高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理.pdf
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1、收稿日期:作者简介:杨向浩(),男,山西临汾人,硕士,工程师,现从事煤矿生产技术管理工作。高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理杨向浩(霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿,山西 临汾 )摘要:针对高应力动载巷道围岩变形量大,返修次数多,常规支护手段控制巷道围岩变形收效甚微现状,以霍州煤电辛置煤矿高应力动载冲击巷道为工程背景,分析高应力动载冲击巷道围岩变形破坏特征及规律。基于围岩弱结构吸能原理,建立不同颗粒围岩弱结构数值计算模型,分析围岩弱结构不同颗粒吸能效果,揭示弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理。结合现场实际工况,提出内置钢管支撑护壁及反复钻孔致裂弱结构防冲技术并进行工业性试验。试验结果表明,
2、弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同支护,有效达到巷道围岩弱结构吸能防冲不破坏支护结构的目的,发挥“弱中有强”的协同支护作用,试验巷道顶板未发生离层现象,最大变形量为 ,巷道两帮最大位移量为 ,有效控制巷道围岩变形,为类似高应力动载巷道围岩控制提供借鉴。关键词:高应力巷道;弱结构;防冲机理;协同支护中图分类号:文献标志码:文章编号:()(,):,“”,:;第 期杨向浩高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理 引言随着我国煤矿综合机械化程度、开采规模以及开采强度的不断提高,巷道矿压显现愈发复杂,有效维护巷道围岩稳定是我国大力推进煤炭资源生产利用方式改革中的重要一环。在巷道掘进和工作面开采过程中,大范围煤层被
3、揭露打破了地层内部的应力平衡状态,动静载荷双重叠加促使煤岩体应力集中。当应力值超过煤岩体自身承载极限后,在高应力的作用下大量煤岩体结构在短时间内发生破坏,出现向巷道或工作面挤出甚至是抛射现象,同时伴随着大量冲击动能的释放,造成巷道或工作面围岩严重破坏,严重制约煤矿企业安全生产。一般针对此类工程问题,采用钻孔卸压、爆破卸压以及水力压裂等方法来有效弱化煤岩体,构建围岩弱结构,释放高应力优化煤岩体应力环境,有效控制巷道围岩的稳定性 。巷道围岩弱结构是通过人为方式在巷道内部构建的微裂隙结构,主要用于改善围岩复杂的应力环境,充当高应力转移、强冲击动载吸收的缓冲区域。弱结构形成的微裂隙相互贯通连接形成卸压
4、带,将巷道围岩浅部应力集中区向围岩深部转移,实现高应力的转移;同时,相互贯通的弱结构在强冲击动载传递过程中,微裂隙吸收部分冲击波,减小冲击能量的传递 。以山西焦煤霍州煤电辛置煤矿高应力动载冲击巷道为工程背景,分析高应力动载冲击巷道围岩变形破坏特征及规律。基于围岩弱结构吸能原理,探究围岩弱结构不同颗粒吸能效果,揭示了弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理,提出内置钢管支撑护壁及反复钻孔致裂弱结构防冲技术,进行试验巷道工程验证,为类似高应力动载冲击巷道支护提供借鉴。高应力动载冲击巷道围岩变形破坏特征 工程地质概况山西焦煤霍州煤电辛置煤矿位于山西省临汾市境内,矿井核定生产能力 。主采号煤层,煤层厚
5、度为 ,平均约 ,煤层倾角为 ,平均约 。综采工作面地面位置位于上跑蹄村西南方向约 ,上跑蹄工业广场以西约 ,鑫磊煤业工业广场以南约 ,南沟村以东约 。煤层直接顶主要以泥岩、砂泥岩为主,岩层厚度为 ,平均约 ;老顶以 中细砂岩为主,岩层厚度为 ,平均约 ;直接底以泥岩为主,岩层厚度为 ,平均约 。综采工作面西北部为 工作面采空区,东北部紧邻二采区正前系统巷道,东部为 工作面。工作面在掘进期间共揭露条断层,未揭露陷落柱,在工作面回采期间,由于地应力、采动应力及构造应力叠加导致局部应力高度集中,巷道围岩变形严重。巷道围岩变形破坏特征 工作面运输巷沿煤层走向布置,巷道原支护设计为 (长 宽),顶板和
6、帮部锚杆为 ,其中顶板锚杆间排距为 ,帮部锚杆间排距为 ;锚索为 ,间排距为 。通过现场巷道围岩变形监测,巷道在掘进期间,巷道两帮移近量明显高于顶底板,煤柱帮围岩变形最为严重,局部肩窝处出现明显的挤压变形。在工作面回采期间,巷道受采动影响严重,超前工作面 范围内围岩变形剧烈,出现大范围的帮部鼓肚和片帮现象,如图 所示。为缓解强动载冲击带来的巷道围岩大变形,在巷道帮部布置钻孔,孔径为 ,深度 ,间距 。根据原始资料记载,钻孔卸压施工后,巷道围岩变形程度未得到明显缓解,反而由于钻孔破坏了围岩表面结构,巷道围岩变形程度加剧 。巷道围岩弱结构吸能防冲原理及影响因素分析 围岩弱结构吸能原理巷道围岩弱结构
7、是通过人为方式在巷道支护锚固层外部构建裂隙结构,如图 所示。在高应力作用下巷道围岩结构破坏,以冲击动载的方式作用于巷道围岩上,冲击动载以冲击波的形式进行能量传递。当冲击波经过弱结构区域时,弱结构区围岩由于裂隙较为发育,块体松散,可以通过 种方式进行陕西煤炭 年?图 巷道围岩变形破坏现场照片 吸能,分别是块体松散吸能、煤岩体旋转吸能、裂隙空间散射吸能以及破碎围岩反射吸能。通过上述方式可以耗散大部分的冲击能量,剩余的少部分能量由锚固层支护结构吸收,起到一个良好的吸能防冲作用 。围岩弱结构颗粒吸能效果 数值计算模型弱结构颗粒的大小直接影响巷道围岩弱结构吸能效果,采用 颗粒流软件建立不同颗粒直径的数值
8、模型,为消除尺寸效应,模型尺寸为 (宽 高)。同时,颗粒间的接触通过内置接触采用平行粘结模型本构模型建立。为有效监测不同颗粒直径下弱结构围岩的变形规律,在模型高度方向依等间距布置 个监测点,如图 所示。?图 巷道围岩弱结构吸能原理?图 不同颗粒直径数值模型及监测点示意 不同颗粒吸能效果分析为探究弱结构颗粒大小对动载冲击能量的吸收效果,对模型施加 的应力波,分别对颗粒直径 、以及 的 种模型进行计算,计算结果如图 所示。由图可知,同一监测点位置处,颗粒直径越小,巷道围岩致裂整体效果越好,对于冲击应力波的耗散作用越大,监测点速度衰减越大,随着时间的推移速度逐渐趋于零。当模型计算步数为 时,颗粒直径
9、为 、以及 这 种模型速度依次衰减 、和 。由此可知,巷道围岩弱结构颗粒越小,对于动载冲击能量的耗散效果越大,吸能效果越好。弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理巷道围岩弱结构能有效吸收冲击能量,但构建弱结构的同时会影响巷道围岩自身强度,降低巷道围岩承载能力,诱发巷道围岩支护锚固层的脱落。因此,在保证巷道围岩弱结构吸能防冲的同时,还应加强巷道围岩支护结构强度,如图 所示,二者协同作用共同维护巷道围岩的稳定性。第 期杨向浩高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理 内置钢管支护护壁技术巷道开挖后及时采用锚网索支护材料进行常规支护,初步构建巷道支护锚固层。同时针对高应力强动载冲击巷道,采用钻孔卸压方式进行
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