柔性蓄能支護(hù)防沖技術(shù)應(yīng)用研究

任志新 上官峰 楊歲寒

（1.河南大有能源股份有限公司躍進(jìn)煤礦，河南省義馬市，472300；2.河南大有能源股份有限公司，河南省義馬市，472300）

柔性蓄能支護(hù)防沖技術(shù)應(yīng)用研究

任志新1上官峰1楊歲寒2

（1.河南大有能源股份有限公司躍進(jìn)煤礦，河南省義馬市，472300；2.河南大有能源股份有限公司，河南省義馬市，472300）

躍進(jìn)礦沖擊礦壓屬于典型的底板沖擊礦壓，針對底板沖擊嚴(yán)重巷道單獨采用錨網(wǎng)索支護(hù)防沖效果不好的現(xiàn)象，提出“O”型棚＋錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。運用數(shù)值模擬方法對錨網(wǎng)索支護(hù)和錨網(wǎng)索＋“O”型棚支護(hù)兩種不同支護(hù)方式的底板變形、應(yīng)力分布等進(jìn)行模擬和礦井巷道變形實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測結(jié)果表明，錨網(wǎng)索＋“O”型棚聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)具有抑制沖擊礦壓的作用，適合在具有沖擊礦壓危險的巷道推廣使用。

沖擊礦壓 “O”型棚＋錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù) 數(shù)值模擬 變形監(jiān)測

躍進(jìn)礦沖擊礦壓事故屬于典型的底板沖擊礦壓，主要影響因素包括開采深度、頂板巖層結(jié)構(gòu)和煤巖體的沖擊傾向性等。目前，錨網(wǎng)索支護(hù)一般適合在頂板和兩幫采用，巷道底板采用錨網(wǎng)索支護(hù)的技術(shù)還不成熟，對于底板沖擊嚴(yán)重的巷道單獨采用錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)防沖效果不理想。根據(jù)實際情況，在躍進(jìn)礦沖擊礦壓嚴(yán)重的23130工作面進(jìn)風(fēng)巷決定采用36U型鋼“O”型棚＋錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

1 柔性蓄能支護(hù)體系原理

柔性蓄能支護(hù)防沖結(jié)構(gòu)體系是在沖擊震動巷道圍巖“強(qiáng)－弱－強(qiáng)”結(jié)構(gòu)控制理論的基礎(chǔ)上提出的。具體措施是巷道開挖后采用錨網(wǎng)索支護(hù)形成圍巖的強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提高抗沖擊的能力，充填結(jié)構(gòu)和“O”型棚支護(hù)形成雙重可縮的柔性結(jié)構(gòu)，并對巷道兩幫、底板的高應(yīng)力集中區(qū)域采用爆破、煤層注水和大直徑鉆孔卸壓等設(shè)置弱結(jié)構(gòu)。這樣不但減弱了巷道圍巖的沖擊危險，而且當(dāng)在外界應(yīng)力波擾動（包括爆破、頂板斷裂等）下發(fā)生沖擊礦壓時，弱結(jié)構(gòu)能夠吸收部分應(yīng)變能。雙重可縮性柔性結(jié)構(gòu)也可以發(fā)生變形釋放部分能量，增強(qiáng)巷道的抗沖和防沖能力。柔性蓄能支護(hù)結(jié)構(gòu)防沖原理見圖1。

圖1 圍巖柔性蓄能支護(hù)體系

2 柔性蓄能支護(hù)數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

對采用錨網(wǎng)索支護(hù)和錨網(wǎng)索＋“O”型棚支護(hù)兩種方案進(jìn)行對比。錨網(wǎng)索支護(hù)巷道采用梯形斷面，寬4.5m，巷道中心高4.5m，“O”型棚支護(hù)采用圓形斷面，直徑4.5m。模型寬90m，高110m，煤層厚度取11m，其它參數(shù)以躍進(jìn)煤礦實際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)。錨網(wǎng)索支護(hù)體與“O”型棚之間的充填物采用降低材料強(qiáng)度參數(shù)的方法解決。具體模型見圖2。巷道開挖后，針對兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進(jìn)行對比，為選擇正確的支護(hù)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

圖2 兩種巷道支護(hù)模型

2.2 應(yīng)力分布規(guī)律

兩種支護(hù)方案巷道底板水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布見圖3。

從模擬數(shù)據(jù)結(jié)果看出，錨網(wǎng)索＋“O”型棚聯(lián)合支護(hù)時底板水平應(yīng)力最大值27.50MPa，最小垂直應(yīng)力9.42MPa，應(yīng)力差18.09MPa；錨網(wǎng)索支護(hù)底板水平應(yīng)力最大值32.09MPa，最小垂直應(yīng)力11.07MPa，應(yīng)力差21.02MPa。由于錨網(wǎng)索＋“O”型棚聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的煤壁與“O”型棚之間充填密實，巷道近似為圓型斷面，使圍巖的應(yīng)力分布發(fā)生變化，底板水平應(yīng)力集中程度小于梯形棚支護(hù)的底板水平應(yīng)力，錨網(wǎng)索＋“O”型棚聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在一定程度上具有抑制沖擊礦壓的作用，適合底板沖擊礦壓嚴(yán)重的巷道。

圖3 兩種支護(hù)方案巷道底板應(yīng)力分布

3 工程實例

3.1 巷道變形量監(jiān)測

23130工作面是躍進(jìn)煤礦23采區(qū)下山采區(qū)部分的第三個工作面，工作面進(jìn)風(fēng)巷沿頂板布置，采用梯形斷面，工作面支護(hù)采用了36U型鋼“O”型棚＋錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，巷道設(shè)計寬度5000mm，巷道中心線高度5050mm，頂板布置7根?18mm×1900mm鋼筋樹脂錨桿、3根?17.8 mm×8000mm鋼絞線錨索，上幫布置8根?18 mm×1900mm鋼筋樹脂錨桿，下幫布置7根?18 mm×1900mm鋼筋樹脂錨桿?！癘”型棚直徑5000 mm，厚度150mm，由6節(jié)組成。“O”型棚與煤壁之間充填圓木、袋裝粉煤灰等。為了研究“O”型棚受到?jīng)_擊后的抗沖能力，在23130工作面下巷施工期間設(shè)置12個測點，對頂?shù)装?、兩幫位移量進(jìn)行監(jiān)測，實時掌握巷道的變形量及變形速度。根據(jù)錨網(wǎng)索段1?！?＃測點和“O”型棚段4?！?2＃測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，各測點頂?shù)装?、兩幫平均每日位移量見?。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，巷道頂?shù)装遄冃瘟恳话愦笥趦蓭臀灰屏?，說明底板水平應(yīng)力較大。由于錨網(wǎng)索段距巷道開始位置較近，巷道基本穩(wěn)定，巷道變形量較小，“O”型棚段測點距離巷道工作面較遠(yuǎn)，變形量除個別測點變形量較大，其它測點變形不大。

表1 各測點頂?shù)装?、兩幫平均每日位移?/p>

23130工作面下巷施工期間中部區(qū)段爆破誘發(fā)了5次沖擊礦壓，對沖擊后的沖擊發(fā)生區(qū)域長100m的巷道變形進(jìn)行測量，設(shè)置10個測點，巷道位移見表2，巷道位移變化見圖4。根據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生5次沖擊區(qū)域的“O”型棚發(fā)生明顯的收縮變形，寬度平均變形0.81m，高度平均變形0.83m，總的變形趨勢是頂?shù)装逦灰屏看笥趦蓭臀灰屏?，總的位移量較大。

表2 沖擊區(qū)域位移變化

圖4 沖擊礦壓區(qū)域“O”型棚位移變化

根據(jù)巷道位移監(jiān)測研究說明，發(fā)生沖擊時，錨網(wǎng)索＋“O”型棚支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的收縮變形，但能保持整體結(jié)構(gòu)完好，說明此支護(hù)結(jié)構(gòu)適合在沖擊礦壓危險巷道使用。

3.2 支護(hù)防沖效果

23130進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)期間曾發(fā)生7次由于爆破誘發(fā)的沖擊，尤其是在中部區(qū)域300m的范圍發(fā)生了5次沖擊后，又在此范圍發(fā)生一次能量為2.17×107J的沖擊。沖擊礦壓事故發(fā)生后，巷道變形比較大，“O”型棚節(jié)間搭接部分發(fā)生明顯收縮滑動，最大滑移量達(dá)到1m，除個別區(qū)域的O型棚由于背板不實發(fā)生折斷，大部分“O”型棚整體基本能保持完好，掘進(jìn)期間的沖擊沒有影響施工，沖擊后兩天即恢復(fù)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

錨網(wǎng)索＋“O”型棚聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中的充填體和“O”型棚支護(hù)可形成雙重可縮的柔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)在外界應(yīng)力波擾動（包括爆破、頂板斷裂等）下發(fā)生沖擊礦壓時，雙重可縮性柔性結(jié)構(gòu)發(fā)生變形釋放部分能量，增強(qiáng)了巷道的抗沖和防沖能力。經(jīng)過理論分析和現(xiàn)場實踐說明，錨網(wǎng)索＋“O”型棚復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)值得在具有底板沖擊地壓危險的礦井中推廣應(yīng)用。

［1］ 史煥發(fā)，王守海.軟巖深部聯(lián)合支護(hù)方式研究［J］.中國煤炭，2010（7）

［2］ 曲效成，姜福興，于正興等.基于當(dāng)量鉆屑法的沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報，2011（11）

［3］ 姚精明，閆永業(yè)，李生舟等.煤層沖擊傾向性評價損傷指標(biāo)［J］.煤炭學(xué)報，2011（2）

［4］ 高明仕.沖擊礦壓巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制機(jī)理研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2006

［5］ 賀虎，竇林名，鞏思園等.巷道防沖機(jī)理及支護(hù)控制研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2010（1）

Application of flexible support with energy storage to prevent rock－burst

Ren Zhixin1，Shangguan Feng1，Yang Suihan2
（1.Yuejin Coal Mine of Henan Dayou Energy Company Ltd.，Yima，Henan 472300，China；2.Henan Dayou Energy Company Ltd.，Yima，Henan 472300，China）

The rock－burst of Yuejin Coal Mine belongs to typical rock－burst in floor strata.Aimed at a bad effect of bolt－wire mesh support for the roadways with serious floor outburst，the combined support by“O－shape shed and bolting－wire mesh”was put forward.The numerical simulation was used to study floor deformation，stress distribution and so on under two different supporting systems，and the real－time monitoring was carried out on the roadway deformation.The results showed that the combined support could inhibit the rock－burst and be widely applied to the roadways with rock－burst risk.

rock－burst，combined support by O－shape shed and bolting－wire mesh，numerical simulation，deformation monitoring

TD353.6

B

任志新（1986－），男，河南義馬人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任躍進(jìn)煤礦防沖監(jiān)測科技術(shù)員。

（責(zé)任編輯 張毅玲）