巷道底板沖擊地壓卸支耦合防治技術(shù)研究

史慶穩(wěn)，于海湧,2，藍(lán)　航,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院 北京開(kāi)采研究院 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)

?

巷道底板沖擊地壓卸支耦合防治技術(shù)研究

(1.煤炭科學(xué)研究總院 北京開(kāi)采研究院 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)

[摘要]通過(guò)分析煤礦巷道底板沖擊地壓的破壞特點(diǎn)及其影響因素，提出基于卸支耦合原理的深孔區(qū)間爆破+底板錨注的底板沖擊地壓防治技術(shù)，利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)比分析了底板無(wú)支護(hù)、底板錨注和深孔區(qū)間爆破+底板錨注時(shí)的巷道圍巖應(yīng)力分布及變形特征，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證了深孔區(qū)間爆破+底板錨注的卸支耦合防治技術(shù)對(duì)治理底板沖擊地壓的可行性。結(jié)果顯示，深孔區(qū)間爆破+底板錨注的卸支耦合防治技術(shù)可避免高水平應(yīng)力導(dǎo)致底板淺部圍巖能量集聚，并能有效地控制底板和兩幫變形，從而防止煤礦巷道底板沖擊地壓的發(fā)生。

[關(guān)鍵詞]巷道；底板沖擊地壓；卸支耦合；深孔區(qū)間爆破；錨固注漿

沖擊地壓是世界采礦業(yè)面臨的共同難題。開(kāi)采實(shí)踐表明，沖擊地壓發(fā)生次數(shù)與開(kāi)采深度成顯著正相關(guān)關(guān)系[1]。自2000至2010年10年之間，我國(guó)新增沖擊地壓礦井67個(gè)。2012年，已有142個(gè)沖擊地壓礦井分布在山東、黑龍江、遼寧等近20個(gè)省(市、自治區(qū))[2]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究并在理論以及實(shí)踐方面成果顯著。由于大多數(shù)煤礦巷道底板不采取支護(hù)措施，因此許多礦井在掘進(jìn)和回采過(guò)程中，巷道底板往往發(fā)生十分嚴(yán)重的沖擊地壓。然而，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究多集中于頂板和煤柱型的沖擊[3-6]，而底板作為沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵部位卻沒(méi)有得到足夠的重視。

本文針對(duì)煤礦巷道底板沖擊地壓的破壞特點(diǎn)，提出針對(duì)煤礦巷道底板沖擊地壓的卸支耦合防治技術(shù)并以古山煤礦為工程背景，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法全面論證該技術(shù)措施對(duì)于治理煤礦巷道底板沖擊地壓的可行性。

1底板沖擊地壓的卸支耦合防治技術(shù)數(shù)值模擬

水平應(yīng)力對(duì)煤礦巷道底板型沖擊地壓有著顯著的促進(jìn)作用[7-11]，在水平應(yīng)力作用下，巷道底板淺部圍巖將產(chǎn)生一定范圍的塑性區(qū)，底板塑性區(qū)的存在導(dǎo)致巷道底板抗沖擊能力大為減弱。巷道底板煤巖體中水平應(yīng)力的大小主要取決于水平構(gòu)造應(yīng)力和巷道兩幫支承壓力在泊松效應(yīng)下所產(chǎn)生的附加水平應(yīng)力[12]。

深孔區(qū)間爆破[13]不僅可以降低巷幫及底板煤巖體應(yīng)力集中程度，直接減小底板煤巖體所受軸力大小，減輕底板煤巖體中的泊松效應(yīng)，而且還可以將巷道兩幫和底板中的應(yīng)力峰值位置往煤巖體深部轉(zhuǎn)移，增加發(fā)生沖擊地壓的難度；而巷道底板錨注可提高煤巖體的強(qiáng)度和完整性[14]、改善底板煤巖體的受力環(huán)境，減輕深孔區(qū)間爆破對(duì)底板淺部圍巖的破壞，提高底板淺部圍巖抵抗拉破壞的能力。因而，可以采取深孔區(qū)間爆破+底板錨注的卸支耦合防治技術(shù)對(duì)煤礦巷道底板沖擊地壓進(jìn)行防治。

為分析深孔區(qū)間爆破+底板錨注的卸支耦合防治技術(shù)的作用機(jī)理和效果，以古山煤礦為工程背景，利用FLAC3D分別對(duì)無(wú)底板治理、底板錨注治理、深孔區(qū)間爆破+底板錨注治理等3種不同治理?xiàng)l件下巷道底板穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。為使模擬結(jié)果貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算模型各物理力學(xué)參數(shù)均參考煤巖體實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行賦值。模擬巷道埋深為490m，巷道設(shè)計(jì)為直墻拱形，巷寬3.6m，直墻高度為1.2m。模型采用的各物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　模型巖性參數(shù)對(duì)照

計(jì)算模型采用摩爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型:τf=c+σtanφ；模型寬和高分別為54m，42m，采用不等分劃分，巷道淺部圍巖網(wǎng)格加密，整個(gè)模型共劃分為18944個(gè)計(jì)算單元；模型側(cè)面邊界限制水平移動(dòng)，底面邊界限制垂直移動(dòng)。

1.1底板無(wú)支護(hù)數(shù)值模擬分析

底板無(wú)治理措施時(shí)模型水平應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖1，計(jì)算結(jié)果提取圖見(jiàn)圖2。

圖1　底板無(wú)治理措施時(shí)模型水平應(yīng)力分布云圖

由圖1，圖2可以發(fā)現(xiàn)，沿巷道兩側(cè)底角約45°線處為壓應(yīng)力集中區(qū)，巷道底板圍巖水平應(yīng)力最大達(dá)到5.5MPa，峰值點(diǎn)距離底板表面8～9m，底板淺部圍巖出現(xiàn)了拉應(yīng)力破壞區(qū)，底板表面位移多達(dá)570mm；對(duì)比圖2(b)底板和側(cè)幫表面位移曲線發(fā)現(xiàn)，巷道底板圍巖位移在時(shí)間上先于側(cè)幫位移發(fā)生，說(shuō)明當(dāng)?shù)装鍑鷰r變形達(dá)到一定程度后側(cè)幫變形失穩(wěn)才得以發(fā)生。

圖2　底板無(wú)治理措施時(shí)計(jì)算結(jié)果提取

1.2底板錨注數(shù)值模擬分析

在計(jì)算模型中通過(guò)設(shè)置錨索單元的方法來(lái)模擬底板錨固，每排布置3組組錨，組錨長(zhǎng)12.5m，單組組錨施加預(yù)緊力360kN，全長(zhǎng)錨固。同時(shí)，將模型中底板注漿區(qū)域圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角適當(dāng)增大來(lái)模擬注漿加固的效果。圖3，圖4分別為錨注后圍巖水平應(yīng)力分布云圖和計(jì)算結(jié)果提取圖。

圖3　錨注后水平應(yīng)力分布

圖4　錨注后底板計(jì)算結(jié)果提取

對(duì)比圖3和圖1可見(jiàn)，采取錨注措施后底板圍巖拉應(yīng)力區(qū)基本消失，圍巖受力狀態(tài)得到改善；觀察圖4(b)發(fā)現(xiàn)，錨注后巷道底板表面位移最大為370mm，相比不采取底板治理措施降幅為35%；然而，對(duì)比圖4(a)和圖2(a)可知，錨注使得底板水平應(yīng)力峰值更加接近底板臨空面，約為5～6m，顯然這是不利于沖擊地壓的防治的。

1.3深孔區(qū)間爆破+底板錨注數(shù)值模擬分析

巷道圍巖內(nèi)卸壓爆破作用發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部，除形成爆炸空腔外，自爆源中心向外依次形成壓縮粉碎區(qū)、破裂區(qū)和震動(dòng)區(qū)，其中卸壓范圍主要包括壓縮粉碎區(qū)、破裂區(qū)[15-16]，在計(jì)算模型中將破裂區(qū)半徑取為2.5m，按照深孔區(qū)間爆破原理，爆破所致的破裂區(qū)位置如圖5所示，破裂區(qū)域采用強(qiáng)度弱化的方法進(jìn)行模擬，注漿區(qū)域參數(shù)選取同底板錨注對(duì)應(yīng)參數(shù)。

圖5　破裂區(qū)域位置示意

計(jì)算后得到深孔區(qū)間爆破+底板錨注后巷道圍巖水平應(yīng)力的分布云圖見(jiàn)圖6，分析底板圍巖水平應(yīng)力分布特征和側(cè)幫、底板表面位移變化規(guī)律后可知，采取深孔區(qū)間爆破+底板錨注的卸支耦合措施后，巷道底板水平應(yīng)力峰值相比不采取治理措施降低了23%，峰值點(diǎn)距離底板表面16～17m，相比不采取治理措施往深部轉(zhuǎn)移約8m；巷道底板最大位移為275mm，相比不采取治理措施降幅為51%，相比采取單純的錨注措施其降幅為26%，明顯降低了底板沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性。

圖6　深孔區(qū)間爆破+底板錨注后巷道圍巖水平應(yīng)力分布

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析可知，單純的底板錨注可實(shí)現(xiàn)“堵”的效果，能夠?qū)Φ装鍑鷰r施加支護(hù)反力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，避免出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，與此同時(shí)卻也增強(qiáng)了底板圍巖的儲(chǔ)能條件，導(dǎo)致底板圍巖水平應(yīng)力峰值上移；深孔區(qū)間爆破可實(shí)現(xiàn)“疏”的效果，減弱側(cè)幫支承壓力對(duì)底板的影響；而采用深孔區(qū)間爆破+底板錨注的卸支耦合防治技術(shù)，可避免高水平應(yīng)力導(dǎo)致底板淺部圍巖能量集聚，并能有效地控制底板和兩幫變形，防止巷道底板沖擊地壓的發(fā)生。

2卸支耦合防治底板型沖擊地壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

平莊煤業(yè)古山煤礦為內(nèi)蒙古自治區(qū)首個(gè)沖擊地壓礦井，開(kāi)采深度約400～500m，煤層上覆頂板巖層為輝綠巖侵入體，厚度220m左右。自2010年以來(lái)，該礦沖擊地壓災(zāi)害日益凸顯，且以發(fā)生在底板的沖擊破壞最為嚴(yán)重。依據(jù)上述底板型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，針對(duì)古山礦三井膠帶下山+94聯(lián)絡(luò)巷的具體地質(zhì)條件，采用卸支耦合的原理對(duì)聯(lián)絡(luò)巷底板進(jìn)行深孔區(qū)間爆破+底板錨注試驗(yàn)。

深孔區(qū)間爆破方案見(jiàn)圖7。參照古山煤礦鉆屑法數(shù)據(jù)，兩幫應(yīng)力峰值距離煤壁約10m，因此兩幫炮孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為13m。爆破采用礦用三級(jí)乳化炸藥，幫部孔藥量為12kg，底板孔藥量為16kg，正向裝藥，雙雷管起爆，采用“孔內(nèi)并聯(lián)、孔間串聯(lián)”的連線方式，深孔區(qū)間爆破具體爆破參數(shù)見(jiàn)表2[15]。

圖7　試驗(yàn)區(qū)域深孔區(qū)間爆破方案

位置孔深/m與巷道軸線夾角/(°)仰(俯)角/(°)裝藥量/kg裝藥長(zhǎng)度/m封孔長(zhǎng)度/m幫部13905122.810底板1490-45163.710

深孔區(qū)間爆破完成后即對(duì)巷道底板進(jìn)行錨注加固。首先對(duì)底板進(jìn)行淺部6m預(yù)注漿，為施工組合錨索孔和深孔注漿承壓創(chuàng)造條件。待7～10d漿液凝固后，施工錨索孔并依次注漿、安裝特制錨索、鋪設(shè)底梁進(jìn)行錨固。底板錨索孔孔深12.5m，錨索預(yù)緊力不小于360kN。底板錨索及底梁采用“五花”式布置，見(jiàn)圖8。

試驗(yàn)完成后，分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)和對(duì)比區(qū)進(jìn)行巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)，詳細(xì)記錄觀測(cè)結(jié)果并繪制巷道圍巖移近量變化曲線，見(jiàn)圖9。

圖9　+94膠帶大巷圍巖移近量變化曲線

由圖9(a)可知，觀測(cè)初期巷道底板快速收斂，在48d后達(dá)到穩(wěn)定，移近量約460mm。左右兩幫移近速度略小于底板，然而其調(diào)整周期較長(zhǎng)，最大移近量也大于底板，約為520mm。由圖9(b)可知，在觀測(cè)期間，采取深孔區(qū)間爆破+錨注后巷道底板和兩幫移近量分別比不采取治理措施時(shí)減小了320mm和350mm，降幅分別為70%和68%。且巷道底板變形經(jīng)過(guò)約24d即開(kāi)始趨緩，后期不再有較大變形，調(diào)整周期大為縮短。

從監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，深孔區(qū)間爆破+底板錨注防治技術(shù)可有效控制巷道底板和兩幫的變形，從而防止了巷道底板沖擊地壓的發(fā)生。

3結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，單純的底板錨注可避免巷道底板出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，與此同時(shí)，底板錨注使巷道底板中水平應(yīng)力峰值的深度由8～9m轉(zhuǎn)移至5～6m，不利于底板沖擊地壓的控制；而采取深孔區(qū)間爆破+底板錨注防治措施則在降低底板水平應(yīng)力大小的同時(shí)將其峰值往深部轉(zhuǎn)移了約8m，有效降低了巷道底板圍巖的沖擊危險(xiǎn)性。

(2)對(duì)古山礦三井膠帶下山+94聯(lián)絡(luò)巷的井下試驗(yàn)表明，采取深孔區(qū)間爆破+底板錨注的卸支耦合防治技術(shù)后，縮短了巷道圍巖變形調(diào)整周期，巷道底板和兩幫移近量分別比不采取治理措施時(shí)減小了70%和68%，能夠滿足巷道正常的功能需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道底板沖擊地壓的有效控制。

[參考文獻(xiàn)]

[1]藍(lán)航，齊慶新，潘俊鋒，等.我國(guó)煤礦沖擊地壓特點(diǎn)及防治技術(shù)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(1)：11-15.

[2]齊慶新，康立軍，毛德兵，等．我國(guó)沖擊地壓現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[A]．采礦工程學(xué)新論——北京開(kāi)采所研究生論文集[C].2005.

[3]齊慶新，竇林名．沖擊地壓理論與技術(shù)[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[4]KARJCINOVIC D．Statistical aspects of the continuous damage theory[J].International Journal of Solids and Structures，1982，18(7)：551-562.

[5]高明仕，竇林名，張農(nóng)，等．沖擊礦壓巷道圍巖控制的強(qiáng)弱強(qiáng)力學(xué)模型及其應(yīng)用分析[J]．巖土力學(xué)，2008，29(2)：426-430.

[6]李浩蕩，藍(lán)航，杜濤濤，等．寬溝煤礦堅(jiān)硬厚層頂板下沖擊地壓危險(xiǎn)時(shí)期的微震特征及解危措施[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(1)：6-11.

[7]陳學(xué)華．構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓發(fā)生條件研究[D]．阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，2004.

[8]陳國(guó)祥．最大水平應(yīng)力對(duì)沖擊礦壓的作用機(jī)制及其應(yīng)用研究[D]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，2009.

[9]王本強(qiáng)．構(gòu)造應(yīng)力下堅(jiān)硬底板沖擊地壓機(jī)理分析[J]．煤炭科技，2009(1)：79-83.

[10]姜福興，苗小虎，王存文，等．構(gòu)造控制型沖擊地壓的微地震監(jiān)測(cè)預(yù)警研究與實(shí)踐[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2010，35( 6)：900-903.

[11]徐方軍，毛德兵．華豐煤礦底板沖擊地壓發(fā)生機(jī)理分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(4)：41-43.

[12]潘俊鋒.半孤島面全煤巷道底板沖擊啟動(dòng)原理分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，36(2)：332-338.

[13]潘俊鋒，寧宇，秦子晗，等.基于沖擊啟動(dòng)理論的深孔區(qū)間爆破疏壓技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(7)：1414-1421.

[14]羅金滿.煤巖體防滲堵水加固漿液試驗(yàn)及應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[15]劉少虹.動(dòng)載沖擊地壓機(jī)理分析與防治實(shí)踐[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2013.

[16]劉少虹.動(dòng)靜加載下組合煤炭破壞失穩(wěn)的突變模型和混沌機(jī)制[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(2)：292-300.

[17]吳玉文，王書(shū)文.爆破卸壓關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沖擊危險(xiǎn)性變化趨勢(shì)的影響規(guī)律[J].煤礦開(kāi)采，2012，17(1)：79-82.

[18]代長(zhǎng)春，桂兵，吳學(xué)新.深孔爆破卸壓技術(shù)在沖擊地壓防治中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2009，28(6)：54-55

[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Research on Coupling Prevention Technology of Rock Burst in Roadway Floor

SHI Qing-wen1，YU Hai-yong1,2，LAN Hang1,2

(1.Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science& Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：By analysis broken characters and influence elements of rock burst in roadway floor，prevention technology that include sectional blasting in deep hole and bolt-grouting of floor rock burst was put forward on the basis of release and supporting coupling theory.Detailed numerical model was conducted with FLAC3Dto evaluate the characters of surrounding rock stress distributions and deformation in different supporting methods，which include non supporting in floor，bolt-grouting in floor，sectional blasting in deep hole and bolt-grouting in floor.The feasibility of floor rock burst prevention technology was validated by filed test.The results showed that the prevention technology could decreased energy accumulation in shallow position of floor，which induced by high stress，floor heave and two sides convergence could be controlled effectively，and then rock burst in floor would be prevented.

Keywords：roadway；rock burst in floor；release and support coupling；sectional blasting in deep hole；anchor and grouting

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD324.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)01-0093-04

[作者簡(jiǎn)介]史慶穩(wěn)(1989-)，男，山東鄄城人，在讀碩士研究生，主要從事煤礦沖擊地壓理論與防治技術(shù)研究。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304116)；天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-05)

[收稿日期]2015-09-25

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.025

[引用格式]史慶穩(wěn)，于海湧，藍(lán)航.巷道底板沖擊地壓卸支耦合防治技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(1)：93-96.