高應力高瓦斯作用下煤巷防沖技術探析

郭海洋 董洪濱

(河南能源義煤集團耿村煤礦,河南澠池 472431)

高應力高瓦斯作用下煤巷防沖技術探析

郭海洋 董洪濱

(河南能源義煤集團耿村煤礦,河南澠池 472431)

深井煤巷高瓦斯、高應力的存在會加速圍巖分區破裂化,造成應力集中和彈性能的集聚,文章分別分析了高瓦斯、高應力對巷道圍巖變形破壞的影響,并介紹了一種二者共同作用下煤巷的防沖技術,望對相關工作實施有所借鑒。

高瓦斯 高應力 煤巷 防沖

深部開采所面臨的一個重要問題就是動力災害嚴重，尤其是沖擊地壓，進入深部開采以后，圍巖應力和瓦斯含量直線增加，而且由于高應力對圍巖的影響，圍巖大多處于壓閉狀態，瓦斯集中在煤巖體中，瓦斯壓力升高，煤巖體中集聚了大量的能量，一旦受到采掘活動的影響，達到某種條件，煤巖體中所集聚的能量就會瞬間釋放，能量吸收和釋放不均衡，便會發生沖擊地壓等類似動力災害。

1 深井煤巷

巷道煤巖體同時具有彈性和塑形的物力力學性質，并且很容易受到高瓦斯與高應力的影響，這些都是直接誘導沖擊地壓發生的本質條件。

1.1 高瓦斯對巷道圍巖變形的影響

瓦斯在煤巖體中的存在形態有兩種，即游離態和吸附態，兩種形態在煤巖體中可以相互轉化，處于動態平衡之中，并且會以力學和非力學的形式作用于煤巖體。游離態的瓦斯在煤巖體中產生瓦斯壓力，瓦斯壓力與煤巖體對瓦斯的影響是雙向的，而且瓦斯狀態對煤巖體的狀態變化非常敏感，僅僅是微小的變化也能使瓦斯產生劇烈的影響，進而瓦斯對煤巖體也會直接產生力學與非力學的影響。

巷道開挖必然引起應力的重新分布，導致部分區域出現應力集中現象，此集中應力一旦超過巷道圍巖的承受極限，巷道就會發生破壞，巷道圍巖大多是以層裂結構的形式破壞，產生分區破裂，除高應力作用以外，瓦斯在其中也扮演了重要的角色，瓦斯對巷道圍巖的破壞有兩個方面，低瓦斯壓力的開裂作用，高瓦斯壓力的高壓突出。巷道圍巖的分區破裂現象類似沖擊地壓發生時的圍巖破壞，所以說分區破裂為沖擊地壓的發生創造了條件。

1.2 高應力對圍巖巷道變形的影響

高應力是深部礦井的一大特點，圍巖應力的增加和應力集中加速了圍巖的變形，初期變形較快，此后慢慢衰減直至達到平衡，并且深部巷道圍巖具有較強的流變性，巷道圍巖在高應力的作用下破壞形成了松動區和塑形區，這是圍巖分區破裂化的一種表現。深井圍巖對應力擾動特別敏感，受到采掘擾動后會破壞巷道圍巖所形成的暫時平衡狀態，較之前次圍巖變形破壞會更加劇烈，再次達到穩定需要更長的時間。沖擊地壓的發生一主要表現特征就是能量的突然釋放，受深部礦井的高應力的影響，圍巖中集聚大量的能量，為沖擊地壓的發生提供了根本的能量條件，較淺部礦井，其發生頻率和強度都大大增加。

1.3 高應力、高瓦斯參與的沖擊地壓的機理

高應力、高瓦斯作用下使得煤壁出現層裂結構，進而使煤巖體失穩，這是沖擊地壓發生的根源之一。結合煤巖體的變形破壞特征，總結了高應力、高瓦斯參與的沖擊地壓的機理，高瓦斯以力學和非力學的形式作用于煤巖體，改變煤巖體結構，促使裂隙的發展，降低圍巖的強度，同時高應力的作用加速圍巖分區破裂，二者相互促進，共同作用之下會大大加速煤巖體的破壞，造成應力集中和彈性能的集聚，為沖擊地壓的發生創造了良好的條件。

2 深井沖擊地壓煤巷防治技術

深井煤巷沖擊地壓防治可通過巷道圍巖全斷面錨注支護+深孔卸壓爆破的手段。

(1)錨注支護的作用可以概括以下幾個方面：首先錨注可以封閉圍巖裂隙，改變圍巖力學特性，提高煤巖體的內聚力和內摩檫角，使圍巖形成一個整體，增加自身的承載能力，其次注漿封閉的圍巖還可以隔絕水源和空氣對煤巷的侵蝕、風化，間接的保護了煤巖體的承載能力。其次，錨桿支護具有一定的柔性，可吸收一定的圍巖變形，在承受一定沖擊力的情況下，還具有較強的承載能力。再者，全斷面錨注支護可改變圍巖受力狀態，使破碎圍巖由二向應力狀態又恢復了原先的三向應力狀態，還能夠補強幫角、底角等關鍵部位。最后，錨注支護所注入的漿液可以充填瓦斯或應力破壞所留下的裂隙，較少彈性能的集聚，減緩沖擊地壓的發生。

(2)在全斷面錨注支護的基礎上結合深孔卸壓爆破，在巷道圍巖深處進行卸壓爆破，使圍巖破裂，釋放周圍瓦斯和集聚的彈性能，轉移巷道高應力，減小卸壓爆破區域圍巖的強度，并且在受到外界沖擊地壓的情況下，經過卸壓爆破的圍巖能夠充當柔性層，吸收一定的沖擊能量，減少到達巷道支護的能量。這樣巷道錨注支護+卸壓爆破區域+深部圍巖骨架組成強弱強的大結構，從而減緩或防治沖擊地壓的發生。

2.1 力學角度分析支護效果

深孔爆破會改變圍巖內部應力狀態，迫使高應力向內部轉移，并且爆破所產生的裂隙也為瓦斯的轉移創造了條件，使得高瓦斯原理巷道表面，容易被排放，減少瓦斯對煤巖體的破壞，同時巷道的全斷面注漿加固，使得巷道開挖所造成的圍巖破碎重新膠結形成一個統一的整體，提高圍巖的強度和自身的承載能力，降低巷道發生沖擊礦壓的可能性。

2.2 能量角度分析支護效果

由沖擊礦壓的能量理論可以知道，沖擊礦壓的發生是圍巖集聚的大量彈性能瞬間釋放所造成的圍巖大規模破壞，深孔爆破能夠釋放圍巖所集聚的高應力能量，使得高應力向圍巖內部轉移，并且爆破過程也會消耗一部分的彈性能。其次，深孔爆破形成的區域，強度低，有一定的柔性，在受到外部能量沖擊的過程中，能夠吸收一部分能量，到達巷道支護表面的能量就會大大減少，并且錨注支護的圍巖也會消耗一部分的能量，沖擊能量被陸續削弱之后，所剩下的能量基本上不會對巷道產生破壞，從能量角度分析該支護能夠達到支護效果。

3 結語

深部開采的地質條件更加復雜，沖擊地壓的預測與防治更加困難，尤其是在高瓦斯、高應力雙高作用下的煤層巷道，沖擊地壓防治重點在于轉移或釋放高應力和改變巷道圍巖的物理力學特性，巷道圍巖全斷面錨注支護+深孔卸壓爆破就是基于兩者基礎上理論提出的局部防突措施，實際應用有待進一步考證。

[1]郭建軍,鄭吉玉.高瓦斯煤層沖擊地壓防止技術探討[J]煤,2012(154)：57-60.

[2]黃浩,陳清國,秦奮,蔡成佩.煤體卸壓爆破技術在沖擊地壓區的應川[J].煤礦安全,2008,55(4)：57-60.

郭海洋,男,(1983.05—),河南淮陽人,畢業于河南理工大學,研究方向：礦井沖擊地壓。