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第4 6 卷第l 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ． 2 0 2 l 深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护“ 协同防控 原理与技术 吴拥政1 ’2 ’3 ⋯，付玉凯1 ’2 ’3 ⋯，何杰1 ’2 ’3 ⋯，陈金宇1 ’2 ’3 ⋯，褚晓威1 ’2 ’3 ⋯，孟宪志1 ’2 ’3 ’4 1 ．中煤科工开采研究院有限公司，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭科学研究总院开采研究分 院，北京1 0 0 0 1 3 ；4 ．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京1 0 0 0 1 3 摘要针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题，分析了深部冲击地压巷道 围岩变形破坏特征，确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点，揭示了巷道冲击破坏机 制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上，建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型，分析了 动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系，提出了深部冲击地压巷道 “卸压一支护一防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压，从动、静载荷角度降低巷道 冲击能量和所受应力；利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“四高”锚杆 索 主动支护， 结合围岩结构重塑技术，提高巷道围岩自承载和抗冲击能力；结合钢棚、缓冲垫层及防护支架，通过 高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压一支护一防护”3 种技术手段的时空关 系，改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压一支护一防护”协同防控原理，提出了 深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护”协同防控技术，开发了长、短孔分段水力压裂工艺，研发了配 套的压裂机具和设备；研制了高冲击韧性锚杆 索 系列支护材料，大幅度提高了支护材料的强度 和韧性；提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构，复合防护结构能有效吸 收巷道围岩内的冲击动能，抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业 性试验，“卸压一支护一防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式，有效抵御了高 动、静叠加载荷，减小了巷道围岩整体冲击变形，控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。 关键词冲击地压；远、近场卸压；“四高”锚杆 索 ；三级防控；深部巷道 中图分类号T D 3 2 4 ；T D 3 5 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 卜0 1 3 2 1 3 P r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo f “p r e s s u r er e U e f - s u p p o r t p r o t e c t i O n ”c O U a b o r a t i V e p r e V e n t i o na n dc o n t r o li nd e e pr o c kb u r s tr o a d w a y W UY o n g z h e n 9 1 ’2 ’3 ⋯，F UY u k a i l 2 3 ⋯，H EJ i e l ，2 3 ⋯，C H E NJ i n y u l ，2 ’3 ⋯，C H UX i a o w e i l l 2 ，3 ⋯，M E N GX i a n z h i l 2 ’3 ，4 1 ．c c 饱Gc o o f 埘n i 增R 即∞厂c 矗阮m “把，B e 彬增1 0 0 0 1 3 ，吼i n 口；2 ．c o n f 胧n i n gn n dD 船蹭凡i n gD 印o n 胱n f ，死n 凡出5 c i e n c eo n d 死c 加2 0 9 ，c o ．，厶d ．， ＆讲n gl x 0 1 3 ，吼i M ；3 ．c o o z 胁n i 昭Ⅱ蒯D 酷电仉i 凡gB m 础，劬i n oc 0 谢脑跚砌风m m e ，曰e 彬n gl 0 0 0 1 3 ，C i n n ；4 ．s ￡o 把K 叫k 6 0 m ￡o ∥o ，C o n fM 珏 i 昭Ⅱ蒯C ‰n 耽甜姚砌n ，m 咖昭1 0 0 0 1 3 ，∞i n o A b s t r a c t I nt e m so ft h ep m b l e mo fs t r o n gg m u n dp r e s s u r eb e h a v i o rc a u s e db yh i g hs t r e s sa n ds t m n gi m p a c ti nd e e p r o c kb u r s tI D a d w a y ，t h ed e f 6 m l a t i o na n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs u I T o u n d i n gr o c ko fd e e pr o c kb u r s tr o a d w a yw e r ea n - 收稿日期2 0 2 0 一l I 一2 0修回日期2 0 2 0 一1 2 一1 0责任编辑钱小静D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i j c c s ．Y G 2 0 ．1 8 2 I 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 9 7 4 1 6 0 ，5 1 8 0 4 1 5 9 ；天地科技股份有限公司科技创新创业基金重点资助项 目 2 0 1 8 一T D Z D 0 0 7 作者简介吴拥政 1 9 7 8 一 ，男，河南焦作人，研究员，硕士生导师，博士。E m a i l t i a n d i w y z 1 6 3 ．c o m 引用格式吴拥政，付玉凯，何杰，等．深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护”协同防控原理与技术[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 1 ，4 6 1 1 3 2 1 4 4 ． W UY o n g z h e n g ，F UY u k a i ，H EJ i e ，e ta 1 ．P r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo f “p r e s s u r er e l i e f - s u p p o r t p m t e c t i o n ”c o l l a b o - r a t i v ep r e v e n t j o na n dc o n t m li nd e e pm c kb u r s tm a d w a y [ J ] ，J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 1 1 3 2 1 “． 移动阅读 万方数据 第1 期吴拥政等深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护”协同防控原理与技术 1 3 3 a l y z e d ，t h ep r e v e n t i o na n dc o n t m ld i m c u l t i e so fs t m n gi m p a c tb e h a v i o ro fd e e pm c kb u r s tr o a d w a yw e r ed e t e Ⅱr I i n e d ， a n dt h em e c h a n i s mo fr o a d w a yi m p a c tf a i l u r ew a sr e v e a l e d ．B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef a i l u r em e c h a n i s mo fd e e p I D c kb u r s tr o a d w a y ，t h em e c h a n i c a lm o d e lo fs u I T o u n d i n gr o c ko fd e e pm c kb u r s tr o a d w a yw a se s t a b l i s h e d ．T h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd y n a m i ca n ds t a t i cs u p e r i m p o s e dl o a d ，s u p p o r ts t r e s s ，m e c h a n i c a lp I D p e r t i e so fs u r r o u n d i n gr o c ka n dM o h rc i r c l ew a sa n a l y z e d ．T h ec o l l a b o r a t i v ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lp r i n c i p l eo f “p r e s s u r er e l i e f _ s u p p o r t - p r o t e c t i o n “ w a s p I D p o s e d ．T h r o u g ht h ep r e s s u r er e l i e f o fr o a d w a ys u n ．o u n d i n gI D c k i nt h ef a ra n dn e a r6 e l d ，t h ei m p a c te n e r g ya n d s t r e s so fm a d w a ya r er e d u c e df 而mt h ea n g I eo fd r i v e na n ds t a t i cl o a d ．T h es e l f - b e a r i n ga n da n t i i m p a c tc a p a c i t yo f r o a d w a ys u r m u n d i n gr o c ki si m p r o v e db yu s i n gh i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l t c a b l e s u p p o r tc o m b i n e dw i t hs u r r o u n d i n g r o c ks t m c t u r er e m o d e l i n gt e c h n o l o g y ．C o m b i n e dw i t ho - s h e d ，c u s h i o na n dh y d m u l i cs u p p o r t ，t h ei m p a c tV i b r a t i o no f r o a d w a ys u I T o u n d i n gr o c ki sq u i c k l ys u p p r e s s e db yh i g hd a m p i n g ．B yc o o r d i n a t i n gt h es p a c e t i m eI e l a t i o n s h i po ft h e t h r e et e c h n i c a lm e a s u r e so f “p r e s s u r er e l i e f - s u p p o r t p r o t e c t i o n “ ，t h ee n e r g rr e l e a s e ，t r a n s m i s s i o na n dd i s s i p a t i o nf o 砷s o fr o c kb u r s tr o a d w a ya r ec h a n g e d ．B a s e do nt h ec o U a b o r a t i V ep r e v e n t i o na n dc o n t r 0 1p r i n c i p l eo f “p r e s s u r er e l i e f - s u p p o r t p I D t e c t i o n ”，t h ec o l l a b o r a t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f “p r e s s u r er e l i e f - s u p p o r t p r o t e c t i o n ”f b rd e e pr o c kb u r s tI D a d w a yw a sp r o p o s e d ．T h et e c h n o l o g yo fl o n ga n ds h o r th o l es e g m e n t e dh y d r a u l i cf t a c t u r i n gw a sd e V e l o p e d ，a n dt h es u p p o r t i n ge q u i p m e n tw e r ed e v e l o p e d ．T h eh i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l t c a b l e s e r i e ss u p p o r t i n gm a t e 打a l sw e r ed e V e l - o p e d ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h es t r e n 舒ha n dt o u g h n e s so ft h es u p p o r tm a t e r i a l s ．T h ec o m p o s i t ep m t e c t i V es t m c t u r eo f r o a d w a yw i t hs t e e ls h e d ，c u s h i o na n dh y d r a u l i cs u p p o r ta s aw h 0 1 ew a sp r o p o s e d ．T h ec o m p o s i t ep r o t e c t i o ns t m c t u r e c a ne f k c t i v e l ya b s o r bt h ei m p a c ti nt h es u I T o u n d i n gr o c ko fr o a d w a y ．I tc a nr e s t r a i nt h eV i b r a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k ． T h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e na p p l i e di nt h ei n d u s t r i a lt e s t sa tt y p i c a lr o c kb u r s tm i n e si nI n n e rI Ⅵo n g o l i a ，S h a a n x i a n dY i m a ．T h e “p r e s s u r er e l i e f s u p p o n p I D t e c t i o n ”c o l l a b o r a t i v ep r e v e n t i o na n dc o n t r 0 1t e c h n o l o g yh a dc h a n g e dt h e r e l e a s ef b n no fi m p a c te n e r g yi nt h i c ka n dh a r dr o c ks t r a 土a ，e f k c t i v e l yr e s i s t e dh i g hd y n a m i ca n ds t a t i cl o a d s ，r e d u c e d t h eo v e r a l li m p a c td e f b 瑚a t i o no fr o a d w a ys u I T o u n d i n gr o c k ，a n dc o n t r o l l e dt h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yo fd e e pr o c k b u r s tr o a d w a y ． K e yw o r d s m c kb u r s t ；p r e s s u r er e l i e fi nf a ra n dn e a ro fs u n ．o u n d i n gm c k ；“f o u rh i g h ”b o l t c a b l e ；t h r e el e V e lp r e v e n t i o na n dc o n t r o l ；d e e pr o a d w a y 冲击地压 冲击矿压 是指煤矿开采空间内煤岩 体由于弹性能的瞬时释放出现的一种突然剧烈破坏 的动力现象，煤岩体破坏过程中伴有震动、巨响及气 浪等特征，具有很强的破坏性‘2 1 。近年来，我国煤 矿安全形势日益好转，但也相继发生了数起较大、重 大冲击地压事故∞J 。随着开采深度和强度的增加， 冲击地压发生的频次和破坏程度均呈增大的趋势。 据不完全统计，截至2 0 1 9 年，我国的冲击地压矿井达 到1 8 0 余座，主要分布在山东、河南、黑龙江、陕西及 山西等2 5 个省份，几乎遍布各大主采煤区，冲击地压 造成巷道大面积垮塌、人员伤亡、设备损伤以及诱发 瓦斯突出等次生灾害，已成为严重制约矿井安全生产 的主要灾害之一H 1 1 。 鉴于冲击地压事故主要发生在回采巷道，回采巷 道冲击地压防治已成为目前国内外学者研究的焦点。 冲击地压灾害的防治主要分为灾害预警和灾害防控， 灾害预警主要包括微震监测、地音监测、电磁监测及 煤柱应力监测等手段‘7 。8 1 ，灾害防控主要是从采区布 置优化、主动解危和支护防冲等方面开展‘9 。1 1 1 。由于 冲击地压发生地点和时间难以提前预测、预报，单独 依靠预警、卸压解危等措施仍不能彻底控制冲击地压 的发生。巷道支护作为巷道冲击地压防治的最后一 道防线，合理的防冲支护能有效降低或避免冲击地压 造成的破坏。目前，国内对深部冲击地压巷道控制方 面的研究主要集中在2 个方面①应力控制。齐庆 新等引提出了应力控制理论，通过采用大直径钻孔、 深孔爆破及断顶爆破等技术手段降低危险区域的应 力水平，从而控制冲击地压的发生；窦林名等列提出 了冲击地压强度弱化减冲理论，利用人工干预手段改 变煤岩体力学属性，通过降低煤岩体储存的弹性能控 制冲击地压的发生；潘俊锋等一1 基于冲击地压启动 理论，提出了冲击地压巷道以“卸”为主，以“支”为辅 的防冲技术。②防冲支护。冲击地压巷道支护防冲 的形式主要有高强锚杆支护、u 型棚支护及防冲支架 等。基于冲击地压巷道对支护材料的特殊要求，国内 外科研人员相继研发了高冲击韧性锚杆、预应力让压 锚杆、G a 舶r d 锚杆、D u r a b a r 锚杆、Y i e l d i n gS e c u m 锚 杆和R o o f e x 锚杆等新型支护材料4 屯1 | ，新型支护材 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 料的成功研发，一定程度上解决了冲击地压巷道支护 材料动载失效破断难题。为了提高冲击地压巷道的 安全性，潘一山等。2 2 ‘2 3J 联合支架生产厂家，研发了系 列防冲支架，如单体液压防冲支架、垛式液压防冲支 架及门式液压防冲支架等，通过防冲支架吸能构件的 快速让位吸能作用减小冲击动能对巷道围岩的作用， 有效控制了冲击地压巷道的冲击破坏。可见，采用应 力控制和防冲支护是实现冲击地压巷道围岩控制的 2 种关键技术手段，国内外学者在上述方面开展了大 量的研究工作，但缺乏对卸压、支护及防护3 种防控 手段的相互作用机制及协同防控原理方面的研究，有 必要从卸压、支护及防护3 个方面开展研究，分析3 种技术手段问的q 馈机制，揭示深部冲击地压巷道 “卸压一支护一防护”协同防控原理，从而充分发挥3 种技术手段的协同防控效果。 基于此，在分析深部冲击地压巷道变形破坏特征 的基础上，建立了深部冲击地压巷道“卸压一支护一防 护”协同防控力学模型，分析了动、静叠加载荷、支护 应力、围岩力学属性与莫尔圆问的相互关系，提出了 深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护”协同防控原理 与技术，为深部冲击地压巷道围柑防控提供借鉴。 1 深部冲击地压巷道变形破坏机制 1 ．1 深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征 河南义马矿区是我国典型的冲击地压矿区，现场 调研了义马矿区的常村、耿村等典型的冲击地压巷道 变形情况，巷道埋深6 0 0 ～9 5 0n ，，煤层厚度8 ．5 ～ 1 1 ．4m ，直接顶多为泥岩、砂质泥岩，基本顶为砂岩、 砾岩，坚硬岩层厚度变化较大，厚度位于1 0 0 ～ 2 7 0t 1 1 。巷道通常沿底板掘进，巷道断面采用三心拱 断面，毛断面普遍超过2 5m 2 ，断面较大。卸压方式 主要采用巷帮大直径钻孔、断底爆破及断顶爆破等， 巷道一级支护采用锚杆、锚索、金属网等进行支护，二 级支护为u 型棚，棚距0 ．6 ～1 ．2m ，棚与围岩问预留 3 0 0 ～5 0 0n n ，的变形量，工作面叫采前，在U 型棚中 部打设液压抬棚、门式支架等 三级支护 进行加强 支护。 巷道掘进过程中，冲击事件能量相对较小，冲击 能量基本位于1 0 6J 以F ，但巷道在所受高静载荷作 用下已出现持续变形，巷道顶板下沉3 0 0 T n 以上， 底臌达6 0 0m m ，两帮收缩严重。巷帮卸压钻孑L 施工 后，巷帮锚杆 索 大部分出现失效，围岩完整性遭到 严重破坏，单帮移近超过l0 0 0r n m ，U 型棚预留的变 形量在巷道掘进期J 司已出现闭合。工作面凹采时，由 于受工作面超前支承压力的影响，凹采巷道超前 3 0 0n 范围内巷道变形极其严重，大能量事件频发． 顶板锚杆、锚索出现破断，两帮整体鼓出，底板强烈底 臌，整个断面几乎闭合。u 型棚、液压抬棚、门式支架 等因围岩收缩挤压出现变形、压死和折断的现象，二 级和三级支护体系在冲击地压发生前已失效，未能有 效发挥二级与三级支护体系的防护作用，冲击地压发 生后，巷道整体出现坍塌、闭合等破坏。巷道变形破 坏如图1 所示。 一’1 孵‘。 。1 q 眨礤爵、 I 到l冲击发生后巷道围岩变肜情况 r i g ．1 D e f o r n l a t i o f l 【l fs L l l ．1 - t J u n 1 i n gr ‘ka f t e ri n l p a ’l 1 ．2 深部冲击地压巷道防控难点 根据现场调研深部冲击地压巷道变形破坏情况， 影响深部冲击地压巷道围岩防控的难点主要有下面 几个方面 1 巷道受高动、静叠加载荷影响。冲击地压巷 道埋深普遍较大，再加上构造应力、自重应力及采动 应力的共同作用，巷道处于高应力环境中。同时，厚 层坚硬岩层的瞬间断裂会产生高能量的冲击载荷，高 动、静载荷叠加使围岩受力复杂，在高动、静载荷双重 作用下巷道极易出现强烈变形。 2 卸压措施对围岩和支护系统的劣化作用． 大直径钻孔、爆破等卸压手段是目前最常用的应力控 制技术，通过卸压来转移巷帮煤体内的高集中应力， 在防冲卸压设计时通常不考虑其对嗣岩和支护系统 的影响，卸压措施在转移巷帮煤体高集中应力的同时 对围岩与支护系统造成了严重影响，巷帮围岩完整性 遭到破坏，锚杆 索 锚固结构出现劣化，围岩强度和 锚固力显著降低，巷帮支护系统的支护作用和抗冲击 能力明显降低。 3 三级支护体系相互不协调。锚杆 索 支护 系统、U 型棚、液压抬棚等防护手段被各个击破，无法 实现协同防冲。锚杆 索 支护系统未能发挥主动支 护作用，巷道在高静载荷作用下出现强烈变形，使得 静载作用下锚杆 索 支护系统已接近临界失效状 态，u 型棚、液压抬棚及门式支架等防控装备因围岩 收缩挤压出现变形、压死和折断，防护装备在冲击地 压发生前已失效。 4 巷帮、底板防护薄弱。从巷道冲击地压显现 来看，巷帮、底板显现最为明显，冲击后两帮收缩、强 万方数据 第l 期吴拥政等{ ；| { 部冲。旨地压巷道“卸压一支护一防护”协同防控原理‘j 技术 烈底臌，由于巷帮煤体强度低，底板处于裸露状态，使 得巷帮、底板成为冲击地压能量释放的通道，巷帮与 底板冲击显现难以有效控制。 1 ．3深部冲击地压巷道变形破坏机制 冲击地压巷道上方存在的巨厚坚硬砂岩、砾岩易 积聚弹性能，随着工作面的回采，巷道上方的覆岩结 构受到构造应力、自重应力及采动应力所形成的高叠 加应力作用出现破断，厚层坚硬岩层的破断释放高积 聚能量，能量在巷道围岩内部形成动载荷，而巷道本 身就处于高应力状态，在巷道围岩受到高动、静叠加 载荷作用下，当叠加载荷超过巷道围岩冲击临界载荷 时，巷道围岩就会出现冲击失稳。此时，若支护系统 不能有效抵御高动、静叠加载荷作用，不能充分吸收 坚硬岩层断裂所释放的冲击动能就会造成支护系统 失效。为了分析深部冲击地压巷道破坏机制，可从应 力和能量2 个角度进行分析。 1 ．3 ．1 巷道冲击破坏应力条件 建立的深部冲击地压巷道变形破坏机制示意罔 如图2 所示，其中假设巷道围岩的静载荷为盯。，冲i 异 震源产生的动载荷为盯∽根据弹性波传播理论，盯。 盯。尺一，其中，盯．，为应力波传至巷道周围的动载荷；R 为震源与巷道问的距离；卵为应力波在围岩中的衰减 系数。巷帮大直径钻孔会在钻孔周围形成破碎区，当 叠加载荷矿、 盯。大于临界冲击载荷盯。。时，巷道即 会出现冲击失稳破坏。图3 为深部冲击地压巷道开 挖后各阶段围岩受力的莫尔圆，其中盯，为煤岩体垂 直应力；盯，为煤岩体围压；c 为煤岩体黏聚力；妒为 煤岩体内摩擦角；丁，为煤岩体剪应力；盯为剪切面正 应力；圆1 为煤岩体原岩应力下的莫尔圆；圆2 为巷 道开挖后煤岩体的莫尔圆；圆3 为冲击事件发生后， 煤岩体在动、静叠加载荷作用下的莫尔圆，线A 为巷 道开挖后煤岩体的抗剪强度包络线，线B 为大直径 钻孔、爆破等巷道内卸压措施实施后围岩抗剪强度包 络线。莫尔圆圆心坐标为f 垒≥，0 1 ，半径为尘≥。 ＼ Z ， z 假定冲击地压巷道煤岩体压剪破坏符合莫尔一 库伦强度准则，那么影响围岩破坏的主要因素包括 动、静叠加载荷、支护力及围岩力学参数。2 4 。巷道开 挖后，煤岩体盯，相应减小，莫尔圆圆心坐标左移，莫 尔圆半径增加，莫尔圆由l 凋整为2 。当巷道上方厚 坚硬岩层发生断裂释放冲击动能时，冲击动载荷与静 载荷叠加，使得盯。显著增大，莫尔圆圆心右移，莫尔 圆半径进一步增加，莫尔圆由2 调整为3 ，莫尔圆与 抗剪包络线A 相切，巷道煤岩体处于极限平衡状态； 若相交，煤岩体将出现冲击失稳破坏。 刚2 深部冲击地I K 巷道变形破坏机制示意 F i g ．2S ‘‘h e l l l d l i c 】i a g t - a n ll l ff a i l u r PI n e 。l l a n j s l l Ii nt I r e pl I 【。k b uJ ’州I ’o a 【1 w a 、 T ／[ 爿 ／么B r ． m a n 妒 c ／／／ C 一哪一 确 D ＼≥“} o ＼／ 图3深部冲击地压巷道各阶段破坏的莫尔网 F 唔3 M 栅c n l co f k I r t ’kb L l I ‘s f r o a 1 w a yi 1 1 1 i m l ’P n ts l a g e s 由于冲击地压巷道帮部通常施工大直径钻孑L 转 移巷帮集中应力，底板施工断底炮切断巷道底板的水 平集中应力，上述卸压措施的实施会造成围岩强度的 降低和支护结构完整性的破坏，从而使巷道围岩的抗 剪强度包络线由4 调整为B ，进一步加剧了冲击地压 巷道两帮和底板的冲击显现程度。 总之，冲击地压巷道冲击破坏程度与巷道围岩静 载荷大小、冲击动载荷大小、围岩物理力学参数及支 护强度等密切相关。 1 ．3 ．2 巷道冲击破坏能量条件 巷道冲击失稳破坏是煤岩体积聚的弹性能释放 的过程，煤岩体三向应力下积聚的弹性能。25 ‘为 E 1 [ 盯i 盯； 盯；一2 ∥ 盯】 丁 盯1 盯3 矿 盯， ] ／ 2 E 1 式中，盯，为煤岩体的中问主』菠力；Ⅳ为煤岩体泊松 比；E 为弹性模量。 煤岩体未受扰动时，处于三向应力状态，积聚的 弹性能较大，一旦受到扰动破坏，立刻处于单向应力 状态，向外释放弹性能，释放的弹性能将以应力波的 形式向四周传播，其释放的弹性能为 E 。 E 。一E ． 2 式中，E ，为剩余弹性能；E 。为释放的弹性能。 万方数据 1 3 6 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 释放的弹性能在围岩中传播时，通常以指数形式 衰减，震源距巷道距离为尺，则应力波传播至巷道周 围单位面积的动能为 E b E 。R 1 E 。一E ， 尺1 3 假设锚杆 索 、钢棚、防护支架等支护系统所吸 收的能量为E 。，那么经过支护系统吸收后残余的冲 击能量为 E 3 E h E 。 E o E 1 尺1 一E 。 4 冲击地压巷道能量破坏准则为E E 。∽其中 E 。i 。为巷道围岩临界失稳最小能量。残余的能量将 以冲击动能、支护系统失效及围岩塑性变形等形式显 现，最终造成巷道冲击破坏。 从能量角度来看，影响巷道冲击破坏程度的主要 因素为震源能量、震源距离、围岩物理属性、支护系统 吸能能力等因素。 采用上述方法直接计算冲击地压释放的能量和 冲击破坏范围是比较困难的，为便于现场应用，可采 用间接能量校核计算方法或工程类比方法，具体的能 量校核计算方法如下 1 根据试验巷道的地质条件和生产条件，采 用综合指数法对试验区域进行冲击倾向性判定，确 定冲击危险性等级和震级，考虑到安全性，震级取 最大值。如有类似地质条件巷道掘进和回采过程 中的微震监测矿压数据，也可采用工程类比法，确 定试验巷道的冲击危险性等级和震级，实测微震数 据更符合现场实际情况，通过震级可得出冲击震源 释放的能量E 。。 2 由于围岩结构复杂，围岩冲击波衰减系数 7 确定困难，可采用间接方法或现场实测的方法进行确 定。间接确定是通过式 5 计算得出震源波幅值，将 模拟冲击波或实测冲击波曲线导人数值计算软件，通 过反演和实验室试验确定围岩力学参数，数值计算确 定的震源冲击波传至巷道最近处的冲击振动速度和 巷道破坏范围。如现场条件允许，可采用加速度传感 器捕捉震源距巷道最近处的加速度，继而得出振动速 度。 A 。 1 0 1 9 6 s - 18 儿9 5 式中，A 。为冲击震源初始幅值。 3 通过巷道表面围岩震动速度、围岩震动破坏 范围和围岩密度等参数，可计算得出巷道围岩单位面 积上的动能 1．1． E 。 m 秽2 幼秽2 6 二二 式中，m 为巷道表面单位面积上破坏围岩的质量；秒 为巷道表面围岩震动速度； 为围岩破坏范围；p 为 围岩密度。 4 锚杆 索 、金属网等支护构件的吸收能量可 通过试验室测试，确定单位面积上支护系统的吸收能 量E ，；钢棚和防护支架单位面积吸收的能量可通过 试验室实验、理论计算等方法确定防护装备吸收能量 E 。为了保留一定的安全系数，巷道围岩临界失稳最 小能量E 。i 。可取o ，通过计算，可校核支护能力是否 满足要求。 E 。 E E h 7 2 深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护”协 同防控原理 2 ．1 深部冲击地压巷道围岩控制方法 根据上述分析可知，深部冲击地压巷道围岩失稳 破坏的主要影响因素为高静载载荷、冲击应力波产生 的动载荷及劣化后的破碎围岩，围岩控制方法可从上 述3 个方面确定。 解决高静载载荷的方法主要有优化工作面开采 布置、巷道布置，将巷道布置在应力降低区范围内；优 化巷道轴向与地应力的方向，使巷道轴向与最大水平 主应力方向一致，改善巷道围岩应力状态；采用人工 卸压方法心6 【，转移围岩高应力的峰值和位置，使巷道 处于低应力区。由于前2 种方法受现场开采条件限 制，通常不便于实施，本文论述的释放高静载载荷的 方法主要为第3 种方法，若条件允许，应优先选择前 2 种方法。 降低冲击应力波产生的动载荷的方法主要有通 过人工调控手段，弱化坚硬顶板强度和完整性，弱化 或消除顶板动载源；在冲击应力波传播路径上设置围 岩弱结构，通过弱结构的吸能效应，减小作用在巷道 围岩上的动载荷；在巷道内设置锚杆 索 、钢棚、缓 冲垫层及防护支架等复合防控吸能结构，通过吸收冲 击动能，削减冲击应力波峰值，减小冲击应力波对巷 道的破坏效应。 改善破碎围岩力学属性的方法主要有2 种锚固 支护和注浆加固。锚杆 索 支护已成为煤矿巷道最 常用的支护手段，高预应力、高强度、高延伸率、高冲 击韧性的“四高”锚杆 索 已在冲击地压巷道中得到 广泛应用，可有效抑制围岩不连续、不协调的扩容变 形嵋7 | 。同时，结合注浆加固技术，提高因卸压导致巷 道支护范围内劣化围岩的强度和完整性，从而保持支 护范围内围岩的稳定；对于需反复开展大直径钻孑L 卸 压的巷道，可采用钻孔安装钢套管的方式防止卸压钻 孔破坏锚固围岩，钢套管长度超过锚杆 索 支护范 围3 ～5m ，通过钢管进行多次反复钻进卸压而不破 万方数据 第l 期吴拥政等深部冲．h 地压巷道“卸雎一支护一防护”防同防控原理与技术 坏支护围岩，巷道支护层不会在反复钻进卸压下受到 劣化心5 I 。 2 ．2 深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护”协同防 控原理 基于上述分析，深部冲击地压巷道围岩控制除采 用传统的防冲手段外，其“卸压一支护一防护”协同防 控主要体现在3 个方面①在工作而回采前，利用水 力压裂技术或深孔爆破技术对巷道围岩远、近场进行 主动卸压，破坏巷道I 方厚层坚硬顶板的完整性和灶 度，从而降低工作面回采过程中采动应力和冲击能 量；②通过采用“四高”锚杆 索 主动支护，有效抑 制冲击地压巷道的围岩变形，结合套管和注浆技术， 重塑劣化煤岩体的完整性和结构，在围岩中形成预J 、证 力抗冲击支护结构；③在巷道空间内架设钢棚、防护 支架等吸能装备，吸能装备与围岩预留一定的缓冲吸 能空问，缓冲吸能空问充填泡沫金属、橡胶垫层或枕 木等吸能材料，用于吸收冲击震源产生的冲击动能。 通过水力压裂远、近场卸压、预应力锚固支护及吸能 装备防护，改善围岩J 、证力状态，减小冲击震源震级，抑 制围岩强度劣化，提高巷道抗冲击和能毓吸收能力， 进而控制深部冲击地压巷道的冲击破坏。深部冲击 地压巷道“卸压一支护一防护”协同防控示意图如图4 所示，， 图4 深部冲击地压巷道“卸压一支护一防护”协同防控示意 } ’i g ．4 S c h P 【1 1 a t i cr l j a g l a n lI f “p 【．e
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