巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制.pdf

第 45 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 8 2020 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2020 移动阅读 高明仕,贺永亮,陆菜平,等. 巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制[J]. 煤炭学报,2020,4582749- 2759. GAO Mingshi,HE Yongliang,LU Caiping,et al. Coordination mechanism of internal strong active support,soft structure pressure relief and anti-punching of roadway[J]. Journal of China Coal Society,2020,4582749-2759. 巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制 高明仕1,2,贺永亮1,2,陆菜平1,2,邵 轩3,杨 征4 1. 中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116; 2. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221116; 3. 河南大有 能源股份有限公司 常村煤矿,河南 三门峡 472400; 4. 陕西陕煤榆北煤业有限公司,陕西 榆林 719300 摘 要为探索深部冲击地压巷道稳定性控制技术,解决冲击地压巷道支护与卸压之间的矛盾,以 义马矿区常村煤矿 21170 运输巷为研究对象,依据冲击地压巷道的强弱强结构模型,采用理论分 析、数值模拟、现场试验相结合,分析了强弱强结构消波吸能特性以及内强小结构破坏能量准则和 弱结构吸能效应。 根据钻孔破碎区力学特征理论推导了多次反复致裂中间弱结构卸压区影响因 素,多次反复致裂半径与钻孔半径、初始应力、内摩擦角、弹性模量、降模量、峰值强度和致裂半径修 正系数有关。 通过数值模拟分析了内强小结构内置钢管支撑护壁技术对巷道围岩的强度和支护体 结构完整性控制效果以及周围煤岩体的应力、位移的破坏规律。 研究了内强小结构主动支护强化 技术,中间卸压防冲弱结构的内置套管反复掏裂致裂方法,并通过微震能量监测验证了弱结构防冲 吸能效应。 研究结果表明内置钢管支撑护壁技术在保护内强小结构不受破坏的作用下可以多次 进行弱结构致裂,既防内强小结构松动圈裂隙扩展,又防止巷道支护层的整体失稳。 工程实践表 明锚杆索主动支护液压抬棚减跨强力支护卸压防冲弱结构组成的“内支-外卸”组合技术,微震 监测显示震动能量减少了 50,巷道两帮位移和顶板下沉显著较小,有效维护了巷道围岩稳定性, 保证了工作面顺利安全回采。 关键词内强支护;外卸防冲;协调机制;强弱强结构;冲击地压 中图分类号TD353;TD324 文献标志码A 文章编号0253-9993202008-2749-11 收稿日期2020-03-18 修回日期2020-06-01 责任编辑郭晓炜 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2020.0427 基金项目国家自然科学基金资助项目51564044 作者简介高明仕1970,男,甘肃靖远人,教授,博士生导师,博士。 E-mailcumt_gms163． com 通讯作者贺永亮1988,男,山东宁阳人,博士研究生。 E-mailcumthyl cumt． edu． cn Coordination mechanism of internal strong active support,soft structure pressure relief and anti-punching of roadway GAO Mingshi1,2,HE Yongliang1,2,LU Caiping1,2,SHAO Xuan3,YANG Zheng4 1. School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2. State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3. Changcun Coal Mine,Henan Dayou Energy Co. ,Ltd. ,Sanmenxia 472400,China; 4. Shanxi Coal Group Yubei Coal Co. ,Ltd. ,Yulin 719300,China AbstractIn order to explore the stability control technology of deep rockburst roadway,and to solve the contradiction between the support and the pressure relief impact on the roadway,taking the 21170 roadway of Changcun Coal Mine in Yima as an example,according to the strong-soft-strong structural model of roadway in the impact area,the theoreti- cal analysis,numerical simulation and field test are used to analyze the energy absorption characteristics of strong-soft- strong structure,internal strong structure energy damage criterion and soft structure energy absorption effect. Based on the theory of the mechanical characteristics of the fractured zone of the borehole,the influencing factors of the pressure relief zone of the soft structure of repeated drilling are deduced. The repeated cracking radius is related to the drilling 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 radius,initial stress,internal friction angle,elastic modulus,modulus reduction,peak strength,and drilling radius cor- rection factor. Through the numerical simulation,the failure law of the strength of the surrounding rock of the roadway and the structural integrity control of the supporting body and the stress and displacement of the surrounding coal and rock body are analyzed by the internal steel pipe borehole protection technology. The strengthening technology of active support for internal strong structure and the of repeated drilling caused by internal steel pipe in the pressure relief and control structure are studied. Through the monitoring of micro-seismic energy,the energy absorption effect of soft structure is verified. The internal steel pipe borehole protection technology can repeatedly drill the soft structure under protecting the internal strong structure from damage,not only prevents the crack expansion in the loose circle of the internal strong structure,but also prevents the overall instability of the supporting layer of the roadway. The engi- neering practice show that the anchor cable active supporthydraulic lifting shed reduction span strong supportsoft structure energy absorption technology an integrated technology of internal strong support structure and external soft pressure relief structure. The micro-seismic monitoring shows that the vibration energy is reduced by 50,the dis- placement of the two sides of the roadway and the roof subsidence are significantly smaller,which effectively maintains the stability of the surrounding rock of the roadway and ensures the smooth and safe mining of the working face. The research results provide a reference for similar roadway anti-shock and support in the impact area. Key wordsinternal strong support;pressure relief anti-punching;coordination mechanism;strong-soft-strong struc- ture;rock burst 冲击地压是影响煤矿安全高效开采最严重的动 力灾害之一,随着煤矿开采深度不断增加,冲击地压 危害越来越严重[1]。 据不完全统计,发生在巷道内 的冲击地压事故占冲击地压总数的 90． 8 [2]。 现有 的冲击地压巷道支护体系仅从支护角度进行设计,未 考虑动静载能量的吸收和转移,巷道防冲主要是开采 保护层、钻孔卸压、爆破卸压等措施,卸压的同时有可 能使巷道的支护体系遭到破坏。 卸压技术对控制巷 道变形及冲击地压防治在短期内效果显著,随着服务 年限的增加,应力转移过程中弱化了巷道围岩强度, 使巷道稳定性下降。 冲击区域巷道内强主动支护与 卸压防冲的矛盾无法协调解决,不能同时满足冲击地 压巷道的支护与防冲要求。 近几年,一些研究人员开始改变支护方式和支护 材料研究冲击地压巷道的支护。 康红普等[3]研究了 高冲击韧性锚杆索的力学性能,将高冲击韧性锚 杆索作为支护材料应用于冲击地压巷道,有效控 制了冲击巷道变形。 何满潮等[4]研究恒阻大变形锚 杆索,分析了恒阻大变形锚杆索的解析模型,并 成功应用于冲击地压巷道支护,取得较好效果。 杨仁 树等[5]提出了锚杆、锚索、槽钢梁、喷射混凝土、U 型 钢联合支护方案,解决了高应力软岩巷道支护,有效 控制高应力软岩巷道变形。 潘一山等[6]提出了高强 度巷道液压支架、防冲吸能液压支架、金属支架-泡 沫铝联合支护用于冲击地压巷道支护。 张农等[7]研 究了“卸压-锚固”沿空留巷控制机理,实现了巷道卸 压后大间排距主动控制,取得较好效果。 刘军、徐学 锋等[8-9]研究了封闭刚柔吸能支护冲击地压巷道。 王猛等[10]分析了深部钻孔卸压巷道规律、巷道弱化 特征,得出卸压同时增加了巷道围岩的破碎程度。 赵 同彬等[11]实现了卸压后巷道支护强度计算,现场试 验表明卸压后支护强度明显降低。 支护材料和支护 方式的发展极大推动了冲击地压巷道支护技术的改 革,但从现场应用及实际效果看,巷道围岩内部卸压 防冲破坏了巷道支护结构,使巷道支护强度明显减 弱,冲击地压巷道支护与卸压无法同时满足,不能有 效控制巷道围岩变形,冲击地压巷道内强主动支护与 卸压防冲的矛盾有待深入研究和解决。 笔者依据“强弱强”结构模型[12],提出锚杆索 主动支护液压抬棚减跨强力支护弱结构吸能技术 支护方案,研究了反复掏裂形成弱结构技术,协调解 决了冲击地压巷道内强主动支护与卸压防冲的矛盾, 提高了冲击地压巷道支护与卸压效果。 1 巷道情况 1． 1 工程地质 义马常村煤矿 21170 运输巷埋深 780 m,巷道直 接顶和基本顶主要为泥岩,泥岩厚度大,易风化破碎, 直接底为煤矸互叠层或炭质泥岩,遇水易膨胀,基本 底为黏土岩砂岩互层。 受上覆岩层中巨厚砾岩层的 存在和 F16 断层的影响,地应力、采动应力以及构造 应力的叠加造成局部应力高度集中,煤体中聚集的高 弹性能在释放过程中经常发生煤炮或冲击破坏。 21170 工作面示意图及煤层柱状图如图 1 所示。 0572 第 8 期高明仕等巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制 图 1 21170 工作面示意及煤层柱状图 Fig． 1 21170 working face schematic diagram and coal seam histogram 1． 2 巷道原支护及破坏特征 21170 运输巷沿煤层底板掘进,巷道断面采用斜 墙三心拱断面,宽高6 900 mm4 050 mm,原支护 设计如图 2 所示。 一级支护巷道顶板、两帮采用锚 杆、锚索、金属网等主动支护;二级支护锚网后架棚, 棚距 1 200 mm,支架后顶预留 300 mm 空间,背设主 动承压,两帮让压 300 mm;三级支护支架后顺巷道 中心打一道连续液压抬棚加强支护。 因防冲工作需要在巷道围岩帮部施工大直径卸 压深孔,卸压钻孔参数直径 110 mm,深度 25 m,间 距 2． 0 m。 根据矿方资料及巷道表面位移原始记录, 卸压钻孔施工后,巷道表面位移变化较大,造成了巷 道严重变形破坏,整个断面几乎闭合,防冲钻孔极大 破坏了巷道帮部煤体的完整性,生产无法正常进行。 图 2 21170 运输巷原支护断面 Fig． 2 Cross section of 21170 roadway original support 1572 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 造成了冲击地压巷道支护与卸压间的矛盾。 21170 运输巷破坏如图 3 所示。 图 3 巷道破坏 Fig． 3 Roadway failure diagram 2 冲击区域巷道强弱强结构控制模型 2． 1 强弱强结构 强弱强结构控制模型以开挖巷道为中心,由近及 远依次将巷道周围煤岩体分为内强小结构、中间弱结 构和外强大结构。 内强小结构为巷道围岩支护结构 体,即巷道支护层,用于支护巷道稳定;中间弱结构为 消波吸能区,经过致裂破碎形成的松散煤岩体,用于 吸收冲击地压震源所产生的能量;外强大结构即稳定 层,由未经开采扰动的原岩体组成。 强弱强结构中内 强小结构、中间弱结构和外强大结构每一个结构在冲 击地压巷道的支护、防冲作用中具有不同的作用。 冲 击地压巷道强弱强结构控制模型如图 4 所示。 2． 2 强弱强结构消波吸能特性分析 2． 2． 1 内强小结构能量准则 冲击区域巷道破坏是煤岩体集聚的能量释放失 稳的过程,巷道失稳是积聚在煤岩体的能量突然释 放[13]。 冲击区域巷道煤岩体破坏的最小能量 Emin为 Emin σ2 c 2E 1 式中,σc为煤岩体的单轴抗压强度; E 为煤岩体的弹 性模量。 巷道在煤岩体中集聚的能量 E0为 图 4 强弱强结构控制模型及变化特征 Fig． 4 Strong-soft-strong structure control model and characteristics E0 σ12 σ 2 2 σ 3 2 - 2νσ1σ2 σ2σ3 σ1σ3 2E 2 式中,σ1,σ2,σ3为煤岩体 3 个主应力; ν 为煤岩体泊 松比。 强弱强结构分析示意图如图 5 所示,图中,r 为 巷道半径,m;rx为巷道中心到内强小结构距离,m;rd 为巷道中心到弱结构的距离,m;h 为巷道埋深,m;t 为巷道围岩承载拱厚度,m;数字“1,2,3,4”为在无冲 击状态下,巷道围岩周边的应力重新分布,应力向围 岩深部转移,由图 5 中的曲线 1 和曲线 2 转移到弱结 构外的曲线 3 和曲线 4。 假设冲击震动源的能量为 Ed,冲击波在煤岩体的传播过程中逐渐衰减,衰减后 的能量 Edh为 Edh E dh -η 3 式中,hd-r 为震源到巷帮的距离,d 为震源到巷道 中心点的距离,m;η 为衰减系数。 冲击区域巷道煤岩体的能量 Ez为 Ez E dh E 0 4 冲击区域巷道煤岩体残余能量 Er为 Er E z - E x E dh E 0 - E x 5 式中,Ex为巷道开挖扩修耗散能量。 冲击区域巷道破坏能量准则为 Er Emin。 2572 第 8 期高明仕等巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制 图 5 强弱强结构分析示意 Fig． 5 Strong-Soft-Strong structure analysis 此时,剩余的残余能量以动能、巷道支护体振动 失效或巷帮围岩较大位移形式显现出来,造成了巷道 围岩的破坏。 2． 2． 2 弱结构吸能效应 ① 弱结构块体松散吸能 E1。 动载冲击波在致裂 的煤岩体中传播比在致密煤岩体传播所用时间长,导 致冲击波波速降低,振动波速也降低,从而冲击能量 减少。 ② 致裂煤岩体旋转吸能 E2。 动载冲击波在致 裂煤岩体的破碎区域传播,使致裂破碎煤岩体发生反 转与移动,将冲击能量转化为致裂破碎煤岩体的动 能,从而使冲击动能较小。 ③ 空间散射吸能 E3。 煤 岩体致裂形成的破碎区域,动载冲击波在传播时向四 周破碎区域散射,在松散区域不断扩展,使动载冲击 波的强度降低。 ④ 破碎围岩反射吸能 E4。 动载冲击 波在致裂破碎区域传播,与破裂煤岩体发生反射与透 射现象,经反射后,透射后的动载冲击波将减少,同时 波会发生弥散,因此,动载冲击波向巷道传播的冲击 能减少。 综上,致裂煤岩体形成的弱结构区域吸能总 量为 Ep E 1 E 2 E 3 E 4。 根据能量守恒原理,动载冲 击波经致裂煤岩体形成的弱结构进入内强小结构,动 载冲击能将转化为内强小结构的动能及弹性能、弱结 构的吸收能。 由于内强小结构动能将沿着巷道围岩 破坏巷道支护结构,弱结构的吸收能越大,传递到内 强小结构的动能越小,巷道越稳定。 Er - E p Emin6 若式6满足,弱结构设置时机合适,衰减指数 增加,冲击残余能量被吸收,传递到内强小结构剩余 能量足够小,对巷道不足以造成破坏,巷道支护稳定。 3 内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制 3． 1 弱结构卸压破碎区因素分析 致裂钻孔周围在无钢管作用下反复致裂形成破 碎区,设钻孔半径为 a,反复致裂形成破碎区半径为 b,假设钻孔附近煤体为各向同性介质,钻孔周围致裂 破碎区由塑性区到弹性区,其中弹性区不发生损伤, 如图 6 所示,根据钻孔破碎区的力学特征推导中间弱 结构[14-15]。 图 6 致裂区分析 Fig． 6 Broken zone analysis diagram 摩尔-库伦准则 σθ 1 sin φp 1 - sin φp σr 2cpcos φp 1 - sin φp 7 微分方程 dσr dr σr - σ θ r 0 8 由边界条件得 σrr a 0 9 式中, σr为钻孔径向应力; σθ为钻孔切向应力; φp为 内摩擦角; cp为黏聚力;a 为钻孔半径。 3． 1． 1 破碎区 一次致裂径向应力 σ′ r1及切向应力 σ′θ1为 σ′ r1 σ 0 r a m-1 10 σ′ θ1 mσ′r mσ0 r a m-1 11 式中, m 1 sin φp 1 - sin φp 。 二次致裂径向应力及切向应力为 σ′ r2 σ 0 r μ1a m-1 12 σ′ θ2 mσ′r mσ0 r μ1a m-1 13 式中, μ1为第2 次致裂半径修正系数,μ11． 1 1． 2。 n 次致裂径向应力 σ′ rn及切向应力 σ′θn为 σ′ rn σ 0 r μn-1a m-1 14 σ′ θn mσ′r mσ0 r μn-1a m-1 15 式中, μn-1为第 n 次致裂半径修正系数,μn-11． 1 1． 8,n≥2。 3572 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 在 rb 处 σb r σ 0 b μn-1a m-1 16 3． 1． 2 塑性区 塑性区的径向应力 σ″ r及切向应力 σ″θ为 σ″ r σc σb r σc 1 λ/ E m - 1 - λ/ E m 1 R2 p b2 r b m-1 - 1 λ/ E m - 1 λ/ E m 1 R2 p r2 17 σ″ θ σc σb r σc 1 λ/ E m - 1 - λ/ E m 1 R2 p b2 m r b m-1 - 1 λ/ E m - 1 λ/ E m 1 R2 p r2 18 式中, Rp为塑性区半径; λ 为降模量。 在破碎区与塑性区交界处 rb 时,σ″ θb mσ″rb, 得 Rp b 1 E/ λ19 3． 1． 3 弹性区 弹性区内的径向应力 σ″ r及切向应力 σ″θ为 σ″ r σ 0 1 - R2 e r2 20 σ″ θ σ 0 1 R2 e r2 21 式中, Re为弹性区半径。 塑性区与弹性区 Re R p时,得 σb r σc 1 λ/ E m - 1 - λ/ E m 1 R2 p b2 Rp b m-1 - 1 λ/ E m - 1 λ/ E m 1 2σ0 σc - 1 m 1 22 由式16,19和22可得 b μn-1{ σc σ0{ 1 - sin φp2σ0/ σc- 1 2 1 - sin φp1 λ/ E 2sin φp - λ/ E1 - sin φp 2 1 λ/ E - sin φp 1-sin φp 1 - sin φp1 λ/ E 2 - 1 - sin φp1 λ/ E 2sin φp } } 1-sin φp 2sin φp a23 多次反复致裂半径 b 与钻孔半径 a、初始应力 σ0、内摩擦角 φp、 弹性模量 E、降模量 λ 、峰值强度 σc和致裂半径修正系数 μn-1有关。 致裂半径修正系 数 μn-1是指破碎区半径在一次致裂后,由于地应力、 岩体性质及致裂技术等原因造成的破碎区半径与理 论值之间的偏差。 钻孔在巷道高应力下进行反复掏 裂,使周围的煤岩体破裂,形成中间弱结构,达到吸收 高应力的效果,实现巷道稳定。 3． 2 内置钢管支撑护壁技术 巷道围岩的强度和支护体的结构对冲击巷道支 护有重要影响,钻孔、爆破等巷道内卸压是最常用的 应力转移技术,在转移巷道应力的同时对巷道围岩的 强度和支护体结构完整性产生一定的破坏,不利于冲 击巷道内强主动支护的稳定。 通过数值模拟分析了 内强小结构内置钢管支撑护壁技术对巷道围岩的强 度和支护体结构完整性控制效果以及周围煤岩体的 应力、位移的破坏规律。 根据义马常村煤矿 21170 运输巷煤层地质条 件进行简化,采用有限元 FLAC3D对煤体内置钢管 护壁效果进行模拟,分析钢管对煤层中内强小结 构的保护作用,模型尺寸为 60 m10 m50 m,采 用摩尔-库仑准则,中间弱结构致裂钻孔直径为 110 mm, 水 平、 底 边 界 约 束 位 移, 上 边 界 施 加 17． 5 MPa 荷载。 图 7 模型计算 Fig． 7 Numerical models 钢管体采用线弹性本构模型,弹性模量 E 210 GPa,壁厚 0． 045 m,煤体采用 Mohr-Coulomb 弹 4572 第 8 期高明仕等巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制 塑性模型,根据煤体性质,体积模量 E 4． 8 GPa,剪 切模量 G 3． 6 GPa,密度 1 400 kg/ m3,抗拉强度 0． 8 MPa,黏聚力 c1． 1 MPa。 钢管采用柱形壳体网 格,网格划分尽可能均匀,钢管与煤体接触处网格保 持一致。 在两者之间设置钢管煤接触面,钢管侧的接 触面处采用中间为空心的柱体网格。 图 8 为应力计算结果,有钢管套入时煤体应力无 法释放与未钻孔前应力相似,而无钢管钻孔应力得到 释放。 由图 9 可以看出,无钢管致裂钻孔周围塑性区 是有钢管的 5 8 倍,在致裂钻孔中套入钢管,钻孔周 围的塑性区明显减小。 无钢管套入的钻孔,塑性区较 大,以致影响巷道内强小结构支护的稳定性。 图 10 可以看出,套入钢管钻孔周围基本不发生位移,而无 钢管套入钻孔周围煤体位移是有钢管套入位移的 20 倍。 图 8 竖直方向应力图 Fig． 8 Vertical direction stress 钻孔中套入钢管,保护了钻孔周围煤体不受破 坏,也保护了巷道支护的内强小结构,同时,中间弱结 构区域在高应力作用下被压实后,可通过钢管再次进 行中间弱结构致裂,保护了内强小结构中煤体不受二 次破坏。 3． 3 内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制 巷道开挖或扩修后,在巷道围岩周边建立一个内 强小结构支护圈,控制巷道围岩稳定性,同时,在巷道 两帮致裂中间弱结构,弱化围岩强度转移高应力,冲 击地压巷道支护与卸压协调机制如下 图 9 塑性破坏区 Fig． 9 Plastic failure zone 图 10 X 方向位移计算 Fig． 10 X direction displacement calculation 1锚杆索、钢带联合支护[16]控制顶板两帮 锚固区,防治巷道两帮位移变化,顶板梯次支护[17]加 固浅部围岩也强化深部围岩支护圈,防治巷道顶板下 5572 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 沉,内置钢管支撑护壁技术保护内强小结构不被卸压 钻孔弱化,形成内强主动支护结构。 避免因大直径卸 压钻孔破坏巷道的完整性[18],造成巷道破坏。 2利用巷道两帮防冲卸压孔构建中间弱结构, 巷道帮部弱结构的致裂为巷道支护提供了更好的应 力环境,巷道的卸压效果更佳[19-21],避免了巷道在冲 击动载下造成的破坏,形成弱结构卸压防冲结构。 弱 结构转移高应力,吸收冲击能量,避免因冲击对巷道 造成的严重破坏。 3内强小结构的主动强化支护构建了巷道支 护稳定的锚固承载圈,中间弱结构卸压防冲为巷道 提供了良好的应力支护条件,内置钢管支撑护壁技 术在保护内强小结构不受破坏的作用下可以多次 进行中间弱结构致裂,既防内强小结构松动圈裂隙 扩展,又防止巷道支护层的整体失稳,同时致裂了 中间弱结构,解决了冲击地压巷道支护与卸压间的 矛盾。 4 现场应用 现场应用在义马矿区常村煤矿 21170 运输 巷,巷道处于冲击危险区域范围内,为深井大断面 高应力强卸压大蠕变冲击地压巷道。 本次支护方 案依据强弱强结构及内强主动支护与弱结构卸压 防冲协调关键技术,考虑巷道最终使用断面,巷道 断面采用矩形断面,宽高 5． 8 m3． 5 m,以锚 杆、锚索、金属网主动支护,液压抬棚减跨支护构 建内强小结构,以反复掏裂法实现中间弱结构消 波吸能,即“ 锚杆索主动支护液压抬棚强力支 护弱结构防冲吸能”内强主动支护与弱结构卸压 防冲协调支护方案。 4． 1 内强主动支护参数 顶板支护顶板用 7 根 ϕ22 mmL2 500 mm 左 旋螺纹钢高强锚杆加两节 3． 1 m 长四孔 M4钢带, 锚杆间距 900 mm,排距 800 mm。 沿巷道走向布置 3 根 ϕ18． 9 mmL5 300 mm 让压短锚索,托盘尺寸 为 400 mm400 mm16 mm,锚索间距 1． 5 m,排距 1． 6 m,即两排锚杆施工一组短锚索。 沿巷道的走 向方向布置 ϕ18． 9 mmL8 000 mm 让压长锚索,托 盘尺寸为 400 mm400 mm16 mm,两根单体锚索 间距 2． 5 m,排距 1． 6 m,即两排锚杆施工两根长 锚索。 图 11 支护与卸压协调机制示意 Fig． 11 Coordination mechanism between support and pressure relief 图 12 巷道具体支护参数 Fig． 12 Roadway support parameters 帮部支护 巷道两帮均采用 5 根 ϕ22 mm L2 500 mm 左旋螺纹钢高强锚杆加 3． 5 m 长四孔 M4 钢带,锚杆间距 850 mm,排距 800 mm。 施工 10 20 m 后,在两帮中上及靠近底板位置施工两排帮部 走向锚索梁,锚索为 ϕ18． 9 mmL5 300 mm,3． 2 m 长 槽钢梁,孔间距 1． 6 m,孔外端长度 0． 8 m。 6572 第 8 期高明仕等巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制 液压抬棚加强支护锚网支护后,紧跟施工点顺 巷道中心打一道液压走向抬棚加强支护,液压走向抬 棚是内强小结构重要一部分。 4． 2 弱结构卸压防冲方案 利用反复掏裂法致裂技术弱化巷道两帮实现 “中间弱结构”吸收动静载能量,钻机分别在巷道的 左右两帮向煤岩体指定位置打若干个卸压孔,钻孔直 径 110 mm,卸压孔孔口之间的间隔为 3 m,同时在钻 孔内套入 10 m 钢管保护内强小结构不受破坏,起到 了加固巷道内强小结构的作用,之后,从钢管内向卸 压钻孔继续钻孔,利用深入卸压钻孔内的钻杆对巷道 的煤岩体进行致裂,致裂后煤岩体相互贯通,形成巷 道两帮的防冲弱结构。 当巷道两帮的防冲弱结构在 煤岩体压力作用下压实后,再次通过钢管反复多次循 环对煤岩体进行致裂卸压而不破坏巷道内强小结构, 巷道支护层不会在卸压钻孔作用下使煤岩体松动圈 扩大。 致裂示意如图 13 所示。 图 13 弱结构构建示意 Fig． 13 Soft structure construction diagram 21170 运输巷中间弱结构层利用防冲卸压孔设 置中间弱结构钻孔。 根据矿压观测,在巷道两帮各打 20 m 钻孔,钻孔直径为 110 mm,在钻孔开口 10 m 段 放入直径正好满孔直径的钢管。 10 m 钢管可由短钢 管公母螺丝对接联结而成。 在钢管外端 10 m 以外, 利用钻孔过程掏煤松动效应形成煤岩松散弱结构。 当巷道两帮的防冲弱结构层在煤岩体压力作用下压 实后,再次从钢管内向卸压钻孔内钻进,对巷道左右 两帮的煤岩体进行致裂,根据巷道两帮防冲弱结构压 实情况,反复对巷道左右两帮的煤岩体致裂多次。 在 此过程中,巷道左右两帮不会在卸压钻孔作用下使煤 岩体松动圈扩大,在致裂弱结构的同时保护了巷道内 强小结构。 4． 3 矿压观测及分析 在巷道扩修期间,对巷道的两帮位移、顶板离 层及中间弱结构致裂前后微震监测能量进行观测 分析。 4． 3． 1 巷道两帮表面位移变化量 21170 运输巷两帮位移变化量如图 14 所示。 随 着维护时间的增加,巷道表面位移量不断增加,两帮 最大位移量为 611 mm。 两帮位移量在 60 d 左右趋 于稳定,弱结构致裂前后对比可以看出,弱结构致裂 对巷道内强小结构的影响较小,弱结构致裂后巷道在 一定时间内并没有发生失稳现象。 160 d 后由于工 作面采动影响,导致巷道两帮移近量增加。 图 14 21170 运输巷两帮位移变化 Fig． 14 21170 roadway surface displacement diagram 4． 3． 2 顶板下沉量 顶板变化量如图 15 所示,随着维护时间的增加, 巷道顶板变化不断增加,顶板最大下沉量 52 mm,顶 板得到了有效控制,中间弱结构致裂对巷道顶板没有 很大影响,巷道顶板没有因中间弱结构致裂而发生较 大的离层造成巷道失稳现象。 图 15 21170 运输巷顶板下沉量 Fig． 15 21170 roadway roof separation 4． 3． 3 弱结构实施后微震监测 图 16 显示了弱结构致裂前后巷道微震能量监 测,弱结构致裂后,巷道微震监测到的能量明显减小。 煤体内的应力得到了明显转移或吸收,有效减少了高 应力及冲击地压对巷道破坏。 4． 4 巷道支护效果 21170 运输巷支护效果如图 17 所示。 内强主动 支护与煤岩体致裂卸压防冲消波吸能方案明显改善 了巷道支护情况,支护参数选择合理,有效控制了顶 板离层并抑制巷道围岩变形,回采之前不需要再次返 修。 不仅巷道支护效果显著,同时节约了多次返修材 料和人工成本,经济效果较好。 7572 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 16 弱结构致裂前后微震能量监测 Fig． 16 Microseismic energy monitoring before and after soft structure 图 17 21170 运输巷效果 Fig． 17 21170 roadway implementation diagram 5 结 论 1基于强弱强结构控制模型,研究了内强小结 构主动强力加固措施及中间