沖擊地壓巷道“卸-支”協(xié)同防控理念與實現(xiàn)路徑

鞠文君，孫劉偉，劉少虹，王書文，杜濤濤

(1.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院,北京 100013;3.煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京 100120; 4.中國中煤能源集團(tuán)有限公司,北京 100120)

0 引 言

我國煤礦沖擊地壓災(zāi)害85%發(fā)生在回采巷道[1]，破壞性強(qiáng)、危害性大，主要原因是巷道近場高應(yīng)力區(qū)煤巖體所受載荷超過其強(qiáng)度極限，積聚的彈性應(yīng)變能瞬間釋放導(dǎo)致巷道劇烈破壞。因此，通過卸壓解除圍巖的高應(yīng)力狀態(tài)，或加強(qiáng)支護(hù)提高圍巖抗沖擊能力，成為巷道沖擊地壓防控的兩大重要途徑。

錨桿支護(hù)是目前最為有效的抗沖擊支護(hù)形式[2]，作為主動支護(hù)形式，錨桿通過施加預(yù)緊力主動提供支護(hù)阻力，實現(xiàn)早期承載；錨桿支護(hù)具備良好的延展性，在與圍巖同步變形中保持一定的支護(hù)阻力，能適應(yīng)沖擊地壓巷道變形大、破壞突然的特點；錨桿支護(hù)具備較高的支護(hù)強(qiáng)度，有能力對圍巖施加高強(qiáng)度、持續(xù)的控制強(qiáng)化作用；錨桿、錨索與配套的托盤、鋼帶、金屬網(wǎng)等支護(hù)構(gòu)件組合成一體，協(xié)調(diào)一致，相互策應(yīng)，與圍巖共同形成穩(wěn)定的抗沖擊承載結(jié)構(gòu)。

采取工程方法弱化巷道周圍煤巖層，可以控制巷道圍巖應(yīng)力，從而達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的[3]。巷道圍巖弱化方法有頂板預(yù)裂爆破、大孔徑鉆孔、水壓致裂等多種形式。煤層爆破卸壓通過煤體內(nèi)部爆破致裂調(diào)整巷道兩幫圍巖應(yīng)力狀態(tài)，是我國沖擊地壓災(zāi)害局部防治最為普遍的方法[4]，但實際應(yīng)用中，爆破后巷道出現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)失效，承載能力降低，斷面收縮等現(xiàn)象[5-6]。由此看來，“爆破卸壓”與“支護(hù)加固”既對立又統(tǒng)一，如何實現(xiàn)兩者的協(xié)同雙效防控沖擊地壓是非常重要的研究課題。筆者通過現(xiàn)場試驗揭示爆破對巷道支護(hù)的損傷效應(yīng)，提出沖擊地壓巷道“卸-支”協(xié)同防控理念原則及實現(xiàn)路徑，為巷道沖擊地壓防治提供新思路。

1 爆破卸壓減沖作用及對巷道支護(hù)的損傷效應(yīng)分析

1.1 煤層爆破卸壓現(xiàn)場試驗

為研究煤層爆破卸壓減沖效果及對巷道支護(hù)的損傷效應(yīng)，在內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司古山煤礦開展了井下試驗研究。采用不同的裝藥量、不同鉆孔深度在巷道兩幫煤層中進(jìn)行爆破試驗，評判煤層爆破卸壓效果，分析煤層爆破對錨桿工作阻力、巷道圍巖結(jié)構(gòu)等的影響。

1)煤層爆破卸壓減沖效果驗證。采用鉆屑法，通過對爆破卸壓前后距爆破孔1.5 m處巷幫煤屑量稱重，分析爆破對巷道兩幫垂直應(yīng)力的影響。不同孔深處鉆屑量隨裝藥量的變化情況如圖1所示。藥量4 kg時鉆屑量整體變化不明顯，藥量6 kg時鉆屑量下降約1 kg/m，藥量8 kg時鉆屑量下降約1.5 kg/m，說明爆破后巷幫煤體應(yīng)力降低，應(yīng)力降低幅度與裝藥量正相關(guān)。

圖1 不同裝藥量爆破卸壓前后鉆屑量變化對比Fig.1 Cuttings volume comparison before and after blasting pressure relief with different charge quantity

2)爆破對錨桿工作阻力的影響。采用錨桿無損檢測儀測定錨桿桿體的工作阻力變化情況，如圖2所示。隨著爆破裝藥量的增大，錨桿工作阻力損失率均有不同程度的升高，但是變化幅度不同：裝藥量4、6 kg時錨桿工作阻力的平均損失率為4.6%、20%，裝藥量為8 kg時，錨桿工作阻力的平均損失率躍升至55%。錨桿工作阻力損失率還與距離爆破點的遠(yuǎn)近有關(guān)，距離越近錨桿工作阻力損失率越大。

圖2 錨桿工作阻力損失率與爆破藥量的關(guān)系曲線Fig.2 Curves between loss rate of working resistance of bolt and charge of blasting

3)爆破對巷道圍巖裂隙的影響。采用礦用電子鉆孔電視成像儀對巷道圍巖淺部煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實際觀測，對比爆破前后巷道淺部圍巖裂隙分布特征。以裝藥量8 kg爆破試驗為例，爆破前后，巷道幫部裂隙區(qū)分布情況如圖3所示。

圖3 爆破幫巷道裂隙分布對比Fig.3 Comparison of crack distribution in blasting side

爆破前，局部巷道淺部圍巖裂隙區(qū)寬度已經(jīng)大于支護(hù)結(jié)構(gòu)寬度，說明現(xiàn)有支護(hù)水平已經(jīng)不能夠較好控制巷道圍巖的裂隙發(fā)育[6]，巷道圍巖穩(wěn)定性較低。爆破后，巷道淺部圍巖裂隙區(qū)的寬度進(jìn)一步增大，巷道圍巖的整體性進(jìn)一步降低，試驗區(qū)域內(nèi)圍巖不穩(wěn)定性升高。

1.2 爆破卸壓的減沖作用

煤層爆破卸壓的減沖作用表現(xiàn)在以下3個方面：

1)增塑。相比于完整煤體的脆性破壞，爆破后的煤體由于徑向裂隙的存在，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，強(qiáng)度降低，變形特性呈現(xiàn)明顯“塑化”特征，導(dǎo)致煤的沖擊傾向性大幅減弱。

2)降載。巷道幫部應(yīng)力峰值區(qū)是沖擊地壓高危區(qū)域，在該區(qū)域爆破后，巷幫集中應(yīng)力峰值減小，峰值點向巷旁外側(cè)轉(zhuǎn)移，分布形態(tài)由單峰變?yōu)榈碗p峰分布[7](圖4)。

圖4 煤層爆破卸壓巷幫應(yīng)力分布曲線Fig.4 Stress distribution curve of coal seam blasting roadway

3)耗能。煤層內(nèi)部爆破形成大面積裂隙區(qū)，裂隙區(qū)煤巖塊體組成耗能結(jié)構(gòu)[8]，積聚彈性能的能力降低，消耗彈性能的能力增強(qiáng)。爆破卸壓過程中，圍巖震動和變形，釋放掉部分彈性能。沖擊地壓發(fā)生時，爆破裂隙區(qū)被沖擊載荷壓縮并發(fā)生塑性變形，吸收大量沖擊能，并可在空間上散射沖擊波，降低局部沖擊波的強(qiáng)度。

1.3 爆破對巷道支護(hù)的損傷作用

煤層爆破致裂劣化深部圍巖的同時，爆破應(yīng)力波也會對巷道淺部圍巖造成損傷、破壞，煤層爆破對巷道支護(hù)圍巖損傷作用歸納為以下4個方面：

1)煤體強(qiáng)度弱化，承載能力下降。巷道破裂區(qū)內(nèi)圍巖煤巖體強(qiáng)度低，內(nèi)部裂隙發(fā)育，當(dāng)爆破應(yīng)力波作用在破裂區(qū)和塑性區(qū)邊界時發(fā)生明顯的反射和折射，壓應(yīng)力波會轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力波[9]，因此破裂區(qū)邊界上煤巖體受到拉應(yīng)力波和壓應(yīng)力波綜合作用下發(fā)生破裂，導(dǎo)致破裂區(qū)邊界擴(kuò)張，破裂區(qū)內(nèi)部裂隙在拉應(yīng)力波和壓應(yīng)力波的作用下，裂隙發(fā)育程度增加，煤巖體的整體強(qiáng)度降低，承載能力下降。

2)錨桿錨固力降低或失效。爆破應(yīng)力波導(dǎo)致錨桿與圍巖黏結(jié)受損，錨固能力降低甚至失效[10]。同時，由于錨固范圍內(nèi)的煤巖體強(qiáng)度降低，也會導(dǎo)致錨桿錨固能力的降低。

3)巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)損傷。錨桿與圍巖形成具備良好承載能力的錨固承載結(jié)構(gòu)[11-12]，爆破應(yīng)力波會降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，甚至可能造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)承載能力的下降。

4)巷道變形明顯。爆破導(dǎo)致圍巖煤巖體強(qiáng)度降低，原有支護(hù)系統(tǒng)的承載能力受損，在圍巖應(yīng)力及沖擊載荷的作用一下，巷道產(chǎn)生明顯的收縮變形。

2 爆破卸壓-支護(hù)加固協(xié)同防控理念

煤巷沖擊地壓防治應(yīng)以不發(fā)生沖擊地壓事故為目的，在爆破卸壓與巷道承載能力保護(hù)存在矛盾的情況下，應(yīng)堅持以下理念：優(yōu)先考慮爆破卸壓，確保巷道不發(fā)生強(qiáng)烈沖擊地壓。但同時也要考慮爆破對巷道造成的損傷作用，盡量使巷道損傷程度降至最低。一旦爆破對支護(hù)造成過大損傷，就需要對巷道立即進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，重塑穩(wěn)定的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)和能力。爆破卸壓-支護(hù)加固須協(xié)同配合，最終目標(biāo)是消除沖擊危險，提升巷道抗沖擊能力[13]，滿足安全生產(chǎn)要求。

沖擊地壓巷道爆破卸壓-支護(hù)加固協(xié)同防控要遵守以下原則：

1)歸一原則。巷道沖擊地壓防控以阻止沖擊地壓發(fā)生為統(tǒng)一目標(biāo)。對于潛在強(qiáng)沖擊危險巷道，無論采取爆破卸壓還是補(bǔ)強(qiáng)加固措施,其目標(biāo)是一致的。

2)統(tǒng)籌原則。當(dāng)采取煤層爆破卸壓進(jìn)行沖擊地壓防治時，需合理設(shè)計爆破和支護(hù)參數(shù)，在達(dá)到卸壓防沖的同時，保證巷道的承載能力滿足要求。爆破與支護(hù)需要統(tǒng)籌考慮，達(dá)到協(xié)同雙效，不可顧此失彼。

3)精準(zhǔn)原則。煤層爆破卸壓主要針對巷道兩幫彈塑性交界區(qū)域，并且爆破深度至少要穿過支承壓力峰值區(qū)，而巷道支護(hù)的主要區(qū)域為巷道淺部破碎區(qū)及局部塑性區(qū)，爆破卸壓鉆孔裝藥段要處于錨桿加固范圍之外，避免爆破直接對支護(hù)區(qū)域造成影響，降低爆破對支護(hù)的損傷效應(yīng)。巷道補(bǔ)強(qiáng)加固重在補(bǔ)足薄弱點，形成完整穩(wěn)定的抗沖擊承載結(jié)構(gòu)。

4)有序原則。依據(jù)工程條件，合理安排爆破與支護(hù)的時間、空間順序。工作面回采前需對沖擊危險性進(jìn)行評價，提早對潛在沖擊危險區(qū)進(jìn)行爆破卸壓處理，必要時進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)回采過程中監(jiān)測到強(qiáng)沖擊危險時，首先需要爆破卸壓，解除沖擊危險后，根據(jù)需要對受損巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固；對于巷道維護(hù)狀況很差的巷道，先采取加固措施，再行爆破和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3 爆破卸壓-支護(hù)加固協(xié)同防控的實現(xiàn)路徑

為實現(xiàn)沖擊地壓巷道爆破卸壓-支護(hù)加固協(xié)同防控，可按以下路徑進(jìn)行：確定巷道沖擊地壓危險區(qū)域；進(jìn)行煤層爆破卸壓設(shè)計：爆破施工與工程監(jiān)測；爆破卸壓效果及圍巖損傷效應(yīng)評價；優(yōu)化爆破參數(shù)及受損巷道補(bǔ)強(qiáng)加固。

1)沖擊危險區(qū)域判定。沖擊危險區(qū)域判定是沖擊地壓針對性防治的基礎(chǔ)，目前國內(nèi)外學(xué)者從理論層面提出了多種沖擊危險性評價方法，推薦采用基于震波CT原位探測技術(shù)[14-15]，確定回采巷道沖擊危險區(qū)域。

2)煤層爆破卸壓設(shè)計。爆破卸壓的關(guān)鍵參數(shù)包括爆破孔深度、爆破孔間距、爆破裝藥量。采用鉆屑法或應(yīng)力監(jiān)測方法分析巷道圍巖應(yīng)力分布特征，確定巷幫應(yīng)力峰值區(qū)域，爆破深度要不小于支承應(yīng)力峰值距煤壁的長度；爆破孔間距：煤層爆破后形成的粉碎區(qū)及破裂區(qū)相互貫通，形成完全卸壓帶：根據(jù)應(yīng)力集中程度和變化調(diào)整爆破裝藥量、時間、空間參數(shù)等[16]。

3)煤層爆破卸壓施工與監(jiān)測。依據(jù)爆破卸壓設(shè)計制定作業(yè)規(guī)程，在井下實施。采用微震監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測或鉆屑法對爆破卸壓效果進(jìn)行檢驗，采用錨桿受力監(jiān)測、鉆孔窺視等方法，對爆破卸壓區(qū)域支護(hù)系統(tǒng)及圍巖裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行監(jiān)測。

4)爆破卸壓效果及圍巖損傷效應(yīng)評價。分析工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對爆破卸壓效果及圍巖損傷效應(yīng)進(jìn)行評價分級[17]。

5)爆破參數(shù)優(yōu)化及補(bǔ)強(qiáng)加固?；谠u價結(jié)果，對爆破卸壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對爆破損傷巷道進(jìn)行針對性補(bǔ)強(qiáng)加固，再造穩(wěn)定巷道支護(hù)體系，實現(xiàn)協(xié)同雙效防沖目的。

4 結(jié) 論

1)煤層爆破卸壓是我國沖擊地壓災(zāi)害局部防治最為普遍的方法，其作用體現(xiàn)在3個方面：①煤體力學(xué)性質(zhì)塑化從而降低沖擊傾向性；②降低巷幫應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)移和均化應(yīng)力分布；③釋放掉分圍巖存儲彈性能，提升圍巖耗能特性。煤層爆破卸壓減沖機(jī)制可歸納為：增塑-降載-耗能。

2)煤體爆破可能導(dǎo)致巷道周邊圍巖強(qiáng)度降低，巷道原有承載結(jié)構(gòu)破壞，錨桿錨固力降低甚至失效，巷道變形增大。煤層爆破卸壓的損傷作用歸納為：圍巖劣化-結(jié)構(gòu)失穩(wěn)-支護(hù)衰減-巷道變形。

3)煤巷沖擊地壓防治以不發(fā)生沖擊地壓事故為首要目標(biāo)，優(yōu)先考慮爆破卸壓防控沖擊地壓。但同時要使巷道損傷程度降至最低。一旦爆破對支護(hù)造成過大損傷，就需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，重塑穩(wěn)定的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)和能力。爆破卸壓-支護(hù)加固須協(xié)同配合，最終目標(biāo)是消除沖擊危險，提升巷道抗沖擊能力，滿足安全生產(chǎn)要求。

4)巷道沖擊地壓爆破卸壓-支護(hù)加固協(xié)同防控原則為：①歸一原則：巷道沖擊地壓防控以阻止沖擊地壓發(fā)生為統(tǒng)一目標(biāo)。②統(tǒng)籌原則：爆破與支護(hù)需要統(tǒng)籌考慮，達(dá)到協(xié)同雙效，不可顧此失彼。③精準(zhǔn)原則：煤層爆破卸壓與巷道補(bǔ)強(qiáng)加固，堅持問題導(dǎo)向，辨證施策，精準(zhǔn)設(shè)計，監(jiān)測施工。④有序原則：依據(jù)工程條件，合理安排爆破與支護(hù)的時間、空間順序。

5)沖擊地壓巷道爆破卸壓-支護(hù)加固協(xié)同防沖可按以下路徑進(jìn)行：確定回采巷道沖擊危險區(qū)域—煤層爆破卸壓設(shè)計—煤層爆破卸壓施工與監(jiān)測—爆破卸壓效果及圍巖損傷效應(yīng)評價—爆破參數(shù)優(yōu)化及巷道支護(hù)重塑。