晋华宫矿沿空巷道卸压释能耦合让均压支护技术.pdf

第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号：（）犇 犗 犐：晋华宫矿沿空巷道卸压释能耦合让均压支护技术刘大江，史超（晋能控股煤业集团 朔州煤电有限公司，山西 怀仁 ；晋华宫矿，山西 大同 ）摘要：针对晋华宫煤矿近距离煤层巷道高应力叠加强开采扰动诱发的大变形难支护问题，采用钻屑法及钻孔窥视法对巷道围岩进行现场测试，获得了围岩应力分布及松动圈发育特征；在此基础上提出了卸压释能耦合让均压支护技术方案，并开展现场工业性试验。结果表明：煤柱帮应力峰值高于实体煤帮；煤柱帮低应力区（卸压区）主要集中在以内，表现出大松动圈特征，高应力区主要集中在 。钻孔卸压释能方案有效缓解了围岩集中压力，将应力峰值转移至围岩深部，耦合让均压支护结构有效控制了浅部松动圈破碎围岩变形。关键词：沿空巷道；高应力；大变形；支护；松动圈中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犚 犲 犾 犲 犪 狊 犻 狀 犵犘 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犪 狀 犱犈 狀 犲 狉 犵 狔犪 狀 犱犆 狅 狌 狆 犾 犻 狀 犵犢 犻 犲 犾 犱犈 狇 狌 犪 犾犘 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犛 狌 狆 狆 狅 狉 狋犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔犳 狅 狉犚 狅 犪 犱 狑 犪 狔犪 犾 狅 狀 犵犌 狅 犫 犻 狀犑 犻 狀 犺 狌 犪 犵 狅 狀 犵犕 犻 狀 犲犔 犐 犝犇 犪 犼 犻 犪 狀 犵犪，犛 犎 犐犆 犺 犪 狅犫（犑 犻 狀 狀 犲 狀 犵犎 狅 犾 犱 犻 狀 犵犌 狉 狅 狌 狆犪犛 犺 狌 狅 狕 犺 狅 狌犆 狅 犪 犾犪 狀 犱犈 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犻 狋 狔犆 狅，犔 狋 犱，犎 狌 犪 犻 狉 犲 狀 ，犆 犺 犻 狀 犪；犫犑 犻 狀 犺 狌 犪 犵 狅 狀 犵犕 犻 狀 犲，犇 犪 狋 狅 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，“”（），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：刘大江（），男，江苏泗洪人，硕士，高级工程师，主要从事矿山压力与 顶 板 控制 方 面 的 研 究 及管 理 工作，：。引文格式：刘大江，史超晋华宫矿沿空巷道卸压释能耦合让均压支护技术山西煤炭，（）：，（）：巷道变形破坏是围岩与支护结构在矿山压力作用下的客观力学行为表现，巷道围岩稳定性取决于巷道围岩压 力 及 支 护 结构 承载 能 力 这 对 主 要 矛盾 。近距离煤层沿空巷道在上覆煤柱集中压力叠加临近工作面老顶悬板作用下积聚高应力，围岩容易发育大松动圈，诱发大变形灾害和支护结构破坏，甚至发生冒顶事故 。由于应力量级高、围岩变形量大，以往单纯提高支护结构强度的支护思路无法满足此类巷道稳定性控制需要。针对晋华宫煤矿近距离煤层沿空大变形巷道稳定性控制难题，采用现场实测确定了围岩应力分布规律及松动圈发育范围，提出了卸载巷道围岩压力、提高支护结构强度并举的控制思路，形成了卸压释能耦合让均压支护技术方案，有效控制了近距离煤层沿空巷道大变形灾害，保证了 工作面安全、高效顺利回采。工程概况及巷道破坏特征晋华宫煤矿 煤层与上部 煤层及 层间距平均分别为 及。其中，及 煤层分别于 年及 年回采完毕。煤层对应工作面煤柱宽度，目前正在回采的 煤层 工作面煤柱宽度为，上下两层煤柱中对中重叠布置，煤层 巷与上部 煤层对应工作面尾巷同样为重叠布置关系。受上覆煤柱高集中压力叠加毗邻 工作面回采动压影响，巷矿压显现强烈，出现闷墩、煤帮内挤（二次维护后局部炸帮 、底鼓 ）以及顶板大幅下沉现象，支护结构损毁严重。图 巷围岩变形及支护结构破坏情况 巷道围岩压力分布规律实测由于高应力叠加强开采扰动，导致巷道变形破裂严重，围岩破碎，传统应力测试方法如钻孔包体法、水压致裂法等测试较为困难。有学者基于煤层钻孔钻进过程中钻头、钻杆排出的煤粉量及其变化规律来估计煤体应力集中情况，并将单位长度煤粉量超过危险值或出现卡钻、吸钻等动力现象作为应力集中和冲击危险的判别指标 ，提出了以钻孔过程中单位孔深所排出的钻粉量来确定应力的大小的钻屑法。当向煤体钻孔时，其排粉量由两部分组成：一是钻孔过程中与孔径相同的煤体破碎后形成的煤粉；二是成孔后，煤体中的应力使孔径发生变化而产生的煤粉。前者仅与孔径有关，后者则与围岩应力状态及力学性质有关。为了探究巷道围岩压力分布，为松动圈范围圈定和支护设计提供参考，本次采用钻屑法对巷道围岩压力分布进行现场实测。测点布置及测试过程根据 巷 道 变 形 程 度，本 次 测 试 在 巷 道 、和 处设置个断面；测孔位置在两帮离底板 高度处，测试机具为手抱风钻，麻花钻杆直径，成孔直径。首先在 巷 处施工实体煤帮测试钻孔，前 钻进较快，钻进较为困难。实体煤帮钻孔施工完毕后，在孔口位置监测约 ，孔内发生次不同强度“煤炮”（闷墩）事件，孔壁在较短时间内即发生炸裂塌孔破坏。在 处施工煤柱帮钻孔，钻进第根杆（）时钎尾折断；更换钎尾重新进行煤柱帮钻屑法施工，当钻进至第根杆时，处顶板发生“闷墩”事件，随即钻孔内发生较大“闷墩”声响事件；第根杆钻进约 时，钻杆突然发生卡钻，无法继续钻进，同时无煤粉传出。处钻孔过程中，无卡钻事故发生；钻进后钻进即较为困难，该处钻孔完成后孔内未发生煤炮（闷墩）声响。测试结果及分析 巷道个观测断面钻屑法测试结果如下所示：通过测试可知，附近两个测试断面以内钻屑量稳定，以上钻屑量急剧增加，并在深处发生卡钻，实体煤帮测孔钻屑量变化不大。表明发生大变形段 附近：煤柱帮峰值应力高于实体煤帮，进行支护设计时煤柱帮支护强度要高于实体煤帮；煤柱帮低应力区（卸压区）主要第期刘大江，等：晋华宫矿沿空巷道卸压释能耦合让均压支护技术集中在以内，表现出大松动圈特征，高应力区主要集中在。图围岩压力分布 附近应力分布规律与 附近基本一致：煤柱帮钻屑量整体高于工作面煤帮。但 处煤 柱 帮 钻 屑 量 低 于 处，说 明 处煤柱压力相对较低，这与现场观测到的围岩变形破坏特征一致。松动圈测试为了进一步考察围岩应力分布情况，在 巷同时开展了松动圈现场实测，部分测试结果如图及表所示。图围岩内部破裂情况 表 巷大变形段松动圈测试结果 测试位置裂隙区范围松动区范围备注顶板 围岩整体破碎严重，内部离层裂隙发育煤柱帮 围岩整体破碎严重，内部离层裂隙发育，左右钻孔壁破碎严重，高应力特征明显实体煤帮 向外裂隙密集发育，范围偶见裂隙松动圈现场观测主要结论如下：）顶板裂隙密集发育，且开度较大。顶板松动圈发育范围均超过，为大松动圈范畴；煤岩交界面两侧岩石岩性不同，二者存在变形、强度不耦合，在围岩受载过程中交界面会发生错动、破碎，易形成离层。）煤柱帮破裂程度及破裂范围均大于实体煤帮。煤柱帮施工钻孔摄像观测孔时经常出现卡钻、跳钻现象，钻孔施工完成后加水冲洗即发生闷墩。通过钻孔摄像发现 范围内煤体破碎严重，观测时浅部钻孔内有煤块掉落。实体煤帮类似的破裂严重区域范围为 。）巷道的松动圈分布范围受上部煤柱影响大。根据观测结果，围岩从浅部向深部大致可以分为破碎区、松动区、裂隙区和完整区。在 巷未受上部煤柱影响段的煤柱帮破碎区的大致范围为 ，受到上部煤柱影响时煤柱帮破碎区的范围为 ；在 巷未受上部煤柱影响段的 位置顶板完整未见松动区，受到上部煤柱影响时顶板一度超过。卸压释能耦合让均压支护技术 支护原理 巷道围岩应力分布及松动圈发育特征现场实测结果表明，近距离煤层沿空巷道开挖后，围岩在重分布高应力作用下迅速发生破坏和变形，围岩峰值应力随之向深部迁移，直至主承载区围岩不再发生破坏，松动圈内部破裂围岩不再发生继续的碎胀变形巷道才能趋于稳定 。松动圈内围岩虽然处于破坏状态，但由于摩擦嵌固效应及锚杆与锚索强化作用，仍然是围岩压力的承载主体。因此，主动使围岩峰值应力向深部迁移，保障浅部围岩强度和结构完整性，同时对浅部破碎围岩支护强化，为山西煤炭第 卷深部主承载区围岩提供有效支护阻力，是高应力大变形巷道稳定性控制的关键 。基于此，提出如下支护原则。）钻孔卸压。由弹性力学可知，钻孔边界剪应力集中，应力重分布后，钻孔外缘一定范围形成卸压区，当在煤体中布置成排卸压钻孔，各钻孔卸压区相互连接、贯通后，将形成一条弱化带，该弱化带破坏了煤体的承载结构，同时煤体与岩层间抗剪强度大幅下降，煤体在顶底板压应力作用下发生相对滑动，应力平衡区范围增大，应力峰值向煤体深部移动，峰值强度降低，极限平衡区煤体应力降低，实现卸压。）让均压支护。高地应力回采巷道，巷道围岩变形通常难以避免，为防止预应力锚杆索由于无法让压而失效，通过安装让压装置，使锚固系统具有让压性，从而达到限压的目的。让压装置可产生一定量的压缩变形，从而提供让压，且使锚杆索支护系统各杆体在达到屈服极限前受力均匀，保障锚杆索不发生屈服破坏，锚杆索之间受力承载相互配合，极有效的改善锚固体整体承载性能，使巷道围岩大变形得到控制。）挂钢筋网。在巷道矿压显现区域，原有完整的粉砂岩及细砂岩顶板在高应力作用下破碎，表面凹凸不平，造成应力二次集中。合理有效的表面控制，可以减轻围岩的碎涨变形程度，降低围岩表面应力集中程度，提高巷道的支护效果，防止碎石冒漏伤人。）整体差别支护。顶板、煤帮、底板支护均是支护系统不可或缺的组成部分，三者任何一方均不可忽略。相对于帮和底板，近距离煤层巷道的支护重点在顶板，支护过程中应注意顶板加强支护；应力场剧烈变化区附近的巷道支护应专门考虑，与普通位置巷道支护参数体现差别。支护效果数值仿真分析为了研究新型支护形式对近距离高应力巷道稳定性控制的有效性，采用 软件对高强护表耦合让均压支护及卸压释能高强护表耦合让均压支护进行模拟，分析支护形式对巷道围岩集中应力分布影响规律，获得卸压与支护耦合作用对围岩大变形的控制效果。普通锚网索支护不设卸压孔条件下普通锚网索支护方案中，锚杆索采用普通锚杆索（非让压），不设卸压孔结构，煤柱帮设置锚索补强支护（图），巷道围岩应力场分布如图所示。顶板没有出现拉应力区，说明顶板支护方案发挥了作用，并有效控制了顶板范围内应力分布。与无支护状态相比，工作面帮浅部应力集中区压应力值无较大变化，但是影响范围减小，最大压应力从帮中部向顶板与帮部交界位置转移，最大值增大至 ，说明帮部的支护结构发挥了控制作用。煤柱内应力状态与无支护状态应力场分布相似，但应力集中区范围缩小较为明显，应力值相应增大，煤柱临空帮应力最大值达到 。图普通锚杆索联合支护结构图 （）实体帮（）煤柱帮图 巷采用普通锚杆索联合支护垂向应力场分布 由图可知，支护结构的施加提高了煤层的整第期刘大江，等：晋华宫矿沿空巷道卸压释能耦合让均压支护技术体结构强度，从能量的角度说，支护结构提高了煤岩体的储能极限，使围岩集中应力分布于围岩浅部，但在一定程度上反而增加了大变形灾害发生的可能性。卸压孔耦合让均压支护卸压孔耦合让均压支护方案中锚杆索采用让压锚杆索，设卸压孔结构（图）。图耦合让均压支护结构图 （）实体帮（）煤柱帮图 巷采用耦合让均压支护结构垂向应力场分布 巷道围岩应力场分布如图所示。与普通锚杆索支护结构相比，顶板应力场变化不大，设置卸压孔后，工作面帮与煤柱浅部应力集中现象消除，特别是煤柱内部临空面较大的应力集中区消失，工作面最大集中应力达到 ，煤柱最大集中应力达到 ，均集中在卸压孔结构周边，说明卸压孔的设置改变了整个煤岩体较大范围内的应力分布特征。由图、图可知，卸压孔的设置形成局部弱化结构，各卸压孔在竖向应力作用下，横向显示为拉应力状态，萌生拉伸裂纹并在水平方向贯通；在应力的加载作用下，裂隙不断扩展，形成一个薄层煤岩体松散破碎带，破碎带起应力诱导作用，同时破碎过程顶板传递而来的应力部分转化为破碎能，另一部分转化为不断新生的断续结构表面能，应力转移至围岩深部，降低大变形灾害发生的可能性。（）实体帮（）煤柱帮图 巷两帮表面竖向应力场分布 通过两种工况的应力场分析可知，在近距离高应力巷道，仅仅依靠提高支护结构强度难以从根本上解决巷道大变形问题，让压锚杆索及卸压孔的设置可有效改善巷道所处的应力环境，对巷道周围的应力能量进行引导控制或释放，以达到降大变形灾害发生的概率和幅度的效果。山西煤炭第 卷 支护方案 巷宽高为 ，支护形式为卸压释能高阻让压锚杆让压鸟窝锚索强护表钢筋网支护。两帮距底板 处各设单排垂直于煤帮的卸压孔，卸压孔直径 ，孔深，间距。断面支护如图所示：图 巷支护断面图 锚 杆 选 用 的 高 强（）高阻让压锚杆作为锚杆的杆体，锚固力不小于 ，安装载荷为 。锚杆使用让压点 、让压距离为 让压管。锚杆间排距为 ，靠帮部最近的锚杆与垂直方向夹角为 。每套锚杆采用卷 和卷 树脂药卷，采用 的高 强球 型 托盘 与钢 带（）联合支护，经纬网与钢带联合支护作为表面控制的方式。实体煤帮选用 的玻璃钢锚杆，其余参数同上。顶板鸟窝锚索规格 ，排距 ，“三一三”式布置。锚索托盘为 的高强球型托盘，锚索强度大于 ，托盘强度大于 。每套锚索采用支 支 树脂锚固剂。锚索使用让压点 的双泡让压管。帮锚索规格 ，排距 ，“二二”式布置，其余参数同顶板锚索。底板使用三根规格 锚索与 钢带组成的锚梁支护，排距 。锚索托盘为 的高强球型托盘，锚索强度大于 ，托盘强度大于 。每套锚索采用支 支 树脂锚固剂。工业性试验矿压监测结果 巷道变形观测 巷掘进期间，两帮没有明显变形，顶板最大下沉量仅为，如图 所示，变形趋于稳定时间为 左右，变形速率低于。工作面回采期间，巷道顶板最大下沉量为 ，两帮分别为 和 ，采用耦合让均压支护形式可以有效地控制巷道掘进和工作面回采动压影响诱发的变形。（）掘进期间（）回采期间图 顶板下沉量 第期刘大江，等：晋华宫矿沿空巷道卸压释能耦合让均压支护技术 锚杆（索）受力监测采用锚杆（索）测力计对回采期间顶板锚杆、锚索受力情况进行监测，测点位置与巷道变形测点相同，监测结果如图 所示。图 锚杆索受力情况 工作面回采期间，顶板锚杆和锚索的受力均不大，稳定时锚索的轴力为 、锚杆轴力 ，锚索受力明显大于锚杆，局部锚杆和锚索让压管被压瘪，但未出现锚杆或锚索破断的情况。结论）现场实测表明，近距离煤层沿空高应力巷道受上覆残留孤岛煤柱影响强烈，煤柱帮峰值应力高于实体煤帮，低应力区（卸压区）主要集中在以内，高应力区主要集中在。）上覆残留孤岛煤柱影响区域巷道围岩普遍发育大松动圈，煤柱帮峰值应力深度及松动圈发育厚度远大于实体煤帮，未受上部煤柱影响段的煤柱帮破碎区的大致范围为 ，受到上部煤柱影响时煤柱帮破碎区的范围为 。）钻孔卸压释能方案有效缓解了围岩集中压力，主动使围岩峰值应力向深部迁移，同时保障了浅部围岩强度和结构完整性。耦合让均压支护结构对浅部破碎围岩支护强化，为深部主承载区围岩提供了有效支护阻力，有效解决了近距离煤层沿空高应力大变形巷道稳定性控制难题。参考文献：张晓亮，宋选民，刘成近距离煤层采空区及煤柱下巷道分区支护研究中国煤炭，（）：，（）：孟波，靖洪文，杨旭旭，等破裂围岩锚固体变形破坏特征试验研究岩石力学与工程学报，（）：，（）：吴拥政，付玉凯，何杰，等深部冲击地压巷道“卸压支护防护”协同防控原理与技术煤炭学报，（）：，“”，（）：彭林军，周光华，宋振骐，等大采高综放小煤柱沿空掘巷围岩稳定性数值模拟研究中国煤炭，（）：，（）：何富连，康庆涛，殷帅峰，等近距离煤层顶板煤柱集中应力影响机制采矿与安全工程学报，（）：，（）：王晓辉范各庄矿近距离煤层上行开采矿压显现规律与可行性研究中国矿业，（）：，（）：赵阳升，梁纯升，刘成丹钻屑法测量围岩压力的探索岩土工程学报，（）：，（）：齐庆新，窦林名冲击地压理论与技术徐州：中国矿业大学出版社，：辛奇，谭洪山，张修成基于钻屑法的梁宝寺煤矿采区支承压力分布研究煤炭技术，（）：，（）：黄海龙，冯宇峰近距离煤层综放工作面覆岩稳定性分析及巷道布置优化中国煤炭，（）：，（）：郭东芝，张晓，刘博文，等五家沟矿厚煤顶回采巷道支护方案优化设计煤矿安全，（）：，山西煤炭第 卷 ，（）：刘大江，许旭辉，朱恒忠，等中厚煤层坚硬顶板切顶卸压主动留巷关键参数研究煤矿安全，（）：，（）：张照允孤岛工作面沿空巷道支护技术研究与应用中国煤炭，（）：，（）：胡少轩，许兴亮，田素川近距离煤层协同机理对下层煤巷道位置的优化采矿与安全工程学报，（）：，（）：袁文伯，陈进软化岩层中巷道的塑性区与破碎区分析煤炭学报，（）：，（）：（编辑：单婕）第期刘大江，等：晋华宫矿沿空巷道卸压释能耦合让均压支护技术