冲击地压巷道围岩稳定性分析及控制技术研究

2014-03-23王辉凯

采矿技术 2014年6期

王辉凯

(潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西长治市 046031)

随着煤矿开采层度与深度的不断增加，冲击地压的发生越来越频繁，危害性也愈发严重[1]。冲击地压又名岩爆，是一种复杂的矿山动力现象。冲击地压发生时，能在很短的时间内将大范围的巷道或工作面的煤岩抛出，具有突发性，危害大的特点。潞安集团王庄回风大巷2掘进200 m左右时，巷道沿顶板较高帮巷肩出现一条长约80 m左右喷层开裂线，在距掘进头10～15 m左右位置能听到清脆的顶板脆断声，并出现片帮现象，顶板下沉量为120～140 mm。顶板2 m范围内围岩出现多处破碎和离层现象。回风大巷在掘进过程中出现频繁的顶板脆断声、片帮、离层、顶板下沉量大等动力现象，冲击地压给安全生产带来很大隐患。

1 生产地质条件概况

1.1 地质条件概况

王庄矿回风大巷2设计总长度(直线距离)1450.601 m，属王庄煤矿水平延深工程，服务于整个+540水平延伸工程。地应力测试显示该区域最大水平主应力为13.55 MPa，最小水平主应力为7.47 MPa，垂直主应力为8.18 MPa。巷道为斜梯形断面，埋深450 m，沿3#煤煤层顶板掘进，掘进断面积为20.93 m2，净断面积为18.50 m2，喷砼厚度150 mm，支护形式为全断面锚网喷+锚索。巷道顶板为约0.1～0.3 m厚的伪顶，往上依次为2.1 m厚灰白色泥岩，3.5 m厚灰色坚硬砂岩、4.0 m厚泥岩、2.5 m厚细粒砂岩。掘进中遇到多个小断层，断层高度为9～12 m，顶板有0.5 m3/h的淋水。

1.2 原巷道支护方式

如图1所示，王庄回风大巷2为斜梯形断面，荒宽5.3 m，净宽5 m，采用锚网支护。主要支护参数为：锚杆采用Φ22 mm×2400 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，间排距800 mm×800 mm，锚杆预紧力不小于350 kN，锚固力不小于80 kN；锚索采用Φ18.96 mm×8300 mm钢绞线，垂直顶板打设，间排距为2500 mm×1600 mm，预应力不小于200 kN。掘进方式为炮掘，每循环进尺2.0 m，最大空顶距2.4 m。

图1 原巷道支护布置

2 巷道围岩变形特征及成因分析

煤矿开采过程中，冲击地压是由于巷道或工作面煤岩在聚集大量弹性能的条件下，受掘进、工作面开采或支护不合理等因素影响导致煤岩突然大量抛出。冲击地压常具有突发性，并常伴随有巨大声响、岩体震动、冲击波等动力效应。根据冲击地压的显现强度可分为4类[2￣3]：弹射,矿震,弱冲击,强冲击。王庄矿回风大巷2掘进中有片帮现象并伴有巨大声响，按显现强度属矿震现象。冲击地压破坏性强，必须采取一定措施控制冲击地压倾向巷道围岩稳定。因此，分析冲击地压巷道的围岩变形特征及成因，提出有针对性的围岩控制技术是十分必要的。

2.1 围岩变形特征

(1) 巷道累积变形量大，变形速度快。王庄回风大巷2掘巷后，围岩受力状态改变引起的集中应力与构造应力叠加，使得局部应力高度集中，巷道周边煤岩体产生较大的塑性破坏，巷道短时间内变形量急剧增大。

(2) 巷道顶板较深部出现离层与岩层脆断现象。王庄回风大巷2受采动应力与构造应力叠加，应力高度集中情况下，掘进步距大，悬顶面积大，引起顶板较深部围岩出现离层与岩层脆断现象。围岩离层与脆断产生的冲击波造成巷道浅部围岩的急剧破坏，引起构造带不连续结构面块体失稳。

(3) 巷道断面内变形不均匀性。受断面形状、地应力方向、构造带分布、围岩特性等因素影响，王庄回风大巷2巷道肩角喷层先发生破坏，出现喷层剥落；受垂直应力影响，巷帮出现片帮现象；受水平应力影响，巷道出现底臌量。

2.2 冲击地压破坏巷道机理

国内外许多专家、学者对冲击地压破坏巷道的机理进行了大量研究，杨淑清[4]教授在“隧洞岩爆机制物理模型试验研究”一文中指出冲击地压造成围岩劈裂破坏和剪切破坏的两种机制。劈裂破坏属于脆性断裂，而剪破坏是岩石应力达到峰值强度状态的破坏；前者形成的破裂面与巷道平行，后者相交。王青海教授等按冲击地压形成的力学表现形式，将冲击地压分为劈裂破坏型、剪切破坏型和弯折内鼓型三种形式[5￣6]。郭然、于润沧[7]在分析岩石破坏表现形式的基础上提出，冲击地压破坏巷道的机理可以归纳为两种：岩体破裂导致岩体体积膨胀破坏机理；地震能传播导致岩块弹射破坏机理。

距顶板0.9 m王庄回风大巷2受采动应力与构造应力叠加应力集中，巷道掘进悬顶面积大形成悬梁结构顶板岩层聚集大量弹性能，使得巷道浅部围岩应力高于岩体极限强度，岩体内产生裂隙扩容膨胀，导致浅部围岩发生破坏。浅部围岩破坏释放一小部分应力与弹性能，应力向巷道围岩深部转移，引起构造带不连续块体弹射和深部围岩离层或断裂，对浅部围岩造成更大程度的破坏。

2.3 冲击地压成因分析

影响冲击地压的因素有很多种，根据王庄回风大巷2的地质力学环境分析，其冲击地压的主要原因有如下几个方面。

(1) 受构造应力影响。围岩的结构、性质以及地应力等是影响冲击地压的主要因素[8]，复杂的地质构造带，如断层、褶曲、节理等，容易产生较高的构造应力。回风大巷在掘进中遇到多个小断层，断层落差在9～12 m之间，断层引起巷道局部围岩应力较高，坚硬顶板聚集了大量弹性应变能，为冲击地压的发生提供了必要条件。

(2) 顶板围岩特性。回风大巷顶板为约0.1～0.3 m厚的伪顶，向上依次为2.1 m厚灰白色泥岩，单轴抗压强度139.74 MPa，弹性模量16.44 GPa；3.5 m厚灰色坚硬砂岩，单轴抗压强度172.60 MPa，弹性模量17.03 GPa。围岩完整性好，顶板坚硬，节理不发育，能够聚集较大的弹性应变能。

(3) 掘进进尺过大。回风大巷2每循环进尺2.0 m，最大空顶距达到2.4 m。巷道掘进进尺过大，增加了顶板悬露范围和时间，形成悬臂梁结构，如不能及时支护或采取其他有效措施控制岩梁，增加了岩粱断裂的可能形。岩粱断裂将会在岩层上形成新的应力高峰，造成冲击地压的发生。

(4) 顶板支护不合理。顶板锚索的主要作用是悬吊锚杆与围岩形成的承载拱与深部稳定围岩结合形成较大范围的承载结构，达到锚杆、锚索与围岩共同承载的目的；其次，锚索能提高锚杆对围岩的挤压加固作用。防止因巷道深部围岩离层或弯曲变形而诱发浅部围岩发生冲击地压。原巷道支护锚索垂直顶板布置不利于控制顶板稳定，锚索不能充分发挥悬吊作用，是不合理的。

综上所述，断层破碎带能够释放一部分应力，而仍有很大一部分应力叠加的深部岩层中，形成应力集中区。坚硬顶板与较高的构造应力，使巷道围岩集聚了大量弹性应变能。巷道进尺较大开挖后，围岩悬露面积大，而顶底板强度高、变形小，两帮产生较大的支撑压力且围岩聚集的弹性能不易释放，容易发生冲击地压。巷道左肩锚杆角度布置不合理，支护上出现了空区，给应力释放提供了薄弱点，造成喷层大面积开裂。