大埋深沖擊地壓礦井矢量應(yīng)力在支護(hù)體系中的應(yīng)用

王志寶 閆春來(lái)

（山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司，山東 兗州 273100）

1 概述

星村煤礦位于濟(jì)寧市兗州區(qū)以東約15 km，曲阜市西南約10 km，曲阜市陵城鎮(zhèn)附近。井田范圍東起嶧山斷層，西至曲阜井田的31 勘探線，北以F40 斷層為界，南以滋陽(yáng)斷層與興隆莊井田和東灘井田相鄰。礦井于2003 年2 月開工建設(shè)，2006 年10 月投產(chǎn)。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為45 萬(wàn)t/a，2015 年核定生產(chǎn)能力為90 萬(wàn)t/a。

星村煤礦是山東省乃至全國(guó)典型的大埋深沖擊地壓礦井，部分區(qū)域埋藏深度超過(guò)1200 m，屬深部開采礦井。該礦委托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定開采的三煤具有強(qiáng)沖擊傾向性，采掘過(guò)程中有煤炮動(dòng)力現(xiàn)象。礦井自投產(chǎn)以來(lái)曾發(fā)生過(guò)幾次沖擊地壓事故，給企業(yè)帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。礦井沖擊地壓事故難防難治，最主要的手段是強(qiáng)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)卸壓、強(qiáng)支護(hù)，其中又以強(qiáng)支護(hù)為重中之重。如何經(jīng)濟(jì)有效地對(duì)煤巷進(jìn)行支護(hù)，優(yōu)化支護(hù)體系的同時(shí)保證支護(hù)的強(qiáng)度是首要問(wèn)題。

以星村煤礦七采區(qū)為例，煤巷巷道開掘過(guò)程中，后部已支護(hù)巷道頻繁出現(xiàn)錨索支護(hù)失效現(xiàn)象。針對(duì)此問(wèn)題提出矢量應(yīng)力的概念并對(duì)現(xiàn)有支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，確保礦井煤巷掘進(jìn)安全生產(chǎn)。

2 矢量應(yīng)力的提出

2.1 矢量應(yīng)力的概念

通常采用三個(gè)法向應(yīng)力來(lái)表示煤體的應(yīng)力環(huán)境：σ1、σ2、σ3分別代表最大、中間、最小三個(gè)主應(yīng)力，相應(yīng)用σv、σH、σh分別代表垂向、水平最大、水平最小主應(yīng)力。

根據(jù)煤受力的現(xiàn)象，將矢量應(yīng)力的概念概括為既有大小又有方向的應(yīng)力。矢量應(yīng)力劃分為水平應(yīng)力分量和垂直應(yīng)力分量。圍巖應(yīng)力具有方向性，既有垂直應(yīng)力分量，又有水平應(yīng)力分量，相對(duì)應(yīng)的分量對(duì)支護(hù)作用不同，破壞能力也不相同。

（1）一般巷道應(yīng)力分布情況

一般情況下，巷道掘進(jìn)后，附近無(wú)地質(zhì)構(gòu)造影響時(shí)，圍巖應(yīng)力分布情況如圖1，應(yīng)力垂直于巷道頂?shù)装濉蓭图坝^。

圖1 一般巷道應(yīng)力分布情況圖

（2）七采區(qū)煤巷應(yīng)力分布情況

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，七采區(qū)煤巷水平應(yīng)力近似于垂直應(yīng)力的2 倍，如圖2。

圖2 七采區(qū)煤巷應(yīng)力分布情況圖

受巷道周圍地質(zhì)構(gòu)造影響，斷層上、下盤相互擠壓作用以及褶曲構(gòu)造擠壓作用，巷道圍巖應(yīng)力的水平分量較大。原來(lái)支護(hù)應(yīng)用的懸吊理論只考慮了應(yīng)力的垂直分量，未對(duì)應(yīng)力水平分量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，因此，在應(yīng)力水平分量大于支護(hù)錨桿、索的抗剪能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)破斷情況。

2.2 地應(yīng)力測(cè)試

依據(jù)地應(yīng)力測(cè)量報(bào)告，兩個(gè)原巖應(yīng)力點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果：最大主應(yīng)力為68.46～68.56 MPa，為最大水平應(yīng)力；中間主應(yīng)力49.63～54.69 MPa，最小主應(yīng)力34.92～35.23 MPa，平均35.01 MPa，可認(rèn)為垂直應(yīng)力。該巷道的平均埋藏深度為1220 m，按理論計(jì)算垂直應(yīng)力（γH）為30.5 MPa。實(shí)測(cè)的垂直應(yīng)力大于理論計(jì)算的垂直應(yīng)力，如圖3。

圖3 地應(yīng)力示意圖

2.3 巷道支護(hù)失效原因分析

七采區(qū)煤巷掘進(jìn)巷道錨索破斷位置多位于孔口2.0 m 左右，多數(shù)動(dòng)壓下發(fā)生張剪破斷。從錨索斷裂的位置以及中間錨索破斷的情況可以推斷，巷道開挖后頂煤在高水平應(yīng)力作用下所發(fā)生的水平移動(dòng)量非常大，錨桿/錨索提供的約束效應(yīng)不能有效控制頂煤的壓剪破壞，反而因頂煤的壓剪破壞造成支護(hù)體的破壞，給安全帶來(lái)隱患。因此通過(guò)矢量應(yīng)力的提出，在考慮支護(hù)設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)同時(shí)考慮水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的大小，針對(duì)不同的應(yīng)力分量采取不同的支護(hù)措施。

3 支護(hù)優(yōu)化研究

3.1 支護(hù)優(yōu)化形式選擇的原則

（1）錨桿與錨索支護(hù)優(yōu)先原則

錨桿與錨索已成為煤礦巷道主體支護(hù)方式，對(duì)于沖擊地壓礦井的掘進(jìn)巷道也應(yīng)優(yōu)先選用錨桿與錨索支護(hù)。

（2）及時(shí)、主動(dòng)支護(hù)原則

巷道開挖后圍巖一旦揭露，無(wú)論從空間還是時(shí)間上都應(yīng)立即進(jìn)行錨桿支護(hù)。一方面，要給錨桿、錨索施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍。

（3）支-卸相結(jié)合原則

高應(yīng)力與沖擊載荷是沖擊地壓巷道圍巖變形、破壞的根本驅(qū)動(dòng)力，因此，采用有效的卸壓措施降低圍巖應(yīng)力和沖擊載荷，能起到各種支護(hù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的作用。

（4）相互匹配原則

各種支護(hù)構(gòu)件，包括錨桿、錨索、金屬支架及支柱等的力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，避免各個(gè)擊破，最大限度發(fā)揮巷道支護(hù)的整體作用。

3.2 支護(hù)優(yōu)化方案的核心

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖揭露后立刻采用臨時(shí)支護(hù)，在巷道掘進(jìn)一個(gè)臨時(shí)支護(hù)距離后，對(duì)巷道兩幫幫頂位置進(jìn)行卸壓，卸壓后再進(jìn)行永久支護(hù)。之后每掘進(jìn)一個(gè)臨時(shí)支護(hù)距離循環(huán)以上操作，保證支護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.3 支護(hù)方案優(yōu)化

（1）全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固錨索

注漿錨索一直作為巷道圍巖密封技術(shù)使用，而未對(duì)其抗剪能力進(jìn)行過(guò)研究及應(yīng)用。注漿錨索抗剪能力大，適用于矢量應(yīng)力水平分量較大的地質(zhì)條件。一般鋼絞線的抗剪強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的60%，300 kN左右。對(duì)鋼絞線在不同的預(yù)緊力條件下進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著預(yù)應(yīng)力提高，鋼絞線抗剪切性能逐步降低。施加20 t 的預(yù)緊力，鋼絞線的抗剪強(qiáng)度降低了28.6%。

對(duì)錨索進(jìn)行注漿，然后進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，錨索的破斷力為680 kN，錨索的抗剪力為448 kN，抗剪能力提升了近2 倍。

（2）加粗錨索

使用大直徑錨索也能提升其抗剪強(qiáng)度，使用Φ28 mm 錨索代替Φ22 mm 錨索進(jìn)行支護(hù)，抗剪強(qiáng)度得到了有效提高。

（3）深孔爆破

當(dāng)巷道水平應(yīng)力過(guò)大時(shí)，為進(jìn)一步提高巷道支護(hù)的安全系數(shù)，在原有的對(duì)煤層采取的卸壓措施基礎(chǔ)之上，增加頂板深孔爆破卸壓措施，以減弱水平應(yīng)力。

相關(guān)參數(shù)：鉆孔直徑42 mm；爆破孔與水平方向夾角為55°～75°，偏向非回采幫；爆破孔位置在巷道頂板，在非回采幫向回采幫0.5～3.0 m處施工；孔深13 m，孔間距（3±0.5） m；每孔裝8 卷煤礦許用二級(jí)水膠炸藥，炸藥規(guī)格為Φ27 mm×400 mm×300 g，PVC 管未裝藥段全用炮泥封堵；炮眼用黃土炮泥或速凝水泥封孔，封孔長(zhǎng)度不小于眼深的1/3；裝藥采用正向裝藥并將腳線引至孔外進(jìn)行串聯(lián)；使用內(nèi)徑30 mm、壁厚為1 mm 的PVC 管包裹水膠炸藥；毫秒延期同段電雷管2 發(fā)/孔，每4卷炸藥包含一個(gè)炮頭，最后一段毫秒延期電雷管的延期時(shí)間不超過(guò)130 ms，采用MFB-100/200 型發(fā)爆器起爆，一次起爆不得超過(guò)10 個(gè)孔。

3.4 矢量應(yīng)力的應(yīng)用

一般錨索的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 一般錨索的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)支護(hù)優(yōu)化形式選擇的原則結(jié)合巷道失效的現(xiàn)狀，通過(guò)錨索抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)巷道支護(hù)采取如下方式：

（1）當(dāng)矢量應(yīng)力水平分量很大，超過(guò)240 kN 時(shí)，使用注漿錨索進(jìn)行支護(hù)。此時(shí)注漿錨索能夠有效地抵抗高應(yīng)力水平分量，巷道支護(hù)有效，未出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

（2）當(dāng)矢量應(yīng)力水平分量較大，在210～240 kN 范圍時(shí)，使用注漿錨索+讓壓錨索聯(lián)合的方式進(jìn)行支護(hù)，如圖4 所示。

圖4 讓壓錨索支護(hù)示意圖（mm）

圖5 巷道優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)圖及頂板支護(hù)示意圖（mm）

（3）當(dāng)矢量應(yīng)力水平分量較小，小于210 kN時(shí)，使用讓壓錨索進(jìn)行支護(hù)。

4 效果分析

（1）矢量應(yīng)力的應(yīng)用有效地解決了大埋深沖擊地壓礦井煤巷支護(hù)應(yīng)力分布不均問(wèn)題。根據(jù)地應(yīng)力的不同結(jié)合矢量應(yīng)力概念優(yōu)化支護(hù)方式。

（2）深孔卸壓爆破結(jié)合不同的支護(hù)方式可以有效地減弱水平應(yīng)力，提高深井支護(hù)強(qiáng)度。

（3）根據(jù)巷道不同的水平應(yīng)力分量選擇不同的支護(hù)方式，在保證強(qiáng)度及安全的前提下節(jié)省了費(fèi)用，有效地提高了礦井支護(hù)水平。