高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理.pdf

收稿日期：作者简介：杨向浩（），男，山西临汾人，硕士，工程师，现从事煤矿生产技术管理工作。高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理杨向浩（霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿，山西 临汾 ）摘要：针对高应力动载巷道围岩变形量大，返修次数多，常规支护手段控制巷道围岩变形收效甚微现状，以霍州煤电辛置煤矿高应力动载冲击巷道为工程背景，分析高应力动载冲击巷道围岩变形破坏特征及规律。基于围岩弱结构吸能原理，建立不同颗粒围岩弱结构数值计算模型，分析围岩弱结构不同颗粒吸能效果，揭示弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理。结合现场实际工况，提出内置钢管支撑护壁及反复钻孔致裂弱结构防冲技术并进行工业性试验。试验结果表明，弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同支护，有效达到巷道围岩弱结构吸能防冲不破坏支护结构的目的，发挥“弱中有强”的协同支护作用，试验巷道顶板未发生离层现象，最大变形量为 ，巷道两帮最大位移量为 ，有效控制巷道围岩变形，为类似高应力动载巷道围岩控制提供借鉴。关键词：高应力巷道；弱结构；防冲机理；协同支护中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，“”，：；第 期杨向浩高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理 引言随着我国煤矿综合机械化程度、开采规模以及开采强度的不断提高，巷道矿压显现愈发复杂，有效维护巷道围岩稳定是我国大力推进煤炭资源生产利用方式改革中的重要一环。在巷道掘进和工作面开采过程中，大范围煤层被揭露打破了地层内部的应力平衡状态，动静载荷双重叠加促使煤岩体应力集中。当应力值超过煤岩体自身承载极限后，在高应力的作用下大量煤岩体结构在短时间内发生破坏，出现向巷道或工作面挤出甚至是抛射现象，同时伴随着大量冲击动能的释放，造成巷道或工作面围岩严重破坏，严重制约煤矿企业安全生产。一般针对此类工程问题，采用钻孔卸压、爆破卸压以及水力压裂等方法来有效弱化煤岩体，构建围岩弱结构，释放高应力优化煤岩体应力环境，有效控制巷道围岩的稳定性 。巷道围岩弱结构是通过人为方式在巷道内部构建的微裂隙结构，主要用于改善围岩复杂的应力环境，充当高应力转移、强冲击动载吸收的缓冲区域。弱结构形成的微裂隙相互贯通连接形成卸压带，将巷道围岩浅部应力集中区向围岩深部转移，实现高应力的转移；同时，相互贯通的弱结构在强冲击动载传递过程中，微裂隙吸收部分冲击波，减小冲击能量的传递 。以山西焦煤霍州煤电辛置煤矿高应力动载冲击巷道为工程背景，分析高应力动载冲击巷道围岩变形破坏特征及规律。基于围岩弱结构吸能原理，探究围岩弱结构不同颗粒吸能效果，揭示了弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理，提出内置钢管支撑护壁及反复钻孔致裂弱结构防冲技术，进行试验巷道工程验证，为类似高应力动载冲击巷道支护提供借鉴。高应力动载冲击巷道围岩变形破坏特征 工程地质概况山西焦煤霍州煤电辛置煤矿位于山西省临汾市境内，矿井核定生产能力 。主采号煤层，煤层厚度为 ，平均约 ，煤层倾角为 ，平均约 。综采工作面地面位置位于上跑蹄村西南方向约 ，上跑蹄工业广场以西约 ，鑫磊煤业工业广场以南约 ，南沟村以东约 。煤层直接顶主要以泥岩、砂泥岩为主，岩层厚度为 ，平均约 ；老顶以 中细砂岩为主，岩层厚度为 ，平均约 ；直接底以泥岩为主，岩层厚度为 ，平均约 。综采工作面西北部为 工作面采空区，东北部紧邻二采区正前系统巷道，东部为 工作面。工作面在掘进期间共揭露条断层，未揭露陷落柱，在工作面回采期间，由于地应力、采动应力及构造应力叠加导致局部应力高度集中，巷道围岩变形严重。巷道围岩变形破坏特征 工作面运输巷沿煤层走向布置，巷道原支护设计为 （长 宽），顶板和帮部锚杆为 ，其中顶板锚杆间排距为 ，帮部锚杆间排距为 ；锚索为 ，间排距为 。通过现场巷道围岩变形监测，巷道在掘进期间，巷道两帮移近量明显高于顶底板，煤柱帮围岩变形最为严重，局部肩窝处出现明显的挤压变形。在工作面回采期间，巷道受采动影响严重，超前工作面 范围内围岩变形剧烈，出现大范围的帮部鼓肚和片帮现象，如图 所示。为缓解强动载冲击带来的巷道围岩大变形，在巷道帮部布置钻孔，孔径为 ，深度 ，间距 。根据原始资料记载，钻孔卸压施工后，巷道围岩变形程度未得到明显缓解，反而由于钻孔破坏了围岩表面结构，巷道围岩变形程度加剧 。巷道围岩弱结构吸能防冲原理及影响因素分析 围岩弱结构吸能原理巷道围岩弱结构是通过人为方式在巷道支护锚固层外部构建裂隙结构，如图 所示。在高应力作用下巷道围岩结构破坏，以冲击动载的方式作用于巷道围岩上，冲击动载以冲击波的形式进行能量传递。当冲击波经过弱结构区域时，弱结构区围岩由于裂隙较为发育，块体松散，可以通过 种方式进行陕西煤炭 年?图 巷道围岩变形破坏现场照片 吸能，分别是块体松散吸能、煤岩体旋转吸能、裂隙空间散射吸能以及破碎围岩反射吸能。通过上述方式可以耗散大部分的冲击能量，剩余的少部分能量由锚固层支护结构吸收，起到一个良好的吸能防冲作用 。围岩弱结构颗粒吸能效果 数值计算模型弱结构颗粒的大小直接影响巷道围岩弱结构吸能效果，采用 颗粒流软件建立不同颗粒直径的数值模型，为消除尺寸效应，模型尺寸为 （宽 高）。同时，颗粒间的接触通过内置接触采用平行粘结模型本构模型建立。为有效监测不同颗粒直径下弱结构围岩的变形规律，在模型高度方向依等间距布置 个监测点，如图 所示。?图 巷道围岩弱结构吸能原理?图 不同颗粒直径数值模型及监测点示意 不同颗粒吸能效果分析为探究弱结构颗粒大小对动载冲击能量的吸收效果，对模型施加 的应力波，分别对颗粒直径 、以及 的 种模型进行计算，计算结果如图 所示。由图可知，同一监测点位置处，颗粒直径越小，巷道围岩致裂整体效果越好，对于冲击应力波的耗散作用越大，监测点速度衰减越大，随着时间的推移速度逐渐趋于零。当模型计算步数为 时，颗粒直径为 、以及 这 种模型速度依次衰减 、和 。由此可知，巷道围岩弱结构颗粒越小，对于动载冲击能量的耗散效果越大，吸能效果越好。弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理巷道围岩弱结构能有效吸收冲击能量，但构建弱结构的同时会影响巷道围岩自身强度，降低巷道围岩承载能力，诱发巷道围岩支护锚固层的脱落。因此，在保证巷道围岩弱结构吸能防冲的同时，还应加强巷道围岩支护结构强度，如图 所示，二者协同作用共同维护巷道围岩的稳定性。第 期杨向浩高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理 内置钢管支护护壁技术巷道开挖后及时采用锚网索支护材料进行常规支护，初步构建巷道支护锚固层。同时针对高应力强动载冲击巷道，采用钻孔卸压方式进行高应力转移及卸压。钻孔卸压后巷道锚固呈整体性遭到破坏，巷道围岩裂隙发育。采用内置钢管支护护壁技术在巷道钻孔内进行孔壁支护，在巷道强动载冲击能量传递过程中，钻孔围岩弱结构吸收部分冲击动能，使得钻孔内布置的钢管支护钻孔围岩结构不会在强动载作用下发生大变形破坏，从而达到巷道围岩弱结构吸能防冲不破坏支护结构的目的，发挥“弱中有强”的协调性。反复钻孔致裂弱结构防冲技术巷道钻孔卸压后围岩应力环境改变，巷道围岩由表面至深部依次为破碎区、塑性区以及原岩应力区。其中破碎区和塑性区统称为围岩弱结构区域。采用反复钻孔致裂技术，使多个钻孔裂隙贯通形成围岩弱化带，增大强动载冲击能量的耗散空间。同时，经过衰减的冲击能量作用于巷道钻孔围岩，钻孔内置钢管可以有效抵抗剩余冲击能量，保证巷道围岩的稳定性 。?图 不同颗粒直径时冲击速度变化趋势?图 弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理 工业性试验 试验巷道围岩弱结构致裂流程结合 工作面运输巷实际工况，采用反复钻孔致裂弱结构防冲技术与钢管支护护壁技术协同作用对试验巷道进行围岩控制，主要施工流程如图 所示。巷道开掘后采用锚网索支护进行围岩初步控制，之后在巷道两帮布置深度 的钻孔，钻孔孔径控制为 ，钻孔间距为 ，钻孔位置位于巷道顶板下方 处。钻孔按照基本参数布置完成后，在钻孔孔内放置长度为 的矿用钢管，钢管外露端设置螺丝接口，在巷道表面进行连接。利用钻杆工具深入钢管内部进行钻孔深度施工，施工长度为 ，在施工过程中反复钻进，在钢管内部端头处形成围岩弱结构，反复钻孔致裂使多个钻孔裂隙贯通形成围岩弱化带。在此过程中分别取巷道两帮煤壁岩样进行微观裂隙观测，测定的第陕西煤炭 年次和第 次钻孔过程中煤壁岩样弱化系数分别为 和 。?图 试验巷道围岩弱结构致裂流程 每个钻孔施工后停滞，利用围岩自身受压进行致裂，进一步扩大围岩致裂效果形成较大的围岩弱结构，利用反复钻孔致裂技术进一步增大巷道围岩弱结构的破裂度 。试验巷道整体维护效果分析为验证试验巷道采用反复钻孔致裂弱结构防冲技术与钢管支护护壁技术协同支护技术后巷道围岩的控制效果，在巷道顶板布置顶板离层仪。其中测点深基点深度为 ，浅基点深度为 。由图 （）可知，采用围岩协同控制技术后，巷道围岩变形量得到明显控制，其中 测点深基点最大变形量为 ，浅基点最大变形量为 ；测点深基点和浅基点最大变形量均为 。巷道帮部围岩弱结构的形成，改善围岩复杂的应力环境，充当高应力转移、强冲击动载吸收的缓冲区域，将巷道围岩浅部应力集中区向围岩深部转移，实现高应力的转移。同时，帮部围岩弱结构的形成未对巷道顶板造成破坏。随着时间的推移，巷道顶板未发生离层现象，进一步验证了巷道帮部弱结构及支护构件的协调作用有利于顶板围岩的稳定性。由图 （）可知，巷道帮部围岩弱结构形成的 后巷道围岩变形逐渐趋于稳定，前 时间内未对巷帮围岩实施弱结构致裂技术，巷道两帮最大位移量为 ，实施巷帮围岩弱结构致裂技术后，巷道两帮最大位移量为 。通过对比可知，围岩结构不会破坏巷道围岩的稳定承载结构，可以达到有效的吸能防冲目的，发挥“弱中有强”的协调性 。?图 巷道表面变形量变化曲线 结论（）弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同支护技术，在巷道强动载冲击能量传递过程中，钻孔围岩弱结构吸收部分冲击动能，钻孔内布置的钢管支护钻孔围岩结构不至于在强动载作用下发生大变形破坏，从而达到巷道围岩弱结构吸能防冲不破坏支护结构的目的，发挥“弱中有强”的协调性。（）试验巷道应用协调支护技术后，巷道顶未发生离层现象，最大变形量为 ，巷道两帮最大位移量为 ，有效控制了巷道围岩变形，效果显著。参考文献：褚佳琪，李家卓，郝喜庆，等 深部巷道群高静载低扰动冲击矿压发生机制及防治技术 煤炭技术，（）：余伟健，李可，芦庆和，等 裂隙发育岩体巷道围岩工程特征与变形控制 煤炭学报，（）：康红普 我国煤矿巷道围岩控制技术发展 年及展望 岩石力学与工程学报，（）：周波，袁亮，薛生 巷道围岩结构稳定性控制机理研究综述 煤矿安全，（）：，第 期杨向浩高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理 高明仕，窦林名，张农，等 冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析 岩土力学，（）：韩连昌，刘勇，王沉，等 高应力软岩巷道灌浆支护技术研究与应用 煤矿安全，（）：，冷光海 土城矿深部高应力软岩巷道支护技术研究与应用 采矿技术，（）：冯焕超，董欢庆 高应力软岩巷道支护技术的研究与应用 科技风，（）：孟庆彬，韩立军，张帆舸，等 深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用 岩土力学，（）：，秦双双 深部高应力软岩巷道支护及返修控制措施探析 能源技术与管理，（）：阴雷彪 深部高应力软岩巷道围岩变形破坏常见问题及控制措施探析 化工中间体，（）：杨本生，王仲永，贾永丰，等 深部高应力工程软岩巷道非连续“双壳”围岩控制机理研究 采矿与安全工程学报，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）结论（）离散法是实现对岩层随机节理裂隙模拟的有效方法，可用于解决最近点、最小封闭圆等问题，以及许多空间分析问题，如邻接、接近度和可达性分析等。（）组基于 法离散的 节理模型的单轴压缩和巴西劈裂正交试验，对敏感因素进行排序。岩石的宏观单轴强度：节理摩擦角 节理内聚力；宏观弹性模量：节理摩擦角 节理内聚力；宏观抗拉强度：节理内聚力 节理摩擦角 节理抗拉强度；宏观脆性程度：节理摩擦角 节理内聚力；宏观拉压比仅受节理摩擦角影响。（）对 法离散的节理参数与岩石宏观强度进行非线性多元拟合，得到相关修正关系式。当 法离散的单元采用刚性体时，不能表征岩石变形的横观各项异性。（）分别将实验室所测煤岩体力学参数和修正参数作为数值计算参数，导入数值 数值计算软件进行计算。导致 工作面回风顺槽支护体失效的主要原因是锚杆长度不够，不能对松动圈内破碎围岩进行有效控制。根据数值计算结果，在原支护方案的基础之上采用 锚杆进行补强支护，巷道围岩破坏得到有效控制。进一步表明，对煤岩力学参数进行修正，对于提 高 法离散的数值模拟试验精度具有重要意义。参考文献：窦成义，李建华，杜豪豪，等 基于主应力 位移判别法的高位定向长钻孔布置层位分析及应用 陕西煤炭，（）：，吴明明 穿断层带巷道围岩变形特征数值模拟分析 陕西煤炭，（）：任世虎 基于数值模拟的魏墙煤矿导水裂隙带高度研究 陕西煤炭，（）：，贾冬冬 煤炭开采中导水裂隙带发育高度预测的研究 内蒙古煤炭经济，（）：，周志杰 平能西露天矿露天和井工工程发展岩移规律研究 内蒙古煤炭经济，（）：，赵文光，解振华 基于 的过空巷群采动来压突显特征模拟研究 煤炭科学技术，（）：肖维民，田梦婷，黄巍，等 不规则柱状节理网络随机模拟方法研究 地下空间与工程学报，（）：，王明旭，许梦国，王哲哲 不同随机节理对矿岩力学变形特性的影响分析 矿业研究与开发，（）：王竟成，罗景润 基于 细观数值模型预测 的有效弹性模量 含能材料，（）：柴敬，韩志成，乔钰，等 分层开采采空区下大跨度开切眼顶煤稳定性研究 采矿与安全工程学报，（）：陕西煤炭 年，