高應(yīng)力高瓦斯作用下煤巷防沖技術(shù)探析

郭海洋 董洪濱

(河南能源義煤集團(tuán)耿村煤礦,河南澠池 472431)

高應(yīng)力高瓦斯作用下煤巷防沖技術(shù)探析

郭海洋 董洪濱

(河南能源義煤集團(tuán)耿村煤礦,河南澠池 472431)

深井煤巷高瓦斯、高應(yīng)力的存在會加速圍巖分區(qū)破裂化,造成應(yīng)力集中和彈性能的集聚,文章分別分析了高瓦斯、高應(yīng)力對巷道圍巖變形破壞的影響,并介紹了一種二者共同作用下煤巷的防沖技術(shù),望對相關(guān)工作實施有所借鑒。

高瓦斯 高應(yīng)力 煤巷 防沖

深部開采所面臨的一個重要問題就是動力災(zāi)害嚴(yán)重，尤其是沖擊地壓，進(jìn)入深部開采以后，圍巖應(yīng)力和瓦斯含量直線增加，而且由于高應(yīng)力對圍巖的影響，圍巖大多處于壓閉狀態(tài)，瓦斯集中在煤巖體中，瓦斯壓力升高，煤巖體中集聚了大量的能量，一旦受到采掘活動的影響，達(dá)到某種條件，煤巖體中所集聚的能量就會瞬間釋放，能量吸收和釋放不均衡，便會發(fā)生沖擊地壓等類似動力災(zāi)害。

1 深井煤巷

巷道煤巖體同時具有彈性和塑形的物力力學(xué)性質(zhì)，并且很容易受到高瓦斯與高應(yīng)力的影響，這些都是直接誘導(dǎo)沖擊地壓發(fā)生的本質(zhì)條件。

1.1 高瓦斯對巷道圍巖變形的影響

瓦斯在煤巖體中的存在形態(tài)有兩種，即游離態(tài)和吸附態(tài)，兩種形態(tài)在煤巖體中可以相互轉(zhuǎn)化，處于動態(tài)平衡之中，并且會以力學(xué)和非力學(xué)的形式作用于煤巖體。游離態(tài)的瓦斯在煤巖體中產(chǎn)生瓦斯壓力，瓦斯壓力與煤巖體對瓦斯的影響是雙向的，而且瓦斯?fàn)顟B(tài)對煤巖體的狀態(tài)變化非常敏感，僅僅是微小的變化也能使瓦斯產(chǎn)生劇烈的影響，進(jìn)而瓦斯對煤巖體也會直接產(chǎn)生力學(xué)與非力學(xué)的影響。

巷道開挖必然引起應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此集中應(yīng)力一旦超過巷道圍巖的承受極限，巷道就會發(fā)生破壞，巷道圍巖大多是以層裂結(jié)構(gòu)的形式破壞，產(chǎn)生分區(qū)破裂，除高應(yīng)力作用以外，瓦斯在其中也扮演了重要的角色，瓦斯對巷道圍巖的破壞有兩個方面，低瓦斯壓力的開裂作用，高瓦斯壓力的高壓突出。巷道圍巖的分區(qū)破裂現(xiàn)象類似沖擊地壓發(fā)生時的圍巖破壞，所以說分區(qū)破裂為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

1.2 高應(yīng)力對圍巖巷道變形的影響

高應(yīng)力是深部礦井的一大特點，圍巖應(yīng)力的增加和應(yīng)力集中加速了圍巖的變形，初期變形較快，此后慢慢衰減直至達(dá)到平衡，并且深部巷道圍巖具有較強(qiáng)的流變性，巷道圍巖在高應(yīng)力的作用下破壞形成了松動區(qū)和塑形區(qū)，這是圍巖分區(qū)破裂化的一種表現(xiàn)。深井圍巖對應(yīng)力擾動特別敏感，受到采掘擾動后會破壞巷道圍巖所形成的暫時平衡狀態(tài)，較之前次圍巖變形破壞會更加劇烈，再次達(dá)到穩(wěn)定需要更長的時間。沖擊地壓的發(fā)生一主要表現(xiàn)特征就是能量的突然釋放，受深部礦井的高應(yīng)力的影響，圍巖中集聚大量的能量，為沖擊地壓的發(fā)生提供了根本的能量條件，較淺部礦井，其發(fā)生頻率和強(qiáng)度都大大增加。

1.3 高應(yīng)力、高瓦斯參與的沖擊地壓的機(jī)理

高應(yīng)力、高瓦斯作用下使得煤壁出現(xiàn)層裂結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使煤巖體失穩(wěn)，這是沖擊地壓發(fā)生的根源之一。結(jié)合煤巖體的變形破壞特征，總結(jié)了高應(yīng)力、高瓦斯參與的沖擊地壓的機(jī)理，高瓦斯以力學(xué)和非力學(xué)的形式作用于煤巖體，改變煤巖體結(jié)構(gòu)，促使裂隙的發(fā)展，降低圍巖的強(qiáng)度，同時高應(yīng)力的作用加速圍巖分區(qū)破裂，二者相互促進(jìn)，共同作用之下會大大加速煤巖體的破壞，造成應(yīng)力集中和彈性能的集聚，為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了良好的條件。

2 深井沖擊地壓煤巷防治技術(shù)

深井煤巷沖擊地壓防治可通過巷道圍巖全斷面錨注支護(hù)+深孔卸壓爆破的手段。

(1)錨注支護(hù)的作用可以概括以下幾個方面：首先錨注可以封閉圍巖裂隙，改變圍巖力學(xué)特性，提高煤巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩檫角，使圍巖形成一個整體，增加自身的承載能力，其次注漿封閉的圍巖還可以隔絕水源和空氣對煤巷的侵蝕、風(fēng)化，間接的保護(hù)了煤巖體的承載能力。其次，錨桿支護(hù)具有一定的柔性，可吸收一定的圍巖變形，在承受一定沖擊力的情況下，還具有較強(qiáng)的承載能力。再者，全斷面錨注支護(hù)可改變圍巖受力狀態(tài)，使破碎圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)又恢復(fù)了原先的三向應(yīng)力狀態(tài)，還能夠補(bǔ)強(qiáng)幫角、底角等關(guān)鍵部位。最后，錨注支護(hù)所注入的漿液可以充填瓦斯或應(yīng)力破壞所留下的裂隙，較少彈性能的集聚，減緩沖擊地壓的發(fā)生。

(2)在全斷面錨注支護(hù)的基礎(chǔ)上結(jié)合深孔卸壓爆破，在巷道圍巖深處進(jìn)行卸壓爆破，使圍巖破裂，釋放周圍瓦斯和集聚的彈性能，轉(zhuǎn)移巷道高應(yīng)力，減小卸壓爆破區(qū)域圍巖的強(qiáng)度，并且在受到外界沖擊地壓的情況下，經(jīng)過卸壓爆破的圍巖能夠充當(dāng)柔性層，吸收一定的沖擊能量，減少到達(dá)巷道支護(hù)的能量。這樣巷道錨注支護(hù)+卸壓爆破區(qū)域+深部圍巖骨架組成強(qiáng)弱強(qiáng)的大結(jié)構(gòu)，從而減緩或防治沖擊地壓的發(fā)生。

2.1 力學(xué)角度分析支護(hù)效果

深孔爆破會改變圍巖內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，迫使高應(yīng)力向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，并且爆破所產(chǎn)生的裂隙也為瓦斯的轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了條件，使得高瓦斯原理巷道表面，容易被排放，減少瓦斯對煤巖體的破壞，同時巷道的全斷面注漿加固，使得巷道開挖所造成的圍巖破碎重新膠結(jié)形成一個統(tǒng)一的整體，提高圍巖的強(qiáng)度和自身的承載能力，降低巷道發(fā)生沖擊礦壓的可能性。

2.2 能量角度分析支護(hù)效果

由沖擊礦壓的能量理論可以知道，沖擊礦壓的發(fā)生是圍巖集聚的大量彈性能瞬間釋放所造成的圍巖大規(guī)模破壞，深孔爆破能夠釋放圍巖所集聚的高應(yīng)力能量，使得高應(yīng)力向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，并且爆破過程也會消耗一部分的彈性能。其次，深孔爆破形成的區(qū)域，強(qiáng)度低，有一定的柔性，在受到外部能量沖擊的過程中，能夠吸收一部分能量，到達(dá)巷道支護(hù)表面的能量就會大大減少，并且錨注支護(hù)的圍巖也會消耗一部分的能量，沖擊能量被陸續(xù)削弱之后，所剩下的能量基本上不會對巷道產(chǎn)生破壞，從能量角度分析該支護(hù)能夠達(dá)到支護(hù)效果。

3 結(jié)語

深部開采的地質(zhì)條件更加復(fù)雜，沖擊地壓的預(yù)測與防治更加困難，尤其是在高瓦斯、高應(yīng)力雙高作用下的煤層巷道，沖擊地壓防治重點在于轉(zhuǎn)移或釋放高應(yīng)力和改變巷道圍巖的物理力學(xué)特性，巷道圍巖全斷面錨注支護(hù)+深孔卸壓爆破就是基于兩者基礎(chǔ)上理論提出的局部防突措施，實際應(yīng)用有待進(jìn)一步考證。

[1]郭建軍,鄭吉玉.高瓦斯煤層沖擊地壓防止技術(shù)探討[J]煤,2012(154)：57-60.

[2]黃浩,陳清國,秦奮,蔡成佩.煤體卸壓爆破技術(shù)在沖擊地壓區(qū)的應(yīng)川[J].煤礦安全,2008,55(4)：57-60.

郭海洋,男,(1983.05—),河南淮陽人,畢業(yè)于河南理工大學(xué),研究方向：礦井沖擊地壓。