柔性蓄能支护防冲技术应用研究

任志新 上官峰 杨岁寒

（1.河南大有能源股份有限公司跃进煤矿，河南省义马市，472300；2.河南大有能源股份有限公司，河南省义马市，472300）

柔性蓄能支护防冲技术应用研究

任志新1上官峰1杨岁寒2

（1.河南大有能源股份有限公司跃进煤矿，河南省义马市，472300；2.河南大有能源股份有限公司，河南省义马市，472300）

跃进矿冲击矿压属于典型的底板冲击矿压，针对底板冲击严重巷道单独采用锚网索支护防冲效果不好的现象，提出“O”型棚＋锚网索联合支护方式。运用数值模拟方法对锚网索支护和锚网索＋“O”型棚支护两种不同支护方式的底板变形、应力分布等进行模拟和矿井巷道变形实时监测数据分析，监测结果表明，锚网索＋“O”型棚联合支护结构具有抑制冲击矿压的作用，适合在具有冲击矿压危险的巷道推广使用。

冲击矿压 “O”型棚＋锚网索联合支护 数值模拟 变形监测

跃进矿冲击矿压事故属于典型的底板冲击矿压，主要影响因素包括开采深度、顶板岩层结构和煤岩体的冲击倾向性等。目前，锚网索支护一般适合在顶板和两帮采用，巷道底板采用锚网索支护的技术还不成熟，对于底板冲击严重的巷道单独采用锚网索支护结构防冲效果不理想。根据实际情况，在跃进矿冲击矿压严重的23130工作面进风巷决定采用36U型钢“O”型棚＋锚网索联合支护。

1 柔性蓄能支护体系原理

柔性蓄能支护防冲结构体系是在冲击震动巷道围岩“强－弱－强”结构控制理论的基础上提出的。具体措施是巷道开挖后采用锚网索支护形成围岩的强结构，提高抗冲击的能力，充填结构和“O”型棚支护形成双重可缩的柔性结构，并对巷道两帮、底板的高应力集中区域采用爆破、煤层注水和大直径钻孔卸压等设置弱结构。这样不但减弱了巷道围岩的冲击危险，而且当在外界应力波扰动（包括爆破、顶板断裂等）下发生冲击矿压时，弱结构能够吸收部分应变能。双重可缩性柔性结构也可以发生变形释放部分能量，增强巷道的抗冲和防冲能力。柔性蓄能支护结构防冲原理见图1。

图1 围岩柔性蓄能支护体系

2 柔性蓄能支护数值模拟分析

2.1 模型的建立

对采用锚网索支护和锚网索＋“O”型棚支护两种方案进行对比。锚网索支护巷道采用梯形断面，宽4.5m，巷道中心高4.5m，“O”型棚支护采用圆形断面，直径4.5m。模型宽90m，高110m，煤层厚度取11m，其它参数以跃进煤矿实际地质条件为基础。锚网索支护体与“O”型棚之间的充填物采用降低材料强度参数的方法解决。具体模型见图2。巷道开挖后，针对两种支护结构应力分布进行对比，为选择正确的支护结构提供依据。

图2 两种巷道支护模型

2.2 应力分布规律

两种支护方案巷道底板水平应力和垂直应力分布见图3。

从模拟数据结果看出，锚网索＋“O”型棚联合支护时底板水平应力最大值27.50MPa，最小垂直应力9.42MPa，应力差18.09MPa；锚网索支护底板水平应力最大值32.09MPa，最小垂直应力11.07MPa，应力差21.02MPa。由于锚网索＋“O”型棚联合支护结构的煤壁与“O”型棚之间充填密实，巷道近似为圆型断面，使围岩的应力分布发生变化，底板水平应力集中程度小于梯形棚支护的底板水平应力，锚网索＋“O”型棚联合支护结构在一定程度上具有抑制冲击矿压的作用，适合底板冲击矿压严重的巷道。

图3 两种支护方案巷道底板应力分布

3 工程实例

3.1 巷道变形量监测

23130工作面是跃进煤矿23采区下山采区部分的第三个工作面，工作面进风巷沿顶板布置，采用梯形断面，工作面支护采用了36U型钢“O”型棚＋锚网索联合支护方式，巷道设计宽度5000mm，巷道中心线高度5050mm，顶板布置7根ø18mm×1900mm钢筋树脂锚杆、3根ø17.8 mm×8000mm钢绞线锚索，上帮布置8根ø18 mm×1900mm钢筋树脂锚杆，下帮布置7根ø18 mm×1900mm钢筋树脂锚杆。“O”型棚直径5000 mm，厚度150mm，由6节组成。“O”型棚与煤壁之间充填圆木、袋装粉煤灰等。为了研究“O”型棚受到冲击后的抗冲能力，在23130工作面下巷施工期间设置12个测点，对顶底板、两帮位移量进行监测，实时掌握巷道的变形量及变形速度。根据锚网索段1＃～3＃测点和“O”型棚段4＃～12＃测点监测数据，各测点顶底板、两帮平均每日位移量见表1。

根据数据分析，巷道顶底板变形量一般大于两帮位移量，说明底板水平应力较大。由于锚网索段距巷道开始位置较近，巷道基本稳定，巷道变形量较小，“O”型棚段测点距离巷道工作面较远，变形量除个别测点变形量较大，其它测点变形不大。

表1 各测点顶底板、两帮平均每日位移量

23130工作面下巷施工期间中部区段爆破诱发了5次冲击矿压，对冲击后的冲击发生区域长100m的巷道变形进行测量，设置10个测点，巷道位移见表2，巷道位移变化见图4。根据统计，发生5次冲击区域的“O”型棚发生明显的收缩变形，宽度平均变形0.81m，高度平均变形0.83m，总的变形趋势是顶底板位移量大于两帮位移量，总的位移量较大。

表2 冲击区域位移变化

图4 冲击矿压区域“O”型棚位移变化

根据巷道位移监测研究说明，发生冲击时，锚网索＋“O”型棚支护结构发生较大的收缩变形，但能保持整体结构完好，说明此支护结构适合在冲击矿压危险巷道使用。

3.2 支护防冲效果

23130进风巷在掘进期间曾发生7次由于爆破诱发的冲击，尤其是在中部区域300m的范围发生了5次冲击后，又在此范围发生一次能量为2.17×107J的冲击。冲击矿压事故发生后，巷道变形比较大，“O”型棚节间搭接部分发生明显收缩滑动，最大滑移量达到1m，除个别区域的O型棚由于背板不实发生折断，大部分“O”型棚整体基本能保持完好，掘进期间的冲击没有影响施工，冲击后两天即恢复生产。

4 结论

锚网索＋“O”型棚联合支护结构中的充填体和“O”型棚支护可形成双重可缩的柔性结构，当在外界应力波扰动（包括爆破、顶板断裂等）下发生冲击矿压时，双重可缩性柔性结构发生变形释放部分能量，增强了巷道的抗冲和防冲能力。经过理论分析和现场实践说明，锚网索＋“O”型棚复合支护结构值得在具有底板冲击地压危险的矿井中推广应用。

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Application of flexible support with energy storage to prevent rock－burst

Ren Zhixin1，Shangguan Feng1，Yang Suihan2
（1.Yuejin Coal Mine of Henan Dayou Energy Company Ltd.，Yima，Henan 472300，China；2.Henan Dayou Energy Company Ltd.，Yima，Henan 472300，China）

The rock－burst of Yuejin Coal Mine belongs to typical rock－burst in floor strata.Aimed at a bad effect of bolt－wire mesh support for the roadways with serious floor outburst，the combined support by“O－shape shed and bolting－wire mesh”was put forward.The numerical simulation was used to study floor deformation，stress distribution and so on under two different supporting systems，and the real－time monitoring was carried out on the roadway deformation.The results showed that the combined support could inhibit the rock－burst and be widely applied to the roadways with rock－burst risk.

rock－burst，combined support by O－shape shed and bolting－wire mesh，numerical simulation，deformation monitoring

TD353.6

B

任志新（1986－），男，河南义马人，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任跃进煤矿防冲监测科技术员。

（责任编辑 张毅玲）