巷道底板冲击地压卸支耦合防治技术研究

史庆稳，于海湧,2，蓝　航,2

(1.煤炭科学研究总院 北京开采研究院 北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



巷道底板冲击地压卸支耦合防治技术研究

(1.煤炭科学研究总院 北京开采研究院 北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]通过分析煤矿巷道底板冲击地压的破坏特点及其影响因素，提出基于卸支耦合原理的深孔区间爆破+底板锚注的底板冲击地压防治技术，利用有限差分软件FLAC3D对比分析了底板无支护、底板锚注和深孔区间爆破+底板锚注时的巷道围岩应力分布及变形特征，并通过现场试验论证了深孔区间爆破+底板锚注的卸支耦合防治技术对治理底板冲击地压的可行性。结果显示，深孔区间爆破+底板锚注的卸支耦合防治技术可避免高水平应力导致底板浅部围岩能量集聚，并能有效地控制底板和两帮变形，从而防止煤矿巷道底板冲击地压的发生。

[关键词]巷道；底板冲击地压；卸支耦合；深孔区间爆破；锚固注浆

冲击地压是世界采矿业面临的共同难题。开采实践表明，冲击地压发生次数与开采深度成显著正相关关系[1]。自2000至2010年10年之间，我国新增冲击地压矿井67个。2012年，已有142个冲击地压矿井分布在山东、黑龙江、辽宁等近20个省(市、自治区)[2]。为此，国内外学者开展了大量的研究并在理论以及实践方面成果显著。由于大多数煤矿巷道底板不采取支护措施，因此许多矿井在掘进和回采过程中，巷道底板往往发生十分严重的冲击地压。然而，长期以来国内外学者的研究多集中于顶板和煤柱型的冲击[3-6]，而底板作为冲击地压发生的关键部位却没有得到足够的重视。

本文针对煤矿巷道底板冲击地压的破坏特点，提出针对煤矿巷道底板冲击地压的卸支耦合防治技术并以古山煤矿为工程背景，利用数值模拟和现场试验的方法全面论证该技术措施对于治理煤矿巷道底板冲击地压的可行性。

1底板冲击地压的卸支耦合防治技术数值模拟

水平应力对煤矿巷道底板型冲击地压有着显著的促进作用[7-11]，在水平应力作用下，巷道底板浅部围岩将产生一定范围的塑性区，底板塑性区的存在导致巷道底板抗冲击能力大为减弱。巷道底板煤岩体中水平应力的大小主要取决于水平构造应力和巷道两帮支承压力在泊松效应下所产生的附加水平应力[12]。

深孔区间爆破[13]不仅可以降低巷帮及底板煤岩体应力集中程度，直接减小底板煤岩体所受轴力大小，减轻底板煤岩体中的泊松效应，而且还可以将巷道两帮和底板中的应力峰值位置往煤岩体深部转移，增加发生冲击地压的难度；而巷道底板锚注可提高煤岩体的强度和完整性[14]、改善底板煤岩体的受力环境，减轻深孔区间爆破对底板浅部围岩的破坏，提高底板浅部围岩抵抗拉破坏的能力。因而，可以采取深孔区间爆破+底板锚注的卸支耦合防治技术对煤矿巷道底板冲击地压进行防治。

为分析深孔区间爆破+底板锚注的卸支耦合防治技术的作用机理和效果，以古山煤矿为工程背景，利用FLAC3D分别对无底板治理、底板锚注治理、深孔区间爆破+底板锚注治理等3种不同治理条件下巷道底板稳定性进行模拟分析。为使模拟结果贴合现场实际情况，计算模型各物理力学参数均参考煤岩体实验室实验结果进行赋值。模拟巷道埋深为490m，巷道设计为直墙拱形，巷宽3.6m，直墙高度为1.2m。模型采用的各物理力学参数见表1。

表1　模型岩性参数对照

计算模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)本构模型:τf=c+σtanφ；模型宽和高分别为54m，42m，采用不等分划分，巷道浅部围岩网格加密，整个模型共划分为18944个计算单元；模型侧面边界限制水平移动，底面边界限制垂直移动。

1.1底板无支护数值模拟分析

底板无治理措施时模型水平应力分布云图见图1，计算结果提取图见图2。

图1　底板无治理措施时模型水平应力分布云图

由图1，图2可以发现，沿巷道两侧底角约45°线处为压应力集中区，巷道底板围岩水平应力最大达到5.5MPa，峰值点距离底板表面8～9m，底板浅部围岩出现了拉应力破坏区，底板表面位移多达570mm；对比图2(b)底板和侧帮表面位移曲线发现，巷道底板围岩位移在时间上先于侧帮位移发生，说明当底板围岩变形达到一定程度后侧帮变形失稳才得以发生。

图2　底板无治理措施时计算结果提取

1.2底板锚注数值模拟分析

在计算模型中通过设置锚索单元的方法来模拟底板锚固，每排布置3组组锚，组锚长12.5m，单组组锚施加预紧力360kN，全长锚固。同时，将模型中底板注浆区域围岩的黏聚力和内摩擦角适当增大来模拟注浆加固的效果。图3，图4分别为锚注后围岩水平应力分布云图和计算结果提取图。

图3　锚注后水平应力分布

图4　锚注后底板计算结果提取

对比图3和图1可见，采取锚注措施后底板围岩拉应力区基本消失，围岩受力状态得到改善；观察图4(b)发现，锚注后巷道底板表面位移最大为370mm，相比不采取底板治理措施降幅为35%；然而，对比图4(a)和图2(a)可知，锚注使得底板水平应力峰值更加接近底板临空面，约为5～6m，显然这是不利于冲击地压的防治的。

1.3深孔区间爆破+底板锚注数值模拟分析

巷道围岩内卸压爆破作用发生在介质内部，除形成爆炸空腔外，自爆源中心向外依次形成压缩粉碎区、破裂区和震动区，其中卸压范围主要包括压缩粉碎区、破裂区[15-16]，在计算模型中将破裂区半径取为2.5m，按照深孔区间爆破原理，爆破所致的破裂区位置如图5所示，破裂区域采用强度弱化的方法进行模拟，注浆区域参数选取同底板锚注对应参数。

图5　破裂区域位置示意

计算后得到深孔区间爆破+底板锚注后巷道围岩水平应力的分布云图见图6，分析底板围岩水平应力分布特征和侧帮、底板表面位移变化规律后可知，采取深孔区间爆破+底板锚注的卸支耦合措施后，巷道底板水平应力峰值相比不采取治理措施降低了23%，峰值点距离底板表面16～17m，相比不采取治理措施往深部转移约8m；巷道底板最大位移为275mm，相比不采取治理措施降幅为51%，相比采取单纯的锚注措施其降幅为26%，明显降低了底板冲击地压发生的危险性。

图6　深孔区间爆破+底板锚注后巷道围岩水平应力分布

通过数值模拟对比分析可知，单纯的底板锚注可实现“堵”的效果，能够对底板围岩施加支护反力，改善围岩应力状态，避免出现拉应力区，与此同时却也增强了底板围岩的储能条件，导致底板围岩水平应力峰值上移；深孔区间爆破可实现“疏”的效果，减弱侧帮支承压力对底板的影响；而采用深孔区间爆破+底板锚注的卸支耦合防治技术，可避免高水平应力导致底板浅部围岩能量集聚，并能有效地控制底板和两帮变形，防止巷道底板冲击地压的发生。

2卸支耦合防治底板型冲击地压现场试验

平庄煤业古山煤矿为内蒙古自治区首个冲击地压矿井，开采深度约400～500m，煤层上覆顶板岩层为辉绿岩侵入体，厚度220m左右。自2010年以来，该矿冲击地压灾害日益凸显，且以发生在底板的冲击破坏最为严重。依据上述底板型冲击地压发生机理，针对古山矿三井胶带下山+94联络巷的具体地质条件，采用卸支耦合的原理对联络巷底板进行深孔区间爆破+底板锚注试验。

深孔区间爆破方案见图7。参照古山煤矿钻屑法数据，两帮应力峰值距离煤壁约10m，因此两帮炮孔长度设计为13m。爆破采用矿用三级乳化炸药，帮部孔药量为12kg，底板孔药量为16kg，正向装药，双雷管起爆，采用“孔内并联、孔间串联”的连线方式，深孔区间爆破具体爆破参数见表2[15]。

图7　试验区域深孔区间爆破方案

位置孔深/m与巷道轴线夹角/(°)仰(俯)角/(°)装药量/kg装药长度/m封孔长度/m帮部13905122.810底板1490-45163.710

深孔区间爆破完成后即对巷道底板进行锚注加固。首先对底板进行浅部6m预注浆，为施工组合锚索孔和深孔注浆承压创造条件。待7～10d浆液凝固后，施工锚索孔并依次注浆、安装特制锚索、铺设底梁进行锚固。底板锚索孔孔深12.5m，锚索预紧力不小于360kN。底板锚索及底梁采用“五花”式布置，见图8。

试验完成后，分别对试验区和对比区进行巷道围岩变形监测，详细记录观测结果并绘制巷道围岩移近量变化曲线，见图9。

图9　+94胶带大巷围岩移近量变化曲线

由图9(a)可知，观测初期巷道底板快速收敛，在48d后达到稳定，移近量约460mm。左右两帮移近速度略小于底板，然而其调整周期较长，最大移近量也大于底板，约为520mm。由图9(b)可知，在观测期间，采取深孔区间爆破+锚注后巷道底板和两帮移近量分别比不采取治理措施时减小了320mm和350mm，降幅分别为70%和68%。且巷道底板变形经过约24d即开始趋缓，后期不再有较大变形，调整周期大为缩短。

从监测情况来看，深孔区间爆破+底板锚注防治技术可有效控制巷道底板和两帮的变形，从而防止了巷道底板冲击地压的发生。

3结论

(1)数值模拟结果显示，单纯的底板锚注可避免巷道底板出现拉应力区，与此同时，底板锚注使巷道底板中水平应力峰值的深度由8～9m转移至5～6m，不利于底板冲击地压的控制；而采取深孔区间爆破+底板锚注防治措施则在降低底板水平应力大小的同时将其峰值往深部转移了约8m，有效降低了巷道底板围岩的冲击危险性。

(2)对古山矿三井胶带下山+94联络巷的井下试验表明，采取深孔区间爆破+底板锚注的卸支耦合防治技术后，缩短了巷道围岩变形调整周期，巷道底板和两帮移近量分别比不采取治理措施时减小了70%和68%，能够满足巷道正常的功能需求，实现了对巷道底板冲击地压的有效控制。

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[责任编辑：潘俊锋]

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

[中图分类号]TD324.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0093-04

[作者简介]史庆稳(1989-)，男，山东鄄城人，在读硕士研究生，主要从事煤矿冲击地压理论与防治技术研究。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51304116)；天地科技技术创新基金项目(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]史庆稳，于海湧，蓝航.巷道底板冲击地压卸支耦合防治技术研究[J].煤矿开采，2016，21(1)：93-96.