A冲击矿压巷道围岩稳定性控制研究报告现状及进展.doc

冲击矿压巷道围岩稳定性控制研究现状及进展高明仕1 王 恺 2 阚甲广1 黄茂鸿3【1.中国矿业大学，江苏 徐州，221008；.中国煤炭工业协会，北京，100083；3.徐州矿务集团公司，江苏 徐州，551153】摘 要冲击矿压岩爆）对矿山安全开采造成了极大的危害，通常会瞬间造成巷道的垮塌、冒落甚至闭合堵塞。同时，冲击矿压发生的频次和烈度随开采深度增加而显著增大。我国煤炭资源开采逐渐转向深部，因此冲击矿压岩爆）巷道围岩稳定性控制已成为我国矿产资源开采过程中一个急需解决的最关键最棘手的难题。论文综述了国内外在冲击矿压巷道围岩稳定性控制技术和理论方面的研究现状，指出了目前在巷道支护防治技术、巷道冲击破坏机理研究等方面所存在的问题，并介绍了作者在这方面的最新研究成果，同时探讨了今后应该进一步深入研究的内容。关键词 冲击矿压 巷道支护 研究现状 研究进展 强弱强结构我国煤炭开采95%以上属于井工开采，在开挖巷道过程中以及工作面开采过程中发生的煤岩动力灾害冲击矿压现象对巷道围岩造成了不同程度的破坏，同时也造成了人员的大量伤亡1。同时，冲击矿压的发生与开采深度有着密切的关系，随开采深度增加，冲击矿压发生的频次和烈度也随着增加，冲击矿压岩爆）已成为世界上深埋矿床开采三大技术难题之一2。我国煤矿向深部的延伸达到812 m/年，目前有近50个矿区开采深度已超过1000m。可以预计，按照目前的煤炭开采量和延伸速度，再过一、二十年，现有的许多煤矿和新近开发的矿井都会进入深部开采。因此，深部资源开采技术和理论特别是冲击倾向性岩爆）巷道围岩稳定性控制问题已成为我国矿山资源开采过程中最关键和最棘手的难题之一。1 冲击矿压岩爆）研究的总体状况1977年，国际岩石力学局成立了专门的岩爆研究小组，国际上分别于1988年在南非、1990年在美国、1993年在加拿大、1997年在波兰和2001年在南非召开5次矿山诱发的岩爆和地震专门研讨会。近30年来，矿山地震学和地球物理学在矿山岩爆研究中日益广泛深入的应用，有力地推动了人们对矿山岩爆机理的研究工作。各国学者对冲击矿压岩爆）的研究，主要包括发生机理、危险性评价及预测预报、防治措施三个方面2-4。在机理研究方面，主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则、变形系统失稳理论以及突变理论等。在评价和预测预报技术方面，目前主要有微震法、振动法、重力法、钻屑法、AE法、EME法 和综合指数法2。在治理措施上，主要有卸压爆破，煤层注水，钻孔卸压，定向裂缝，离层注浆等方法。整体来说，波兰在煤矿冲击矿压的总体研究方面处于世界前列，而南非在金属矿山的岩爆方面具有优势。在岩爆预测预报方面，印度学者用地震学方法进行岩爆长期趋势预测的研究成果可以代表目前岩爆长期预报的水平，而在短期方面南非学者的研究成果具有代表性5-12。2 国内外冲击倾向性岩爆）巷道围岩控制研究现状2.1 在巷道防冲抗震支护技术研究方面国内一些矿区已开展了一些积极的实验和探索，总结和得到了一些可行做法。文献13介绍了老虎台矿在特厚煤层严重冲击矿压区域实施煤巷锚网支护的应用情况。在记录支护效果对比期间，该区域发生1级以上冲击矿压52次，其中2.5级以上3次，最大为3.2级。矿震后，金属棚支护的巷道大部分受损破坏变形，个别地段二次维修；而锚网支护的2100m巷道基本完好无损，无一例顶帮落煤伤人事故，充分说明了合适的锚网支护具备抵抗冲击破坏的能力，但没有解释锚杆支护适应冲击矿压的机理。李华平14介绍了枣庄、新汶以及兖州等矿区深部开采冲击矿压的防治对策。巷道布置和开采顺序要避免应力集中和避开高应力区，巷道支护应选用可缩性支护，工作面宜选用液压支架，掘进巷道宜用可缩支架或锚背网喷支护，增加支架的可缩性和弹性，有利于缓解和释放应力。北京门头沟矿在防治巷道冲击矿压方面的经验是宽巷掘进，因为在发生冲击矿压时往往发生片帮现象，巷道窄躲避不及时容易造成人员伤亡15。以上现场工程实验报道只介绍支护施工工艺及效果，简单指出锚杆支护巷道对冲击震动的抵抗作用强于其它形式的支护，但很少涉及巷道支护形式对冲击特性的适应性机理研究，没有研究冲击震动波传播特性对巷道支护系统的功能要求，缺乏锚杆支护巷道对冲击矿压震动和破坏的适应性的理论解释。多大程度的冲击矿压需要怎样相对应的支护效果，支护体的强度和刚度是越大越好，还是应该有一定的取值范围；目前的预拉力锚杆支护体系能防治多大程度的冲击矿压；超过这个程度的冲击矿压，应采取怎样的防治措施；是否采用了防治措施就可以防治任何震级的冲击矿压；为什么要进行宽巷掘进,其机理是什么等等，关于这些方面的研究也未见报道。国外，因煤层赋存条件好冲击倾向性低，多数国家基本不研究这个问题。冲击矿压最为严重的波兰在巷道支护防冲方面的做法是16-26：首先根据工作面开采条件提前预计冲击强度，选择合适的支架来对付冲击；发生强冲击时巷道主要显现为底臌和两帮挤出，原因是两帮和底板防护太弱，冲击发生时支架要稳定，不能倾斜；在底板加设防底臌的横梁或环形支架；在冲击更严重的情况下采用双层支架，两层支架之间充填矸石；U型支架设计特殊的联结器，联结力强且收缩量要大；网子要封包严密，加锚杆增加稳定性，即采取支架与锚网联合支护的方法，巷道中间加设顶柱，柱子穿木靴缓冲，支架沿巷道走向整体联结起来增加支护强度；对于底板冲击矿压，采取对底板松动破坏或注水的方法。南非西部深水平金矿采深4km，这是目前人类深入地壳内作业达到的最大深度。著名岩爆问题专家之一Dave Ortlepp对岩爆问题进行了近40年的潜心研究，特别是对岩爆条件下的支护研究很有建树，发表了大量文章和研究报告5,6,27。其最核心的思想是：支护系统不仅要像常规巷道支护一样提供一定程度的静抗力，同时还要具有适当的屈服和让压特性，吸收煤岩体突然破坏过程中释放的动能。这些技术措施对防治冲击矿压维护巷道工作面）安全起到了很好的作用，支护思想出发点都很明确，要求支护系统不仅能抗压，还要具有一定的收缩让压功能，但缺乏对巷道冲击破坏的过程研究和明确解释。2.2 在巷道冲击矿压破坏的机理研究方面 近年来，国内军工、冶金等行业广泛采用轻气炮、SHPB等实验装置深入进行冲击动载条件下材料的损伤破坏机理和破坏特征研究28。煤炭行业在巷道冲击破坏机理及其控制对策方面的理论研究和现场实践虽有一定进展，但在基于应力波传播效应基础上的巷道冲击矿压破坏机理研究方面还未见公开的研究成果报道。黄庆享、高召宁29建立了煤层平巷冲击矿压的断裂损伤力学模型，应用Griffith能量理论和能量判据，考虑了材料的损伤积累，把裂纹扩展与材料损伤过程耦合起来，分析了巷道煤壁中预存裂纹尖端产生翼型张裂纹，形成薄煤层壳，薄煤层壳屈曲变形压裂失稳形成冲击矿压，确定了冲击矿压发生的临界应力，并分析了其影响因素。同时他们指出巷道支护提供的支护阻力在裂纹尖端产生一个负向的附加应力强度因子，减弱裂纹尖端扩展的应力场，抑制裂纹的继续扩展，一定程度上控制了冲击矿压的发生。张晓春30建立了煤层巷道片帮型冲击矿压的层裂板屈曲模型，认为巷道或采场壁面的局部稳定是由高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的，冲击矿压是煤壁形成的层裂板结构区的局部压屈。中国矿业大学卢爱红的博士论文则在巷道冲击破裂的层裂屈曲模型基础上，研究了应力波诱发冲击矿压的动力学原理。这些研究工作都是从损伤断裂力学的角度分析了巷道发生冲击矿压的原因，研究了巷道冲击矿压的震源机理，但没有研究巷道冲击矿压的破坏形式和破坏强度，也只局限于巷道围岩的浅表结构，没有考虑外部扰动载荷传递对巷道冲击矿压的贡献，没有从巷道围岩支护系统的外部应力场因素分析巷道冲击矿压的破坏机理，更没有对巷道发生冲击矿压过程中的破坏形式、强度和破坏过程进行研究。3 目前最新的研究进展目前，冲击矿压巷道围岩稳定性控制理论研究还少有人涉入，在基于应力波传播效应基础上的巷道冲击矿压破坏机理研究方面也未见公开的研究成果报道。近期，窦林名、张农、高明仕等在冲击矿压巷道围岩稳定性控制理论方面的研究取得了一定的进展，提出了基于应力波传播效应的冲击矿压巷道围岩的强弱强结构控制机理，建立了巷道围岩防冲抗震的强弱强结构力学模型，并基于这一模型探讨了冲击矿压巷道围岩稳定性控制对策1。3.1 巷道冲击矿压破坏机理研究巷道的开挖造成巷道周围岩体中的应力重新调整分配，在巷道围岩中已经形成了应力集中，浅部围岩已经受到一定程度的损伤破坏，但巷道围岩结构还没有被破坏，仍能维持一定的稳定性。当由于某种震源因素发生冲击矿压时，巷道受到从外界某个方向传播而来的一个强大的冲击应力波，如果这个应力波的强度与冲击发生前的围岩应力场叠加而成的岩体应力急剧升高，远远大于巷道围岩体的极限承载强度，岩体平衡状态被打破，巷道围岩在这个强大冲击波的袭击下将瞬间破坏或累计损伤破坏，从而造成巷道围岩结构的整体垮落。巷道破坏的速度和程度都与冲击应力波的强度成正相关性。还有一种情况，即巷道冲击前围岩应力场已很大处于或接近于极限状态），而其周围的采矿活动产生了新的震动应力波，从这个冲击源传播而来的冲击应力波虽然不大，但叠加应力场超过了巷道围岩体或岩体结构面的极限承载强度，导致大面积岩体在瞬间突然破坏或岩体结构面的滑移错动发生剪切破坏，巷道围岩完整性破坏，进而引发冲击矿压。这两种情况都说明，巷道冲击矿压破坏主要是由于冲击震动波的传递、叠加和破坏作用而造成的。3.2 岩土介质中冲击震动波的传播效应应用中国矿业大学和国家地震局共同开发研制的TDS-6微震信号数据采集实验系统，研究了冲击震动波在四种岩土介质中的传播效应和能量衰减特点。研究表明，岩土介质对冲击震动波的吸收程度随介质的破碎度和松散性增大而增大。随传播距离增大，能量呈乘幂关系衰减，区别于常见文献中的。这为研究冲击矿压时程中巷道围岩的破坏机理，推导巷道围岩冲击破坏的应力判据和能量准则、进一步研究冲击矿压煤层巷道的支护控制理论和支护技术奠定了理论基础。3.3 巷道冲击震动破坏过程的研究结合矿山地震学、应力波、冲击矿压等理论知识，通过FLAC模拟软件，实现了巷道冲击震动破坏的首次模拟。模拟确定了巷道发生冲击冲击破坏的最小能量值为3105J，围岩移动速度临界值为1.5 m/s，低于这个值可以认为发生了轻微的弹射和震动，而非真正意义上的冲击矿压破坏。同一位置不同能量，巷道围岩移动速度和移动量均随震源能量的增加呈二次多项式关系增大。同一能量不同距离，巷道围岩移动速度和移动量均随震源距离的增大呈乘幂关系减弱。对任何具体位置，都存在一个导致巷道冲击矿压发生的最小能量值；对任何具体能量，也相应存在一个导致巷道冲击矿压发生的最小距离值；在这个最小能量值或最小距离值以前，巷道不会被破坏；超过这个值后巷道均被要发生不同程度的破坏，破坏效应呈现出瞬时破坏或分段累积破坏效应。模拟再现了巷道冲击震动破坏的全过程：在冲击震源位置形成冲击隔离河，在冲击隔离河之上岩体处于低应力状态，在冲击隔离河之下巷道两侧形成了状似“双耳”的高应力集中区域，巷道围岩在这个不断变化的“双耳”的煽动夹击下发生了破坏。巷道稳定性控制的关键是吸收和转移冲击震动过程在巷道两侧形成的高冲击应力。图1显示的是在巷道顶板上方10m处4e6J能量冲击震源对巷道的冲击破坏效应过程。t=0时步 t=276时步 t=476时步 t=676时步t=876时步 t=1076时步 t=1276时步 t=1476时步t=1576时步 t=1676时步 t=1776时步 t=1876时步t=1976时步 t=2076时步 t=2176时步 t=2276时步t=2376时步 t=2576时步 t=2776时步 t=2976时步图1 khnsdyh104e6冲击源对巷道冲击破坏演化过程3.4 冲击矿压巷道围岩稳定性控制机理研究建立了基于应力波传播效应的冲击震动巷道围岩的强弱强结构控制力学模型，研究弱强结构控制巷道围岩稳定性的机理，分析该结构的强度、应力吸收和转移、变形及抗变形等特征，推导出巷道冲击震动破坏发生的强度判据；研究巷道冲击破坏过程中强弱强结构中的能量耗散机理，推导出相应的巷道冲击震动破坏的能量准则。图2 冲击矿压巷道围岩的强弱强结构控制原理力学模型在无冲击震动状态下，巷道围岩周边的应力分布由于弱结构的存在，应力重新调整分布状态，径向应力和切向应力都向围岩深部转移，由图2中的曲线1和曲线2转移至弱结构外的曲线3和曲线4，使巷道周边围岩支护小结构处于应力降低区域，利于巷道的维护和稳定。在有冲击震动发生时，由冲击震源传递而来的强冲击应力若没有强弱强结构的存在，冲击应力分布曲线如图2中的KMN所示，冲击应力虽经传递岩层的阻尼衰减，但在瞬间的冲击过程中衰减效果不明显，传递到巷道周边围岩的冲击应力波强度仍然较大，当该应力值超过围岩极限承载强度时就会造成巷道的破坏；有弱结构存在时，由冲击震源传递而来的强冲击应力在强弱结构表面发生反射和透射现象，部分应力被反射回外强结构中图2中FC），而透射进入弱结构的应力幅值大大降低，并在弱结构内部经过散射和吸收，应力强度进一步衰减，传递到巷道围岩内强结构上的应力分布就大大减弱给出了巷道围岩结构发生冲击破坏的应力判据式(2为强弱强结构存在时巷道发生冲击矿压不会被破坏的应力判据： (2式(3为强弱强结构存在时巷道发生冲击矿压围岩结构稳定的能量准则： (33.5 巷道围岩防冲抗震控制对策研究基于冲击矿压巷道围岩的强弱强控制力学模型，窦林名、高明仕等提出了以下三个方面的防冲对策：减小外界震源载荷、合理设置弱结构、提高支护强度，这三个对策分别从冲击矿压发生的源头、中间传递路径以及最终的承载结构能力提高这三个阶段同时考虑所进行的综合控制手段。3.6 弱结构设置与巷道围岩防冲抗震效应研究巷道围岩冲击速度随弱结构宽度增大而呈二次多项式关系递减，而围岩移动量随弱结构宽度增大而呈幂指数关系递减。每一能级的震动能量对应一个合适的弱结构宽度。设置弱结构对巷道防冲抗震有利，巷道围岩移动速度和位移量均随弱结构厚度的增大而减小，但到一定厚度之后又随弱结构厚度的增大反而增大，弱结构的取值也有一个合理的厚度范围，并非厚度越大越好，弱结构必须保持自身一定的稳定性。弱结构防冲效果是有限的，能量吸收率为3040%。弱结构厚度取值为14m，最佳为23m。3.7 巷道围岩防冲支护系统应具备的功能特性冲击矿压发生的特点要求支护构件同时具备三个方面的功能特性：高强度、适当的变形刚度以及一定的让压柔度，即支护构件的3D特性。巷道支护既要满足一般巷道围岩支得起、护得严的要求，同时还必须具有对瞬间突发的冲击动载荷吸收和缓冲的柔性功能即要具有对高冲击应力吸能快的特点。所以，对冲击性煤层巷道要遵循“支得起、护得严、吸得快”的支护原则。分析研究表明，梯形工字钢棚、U型棚、锚网等常规支护形式对冲击矿压适应性差异较大。其中锚网支护是相对适应冲击特性对支护系统功能特性3D要求的支护形式，其良好的延伸性能和锚固结构的整体刚性移动以及金属网的兜护功能，都能起到良好的缓冲吸能让压作用，有效地保护了支护体这个小结构的稳定性。经计算，锚网支护系统可以抵御2.6震级的冲击矿压，若结合弱结构则可以防御约2.8震级的冲击矿压。4 今后的进一步研究1）模拟锚杆、锚索在巷道冲击矿压震动破坏过程中受力状态及变化过程，研究锚杆锚索物理力学参数以及支护参数对巷道在冲击震动过程的影响效应。研究新型的巷道防冲抗震支护产品，以适应冲击震动破坏过程对支护构件的3D功能要求。2）继续深入研究冲击倾向性巷道围岩的强弱强结构控制效应，研究三个结构之间的相互作用关系和匹配效应，形成冲击震动巷道围岩的强弱强结构控制理论。3）深入研究弱结构的物理和力学参数对冲击震动波的衰减效应，确定合适的易于现场实现的弱结构形式及其参数。4）冲击倾向性是煤岩的固有属性，是影响巷道围岩稳定性的一个不容忽视的参数，是具有冲击倾向性特别是深部巷道围岩稳定性评价必须加以慎重考虑的因素。而我国煤炭行业目前采用的巷道围岩稳定性分类指标中没有考虑到煤岩的冲击倾向性特征，对这一问题重新研究也显得很有意义。参考文献1 郭然，潘长良，于润沧，著.有岩爆倾向硬岩矿床采矿理论与技术M.冶金工业出版社，2003.2 窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术M.徐州：中国矿业大学出版社，2001.3 潘一山，李忠华，章梦涛我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究J岩石力学与工程学报，2003，2211）：1844-1851.4 蒋金泉，毛仲玉，潘立友.长壁工作面冲击地压发生的区域性和时间性J.岩石力学与工程学报，1998，17:131-138.12 Broch E ,Sorheim S. 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