巷道內(nèi)強主動支護與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)機制

高明仕，賀永亮，陸菜平，邵 軒，楊 征

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.河南大有能源股份有限公司 常村煤礦，河南 三門峽 472400; 4.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

沖擊地壓是影響煤礦安全高效開采最嚴重的動力災(zāi)害之一，隨著煤礦開采深度不斷增加，沖擊地壓危害越來越嚴重[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，發(fā)生在巷道內(nèi)的沖擊地壓事故占沖擊地壓總數(shù)的90.8%[2]?，F(xiàn)有的沖擊地壓巷道支護體系僅從支護角度進行設(shè)計，未考慮動靜載能量的吸收和轉(zhuǎn)移，巷道防沖主要是開采保護層、鉆孔卸壓、爆破卸壓等措施，卸壓的同時有可能使巷道的支護體系遭到破壞。卸壓技術(shù)對控制巷道變形及沖擊地壓防治在短期內(nèi)效果顯著，隨著服務(wù)年限的增加，應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中弱化了巷道圍巖強度，使巷道穩(wěn)定性下降。沖擊區(qū)域巷道內(nèi)強主動支護與卸壓防沖的矛盾無法協(xié)調(diào)解決，不能同時滿足沖擊地壓巷道的支護與防沖要求。

近幾年，一些研究人員開始改變支護方式和支護材料研究沖擊地壓巷道的支護?？导t普等[3]研究了高沖擊韌性錨桿(索)的力學性能，將高沖擊韌性錨桿(索)作為支護材料應(yīng)用于沖擊地壓巷道，有效控制了沖擊巷道變形。何滿潮等[4]研究恒阻大變形錨桿(索)，分析了恒阻大變形錨桿(索)的解析模型，并成功應(yīng)用于沖擊地壓巷道支護，取得較好效果。楊仁樹等[5]提出了錨桿、錨索、槽鋼梁、噴射混凝土、U型鋼聯(lián)合支護方案，解決了高應(yīng)力軟巖巷道支護，有效控制高應(yīng)力軟巖巷道變形。潘一山等[6]提出了高強度巷道液壓支架、防沖吸能液壓支架、金屬支架-泡沫鋁聯(lián)合支護用于沖擊地壓巷道支護。張農(nóng)等[7]研究了“卸壓-錨固”沿空留巷控制機理，實現(xiàn)了巷道卸壓后大間排距主動控制，取得較好效果。劉軍、徐學鋒等[8-9]研究了封閉剛?cè)嵛苤ёo沖擊地壓巷道。王猛等[10]分析了深部鉆孔卸壓巷道規(guī)律、巷道弱化特征，得出卸壓同時增加了巷道圍巖的破碎程度。趙同彬等[11]實現(xiàn)了卸壓后巷道支護強度計算，現(xiàn)場試驗表明卸壓后支護強度明顯降低。支護材料和支護方式的發(fā)展極大推動了沖擊地壓巷道支護技術(shù)的改革，但從現(xiàn)場應(yīng)用及實際效果看，巷道圍巖內(nèi)部卸壓防沖破壞了巷道支護結(jié)構(gòu)，使巷道支護強度明顯減弱，沖擊地壓巷道支護與卸壓無法同時滿足，不能有效控制巷道圍巖變形，沖擊地壓巷道內(nèi)強主動支護與卸壓防沖的矛盾有待深入研究和解決。

筆者依據(jù)“強弱強”結(jié)構(gòu)模型[12]，提出錨桿(索)主動支護+液壓抬棚減跨強力支護+弱結(jié)構(gòu)吸能技術(shù)支護方案，研究了反復掏裂形成弱結(jié)構(gòu)技術(shù)，協(xié)調(diào)解決了沖擊地壓巷道內(nèi)強主動支護與卸壓防沖的矛盾，提高了沖擊地壓巷道支護與卸壓效果。

1 巷道情況

1.1 工程地質(zhì)

義馬常村煤礦21170運輸巷埋深780 m，巷道直接頂和基本頂主要為泥巖，泥巖厚度大，易風化破碎，直接底為煤矸互疊層或炭質(zhì)泥巖，遇水易膨脹，基本底為黏土巖砂巖互層。受上覆巖層中巨厚礫巖層的存在和F16斷層的影響，地應(yīng)力、采動應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力的疊加造成局部應(yīng)力高度集中，煤體中聚集的高彈性能在釋放過程中經(jīng)常發(fā)生煤炮或沖擊破壞。21170工作面示意圖及煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 21170工作面示意及煤層柱狀圖Fig.1 21170 working face schematic diagram and coal seam histogram

1.2 巷道原支護及破壞特征

21170運輸巷沿煤層底板掘進，巷道斷面采用斜墻三心拱斷面，寬×高=6 900 mm×4 050 mm，原支護設(shè)計如圖2所示。一級支護:巷道頂板、兩幫采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等主動支護；二級支護:錨網(wǎng)后架棚，棚距1 200 mm，支架后頂預留300 mm空間，背設(shè)主動承壓，兩幫讓壓300 mm；三級支護:支架后順巷道中心打一道連續(xù)液壓抬棚加強支護。

圖2 21170運輸巷原支護斷面Fig.2 Cross section of 21170 roadway original support

因防沖工作需要在巷道圍巖幫部施工大直徑卸壓深孔，卸壓鉆孔參數(shù):直徑110 mm，深度25 m，間距2.0 m。根據(jù)礦方資料及巷道表面位移原始記錄，卸壓鉆孔施工后，巷道表面位移變化較大，造成了巷道嚴重變形破壞，整個斷面幾乎閉合，防沖鉆孔極大破壞了巷道幫部煤體的完整性，生產(chǎn)無法正常進行。造成了沖擊地壓巷道支護與卸壓間的矛盾。21170運輸巷破壞如圖3所示。

圖3 巷道破壞Fig.3 Roadway failure diagram

2 沖擊區(qū)域巷道強弱強結(jié)構(gòu)控制模型

2.1 強弱強結(jié)構(gòu)

強弱強結(jié)構(gòu)控制模型以開挖巷道為中心，由近及遠依次將巷道周圍煤巖體分為內(nèi)強小結(jié)構(gòu)、中間弱結(jié)構(gòu)和外強大結(jié)構(gòu)。內(nèi)強小結(jié)構(gòu)為巷道圍巖支護結(jié)構(gòu)體，即巷道支護層，用于支護巷道穩(wěn)定;中間弱結(jié)構(gòu)為消波吸能區(qū)，經(jīng)過致裂破碎形成的松散煤巖體，用于吸收沖擊地壓震源所產(chǎn)生的能量;外強大結(jié)構(gòu)即穩(wěn)定層，由未經(jīng)開采擾動的原巖體組成。強弱強結(jié)構(gòu)中內(nèi)強小結(jié)構(gòu)、中間弱結(jié)構(gòu)和外強大結(jié)構(gòu)每一個結(jié)構(gòu)在沖擊地壓巷道的支護、防沖作用中具有不同的作用。沖擊地壓巷道強弱強結(jié)構(gòu)控制模型如圖4所示。

2.2 強弱強結(jié)構(gòu)消波吸能特性分析

2.2.1內(nèi)強小結(jié)構(gòu)能量準則

沖擊區(qū)域巷道破壞是煤巖體集聚的能量釋放失穩(wěn)的過程，巷道失穩(wěn)是積聚在煤巖體的能量突然釋放[13]。沖擊區(qū)域巷道煤巖體破壞的最小能量Emin為

(1)

式中，σc為煤巖體的單軸抗壓強度;E為煤巖體的彈性模量。

巷道在煤巖體中集聚的能量E0為

(2)

式中，σ1，σ2，σ3為煤巖體3個主應(yīng)力;ν為煤巖體泊松比。

強弱強結(jié)構(gòu)分析示意圖如圖5所示，圖中，r為巷道半徑，m;rx為巷道中心到內(nèi)強小結(jié)構(gòu)距離，m;rd為巷道中心到弱結(jié)構(gòu)的距離，m;h為巷道埋深，m;t為巷道圍巖承載拱厚度，m；數(shù)字“1，2，3，4”為在無沖擊狀態(tài)下，巷道圍巖周邊的應(yīng)力重新分布，應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，由圖5中的曲線1和曲線2轉(zhuǎn)移到弱結(jié)構(gòu)外的曲線3和曲線4。假設(shè)沖擊震動源的能量為Ed，沖擊波在煤巖體的傳播過程中逐漸衰減，衰減后的能量Edh為

Edh=Edh-η

(3)

式中，h=d-r為震源到巷幫的距離,d為震源到巷道中心點的距離，m;η為衰減系數(shù)。

圖5 強弱強結(jié)構(gòu)分析示意Fig.5 Strong-Soft-Strong structure analysis

沖擊區(qū)域巷道煤巖體的能量Ez為

Ez=Edh+E0

(4)

沖擊區(qū)域巷道煤巖體殘余能量Er為

Er=Ez-Ex=Edh+E0-Ex

(5)

式中，Ex為巷道開挖擴修耗散能量。

沖擊區(qū)域巷道破壞能量準則為:Er>Emin。

此時，剩余的殘余能量以動能、巷道支護體振動失效或巷幫圍巖較大位移形式顯現(xiàn)出來，造成了巷道圍巖的破壞。

2.2.2弱結(jié)構(gòu)吸能效應(yīng)

① 弱結(jié)構(gòu)塊體松散吸能E1。動載沖擊波在致裂的煤巖體中傳播比在致密煤巖體傳播所用時間長，導致沖擊波波速降低，振動波速也降低，從而沖擊能量減少。② 致裂煤巖體旋轉(zhuǎn)吸能E2。動載沖擊波在致裂煤巖體的破碎區(qū)域傳播，使致裂破碎煤巖體發(fā)生反轉(zhuǎn)與移動，將沖擊能量轉(zhuǎn)化為致裂破碎煤巖體的動能，從而使沖擊動能較小。③ 空間散射吸能E3。煤巖體致裂形成的破碎區(qū)域，動載沖擊波在傳播時向四周破碎區(qū)域散射，在松散區(qū)域不斷擴展，使動載沖擊波的強度降低。④ 破碎圍巖反射吸能E4。動載沖擊波在致裂破碎區(qū)域傳播，與破裂煤巖體發(fā)生反射與透射現(xiàn)象，經(jīng)反射后，透射后的動載沖擊波將減少，同時波會發(fā)生彌散，因此，動載沖擊波向巷道傳播的沖擊能減少。綜上，致裂煤巖體形成的弱結(jié)構(gòu)區(qū)域吸能總量為Ep=E1+E2+E3+E4。根據(jù)能量守恒原理，動載沖擊波經(jīng)致裂煤巖體形成的弱結(jié)構(gòu)進入內(nèi)強小結(jié)構(gòu)，動載沖擊能將轉(zhuǎn)化為內(nèi)強小結(jié)構(gòu)的動能及彈性能、弱結(jié)構(gòu)的吸收能。由于內(nèi)強小結(jié)構(gòu)動能將沿著巷道圍巖破壞巷道支護結(jié)構(gòu)，弱結(jié)構(gòu)的吸收能越大，傳遞到內(nèi)強小結(jié)構(gòu)的動能越小，巷道越穩(wěn)定。

Er-Ep

(6)

若式(6)滿足，弱結(jié)構(gòu)設(shè)置時機合適，衰減指數(shù)增加，沖擊殘余能量被吸收，傳遞到內(nèi)強小結(jié)構(gòu)剩余能量足夠小，對巷道不足以造成破壞，巷道支護穩(wěn)定。

3 內(nèi)強主動支護與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)機制

3.1 弱結(jié)構(gòu)卸壓破碎區(qū)因素分析

致裂鉆孔周圍在無鋼管作用下反復致裂形成破碎區(qū)，設(shè)鉆孔半徑為a，反復致裂形成破碎區(qū)半徑為b，假設(shè)鉆孔附近煤體為各向同性介質(zhì)，鉆孔周圍致裂破碎區(qū)由塑性區(qū)到彈性區(qū)，其中彈性區(qū)不發(fā)生損傷，如圖6所示，根據(jù)鉆孔破碎區(qū)的力學特征推導中間弱結(jié)構(gòu)[14-15]。

圖6 致裂區(qū)分析Fig.6 Broken zone analysis diagram

摩爾-庫倫準則:

(7)

微分方程:

(8)

由邊界條件得:

(σr)r=a=0

(9)

式中，σr為鉆孔徑向應(yīng)力;σθ為鉆孔切向應(yīng)力;φp為內(nèi)摩擦角;cp為黏聚力;a為鉆孔半徑。

3.1.1破碎區(qū)

一次致裂徑向應(yīng)力σ′r1及切向應(yīng)力σ′θ1為

(10)

(11)

二次致裂徑向應(yīng)力及切向應(yīng)力為

(12)

(13)

式中，μ1為第2次致裂半徑修正系數(shù)，μ1=1.1～1.2。

n次致裂徑向應(yīng)力σ′rn及切向應(yīng)力σ′θn為

(14)

(15)

式中，μn-1為第n次致裂半徑修正系數(shù)，μn-1=1.1～1.8，n≥2。

在r=b處:

(16)

3.1.2塑性區(qū)

塑性區(qū)的徑向應(yīng)力σ″r及切向應(yīng)力σ″θ為

(17)

(18)

式中，Rp為塑性區(qū)半徑;λ為降模量。

在破碎區(qū)與塑性區(qū)交界處r=b時，σ″θ(b)=mσ″r(b)，得

(19)

3.1.3彈性區(qū)

彈性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力σ″r及切向應(yīng)力σ″θ為

(20)

(21)

式中，Re為彈性區(qū)半徑。

塑性區(qū)與彈性區(qū)Re=Rp時，得

(22)

由式(16)，(19)和(22)可得

(23)

多次反復致裂半徑b與鉆孔半徑a、初始應(yīng)力σ0、內(nèi)摩擦角φp、彈性模量E、降模量λ、峰值強度σc和致裂半徑修正系數(shù)μn-1有關(guān)。致裂半徑修正系數(shù)μn-1是指破碎區(qū)半徑在一次致裂后，由于地應(yīng)力、巖體性質(zhì)及致裂技術(shù)等原因造成的破碎區(qū)半徑與理論值之間的偏差。鉆孔在巷道高應(yīng)力下進行反復掏裂，使周圍的煤巖體破裂，形成中間弱結(jié)構(gòu)，達到吸收高應(yīng)力的效果，實現(xiàn)巷道穩(wěn)定。

3.2 內(nèi)置鋼管支撐護壁技術(shù)

巷道圍巖的強度和支護體的結(jié)構(gòu)對沖擊巷道支護有重要影響，鉆孔、爆破等巷道內(nèi)卸壓是最常用的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)，在轉(zhuǎn)移巷道應(yīng)力的同時對巷道圍巖的強度和支護體結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生一定的破壞，不利于沖擊巷道內(nèi)強主動支護的穩(wěn)定。通過數(shù)值模擬分析了內(nèi)強小結(jié)構(gòu)內(nèi)置鋼管支撐護壁技術(shù)對巷道圍巖的強度和支護體結(jié)構(gòu)完整性控制效果以及周圍煤巖體的應(yīng)力、位移的破壞規(guī)律。

根據(jù)義馬常村煤礦21170運輸巷煤層地質(zhì)條件進行簡化，采用有限元FLAC3D對煤體內(nèi)置鋼管護壁效果進行模擬，分析鋼管對煤層中內(nèi)強小結(jié)構(gòu)的保護作用，模型尺寸為60 m×10 m×50 m，采用摩爾-庫侖準則，中間弱結(jié)構(gòu)致裂鉆孔直徑為110 mm，水平、底邊界約束位移，上邊界施加17.5 MPa荷載。

圖7 模型計算Fig.7 Numerical models

鋼管體采用線彈性本構(gòu)模型，彈性模量E=210 GPa，壁厚0.045 m，煤體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，根據(jù)煤體性質(zhì)，體積模量E=4.8 GPa，剪切模量G=3.6 GPa，密度1 400 kg/m3，抗拉強度0.8 MPa，黏聚力c=1.1 MPa。鋼管采用柱形殼體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分盡可能均勻，鋼管與煤體接觸處網(wǎng)格保持一致。在兩者之間設(shè)置鋼管煤接觸面，鋼管側(cè)的接觸面處采用中間為空心的柱體網(wǎng)格。

圖8為應(yīng)力計算結(jié)果，有鋼管套入時煤體應(yīng)力無法釋放與未鉆孔前應(yīng)力相似，而無鋼管鉆孔應(yīng)力得到釋放。由圖9可以看出，無鋼管致裂鉆孔周圍塑性區(qū)是有鋼管的5～8倍，在致裂鉆孔中套入鋼管，鉆孔周圍的塑性區(qū)明顯減小。無鋼管套入的鉆孔，塑性區(qū)較大，以致影響巷道內(nèi)強小結(jié)構(gòu)支護的穩(wěn)定性。圖10可以看出，套入鋼管鉆孔周圍基本不發(fā)生位移，而無鋼管套入鉆孔周圍煤體位移是有鋼管套入位移的20倍。

圖8 豎直方向應(yīng)力圖Fig.8 Vertical direction stress

圖9 塑性破壞區(qū)Fig.9 Plastic failure zone

圖10 X方向位移計算Fig.10 X direction displacement calculation

鉆孔中套入鋼管，保護了鉆孔周圍煤體不受破壞，也保護了巷道支護的內(nèi)強小結(jié)構(gòu)，同時，中間弱結(jié)構(gòu)區(qū)域在高應(yīng)力作用下被壓實后，可通過鋼管再次進行中間弱結(jié)構(gòu)致裂，保護了內(nèi)強小結(jié)構(gòu)中煤體不受二次破壞。

3.3 內(nèi)強主動支護與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)機制

巷道開挖或擴修后，在巷道圍巖周邊建立一個內(nèi)強小結(jié)構(gòu)支護圈，控制巷道圍巖穩(wěn)定性，同時，在巷道兩幫致裂中間弱結(jié)構(gòu)，弱化圍巖強度轉(zhuǎn)移高應(yīng)力，沖擊地壓巷道支護與卸壓協(xié)調(diào)機制如下:

(1)錨桿(索)、鋼帶聯(lián)合支護[16]控制頂板兩幫錨固區(qū)，防治巷道兩幫位移變化，頂板梯次支護[17]加固淺部圍巖也強化深部圍巖支護圈，防治巷道頂板下沉，內(nèi)置鋼管支撐護壁技術(shù)保護內(nèi)強小結(jié)構(gòu)不被卸壓鉆孔弱化，形成內(nèi)強主動支護結(jié)構(gòu)。避免因大直徑卸壓鉆孔破壞巷道的完整性[18]，造成巷道破壞。

(2)利用巷道兩幫防沖卸壓孔構(gòu)建中間弱結(jié)構(gòu)，巷道幫部弱結(jié)構(gòu)的致裂為巷道支護提供了更好的應(yīng)力環(huán)境，巷道的卸壓效果更佳[19-21]，避免了巷道在沖擊動載下造成的破壞，形成弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖結(jié)構(gòu)。弱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移高應(yīng)力，吸收沖擊能量，避免因沖擊對巷道造成的嚴重破壞。

(3)內(nèi)強小結(jié)構(gòu)的主動強化支護構(gòu)建了巷道支護穩(wěn)定的錨固承載圈，中間弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖為巷道提供了良好的應(yīng)力支護條件，內(nèi)置鋼管支撐護壁技術(shù)在保護內(nèi)強小結(jié)構(gòu)不受破壞的作用下可以多次進行中間弱結(jié)構(gòu)致裂，既防內(nèi)強小結(jié)構(gòu)松動圈裂隙擴展，又防止巷道支護層的整體失穩(wěn)，同時致裂了中間弱結(jié)構(gòu)，解決了沖擊地壓巷道支護與卸壓間的矛盾。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場應(yīng)用在義馬礦區(qū)常村煤礦21170運輸巷，巷道處于沖擊危險區(qū)域范圍內(nèi)，為深井大斷面高應(yīng)力強卸壓大蠕變沖擊地壓巷道。本次支護方案依據(jù)強弱強結(jié)構(gòu)及內(nèi)強主動支護與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)，考慮巷道最終使用斷面，巷道斷面采用矩形斷面，寬×高=5.8 m×3.5 m，以錨桿、錨索、金屬網(wǎng)主動支護，液壓抬棚減跨支護構(gòu)建內(nèi)強小結(jié)構(gòu)，以反復掏裂法實現(xiàn)中間弱結(jié)構(gòu)消波吸能，即“錨桿索主動支護+液壓抬棚強力支護+弱結(jié)構(gòu)防沖吸能”內(nèi)強主動支護與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖協(xié)調(diào)支護方案。

4.1 內(nèi)強主動支護參數(shù)

頂板支護:頂板用7根φ22 mm×L2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿加兩節(jié)3.1 m長四孔M4鋼帶，錨桿間距900 mm，排距800 mm。沿巷道走向布置3根φ18.9 mm×L5 300 mm讓壓短錨索，托盤尺寸為400 mm×400 mm×16 mm，錨索間距1.5 m，排距1.6 m，即:兩排錨桿施工一組短錨索。沿巷道的走向方向布置φ18.9 mm×L8 000 mm讓壓長錨索，托盤尺寸為400 mm×400 mm×16 mm，兩根單體錨索間距2.5 m，排距1.6 m，即:兩排錨桿施工兩根長錨索。

圖11 支護與卸壓協(xié)調(diào)機制示意Fig.11 Coordination mechanism between support and pressure relief

圖12 巷道具體支護參數(shù)Fig.12 Roadway support parameters

幫部支護:巷道兩幫均采用5根φ22 mm×L2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿加3.5 m長四孔M4鋼帶，錨桿間距850 mm，排距800 mm。施工10～20 m后，在兩幫中上及靠近底板位置施工兩排幫部走向錨索梁，錨索為φ18.9 mm×L5 300 mm，3.2 m長槽鋼梁，孔間距1.6 m，孔外端長度0.8 m。

液壓抬棚加強支護:錨網(wǎng)支護后，緊跟施工點順巷道中心打一道液壓走向抬棚加強支護，液壓走向抬棚是內(nèi)強小結(jié)構(gòu)重要一部分。

4.2 弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖方案

利用反復掏裂法致裂技術(shù)弱化巷道兩幫實現(xiàn)“中間弱結(jié)構(gòu)”吸收動靜載能量，鉆機分別在巷道的左右兩幫向煤巖體指定位置打若干個卸壓孔，鉆孔直徑110 mm，卸壓孔孔口之間的間隔為3 m，同時在鉆孔內(nèi)套入10 m鋼管保護內(nèi)強小結(jié)構(gòu)不受破壞，起到了加固巷道內(nèi)強小結(jié)構(gòu)的作用，之后，從鋼管內(nèi)向卸壓鉆孔繼續(xù)鉆孔，利用深入卸壓鉆孔內(nèi)的鉆桿對巷道的煤巖體進行致裂，致裂后煤巖體相互貫通，形成巷道兩幫的防沖弱結(jié)構(gòu)。當巷道兩幫的防沖弱結(jié)構(gòu)在煤巖體壓力作用下壓實后，再次通過鋼管反復多次循環(huán)對煤巖體進行致裂卸壓而不破壞巷道內(nèi)強小結(jié)構(gòu)，巷道支護層不會在卸壓鉆孔作用下使煤巖體松動圈擴大。致裂示意如圖13所示。

圖13 弱結(jié)構(gòu)構(gòu)建示意Fig.13 Soft structure construction diagram

21170運輸巷中間弱結(jié)構(gòu)層利用防沖卸壓孔設(shè)置中間弱結(jié)構(gòu)鉆孔。根據(jù)礦壓觀測，在巷道兩幫各打20 m鉆孔，鉆孔直徑為110 mm，在鉆孔開口10 m段放入直徑正好滿孔直徑的鋼管。10 m鋼管可由短鋼管公母螺絲對接聯(lián)結(jié)而成。在鋼管外端10 m以外，利用鉆孔過程掏煤松動效應(yīng)形成煤巖松散弱結(jié)構(gòu)。當巷道兩幫的防沖弱結(jié)構(gòu)層在煤巖體壓力作用下壓實后，再次從鋼管內(nèi)向卸壓鉆孔內(nèi)鉆進，對巷道左右兩幫的煤巖體進行致裂，根據(jù)巷道兩幫防沖弱結(jié)構(gòu)壓實情況，反復對巷道左右兩幫的煤巖體致裂多次。在此過程中，巷道左右兩幫不會在卸壓鉆孔作用下使煤巖體松動圈擴大，在致裂弱結(jié)構(gòu)的同時保護了巷道內(nèi)強小結(jié)構(gòu)。

4.3 礦壓觀測及分析

在巷道擴修期間，對巷道的兩幫位移、頂板離層及中間弱結(jié)構(gòu)致裂前后微震監(jiān)測能量進行觀測分析。

4.3.1巷道兩幫表面位移變化量

21170運輸巷兩幫位移變化量如圖14所示。隨著維護時間的增加，巷道表面位移量不斷增加，兩幫最大位移量為611 mm。兩幫位移量在60 d左右趨于穩(wěn)定，弱結(jié)構(gòu)致裂前后對比可以看出，弱結(jié)構(gòu)致裂對巷道內(nèi)強小結(jié)構(gòu)的影響較小，弱結(jié)構(gòu)致裂后巷道在一定時間內(nèi)并沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。160 d后由于工作面采動影響，導致巷道兩幫移近量增加。

圖14 21170運輸巷兩幫位移變化Fig.14 21170 roadway surface displacement diagram

4.3.2頂板下沉量

頂板變化量如圖15所示，隨著維護時間的增加，巷道頂板變化不斷增加，頂板最大下沉量52 mm，頂板得到了有效控制，中間弱結(jié)構(gòu)致裂對巷道頂板沒有很大影響，巷道頂板沒有因中間弱結(jié)構(gòu)致裂而發(fā)生較大的離層造成巷道失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖15 21170運輸巷頂板下沉量Fig.15 21170 roadway roof separation

4.3.3弱結(jié)構(gòu)實施后微震監(jiān)測

圖16顯示了弱結(jié)構(gòu)致裂前后巷道微震能量監(jiān)測，弱結(jié)構(gòu)致裂后，巷道微震監(jiān)測到的能量明顯減小。煤體內(nèi)的應(yīng)力得到了明顯轉(zhuǎn)移或吸收，有效減少了高應(yīng)力及沖擊地壓對巷道破壞。

4.4 巷道支護效果

21170運輸巷支護效果如圖17所示。內(nèi)強主動支護與煤巖體致裂卸壓防沖消波吸能方案明顯改善了巷道支護情況，支護參數(shù)選擇合理，有效控制了頂板離層并抑制巷道圍巖變形，回采之前不需要再次返修。不僅巷道支護效果顯著，同時節(jié)約了多次返修材料和人工成本，經(jīng)濟效果較好。

圖17 21170運輸巷效果Fig.17 21170 roadway implementation diagram

5 結(jié) 論

(1)基于強弱強結(jié)構(gòu)控制模型，研究了內(nèi)強小結(jié)構(gòu)主動強力加固措施及中間弱結(jié)構(gòu)致裂吸能效應(yīng)，提出了保護內(nèi)強小結(jié)構(gòu)不受破壞，致裂中間弱結(jié)構(gòu)消波吸能的關(guān)鍵技術(shù)，解決了沖擊區(qū)域巷道內(nèi)強主動支護與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖的矛盾。

(2)提出了反復掏裂技術(shù)致裂中間弱結(jié)構(gòu)技術(shù)，理論推導了中間弱結(jié)構(gòu)的影響因素。在指定區(qū)域適當時間致裂中間弱結(jié)構(gòu)，達到有效卸壓目的，中間弱結(jié)構(gòu)致裂后，巷道兩幫能量明顯減少，巷道兩幫頂板位移變化較小。兩幫弱結(jié)構(gòu)對改善巷道圍巖應(yīng)力，進一步提高巷道支護穩(wěn)定性有重要影響。

(3)通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究了內(nèi)置鋼管支撐護壁技術(shù)能夠有效保護巷道圍巖強度和完整性不受破壞，提高了巷道幫部圍巖穩(wěn)定性，中間弱結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力壓實后可以再次致裂，保護了內(nèi)強小結(jié)構(gòu)不受鉆孔的二次破壞。研究成果協(xié)調(diào)解決了沖擊區(qū)域巷道內(nèi)強主動支護與弱結(jié)構(gòu)卸壓防沖間的矛盾，有效控制了巷道變形，支護效果顯著，可在高應(yīng)力強沖擊同類巷道進行推廣應(yīng)用。