柔性蓄能支護防沖技術應用研究

任志新 上官峰 楊歲寒

（1.河南大有能源股份有限公司躍進煤礦，河南省義馬市，472300；2.河南大有能源股份有限公司，河南省義馬市，472300）

柔性蓄能支護防沖技術應用研究

任志新1上官峰1楊歲寒2

（1.河南大有能源股份有限公司躍進煤礦，河南省義馬市，472300；2.河南大有能源股份有限公司，河南省義馬市，472300）

躍進礦沖擊礦壓屬于典型的底板沖擊礦壓，針對底板沖擊嚴重巷道單獨采用錨網索支護防沖效果不好的現象，提出“O”型棚＋錨網索聯合支護方式。運用數值模擬方法對錨網索支護和錨網索＋“O”型棚支護兩種不同支護方式的底板變形、應力分布等進行模擬和礦井巷道變形實時監測數據分析，監測結果表明，錨網索＋“O”型棚聯合支護結構具有抑制沖擊礦壓的作用，適合在具有沖擊礦壓危險的巷道推廣使用。

沖擊礦壓 “O”型棚＋錨網索聯合支護 數值模擬 變形監測

躍進礦沖擊礦壓事故屬于典型的底板沖擊礦壓，主要影響因素包括開采深度、頂板巖層結構和煤巖體的沖擊傾向性等。目前，錨網索支護一般適合在頂板和兩幫采用，巷道底板采用錨網索支護的技術還不成熟，對于底板沖擊嚴重的巷道單獨采用錨網索支護結構防沖效果不理想。根據實際情況，在躍進礦沖擊礦壓嚴重的23130工作面進風巷決定采用36U型鋼“O”型棚＋錨網索聯合支護。

1 柔性蓄能支護體系原理

柔性蓄能支護防沖結構體系是在沖擊震動巷道圍巖“強－弱－強”結構控制理論的基礎上提出的。具體措施是巷道開挖后采用錨網索支護形成圍巖的強結構，提高抗沖擊的能力，充填結構和“O”型棚支護形成雙重可縮的柔性結構，并對巷道兩幫、底板的高應力集中區域采用爆破、煤層注水和大直徑鉆孔卸壓等設置弱結構。這樣不但減弱了巷道圍巖的沖擊危險，而且當在外界應力波擾動（包括爆破、頂板斷裂等）下發生沖擊礦壓時，弱結構能夠吸收部分應變能。雙重可縮性柔性結構也可以發生變形釋放部分能量，增強巷道的抗沖和防沖能力。柔性蓄能支護結構防沖原理見圖1。

圖1 圍巖柔性蓄能支護體系

2 柔性蓄能支護數值模擬分析

2.1 模型的建立

對采用錨網索支護和錨網索＋“O”型棚支護兩種方案進行對比。錨網索支護巷道采用梯形斷面，寬4.5m，巷道中心高4.5m，“O”型棚支護采用圓形斷面，直徑4.5m。模型寬90m，高110m，煤層厚度取11m，其它參數以躍進煤礦實際地質條件為基礎。錨網索支護體與“O”型棚之間的充填物采用降低材料強度參數的方法解決。具體模型見圖2。巷道開挖后，針對兩種支護結構應力分布進行對比，為選擇正確的支護結構提供依據。

圖2 兩種巷道支護模型

2.2 應力分布規律

兩種支護方案巷道底板水平應力和垂直應力分布見圖3。

從模擬數據結果看出，錨網索＋“O”型棚聯合支護時底板水平應力最大值27.50MPa，最小垂直應力9.42MPa，應力差18.09MPa；錨網索支護底板水平應力最大值32.09MPa，最小垂直應力11.07MPa，應力差21.02MPa。由于錨網索＋“O”型棚聯合支護結構的煤壁與“O”型棚之間充填密實，巷道近似為圓型斷面，使圍巖的應力分布發生變化，底板水平應力集中程度小于梯形棚支護的底板水平應力，錨網索＋“O”型棚聯合支護結構在一定程度上具有抑制沖擊礦壓的作用，適合底板沖擊礦壓嚴重的巷道。

圖3 兩種支護方案巷道底板應力分布

3 工程實例

3.1 巷道變形量監測

23130工作面是躍進煤礦23采區下山采區部分的第三個工作面，工作面進風巷沿頂板布置，采用梯形斷面，工作面支護采用了36U型鋼“O”型棚＋錨網索聯合支護方式，巷道設計寬度5000mm，巷道中心線高度5050mm，頂板布置7根?18mm×1900mm鋼筋樹脂錨桿、3根?17.8 mm×8000mm鋼絞線錨索，上幫布置8根?18 mm×1900mm鋼筋樹脂錨桿，下幫布置7根?18 mm×1900mm鋼筋樹脂錨桿。“O”型棚直徑5000 mm，厚度150mm，由6節組成。“O”型棚與煤壁之間充填圓木、袋裝粉煤灰等。為了研究“O”型棚受到沖擊后的抗沖能力，在23130工作面下巷施工期間設置12個測點，對頂底板、兩幫位移量進行監測，實時掌握巷道的變形量及變形速度。根據錨網索段1＃～3＃測點和“O”型棚段4＃～12＃測點監測數據，各測點頂底板、兩幫平均每日位移量見表1。

根據數據分析，巷道頂底板變形量一般大于兩幫位移量，說明底板水平應力較大。由于錨網索段距巷道開始位置較近，巷道基本穩定，巷道變形量較小，“O”型棚段測點距離巷道工作面較遠，變形量除個別測點變形量較大，其它測點變形不大。

表1 各測點頂底板、兩幫平均每日位移量

23130工作面下巷施工期間中部區段爆破誘發了5次沖擊礦壓，對沖擊后的沖擊發生區域長100m的巷道變形進行測量，設置10個測點，巷道位移見表2，巷道位移變化見圖4。根據統計，發生5次沖擊區域的“O”型棚發生明顯的收縮變形，寬度平均變形0.81m，高度平均變形0.83m，總的變形趨勢是頂底板位移量大于兩幫位移量，總的位移量較大。

表2 沖擊區域位移變化

圖4 沖擊礦壓區域“O”型棚位移變化

根據巷道位移監測研究說明，發生沖擊時，錨網索＋“O”型棚支護結構發生較大的收縮變形，但能保持整體結構完好，說明此支護結構適合在沖擊礦壓危險巷道使用。

3.2 支護防沖效果

23130進風巷在掘進期間曾發生7次由于爆破誘發的沖擊，尤其是在中部區域300m的范圍發生了5次沖擊后，又在此范圍發生一次能量為2.17×107J的沖擊。沖擊礦壓事故發生后，巷道變形比較大，“O”型棚節間搭接部分發生明顯收縮滑動，最大滑移量達到1m，除個別區域的O型棚由于背板不實發生折斷，大部分“O”型棚整體基本能保持完好，掘進期間的沖擊沒有影響施工，沖擊后兩天即恢復生產。

4 結論

錨網索＋“O”型棚聯合支護結構中的充填體和“O”型棚支護可形成雙重可縮的柔性結構，當在外界應力波擾動（包括爆破、頂板斷裂等）下發生沖擊礦壓時，雙重可縮性柔性結構發生變形釋放部分能量，增強了巷道的抗沖和防沖能力。經過理論分析和現場實踐說明，錨網索＋“O”型棚復合支護結構值得在具有底板沖擊地壓危險的礦井中推廣應用。

［1］ 史煥發，王守海.軟巖深部聯合支護方式研究［J］.中國煤炭，2010（7）

［2］ 曲效成，姜福興，于正興等.基于當量鉆屑法的沖擊地壓監測預警技術研究及應用［J］.煤炭學報，2011（11）

［3］ 姚精明，閆永業，李生舟等.煤層沖擊傾向性評價損傷指標［J］.煤炭學報，2011（2）

［4］ 高明仕.沖擊礦壓巷道圍巖的強弱強結構控制機理研究［D］.徐州：中國礦業大學，2006

［5］ 賀虎，竇林名，鞏思園等.巷道防沖機理及支護控制研究［J］.采礦與安全工程學報，2010（1）

Application of flexible support with energy storage to prevent rock－burst

Ren Zhixin1，Shangguan Feng1，Yang Suihan2
（1.Yuejin Coal Mine of Henan Dayou Energy Company Ltd.，Yima，Henan 472300，China；2.Henan Dayou Energy Company Ltd.，Yima，Henan 472300，China）

The rock－burst of Yuejin Coal Mine belongs to typical rock－burst in floor strata.Aimed at a bad effect of bolt－wire mesh support for the roadways with serious floor outburst，the combined support by“O－shape shed and bolting－wire mesh”was put forward.The numerical simulation was used to study floor deformation，stress distribution and so on under two different supporting systems，and the real－time monitoring was carried out on the roadway deformation.The results showed that the combined support could inhibit the rock－burst and be widely applied to the roadways with rock－burst risk.

rock－burst，combined support by O－shape shed and bolting－wire mesh，numerical simulation，deformation monitoring

TD353.6

B

任志新（1986－），男，河南義馬人，畢業于中國礦業大學采礦工程專業，現任躍進煤礦防沖監測科技術員。

（責任編輯 張毅玲）