煤巷爆破卸压-支护加固协同防冲技术研究

来源 :煤炭科学研究总院 | 被引量 : 5次 | 上传用户:chengwenjie123
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冲击地压灾害破坏性强,危害性巨大。我国煤矿冲击地压灾害85%发生在回采巷道,主要原因是巷道近场高应力区煤岩体所受叠加应力超过其强度极限发生破坏,积聚的弹能应变能瞬间释放导致巷道剧烈破坏。因此,采用卸压方式缓解巷道围岩高应力集中程度,或加强支护提高巷道围岩抗冲击破坏能力,成为冲击地压巷道防控的两大途径。针对煤层硬度为中硬及以上、煤层局部夹矸或变质导致高应力、评价监测为强冲击危险等情况,煤层爆破卸压效果明显,适应性强,但煤层爆破致裂损伤效应会破坏巷道围岩完整性,降低围岩承载能力,削弱了支护结构的抗冲击性能。由此看来,“爆破卸压”与“支护加固”既矛盾又统一,如何实现两者的“协同双效”作用是一个非常重要的研究课题。本文采用现场试验、数值模拟、理论分析等研究手段,分析了煤层爆破卸压减冲机制和对巷道围岩及支护体损伤机制,构建了爆破损伤巷道围岩评估方法,提出了损伤巷道围岩承载结构重塑技术,规划了爆破卸压-支护加固协同防冲实现路径。论文取得主要研究成果如下:(1)研究得出了煤层爆破卸压减冲机制。基于煤层爆破分区特征,总结了煤层爆破卸压减冲机制。煤层爆破致裂可降低煤体力学性质改善煤体冲击倾向性,调整巷道承载结构转移集中应力峰值分布,形成卸压区域耗散冲击能量传递。即煤层爆破卸压减冲机制归纳为“改性-降载-耗能”。(2)分析了煤层爆破卸压对巷道支护的损伤效应。煤体爆破应力波导致巷道周边围岩松动破坏,该区域煤体强度降低,承载能力下降;煤层爆破卸压破坏了巷道原有承载结构,降低了围岩承载体系的稳定性;爆破卸压作用下,锚杆锚固力降低,局部锚杆会失效,巷道锚杆支护系统能力衰减;爆破卸压后,巷道周边围岩裂隙增加,围岩完整性降低,巷道累计变形加大。煤层爆破卸压对巷道支护围岩具有损伤作用归纳为:“围岩劣化-结构失稳-支护衰减-巷道变形”。(3)实测得到了爆破卸压作用下巷道围岩动态响应特征。采用PASAT-M型便携式微震系统,现场实测了不同爆破应力波的传播规律及巷道围岩动态响应特征。结果表明:强冲击危险巷道围岩,高能爆破振动的持续时间大于低能爆破;爆破帮、顶板、非爆破帮振动主频、振幅与至震源距离呈不同线性关系;在评价爆破卸压对巷道围岩的损伤时,需考虑卸压爆破振动的幅值、频率和持续时间三个指标。(4)分析了爆破卸压作用下巷道围岩损伤破坏模式。基于现场实测获取的巷道围岩爆破振动参数,采用FLAC3D数值模拟方法建立巷道爆破振动数值模型,揭示了爆破振动下的巷道围岩的主要破坏模式为剪切破坏;爆破振动过程中近场围岩应力水平出现小幅增加,结束后巷道表面围岩的应力相对于爆破前有所降低。(5)提出了煤层爆破损伤巷道评估方法及锚固承载结构重塑关键技术。分析了受损巷道塑性区扩展特征,揭示了巷道变形失稳演化过程;建立了爆破卸压损伤巷道支护评估方法,提出了锚固承载结构重塑原则及关键技术。结果表明:巷道开挖后围岩内部形成一次动态稳定塑性边界,爆破应力波使一次动态稳定塑性边界向外扩张形成二次动态稳定塑性边界,当爆破区域进入到超前支承应力影响范围内时,巷道围岩继续向外扩张形成三次动态稳定塑性边界。综合考虑巷道围岩扩展损伤和锚杆工作阻力损伤,提出了爆破损伤巷道七级划分标准。在此基础上,提出了全断面支护、非对称式局部重点加固、抗冲击性能支护构件及注浆改性的围岩承载结构重塑原则,提出了高强度主动锚固修复、吸能锚杆锚索补强、锚注一体化支护等巷道锚固承载结构重塑关键技术。(6)基于强度理论,结合煤体“动应力硬化效应”和“单向-三向硬化效应”,构建了巷道冲击地压发生判据,围岩周边的主应力能够引起冲击的必要条件是其超过煤岩的单向抗压强度,即Ic>1;基于震波CT原位探测实际揭示工作面静载应力分布特征,建立以波速异常系数AC和波速梯度系数GC为主要因子的冲击地压危险性评估模型,提出了巷道冲击危险性评价及危险区域确定方法。(7)形成了煤层爆破卸压-支护加固协同防冲关键技术。冲击地压巷道解危施工中,须将爆破卸压与支护加固协同考虑,既要发挥爆破卸压“改性-降载-耗能”的积极作用,又要尽量降低爆破卸压“围岩劣化-结构失稳-支护衰减-巷道变形”的负面影响。在负面作用超出容许范围时,采用受损巷道承载结构重塑关键技术,提高支护结构的抗冲击能力,最终实现精准爆破卸压-高冲击韧性锚网索支护协同防冲。(8)爆破卸压-支护加固协同防冲现场实验取得良好效果。分析了高自重应力、强构造应力及采空区后方持续增长的侧向支承压力特征,采用震波CT原位探测技术反演得到巷道冲击危险指数C=0.50.7,制定了“煤层爆破卸压-巷道损伤评估-巷道全断面补强支护-降低开采扰动”的爆破卸压-支护加固协同防冲技术,现场应用取得成功,监测应力未发生突增,微震能量及频次变化平缓。
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