基于防冲支护技术的煤矿围岩冲击地压控制研究

基于防冲支护技术的煤矿围岩冲击地压控制研究随着能源开采深入开煤矿围岩冲击地压灾害的防控已成为矿业安全领域的重大挑战用冲击地压作为复杂的矿山动力现象通常与煤矿开采过程中的高应力和强冲击有关¹用为了预防和控制复杂高应力巷道的变形破坏问题研究人员提出多种优化巷道围岩应力环境的技术如合理布置巷道、钻孔卸压、切顶卸压和防冲支护技术21用防冲支护技术通过防冲支架吸能构件的快速让位吸能作用开减少冲击动能对巷道围岩的影响控制冲击地压巷道的冲击破坏³用然而冲击地压巷道围岩控制技术不仅需要从单一的应力控制或防冲支护角度出发开也需要综合考虑巷道围岩的应力环境、性质改良以及支护结构的协同作用用冲击地压矿井的巷道支护还需要承受回采作业中工作面产生的负荷以及抵御开采引发的冲击能量扰动用这种复杂的受力环境使实现防冲支护变得更加困难用为了解决深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压难题以及实现有效的防冲支护开以陕西省某备采煤矿工作面巷道为研究对象开分析该巷道引发矿震现象的主要冲击动力因素开创新性提出基于防冲支护技术的煤矿围岩冲击地压控制方法用通过该新型煤矿围岩冲击地压控制方法为煤矿回采期间出现的多次高能量矿震及冲击地压事件提供控制方法预防和控制冲击地压灾害开保障煤矿安全开采1煤矿围岩回采巷道冲击动力因素及动静载荷机理分析煤矿围岩冲击地压通常由煤岩体中积聚的大量弹性能量触发开这种能量会在工作面回采期间因上覆岩层断裂而释放产生动态荷载41用这些动态荷载会激活煤岩层中的静止荷载开造成工作面和采场瞬时破坏用随着回采进行上覆岩层的断裂和回转会形成铰接梁结构开对回采巷道产生远场动态荷载扰动开导致围岩中静态荷载应力重新分布用在静态和动态荷载应力的叠加作用下开巷道围岩极易发生冲击地压静态荷载主要来源于原始岩体应力和支护应力原始岩体应力由自重应力和构造应力构成⁵#自重应力受到煤层埋藏深度和顶板岩层容重影响开构造应力源自巷道掘进对围岩的扰动、岩层移动以及工作面的应力传递用这些应力共同作用于巷道围岩增加了冲击地压风险用因此开理解煤矿围岩回采巷道冲击动力因素对于制定控制措施至关重要#根据组合梁原理可知开上覆岩层中第一层硬岩层的荷载q₁(x)m计算公式如式(1)所示用式中y:与h分别代表上覆岩第i层岩层的体积与厚度E代表弹性模量#硬岩层位置的判别公式如式(2)所示用式中Ym+1与h₁分别代表上覆岩第m+1层岩层的体积与厚度陕西省某备采煤矿工作面的地质条件复杂不仅含有厚度12.60～27.15m的煤层而且在煤层上方大约6m处开有大约36m厚的砂岩层用经岩石力学测试可知开该砂岩顶板属于稳定性中等的顶板根据式(2)开可以确定该煤矿工作面关键层的分布特征用分布情况如表1所示用厚度(m)埋深(m)01厚度(m)埋深(m)中砂层由表1可知该矿井深度较大且砂岩层较厚在工作面回采期间砂岩顶板内会产生显著的应力集中随着顶板破裂可能引发能量高、影响范围大的矿震事故用针对陕西省某备采煤矿工作面的厚硬顶板和强烈矿压的特点开研究采用综合指数法评估该回采巷道的冲击地压风险用通过综合考量开采条件和地质要素分析可知开该煤矿工作面的泄水巷总体上处于中等冲击危险级别用影响巷道冲击风险的主控因素包括厚硬顶煤、煤层厚度变化、较大埋深以及坚硬顶板曲这些因素共同作用开决定了该巷道的冲击危险性用2新型防冲支护技术及煤矿围岩冲击地压控制方法设计由上述煤矿围岩回采巷道冲击动力因素及动静载荷机理分析可知在陕西省某备采煤矿工作面具有约700m的较大埋深和煤层厚度变化量较大的地质条件开巷道顶板上方约30m处还存在厚度23～36m的中砂岩硬岩层用这种地质构造在工作面回采期间可能导致顶板断裂和移位开引起矿震开对矿区安全构成威胁用泄水巷的围岩地质条件复杂周围存在褶皱和断层#但距离较远开属于稳定性构造此外开巷道顶板存在极厚的托顶煤顶板开煤层硬度高、强度大且在煤层上方有极厚的砂岩层老顶用老顶断裂和下沉可能引发高能量冲击矿震用为了抑制巷道维护过程中塑性区域扩展和层间滑动研究通过梯次支护技术控制顶板下沉用首先采用锚杆对巷道顶板的表层煤岩加固用接着利用短锚索管理中等深度岩层的层间滑动和顶板下方的变形用最后开通过长锚索对深层煤岩体实施整体锚固开建立阶梯式的三维支护体系增强巷道顶板稳定性和对动态荷载的抵御能力用为避免让压管在受压时发生过度膨胀或收缩开研究还设计一种腹部形状的泄压管结构安装腹部形状泄压管的锚索结构如图1所示由图1可知开通过在支护底板与螺母之间安置泄压管弥补因应力重新分布导致的围岩变形这种设计能增强锚索对围岩变形的适应性实现锚索被动卸压开提升巷道稳定性#安装腹部形状泄压管锚索的作用机理可分为三个阶段即弹性变形阶段、让压变形阶段与弹塑性阶段用在初始载荷作用下开杆体所受的轴力逐渐增加应力-应变关系表现为线性关系开类似普通锚索用然而当普通锚索达到屈服点时开会从弹性状态过渡到塑性状态失去稳定的承载能力用相比之下让压锚索在杆体应力接近屈服点时开内置的泄压管开始发生变形开而杆体仍保持在弹性变形阶段随着巷道围岩变形增加开泄压管的预留压缩量逐渐消耗殆尽开此时锚索开始依赖材料属性抵抗围岩变形开承载能力逐步降低直至破坏用为抵御在冲击事件中产生的瞬时冲击能量引入一种防冲单元支架用用于在回采巷道提供额外防护用此外开在煤矿综采面作业中开为了预防顶板断裂保证矿井顶板稳定开需要确定合适的放顶高度并对热熔管道进行非旋转加热校正开以防过热损害防水性能首先田通过地质调查和勘探收集矿层厚度、倾角和断裂等信息接着应用地质力学理论和数值模拟技术对矿层稳定性进行分析和评估据此确定放顶高度保障矿井安全开采施工完成后需待管材冷却至适宜温度后再连接连接前要确保管材连接面清洁并达标然后对承插口进行打毛处理开使用砂纸或打磨锯条等工具并在结构表面均匀涂抹胶质材料用为保障连接质量需严格控制环境因素减少外部干扰确保连接效果用通过上述设计研究提出一种新型的基于防冲支护技术的煤矿围岩冲击地压控制方法3新型煤矿围岩冲击地压控制方法性能分析为了验证煤矿围岩冲击地压控制方法的性能效果开以陕西省某备采煤矿工作面泄水巷为研究对象进行工业试验用首先对巷道掘进期间的围岩形变量进行测试开结果如图2所示用图2(a)为巷道掘进期间的围岩形变量曲线图2(b)为巷道掘进期间的围岩形变速度曲线用由图2可知开距离巷道开挖面大约120m时顶板下沉量逐渐稳定，为102mm#在距离开挖面约100m的位置，巷道两侧位移趋于稳定，位移量为59mm用这表明，在防冲支护措施下，巷道围岩的稳定性得到控制，周围围岩的位移量保持在可接受范围用位移速度监测显示，在距离开挖面10～20m处，巷道围岩的位移速度达到峰值，此时两侧的位移速度为12.1mm/d,顶板位移速度也达到10.2mm/d用这些数据证实了研究方法的有效性，能够确保巷道在高应力条件下的稳定用迎头距离/m两侧迁移量两侧迁移量3.2回采期间巷道围岩移动量分析在煤矿巷道围岩工作面进行回采，原始岩体应力和开采活动引起的动载应力共同作用于工作面，形成支承压力这种压力分布，叠加巷道的构造应力巷道形变量显著增加用为了确认研究方法在工作面回采期间的控制效果，进行回采期间巷道围岩移动量测试，结果如图3所示用由图3可知，随着回采进行，巷道位移量显著上升，特别是在工作面煤壁95m处，巷道两侧的位移量急剧增加，峰值超过200mm#究其原因是巷道两边的构造应力和工作面周围的支撑压力双重影响导致巷道发生较大变形用因此，在开采过程中，必须加大对煤柱侧位移量虽有所上升，但总体变形量小于两侧位移量这表明，在顶板采用腹部形状泄压管锚索和梯次支护的措施下，巷道顶板的稳定性较好用由此可知，研究提出的新型煤矿围岩冲击地压控制方法可以控制巷道在回采过程中的变形，保障巷道稳定和作业安全煤壁距离/m煤矿开采中频繁出现的冲击地压问题严重威胁着矿井安全生产本文研究梯次支护技术应对顶板下沉问题，支护结构中引入泄压管，实现锚索被动卸压用针对冲击地压瞬间释放的高能量，引入回采巷道专用的防冲单元支架，提出一种新型的基于防冲支护技术的煤矿围岩冲击地压控制方法用