付玉凱

(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(jì)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)

隨著煤礦采深的增加，煤礦沖擊地壓災(zāi)害日益嚴(yán)重，沖擊地壓造成巷道大范圍坍塌、冒頂破壞[1-3]。鑒于工程條件的復(fù)雜性，目前仍不能準(zhǔn)確地預(yù)測、預(yù)報(bào)沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，單純依靠預(yù)警和卸壓無法徹底杜絕沖擊地壓的發(fā)生。支護(hù)作為一種防控巷道沖擊地壓的手段，合理的支護(hù)方式和參數(shù)能有效降低巷道的沖擊破壞程度[4-6]。

在沖擊地壓巷道支護(hù)方面，國內(nèi)主要采用錨桿(索)、鋼棚及支架等支護(hù)方式，其中大部分煤礦仍以錨桿支護(hù)為主。高明仕[7]針對沖擊地壓巷道，提出了“強(qiáng)—弱—強(qiáng)”結(jié)構(gòu)模型，通過設(shè)置弱結(jié)構(gòu)、提高支護(hù)強(qiáng)度等手段來控制沖擊地壓巷道圍巖變形破壞；鞠文君[8，9]分析了沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)的適用性和作用原理，提出了沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)能量校核設(shè)計(jì)法；康紅普[10]針對義馬礦區(qū)巷道變形破壞特點(diǎn)，提出了錨桿支護(hù)優(yōu)先、及時(shí)主動(dòng)支護(hù)、全斷面支護(hù)、錨-支相結(jié)合、支-卸相結(jié)合、支護(hù)構(gòu)件相互匹配的沖擊地壓巷道支護(hù)原則；潘一山[11，12]提出了沖擊地壓巷道三級支護(hù)理念，一級支護(hù)采用錨桿或吸能錨桿，二級支護(hù)采用“錨桿+O型棚”，三級支護(hù)采用“錨桿+O型棚+液壓支架”聯(lián)合支護(hù)；吳擁政等[13]針對巷道防沖手段和支護(hù)系統(tǒng)不協(xié)調(diào)的問題，提出了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控原理與技術(shù)；焦建康等[14]提出了巷道錨固承載結(jié)構(gòu)的概念，建立了動(dòng)靜載荷作用下巷道錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定模型，得出了動(dòng)載擾動(dòng)沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)破壞的力學(xué)判據(jù)和能量判據(jù)；付玉凱[15，16]在義馬常村煤礦典型沖擊地壓巷道開展了高沖擊韌性錨桿(索)防沖試驗(yàn)研究，結(jié)果表明高沖擊韌性錨桿(索)強(qiáng)度高、吸能能力強(qiáng)，對沖擊能量緩沖效果好，防止了脆性斷裂失效，有效控制了沖擊地壓巷道的失穩(wěn)破壞?，F(xiàn)有的研究成果對沖擊地壓巷道圍巖控制提供了重要的技術(shù)手段，研究成果主要集中在支護(hù)理論、支護(hù)方式及支護(hù)材料選擇等方面，要想科學(xué)確定沖擊巷道錨桿支護(hù)參數(shù)，需從沖擊地壓巷道支護(hù)參數(shù)與沖擊能量間的關(guān)系開展研究。筆者針對義馬礦區(qū)耿村礦的沖擊地壓巷道地質(zhì)條件，測試了支護(hù)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，基于能量計(jì)算方法確定巷道支護(hù)參數(shù)，并選擇典型巷道開展現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證能量計(jì)算方法的可行性。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

義馬礦區(qū)耿村礦為沖擊地壓礦井，埋深620 m左右，13230工作面位于礦井的東三采區(qū)，北側(cè)為13210工作面采空區(qū)，南側(cè)為實(shí)體煤。13230上巷沿13210工作面采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，煤柱尺寸6 m，巷道掘進(jìn)時(shí)留底煤厚度2 m，巷道斷面為三心拱，巷寬7500 mm，巷高4600 mm，巷道長度1088 m，工作面布置如圖1所示。

圖1 13230工作面巷道布置

工作面開采2-3煤，煤層厚度10.2 m，傾角12°，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸3～5層，巖性為泥巖及粉砂質(zhì)泥巖；直接頂為灰黑色、黑色泥巖，平均厚31.5 m；基本頂為粉砂巖，局部為中粒砂巖或泥巖。直接底為泥巖，厚度1.5 m；基本底為細(xì)砂巖或粉砂巖，厚度12.5 m。2-3煤上方存在巨厚礫巖，礫巖厚380 m，距煤層240 m，屬于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

1.2 地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果

在13230工作面開展了地質(zhì)力學(xué)測試，最大水平主應(yīng)力14.84 MPa，最小水平主應(yīng)力7.69 MPa，垂直主應(yīng)力14.98 MPa，最大水平主應(yīng)力方向N11°E，屬于中等偏高應(yīng)力區(qū)。2-3煤平均強(qiáng)度14.83 MPa，直接頂泥巖平均強(qiáng)度23.04 MPa，強(qiáng)度較低。煤體破碎嚴(yán)重，頂板泥巖裂隙發(fā)育，淺部存在明顯裂隙、離層及破碎帶，完整性較差。

1.3 巷道變形破壞情況

13210工作面上巷在巷道掘進(jìn)期間采用復(fù)合支護(hù)，為錨桿(索)和鋼棚聯(lián)合支護(hù)，回采期間在超前采動(dòng)應(yīng)力段架設(shè)防沖支架。巷道支護(hù)參數(shù)如下：

1)采用335 MPa級鋼材，右旋全螺紋鋼錨桿，直徑20 mm，長度2500 mm，錨固長度1.2 m，間排距700 mm×700 mm，扭矩100 N·m；錨索強(qiáng)度1860 MPa，結(jié)構(gòu)為1×7股，直徑17.8 mm，頂板錨索長度8.0 m，錨固長度4 m，預(yù)緊力100 kN，間排距為1400 mm×1400 mm；金屬網(wǎng)采用菱形網(wǎng)，10號鐵絲，鐵絲直徑為3.80 mm，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm。

2)U型鋼棚支護(hù)參數(shù)。錨網(wǎng)索支護(hù)完成后，在滯后巷道掘進(jìn)迎頭及時(shí)架設(shè)29U型鋼棚，鋼棚排距0.6 m。支架支護(hù)參數(shù)。工作面回采時(shí)，超前工作面300 m范圍內(nèi)架設(shè)防沖支架，支架工作阻力4000 kN，吸能讓位位移200 mm，每8 m布置1架。

在13210工作面回采過程中，巷道變形嚴(yán)重，兩幫移近量最大達(dá)到3 m，底鼓達(dá)2 m，U型鋼棚多處出現(xiàn)彎曲變形，巷道進(jìn)行了多次返修。巷道掘進(jìn)期間，沖擊能量相對較小，基本在105J以下，巷道變形主要以底鼓為主。工作面回采時(shí)，由于采動(dòng)應(yīng)力和頂板上覆堅(jiān)硬巖層斷裂的影響，沖擊能量明顯增加，巷道超前段多次出現(xiàn)105J的能量，圍巖變形量也急劇增加。個(gè)別沖擊能量達(dá)到106J，巷道呈現(xiàn)瞬間強(qiáng)烈變形，如頂板下沉、幫鼓或底鼓，錨桿(索)整體滑脫、斷裂，鋼棚出現(xiàn)彎折，支架也出現(xiàn)爆缸、安全閥瞬間開啟等現(xiàn)象。巷道震動(dòng)明顯，煤塵揚(yáng)起，巷道內(nèi)能見度低，頂板巖塊大量掉落，距離沖擊事件較近處巖體出現(xiàn)鼓包、金屬網(wǎng)撕裂，變形突增。

2 沖擊地壓巷道支護(hù)參數(shù)確定方法

2.1 沖擊地壓巷道能量計(jì)算原理

沖擊地壓的發(fā)生主要是由于煤巖體集聚的彈性能突然釋放導(dǎo)致的，釋放的彈性能將以應(yīng)力波的形式四周傳播，應(yīng)力波在圍巖中以指數(shù)形式衰減[17]。假設(shè)震源處初始能量為E0，沖擊發(fā)生后剩余能量為E1，衰減指數(shù)為η，震源距巷道距離為R，則應(yīng)力波傳播至巷道圍巖的動(dòng)能為：

Eh=EsR-η=(E0-E1)R-η

(1)

由于沖擊能量向四周傳播，同時(shí)不同巖層的衰減指數(shù)也不同，導(dǎo)致想確定出巷道周圍的沖擊能量難度較大。筆者基于現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，圍巖破壞的嚴(yán)重程度主要和震源釋放的能量、距離及支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)，沖擊能量越大、震源距巷道越近，其巷道圍巖的震動(dòng)速度越大，震源在巷道臨空面處的震動(dòng)破壞最為嚴(yán)重，沖擊地壓發(fā)生后的變形如圖2所示。同時(shí)，沖擊發(fā)生后，震動(dòng)速度會(huì)在巷道圍巖破碎巖體處有一定的放大效應(yīng)，震動(dòng)速度明顯大于震源處的震動(dòng)速度，巷道圍巖淺部破碎的巖體更易出現(xiàn)彈射破壞。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，巷道圍巖的震動(dòng)沖擊速度可達(dá)3～10 m/s，煤巖體在3～10 m/s沖擊速率下，圍巖淺部破碎巖體會(huì)脫離母巖出現(xiàn)彈射，其彈射動(dòng)能會(huì)造成支護(hù)系統(tǒng)破壞。若破碎巖體的彈射動(dòng)能大于支護(hù)系統(tǒng)可抵御的能量，則支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)破壞，反之亦然。如果能通過現(xiàn)場實(shí)測、理論計(jì)算或數(shù)值模擬等手段確定出沖擊震源在巷道臨空面處的單位面積動(dòng)能和支護(hù)系統(tǒng)的吸能量，將兩者進(jìn)行對比校核，即可實(shí)現(xiàn)對巷道支護(hù)參數(shù)的確定或反演。

圖2 沖擊地壓巷道能量計(jì)算模型

2.2 巷道支護(hù)參數(shù)能量計(jì)算流程

基于上述提出的能量計(jì)算原理，可得出基于能量計(jì)算的沖擊地壓巷道支護(hù)參數(shù)方法流程如下：

1)根據(jù)試驗(yàn)巷道的地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件，綜合采用工程類比、綜合指數(shù)法等方法確定試驗(yàn)巷道的最大沖擊危險(xiǎn)等級和震級，考慮到安全性，不同方法確定的震級不一致時(shí)，取最大值。

2)確定出巷道的最大震級后，可依據(jù)式(2)計(jì)算得出震源峰值振動(dòng)速度的幅值，根據(jù)震源峰值震動(dòng)速度與震源強(qiáng)度的線性關(guān)系，可確定出對應(yīng)的動(dòng)載強(qiáng)度，震源處波動(dòng)函數(shù)如式(3)所示：

A0=10(lgEs-1.8)/1.9

(2)

式中，A0為動(dòng)荷載峰值，MPa；ω為震動(dòng)頻率，Hz；t為動(dòng)荷載作用時(shí)間，s。

3)將震源處波動(dòng)函數(shù)或震源動(dòng)載強(qiáng)度輸入數(shù)值模型中，通過與現(xiàn)場實(shí)際沖擊地壓案例進(jìn)行反演，確定得出圍巖力學(xué)參數(shù)，通過數(shù)值計(jì)算最終確定得出震源沖擊波傳至巷道最近處(臨空面)的沖擊震動(dòng)速度(PPV)和破壞范圍，通過獲得巷道表面的震動(dòng)速度、破壞范圍和煤巖體密度，可確定得出巷道臨空面的單位面積沖擊動(dòng)能，該動(dòng)能也是沖擊發(fā)生后巷道表面最大的動(dòng)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(dòng)速度；h為圍巖破壞范圍；ρ為圍巖密度。

4)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)單元的吸能量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果進(jìn)行確定，通過實(shí)驗(yàn)室測試確定得出單位面積錨桿支護(hù)系統(tǒng)的吸能量Ec。然后根據(jù)理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)室測試確定出U型鋼棚、防沖支架等被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的單位支護(hù)面積的吸能量Ez。通過將支護(hù)結(jié)構(gòu)和巷道圍巖的能量進(jìn)行對比，可校核支護(hù)結(jié)構(gòu)能力是否滿足要求。

(Ec+Ez)>Eh

(5)

3 沖擊地壓巷道支護(hù)參數(shù)確定

3.1 試驗(yàn)巷道沖擊危險(xiǎn)指數(shù)評估

綜合指數(shù)法[18，19]是在綜合分析試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件和開采條件的基礎(chǔ)上，確定各種因素的權(quán)重，然后綜合考量得出試驗(yàn)巷道的沖擊危險(xiǎn)指數(shù)，綜合指數(shù)法沖擊危險(xiǎn)分級表見表1。

表1 沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的分級

根據(jù)綜合指數(shù)法可知，13230工作面上巷地質(zhì)條件綜合指數(shù)為0.85，開采因素綜合指數(shù)0.55，根據(jù)沖擊危險(xiǎn)性分級表，綜合判斷試驗(yàn)巷道屬于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，沖擊地壓危險(xiǎn)等級為D，震級ML2.4～2.8。

3.2 試驗(yàn)巷道臨空面單位面積沖擊動(dòng)能確定

沖擊地壓發(fā)生后，彈性能將以沖擊波的形式向四周傳播，由于巷道圍巖淺部因開挖會(huì)形成大量節(jié)理、裂隙及弱結(jié)構(gòu)面，在沖擊過程中圍巖淺部節(jié)理、裂隙及弱結(jié)構(gòu)面通常會(huì)放大沖擊波的震動(dòng)效應(yīng)，震動(dòng)速度通常可達(dá)3～10 m/s，巷道淺部圍巖震動(dòng)速度大小主要與應(yīng)力波強(qiáng)度和圍巖破碎程度相關(guān)[20]。

筆者基于13230工作面上巷的地質(zhì)條件，模擬得出了沖擊載荷下巷道頂板不同深度的震動(dòng)速度如圖3所示[21]。從圖中可以看出，巷道頂板不同圍巖在沖擊載荷下的震動(dòng)速度不同，圍巖完整性越差其震動(dòng)速度越大，巷道破碎煤巖體的最大震動(dòng)速度達(dá)到6.0 m/s。

圖3 不同圍巖在沖擊地壓發(fā)生后的震動(dòng)速度

利用鉆孔窺視儀對13230工作面上巷的圍巖破壞范圍進(jìn)行了探測，泥巖破壞深度達(dá)到1.3 m，為了考慮一定的安全系數(shù)，破壞深度可取1.5 m，泥巖密度取2500 g/m3。則沖擊地壓發(fā)生后巷道頂板單位面積上釋放的沖擊動(dòng)能為：

當(dāng)沖擊地壓震源位于巷道頂板時(shí)，除要考慮巷道圍巖的沖擊動(dòng)能，還要考慮破壞泥巖產(chǎn)生的重力勢能。假設(shè)在沖擊載荷下泥巖最大位移300 mm，則泥巖單位面積釋放的勢能為：

Eh2=mgh=11.03 kJ/m2

巷道頂板單位面積釋放的沖擊動(dòng)能和位移勢能之和為：

Eh=Eh1+Eh2=78.53 kJ/m2

3.3 沖擊地壓巷道支護(hù)系統(tǒng)吸能量確定

以往確定錨桿、錨索等支護(hù)材料的吸能量主要是基于其靜態(tài)位移與力曲線計(jì)算得出，確定的支護(hù)材料吸能量與其實(shí)際吸能量有一定差異。為了能確定出準(zhǔn)確的支護(hù)材料動(dòng)載下的吸能量，利用自主開發(fā)的落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，分別測試了錨桿、錨索及金屬網(wǎng)等主要支護(hù)構(gòu)件的吸能量，落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)如圖4所示。

圖4 錨桿和錨索落錘沖擊實(shí)物

測試用的錨桿為直徑22 mm桿體左旋無縱筋500號螺紋鋼筋，長度2.4 m；錨索材料為直徑?21.8 mm，抗拉強(qiáng)度1860 MPa，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度2.2 m；金屬網(wǎng)為菱形網(wǎng)，8號鐵絲，鐵絲直徑為4.06 mm，網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm，菱形網(wǎng)尺寸為1000 mm×1000 mm。為保證一定的沖擊速度，錨桿和錨索沖擊所用的落錘重量為1000 kg，金屬網(wǎng)所用的落錘為437.6 kg，落錘下部安裝有動(dòng)態(tài)力傳感器，用于監(jiān)測沖擊過程中錨桿和錨索的受力，試驗(yàn)機(jī)框架立柱上安裝有激光位移計(jì)，用于采集沖擊過程中錨桿和錨索的變形量。

1)錨桿試樣吸能量。由于一次沖擊無法將錨桿試樣沖擊破斷，錨桿試樣采用多次沖擊的方式，單次沖擊能量20000 J，沖擊速度6.32 m/s，錨桿試樣在80000 J沖擊能量下出現(xiàn)破斷，沖擊下錨桿試樣的沖擊力與位移曲線如圖5所示。通過對錨桿試樣的沖擊力-位移曲線進(jìn)行積分可得到其破斷吸能量，錨桿在80000 J能量的沖擊下其吸能量為76000 J，則錨桿單位長度吸能量為31666 J/m。

圖5 錨桿沖擊力-位移曲線

2)錨索試樣吸能量。錨索在沖擊能量為15000 J時(shí)出現(xiàn)了破斷，沖擊速度為5.48 m/s，沖擊下錨索試樣的沖擊力與位移曲線如圖6所示。錨索試樣的沖擊力與位移曲線進(jìn)行積分可得到其破斷吸能量，錨索在15000 J能量的沖擊下其吸能量為14300 J，則錨索單位長度吸能量為6500 J/m。

圖6 錨索位沖擊力-位移曲線

3)菱形網(wǎng)吸能量。菱形網(wǎng)在沖擊能量為5600 J時(shí)出現(xiàn)了破壞，沖擊速度為5.06 m/s，沖擊下菱形網(wǎng)的沖擊力與位移曲線如圖7所示。菱形網(wǎng)的沖擊力與位移曲線進(jìn)行積分可得到其破斷吸能量，菱形網(wǎng)在5600 J能量的沖擊下其吸能量為4820 J，則菱形網(wǎng)單位面積吸能量為4820 J/m2。

圖7 菱形網(wǎng)沖擊力-位移曲線

4)其它支護(hù)材料吸能量。錨桿支護(hù)中除錨桿、錨索及金屬網(wǎng)外，托板、鋼帶等支護(hù)構(gòu)件也具有一定的吸能能力，鑒于其吸能量在整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)中的占比較低，在此不予考慮。當(dāng)沖擊地壓巷道沖擊危險(xiǎn)性較高時(shí)，單獨(dú)采用錨桿支護(hù)難以控制巷道沖擊破壞，巷道通常要采用復(fù)合支護(hù)，比如錨桿、U型鋼棚及防沖支架等。研究[13，22]發(fā)現(xiàn)，36U型鋼棚的吸能量約60 kJ，工作阻力為6000 kN的防沖支架吸能量達(dá)到1000 kJ。

3.4 沖擊地壓巷道支護(hù)方案

根據(jù)礦方現(xiàn)在使用的支護(hù)材料和13210工作面上巷支護(hù)方案進(jìn)行計(jì)算來看，原支護(hù)方案中錨桿單位支護(hù)面積吸能量為38 kJ/m2，錨索單位支護(hù)面積吸能量3.3 kJ/m2，菱形網(wǎng)單位支護(hù)面積吸能量為2.52 kJ/m2，29U型鋼棚單位支護(hù)面積吸能量為7.96 kJ/m2，防沖支架單位支護(hù)面積吸能量為10.74 kJ/m2。則原錨桿(索)、U型鋼棚及防沖支架的總吸能量為54.56 kJ/m2，小于巷道頂板釋放的沖擊動(dòng)能78.53 kJ/m2，原三級支護(hù)方式無法滿足13210工作面上巷的支護(hù)要求。所以，13210工作面上巷巷道在沖擊載荷下變形極其嚴(yán)重。

為了能使支護(hù)參數(shù)滿足巷道使用要求，同時(shí)還能降低支護(hù)密度，13230工作面上巷新支護(hù)方案采用高強(qiáng)、高延伸率錨桿(索)支護(hù)材料，根據(jù)上述高強(qiáng)、高延伸率支護(hù)材料的吸能量，可分別計(jì)算得出錨桿支護(hù)、U型鋼棚及防沖支架的吸能量，然后將三者吸能量之和與巷道頂板釋放的沖擊動(dòng)能進(jìn)行對比，可反演得出各支護(hù)方式的參數(shù)。

假設(shè)頂板錨桿長度2.4 m，錨固長度1.2 m，錨桿間排距1 m×1 m，錨桿單位支護(hù)面積吸能量為38 kJ/m2；錨索長度6.3 m，自由端長度4 m，錨索間排距2 m×2 m，錨索單位支護(hù)面積吸能量為6.5 kJ/m2；菱形網(wǎng)單位支護(hù)面積吸能量為4.82 kJ/m2；36U型鋼棚排距1.2 m，巷寬7.5 m，單位支護(hù)面積吸能量為6.67 kJ/m2；防沖支架排距5 m，巷寬7.5 m，單位支護(hù)面積吸能量為26.67 kJ/m2。則錨桿(索)、U型鋼棚及防沖支架的總吸能量為82.66 kJ/m2，大于巷道頂板釋放的沖擊動(dòng)能78.53 kJ/m2，三級支護(hù)方式基本可以滿足13230工作面上巷的支護(hù)要求。根據(jù)上述能量計(jì)算，13230工作面上巷的支護(hù)方案如下：

1)錨桿支護(hù)參數(shù)。采用500 MPa級鋼材，直徑22 mm，長度2400 mm，配套W鋼護(hù)板、托板等支護(hù)構(gòu)件，錨固長度1.2 m，間排距950 mm×900 mm，扭矩300 N·m；錨索強(qiáng)度1860 MPa，結(jié)構(gòu)為1×19股，直徑21.8 mm，巷幫錨索長度4.3 m，頂板錨索長度6.3 m，錨固長度2 m，預(yù)緊力320 kN，配套托板、球墊等支護(hù)構(gòu)件，間排距為1900 mm×1800 mm；金屬網(wǎng)采用菱形網(wǎng)，8號鐵絲，鐵絲直徑為4.06 mm，網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。

2)U型鋼棚支護(hù)參數(shù)。錨網(wǎng)索支護(hù)完成后，在滯后巷道掘進(jìn)迎頭及時(shí)架設(shè)36U型鋼棚，鋼棚排距1.2 m，鋼棚與巷道圍巖間預(yù)留0.5 m的空間，中間填充枕木。

3)防沖支架支護(hù)參數(shù)。工作面回采時(shí)，超前工作面300 m范圍內(nèi)架設(shè)防沖支架，支架工作阻力6000 kN，吸能讓位位移200 mm，每5 m布置1架。

4 礦壓監(jiān)測

在13230工作面上巷試驗(yàn)段安裝了錨桿(索)測力計(jì)、巷道圍巖位移和微震探頭，用于監(jiān)測巷道變形破壞情況，在巷道試驗(yàn)過程中，微震探頭監(jiān)測到多次沖擊能量事件，其中發(fā)生106J以上的沖擊事件1次，105J沖擊事件3次，104J沖擊事件26次。礦壓監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，巷道幫部錨桿初始預(yù)緊力位于38～60 kN之間，隨著圍巖的變形錨桿受力逐步增加，錨桿最大受力達(dá)到240 kN，不同錨桿受力差異較大，并且1號錨桿受力出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)；頂板錨桿初始預(yù)緊力與幫部基本相同，頂板錨桿受力增加更快，錨桿的最終受力也相對較大，且受力也相對穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。頂板錨索初始預(yù)緊力位于10～160 kN之間，錨索初始預(yù)緊力差異較大，并且錨索最終受力也差別較大，最大受力達(dá)到380 kN，最小受力僅20 kN。巷道變形量主要以底鼓為主，底鼓量達(dá)到650 mm；頂板變形量相對較小，僅60 mm，兩幫變形量中等，達(dá)到300 mm。

圖8 13230工作面上巷礦壓監(jiān)測結(jié)果

整體來看，沖擊地壓巷道礦壓顯現(xiàn)與傳統(tǒng)巷道差異較大，沖擊地壓巷道在試驗(yàn)過程中，多次出現(xiàn)大能量沖擊事件，在大能量沖擊事件作用下，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)受力出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，但巷道變形量得到了有效控制。錨桿(索)、鋼棚及防沖支架三級支護(hù)系統(tǒng)有效控制了巷道在高沖擊事件下的變形破壞，巷道經(jīng)受多次高能量沖擊也未出現(xiàn)坍塌破壞，三級支護(hù)結(jié)構(gòu)有效耗散了沖擊動(dòng)能。

鑒于沖擊地壓發(fā)生后巷道變形破壞的復(fù)雜性，筆者初步嘗試采用能量計(jì)算的方法來確定沖擊地壓巷道支護(hù)參數(shù)，該方法仍處于探索階段，還未形成成熟的定量設(shè)計(jì)方法，還有以下幾個(gè)方面有待完善。

1)現(xiàn)場支護(hù)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與實(shí)驗(yàn)室測試的結(jié)果仍存在一定的差異，完全按照現(xiàn)場的錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行測試仍有較大的難度。

2)通過理論計(jì)算或模擬的方法來確定應(yīng)力波在巷道圍巖的形成震動(dòng)速度和破壞范圍的準(zhǔn)確性有待商榷，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行校核、驗(yàn)證。

3)確定錨桿支護(hù)材料吸能量時(shí)，需要綜合考慮錨固力的大小和圍巖破壞深度。尤其是破碎圍巖，當(dāng)其錨固力低于破斷載荷時(shí)，要以錨固力和變形量來確定吸能量。圍巖破壞深度大于錨桿長度時(shí)，在沖擊載荷作用下錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)整體推出，錨桿將失去支護(hù)作用。

5 結(jié) 論

1)沖擊地壓巷道支護(hù)參數(shù)流程主要包括巷道沖擊危險(xiǎn)性評估、震源參數(shù)、巷道圍巖最大沖擊動(dòng)能和支護(hù)結(jié)構(gòu)吸能量確定。

2)分別確定出了13230工作面上巷的單位面積釋放的沖擊動(dòng)能、位移勢能及支護(hù)吸能吸能量，巷道單位面積釋放的沖擊動(dòng)能為78.53 kJ/m2，支護(hù)系統(tǒng)吸能量為82.66 kJ/m2，三級支護(hù)方案可滿足巷道支護(hù)要求。

3)基于能量計(jì)算方法確定了13230工作面上巷的支護(hù)參數(shù)，并在現(xiàn)場開展了工業(yè)性試驗(yàn)。在大能量沖擊事件作用下，雖然錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)受力出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，但巷道變形量得到了有效控制。三級支護(hù)系統(tǒng)有效控制了巷道在高能量事件下的變形破壞，有效耗散了沖擊動(dòng)能。