巷幫煤體整體滑脫型沖擊地壓錨桿防沖支護原理及工程實踐

韓 軍 ，李廣漢 ，郭寶龍 ，馬雙文 ，CAO Chen,2

（1.遼寧工程技術大學 礦業學院, 遼寧 阜新 123000；2.伍倫貢大學 土木、采礦與環境學院, 新南威爾士 伍倫貢 2522）

0 引 言

隨著煤炭資源開采向深部拓展，沖擊地壓等動力現象表現為強度更加劇烈、頻率顯著增大、治理更加困難、對安全生產威脅更大的特點。研究錨桿防沖支護技術對于解決回采巷道沖擊地壓災害具有重要的理論意義和實用價值。

隨著對沖擊地壓認識的深入，國內外學者逐漸開始重視巷幫煤體整體沖入型沖擊顯現。LIPPMANN[1-3]以受靜載煤體為研究對象，認為在外界擾動作用下，煤層與頂底板之間會產生相對滑動，當外界擾動載荷的數值大于某個沖擊發生的臨界值時，沖擊地壓就會發生。齊慶新等[4-5]通過對煤巖交界面摩擦滑動試驗的研究，認為沖擊地壓是一種煤巖體結構滑動的破壞形式，并逐漸形成了“三因素理論”。李利萍[6]以塊系巖體為研究對象，進行了深部塊系巖體超低摩擦效應研究，給出了水平沖擊作用下，超低摩擦效應發生的位移和法向力判據。沖擊地壓存在巷幫煤體大范圍整體移出的現象，巷道破壞可達數百米，但沖入巷道的煤體仍保持較好的完整性。上述文獻回顧顯示，目前巷道沖擊地壓發生機理力學模型尚不完善，因此，需要分析此類型沖擊地壓發生的物理過程，建立新的力學模型，解析巷幫煤體發生沖擊的極限平衡方程，開展其力源、載荷傳遞過程、啟動條件、誘發因素等方面的量化分析。

筆者首先分析巷幫煤體整體沖入型沖擊地壓的典型地質條件及沖擊顯現特征，通過理論分析對整體滑脫型沖擊地壓錨桿防治展開研究，建立錨桿防沖支護設計原則并應用于工程實踐。

1 巷幫煤體整體滑脫型沖擊地壓特征

1.1 巷道沖擊典型地質特征

據統計，發生在巷道中的沖擊地壓占沖擊總數的86.8%，巷道沖擊地壓多發生在工作面回采期間，地點位于工作面超前支承壓力影響范圍內，即超前工作面10～80 m 范圍[7-10]。

沖擊工作面一般具有堅硬頂板地質特征。堅硬頂板指剛度高、厚度大、完整性好、節理裂隙不發育的堅硬巖層，具有自承能力強、穩定性高、不易垮落等特點，常為賦存于煤層或厚度較薄的直接頂之上的砂巖、礫巖或石灰巖類等巖層。

在堅硬頂板地質條件與誘發沖擊地壓因果關系研究方面，王恩元等[11]認為堅硬頂板斷裂引發遠場震動效應（震動位移場和能量場）誘發頂板擾動型沖擊地壓；曹安業等[12-13]、楊俊哲等[14]也認為堅硬頂板破斷產生的震動波是誘發沖擊地壓的關鍵因素。譚云亮等[15]、杜濤濤等[16]、榮海等[17]的科研成果則強調堅硬頂板破斷釋放巨大彈性勢能和重力勢能，誘發沖擊地壓。

我國約1/3 礦區的煤層屬于堅硬頂板，如北京、大同、鶴崗、義馬、棗莊、通化、神府、烏魯木齊、晉城、潞安、兗州等，其巖性主要是砂巖和礫巖[18-19]。忻州窯礦[20-21]煤層合層區域頂板普遍賦存一層厚10～25 m 的砂巖層，而在8935 工作面基本頂砂質頁巖和粗砂巖厚度則達到了27.67～39.58 m，平均為35 m，是煤層厚度的4.5 倍；三河尖礦[22]工作面上方則為平均厚度達410 m 的巨厚礫巖，是煤層厚度的38 倍。因此，隨著深部資源開采國家戰略方針的進展，如果不能采取合適舉措，沖擊地壓災害勢必愈演愈烈。

煤層是沖擊地壓事故中破壞的主體，煤層的力學性質與沖擊地壓發生之間存在著必然的聯系，普遍認為，煤層越硬，強度越高，沖擊地壓發生的可能性就越高。我國典型沖擊地壓礦井煤層力學參數顯示[23-25]，大部分沖擊地壓礦井煤層的單軸抗壓強度大于15 MPa，彈性模量大于2.2 GPa，堅固性系數大于1.5，可以認為，堅硬煤層是沖擊地壓發生的另一個重要地質特征。

1.2 巷道沖擊地壓破壞特征

工作面回采期間，巷道沖擊地壓可能同時發生在受支承壓力影響范圍的兩巷，例如，房山礦“2·18”沖擊地壓事故（圖1）[26]造成上下兩巷均發生破壞，但兩巷的破壞范圍并不相同，鄰近老采空區的上巷破壞230 m，其中65 m 巷道基本閉合，而實體煤側的下巷相對破壞程度較低，發生沖擊破壞的巷道約70 m。

圖1 房山礦“2·18”沖擊地壓事故示意[27]Fig.1 Schematic of Fangshan Mine “2·18” rock burst accident[27]

值得注意的是，巷道沖擊地壓主要發生在回采巷道，但也可能發生在受工作面支承壓力影響的其他巷道，例如聯絡巷、甚至在煤層部署的大巷。例如，捷克上西里西亞煤田的?SA 礦沖擊地壓，沖擊地點位于工作面支承壓力影響范圍內的前方巷道，巷道方向與工作面平行[28]。唐山礦“8·2”沖擊地壓事故沖擊地點發生在工作面前方的2 條聯絡巷內，與捷克?SA 礦情況類似。巷道沖擊地壓發生后，頂板的破壞情況是關注的重點之一[28]。首先，在非堅硬頂板或者留有大量頂煤的堅硬頂板條件下，頂板可能在沖擊顯現時發生較大的變形和破壞，最典型的情況是留有頂煤的巷道回采期間發生的沖擊地壓。例如龍家堡礦煤層平均厚度為10 m，“6·9”沖擊地壓發生在305 工作面運輸巷，造成運輸巷170 m 嚴重變形，巷道頂板明顯下沉，達0.8 ～1.3 m（圖2）。

圖2 龍家堡礦“1·2”沖擊地壓事故巷道Fig.2 Roadway of “1·2” rock burst accident in Longjiabao Mine

另一種情況是堅硬頂板無頂煤情況下，巷道發生沖擊顯現時頂板自身無明顯變形破壞現象，絕大部分保持沖擊前的完整性。例如，紅陽三礦“11·11”沖擊地壓[29-30]，巷道沖擊發生后，頂板未發生明顯變化（圖3）。

圖3 紅陽三礦沖擊地壓頂板情況[31-32]Fig.3 Situation of roof in Hongyang No.3 Mine[31-32]

綜上所述，巷道發生沖擊地壓時，軟弱頂板或留有厚頂煤條件下可能發生頂板變形甚至冒落，直接頂堅固條件下，沖擊顯示時的頂板無明顯破壞表現，頂板的錨固支護系統正常。后者是堅硬頂板條件下巷道沖擊顯現的重要特征。

沖擊地壓事故案例調研顯示，巷道發生沖擊地壓時底板的變形并不確定。首先，截至目前，尚未見到底板單獨發生沖擊的報道，即在所有沖擊地壓事件中的底板變形都是與煤層變形共同發生的。其次，雖然底鼓是沖擊顯現的一個常見特征，但不同礦井沖擊顯現時底鼓變形模式差異極大。厚底煤條件下，巷道沖擊可能伴隨有巨量底鼓，例如俊德礦煤層厚度為12 m，設計為4 m 采高的分層開采，“3·15”沖擊地壓發生后工作面上、下出口被鼓起的底煤填滿。無大量底煤情況下，巷道發生沖擊顯現時，底板底鼓量一般不大于1 m，例如，古城礦底鼓量為0.7 m，龍家堡事故中305 工作面運輸巷底鼓0.8～1.0 m，龍堌礦上平巷超前10～100 m 底板底鼓0.3～0.8 m；忻州窯礦8935 工作面多次發生的沖擊地壓整體底鼓量在0.4～1.0 m。在巷幫煤體沖擊同時伴隨底鼓的沖擊顯現中，底板變形常是非對稱的，即底板介質并不是沿巷道中線對稱鼓起均勻地涌入巷道，而是一側發生彎折后向另一側巷幫方向移動，并且底板移動側為煤層沖擊側，而未發生沖擊的巷幫側底板亦無明顯沖擊顯現。圖4 顯示唐山礦“8·2”沖擊地壓事件巷道底鼓情況，是煤層從一側沖擊伴隨同側底板底鼓的典型案例。

圖4 唐山礦F5010 聯絡巷下段破壞Fig.4 Destruction of lower section of F5010 liaison roadway in Tangshan Mine

可以認為，留有厚底煤的巷道沖擊顯現中，底煤即致災的主要介質，造成嚴重底鼓現象；以幫煤主導的沖擊，幫煤沖擊嚴重時，同側底板底鼓量亦大，而沖擊較輕甚至未發生沖擊的巷幫側，底板也保持相對穩定。目前，底板沖擊機制尚不明確，筆者認為底板沖擊更像是巷幫煤體沖入巷道帶來的結果，而非導致煤層沖擊的主動因素。

巷幫煤體破壞是沖擊顯現的共有特征。沖擊地壓發生后，巷幫煤體破壞方式存在差異。沖擊發生后，巷幫煤體可能破碎為大小不同的煤塊，并涌向巷道空間，例如，張莊礦1218 工作面沖擊地壓事故拋入巷道大量煤塊[33]。此類型的沖擊破壞巷幫錨桿網支護有一定的防沖作用，當巷幫煤體沖擊未突破支護強度時，沖擊表現為網兜狀幫鼓；當沖擊破壞強度大于支護強度時，巷幫錨固系統失效，幫錨桿脫錨，錨網撕裂，形成片幫或大量破碎煤塊沖入巷道。

沖擊地壓依據發生位置、破壞形式等有諸多分類，例如斷層滑移錯動型與煤層材料失穩型，這2 個分類之間存在諸多交集，并不完全獨立。沖擊地壓發生后，煤體沿水平方向拋出或滑移，是沖擊地壓最常見的現象。我們把沖擊發生后，煤體以近乎完整形態沖入巷道的沖擊地壓統稱為整體滑脫型沖擊地壓?；诿后w破壞形態的沖擊地壓分類見表1。

表1 基于煤體破壞形態的沖擊地壓分類Table 1 Classification of rock burst based on coal failure mode

對堅硬煤層發生沖擊地壓，巷幫煤體常整體移入巷道，沖擊煤體基本完整，無過多碎塊、彈坑?？赡苤挥幸粠桶l生滑移，也可能兩幫同時發生滑移。典型是紅陽三礦“11·11”沖擊地壓事故（圖3），發生地點位于702 工作面回風巷超前工作面214 m 范圍內，巷道上幫煤體向巷內整體滑移3 m，造成原巷道內部的管路、鐵軌、木垛等堆積在上幫側。沖出的煤體結構沒有發生破壞，仍保持原有的3 層煤和2 層夾矸復合結構。此類型沖擊破壞中，巷幫支護基本不發生破壞。

2 巷幫煤體整體滑脫力學分析

沖擊地壓致災最嚴重的破壞模式是巷幫煤體大范圍整體滑移，巷道破壞可以達數百米，但沖入巷道的煤體保持較好的完整性，無明顯扭轉、劈裂、破碎。此類型沖擊地壓一般具有堅硬頂板和堅硬煤層地質特征，依據前述分析建立此類型巷道沖擊的力學分析模型[34-35]。

選取緊鄰巷道寬度為l的滑脫煤體作為研究對象，如圖5 所示。假定沖擊發生時整體滑移煤體為塊體A，塊體B 是沖擊前與塊體A 相連的深部煤體塊，并且假設巷道高度和煤層厚度均為h。

圖5 巷道煤壁塊體A 受力分析Fig.5 Analysis of coal wall block A in mining roadway

在巷幫煤塊A 具有向巷道內部滑動趨勢時，在水平方向上，煤塊A 受到來自塊體B 的水平應力σx及兩物塊間的黏聚力σT，即塊體A、B 之間的抗拉強度；頂板、底板與煤層交界面的剪應力，分別記為τrc和τfc。則：對于沿巷道軸線單位長度的煤體A，其水平方向（定義為x方向）平衡方程如下：

式中：σx為煤體內部來自塊體B 的水平應力，MPa；τrc為煤塊與頂板交界面的剪應力，MPa；τfc為煤塊與底板交界面的剪應力，MPa；σT為煤的抗拉強度，MPa；設σn為頂板與煤體交接面的法向應力，則：

式中：σn為頂板與煤體交接面的正應力，MPa；crc為煤塊與頂板交界面的黏聚力，MPa；cfc為煤塊與底板交界面的黏聚力，MPa；φrc為煤塊與頂板交界面的內摩擦角，（°）；φfc為煤塊與底板交界面的內摩檫角，（°）；h為塊體A 的高度，m；ρ為煤體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

將式（2）和式（3）代入式（1），得到塊體A 水平滑移的極限平衡方程：

式（4）為巷幫煤塊A 發生整體滑脫型沖擊地壓的臨界狀態；當煤層水平應力σx大于等式右邊時，塊體A 以滑脫的方式整體沖入巷道，發生沖擊地壓。式中σx是與煤幫深度有關的變量，在煤幫表面σx=0，并隨著煤幫深度增加而增加，在煤幫深處為該方向的原巖應力；依據統計和工程經驗，在超出錨桿支護的深度，埋深640 m 左右堅硬煤層煤幫水平方向地應力為10～20 MPa。式（4）中參數crc,cfc和σT的取值范圍為0.1 M～1 MPa， ρgltan φfc項比其他項低約2 個級數，可以忽略不計。

考慮常見煤巖體力學參數和沖擊巷道斷面，假設crc=cfc=σT=1 MPa ，l=h=3 m，tan φrc+tan φfc=1.2 ，σx=10 MPa ， 反算 σn，得到當豎直方向地應力由于頂板反彈從原巖應力16 MPa 降低到6 MPa 時，在巷道煤幫3 m 處煤塊A 失穩，沖入巷道內，發生沖擊地壓。

3 錨桿防滑脫支護設計

3.1 存在的問題

目前的巷道煤體幫部支護一般采用等強錨桿，或在采幫使用玻璃鋼錨桿，錨桿長度一般為1.8～2.4 m，水平安裝，圖6 為此類典型錨桿支護設計。

圖6 目前的幫錨桿支護及存在的問題Fig.6 Current bolt support and existing problems

當沖擊煤塊寬度小于錨桿長度時，錨桿受拉產生了沖擊阻力，錨固系統具有防沖作用；當沖擊煤塊寬度大于等于錨桿長度時，幫錨桿全部位于沖擊煤體內部，錨桿支護系統保證了滑移煤體的完整性，但不會對沖擊產生阻抗作用，對防災減災作用甚微。

沖擊力源σx隨著巷幫深度的增加逐漸從0 增大至原巖應力，因此在巷幫淺部錨固范圍內由于沖擊力較小，較難發生巷幫煤塊整體沖入的情況。但在錨固段外，巷幫煤體處于彈性變形甚至原巖應力區域，沖擊載荷大，由于沖擊位置大于錨桿錨固深度，錨桿不能對產生防滑移阻力，是防沖設計的薄弱環節。深部巷道松動圈測量結果顯示，巷幫煤體彈塑性變形分界線一般位于巷幫1.2～1.8 m 深度范圍，對應錨桿長度1.8～2.4 m，因此認為巷幫的錨桿深度是最容易發生巷幫整體沖入的破壞地點。

3.2 錨桿防脫滑支護設計

基于上述目前的錨桿支護設計體系在防治巷幫煤體整體沖入型沖擊地壓中存在的缺陷，設計了針對該類型沖擊地壓的錨桿支護設計原則，如圖7 所示。

圖7 幫錨桿防沖支護設計Fig.7 Anti-impact support design of help anchor rod

考慮在沖擊發生過程中頂板一般保持穩定，因此在防沖支護設計中將頂幫錨桿錨固段打入頂板內部；同樣，由于底板相對穩定，將底幫錨桿錨固段打入底板內部。該設計可以防治任何深度的巷幫煤體脫滑沖擊。另外，式（4）顯示，增強煤層與頂底板的抗剪強度可以有效地降低沖擊災害的強度，而頂底幫錨桿穿層粘結可以降低滑移面卸載、離層，從而進一步提高滑移面的抗剪強度。值得注意的是，工程實踐中頂和底幫錨桿普遍設計為一定程度的傾斜，但其主要目的是施工方便，并不穿層，與以防沖為目的的穿層錨固具有本質區別。

式（4）顯示巷幫沖擊的塊體寬度越大，越不容易發生沖擊，因此，在錨固防沖支護設計中將使用長錨索取代中部的幫錨桿，當幫沖擊煤礦寬度低于錨索長度時，錨索可以起到防沖的支護作用。

4 錨桿防沖支護工程實踐

4.1 工程背景

錨桿防沖支護實踐地點選取在大屯礦區孔莊煤礦，該煤礦主井地理坐標為東經116°57′13″，北緯34°41′55″。井田總面積約為44.13 km2。礦井開拓方式為多水平開拓方式，共劃分為2 個生產水平，分別是-785 m 水平和-1 015 m 水平。目前開采標高為-160～1 015 m?？浊f煤礦主采煤層為山西組7 號、8 號2 個煤層，目前采掘-785 m 水平的Ⅳ1、Ⅲ5 和Ⅲ4 3 個采區，接續為一采一準，7 層煤和8 層煤配采。

試驗巷道所在7305 工作面位于Ⅲ5 采區東翼中部，為該采區第3 個工作面，工作面位于7305 工作面下方，2 個工作面之間留有寬6 m 的煤柱，工作面對應地面標高+33.38 m，工作面標高為-718.1～-848.3 m，走向長度1 104 m，傾向長度220 m，煤層厚度為2.20～4.30 m，平均厚度3.10 m，工作面煤層傾角19°～27°，平均23°。采區工作面布置如圖8所示。

圖8 采區布置示意Fig.8 Schematic of layout of mining area

7305 工作面所采煤層結構簡單，整體呈現東部厚，西部稍薄的分布狀態，工作面范圍內有局部的夾矸發育，夾矸厚度為0.4～4.0 m，夾矸巖性為泥巖。工作面所在煤層以黑色塊煤為主，煤層內生裂隙發育，可見較多的亮煤條帶，光澤較暗淡，層面可見黃鐵礦薄膜。7305 工作面所在煤層直接頂為泥巖、砂質泥巖，基本頂為細砂巖，底板巖性為泥巖，煤層頂底板特征見表2。

表2 煤層頂底板特征Table 2 Characteristics of coal seam roof and floor

孔莊煤礦7 號煤為弱沖擊傾向性，煤動態破壞時間為2 635 ms，彈性能指數2.06，沖擊能指數為5.13，單軸抗壓強度為9.44 MPa。頂板為強沖擊傾向性，底板為弱沖擊傾向性。7305 工作面材料道標高為-777.5 m，巷道為矩形斷面，寬4.8 m，高2.95 m，在掘進時巷道沿頂掘進。

4.2 錨桿防沖支護設計

7305 工作面回采過程中，需要經歷從類似首采工作面→大煤柱→小煤柱變化過程（圖9）。根據設計圖，回采期間7305 與7303 工作面之間三角煤柱寬度由103 m 逐漸減小至6 m。當工作面回采至400 m 時，此時三角煤柱寬度為50 m；當工作面回采至550 m 時，位于三角煤柱起始區域；當工作面回采至700 m 時，此時為小煤柱護巷區域。

圖9 7305 工作面鄰空巷道煤柱寬度變化Fig.9 Change of coal pillar width in job-side entry of No.7305 working face

工程實踐顯示，小煤柱可以較好地預防沖擊地壓，但煤柱寬度的變化導致鄰空巷道兩幫荷載變化，可能誘發沖擊地壓等強礦壓事件，是安全生產的巨大隱患，尤其巷道處于寬煤柱階段，需采取防沖支護措施，為安全生產提供保障。當7305 工作面回采至400 m 時，此時工作面位于三角煤柱區中部，煤柱的寬度約50 m，屬于承載煤柱，且煤體承載能力強，在高地應力環境中，煤柱側易發生應力集中，煤體內部易發生彈性能積聚，不利于沖擊地壓防治。工作面回采至550 m 時，在工作面前方，煤柱寬度變為6 m，進入小煤柱護巷區域，小煤柱承載能力弱，在高地應力及采動應力作用下，煤柱破碎嚴重，巷道變形明顯，煤柱內部不利于彈性能得積聚，對于沖擊地壓災害防治有利。

基于所提出的防沖吸能支護原理，對煤柱寬度6～40 m 非小煤柱段巷幫采取了錨桿防沖支護設計，錨桿支護方案如圖10 所示。由于是傾斜煤層，采幫主體為頂板，故采幫采用常規支護設計。在本段的煤柱幫，支護設計原則是將錨桿（索）錨固段打入頂底板，在煤體發生水平位移（沖擊）時產生支護阻力，消除和減弱沖擊災害的破壞強度與范圍。

圖10 7305 鄰空巷道斷面Fig.10 Section of No.7305 gob-side entry

7305 工作面軌道巷埋深為-777.5 m，巷道為矩形斷面，寬4.8 m，高3.5 m，在掘進時巷道沿頂掘進。目前，巷道采用錨網索聯合支護的形式，頂板錨桿間排距設計為每排布置6 根錨桿，間、排距為900 mm×1 000 mm；兩幫錨桿間、排距為800 mm×1 000 mm，錨桿之間使用鋼筋梯進行連接，增大錨桿支護系統對圍巖的控制。同時，為保證材料道頂板的完整性頂板支護另加錨索加強支護，材料道加固錨索選用鋼筋強度等級不低于1 860 MPa 鋼絞線的錨索，錨索長6.2 m，直徑為17.8 mm，每排布置2 根，排距1 000 mm，巷道支護斷面如圖11 所示。

圖11 錨桿支護參數及斷面布置方式Fig.11 Bolt supporting parameters and section layouts

工程實踐中煤柱幫頂錨桿、底部2 個錨桿及補強錨索（共3 根）錨固段位于頂底板中，在巷幫煤體發生滑移時可以吸收煤體滑入的動能，能有效地保障人員和設備安全。

5 結 論

1）巷幫煤體整體滑脫型沖擊地壓具有堅硬頂板和堅硬煤層地質特征，其顯現特征是巷幫煤體大范圍整體移入巷道，沖擊煤體基本保持完整，無過多碎塊、彈坑。

2）建立了巷幫煤體整體滑脫力學模型，發現巷幫煤塊在水平方向上受到來自深部煤體的水平應力、頂底板與煤層交界面的摩擦阻力以及煤塊間的黏聚力。當煤層水平應力大于臨界值時，煤塊以滑脫的方式整體沖入巷道，引發巷幫煤體整體滑脫型沖擊地壓。

3）針對整體沖入型沖擊地壓，傳統巷幫錨桿支護防沖作用有限，設計了錨桿打入頂底板內部，同時使用長錨索取代中部幫錨桿的錨桿防沖支護設計，提高錨桿支護系統的防沖支護效果。

4）以孔莊煤礦7305 工作面為工程背景，針對不同煤柱寬度，采取了錨桿防沖支護設計，在煤體發生水平位移（沖擊）時產生支護阻力，消除和減弱沖擊災害的破壞強度與范圍，提高人員和設備安全。