沖擊能量下錨固圍巖的損傷及控制研究

陳金宇 吳擁政 吳同性 楊運峰 孫小巖

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院，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)集團股份有限公司，河南省義馬市，472305)

隨著我國煤礦開采深度、強度和范圍的擴大，沖擊地壓發(fā)生頻次和破壞程度愈加強烈，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，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。對于沖擊地壓巷道維護，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行聯(lián)合支護，但支護效果不理想，圍巖變形量大，破壞嚴重，錨桿、錨索支護體系嚴重破壞，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。

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)力波對圍巖的破壞機理。康紅普等提出沖擊地壓巷道支護形式選擇原則，介紹了沖擊地壓巷道錨桿支護參數(shù)設(shè)計方法，提出錨桿與錨索支護為主、金屬支架為輔的復(fù)合支護方式。潘一山等針對沖擊地壓巷道，提出提高支護剛度和快速吸能讓位支護思路。姜耀東等分析了放炮震動誘發(fā)煤礦巷道動力失穩(wěn)的機理。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弱強結(jié)構(gòu)模型，并利用能量平衡理論對支護參數(shù)進行了研究和驗證。鞠文君計算得出了錨桿支護主要構(gòu)件吸能指數(shù)，給出了能量校核設(shè)計法應(yīng)用實例。蘇承東等提出掘進施工采用短掘錨作業(yè)、及時錨網(wǎng)噴索支護、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載與變形特征，指出沖擊礦壓巷道支護體應(yīng)具備主動讓壓功能。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方面進行過研究和試驗。本文針對義馬礦區(qū)耿村礦發(fā)生沖擊地壓的巷道，通過現(xiàn)場實測的方法，對沖擊地壓后巷道圍巖結(jié)構(gòu)和強度、錨固性能進行實測分析。在掌握沖擊能量對圍巖及錨固支護體系破壞機理的基礎(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)，豐富和促進了沖擊地壓回采巷道支護技術(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42分，根據(jù)澠池縣地震局發(fā)布的《震情初步核實情況報告》，澠池縣果園鄉(xiāng)政府附近發(fā)生里氏2.4級塌陷性地震，誘發(fā)13230回采工作面下巷發(fā)生強烈的沖擊地壓，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，液壓抬棚嚴重變形、彎曲折斷，井下設(shè)備損壞嚴重。

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)及強度現(xiàn)場測試

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

圖2 13230下巷測站布置圖

由圖2可以看出，測點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型棚與液壓臺棚接觸處被沖平，且此處卡鎖被崩斷，液壓臺棚被沖擊向巷道內(nèi)側(cè)傾斜，局部錨桿托板變形，錨索尾部被沖散。測試點1的圍巖結(jié)構(gòu)觀測圖及強度測試結(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)鉆孔成像儀對沖擊后圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行原位觀測。鉆孔淺部約2.5 m范圍內(nèi)的圍巖破碎嚴重、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 測點1頂板及煤體強度測試結(jié)果

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

3 沖擊地壓巷道圍巖錨固性能現(xiàn)場測試

沖擊地壓發(fā)生后，為滿足工作面的正常生產(chǎn)需求，對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，在上述測點布置了2組測試，對修巷后巷道錨桿錨索的錨固力分別進行檢測，測試結(jié)果見表1。

由表1可知，擴巷后巷道圍巖錨固力約為120 kN，和原巖進行錨網(wǎng)支護時現(xiàn)場測試的錨桿錨固力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)查與強度測試結(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，強度也大幅度降低。

13230下巷修巷時現(xiàn)場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)強度基本不受圍巖強度和結(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，造成整個支護體系的失效。

表1 13230修巷時巷道圍巖錨固性能現(xiàn)場測試

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)強度，才能保證整個錨網(wǎng)支護體系的強度。頂板采用全長預(yù)應(yīng)力錨桿配合鳥籠錨索支護，兩幫錨桿實現(xiàn)全長錨固較為困難，采用短的鳥籠錨索支護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

錨桿采用鋼號為500號、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，配合高強螺母、調(diào)心球墊和尼龍墊圈。采用W型鋼護板護表，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

巷幫采用全鳥籠錨索支護，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；錨索的附件及護表構(gòu)件與頂板相同。錨索初始預(yù)緊力≥250 kN。

5 礦壓觀測

13230下巷圍巖表面位移監(jiān)測曲線如圖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，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)測曲線如圖8所示。由圖8可以看出，巷道剛擴修完成15 d左右，錨桿受力隨時間呈快速增長趨勢。巷道擴修28 d后，錨桿受力出現(xiàn)劇烈波動，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間基本一致。錨桿最大受力穩(wěn)定在84 kN，錨索達到220 kN，受力達到穩(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)力強力錨桿、鳥籠錨索支護能夠有效地控制圍巖變形。

圖7 13230下巷圍巖表面位移監(jiān)測曲線

圖8 錨桿受力監(jiān)測曲線

6 結(jié)論

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

(2)通過對沖擊破壞后巷道維修時新打的錨桿錨索的錨固力進行測試，錨桿錨固力約為120 kN，和原巖進行錨網(wǎng)支護時現(xiàn)場測試的錨桿錨固力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)支護無法實施。

(3)采用加長錨固高預(yù)應(yīng)力強力錨桿、配合鳥籠錨索聯(lián)合支護，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)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，實施效果顯著。