能為

式中,E1為剩余彈性能;Es為釋放的彈性能。

釋放的彈性能在圍巖中傳播時,通常以指數(shù)形式衰減,震源距巷道距離為R,則應(yīng)力波傳播至巷道周圍單位面積的動能為

假設(shè)錨桿(索)、鋼棚、防護支架等支護系統(tǒng)所吸收的能量為Em,那么經(jīng)過支護系統(tǒng)吸收后殘余的沖擊能量為

沖擊地壓巷道能量破壞準則為:E3> Emin,其中Emin為巷道圍巖臨界失穩(wěn)最小能量。殘余的能量將以沖擊動能、支護系統(tǒng)失效及圍巖塑性變形等形式顯現(xiàn),最終造成巷道沖擊破壞。

從能量角度來看,影響巷道沖擊破壞程度的主要因素為震源能量、震源距離、圍巖物理屬性、支護系統(tǒng)吸能能力等因素。

采用上述方法直接計算沖擊地壓釋放的能量和沖擊破壞范圍是比較困難的,為便于現(xiàn)場應(yīng)用,可采用間接能量校核計算方法或工程類比方法,具體的能量校核計算方法如下:

(1)根據(jù)試驗巷道的地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件,采用綜合指數(shù)法對試驗區(qū)域進行沖擊傾向性判定,確定沖擊危險性等級和震級,考慮到安全性,震級取最大值。如有類似地質(zhì)條件巷道掘進和回采過程中的微震監(jiān)測礦壓數(shù)據(jù),也可采用工程類比法,確定試驗巷道的沖擊危險性等級和震級,實測微震數(shù)據(jù)更符合現(xiàn)場實際情況,通過震級可得出沖擊震源釋放的能量Es。

(2)由于圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,圍巖沖擊波衰減系數(shù)η確定困難,可采用間接方法或現(xiàn)場實測的方法進行確定。間接確定是通過式(5)計算得出震源波幅值,將模擬沖擊波或?qū)崪y沖擊波曲線導(dǎo)入數(shù)值計算軟件,通過反演和實驗室試驗確定圍巖力學(xué)參數(shù),數(shù)值計算確定的震源沖擊波傳至巷道最近處的沖擊振動速度和巷道破壞范圍。如現(xiàn)場條件允許,可采用加速度傳感器捕捉震源距巷道最近處的加速度,繼而得出振動速度。

式中,A0為沖擊震源初始幅值。

(3)通過巷道表面圍巖震動速度、圍巖震動破壞范圍和圍巖密度等參數(shù),可計算得出巷道圍巖單位面積上的動能:

式中,m為巷道表面單位面積上破壞圍巖的質(zhì)量;v為巷道表面圍巖震動速度;h為圍巖破壞范圍;ρ為圍巖密度。

(4)錨桿(索)、金屬網(wǎng)等支護構(gòu)件的吸收能量可通過試驗室測試,確定單位面積上支護系統(tǒng)的吸收能量Ec;鋼棚和防護支架單位面積吸收的能量可通過試驗室實驗、理論計算等方法確定防護裝備吸收能量Ez。為了保留一定的安全系數(shù),巷道圍巖臨界失穩(wěn)最小能量Emin可取0,通過計算,可校核支護能力是否滿足要求。

2 深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控原理

2.1 深部沖擊地壓巷道圍巖控制方法

根據(jù)上述分析可知,深部沖擊地壓巷道圍巖失穩(wěn)破壞的主要影響因素為高靜載載荷、沖擊應(yīng)力波產(chǎn)生的動載荷及劣化后的破碎圍巖,圍巖控制方法可從上述3 個方面確定。

解決高靜載載荷的方法主要有:優(yōu)化工作面開采布置、巷道布置,將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi);優(yōu)化巷道軸向與地應(yīng)力的方向,使巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向一致,改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài);采用人工卸壓方法[26],轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力的峰值和位置,使巷道處于低應(yīng)力區(qū)。由于前2 種方法受現(xiàn)場開采條件限制,通常不便于實施,本文論述的釋放高靜載載荷的方法主要為第3 種方法,若條件允許,應(yīng)優(yōu)先選擇前2 種方法。

降低沖擊應(yīng)力波產(chǎn)生的動載荷的方法主要有:通過人工調(diào)控手段,弱化堅硬頂板強度和完整性,弱化或消除頂板動載源;在沖擊應(yīng)力波傳播路徑上設(shè)置圍巖弱結(jié)構(gòu),通過弱結(jié)構(gòu)的吸能效應(yīng),減小作用在巷道圍巖上的動載荷;在巷道內(nèi)設(shè)置錨桿(索)、鋼棚、緩沖墊層及防護支架等復(fù)合防控吸能結(jié)構(gòu),通過吸收沖擊動能,削減沖擊應(yīng)力波峰值,減小沖擊應(yīng)力波對巷道的破壞效應(yīng)。

改善破碎圍巖力學(xué)屬性的方法主要有2 種:錨固支護和注漿加固。錨桿(索)支護已成為煤礦巷道最常用的支護手段,高預(yù)應(yīng)力、高強度、高延伸率、高沖擊韌性的“四高”錨桿(索)已在沖擊地壓巷道中得到廣泛應(yīng)用,可有效抑制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調(diào)的擴容變形[27]。同時,結(jié)合注漿加固技術(shù),提高因卸壓導(dǎo)致巷道支護范圍內(nèi)劣化圍巖的強度和完整性,從而保持支護范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定;對于需反復(fù)開展大直徑鉆孔卸壓的巷道,可采用鉆孔安裝鋼套管的方式防止卸壓鉆孔破壞錨固圍巖,鋼套管長度超過錨桿(索)支護范圍3～5 m,通過鋼管進行多次反復(fù)鉆進卸壓而不破壞支護圍巖,巷道支護層不會在反復(fù)鉆進卸壓下受到劣化[25]。

2.2 深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控原理

基于上述分析,深部沖擊地壓巷道圍巖控制除采用傳統(tǒng)的防沖手段外,其“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控主要體現(xiàn)在3 個方面:①在工作面回采前,利用水力壓裂技術(shù)或深孔爆破技術(shù)對巷道圍巖遠、近場進行主動卸壓,破壞巷道上方厚層堅硬頂板的完整性和強度,從而降低工作面回采過程中采動應(yīng)力和沖擊能量;②通過采用“四高”錨桿(索)主動支護,有效抑制沖擊地壓巷道的圍巖變形,結(jié)合套管和注漿技術(shù),重塑劣化煤巖體的完整性和結(jié)構(gòu),在圍巖中形成預(yù)應(yīng)力抗沖擊支護結(jié)構(gòu);③在巷道空間內(nèi)架設(shè)鋼棚、防護支架等吸能裝備,吸能裝備與圍巖預(yù)留一定的緩沖吸能空間,緩沖吸能空間充填泡沫金屬、橡膠墊層或枕木等吸能材料,用于吸收沖擊震源產(chǎn)生的沖擊動能。通過水力壓裂遠、近場卸壓、預(yù)應(yīng)力錨固支護及吸能裝備防護,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),減小沖擊震源震級,抑制圍巖強度劣化,提高巷道抗沖擊和能量吸收能力,進而控制深部沖擊地壓巷道的沖擊破壞。深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控示意圖如圖4所示。

圖4 深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控示意Fig.4 Schematic diagram of “pressure relief-support-protection”collaborative prevention and control in deep rock burst roadway

(1)深部沖擊地壓巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移。深部沖擊地壓巷道強烈變形和強沖擊區(qū)域通常位于采動應(yīng)力影響區(qū)域,這主要是由于工作面回采過程中,煤層上方厚層堅硬巖層垮落對臨空巷道影響強烈[28],厚層堅硬巖層發(fā)生“O-X”破斷,破斷方向基本與臨空巷道軸向方向一致,在上覆巖層的作用下,厚層堅硬破斷巖層出現(xiàn)回轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)作用方向垂直于臨空巷道軸向,厚層堅硬巖塊對臨空巷道產(chǎn)生徑向擠壓作用。厚層堅硬巖層強度越高、厚度越大、完整性越好,其回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力越大,臨空巷道動力顯現(xiàn)越強烈,臨空巷道出現(xiàn)強烈變形,甚至沖擊失穩(wěn)。

為了控制臨空巷道強礦壓、強沖擊顯現(xiàn),可采用長、短孔分段水力壓裂方法實施遠、近場厚層堅硬巖層的壓裂,改變厚層堅硬巖層破斷結(jié)構(gòu)形成條件,轉(zhuǎn)移厚層堅硬頂板回轉(zhuǎn)形成的高集中應(yīng)力,降低堅硬頂板失穩(wěn)誘發(fā)集中彈性能釋放強度,從應(yīng)力和沖擊震源兩個角度控制臨空巷道強礦壓顯現(xiàn)。

(2)深部沖擊地壓巷道預(yù)應(yīng)力支護。利用高預(yù)應(yīng)力、高強度、高延伸率及高沖擊韌性的“四高”錨桿(索)可有效控制深部圍巖的強烈變形,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)大幅度增加了圍巖圍壓,改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài),有利于提高巷道圍巖自身的抗沖擊能力。預(yù)應(yīng)力支護使煤巖體處于受壓狀態(tài),可抵御沖擊應(yīng)力波在圍巖表面產(chǎn)生的拉伸破壞,同時,合理的預(yù)應(yīng)力值可使支護材料充分拉伸,更有利于支護系統(tǒng)與圍巖的協(xié)調(diào)變形。

在沖擊載荷、鉆孔卸壓及爆破等多重因素影響下,巷道兩幫和底板圍巖逐步劣化,圍巖松軟破碎,錨桿(索)錨固力低,支護結(jié)構(gòu)難以發(fā)揮支護作用,使得巷幫和底板成為巷道的薄弱區(qū)域,其易成為沖擊地壓能量釋放的通道。注漿加固能提高圍巖的強度和完整性,增加錨桿(索)的錨固作用,提高圍巖自承載和抗沖擊能力。

假設(shè)深部沖擊地壓巷道煤巖體滿足摩爾-庫倫準則[24],則煤巖體主應(yīng)力關(guān)系式為

式中,σ1f為煤巖體豎向抗壓強度;σc為煤巖體單軸抗壓強度。

對巷道圍巖進行預(yù)應(yīng)力支護后,圍巖的σ3顯著增加,其豎向抗壓強度σ1f也相應(yīng)提高,莫爾圓圓心右移,半徑也相應(yīng)減小,莫爾圓由1 調(diào)整為2。由于巷道圍巖采用了套管鉆進卸壓,有效抑制了圍巖強度的劣化,結(jié)合注漿加固,提高了圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù),使圍巖抗剪包絡(luò)線由B調(diào)整為A,煤巖體由極限平衡狀態(tài)調(diào)整為彈性安全狀態(tài),巷道圍巖即使出現(xiàn)沖擊載荷,巷道圍巖仍能保持穩(wěn)定。

圖5 預(yù)應(yīng)力支護與莫爾圓關(guān)系Fig.5 Relationship between prestressed support and Mohr circle

(3)鋼棚、緩沖墊層及防護支架等復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)防護。不同礦井沖擊地壓顯現(xiàn)強度差異較大,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護抵御的沖擊能量通常為104～105J,當(dāng)沖擊能量超過105J 以上時,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護有出現(xiàn)失效的風(fēng)險。此時,要采用鋼棚、緩沖墊層及防護支架等進行防護,從而實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護與鋼棚、緩沖墊層及防護支架的功能互補,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護主要用于控制圍巖變形,鋼棚、緩沖墊層及防護支架主要用于快速耗散作用在巷道圍巖上的沖擊動能,通過高剛度、高阻尼作用促使巷道圍巖由震動狀態(tài)迅速進入停止?fàn)顟B(tài)。

沖擊地壓礦井回采巷道的底板通常是沖擊能量釋放的通道,受限于施工效率和回采的要求,在回采巷道底板進行預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護顯得異常困難,再加上沖擊地壓巷道底板鉆孔、斷底炮等卸壓措施,使巷道底板圍巖大范圍破壞,給沖擊能量傳輸提供了路徑。鋼棚、防護支架等防護手段可彌補預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的不足,通過增加防護支架底部支護面積,底板增設(shè)緩沖墊層,可重點抵御底板的沖擊失穩(wěn)。

(4)沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”時空關(guān)系。要想充分發(fā)揮“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控作用,需協(xié)調(diào)好3 種技術(shù)手段的時空關(guān)系,巷道開挖前,利用長鉆孔區(qū)域分段水力壓裂技術(shù)對巷道上方厚堅硬巖層進行預(yù)弱化處理,降低厚堅硬巖層的完整性和所積聚彈性能的釋放強度;巷道掘進時,利用高預(yù)應(yīng)力、高強度、高延伸率及高沖擊韌性“四高”錨桿(索)進行預(yù)應(yīng)力支護,同時結(jié)合套管鉆進卸壓、注漿加固等手段,提高巷道圍巖的完整性,抑制圍巖劣化,有效控制巷道圍巖變形,提高巷道圍巖自身的抗沖擊能力,從而為鋼棚、緩沖墊層及防護支架等防護裝備提供架設(shè)空間;工作面回采前,利用中、短鉆孔局部水力壓裂技術(shù)對超前支承壓力進行應(yīng)力轉(zhuǎn)移,通過確定壓裂時機和參數(shù),實現(xiàn)超前支承壓力的精準轉(zhuǎn)移,同時還要避免壓裂對巷道支護范圍內(nèi)圍巖的破壞;根據(jù)巷道卸壓防沖手段,結(jié)合套管鉆進反復(fù)卸壓和注漿加固技術(shù),在巷道圍巖出現(xiàn)急劇劣化之前完成圍巖完整性恢復(fù),防止預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護失效,結(jié)合鋼棚、緩沖墊層及防護支架等復(fù)合吸能防護結(jié)構(gòu),實現(xiàn)巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控。

總之,從空間和時間上合理布置長孔和短孔水力壓裂卸壓,降低巷道高側(cè)向支承壓力,改善厚層堅硬巖層積聚的高彈性能釋放形式,通過預(yù)應(yīng)力支護技術(shù)提高圍巖自身抗變形和抗沖擊能力,結(jié)合鋼棚、緩沖墊層及防護支架等復(fù)合吸能結(jié)構(gòu),提高巷道空間內(nèi)能量耗散能力,最終實現(xiàn)沖擊能量和巷道耗散能量的平衡。通過科學(xué)協(xié)調(diào)“卸壓-支護-防護”3 者的時空關(guān)系,使沖擊地壓巷道能量耗散過程由不穩(wěn)定、無序、不可控的耗散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定、有序、可控的耗散狀態(tài)。

3 深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)

3.1 長、短孔分段水力壓裂卸壓技術(shù)

水力壓裂技術(shù)[29-30]主要由壓裂設(shè)備、壓裂工藝、壓裂效果檢測等組成,壓裂設(shè)備包括壓裂泵組、高壓管路、封隔器、射孔或切槽裝置等。為解決深部沖擊地壓巷道所遇到的強礦壓顯現(xiàn)難題,中煤科工開采研究院研發(fā)了長鉆孔區(qū)域孔分段水力壓裂技術(shù),主要包括巖層定向鉆孔技術(shù)、水平孔壓裂裝置、電驅(qū)大流量壓裂泵組等,長鉆孔水力壓裂設(shè)備組成如圖6所示,工作壓力達70 MPa,壓裂液流量0.6～1.5 m3/min,單孔壓裂半徑大于40 m,可實施區(qū)域壓裂,水平段孔長300～800 m,可處理煤層上方30～80 m 的上位堅硬頂板,改變上覆巖層垮落特征,減少堅硬巖層破斷的能量釋放,同時也可減小厚層堅硬巖層回轉(zhuǎn)的影響范圍及傳遞的應(yīng)力。

鑒于井下施工要求,又研發(fā)了中、短孔局部水力壓裂技術(shù),開發(fā)了高壓跨式封隔器,每個封隔器長度1 m,由加強橡膠和鋼絲復(fù)合制成,封孔壓力達到60 MPa,研發(fā)了輕便型高壓壓裂泵,工作壓力60 MPa,可滿足井下一般堅硬頂板的壓裂需要。

長鉆孔分段壓裂技術(shù)主要用于消除巷道遠場堅硬巖層破斷釋放的強沖擊動能,短鉆孔壓裂技術(shù)用于轉(zhuǎn)移巷道圍巖近場高集中應(yīng)力,通過對沖擊地壓巷道圍巖實施遠、近場水力壓裂,減小致使巷道發(fā)生沖擊的高靜載荷和動載荷,實現(xiàn)巷道的協(xié)同防沖。

3.2 高沖擊韌性錨桿(索)研制及力學(xué)特性

圖6 長鉆孔水力壓裂設(shè)備組成Fig.6 Composition of hydraulic fracturing equipment for long borehole

傳統(tǒng)的錨桿屈服強度為400～500 MPa,沖擊吸收功40～60 J,錨桿強度低,韌性差,不適合在深部沖擊地壓巷道中使用。為此,開發(fā)了高強度、高沖擊韌性錨桿(CRM700)支護材料[15],研發(fā)的高沖擊韌性錨桿桿體力學(xué)性能見表1。

表1 CRM700 錨桿桿體力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of CRM700 bolt

由測試結(jié)果可以看出,新開發(fā)的CRM700 錨桿最大破斷載荷達到340 kN 以上,屈服強度超過780 MPa,破斷強度超過890 MPa,沖擊吸收功大于145 J,其綜合力學(xué)性能較普通錨桿有大幅度提高。

同時,還開發(fā)了高強度、高延伸率鋼絞線,直徑21.8 mm,1×19 股結(jié)構(gòu),抗拉強度1 790 MPa,伸長率8%以上,與傳統(tǒng)鋼絞線伸長率3.5%相比,提高了1倍以上。開發(fā)的高延伸率錨索在煤炭工業(yè)北京錨桿產(chǎn)品檢測中心進行了檢測,檢測結(jié)果見表2。

高沖擊韌性錨桿和高延伸率錨索的工作曲線如圖7所示,圖中F1和F3為高韌性錨桿的初始工作阻力和最終工作阻力;ε3為高韌性錨桿最大應(yīng)變;F2和F22為錨索初始工作阻力和最終工作阻力;ε1和ε2為錨索初始應(yīng)變和最終應(yīng)變量;F4,Fi和F5為錨桿(索)共同作用的初始工作阻力、工作阻力和最終工作阻力;εi為錨桿(索)系統(tǒng)的應(yīng)變量。當(dāng)支護結(jié)構(gòu)應(yīng)變位于ε1和ε2之間時,該區(qū)間內(nèi)錨桿和錨索才能共同起到防沖作用,通過提高錨桿和錨索的強度、沖擊韌性、延伸率等力學(xué)指標,可增加兩者協(xié)同防沖的工作區(qū)間。錨桿(索)協(xié)同防沖工作區(qū)間滿足:

式中,FGi為高沖擊韌性錨桿工作阻力;FSi為高強錨索工作阻力。

表2 高延伸率錨索測試結(jié)果Table 2 Test results of high elongation anchor cable

圖7 錨桿(索)工作阻力曲線Fig.7 Working resistance curves of anchor bolt(cable)

在沖擊地壓巷道支護設(shè)計時,要根據(jù)圍巖壓力、沖擊載荷大小等因素,合理設(shè)計錨桿(索)的預(yù)緊力,使Fi = FGi + FSi,這樣在受到?jīng)_擊載荷作用時,才能充分發(fā)揮高沖擊韌性錨桿和高延伸率錨索的力學(xué)特性。

3.3 鋼棚、緩沖墊層及防護支架等復(fù)合結(jié)構(gòu)吸能防護技術(shù)

當(dāng)沖擊地壓釋放的能量超過105J 時,單獨采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護難以控制巷道的圍巖穩(wěn)定,需配合鋼棚、緩沖墊層及防護支架進行防護,防護設(shè)備在巷道空間內(nèi)形成吸能結(jié)構(gòu),其主要作用在于與錨固結(jié)構(gòu)形成復(fù)合吸能結(jié)構(gòu),通過復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)的能量耗散和阻尼作用,將沖擊地壓釋放的高動載荷削弱為低動載荷,吸收沖擊地壓釋放的能量,有效控制沖擊地壓造成巷道頂?shù)紫鲁?、底板隆起及兩幫收斂?/p>

鋼棚、防護支架通常具有高的支護阻力,在一般沖擊地壓條件下,能避免巷道沖擊破壞。但在強沖擊條件下,如新巨龍礦發(fā)生的斷層滑移型沖擊地壓,沖擊能量達到107J 以上,極高能量產(chǎn)生的動載應(yīng)力波造成巷道圍巖快速沖擊,強沖擊載荷致使型鋼棚彎折、棚腿折斷,支架泄壓閥來不及開啟而出現(xiàn)立柱爆缸、折斷的現(xiàn)象。同時,沖擊地壓發(fā)生位置難以提前預(yù)測,導(dǎo)致安裝的鋼棚、支架因偏載而傾倒失效,即使在鋼棚連接處、支架立柱等位置設(shè)置吸能構(gòu)件,吸能構(gòu)件也難以充分發(fā)揮吸能作用。因此,采用鋼棚與防護支架防護時,復(fù)合防護結(jié)構(gòu)在正常條件下要有較高的支護阻力,靜載作用下復(fù)合防護結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)失效的現(xiàn)象,同時沖擊載荷作用時,復(fù)合防護結(jié)構(gòu)要以塑性變形吸能為主,而不宜以彈性能積蓄,并且復(fù)合防護結(jié)構(gòu)要能防止巷道四周各個方向的沖擊能量,尤其是巷道兩幫和底板的沖擊動能。

針對沖擊地壓巷道變形的特點,研發(fā)了兩柱八字形框架式防護支架(ZFC4200/26/42),防護支架如圖8所示,支架高度2 600～4 200 mm,寬度430 mm,初撐力3 091 kN,工作阻力4 200 kN,單架質(zhì)量4.3 t。防護支架頂梁設(shè)置有吸能材料,可吸收頂?shù)装鍥_擊產(chǎn)生的能量;頂、底梁分別安裝了鉸接式三角防沖裝置,可防止頂?shù)装鍥_擊時頂?shù)琢赫蹟?采用立柱防沖柱窩和高強度單伸縮防沖立柱,可防止立柱沖擊折斷;大流量液控系統(tǒng)與大流量安全閥可通過快速開啟流量閥吸收沖擊能量,最后采用八字形立柱布置形式,更有利于防止底板沖擊。由于巷道四周方向均會出現(xiàn)沖擊,單獨采用吸能構(gòu)件對沖擊方向要求嚴格。因此,除在鋼棚、防護支架上設(shè)置吸能構(gòu)件外,鋼棚、防護支架與圍巖間宜填充緩沖墊層,緩沖墊層能吸收巷道四周各個方向的沖擊動能。圖9為鋼棚與圍巖間采用不同緩沖墊層時的沖擊力時程曲線,從圖中可以看出,不采用緩沖墊層時,圍巖動載荷達到235 kN,采用橡膠、枕木、泡沫鋁緩沖墊層后,沖擊作用力衰減至219,175 和90 kN,緩沖墊層能有效衰減沖擊應(yīng)力,延長沖擊作用時間,從而減小沖擊動載荷對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)。

3.4 “卸壓-支護-防護”參數(shù)確定方法

在進行沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”參數(shù)設(shè)計時,可采用動態(tài)信息設(shè)計法、工程類比法、數(shù)值模擬法等多種設(shè)計方法,具體設(shè)計流程如下:

(1)現(xiàn)場調(diào)查與巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估。通過調(diào)研試驗巷道地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件,對圍巖進行地質(zhì)力學(xué)測試,評估試驗巷道沖擊危險性和沖擊能量震級。

圖8 兩柱八字形框架式防護支架Fig.8 Two column and eight shape frame type anti impact hydraulic support

圖9 鋼棚與圍巖間不同緩沖墊層沖擊力曲線Fig.9 Impact force curves of different cushion between steel shed and surrounding rock

(2)區(qū)域壓裂設(shè)計。根據(jù)試驗區(qū)域堅硬巖層賦存特征、沖擊地壓類型及壓裂裂紋擴展情況,初步確定區(qū)域水力壓裂方案。通過對試驗區(qū)域進行微震監(jiān)測,評估區(qū)域壓裂后試驗巷道沖擊能量大小和位置,以確定區(qū)域壓裂是否充分。

(3)巷道支護設(shè)計。根據(jù)巷道斷面、圍巖地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果及沖擊危險性等綜合因素選擇合適的支護方式、支護材料和參數(shù),既要有效控制巷道靜載下的變形,又能控制巷道的沖擊載荷。采用錨桿支護設(shè)計時可選用動態(tài)信息設(shè)計法、工程類比法、及能量校核法等。

(4)鋼棚、防護支架等設(shè)計。鋼棚與防護支架主要是控制巷道空間內(nèi)的沖擊動能,為實現(xiàn)其與錨桿支護的協(xié)同控制作用,鋼棚、防護支架與圍巖間要充填緩沖墊層,避免防護裝備與錨桿支護的動態(tài)工作阻力的不協(xié)調(diào)。根據(jù)沖擊能量計算方法可獲得巷道表面圍巖單位面積的沖擊動能,通過核減錨桿支護結(jié)構(gòu)吸收的能量,最終計算鋼棚與防護支架需吸收的能量大小,然后確定鋼棚與防護支架的型號和布置參數(shù)。

由于卸壓、支護及防護3 種手段相輔相成、相互影響。設(shè)計時,不但要考慮到?jīng)_擊地壓巷道防控的安全性,還要根據(jù)試驗巷道地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件,綜合考慮3 種手段的經(jīng)濟性、便捷性及可行性,選擇合適的手段,使3 種手段優(yōu)勢互補,充分發(fā)揮3 者的協(xié)同防控作用。

4 “卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)實踐

由于各個沖擊地壓礦井的地質(zhì)條件和沖擊強度差異較大,在沖擊地壓巷道應(yīng)用“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)時,要根據(jù)礦井實際條件選擇相應(yīng)的技術(shù)措施。沖擊強度屬于弱沖擊條件時,可選用卸壓與支護2 種防控手段,沖擊強度屬于中等和強沖擊條件時,應(yīng)從卸壓、支護與防護協(xié)同防控方面著手,根據(jù)圍巖沖擊類型,沖擊機理及沖擊強度,選擇合適的協(xié)同防控技術(shù),做到?jīng)_擊地壓巷道的分類、分級協(xié)同防控。

4.1 蒙陜某礦協(xié)同防控技術(shù)實踐

內(nèi)蒙古某礦是蒙陜地區(qū)典型的沖擊地壓礦井,礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1 500 t/a,埋深700 m,地質(zhì)條件簡單。由于礦井開采強度高,巷道斷面大,巷道沖擊地壓顯現(xiàn)強烈,多次出現(xiàn)中等能量沖擊地壓,沖擊發(fā)生后,底板瞬間隆起,巷道錨固體穩(wěn)定性大幅度降低,受工作面超前壓力的影響,后期巷道兩幫變形超過1.5 m,部分錨桿、錨索出現(xiàn)破斷,頂板淺部圍巖出現(xiàn)漏頂、坍塌等現(xiàn)象,現(xiàn)有支護方式難以保證巷道的安全使用。

該礦主采3-1 煤,厚6.4 m,平均單軸抗壓強度29 MPa,直接頂為粉砂巖,厚5.9 m,平均單軸抗壓強度25 MPa,基本頂為粗粒砂巖,厚47.58 m,平均單軸抗壓強度35 MPa,底板為砂質(zhì)泥巖,厚9.8 m,平均單軸抗壓強度24 MPa。3 個主應(yīng)力的大小及方位分別為σ1= 37 MPa,方位角60°,傾角41.5°;σ2=12.7 MPa,方位角- 48.3°,傾角 15.5°;σ3=11.5 MPa,方位角206°,傾角44.4°。采用綜合指數(shù)法對402 工作面回采巷道沖擊危險性進行評價,綜合判定為中等沖擊危險區(qū)域,沖擊地壓震級位于2.0～2.4 級。

采用工程類比法,根據(jù)臨近工作面回采過程中微震監(jiān)測結(jié)果,確定402 工作面的水力壓裂方案。沖擊地壓震級為2.4 級時,采用數(shù)值計算方法得到圍巖震動速率最大值為4.8 m/s,粉砂巖破裂厚度達到0.6 m 以上,考慮到極端破壞情況下,破壞深度定為1.0 m,粉砂巖密度定為2 500 kg/m3。則單位面積上頂板發(fā)生沖擊地壓后釋放的動能為

頂板高沖擊韌性錨桿(MG500 號)吸收的能量為7.0 kJ/m2,高強錨索吸收的能量為10.6 kJ/m2,自由段為4 m 的高強錨索吸收的能量為42.4 kJ,單位面積上打設(shè)的錨索數(shù)量按照0.25 根計算,則高強錨索吸收的能量為10.6 kJ/m2,高強金屬網(wǎng)吸收的能量為2.2 kJ/m2,則頂板單位面積上總吸收的能量為19.8 kJ/m2,采用高沖擊韌性錨桿(索)已基本能夠?qū)崿F(xiàn)防沖要求。為控制工作面回采期間超前支承壓力下的圍巖強烈變形,可采用垛式支架進行控制。402工作面回采巷道具體的控制方案如下:

(1)卸壓方案。兩幫卸壓鉆孔直徑153 mm,深度20 m,排距1 m;壓裂卸壓鉆孔沿巷道軸向布置,傾角60°,深度50 m,間距10 m,每隔3 m 壓裂一次,單次壓裂時間30 min,壓裂25～40 MPa。

(2)支護方案。3-1402 輔運巷寬5.2 m,巷高4.1 m,采用高沖擊韌性錨桿(索),錨桿直徑22 mm,長度2.4 m,頂板錨桿間排距為900 mm×1 000 mm,錨索直徑21.8 mm,長度6.3 m,間排距1 800×1 000 mm;巷幫錨桿間排距850 mm×1 000 mm,巷幫錨索長度5.3 m,間排距1 500 mm×2 000 mm;頂板采用鋼筋網(wǎng)護頂,巷幫采用菱形網(wǎng)護幫。

(3)防護措施。工作面回采時,回采巷道超前150 m 架設(shè)垛式支架進行防護,支架型號為ZT 14000/28/45,每8 m 架設(shè)1 架。

采用協(xié)同防控技術(shù)后,3-1402 輔助運輸巷圍巖變形得到顯著改善,試驗區(qū)域微震事件數(shù)量顯著增加了211.09%,但微震事件總能量反而降低了58.6%,微震事件平均能量降低了86.69%,工作面推進每米釋放的能量降低了74.88%,巷道頂板下沉量減小了64.2%,兩幫移近量減小了55.9%,微震活動事件及能量統(tǒng)計如圖10所示,協(xié)同防控技術(shù)試驗效果如圖11所示。由此可以看出,采用協(xié)同防控技術(shù)后,頂板上部覆巖能量釋放由單次高能量釋放向多次低能量轉(zhuǎn)變,微震頻次有一定增加,但微震能量顯著降低,煤巖體內(nèi)的彈性能更多的是以小能量的形式進行釋放,這說明協(xié)同防控技術(shù)改變了上覆厚層堅硬巖層能量釋放形式。

4.2 義馬常村礦協(xié)同防控技術(shù)實踐

義馬礦區(qū)的常村礦由于受F16 斷層和巨厚堅硬礫巖的影響,沖擊地壓災(zāi)害十分嚴重,多次發(fā)生大能量沖擊地壓災(zāi)害。采用綜合指數(shù)法對21220 下巷沖擊危險性進行評價,綜合判定為強沖擊危險區(qū)域,沖擊地壓震級位于2.4～2.8 級。

21220 下巷埋深815 m,2-3 煤厚7.9 m,煤層上方泥巖厚度32.1 m,直接底炭質(zhì)泥巖,厚度6.2 m。泥巖厚度大,遇水風(fēng)化、碎脹,導(dǎo)致巷道出現(xiàn)強烈底臌。在試驗巷道內(nèi)進行地應(yīng)力測試,測點最大水平主應(yīng)力25.25 MPa,最小水平主應(yīng)力為13.46 MPa,垂直主應(yīng)力為19.08 MPa,最大水平主應(yīng)力方向為N23°W。

圖10 微震活動事件及能量統(tǒng)計Fig.10 Microseismic activity events and energy statistics

圖11 協(xié)同防控技術(shù)試驗效果Fig.11 Experimental results of three-stage coordinated anti scour technology

鑒于義馬礦區(qū)的地質(zhì)條件,堅硬巖層距離煤層巷道較遠,不宜采用水力壓裂。沖擊地壓震級為2.8 級時,采用數(shù)值計算方法得到圍巖震動速率最大值為6.1 m/s,泥巖破裂厚度達到1.2 m 以上,考慮到極端破壞情況下,破壞深度定為1.5 m,泥巖密度定為2 500 kg/m3。則單位面積上頂板發(fā)生沖擊地壓后釋放的動能為

頂板高沖擊韌性錨桿(CRM600 號)吸收的能量為9 kJ/m2,高強錨索吸收的能量為10.6 kJ/m2,自由段為4 m 的高強錨索吸收的能量為42.4 kJ,單位面積上打設(shè)的錨索數(shù)量按照0.5 根計算,則高強錨索吸收的能量為21.2 kJ/m2,高強金屬網(wǎng)吸收的能量為2.2 kJ/m2,則頂板單位面積上總吸收的能量為32.4 kJ/m2,每臺U 型鋼棚吸收能量約60 kJ,排距1.2 m,巷寬5 m,單位面積吸收能量為10 kJ/m2,液壓抬棚和門式支架共吸收能量約為1 000 kJ,排距和巷寬按照5 m 計算,單位面積吸收能量為40 kJ/m2,則錨桿(索)、U 型棚及防護支架的吸收能量共計82.4 kJ/m2,三級防控體系基本能夠滿足防控要求。21220 下巷具體的控制方案如下:

為了控制常村礦沖擊地壓巷道失穩(wěn)破壞,利用“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)對21220 下巷進行了控制,控制方案如下:

(1)卸壓方案。巷幫卸壓鉆孔直徑118 mm,排距0.9 m,孔深22 m;底板斷底爆破孔直徑75 mm,間距1 m,孔深6～8 m。

(2)支護方案。采用高沖擊韌性錨桿(索)支護,直徑22 m,長度2.4 m,頂板錨桿間排距為900 mm×900 mm,錨索直徑21.8 mm,長度6.3 m,間排距1 800×900 mm;巷幫錨桿間排距900 mm ×900 mm,巷幫錨索長度4.3 m,間排距1 800 mm×900 mm;頂板和巷幫均采用菱形網(wǎng)。

(3)防護措施。掘進迎頭架設(shè)36U 鋼棚,棚距1.2 m,鋼棚與圍巖間用枕木背實,確保鋼棚與枕木有效接觸;工作面回采前,超前工作面300 m 交替架設(shè)液壓抬棚和門式支架。

采用協(xié)同防控技術(shù)后,巷幫變形量從2 000 mm減小到545 mm,頂板下沉量從500 mm 減小至110 mm,巷道變形量得到了有效控制。“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)替換傳統(tǒng)支護方式后,巷道經(jīng)受多次中等能量沖擊事件后,防護結(jié)構(gòu)有效耗散了沖擊動能,支護結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)破斷失效的情況。

鑒于沖擊地壓發(fā)生的復(fù)雜性,尚未形成成熟的定量設(shè)計方法。本文提出的“卸壓-支護-防護”防控原理、技術(shù)及參數(shù)確定方法仍處于探索階段,僅作為沖擊地壓巷道協(xié)同防控的參考,要實現(xiàn)其定量設(shè)計還有許多研究要完成。

5 結(jié) 論

(1)義馬礦區(qū)深部沖擊地壓巷道強礦壓顯現(xiàn)的主要原因為高疊加動靜載荷、各防沖技術(shù)手段互相弱化及各級防護系統(tǒng)的不協(xié)調(diào)。卸壓技術(shù)手段使圍巖和支護系統(tǒng)劣化,甚至失效,大幅度降低了支護系統(tǒng)的抗沖擊能力。各防沖技術(shù)手段間未能實現(xiàn)協(xié)同防沖作用,在高疊加動、靜載荷作用下,各防沖結(jié)構(gòu)單元被各個擊破,造成巷道圍巖沖擊破壞。

(2)提出了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控原理。通過對巷道圍巖進行遠、近場卸壓,降低回采巷道采動應(yīng)力峰值和沖擊震源能量,利用“四高”錨桿(索)主動支護,結(jié)合套管和注漿技術(shù),重塑劣化煤巖體的完整性和結(jié)構(gòu),提高圍巖的自承載和抗沖擊能力;結(jié)合鋼棚、緩沖墊層及防護支架,通過高阻尼作用快速抑制巷道圍巖的沖擊震動。通過科學(xué)協(xié)調(diào)“卸壓-支護-防護”3 種技術(shù)手段的時空關(guān)系,使沖擊地壓巷道能量耗散系統(tǒng)由不穩(wěn)定、無序、不可控的耗散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定、有序、可控的耗散狀態(tài)。

(3)開發(fā)了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)。提出了長、短孔分段水力壓裂工藝,研發(fā)了配套的壓裂機具和設(shè)備,壓裂壓力達70 MPa,壓裂半徑40 m,水平鉆孔可達800 m;研發(fā)了高沖擊韌性錨桿(索),高沖擊韌性錨桿屈服強度780 MPa,沖擊吸收功大于145 J,高延伸率錨索抗拉強度1 790 MPa,伸長率8%;防護液壓支架工作阻力4 200 kN,可吸收多方位沖擊動能。

(4)研究成果在蒙陜和義馬典型沖擊地壓礦井開展了工業(yè)性試驗,“卸壓-支護-防護”協(xié)同防控技術(shù)改變了厚層堅硬巖層沖擊能量釋放形式,有效抵御了高動、靜疊加載荷,減小了巷道圍巖整體沖擊變形,控制了深部沖擊地壓巷道圍巖穩(wěn)定。