冲击能量下锚固围岩的损伤及控制研究

陈金宇 吴拥政 吴同性 杨运峰 孙小岩

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京市朝阳区，100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；3.河南大有能源股份有限公司，河南省义马市，472300；4.义马煤业集团股份有限公司，河南省义马市，472305)

随着我国煤矿开采深度、强度和范围的扩大，冲击地压发生频次和破坏程度愈加强烈，近年来研究发现，大多数冲击地压发生在巷道中。据不完全统计，我国共有200多座冲击地压矿井，主要分布在山东、河南、黑龙江、辽宁、四川等省份。对于冲击地压巷道维护，国外普遍采用巷帮充填和架后充填配套技术和工艺，国内普遍采用锚网、架棚、注浆和大吨位支架进行联合支护，但支护效果不理想，围岩变形量大，破坏严重，锚杆、锚索支护体系严重破坏，回采巷道服务期间反复维修。因此，冲击地压巷道围岩控制及防冲技术一直是国内外学者研究的重点。

卢爱红等在巷道冲击破裂的层裂屈曲模型基础上研究应力波对围岩的破坏机理。康红普等提出冲击地压巷道支护形式选择原则，介绍了冲击地压巷道锚杆支护参数设计方法，提出锚杆与锚索支护为主、金属支架为辅的复合支护方式。潘一山等针对冲击地压巷道，提出提高支护刚度和快速吸能让位支护思路。姜耀东等分析了放炮震动诱发煤矿巷道动力失稳的机理。顾金才等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。高明仕等提出冲击地压巷道的强弱强结构模型，并利用能量平衡理论对支护参数进行了研究和验证。鞠文君计算得出了锚杆支护主要构件吸能指数，给出了能量校核设计法应用实例。苏承东等提出掘进施工采用短掘锚作业、及时锚网喷索支护、挂网等，消除和缓解冲击地压的危害。贺虎等研究了巷道围岩与锚固体受冲击载荷的动载与变形特征，指出冲击矿压巷道支护体应具备主动让压功能。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。义马矿区作为我国冲击地压的典型矿区，在冲击地压巷道支护方面进行过研究和试验。本文针对义马矿区耿村矿发生冲击地压的巷道，通过现场实测的方法，对冲击地压后巷道围岩结构和强度、锚固性能进行实测分析。在掌握冲击能量对围岩及锚固支护体系破坏机理的基础上，提出适合冲击地压回采巷道围岩的锚网控制技术，丰富和促进了冲击地压回采巷道支护技术的发展。

1 地质概况

河南大有能源股份有限公司耿村煤矿为典型的冲击地压矿井，自2010年于13190上巷首次发生冲击地压现象以来，随着矿井开采深度的不断增加，现记录在案的冲击地压事件共12次。冲击地压由开始时的局部微小破坏逐步发展为巷道破坏性冲击。其中2015年12月22日10时42分，根据渑池县地震局发布的《震情初步核实情况报告》，渑池县果园乡政府附近发生里氏2.4级塌陷性地震，诱发13230回采工作面下巷发生强烈的冲击地压，造成13230下巷端头至前方约160 m范围内的巷道瞬间发生破坏，主要表现为两帮整体收缩2.5 m左右、顶板下沉1.0 m、底板起底约2.1 m，液压抬棚严重变形、弯曲折断，井下设备损坏严重。

13230工作面平均埋深约622 m，主采2-3煤层，倾角为11°～13°，厚度10.2 m。煤层顶部存在厚约380 m的巨厚砾岩层，与煤层间距为240 m，处于冲击地压危险区域。2-3煤层顶底板围岩岩性如图1所示。

图1 13230工作面顶底板围岩柱状图

2 冲击地压巷道围岩结构及强度现场测试

冲击地压发生后，随着巷道推进修复过程中，分别在距离13230工作面端头150 m和145 m布置了2组测站，对13230下巷发生冲击破坏后围岩的强度和结构进行原位测试，如图2所示。

图2 13230下巷测站布置图

由图2可以看出，测点1距回采工作面。巷道具体位置的变形情况如下：左帮移近850 mm，右帮移近1300 mm，顶板下沉1140 mm，底鼓1200 mm。U型棚被冲击变形，顶左侧U型棚与液压台棚接触处被冲平，且此处卡锁被崩断，液压台棚被冲击向巷道内侧倾斜，局部锚杆托板变形，锚索尾部被冲散。测试点1的围岩结构观测图及强度测试结果如图3和图4所示。

由图3可以看出，13230下巷发生冲击地压后，巷道两帮煤体和顶板表面破坏十分严重。在巷帮和顶板布置直径56 mm、深10 m的钻孔，采用CXK12(A)钻孔成像仪对冲击后围岩内部结构进行原位观测。钻孔浅部约2.5 m范围内的围岩破碎严重、呈碎渣状。钻孔深部裂隙、离层等较为发育，节理和裂隙等不连续面较发育，极大弱化了岩层的整体强度和结构。

图3 13230下巷冲击后围岩结构窥视图

图4 测点1顶板及煤体强度测试结果

由图4可以看出，掘进期间对2-3煤体及顶板泥岩进行原位强度测试，2-3煤抗压强度约为14.8 MPa，顶板泥岩抗压强度约为25.8 MPa。13230下巷发生冲击地压后，顶板泥岩原位测试强度约为6.9 MPa，巷帮2-3煤强度约为5.9 MPa。顶板泥岩冲击后强度下降了73.3%，两帮煤体强度下降了63.6%。冲击地压导致巷道围岩结构和强度降低，进而造成整个锚固系统失效。

3 冲击地压巷道围岩锚固性能现场测试

冲击地压发生后，为满足工作面的正常生产需求，对13230下巷冲击地压地段起底刷帮。修巷后巷道断面为矩形，巷道使用的锚杆技术参数为：钢号BHRB500，直径22 mm，长2.4 m，锚杆预紧扭矩≥300 N·m；锚索技术参数为：直径18.9 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度分别为6300 mm和4300 mm，要求锚索初始张拉不低于250 kN，预紧力损失后不低于200 kN。修巷后，在上述测点布置了2组测试，对修巷后巷道锚杆锚索的锚固力分别进行检测，测试结果见表1。

由表1可知，扩巷后巷道围岩锚固力约为120 kN，和原岩进行锚网支护时现场测试的锚杆锚固力190 kN相比，下降了36.8%，说明冲击发生后巷道围岩破坏范围较广，扩巷后锚固力仍较低。锚索锚固力132 kN左右，这与围岩结构调查与强度测试结果相吻合，围岩在10 m范围内结构已经完全破坏，强度也大幅度降低。

13230下巷修巷时现场提取的锚杆锚固端脱粘情况如图5所示。由图5可以看出，杆体和锚固剂之间的第一界面的粘结强度基本不受围岩强度和结构的影响，只受锚固剂与杆体外形的影响，其粘结强度较高。但由于冲击后煤岩体的松散破碎，锚固剂与煤岩体粘结的第二界面很容易在高预紧力作用下脱落，造成整个支护体系的失效。

表1 13230修巷时巷道围岩锚固性能现场测试

图5 锚固界面及脱粘情况

4 修复方案

要保证巷道修复的效果，必须改善第二锚固界面的粘结强度，才能保证整个锚网支护体系的强度。顶板采用全长预应力锚杆配合鸟笼锚索支护，两帮锚杆实现全长锚固较为困难，采用短的鸟笼锚索支护来提高第二界面的粘结面积，从而提高锚固力，为高预紧力的施加提供基础。鸟笼锚索加工图如图6所示。

4.1 顶板支护

锚杆采用钢号为500号、直径22 mm、长度2.4 m的左旋无纵筋螺纹钢筋，杆尾螺纹为M24；采用一支MSK2335和二支MSM2360树脂锚固剂全长锚固，钻头直径为30 mm，锚固长度1971 mm；锚杆排距900 mm，间距800 mm，每排布置7根锚杆；锚杆预紧扭矩≥400N·m，禁止超过550 N·m；

锚杆托板尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，承载力不低于255 kN，配合高强螺母、调心球垫和尼龙垫圈。采用W型钢护板护表，宽280 mm，长450 mm，厚度不低于5 mm，肋高不低于25 mm。

图6 鸟笼锚索加工图

4.2 巷帮支护

巷帮采用全鸟笼锚索支护，直径18.9 mm，长度4300 mm，钻头直径36 mm。采用一支MSK2835和两支MSZ2860树脂锚固剂加长锚固；锚索间距为900 mm，排距为900 mm，每帮每排打设4根鸟笼锚索；锚索的附件及护表构件与顶板相同。锚索初始预紧力≥250 kN。

5 矿压观测

13230下巷围岩表面位移监测曲线如图7所示。由图7可以看出，在巷道刚修复完成后10 d内，巷道表面变形十分迅速，顶底板平均变形速度在3.65 mm/d左右，两帮变形速度在4.89 mm/d左右。随着维修工作面的推进，巷道表面围岩变形速度不断降低，45 d后巷道变形基本趋于稳定状态，围岩表面总体变形速度在0.14 mm/d以下，两帮总位移量为83 mm，顶底板总位移量为58 mm左右，围岩整体控制效果良好。

锚杆受力监测曲线如图8所示。由图8可以看出，巷道刚扩修完成15 d左右，锚杆受力随时间呈快速增长趋势。巷道扩修28 d后，锚杆受力出现剧烈波动，主要由于锚杆杆体受周围岩体内部应力重新分布调整而产生压缩、回弹的反应过程。修复完成47 d以后，锚杆受力基本稳定，这与巷道围岩表面位移变化时间基本一致。锚杆最大受力稳定在84 kN，锚索达到220 kN，受力达到稳定状态。

综上所述，13230下巷修巷期间两帮移近量为83 mm，顶底板移近量为58 mm，锚杆(索)受力稳定且还有一定承载空间，完全可以满足工作面回采的超前支承压力。加长预应力强力锚杆、鸟笼锚索支护能够有效地控制围岩变形。

图7 13230下巷围岩表面位移监测曲线

图8 锚杆受力监测曲线

6 结论

(1)通过冲击后巷道的围岩窥视及强度测试可见，在锚杆锚索锚固范围内围岩已经全部破碎，顶板泥岩原位测试强度约为6.9 MPa，巷帮强度约为5.9 MPa。顶板泥岩冲击后强度下降了73.3%，两帮煤体强度下降了63.6%。

(2)通过对冲击破坏后巷道维修时新打的锚杆锚索的锚固力进行测试，锚杆锚固力约为120 kN，和原岩进行锚网支护时现场测试的锚杆锚固力190 kN相比，锚固力下降了36.8%，锚索锚固力在132 kN左右。冲击地压发生后，围岩体的结构和强度遭到极大破坏，锚固第二界面已经无法满足高预紧力的要求，普通锚网支护无法实施。

(3)采用加长锚固高预应力强力锚杆、配合鸟笼锚索联合支护，增加第二锚固界面的粘结面积，为锚杆锚索初期施加高预紧力提供基础，有效提高破碎围岩体锚固系统抵抗冲击载荷的能力，现场矿压监测数据表明，实施效果显著。