深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术.pdf
第4 1 卷第6 期 2 0 1 3年 6月 煤 炭 科 学技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h no l o g y Vo l _ 41 No . 6 J u n e 2 0 1 3 深部 冲击地压 矿井 刚柔一体 化 吸能支护技术 刘 军 , 欧阳 振华 , 齐庆新 , 赵善坤 , 李晓璐。 1 .义马煤业集团股份有限公司 , 河南 义 马4 7 2 3 0 0 ; 2 . 煤 炭科学研究 总院 矿 山安全技术研究分院 , 北京1 0 0 0 1 3 3 . 煤炭资源高效开采与 洁净利用 国家重点实验室 , 北京1 0 0 0 1 3 摘要 为了实现冲击地压发生时不造成人员伤亡和设备损坏的 目的, 基于深部矿井巷道 围岩变形破 坏特性, 提 出了一种刚柔一体化吸能支护方法。采用数值模拟的方法, 对比研 究了柔性让压支护和刚 柔一体化吸能支护对冲击载荷 的力学响应 , 数值模拟结果显示, 相对于柔性让压 支护, 刚柔一体化吸 能支护能有效吸收能量和释放应 力, 应力最大值 降幅达 7 2 %, 能量最大降幅达 9 6 . 5 8 %, 最小降幅达 6 0 . 0 2 %。刚柔一体化吸能支护技 术在跃进煤矿 2 5 1 1 0工作面下平巷得 以应用, 有效避免 了2次大能 量冲击地压事故对巷道、 人员和设备的破坏, 验证 了刚柔一体化吸能支护的防冲效果。 关键词 深部 开采 ; 冲击地压 ; 巷道支护; 刚柔一体化吸能支护; 柔性让压支护 中图分类号 T D 3 2 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 3 0 6 0 0 1 7 0 4 Ri g i d F l e x i b i l i t y I n t e g r a t e d En e r g y Ab s o r p t i o n S u p p o r t T e c h n o l o g y Ap pl i e d i n De e p M i ne wi t h Pr e s s u r e Bumpi n g L I U J u n , O U Y A N G Z h e n h u a , , Q I Q i n g x i n , , Z H A O S h a n . k u n , , L I X i a o . 1 u 1 . Y i m a C o a l I n d u s t r y G r o u p C o r p o r a t i o n L t d . , Y / ma 4 7 2 3 0 0, C h i n a ; 2 . Mi n e S a f e t y B r a n c h, C h i n a C o a l R e s e a r c h I ust i t u , B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a; 3 . Na t i o n a l K e y L a b o fC o a l R e s o u r c e H i g h E f fic i e n t Min in g a n d C l e a n U t i l iz a t i o n , B e ij in g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e a l i z e a g o a l o f n o p e r s o n n e l c a s u a l t i e s a n d n o e q u i p me n t f a i l u r e wh e n mi n e p r e s s u r e b u mp i n g o c c u r r e d, b a s e d o n t h e d e f o r ma t i o n f a i l u r e f e a t u r e s o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k alo n g t h e mi n e r o a d wa y i n d e e p mi n e, t h e ri g i d fl e x i b i l i t y i n t e g r a t e d e n e r g y a b s o r p t i o n s u p p o r t me t h o d wa s p r o v i d e d . T h e n u me ri c a l s i mu l a t i o n me t h o d wa s a p p l i e d t o c o mp a r e a n d a n a l y z e t h e fl e x i b i l i t y y i e l d s u p p o r t an d t h e rig i d f l e x i b i l i t y i n t e g r a t e d e n e r g y a b s o r p t i o n s u p p o r t t o t h e me c h a n i c s r e s p o n s e s o f t h e mi n e p r e s s u r e b u mp i n g l o a d . T h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o we d t h a t i n c o mp a ris o n wi t h t h e fl e x i b i l i t y y i e l d s u p p o rt, t h e r i g i d fl e x i b i l i t y i n t e gra t e d e n e r gy a b s o r p t i o n s u p p o r t c o u l d e f - f e c t i v e l y a b s o r b t h e s t r e s s a n d e n e r gy . Th e ma x v a l u e o f t h e s t r e s s r e d u c e d b y 7 2 % , t h e ma x r e d u c t i o n o f t h e e n e r g y w a s 9 6 . 5 8 % , t h e mi n r e d u c t i o n w a s 6 0 . 0 2 % . T h e r i g i d fl e x i b i l i t y i n t e g r a t e d e n e r gy a b s o r p t i o n s u p p o rt w a s a p p l i e d t o t h e b e l o w g a t e w a y o f No . 2 5 1 1 0 c o al mi n i n g f a c e i n Y u e j i n M i n e . T w o h i g h e n e r gy m i n e p r e s s u r e b u m p i n g a c c i d e n t s o c c u rr e d n o t c a u s e d a n y f a i l u r e t o t h e m i n e r o a d w a y , p e r s o n n e l and e q u i p m e n t . T h e m i n e p r e s s u r e b u mp i n g p r e v e n t i o n e f f e c t o f t h e r i gi d fl e x i b i l i t y i n t e gra t e d e n e r gy a b s o r p t i o n s u p p o rt w a s p r o v e d . Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ; mi n e p r e s s u r e b u mp i n g ; mi n e g a t e wa y s u p p o ; ri g i d fl e x i b i l i t y i n t e gra t e d e n e r gy a b s o r p t i o n s u p p o rt; fl e x i b i l i t y y i e l d i n g s up po rt 0 引 言 随着国民经济 的飞速发展 , 越来越 多的煤炭资 源被开采出来 , 浅部煤炭资源 日趋枯竭 , 深部煤炭资 源成为 2 l 世纪我国能源的主体。煤炭进入深部开 采后 , 受特殊 的地球物理环境和复杂应力场 的影响 , 冲击地压发生的频次和危 害程度也急剧 增加 , 冲击 地压与深部巷道 围岩破裂有较大 的关 系l 1 - 2 ] 。冲击 地压释放的冲击能作用于巷道, 造成巷道围岩体破 裂, 甚至整体破坏和坍塌, 给煤矿安全生产带来严重 的威胁 J 。因此 , 冲击地压巷道稳定支 护成 为我 国亟需解决的关键问题之一。近年来, 一些学者开 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 2 2 ; 责任编辑 杨 正凯 基金项目 国家重点基础研究发展 9 7 3 计划 资助项目 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 6 ; 国际科技合作专项资助项目 S 2 0 1 2 Z R 0 4 0 0 ; 国家 自 然科学基金资助项 目 5 1 1 7 4 2 7 2 作者简介 刘 军 1 9 6 2 一 , 男, 辽宁抚顺 页 人 , 高级工程师, 现任义马煤业集团股份有限公司跃进煤矿总工程师。T e l 0 3 9 8 5 8 7 5 7 7 2 引用格式 刘军, 欧阳振华, 齐庆新, 等. 深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术[ J ] . 煤炭科学技术, 2 0 1 3 , 4 1 6 1 7 2 0 . 1 7 2 0 1 3 年第6 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 l 卷 始关注冲击地压矿井 的巷道支护 问题 , 并开展了相 应的研究工作 。高明仕等 建立 了冲击地压巷道 围岩稳定性控制 的强弱强结构力学模型 , 得到 了巷 道支护体发生冲击震动破坏的应力判据和能量准 则 ; 冯学武等 分析了深部巷道围岩变形特点和刚 柔二次支护理论 , 确定 了锚杆与锚索支护参数 ; 吕祥 锋等 将冲击波简化为一维应力波 , 研究 了岩块 冲 击多孔金属材料一 钢支护结构 时 , 多孑 L 金属材料对 冲击波压力的衰减情况 , 以及多孔金属材料厚度、 密 度对冲击波压力衰减的影响; 陈尚本等 采用理论 研究 、 离散元数值计算分析了冲击地压煤巷破坏机 制 , 研究 了冲击地压条件下煤巷锚杆支护机理 , 利用 数值分析方法确定了锚杆支护形式及支护参数, 并 在具有强烈冲击地压危险煤巷进行了应用实践。潘 一 山等 。 。 建立 了冲击吸能耦合支护模型 围岩一 吸 能材料一 钢支架 , 分析了吸能耦合支护结构冲击能 耗散机理, 提出了冲击地压巷道吸能耦合支护方式; 赵毅鑫等 研究了冲击地压形成过程中能量耗散 特征; 赵兴东等 利用数值模拟, 研究了冲击地压 下煤巷锚杆支护机理 。总之 , 冲击地压矿井巷道支 护技术研究取得 了一定的进展 , 但 刚柔一体化吸能 支护技术作为一种冲击地压矿井巷道支护技术, 并 未见有研究和应用。 1 刚柔一体化吸能支护防冲的基本原理 刚柔一体化吸能支护体系结构如图 1 所示, 主 要由锚网索支护、 吸能材料、 u型钢组成的 0型棚 和刚性支架组成, 其防冲的基本原理 ①巷道开挖 后 , 及时进行锚网索支护 , 利用锚杆 、 锚索 和金属 网 提供的支护阻力使深部冲击地压矿井巷道围岩由二 向应力状态转变为三向受力状态, 提高巷道围岩的 强度和抗变形能力。②锚网索支护完成后, 将 u型 钢组合成 O型棚, 形成一个闭合的支架体系。由于 u型钢具有较好的可缩性 , 且铰链接之间允许其发 生一定的位移, 因而, 在冲击荷载作用下 , 0型棚能 发生一定的变形 , 缓解冲击能量对支架的冲击, 起到 柔性让压的作用。u型钢组成的 0型棚闭合体系 中, 不但承载能力有较大的提高, 而且由于支架底部 封闭, 对巷道底鼓有良好的控制作用, 在发生冲击地 压时, 对巷道两帮和底板的煤岩体有较强的控制作 用。③在锚网索支护和 u型钢组合成的0型棚之 间, 充填一层吸能材料, 在围岩和支架之间增加弱刚 1 8 度 的吸能材料 , 吸收大量冲击能 , 减少冲击载荷对支 护结构的破坏。④在 2 组 0型棚之间, 架设 1 架刚 度较大的支架 , 在柔性让压支护的基础上增加刚性 支护体系 , 利用具有较大强度和刚度 的支架抵抗最 后没有被消耗的冲击能 , 防止冲击载荷对整个支护 结构和巷道 内的人员 、 设备造成破坏 。 踹 架 2刚柔一体化吸能支护防冲数值模拟 2 . 1 模型的建立 1 数值模型及边界条件。数值模拟采用的软 件为 F L A C 如, 计算模型长 2 4 I l l , 高 2 4 m, 宽 4 I n 。模 型的底端设置位移边界 , 其他方 向设置应力边界 , 在 、, , 、 三个方 向施 加的应力条件为 o r 9 . 1 MP a , o r y1 7. 1 MPa, 2 2. 6 MPa 。 2 数值模拟方案。为了便于探讨不同支护形 式下 , 巷道与支架对 冲击载荷的力学响应 , 模拟了以 下 2种工况 ①柔性让压支护。模型中间开挖半径 r 为 2 . 8 1 T I 的巷 道后 , 在顶板安装长 度 2 . 2 i n 、 间距 0 . 8 I n 、 排距 0 . 8 IT I 的锚杆 和长度 8 m、 间距 1 . 5 i n 、 排距 0 . 8 1 1 1 的锚索 ; 在两帮安装长 度 1 . 8 n l 、 间距 0 . 8 m、 排距 0 . 8 1T I 的锚杆。安装锚杆和锚索后, 沿 Y方 向在 0 、 0 . 8 、 1 . 6 、 2 . 4 、 3 . 2 、 4 . 0 m处分别加 0型 棚。②刚柔一体化吸能支护。模型中间开挖半径 r 为 2 . 8 I n的巷道 , 在顶板 和两帮安装与柔性让压支 护参数相同的锚杆 和锚索 , 安装 锚杆和锚索后 , 在 2 . 8 m≤r ≤3 . 6 i n范围充填松散吸能材料 , 然后沿 Y 方向在 0 、 0 . 8 、 1 . 6 、 2 . 4 、 3 . 2 、 4 . 0 n l 处分别模拟加 0 型棚支护措施 , 其宽度 0 . 2 111 , 厚度 0 . 2 m; 沿 Y 方向 在 O 、 2 . 0 、 4 . 0 I n处分别模拟安设刚性支架 。 3 力学参数。计算采用 Mo h r - C o u l o m b破坏准 则, 松散吸能体与围岩的物理力学参数根据经验和 室 内试验确定的物理力学参数折减获得 , 具体参数 见表 1 。模拟柔性让压支护体系时, 没有松散体, 全 部赋煤岩体的力学参数。 4 冲击载荷模拟。采矿过程 中的爆破及顶板 断裂等, 都能引起岩土中的应力波传播 , 而这种应力 刘军等 深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术 2 0 1 3 年第 6期 波主要是传播压应力 的纵波 , 因此又称作岩土 中的 压缩波, 它们是岩土中防护结构的作用荷载源。在 F L AC 。 动力计算中, 模型 四周采用吸收边界条件来 模拟无限大空问 , 在左侧施加一个三角形 冲击荷载 P , 持续时间 为 0 . 0 0 5 s , 在 0 . 0 0 2 5 s 时荷载达到 最大 5 0 MP a , 荷载一 时问历程曲线如图 2所示。 表 1 数值模拟采用的物理力学参数 图 2 冲击荷载一 时间历程 曲线 2 . 2 数值模拟结果及其分析 在相同的冲击载荷作用下 , 柔性让压支护和刚 柔一体化吸能支护有不同的支护效果 , 表 2中列 出 了不同位置处, 数值模拟得到的应力和能量测试 结果 。 表 2 不 同支护 方式下支护结构不 同位置处应 力及 能量 注 能量单位为 k J / m。 。 由表 2可知, 采用柔性让压支护 , 应力最大值为 1 9 . 2 2 MP a , 最小值为 4 . 5 8 MP a , 最大值与最小值相 差 1 4 . 6 4 MP a ; 采用刚柔一体化吸能支护 , 应力最大 值为 7 . 5 2 MP a , 最小值为 1 . 5 3 M P a , 最大值与最小 值相差 4 . 9 9 MP a 。采用刚柔一体化吸能支护 , 支护 结构不同位置处应力 明显小于采用柔性让压 支护结 构 , 应力最大值降幅达到了7 2 %。由表 2可知, 采用 柔 性让 压 支护, 单位 面积 上 的能 量 最大 值 为 1 1 6 3 . 7 3 k J / m , 最小值为 7 0 . 5 4 k J / m , 最大值为最 小值 的 l 6 . 5倍 ; 采用刚柔一体化吸能支护 , 能量最 大值为4 5 . 1 6 k J / m , 最小值为2 8 . 2 0 k J / m , 最大值 为最小值的 1 . 6 倍。采用刚柔一体化吸能支护后, 作用在支护结构单位面积上的能量明显降低 , 能量 最大降幅达到 9 6 . 5 8 %, 最小降 幅也达到 6 0 . 0 2 %, 而且能量分布表现出均匀化的趋势 。由数值模拟结 果可知 , 刚柔一体化 吸能支护不仅能吸能伴随着冲 击载荷而产生的应力和能量 , 而且 可以使得能量 均 匀分布到支护结构不 同部位 , 从而减少甚至避免冲 击载荷对支护结构的破坏。 3工业性试验 3 . 1 工 程概 况 义马煤业集团股份公司跃进煤矿年产量 1 5 0万 t , 目前 的主采煤层均位 于 2 3 、 2 5深部采 区, 已采 的 几个工作面在掘进 回采过程 中, 均有不 同程度的冲 击地压发生, 且随着采深的增加 , 冲击的强度和频次 逐渐加大。 自2 0 0 6年 2 5 0 9 0工作面下巷首次发 生 冲击地压以来 , 至今有记 录的冲击事 故 3 9次 , 累计 破坏巷道达 2 5 0 0 m左右。 3 . 2 刚柔一体化吸能支护技术 为了减少冲击地压事故的发生以及发生冲击地 压时造成的破坏 , 跃进矿采用 了“ 全封 闭、 高强度、 可缩性 、 恒阻力 、 可吸能” 的刚柔一体化吸能支护技 术 图 3 , 对超前采动压力集中区域和易冲地段采 取进一步的加强支护措施 , 全面提高巷道的抗压 防 冲等级。跃进矿 2 5 1 1 0工作面刚柔一体化吸能支护 技术是通过三级支护得以实现的。①第一级支护 高强度预应力树脂锚 固螺纹钢锚杆 , 配 以小孔径预 应力树脂锚固锚索、 十字钢带及金属 网等构件 的锚 网索。②第二级支护 高强度 3 6 U型钢全封闭 0型 棚。③ 第三 级支护 整 体式强 力液压 可缩性 门式 图3 跃进煤矿 2 5 1 1 0下平巷刚柔一体化吸能支护体系 1 9 2 0 1 3 年第6 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 支架 。 3 . 3 应用效果 2 0 1 0年 8月 1 1日 1 8时 1 1分 , 跃进煤矿 2 5 1 1 0 工作面下巷发生了一次震级 2 . 7级 、 能量 9 1 0 7 J的 冲击地压 , 冲击波破坏 了距离工作面 1 2 0 0 i n以外 的井下候 车室的门。但此 次冲击没有造 成人员伤 亡, 仅有部分设备损坏, 不影响生产。2 0 1 1 年 3 月 1 日上午 1 0时 0 9分 , 2 5 1 1 0工作面下平巷发生 冲击 地压 , 震级为 2 . 0 7 1 级 矿震监测为 3 . 2级 , 能量为 1 . 4 5 x 1 0 J 。当时有 1 2名工人正在对 设备进行 检 修, 采用刚柔一体化吸能支护后, 此次冲击地压没有 造成人员伤亡, 巷道只有轻微破坏, 经过简单清理后 恢复生产 。2 0 1 0年的“ 8 1 1 ” 和 2 0 1 1年 的“ 31 ” 冲击地压事故充分体现出刚柔一体化吸能支护体技 术的应用效果 , 实现 了冲击地压发生时不造成人员 伤亡, 不影响生产的 目的。 4 结 论 1 提出了刚柔一体化吸能支护方法, 利用数值 模拟, 通过对比分析, 探讨了刚柔一体化吸能支护的 防冲机理。 2 相对于柔性让压支护 , 刚柔一体化吸能支护 能有吸收应力和能量, 应力最大值降 幅达到 了 7 2 %, 能量最大降幅达到 9 6 . 5 8 %, 最小降幅也达到 6 0 . 0 2 %, 刚柔一体化吸能支护能有效 吸收伴随着 冲 击地压发生而产生的应力和能量。 3 跃进矿 2 5 1 1 0 工作面巷道采用刚柔一体化吸 能支护后 , 有效避免了 2次大能量 冲击地压事故对 巷道、 人员和设备的破坏, 实现了冲击地压发生时不 造成人员伤亡 , 不影响生产的 目的, 证实了刚柔一体 化吸能支护的防冲效果 。 参考文献 [ 1 ] 李 春睿 , 康立军 , 齐庆新 , 等. 深部巷道 围岩分 区破 裂与 冲击 地 压关 系初探 [ J ] . 煤炭学报 , 2 0 1 0, 3 5 2 1 8 5 -1 8 9 . 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