煤矿巷道支护- 围岩系统能量耗散规律与支护时机确定方法

引言

煤矿回采工作面冲击地压作为突发性强、破坏性大的动力灾害，已成为制约煤矿安全高效开采的瓶颈问题。大量研究成果表明，冲击地压发生是多因素综合作用的结果，地质构造、煤岩物理力学性质、开采技术条件以及应力状态与能量释放等因素相互影响，共同决定了冲击地压的发生概率和破坏程度。在煤炭开采过程中，随着工作面的推进，煤岩体受到采动影响，原始应力平衡状态被打破，煤岩体内部产生应力集中。从当前制约煤矿深部开采的因素来看，巷道支护问题是关键问题之一，特别是随着煤矿开采深度的进一步提升，深部巷道面临的支护难度越来越大，如何确保巷道支护的安全性、稳定性是当前很多煤矿面临的现实问题。

1、工程概况

某工程地质条件决定了3号煤层工作面的情况，初采期间宽度为 45m ，推进距离为 75m 时，工作面宽度增加到 95m 。当工作面推进至 175m 时，回采结束。3 号煤层为现开采煤层，煤层厚度 4.86～6.46m ，平均 5.81m 。煤层结构较简单，夹矸一般为3层，上部两层较薄，一般小于 0.10m ，下部夹矸略厚，一般 0～0.30m （ZK105）。纯煤厚 4.76～6.32m ，平均 5.76m 。根据煤岩试样的冲击倾向性测试结果，煤样的平均单轴抗压强度为 17.23MPa，平均动态破坏时间为 304ms ，平均冲击能量指数为2.21，平均弹性能量指数为 5.90 。依据 GB/T25217.2—2010《煤的冲击倾向性分类》以及相关指标的测定方法，综合判定3号煤层属于强冲击倾向性煤层。顶板组合弯曲能量指数为 143.75kJ ，表明顶板也属于强冲击倾向性[1]。

2、煤矿巷道支护-围岩系统能量耗散规律与支护分析

2.1、动态负载适应性强化

煤矿开采进程中，液压支架所承受的负载处于持续动态变化状态。为有效应对，在支架的液压控制系统中引入自适应流量调节技术。通过在立柱和千斤顶的液压回路中配备高精度的流量传感器与智能流量控制阀，能够实时监测液压油的流量变化，并依据负载动态变化迅速且精准地调整液压油的流量与压力，同时，优化支架的结构刚度分布。根据不同部位在负载传递过程中的受力特点，采用变截面设计。如顶梁与立柱连接等关键受力区，增加截面面积与加强筋提升局部刚度以承传顶板压力；掩护梁等受力小处适度降刚度，赋予支架一定柔性变形能力来缓冲动态负载冲击。这种结构刚度的差异化设计，使得支架在面对不同大小和方向的负载时，能够更加合理地分配应力，避免局部过度受力而导致的结构损坏，从而保障整个支架系统的稳定运行。借助微机电系统惯性测量单元，其集成了加速度计与陀螺仪，可精确感知姿态与位置变化。一旦偏载引发的倾斜或位移超出预设安全阈值，纠偏系统即刻启动[2]。

2.2、动载荷源

宽工作面开采阶段上部岩层开始发生破断，空间梯形模式高度同步增加。此外，加载层厚度越大，加权强度也越大，高静应力集中在采掘空间围岩中并不会直接诱发冲击地压。当存在坚硬厚岩层时，通常是关键层在压裂过程中会释放大量的弹性能，形成强烈的动载。动载源释放的能量向采掘空间的围岩中传播，可在围岩中引起强烈的动力扰动效应。在动静组合荷载作用下，围岩原有的平衡状态被破坏，极可能诱发冲击地压。针对断层引起的构造应力影响下发生的非对称变形破坏，采用高预紧力桁架锚索非对称结构，提高了断层侧顶板的支护强度，整体提高了顶板的极限承载强度。利用高强锚网索联合支护对巷道实体煤帮进行加固，进而增强了实体煤帮的自承能力。对于局部变形破坏严重的区段，采用单体支柱与铰接顶梁进行联合支护，从而提高围岩系统的稳定性[3]。

2.3、巷道返修支护方案

巷道原设计采用拱形巷道，从使用情况来看，在破顶掘进的万国城中，拱形断面对层状岩层产生了较强的破坏作用，特别是导致肩窝的位置三角煤稳定性不够，这些位置的锚杆与锚索出现了严重的破断问题。因此，为了更好保证巷道稳定性，在巷道进行重新掘进时，设计采用了倒梯形。在返修时，为了提升锚杆与锚索的支护质量，锚杆选择使用超高强度锚杆，并配合使用减磨垫圈、调心球垫及锚杆托板等。同时，在顶板的锚杆中配合使用了W 钢带进行护表。锚索选择使用预应力钢绞线，配合使用异性托板。对于锚杆与锚索的预应力也进行了针对性的提升。采取高压劈裂注浆的方式，对巷道两帮的煤柱进行针对性的注浆加固，通过超前注浆的方式，实现对巷道围岩整体性的有效提升。在本次返修时，采取每天循环设置两个注浆孔的方式，对巷道进行注浆加固。本次使用的注浆材料选择使用改良之后的复合型改性材料，注浆压力控制在 10MPa，在注浆时通过单向阀进行劈裂注浆，采取从下到上的顺序进行间隔注浆，从而更好提升注浆整体效果[4]。

2.4、围岩预紧力强化分析

从提高围岩的强度出发，前人开展了经锚杆锚固后围岩力学性能改善的研究。但这些研究主要是针对浅埋深不受采动影响的水利、隧道、边坡等工程，探讨了锚杆加固后岩石峰前区黏聚力c，弹性模量E 的改善情况，开展了对深部煤矿巷道锚固体强度强化研究并提出围岩强度强化理论之后，在煤矿巷道方面才有了系统的强化理论。但前面的研究均是着手于锚杆提供的附加黏聚力，只是将锚杆黏聚力与围岩黏聚力进行了物理叠加，而忽视了锚杆预紧力的作用。施加锚杆后，围岩的强度会有所提高。以往的研究表明，相较于锚固前的岩体，锚固后岩体的内摩擦角可视为基本不变，黏聚力得到提高。锚杆本身的黏聚力大于围岩的黏聚力，锚固体的黏聚力为锚杆和围岩黏聚力的面积平均值；预紧力会在围岩中产生附加应力，进而引起围岩抗剪断能力提高，称之为等效黏聚力。附加应力提供的摩擦力部分Pl?可改写为预紧力的表达，根据巷道支护安全为主的保守原则，取组合拱中预紧力产生的附加应力的最小值来用于围岩强度强化[5]。

结束语

在复杂煤矿地质条件下，对液压支架进行了系统的稳定性分析以及优化设计。其稳定性受多场耦合作用、地质构造变化等多种因素交互影响，关乎煤矿开采安全与效率。构建多因素耦合的数值模型，以解释稳定性演化，能够准确地把握其变化规律并评估风险。监测数据表明，优化后的支护系统能够有效控制巷道变形，提高围岩稳定性，延长了巷道的使用寿命，确保了煤矿的安全生产。

参考文献：

[1]陈万辉,郭瑞,韩伟,等.煤矿巷道支护方案智能设计研究[J].工矿自动 化,2024,50(08):76-83+90.DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2024060044.

[2]李志远.复合支护技术在煤矿巷道支护中的应用[J].矿业装备,2023,(12):44-45.

[3]左建平,刘海雁,徐丞谊,等.深部煤矿巷道等强支护力学理论与技术[J].中国矿业大学学报,2023,52(04):625-647.DOI:10.13247/j.cnki.jcumt.20230214.

[4]王佳明.煤矿巷道支护方案自动生成及智能比选研究[D].中国矿业大学,2023.DOI:10.27623/d.cnki.gzkyu.2023.001978.

[5]靳帅.煤矿巷道预应力锚杆支护技术[J].陕西煤炭,2019,38(02):152-15