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)

吳擁政付玉凱何 杰陳金宇褚曉威孟憲志

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司,北京 100013;2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院,北京 100013;4.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013)

沖擊地壓(沖擊礦壓)是指煤礦開(kāi)采空間內(nèi)煤巖體由于彈性能的瞬時(shí)釋放出現(xiàn)的一種突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象,煤巖體破壞過(guò)程中伴有震動(dòng)、巨響及氣浪等特征,具有很強(qiáng)的破壞性[1-2]。近年來(lái),我國(guó)煤礦安全形勢(shì)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(kāi)采深度和強(qiáng)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(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2019年,我國(guó)的沖擊地壓礦井達(dá)到180 余座,主要分布在山東、河南、黑龍江、陜西及山西等25 個(gè)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(yán)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(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。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(cè)、地音監(jiān)測(cè)、電磁監(jiān)測(cè)及煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)等手段[7-8],災(zāi)害防控主要是從采區(qū)布置優(yōu)化、主動(dòng)解危和支護(hù)防沖等方面開(kāi)展[9-11]。由于沖擊地壓發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)間難以提前預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào),單獨(dú)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(hù)作為巷道沖擊地壓防治的最后一道防線,合理的防沖支護(hù)能有效降低或避免沖擊地壓造成的破壞。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)深部沖擊地壓巷道控制方面的研究主要集中在2 個(gè)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(guò)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(xiǎn)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(qiáng)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(guò)降低煤巖體儲(chǔ)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?jiǎn)?dòng)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(hù)。沖擊地壓巷道支護(hù)防沖的形式主要有高強(qiáng)錨桿支護(hù)、U 型棚支護(hù)及防沖支架等。基于沖擊地壓巷道對(duì)支護(hù)材料的特殊要求,國(guó)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(hù)材料[14-21],新型支護(hù)材料的成功研發(fā),一定程度上解決了沖擊地壓巷道支護(hù)材料動(dòng)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(mén)式液壓防沖支架等,通過(guò)防沖支架吸能構(gòu)件的快速讓位吸能作用減小沖擊動(dòng)能對(duì)巷道圍巖的作用,有效控制了沖擊地壓巷道的沖擊破壞。可見(jiàn),采用應(yīng)力控制和防沖支護(hù)是實(shí)現(xiàn)沖擊地壓巷道圍巖控制的2 種關(guān)鍵技術(shù)手段,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在上述方面開(kāi)展了大量的研究工作,但缺乏對(duì)卸壓、支護(hù)及防護(hù)3 種防控手段的相互作用機(jī)制及協(xié)同防控原理方面的研究,有必要從卸壓、支護(hù)及防護(hù)3 個(gè)方面開(kāi)展研究,分析3種技術(shù)手段間的互饋機(jī)制,揭示深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”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(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控力學(xué)模型,分析了動(dòng)、靜疊加載荷、支護(hù)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(hù)-防護(hù)”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(jī)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(guó)典型的沖擊地壓礦區(qū),現(xiàn)場(chǎng)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(jiān)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(jìn),巷道斷面采用三心拱斷面,毛斷面普遍超過(guò)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(jí)支護(hù)采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等進(jìn)行支護(hù),二級(jí)支護(hù)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(mén)式支架等(三級(jí)支護(hù))進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中,沖擊事件能量相對(duì)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(dá)600 mm,兩幫收縮嚴(yán)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(yán)重破壞,單幫移近超過(guò)1 000 mm,U 型棚預(yù)留的變形量在巷道掘進(jìn)期間已出現(xiàn)閉合。工作面回采時(shí),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(yán)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(qiáng)烈底臌,整個(gè)斷面幾乎閉合。U 型棚、液壓抬棚、門(mén)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(jí)和三級(jí)支護(hù)體系在沖擊地壓發(fā)生前已失效,未能有效發(fā)揮二級(jí)與三級(jí)支護(hù)體系的防護(hù)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(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)主要有下面幾個(gè)方面:

(1)巷道受高動(dòng)、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(dòng)應(yīng)力的共同作用,巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中。同時(shí),厚層堅(jiān)硬巖層的瞬間斷裂會(huì)產(chǎn)生高能量的沖擊載荷,高動(dòng)、靜載荷疊加使圍巖受力復(fù)雜,在高動(dòng)、靜載荷雙重作用下巷道極易出現(xiàn)強(qiáng)烈變形。

(2)卸壓措施對(duì)圍巖和支護(hù)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(guò)卸壓來(lái)轉(zhuǎn)移巷幫煤體內(nèi)的高集中應(yīng)力。在防沖卸壓設(shè)計(jì)時(shí)通常不考慮其對(duì)圍巖和支護(hù)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(shí)對(duì)圍巖與支護(hù)系統(tǒng)造成了嚴(yán)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(qiáng)度和錨固力顯著降低,巷幫支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)作用和抗沖擊能力明顯降低。

(3)三級(jí)支護(hù)體系相互不協(xié)調(diào)。錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)、U 型棚、液壓抬棚等防護(hù)手段被各個(gè)擊破,無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)同防沖。錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)未能發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用,巷道在高靜載荷作用下出現(xiàn)強(qiáng)烈變形,使得靜載作用下錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)已接近臨界失效狀態(tài),U 型棚、液壓抬棚及門(mén)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(hù)裝備在沖擊地壓發(fā)生前已失效。

(4)巷幫、底板防護(hù)薄弱。從巷道沖擊地壓顯現(xiàn)來(lái)看,巷幫、底板顯現(xiàn)最為明顯,沖擊后兩幫收縮、強(qiáng)烈底臌,由于巷幫煤體強(qiáng)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(jī)制

沖擊地壓巷道上方存在的巨厚堅(jiān)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(dòng)應(yīng)力所形成的高疊加應(yīng)力作用出現(xiàn)破斷,厚層堅(jiān)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(dòng)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(dòng)、靜疊加載荷作用下,當(dāng)疊加載荷超過(guò)巷道圍巖沖擊臨界載荷時(shí),巷道圍巖就會(huì)出現(xiàn)沖擊失穩(wěn)。此時(shí),若支護(hù)系統(tǒng)不能有效抵御高動(dòng)、靜疊加載荷作用,不能充分吸收?qǐng)?jiān)硬巖層斷裂所釋放的沖擊動(dòng)能就會(huì)造成支護(hù)系統(tǒng)失效。為了分析深部沖擊地壓巷道破壞機(jī)制,可從應(yīng)力和能量2 個(gè)角度進(jìn)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(jī)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(dòng)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?chē)膭?dòng)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(huì)在鉆孔周?chē)纬善扑閰^(qū),當(dāng)疊加載荷σs+ σd大于臨界沖擊載荷σbmin時(shí),巷道即會(huì)出現(xiàn)沖擊失穩(wěn)破壞。圖3為深部沖擊地壓巷道開(kāi)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(kāi)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(dòng)、靜疊加載荷作用下的莫爾圓,線A為巷道開(kāi)挖后煤巖體的抗剪強(qiáng)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(shí)施后圍巖抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。莫爾圓圓心坐標(biāo)為,半徑為

假定沖擊地壓巷道煤巖體壓剪破壞符合莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,那么影響圍巖破壞的主要因素包括動(dòng)、靜疊加載荷、支護(hù)力及圍巖力學(xué)參數(shù)[24]。巷道開(kāi)挖后,煤巖體σ3相應(yīng)減小,莫爾圓圓心坐標(biāo)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(jiān)硬巖層發(fā)生斷裂釋放沖擊動(dòng)能時(shí),沖擊動(dòng)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(jìn)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(jī)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(shí)施會(huì)造成圍巖強(qiáng)度的降低和支護(hù)結(jié)構(gòu)完整性的破壞,從而使巷道圍巖的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線由A調(diào)整為B,進(jìn)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(dòng)載荷大小、圍巖物理力學(xué)參數(shù)及支護(hù)強(qiáng)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(guò)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(dòng)時(shí),處于三向應(yīng)力狀態(tài),積聚的彈性能較大,一旦受到擾動(dòng)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(shí),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?chē)鷨挝幻娣e的動(dòng)能為

假設(shè)錨桿(索)、鋼棚、防護(hù)支架等支護(hù)系統(tǒng)所吸收的能量為Em,那么經(jīng)過(guò)支護(hù)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(zhǔn)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(dòng)能、支護(hù)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(lái)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(hù)系統(tǒng)吸能能力等因素。

采用上述方法直接計(jì)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(chǎng)應(yīng)用,可采用間接能量校核計(jì)算方法或工程類(lèi)比方法,具體的能量校核計(jì)算方法如下:

(1)根據(jù)試驗(yàn)巷道的地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件,采用綜合指數(shù)法對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行沖擊傾向性判定,確定沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)和震級(jí),考慮到安全性,震級(jí)取最大值。如有類(lèi)似地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)和回采過(guò)程中的微震監(jiān)測(cè)礦壓數(shù)據(jù),也可采用工程類(lèi)比法,確定試驗(yàn)巷道的沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)和震級(jí),實(shí)測(cè)微震數(shù)據(jù)更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,通過(guò)震級(jí)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(chǎng)實(shí)測(cè)的方法進(jìn)行確定。間接確定是通過(guò)式(5)計(jì)算得出震源波幅值,將模擬沖擊波或?qū)崪y(cè)沖擊波曲線導(dǎo)入數(shù)值計(jì)算軟件,通過(guò)反演和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定圍巖力學(xué)參數(shù),數(shù)值計(jì)算確定的震源沖擊波傳至巷道最近處的沖擊振動(dòng)速度和巷道破壞范圍。如現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)速度。

式中,A0為沖擊震源初始幅值。

(3)通過(guò)巷道表面圍巖震動(dòng)速度、圍巖震動(dòng)破壞范圍和圍巖密度等參數(shù),可計(jì)算得出巷道圍巖單位面積上的動(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(索)、金屬網(wǎng)等支護(hù)構(gòu)件的吸收能量可通過(guò)試驗(yàn)室測(cè)試,確定單位面積上支護(hù)系統(tǒng)的吸收能量Ec;鋼棚和防護(hù)支架單位面積吸收的能量可通過(guò)試驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算等方法確定防護(hù)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(guò)計(jì)算,可校核支護(hù)能力是否滿足要求。

2 深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”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(dòng)載荷及劣化后的破碎圍巖,圍巖控制方法可從上述3 個(gè)方面確定。

解決高靜載載荷的方法主要有:優(yōu)化工作面開(kāi)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(chǎng)開(kāi)采條件限制,通常不便于實(shí)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(dòng)載荷的方法主要有:通過(guò)人工調(diào)控手段,弱化堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度和完整性,弱化或消除頂板動(dòng)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(guò)弱結(jié)構(gòu)的吸能效應(yīng),減小作用在巷道圍巖上的動(dòng)載荷;在巷道內(nèi)設(shè)置錨桿(索)、鋼棚、緩沖墊層及防護(hù)支架等復(fù)合防控吸能結(jié)構(gòu),通過(guò)吸收沖擊動(dòng)能,削減沖擊應(yīng)力波峰值,減小沖擊應(yīng)力波對(duì)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(hù)和注漿加固。錨桿(索)支護(hù)已成為煤礦巷道最常用的支護(hù)手段,高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)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(kuò)容變形[27]。同時(shí),結(jié)合注漿加固技術(shù),提高因卸壓導(dǎo)致巷道支護(hù)范圍內(nèi)劣化圍巖的強(qiáng)度和完整性,從而保持支護(hù)范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定;對(duì)于需反復(fù)開(kāi)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(zhǎng)度超過(guò)錨桿(索)支護(hù)范圍3～5 m,通過(guò)鋼管進(jìn)行多次反復(fù)鉆進(jìn)卸壓而不破壞支護(hù)圍巖,巷道支護(hù)層不會(huì)在反復(fù)鉆進(jìn)卸壓下受到劣化[25]。

2.2 深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”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(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控主要體現(xiàn)在3 個(gè)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(duì)巷道圍巖遠(yuǎn)、近場(chǎng)進(jìn)行主動(dòng)卸壓,破壞巷道上方厚層堅(jiān)硬頂板的完整性和強(qiáng)度,從而降低工作面回采過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力和沖擊能量;②通過(guò)采用“四高”錨桿(索)主動(dòng)支護(hù),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(hù)結(jié)構(gòu);③在巷道空間內(nèi)架設(shè)鋼棚、防護(hù)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(dòng)能。通過(guò)水力壓裂遠(yuǎn)、近場(chǎng)卸壓、預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)及吸能裝備防護(hù),改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),減小沖擊震源震級(jí),抑制圍巖強(qiáng)度劣化,提高巷道抗沖擊和能量吸收能力,進(jìn)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(hù)-防護(hù)”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(hù)-防護(hù)”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(qiáng)烈變形和強(qiáng)沖擊區(qū)域通常位于采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)域,這主要是由于工作面回采過(guò)程中,煤層上方厚層堅(jiān)硬巖層垮落對(duì)臨空巷道影響強(qiáng)烈[28],厚層堅(jiān)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(jiān)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(jiān)硬巖塊對(duì)臨空巷道產(chǎn)生徑向擠壓作用。厚層堅(jiān)硬巖層強(qiáng)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(dòng)力顯現(xiàn)越強(qiáng)烈,臨空巷道出現(xiàn)強(qiáng)烈變形,甚至沖擊失穩(wěn)。

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

(2)深部沖擊地壓巷道預(yù)應(yīng)力支護(hù)。利用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)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(qiáng)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(hù)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(shí),合理的預(yù)應(yīng)力值可使支護(hù)材料充分拉伸,更有利于支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)難以發(fā)揮支護(hù)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(qiáng)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(kù)倫準(zhǔn)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(qiáng)度;σc為煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度。

對(duì)巷道圍巖進(jìn)行預(yù)應(yīng)力支護(hù)后,圍巖的σ3顯著增加,其豎向抗壓強(qiáng)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(jìn)卸壓,有效抑制了圍巖強(qiáng)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(hù)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(hù)支架等復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)防護(hù)。不同礦井沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)度差異較大,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)抵御的沖擊能量通常為104～105J,當(dāng)沖擊能量超過(guò)105J 以上時(shí),預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)有出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí),要采用鋼棚、緩沖墊層及防護(hù)支架等進(jìn)行防護(hù),從而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)與鋼棚、緩沖墊層及防護(hù)支架的功能互補(bǔ),預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)主要用于控制圍巖變形,鋼棚、緩沖墊層及防護(hù)支架主要用于快速耗散作用在巷道圍巖上的沖擊動(dòng)能,通過(guò)高剛度、高阻尼作用促使巷道圍巖由震動(dòng)狀態(tài)迅速進(jìn)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(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)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(hù)支架等防護(hù)手段可彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的不足,通過(guò)增加防護(hù)支架底部支護(hù)面積,底板增設(shè)緩沖墊層,可重點(diǎn)抵御底板的沖擊失穩(wěn)。

(4)沖擊地壓巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”時(shí)空關(guān)系。要想充分發(fā)揮“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控作用,需協(xié)調(diào)好3 種技術(shù)手段的時(shí)空關(guān)系,巷道開(kāi)挖前,利用長(zhǎng)鉆孔區(qū)域分段水力壓裂技術(shù)對(duì)巷道上方厚堅(jiān)硬巖層進(jìn)行預(yù)弱化處理,降低厚堅(jiān)硬巖層的完整性和所積聚彈性能的釋放強(qiáng)度;巷道掘進(jìn)時(shí),利用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度、高延伸率及高沖擊韌性“四高”錨桿(索)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力支護(hù),同時(shí)結(jié)合套管鉆進(jìn)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(hù)支架等防護(hù)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(duì)超前支承壓力進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)移,通過(guò)確定壓裂時(shí)機(jī)和參數(shù),實(shí)現(xiàn)超前支承壓力的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移,同時(shí)還要避免壓裂對(duì)巷道支護(hù)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(jìn)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(hù)失效,結(jié)合鋼棚、緩沖墊層及防護(hù)支架等復(fù)合吸能防護(hù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控。

總之,從空間和時(shí)間上合理布置長(zhǎng)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(jiān)硬巖層積聚的高彈性能釋放形式,通過(guò)預(yù)應(yīng)力支護(hù)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(hù)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(shí)現(xiàn)沖擊能量和巷道耗散能量的平衡。通過(guò)科學(xué)協(xié)調(diào)“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”3 者的時(shí)空關(guān)系,使沖擊地壓巷道能量耗散過(guò)程由不穩(wěn)定、無(wú)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(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控技術(shù)

3.1 長(zhǎng)、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(cè)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(qiáng)礦壓顯現(xiàn)難題,中煤科工開(kāi)采研究院研發(fā)了長(zhǎng)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(zhǎng)鉆孔水力壓裂設(shè)備組成如圖6所示,工作壓力達(dá)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(shí)施區(qū)域壓裂,水平段孔長(zhǎng)300～800 m,可處理煤層上方30～80 m 的上位堅(jiān)硬頂板,改變上覆巖層垮落特征,減少堅(jiān)硬巖層破斷的能量釋放,同時(shí)也可減小厚層堅(jiān)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(kāi)發(fā)了高壓跨式封隔器,每個(gè)封隔器長(zhǎng)度1 m,由加強(qiáng)橡膠和鋼絲復(fù)合制成,封孔壓力達(dá)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(jiān)硬頂板的壓裂需要。

長(zhǎng)鉆孔分段壓裂技術(shù)主要用于消除巷道遠(yuǎn)場(chǎng)堅(jiān)硬巖層破斷釋放的強(qiáng)沖擊動(dòng)能,短鉆孔壓裂技術(shù)用于轉(zhuǎn)移巷道圍巖近場(chǎng)高集中應(yīng)力,通過(guò)對(duì)沖擊地壓巷道圍巖實(shí)施遠(yuǎn)、近場(chǎng)水力壓裂,減小致使巷道發(fā)生沖擊的高靜載荷和動(dòng)載荷,實(shí)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(zhǎng)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(qiáng)度為400～500 MPa,沖擊吸收功40～60 J,錨桿強(qiáng)度低,韌性差,不適合在深部沖擊地壓巷道中使用。為此,開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度、高沖擊韌性錨桿(CRM700)支護(hù)材料[15],研發(fā)的高沖擊韌性錨桿桿體力學(xué)性能見(jiàn)表1。

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

由測(cè)試結(jié)果可以看出,新開(kāi)發(fā)的CRM700 錨桿最大破斷載荷達(dá)到340 kN 以上,屈服強(qiáng)度超過(guò)780 MPa,破斷強(qiáng)度超過(guò)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(shí),還開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度、高延伸率鋼絞線,直徑21.8 mm,1×19 股結(jié)構(gòu),抗拉強(qiáng)度1 790 MPa,伸長(zhǎng)率8%以上,與傳統(tǒng)鋼絞線伸長(zhǎng)率3.5%相比,提高了1倍以上。開(kāi)發(fā)的高延伸率錨索在煤炭工業(yè)北京錨桿產(chǎn)品檢測(cè)中心進(jìn)行了檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變位于ε1和ε2之間時(shí),該區(qū)間內(nèi)錨桿和錨索才能共同起到防沖作用,通過(guò)提高錨桿和錨索的強(qiáng)度、沖擊韌性、延伸率等力學(xué)指標(biāo),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(qiáng)錨索工作阻力。

表2 高延伸率錨索測(cè)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(hù)設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)圍巖壓力、沖擊載荷大小等因素,合理設(shè)計(jì)錨桿(索)的預(yù)緊力,使Fi = FGi + FSi,這樣在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí),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(hù)支架等復(fù)合結(jié)構(gòu)吸能防護(hù)技術(shù)

當(dāng)沖擊地壓釋放的能量超過(guò)105J 時(shí),單獨(dú)采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)難以控制巷道的圍巖穩(wěn)定,需配合鋼棚、緩沖墊層及防護(hù)支架進(jìn)行防護(hù),防護(hù)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(guò)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(dòng)載荷削弱為低動(dòng)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)紫鲁痢⒌装迓∑鸺皟蓭褪諗俊?/p>

鋼棚、防護(hù)支架通常具有高的支護(hù)阻力,在一般沖擊地壓條件下,能避免巷道沖擊破壞。但在強(qiáng)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(dá)到107J 以上,極高能量產(chǎn)生的動(dòng)載應(yīng)力波造成巷道圍巖快速?zèng)_擊,強(qiáng)沖擊載荷致使型鋼棚彎折、棚腿折斷,支架泄壓閥來(lái)不及開(kāi)啟而出現(xiàn)立柱爆缸、折斷的現(xiàn)象。同時(shí),沖擊地壓發(fā)生位置難以提前預(yù)測(cè),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(hù)支架防護(hù)時(shí),復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)在正常條件下要有較高的支護(hù)阻力,靜載作用下復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)失效的現(xiàn)象,同時(shí)沖擊載荷作用時(shí),復(fù)合防護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)要能防止巷道四周各個(gè)方向的沖擊能量,尤其是巷道兩幫和底板的沖擊動(dòng)能。

針對(duì)沖擊地壓巷道變形的特點(diǎn),研發(fā)了兩柱八字形框架式防護(hù)支架(ZFC4200/26/42),防護(hù)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(hù)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(shí)頂?shù)琢赫蹟?采用立柱防沖柱窩和高強(qiáng)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(guò)快速開(kāi)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(huì)出現(xiàn)沖擊,單獨(dú)采用吸能構(gòu)件對(duì)沖擊方向要求嚴(yán)格。因此,除在鋼棚、防護(hù)支架上設(shè)置吸能構(gòu)件外,鋼棚、防護(hù)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(gè)方向的沖擊動(dòng)能。圖9為鋼棚與圍巖間采用不同緩沖墊層時(shí)的沖擊力時(shí)程曲線,從圖中可以看出,不采用緩沖墊層時(shí),圍巖動(dòng)載荷達(dá)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(zhǎng)沖擊作用時(shí)間,從而減小沖擊動(dòng)載荷對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)。

3.4 “卸壓-支護(hù)-防護(hù)”參數(shù)確定方法

在進(jìn)行沖擊地壓巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),可采用動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法、工程類(lèi)比法、數(shù)值模擬法等多種設(shè)計(jì)方法,具體設(shè)計(jì)流程如下:

(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估。通過(guò)調(diào)研試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件,對(duì)圍巖進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試,評(píng)估試驗(yàn)巷道沖擊危險(xiǎn)性和沖擊能量震級(jí)。

圖8 兩柱八字形框架式防護(hù)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(jì)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域堅(jiān)硬巖層賦存特征、沖擊地壓類(lèi)型及壓裂裂紋擴(kuò)展情況,初步確定區(qū)域水力壓裂方案。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行微震監(jiān)測(cè),評(píng)估區(qū)域壓裂后試驗(yàn)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(hù)設(shè)計(jì)。根據(jù)巷道斷面、圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果及沖擊危險(xiǎn)性等綜合因素選擇合適的支護(hù)方式、支護(hù)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(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可選用動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法、工程類(lèi)比法、及能量校核法等。

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

由于卸壓、支護(hù)及防護(hù)3 種手段相輔相成、相互影響。設(shè)計(jì)時(shí),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(yàn)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(jì)性、便捷性及可行性,選擇合適的手段,使3 種手段優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),充分發(fā)揮3 者的協(xié)同防控作用。

4 “卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控技術(shù)實(shí)踐

由于各個(gè)沖擊地壓礦井的地質(zhì)條件和沖擊強(qiáng)度差異較大,在沖擊地壓巷道應(yīng)用“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控技術(shù)時(shí),要根據(jù)礦井實(shí)際條件選擇相應(yīng)的技術(shù)措施。沖擊強(qiáng)度屬于弱沖擊條件時(shí),可選用卸壓與支護(hù)2 種防控手段,沖擊強(qiáng)度屬于中等和強(qiáng)沖擊條件時(shí),應(yīng)從卸壓、支護(hù)與防護(hù)協(xié)同防控方面著手,根據(jù)圍巖沖擊類(lèi)型,沖擊機(jī)理及沖擊強(qiáng)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(lèi)、分級(jí)協(xié)同防控。

4.1 蒙陜某礦協(xié)同防控技術(shù)實(shí)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(jì)生產(chǎn)能力1 500 t/a,埋深700 m,地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。由于礦井開(kāi)采強(qiáng)度高,巷道斷面大,巷道沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)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(guò)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(hù)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(qiáng)度29 MPa,直接頂為粉砂巖,厚5.9 m,平均單軸抗壓強(qiáng)度25 MPa,基本頂為粗粒砂巖,厚47.58 m,平均單軸抗壓強(qiáng)度35 MPa,底板為砂質(zhì)泥巖,厚9.8 m,平均單軸抗壓強(qiáng)度24 MPa。3 個(gè)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(duì)402 工作面回采巷道沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),綜合判定為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域,沖擊地壓震級(jí)位于2.0～2.4 級(jí)。

采用工程類(lèi)比法,根據(jù)臨近工作面回采過(guò)程中微震監(jiān)測(cè)結(jié)果,確定402 工作面的水力壓裂方案。沖擊地壓震級(jí)為2.4 級(jí)時(shí),采用數(shù)值計(jì)算方法得到圍巖震動(dòng)速率最大值為4.8 m/s,粉砂巖破裂厚度達(dá)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(dòng)能為

頂板高沖擊韌性錨桿(MG500 號(hào))吸收的能量為7.0 kJ/m2,高強(qiáng)錨索吸收的能量為10.6 kJ/m2,自由段為4 m 的高強(qiáng)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(jì)算,則高強(qiáng)錨索吸收的能量為10.6 kJ/m2,高強(qiáng)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(qiáng)烈變形,可采用垛式支架進(jìn)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(shí)間30 min,壓裂25～40 MPa。

(2)支護(hù)方案。3-1402 輔運(yùn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度5.3 m,間排距1 500 mm×2 000 mm;頂板采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂,巷幫采用菱形網(wǎng)護(hù)幫。

(3)防護(hù)措施。工作面回采時(shí),回采巷道超前150 m 架設(shè)垛式支架進(jìn)行防護(hù),支架型號(hào)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(yùn)輸巷圍巖變形得到顯著改善,試驗(yàn)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(jìn)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(dòng)事件及能量統(tǒng)計(jì)如圖10所示,協(xié)同防控技術(shù)試驗(yàn)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(jìn)行釋放,這說(shuō)明協(xié)同防控技術(shù)改變了上覆厚層堅(jiān)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(shí)踐

義馬礦區(qū)的常村礦由于受F16 斷層和巨厚堅(jiān)硬礫巖的影響,沖擊地壓災(zāi)害十分嚴(yán)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(duì)21220 下巷沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),綜合判定為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域,沖擊地壓震級(jí)位于2.4～2.8 級(jí)。

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(qiáng)烈底臌。在試驗(yàn)巷道內(nèi)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試,測(cè)點(diǎn)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?yàn)镹23°W。

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

圖11 協(xié)同防控技術(shù)試驗(yàn)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(jiān)硬巖層距離煤層巷道較遠(yuǎn),不宜采用水力壓裂。沖擊地壓震級(jí)為2.8 級(jí)時(shí),采用數(shù)值計(jì)算方法得到圍巖震動(dòng)速率最大值為6.1 m/s,泥巖破裂厚度達(dá)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(dòng)能為

頂板高沖擊韌性錨桿(CRM600 號(hào))吸收的能量為9 kJ/m2,高強(qiáng)錨索吸收的能量為10.6 kJ/m2,自由段為4 m 的高強(qiáng)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(jì)算,則高強(qiáng)錨索吸收的能量為21.2 kJ/m2,高強(qiáng)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(tái)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(mén)式支架共吸收能量約為1 000 kJ,排距和巷寬按照5 m 計(jì)算,單位面積吸收能量為40 kJ/m2,則錨桿(索)、U 型棚及防護(hù)支架的吸收能量共計(jì)82.4 kJ/m2,三級(jí)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(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控技術(shù)對(duì)21220 下巷進(jìn)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(hù)方案。采用高沖擊韌性錨桿(索)支護(hù),直徑22 m,長(zhǎng)度2.4 m,頂板錨桿間排距為900 mm×900 mm,錨索直徑21.8 mm,長(zhǎng)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(zhǎng)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(hù)措施。掘進(jìn)迎頭架設(shè)36U 鋼棚,棚距1.2 m,鋼棚與圍巖間用枕木背實(shí),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(mén)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(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控技術(shù)替換傳統(tǒng)支護(hù)方式后,巷道經(jīng)受多次中等能量沖擊事件后,防護(hù)結(jié)構(gòu)有效耗散了沖擊動(dòng)能,支護(hù)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(jì)方法。本文提出的“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”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(shí)現(xiàn)其定量設(shè)計(jì)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(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因?yàn)楦忒B加動(dòng)靜載荷、各防沖技術(shù)手段互相弱化及各級(jí)防護(hù)系統(tǒng)的不協(xié)調(diào)。卸壓技術(shù)手段使圍巖和支護(hù)系統(tǒng)劣化,甚至失效,大幅度降低了支護(hù)系統(tǒng)的抗沖擊能力。各防沖技術(shù)手段間未能實(shí)現(xiàn)協(xié)同防沖作用,在高疊加動(dòng)、靜載荷作用下,各防沖結(jié)構(gòu)單元被各個(gè)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(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控原理。通過(guò)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行遠(yuǎn)、近場(chǎng)卸壓,降低回采巷道采動(dòng)應(yīng)力峰值和沖擊震源能量,利用“四高”錨桿(索)主動(dòng)支護(hù),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(hù)支架,通過(guò)高阻尼作用快速抑制巷道圍巖的沖擊震動(dòng)。通過(guò)科學(xué)協(xié)調(diào)“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”3 種技術(shù)手段的時(shí)空關(guān)系,使沖擊地壓巷道能量耗散系統(tǒng)由不穩(wěn)定、無(wú)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(kāi)發(fā)了深部沖擊地壓巷道“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控技術(shù)。提出了長(zhǎng)、短孔分段水力壓裂工藝,研發(fā)了配套的壓裂機(jī)具和設(shè)備,壓裂壓力達(dá)70 MPa,壓裂半徑40 m,水平鉆孔可達(dá)800 m;研發(fā)了高沖擊韌性錨桿(索),高沖擊韌性錨桿屈服強(qiáng)度780 MPa,沖擊吸收功大于145 J,高延伸率錨索抗拉強(qiáng)度1 790 MPa,伸長(zhǎng)率8%;防護(hù)液壓支架工作阻力4 200 kN,可吸收多方位沖擊動(dòng)能。

(4)研究成果在蒙陜和義馬典型沖擊地壓礦井開(kāi)展了工業(yè)性試驗(yàn),“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”協(xié)同防控技術(shù)改變了厚層堅(jiān)硬巖層沖擊能量釋放形式,有效抵御了高動(dòng)、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。