A沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究報告現(xiàn)狀及進展

1、 個人資料整理 僅限學習使用沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究現(xiàn)狀及進展高明仕1 王 愷 2 闞甲廣1 黃茂鴻3【1.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州，221008；.中國煤炭工業(yè)協(xié)會，北京，100083；3.徐州礦務集團公司，江蘇 徐州，551153】摘 要沖擊礦壓<巖爆）對礦山安全開采造成了極大的危害，通常會瞬間造成巷道的垮塌、冒落甚至閉合堵塞。同時，沖擊礦壓發(fā)生的頻次和烈度隨開采深度增加而顯著增大。我國煤炭資源開采逐漸轉向深部，因此沖擊礦壓<巖爆）巷道圍巖穩(wěn)定性控制已成為我國礦產(chǎn)資源開采過程中一個急需解決的最關鍵最棘手的難題。論文綜述了國內(nèi)外在沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術和理論方面的研

2、究現(xiàn)狀，指出了目前在巷道支護防治技術、巷道沖擊破壞機理研究等方面所存在的問題，并介紹了作者在這方面的最新研究成果，同時探討了今后應該進一步深入研究的內(nèi)容。關鍵詞 沖擊礦壓 巷道支護 研究現(xiàn)狀 研究進展 強弱強結構我國煤炭開采95%以上屬于井工開采，在開挖巷道過程中以及工作面開采過程中發(fā)生的煤巖動力災害沖擊礦壓現(xiàn)象對巷道圍巖造成了不同程度的破壞，同時也造成了人員的大量傷亡1。同時，沖擊礦壓的發(fā)生與開采深度有著密切的關系，隨開采深度增加，沖擊礦壓發(fā)生的頻次和烈度也隨著增加，沖擊礦壓<巖爆）已成為世界上深埋礦床開采三大技術難題之一2。我國煤礦向深部的延伸達到812 m/年，目前有近50個礦區(qū)開

3、采深度已超過1000m?？梢灶A計，按照目前的煤炭開采量和延伸速度，再過一、二十年，現(xiàn)有的許多煤礦和新近開發(fā)的礦井都會進入深部開采。因此，深部資源開采技術和理論特別是沖擊傾向性<巖爆）巷道圍巖穩(wěn)定性控制問題已成為我國礦山資源開采過程中最關鍵和最棘手的難題之一。1 沖擊礦壓<巖爆）研究的總體狀況1977年，國際巖石力學局成立了專門的巖爆研究小組，國際上分別于1988年在南非、1990年在美國、1993年在加拿大、1997年在波蘭和2001年在南非召開5次礦山誘發(fā)的巖爆和地震專門研討會。近30年來，礦山地震學和地球物理學在礦山巖爆研究中日益廣泛深入的應用，有力地推動了人們對礦山巖爆機理的

4、研究工作。各國學者對沖擊礦壓<巖爆）的研究，主要包括發(fā)生機理、危險性評價及預測預報、防治措施三個方面2-4。在機理研究方面，主要有強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向理論、三準則、變形系統(tǒng)失穩(wěn)理論以及突變理論等。在評價和預測預報技術方面，目前主要有微震法、振動法、重力法、鉆屑法、AE法、EME法 和綜合指數(shù)法2。在治理措施上，主要有卸壓爆破，煤層注水，鉆孔卸壓，定向裂縫，離層注漿等方法。整體來說，波蘭在煤礦沖擊礦壓的總體研究方面處于世界前列，而南非在金屬礦山的巖爆方面具有優(yōu)勢。在巖爆預測預報方面，印度學者用地震學方法進行巖爆長期趨勢預測的研究成果可以代表目前巖爆長期預報的水平，而在短期

5、方面南非學者的研究成果具有代表性5-12。2 國內(nèi)外沖擊傾向性<巖爆）巷道圍巖控制研究現(xiàn)狀2.1 在巷道防沖抗震支護技術研究方面國內(nèi)一些礦區(qū)已開展了一些積極的實驗和探索，總結和得到了一些可行做法。文獻13介紹了老虎臺礦在特厚煤層嚴重沖擊礦壓區(qū)域實施煤巷錨網(wǎng)支護的應用情況。在記錄支護效果對比期間，該區(qū)域發(fā)生1級以上沖擊礦壓52次，其中2.5級以上3次，最大為3.2級。礦震后，金屬棚支護的巷道大部分受損破壞變形，個別地段二次維修；而錨網(wǎng)支護的2100m巷道基本完好無損，無一例頂幫落煤傷人事故，充分說明了合適的錨網(wǎng)支護具備抵抗沖擊破壞的能力，但沒有解釋錨桿支護適應沖擊礦壓的機理。李華平14介紹

6、了棗莊、新汶以及兗州等礦區(qū)深部開采沖擊礦壓的防治對策。巷道布置和開采順序要避免應力集中和避開高應力區(qū)，巷道支護應選用可縮性支護，工作面宜選用液壓支架，掘進巷道宜用可縮支架或錨背網(wǎng)噴支護，增加支架的可縮性和彈性，有利于緩解和釋放應力。北京門頭溝礦在防治巷道沖擊礦壓方面的經(jīng)驗是寬巷掘進，因為在發(fā)生沖擊礦壓時往往發(fā)生片幫現(xiàn)象，巷道窄躲避不及時容易造成人員傷亡15。以上現(xiàn)場工程實驗報道只介紹支護施工工藝及效果，簡單指出錨桿支護巷道對沖擊震動的抵抗作用強于其它形式的支護，但很少涉及巷道支護形式對沖擊特性的適應性機理研究，沒有研究沖擊震動波傳播特性對巷道支護系統(tǒng)的功能要求，缺乏錨桿支護巷道對沖擊礦壓震動和

7、破壞的適應性的理論解釋。多大程度的沖擊礦壓需要怎樣相對應的支護效果，支護體的強度和剛度是越大越好，還是應該有一定的取值范圍；目前的預拉力錨桿支護體系能防治多大程度的沖擊礦壓；超過這個程度的沖擊礦壓，應采取怎樣的防治措施；是否采用了防治措施就可以防治任何震級的沖擊礦壓；為什么要進行寬巷掘進,其機理是什么等等，關于這些方面的研究也未見報道。國外，因煤層賦存條件好沖擊傾向性低，多數(shù)國家基本不研究這個問題。沖擊礦壓最為嚴重的波蘭在巷道支護防沖方面的做法是16-26：首先根據(jù)工作面開采條件提前預計沖擊強度，選擇合適的支架來對付沖擊；發(fā)生強沖擊時巷道主要顯現(xiàn)為底臌和兩幫擠出，原因是兩幫和底板防護太弱，沖擊

8、發(fā)生時支架要穩(wěn)定，不能傾斜；在底板加設防底臌的橫梁或環(huán)形支架；在沖擊更嚴重的情況下采用雙層支架，兩層支架之間充填矸石；U型支架設計特殊的聯(lián)結器，聯(lián)結力強且收縮量要大；網(wǎng)子要封包嚴密，加錨桿增加穩(wěn)定性，即采取支架與錨網(wǎng)聯(lián)合支護的方法，巷道中間加設頂柱，柱子穿木靴緩沖，支架沿巷道走向整體聯(lián)結起來增加支護強度；對于底板沖擊礦壓，采取對底板松動破壞或注水的方法。南非西部深水平金礦采深4km，這是目前人類深入地殼內(nèi)作業(yè)達到的最大深度。著名巖爆問題專家之一Dave Ortlepp對巖爆問題進行了近40年的潛心研究，特別是對巖爆條件下的支護研究很有建樹，發(fā)表了大量文章和研究報告5,6,27。其最核心的思想是

9、：支護系統(tǒng)不僅要像常規(guī)巷道支護一樣提供一定程度的靜抗力，同時還要具有適當?shù)那妥寜禾匦?，吸收煤巖體突然破壞過程中釋放的動能。這些技術措施對防治沖擊礦壓維護巷道<工作面）安全起到了很好的作用，支護思想出發(fā)點都很明確，要求支護系統(tǒng)不僅能抗壓，還要具有一定的收縮讓壓功能，但缺乏對巷道沖擊破壞的過程研究和明確解釋。2.2 在巷道沖擊礦壓破壞的機理研究方面 近年來，國內(nèi)軍工、冶金等行業(yè)廣泛采用輕氣炮、SHPB等實驗裝置深入進行沖擊動載條件下材料的損傷破壞機理和破壞特征研究28。煤炭行業(yè)在巷道沖擊破壞機理及其控制對策方面的理論研究和現(xiàn)場實踐雖有一定進展，但在基于應力波傳播效應基礎上的巷道沖擊礦壓破

10、壞機理研究方面還未見公開的研究成果報道。黃慶享、高召寧29建立了煤層平巷沖擊礦壓的斷裂損傷力學模型，應用Griffith能量理論和能量判據(jù)，考慮了材料的損傷積累，把裂紋擴展與材料損傷過程耦合起來，分析了巷道煤壁中預存裂紋尖端產(chǎn)生翼型張裂紋，形成薄煤層殼，薄煤層殼屈曲變形壓裂失穩(wěn)形成沖擊礦壓，確定了沖擊礦壓發(fā)生的臨界應力，并分析了其影響因素。同時他們指出巷道支護提供的支護阻力在裂紋尖端產(chǎn)生一個負向的附加應力強度因子，減弱裂紋尖端擴展的應力場，抑制裂紋的繼續(xù)擴展，一定程度上控制了沖擊礦壓的發(fā)生。張曉春30建立了煤層巷道片幫型沖擊礦壓的層裂板屈曲模型，認為巷道或采場壁面的局部穩(wěn)定是由高應力集中區(qū)內(nèi)形

11、成的層裂板結構區(qū)的穩(wěn)定控制的，沖擊礦壓是煤壁形成的層裂板結構區(qū)的局部壓屈。中國礦業(yè)大學盧愛紅的博士論文則在巷道沖擊破裂的層裂屈曲模型基礎上，研究了應力波誘發(fā)沖擊礦壓的動力學原理。這些研究工作都是從損傷斷裂力學的角度分析了巷道發(fā)生沖擊礦壓的原因，研究了巷道沖擊礦壓的震源機理，但沒有研究巷道沖擊礦壓的破壞形式和破壞強度，也只局限于巷道圍巖的淺表結構，沒有考慮外部擾動載荷傳遞對巷道沖擊礦壓的貢獻，沒有從巷道圍巖支護系統(tǒng)的外部應力場因素分析巷道沖擊礦壓的破壞機理，更沒有對巷道發(fā)生沖擊礦壓過程中的破壞形式、強度和破壞過程進行研究。3 目前最新的研究進展目前，沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論研究還少有人涉入

12、，在基于應力波傳播效應基礎上的巷道沖擊礦壓破壞機理研究方面也未見公開的研究成果報道。近期，竇林名、張農(nóng)、高明仕等在沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論方面的研究取得了一定的進展，提出了基于應力波傳播效應的沖擊礦壓巷道圍巖的強弱強結構控制機理，建立了巷道圍巖防沖抗震的強弱強結構力學模型，并基于這一模型探討了沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制對策1。3.1 巷道沖擊礦壓破壞機理研究巷道的開挖造成巷道周圍巖體中的應力重新調整分配，在巷道圍巖中已經(jīng)形成了應力集中，淺部圍巖已經(jīng)受到一定程度的損傷破壞，但巷道圍巖結構還沒有被破壞，仍能維持一定的穩(wěn)定性。當由于某種震源因素發(fā)生沖擊礦壓時，巷道受到從外界某個方向傳播而來的一

13、個強大的沖擊應力波，如果這個應力波的強度與沖擊發(fā)生前的圍巖應力場疊加而成的巖體應力急劇升高，遠遠大于巷道圍巖體的極限承載強度，巖體平衡狀態(tài)被打破，巷道圍巖在這個強大沖擊波的襲擊下將瞬間破壞或累計損傷破壞，從而造成巷道圍巖結構的整體垮落。巷道破壞的速度和程度都與沖擊應力波的強度成正相關性。還有一種情況，即巷道沖擊前圍巖應力場已很大<處于或接近于極限狀態(tài)），而其周圍的采礦活動產(chǎn)生了新的震動應力波，從這個沖擊源傳播而來的沖擊應力波雖然不大，但疊加應力場超過了巷道圍巖體或巖體結構面的極限承載強度，導致大面積巖體在瞬間突然破壞或巖體結構面的滑移錯動發(fā)生剪切破壞，巷道圍巖完整性破壞，進而引發(fā)沖擊礦壓

14、。這兩種情況都說明，巷道沖擊礦壓破壞主要是由于沖擊震動波的傳遞、疊加和破壞作用而造成的。3.2 巖土介質中沖擊震動波的傳播效應應用中國礦業(yè)大學和國家地震局共同開發(fā)研制的TDS-6微震信號數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)，研究了沖擊震動波在四種巖土介質中的傳播效應和能量衰減特點。研究表明，巖土介質對沖擊震動波的吸收程度隨介質的破碎度和松散性增大而增大。隨傳播距離增大，能量呈乘冪關系衰減，區(qū)別于常見文獻中的。這為研究沖擊礦壓時程中巷道圍巖的破壞機理，推導巷道圍巖沖擊破壞的應力判據(jù)和能量準則、進一步研究沖擊礦壓煤層巷道的支護控制理論和支護技術奠定了理論基礎。3.3 巷道沖擊震動破壞過程的研究結合礦山地震學、應力波、

15、沖擊礦壓等理論知識，通過FLAC模擬軟件，實現(xiàn)了巷道沖擊震動破壞的首次模擬。模擬確定了巷道發(fā)生沖擊沖擊破壞的最小能量值為3×105J，圍巖移動速度臨界值為1.5 m/s，低于這個值可以認為發(fā)生了輕微的彈射和震動，而非真正意義上的沖擊礦壓破壞。同一位置不同能量，巷道圍巖移動速度和移動量均隨震源能量的增加呈二次多項式關系增大。同一能量不同距離，巷道圍巖移動速度和移動量均隨震源距離的增大呈乘冪關系減弱。對任何具體位置，都存在一個導致巷道沖擊礦壓發(fā)生的最小能量值；對任何具體能量，也相應存在一個導致巷道沖擊礦壓發(fā)生的最小距離值；在這個最小能量值或最小距離值以前，巷道不會被破壞；超過這個值后巷道

16、均被要發(fā)生不同程度的破壞，破壞效應呈現(xiàn)出瞬時破壞或分段累積破壞效應。模擬再現(xiàn)了巷道沖擊震動破壞的全過程：在沖擊震源位置形成沖擊隔離河，在沖擊隔離河之上巖體處于低應力狀態(tài)，在沖擊隔離河之下巷道兩側形成了狀似“雙耳”的高應力集中區(qū)域，巷道圍巖在這個不斷變化的“雙耳”的煽動夾擊下發(fā)生了破壞。巷道穩(wěn)定性控制的關鍵是吸收和轉移沖擊震動過程在巷道兩側形成的高沖擊應力。圖1顯示的是在巷道頂板上方10m處4e6J能量沖擊震源對巷道的沖擊破壞效應過程。t=0時步 t=276時步 t=476時步 t=676時步t=876時步 t=1076時步 t=1276時步 t=1476時步t=1576時步 t=1676時步

17、t=1776時步 t=1876時步t=1976時步 t=2076時步 t=2176時步 t=2276時步t=2376時步 t=2576時步 t=2776時步 t=2976時步圖1 khnsdyh104e6沖擊源對巷道沖擊破壞演化過程3.4 沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制機理研究建立了基于應力波傳播效應的沖擊震動巷道圍巖的強弱強結構控制力學模型，研究弱強結構控制巷道圍巖穩(wěn)定性的機理，分析該結構的強度、應力吸收和轉移、變形及抗變形等特征，推導出巷道沖擊震動破壞發(fā)生的強度判據(jù)；研究巷道沖擊破壞過程中強弱強結構中的能量耗散機理，推導出相應的巷道沖擊震動破壞的能量準則。圖2 沖擊礦壓巷道圍巖的強弱強結構控制

18、原理力學模型在無沖擊震動狀態(tài)下，巷道圍巖周邊的應力分布由于弱結構的存在，應力重新調整分布狀態(tài)，徑向應力和切向應力都向圍巖深部轉移，由圖2中的曲線1和曲線2轉移至弱結構外的曲線3和曲線4，使巷道周邊圍巖支護小結構處于應力降低區(qū)域，利于巷道的維護和穩(wěn)定。在有沖擊震動發(fā)生時，由沖擊震源傳遞而來的強沖擊應力若沒有強弱強結構的存在，沖擊應力分布曲線如圖2中的KMN所示，沖擊應力雖經(jīng)傳遞巖層的阻尼衰減，但在瞬間的沖擊過程中衰減效果不明顯，傳遞到巷道周邊圍巖的沖擊應力波強度仍然較大，當該應力值超過圍巖極限承載強度時就會造成巷道的破壞；有弱結構存在時，由沖擊震源傳遞而來的強沖擊應力在強弱結構表面發(fā)生反射和透射

19、現(xiàn)象，部分應力被反射回外強結構中<圖2中FC），而透射進入弱結構的應力幅值大大降低，并在弱結構內(nèi)部經(jīng)過散射和吸收，應力強度進一步衰減，傳遞到巷道圍巖內(nèi)強結構上的應力分布就大大減弱<圖2中STH），即強弱強結構的存在，將沖擊震動應力分布曲線KMN改變?yōu)镵M+STH。因此，強弱強結構對沖擊應力波起到一個衰減吸收效應，在無沖擊震動狀態(tài)下將巷道周邊的高應力轉移至圍巖深部，使得巷道周邊處于較低的應力分布區(qū)域，這對于深部高應力環(huán)境下巷道的穩(wěn)定性維護同樣具有顯著作用。式(1>給出了巷道圍巖結構發(fā)生沖擊破壞的應力判據(jù)<以下各式中符號代表意義可參見文獻1）： (1>式(2>為

20、強弱強結構存在時巷道發(fā)生沖擊礦壓不會被破壞的應力判據(jù)： (2>式(3>為強弱強結構存在時巷道發(fā)生沖擊礦壓圍巖結構穩(wěn)定的能量準則： (3>3.5 巷道圍巖防沖抗震控制對策研究基于沖擊礦壓巷道圍巖的強弱強控制力學模型，竇林名、高明仕等提出了以下三個方面的防沖對策：減小外界震源載荷、合理設置弱結構、提高支護強度，這三個對策分別從沖擊礦壓發(fā)生的源頭、中間傳遞路徑以及最終的承載結構能力提高這三個階段同時考慮所進行的綜合控制手段。3.6 弱結構設置與巷道圍巖防沖抗震效應研究巷道圍巖沖擊速度隨弱結構寬度增大而呈二次多項式關系遞減，而圍巖移動量隨弱結構寬度增大而呈冪指數(shù)關系遞減。每一能級的震

21、動能量對應一個合適的弱結構寬度。設置弱結構對巷道防沖抗震有利，巷道圍巖移動速度和位移量均隨弱結構厚度的增大而減小，但到一定厚度之后又隨弱結構厚度的增大反而增大，弱結構的取值也有一個合理的厚度范圍，并非厚度越大越好，弱結構必須保持自身一定的穩(wěn)定性。弱結構防沖效果是有限的，能量吸收率為3040%。弱結構厚度取值為14m，最佳為23m。3.7 巷道圍巖防沖支護系統(tǒng)應具備的功能特性沖擊礦壓發(fā)生的特點要求支護構件同時具備三個方面的功能特性：高強度、適當?shù)淖冃蝿偠纫约耙欢ǖ淖寜喝岫龋粗ёo構件的3D特性。巷道支護既要滿足一般巷道圍巖支得起、護得嚴的要求，同時還必須具有對瞬間突發(fā)的沖擊動載荷吸收和緩沖的柔性

22、功能即要具有對高沖擊應力吸能快的特點。所以，對沖擊性煤層巷道要遵循“支得起、護得嚴、吸得快”的支護原則。分析研究表明，梯形工字鋼棚、U型棚、錨網(wǎng)等常規(guī)支護形式對沖擊礦壓適應性差異較大。其中錨網(wǎng)支護是相對適應沖擊特性對支護系統(tǒng)功能特性3D要求的支護形式，其良好的延伸性能和錨固結構的整體剛性移動以及金屬網(wǎng)的兜護功能，都能起到良好的緩沖吸能讓壓作用，有效地保護了支護體這個小結構的穩(wěn)定性。經(jīng)計算，錨網(wǎng)支護系統(tǒng)可以抵御2.6震級的沖擊礦壓，若結合弱結構則可以防御約2.8震級的沖擊礦壓。4 今后的進一步研究<1）模擬錨桿、錨索在巷道沖擊礦壓震動破壞過程中受力狀態(tài)及變化過程，研究錨桿錨索物理力學參數(shù)以

23、及支護參數(shù)對巷道在沖擊震動過程的影響效應。研究新型的巷道防沖抗震支護產(chǎn)品，以適應沖擊震動破壞過程對支護構件的3D功能要求。<2）繼續(xù)深入研究沖擊傾向性巷道圍巖的強弱強結構控制效應，研究三個結構之間的相互作用關系和匹配效應，形成沖擊震動巷道圍巖的強弱強結構控制理論。<3）深入研究弱結構的物理和力學參數(shù)對沖擊震動波的衰減效應，確定合適的易于現(xiàn)場實現(xiàn)的弱結構形式及其參數(shù)。<4）沖擊傾向性是煤巖的固有屬性，是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的一個不容忽視的參數(shù)，是具有沖擊傾向性特別是深部巷道圍巖穩(wěn)定性評價必須加以慎重考慮的因素。而我國煤炭行業(yè)目前采用的巷道圍巖穩(wěn)定性分類指標中沒有考慮到煤巖的沖擊傾

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