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第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ４６ Ｎｏ１ ２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊａｎ.２０１８ 特大断面冲击地压巷道破坏机理及控制技术研究吴拥政１ꎬ２ꎬ３ꎬ何 杰１ꎬ２ꎬ３ꎬ王 洋１ꎬ２ꎬ３(１天地科技股份有限公司开采设计事业部ꎬ北京 １０００１３ꎻ２煤炭科学研究总院开采研究分院ꎬ北京 １０００１３ꎻ３煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室ꎬ北京 １０００１３)摘 要:为解决马耿村矿特大断面冲击地压巷道支护难题ꎬ介绍了巷道地质条件及围岩地质力学参数特征ꎬ分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特征ꎬ冲击地压巷道变形破坏的主要影响因素是高应力、强动载、卸压和支护体系ꎮ频繁冲击能量会产生冲击破坏效应ꎻ卸压措施会对冲击地压巷道围岩结构及支护体系产生巨大影响ꎻ主动支护体系失效导致冲击地压巷道变形严重破坏ꎮ提出特大断面冲击地压巷道矿压特征明显不同于非冲击地压巷道ꎬ不同区域及位置的巷道表面位移和顶板离层差异较大ꎻ受掘进影响巷道变形更快速更剧烈ꎬ稳定时间更长ꎻ冲击地压巷道锚杆锚索受力呈锯齿形或台阶形剧烈波动ꎮ在耿村矿进行试验ꎬ１３２３０上平巷掘进断面超过３０ｍ２ꎬ属特大断面冲击地压巷道ꎮ矿压监测数据显示ꎬ采用提出的支护方案后围岩变形得到有效控制ꎬ巷道支护状况得以明显改善ꎮ关键词:冲击地压ꎻ特大断面巷道ꎻ锚杆支护ꎻ巷道变形中图分类号:ＴＤ３２２４ 文献标志码:Ａ 文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－００６１－０７ＳｔｕｄｙｏｎｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｌａｒｇｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｒｏｃｋｂｕｒｓｔｒｏａｄｗａｙＷＵＹｏｎｇｚｈｅｎｇ１ꎬ２ꎬ３ꎬＨＥＪｉｅ１ꎬ２ꎬ３ꎬＷＡＮＧＹａｎｇ１ꎬ２ꎬ３(１ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＴｉａｎｄｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏꎬＬｔｄꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ２ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ３ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｒｏａｄｗａｙｗｉｔｈｌａｒｇｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｒｏｃｋｂｕｒｓｔｉｎＧｅｎｇｃｕｎＣｏａｌＭｉｎｅꎬｔｈｅｃｈａｒ￣ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏａｄｗａｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｇｅｏｌｏｇｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＴｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｒｏａｄｗａｙａｒｅａｎａｌｙｚｅｄＴｈｅｍａｊｏｒｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆｒｏａｄｗａｙａｒｅｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓꎬｓｔｒｏｎｇｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄꎬｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍＦｒｅｑｕｅｎｔｌｙｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｗｉｌｌｉｍｐａｃｔｄａｍａｇｅｅｆｆｅｃｔｓꎬｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｍｅａｓｕｒｅｓｗｉｌｌｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｃａｕｓｅｓｅｖｅｒｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏａｄ￣ｗａｙＴｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｒｏａｄｗａｙｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｏｒｄｉｎａｒｙｒｏａｄｗａｙＴｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｓｅｐ￣ａｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｏｆａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｒｅａｓａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｓꎻｄｅｆｏｒｍｅｄｂｙｅｘｃａｖａｔｉｏｎｒｏａｄｗａｙｓｆａｓｔｅｒａｎｄｍｏｒｅｉｎｔｅｎｓｅꎬｌｏｎｇｅｒｓｔａｂｌｅꎻｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅｉｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｓｓｅｒｒａｔｅｄｏｒｓｔｅｐｐｅｄｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓＴｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｔｅｓｔｉｎＧｅｎｇｃｕｎＣｏａｌＭｉｎｅ１３２３０ｌａｎｅꎬＴｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｉｓｏｖｅｒ３０ｍ２ꎬｗｈｉｃｈｂｅｌｏｎｇｓｔｏｓｕｐｅｒｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎｒｏｃｋｂｕｒｓｔｒｏａｄｗａｙＭｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｈｏｗｔｈａｔｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｕｐｐｏｒｔｓｃｈｅｍｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋꎬｒｏａｄｗａｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｒｏｃｋｂｕｒｓｔꎻｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎｒｏａｄｗａｙꎻｂｏｌｔｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔꎻｒｏａｄｗａｙｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ收稿日期:２０１７－１０－１２ꎻ责任编辑:杨正凯 ＤＯＩ:１０１３１９９/ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０１８０１００８基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１７ＹＦＣ０８０４２０５)ꎻ国家自然科学基金青年基金资助项目(５１３０４１１９)ꎻ开采设计事业部科技创新基金资助项目(ＫＪ－２０１５－ＴＤＫＣ－０５)作者简介:吴拥政(１９７８—)ꎬ男ꎬ河南修武人ꎬ博士ꎬ研究员ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｔｉａｎｄｉｗｙｚ＠１６３ｃｏｍ引用格式:吴拥政ꎬ何 杰ꎬ王 洋特大断面冲击地压巷道破坏机理及控制技术研究[Ｊ]煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):６１－６７ＷＵＹｏｎｇｚｈｅｎｇꎬＨＥＪｉｅꎬＷＡＮＧＹａｎｇＳｔｕｄｙｏｎｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｌａｒｇｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｒｏｃｋｂｕｒｓｔｒｏａｄｗａｙ[Ｊ]ＣｏａｌＳｃｉ￣ｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):６１－６７０ 引 言冲击地压是煤矿地下工程中常见的动力破坏现象ꎬ冲击地压巷道围岩变形控制是采矿工程和岩石力学界中的一项技术难题ꎮ在冲击地压巷道支护方面ꎬ很多学者进行过研究ꎮ康红普等[１]提出冲击地１６２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷压巷道支护形式选择原则ꎬ介绍了冲击地压巷道锚杆支护参数设计方法ꎬ提出锚杆与锚索支护为主、金属支架为辅的复合支护方式ꎮ潘一山等[２－４]针对冲击地压巷道ꎬ提出提高支护刚度和快速吸能让位支护思路ꎮ姜福兴等[５]分析得到了沿空巷道冲击地压发生的应力、应力梯度及煤体冲击倾向性３个条件ꎬ推导了冲击危险性的工程判据ꎮ姜耀东等[６]分析了放炮震动诱发煤矿巷道动力失稳的机理ꎮ顾金才等[７]研究了爆炸荷载条件下锚固洞室破坏形态及不同锚杆支护参数的加固和抗爆效果ꎮ高明仕等[８－１０]提出冲击地压巷道的强弱强结构模型ꎬ并利用能量平衡理论对支护参数进行了研究和验证ꎮ鞠文君[１１]计算得出了锚杆支护主要构件吸能指数ꎬ给出了能量校核设计法应用实例ꎮ张晓春等[１２]采用数值方法模拟应力波作用下巷道围岩层裂结构的形成过程ꎮ苏承东等[１３]提出掘进施工采用短掘锚作业、及时锚网喷索支护、挂网等ꎬ消除和缓解冲击地压的危害ꎮ贺虎等[１４]研究了巷道围岩与锚固体受冲击载荷的动载与变形特征ꎬ指出冲击矿压巷道支护体应具备主动让压功能ꎮ上述研究成果为分析冲击地压巷道围岩变形破坏机理及控制方法提供了参考ꎮ作为我国典型的冲击地压矿区ꎬ义马矿区曾经在冲击地压巷道支护方面进行过研究和试验[１ꎬ１５－１７]ꎮ笔者针对义马耿村矿特大断面冲击地压巷道条件ꎬ进行了围岩地质力学测试分析ꎬ分析了大断面冲击地压巷道围岩变形及破坏特征ꎬ提出适合于特大断面冲击地压巷道的支护技术ꎮ１ 巷道围岩地质力学测试分析１１ 地质条件耿村矿为冲击地压矿井ꎬ巷道地应力较高ꎬ煤层强度较低且为强冲击倾向性ꎬ煤层顶板存在３８０ｍ左右巨厚砾岩层ꎬ冲击地压显现强烈ꎮ试验巷道位于１３２３０工作面ꎬ平均采深６２２ｍꎮ１３２３０工作面巷道布置如图１所示ꎮ１３２３０工作面位于东三采区运输下山东侧ꎬ东至矿井边界ꎬ北侧１３２１０工作面２０１４年２月已回采结束ꎬ南部为实体煤ꎮ试验巷道为１３２３０上平巷ꎬ距１３２１０采空区间的煤柱６~８ｍꎮ巷道沿２－３煤层底板留２ｍ厚底煤掘进ꎬ长度１０８８ｍꎮ１３２３０工作面所采煤层为２－３煤层ꎬ平均厚度１０２ｍꎬ煤层倾角１１°~１３°ꎬ煤层结构复杂ꎬ内生裂隙发育ꎬ含泥岩及砂质泥岩夹矸３~５层ꎬ平均厚度０８ｍꎮ２－３煤层无伪顶ꎬ直接顶为泥岩ꎬ平均厚度３１５ｍꎻ泥岩之上为粉砂岩、中粒砂岩互层ꎮ煤层直接底为炭质泥岩ꎬ平均厚度１５ｍꎬ基本底为细砂岩与粉砂岩互层ꎬ平均厚度１２５ｍꎮ２－３煤层层顶部存在巨厚砾岩层ꎬ砾岩层厚约３８０ｍꎬ与煤层间距２４０ｍꎬ处于冲击地压危险区域ꎮ图１ 耿村矿１３２３０工作面巷道布置Ｆｉｇ１ ＲｏａｄｗａｙｌａｙｏｕｔｏｆＮｏ１３２３０ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｉｎＧｅｎｇｃｕｎＣｏａｌＭｉｎｅ采用«煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法»对２－３煤层层煤样冲击倾向性进行了测定ꎮ测试结果为:弹性能量指数１６６ꎬ冲击能量指数９２ꎬ动态破坏时间１３８ｍｓꎬ单轴抗压强度２００５ＭＰａꎬ煤层为强冲击倾向ꎬ基本顶砂岩无冲击倾向性ꎮ综合指数法鉴定１３２３０工作面冲击危险性评价为中等冲击ꎮ１２ 围岩地质力学测试分析采用水压致裂法在１３２３０工作面附近进行了３个测点的地应力测量ꎬ测量结果见表１ꎮ表中第１测点位于１３２３０下平巷距巷口３８０ｍ处ꎻ第２测点位于１３２３０下平巷距离出口２５０ｍ处ꎻ第３测点位于东三轨道延伸下山ꎬ距１３２３０下平巷车场口６０ｍ处ꎮσＨ、σｈ、σｖ分别为最大水平主应力、最小水平主应力和垂直应力ꎮ从表１中可看出ꎬ３个测点垂直应力均大于最大水平主应力ꎬ最大水平主应力值相差不大ꎬ以自重应力场为主ꎬ在量值上属于中等应力区ꎬ应力场类型为σｖσＨσｈꎮ３个测点最大水平主应力方向均为ＮＮＥ方向ꎮ表１ 耿村矿地应力测量结果Ｔａｂｌｅ１ Ｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎＧｅｎｇｃｕｎＣｏａｌＭｉｎｅ序号埋深/ｍσＨ/ＭＰａσｈ/ＭＰａσｖ/ＭＰａ最大水平主应力方向１６４５１３８３７２９１５５５Ｎ３６°Ｅ２６４４１２５８７０９１５５３Ｎ４３°Ｅ３６２１１４８４７６９１４９８Ｎ１１°Ｅ采用钻孔窥视仪对顶板进行了结构观测ꎬ发现２６吴拥政等:特大断面冲击地压巷道破坏机理及控制技术研究２０１８年第１期顶板岩层浅部及深部均存在较为明显的裂隙、离层及破碎带ꎬ２ｍ左右浅部锚固区域内已产生较大离层ꎬ深部破坏区域主要集中在顶板５ｍ范围内ꎮ通过Ｘ射线衍射分析和扫描电子显微镜技术确定了底板岩石中黏土矿物的含量、分布及产状ꎮ底板炭质泥岩黏土矿物总量达４２６％ꎬ黏土矿物成分主要有高岭石、伊利石、绿泥石类及伊蒙混层ꎬ底板易泥化和膨胀ꎮ钻孔触探法测试的煤岩体强度结果显示ꎬ顶板０~５１ｍ为２－３煤层ꎬ单轴抗压强度平均为１５２５ＭＰａꎬ５１~１００ｍ为泥岩ꎬ单轴抗压强度平均为２４４４ＭＰａꎮ１３２３０上、下平巷煤体抗压强度测试结果如图２所示ꎬ上平巷紧邻采空区ꎬ受采动影响ꎬ煤体较为破碎ꎬ煤体强度波动较大ꎻ下巷位于实体煤中ꎬ强度波动较小ꎬ煤体完整性明显好于上平巷ꎮ上平巷煤体单轴抗压强度平均为１４８５ＭＰａꎮ图２ １３２３０工作面巷道煤体单轴抗压强度测试结果Ｆｉｇ�