王輝凱

(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 王莊煤礦， 山西 長治市 046031)

隨著煤礦開采層度與深度的不斷增加，沖擊地壓的發(fā)生越來越頻繁，危害性也愈發(fā)嚴(yán)重[1]。沖擊地壓又名巖爆，是一種復(fù)雜的礦山動力現(xiàn)象。沖擊地壓發(fā)生時，能在很短的時間內(nèi)將大范圍的巷道或工作面的煤巖拋出，具有突發(fā)性，危害大的特點。潞安集團(tuán)王莊回風(fēng)大巷2掘進(jìn)200 m左右時，巷道沿頂板較高幫巷肩出現(xiàn)一條長約80 m左右噴層開裂線，在距掘進(jìn)頭10～15 m左右位置能聽到清脆的頂板脆斷聲，并出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，頂板下沉量為120～140 mm。頂板2 m范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)多處破碎和離層現(xiàn)象?；仫L(fēng)大巷在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)頻繁的頂板脆斷聲、片幫、離層、頂板下沉量大等動力現(xiàn)象，沖擊地壓給安全生產(chǎn)帶來很大隱患。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件概況

1.1 地質(zhì)條件概況

王莊礦回風(fēng)大巷2設(shè)計總長度(直線距離)1450.601 m，屬王莊煤礦水平延深工程，服務(wù)于整個+540水平延伸工程。地應(yīng)力測試顯示該區(qū)域最大水平主應(yīng)力為13.55 MPa，最小水平主應(yīng)力為7.47 MPa，垂直主應(yīng)力為8.18 MPa。巷道為斜梯形斷面，埋深450 m，沿3#煤煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面積為20.93 m2，凈斷面積為18.50 m2，噴砼厚度150 mm，支護(hù)形式為全斷面錨網(wǎng)噴+錨索。巷道頂板為約0.1～0.3 m厚的偽頂，往上依次為2.1 m厚灰白色泥巖，3.5 m厚灰色堅硬砂巖、4.0 m厚泥巖、2.5 m厚細(xì)粒砂巖。掘進(jìn)中遇到多個小斷層，斷層高度為9～12 m，頂板有0.5 m3/h的淋水。

1.2 原巷道支護(hù)方式

如圖1所示，王莊回風(fēng)大巷2為斜梯形斷面，荒寬5.3 m，凈寬5 m，采用錨網(wǎng)支護(hù)。主要支護(hù)參數(shù)為：錨桿采用Φ22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，間排距800 mm×800 mm，錨桿預(yù)緊力不小于350 kN，錨固力不小于80 kN；錨索采用Φ18.96 mm×8300 mm鋼絞線，垂直頂板打設(shè)，間排距為2500 mm×1600 mm，預(yù)應(yīng)力不小于200 kN。掘進(jìn)方式為炮掘，每循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，最大空頂距2.4 m。

圖1 原巷道支護(hù)布置

2 巷道圍巖變形特征及成因分析

煤礦開采過程中，沖擊地壓是由于巷道或工作面煤巖在聚集大量彈性能的條件下，受掘進(jìn)、工作面開采或支護(hù)不合理等因素影響導(dǎo)致煤巖突然大量拋出。沖擊地壓常具有突發(fā)性，并常伴隨有巨大聲響、巖體震動、沖擊波等動力效應(yīng)。根據(jù)沖擊地壓的顯現(xiàn)強(qiáng)度可分為4類[2￣3]：彈射,礦震,弱沖擊,強(qiáng)沖擊。王莊礦回風(fēng)大巷2掘進(jìn)中有片幫現(xiàn)象并伴有巨大聲響，按顯現(xiàn)強(qiáng)度屬礦震現(xiàn)象。沖擊地壓破壞性強(qiáng)，必須采取一定措施控制沖擊地壓傾向巷道圍巖穩(wěn)定。因此，分析沖擊地壓巷道的圍巖變形特征及成因，提出有針對性的圍巖控制技術(shù)是十分必要的。

2.1 圍巖變形特征

(1) 巷道累積變形量大，變形速度快。王莊回風(fēng)大巷2掘巷后，圍巖受力狀態(tài)改變引起的集中應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力疊加，使得局部應(yīng)力高度集中，巷道周邊煤巖體產(chǎn)生較大的塑性破壞，巷道短時間內(nèi)變形量急劇增大。

(2) 巷道頂板較深部出現(xiàn)離層與巖層脆斷現(xiàn)象。王莊回風(fēng)大巷2受采動應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力疊加，應(yīng)力高度集中情況下，掘進(jìn)步距大，懸頂面積大，引起頂板較深部圍巖出現(xiàn)離層與巖層脆斷現(xiàn)象。圍巖離層與脆斷產(chǎn)生的沖擊波造成巷道淺部圍巖的急劇破壞，引起構(gòu)造帶不連續(xù)結(jié)構(gòu)面塊體失穩(wěn)。

(3) 巷道斷面內(nèi)變形不均勻性。受斷面形狀、地應(yīng)力方向、構(gòu)造帶分布、圍巖特性等因素影響，王莊回風(fēng)大巷2巷道肩角噴層先發(fā)生破壞，出現(xiàn)噴層剝落；受垂直應(yīng)力影響，巷幫出現(xiàn)片幫現(xiàn)象；受水平應(yīng)力影響，巷道出現(xiàn)底臌量。

2.2 沖擊地壓破壞巷道機(jī)理

國內(nèi)外許多專家、學(xué)者對沖擊地壓破壞巷道的機(jī)理進(jìn)行了大量研究，楊淑清[4]教授在“隧洞巖爆機(jī)制物理模型試驗研究”一文中指出沖擊地壓造成圍巖劈裂破壞和剪切破壞的兩種機(jī)制。劈裂破壞屬于脆性斷裂，而剪破壞是巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度狀態(tài)的破壞；前者形成的破裂面與巷道平行，后者相交。王青海教授等按沖擊地壓形成的力學(xué)表現(xiàn)形式，將沖擊地壓分為劈裂破壞型、剪切破壞型和彎折內(nèi)鼓型三種形式[5￣6]。郭然、于潤滄[7]在分析巖石破壞表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上提出，沖擊地壓破壞巷道的機(jī)理可以歸納為兩種：巖體破裂導(dǎo)致巖體體積膨脹破壞機(jī)理；地震能傳播導(dǎo)致巖塊彈射破壞機(jī)理。

距頂板0.9 m王莊回風(fēng)大巷2受采動應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力疊加應(yīng)力集中，巷道掘進(jìn)懸頂面積大形成懸梁結(jié)構(gòu)頂板巖層聚集大量彈性能，使得巷道淺部圍巖應(yīng)力高于巖體極限強(qiáng)度，巖體內(nèi)產(chǎn)生裂隙擴(kuò)容膨脹，導(dǎo)致淺部圍巖發(fā)生破壞。淺部圍巖破壞釋放一小部分應(yīng)力與彈性能，應(yīng)力向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，引起構(gòu)造帶不連續(xù)塊體彈射和深部圍巖離層或斷裂，對淺部圍巖造成更大程度的破壞。

2.3 沖擊地壓成因分析

影響沖擊地壓的因素有很多種，根據(jù)王莊回風(fēng)大巷2的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境分析，其沖擊地壓的主要原因有如下幾個方面。

(1) 受構(gòu)造應(yīng)力影響。圍巖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及地應(yīng)力等是影響沖擊地壓的主要因素[8]，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造帶，如斷層、褶曲、節(jié)理等，容易產(chǎn)生較高的構(gòu)造應(yīng)力。回風(fēng)大巷在掘進(jìn)中遇到多個小斷層，斷層落差在9～12 m之間，斷層引起巷道局部圍巖應(yīng)力較高，堅硬頂板聚集了大量彈性應(yīng)變能，為沖擊地壓的發(fā)生提供了必要條件。

(2) 頂板圍巖特性?；仫L(fēng)大巷頂板為約0.1～0.3 m厚的偽頂，向上依次為2.1 m厚灰白色泥巖，單軸抗壓強(qiáng)度139.74 MPa，彈性模量16.44 GPa；3.5 m厚灰色堅硬砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度172.60 MPa，彈性模量17.03 GPa。圍巖完整性好，頂板堅硬，節(jié)理不發(fā)育，能夠聚集較大的彈性應(yīng)變能。

(3) 掘進(jìn)進(jìn)尺過大?；仫L(fēng)大巷2每循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，最大空頂距達(dá)到2.4 m。巷道掘進(jìn)進(jìn)尺過大，增加了頂板懸露范圍和時間，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，如不能及時支護(hù)或采取其他有效措施控制巖梁，增加了巖粱斷裂的可能形。巖粱斷裂將會在巖層上形成新的應(yīng)力高峰，造成沖擊地壓的發(fā)生。

(4) 頂板支護(hù)不合理。頂板錨索的主要作用是懸吊錨桿與圍巖形成的承載拱與深部穩(wěn)定圍巖結(jié)合形成較大范圍的承載結(jié)構(gòu)，達(dá)到錨桿、錨索與圍巖共同承載的目的；其次，錨索能提高錨桿對圍巖的擠壓加固作用。防止因巷道深部圍巖離層或彎曲變形而誘發(fā)淺部圍巖發(fā)生沖擊地壓。原巷道支護(hù)錨索垂直頂板布置不利于控制頂板穩(wěn)定，錨索不能充分發(fā)揮懸吊作用，是不合理的。

綜上所述，斷層破碎帶能夠釋放一部分應(yīng)力，而仍有很大一部分應(yīng)力疊加的深部巖層中，形成應(yīng)力集中區(qū)。堅硬頂板與較高的構(gòu)造應(yīng)力，使巷道圍巖集聚了大量彈性應(yīng)變能。巷道進(jìn)尺較大開挖后，圍巖懸露面積大，而頂?shù)装鍙?qiáng)度高、變形小，兩幫產(chǎn)生較大的支撐壓力且圍巖聚集的彈性能不易釋放，容易發(fā)生沖擊地壓。巷道左肩錨桿角度布置不合理，支護(hù)上出現(xiàn)了空區(qū)，給應(yīng)力釋放提供了薄弱點，造成噴層大面積開裂。

3 沖擊地壓巷道圍巖控制技術(shù)

通過對王莊回風(fēng)大巷2沖擊地壓現(xiàn)象成因分析可知，由于采掘、構(gòu)造等因素引起的應(yīng)力高度集中使巷道圍巖集聚了大量的彈性能，當(dāng)圍巖應(yīng)力高于圍巖的極限強(qiáng)度時，圍巖發(fā)生破壞，淺部圍巖表現(xiàn)為圍巖破碎，深部圍巖表現(xiàn)為離層或斷裂。針對沖擊地壓巷道的變形破環(huán)特征與破壞機(jī)理，主要采取以下具體控制技術(shù)。

(1) 減小進(jìn)尺，將循環(huán)進(jìn)尺由2.0 m調(diào)整到1.0 m，降低放炮震動對圍巖影響，減小巷道懸頂面積，降低懸梁結(jié)構(gòu)對圍巖脆斷影響，防止沖擊地壓發(fā)生；

(2) 及時支護(hù)，消除空頂作業(yè)危險，改善圍巖受力狀態(tài)，增加巖粱支點，降低巖粱所受的彎應(yīng)力，防止脆性頂板發(fā)生斷裂。掘進(jìn)后及時進(jìn)行噴漿封閉圍巖，及時進(jìn)行錨桿、錨索支護(hù)；

(3) 控制斷面成形，采用光面爆破，嚴(yán)格控制裝藥量，使巷道斷面盡可能規(guī)則，防止局部應(yīng)力集中，引起片幫；

(4) 調(diào)整關(guān)鍵部位錨桿角度，錨索豎直布置，充分發(fā)揮其懸吊作用。并對頂板變形較大區(qū)域進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng);

(5) 錨桿間排距調(diào)整為700 mm×700 mm，頂板左肩錨桿角度調(diào)整為45°，增加錨桿、錨索支護(hù)密度，防止頂板脆斷。錨索豎直布置，使錨桿形成的壓縮拱與深部圍巖實現(xiàn)共同承載。在巷幫布置錨索，控制高幫，防止片幫事故發(fā)生，如圖2所示。

4 結(jié) 論

(1) 巷道左肩由于錨桿支護(hù)設(shè)計的不合理，形成支護(hù)空區(qū)，成為應(yīng)力釋放點，導(dǎo)致噴層開裂嚴(yán)重。堅硬頂板巷道空頂面積過大，加上錨桿支護(hù)不及時，形成懸梁結(jié)構(gòu)，引起頂板脆斷。

(2) 回風(fēng)大巷2在地應(yīng)力不大的情況下，發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象主要受斷層構(gòu)造應(yīng)力與掘進(jìn)擾動應(yīng)力疊加效應(yīng)以及支護(hù)強(qiáng)度偏弱的影響。

(3) 降低圍巖應(yīng)力集中程度，提高巷道抗沖能力。根據(jù)沖擊地壓破壞巷道機(jī)理，提出縮短進(jìn)尺、及時支護(hù)、控制成形、調(diào)整錨桿、錨索支護(hù)布置等沖擊地壓巷道控制技術(shù)。

圖2 巷道斷面支護(hù)布置

(4) 現(xiàn)場實踐表明，通過采取有效的措施，王莊回風(fēng)大巷2微震現(xiàn)象得到了控制，沒有再發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，并將頂板下沉量控制在60～80 mm，成功解決了王莊巖爆巷道的施工難題。

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