动载扰动下巷道锚固承载结构冲击破坏机制及控制技术

摘要

冲击地压是威胁我国煤矿安全高效开采的主要矿井灾害之一。统计表明，大部分冲击地压发生在回采巷道中。目前，针对冲击地压的研究主要集中发生机理、预测预警和解危措施方面。由于冲击地压发生机理的复杂性，影响因素的多样性，发生地点的不确定性，已有的研究成果并不能完全避免冲击地压的发生。作为冲击地压的最后一道防线，预紧力锚杆支护系统与其作用范围内围岩共同形成的锚固承载结构决定了巷道围岩的整体稳定性。对于动载冲击地压巷道，锚固承载结构不仅承受较大静载，还受到频繁动载的扰动，其冲击破坏机理与静载巷道不尽相同。本文以开采深度大、采动应力高、受顶板动载扰动，且煤岩层具有冲击倾向性等综合特征的义马矿区冲击地压巷道为工程背景，采用现场实测、实验室试验、理论分析及数值模拟相结合的方法，围绕动载扰动下巷道锚固承载结构冲击破坏特征、破坏机理以及控制技术开展了系统研究。论文取得的主要研究成果如下： （1）开展了义马矿区冲击地压巷道地质力学测试和典型冲击破坏实例实测分析，总结了动载冲击巷道冲击破坏特征和原因。结果表明：义马矿区动载扰动冲击地压巷道冲击破坏特征主要表现为：①巷道围岩瞬时变形量大；②巷道底鼓严重；③变形破坏程度和震源能量正相关；④冲击破坏之前，巷道围岩缓慢变形严重；⑤锚杆支护体系严重失效。冲击破坏后的巷道表现为围岩节理、裂隙扩展贯通，强度和完整性弱化，锚固系统锚固性能（锚固力、预紧力）降低，锚固界面粘结劣化失效，锚杆产生塑性变形，杆体内部晶粒扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，金相组织紊乱，抗拉强度、延伸率和冲击吸收功普遍降低。巷道冲击破坏的主要原因为：高原岩应力和采动应力叠加形成的高静载应力集中、坚硬顶板脆断形成的动载扰动、巷道围岩―外碎内脆‖的结构特性以及锚杆支护参数不合理导致的锚固承载结构承载能力低。 （2）建立了动静载联合作用下回采巷道数值模型，采用数值模拟方法分析了动载扰动作用下巷道锚固承载结构动载响应特征及冲击破坏演化过程。结果表明：动载产生的反复压拉作用，极易造成锚固岩体扩容变形破坏或锚固系统失效，导致锚固承载结构冲击破坏；应力波在深浅部围岩产生的动载应力差，是顶板锚固承载结构变形破坏的主导因素，不同深度围岩动态响应差异是巷帮锚固承载结构变形破坏的主导因素；锚固承载结构冲击破坏演化过程为：顶板动载扰动→浅部围岩损伤变形破坏→锚固系统失效→锚固承载结构失去对深部围岩控制→围岩损伤破坏范围骤增→深部围岩能量瞬时释放→锚固承载结构冲击破坏。动载扰动下巷道锚固承载结构的冲击破坏是在采动静载和动载驱动下的力学破坏过程，伴随着能量的消耗、释放与转化。 （3）提出了动载扰动下锚固承载结构冲击破坏准则和判据，基于响应面法实验设计和数据分析功能，定量研究了单因素以及多因素交互作用对锚固承载结构稳定性的影响，结果表明：动载扰动冲击地压巷道锚固承载结构冲击破坏必须满足应力和能量的双重“超载”条件，必要条件是：顶板动载和巷道围岩静载叠加强度大于锚固承载结构的承载能力，即应力超载；充分条件是：矿震余能和巷道围岩释放的弹性能量大于锚固承载结构冲击破坏耗能，且有盈余能量并可转化为冲击动能，即能量超载。围岩强度、震源距离、震源强度、原岩应力、支护强度等单因素和各因素交互作用对锚固承载结构变形量都有显著影响，不同组合条件下锚固承载结构的破坏模式可分为锚杆断裂型、锚固脱粘型、岩体主导型和复合型。 （4）提出了动载扰动冲击地压巷道锚固围岩控制技术，主要包括“降载-抗冲-吸能”稳定性控制原理、“深部卸压-浅部强支-巷表防护”多层次控制技术以及新型抗冲击锚杆支护材料。围岩卸压可以降低应力集中的程度和范围，降低深部围岩冲击破坏时能量释放的大小，增大动载传播的距离和衰减系数，减缓矿震动载对锚固承载结构的扰动，降低锚固承载结构发生冲击破坏的风险。针对不同锚固承载结构破坏模式，采用加长或全长高预应力锚固、超高强度长短锚杆协同支护以及全断面支护，可以有效提高冲击地巷道锚固承载结构自身的抗冲击性能和吸能特性。研发出的新型超高强、高冲击韧性套接锚杆的破断载荷与SKP22-1/1770型锚索相当，但套接锚杆的平均延伸率（19.5%）与冲击吸收功（128J）远超锚索。 （5）开展了动载冲击地压锚固承载结构稳定性控制现场实践。采用人工爆破模拟矿震动载检验控制效果，围岩质点振动、锚固围岩损伤电磁波 CT 扫描、围岩变形和锚固系统受力等矿压监测结果显示：爆破产生的动载扰动，造成监测点位置围岩张性拉伸损伤破坏，且锚固范围内浅部围岩损伤破坏大于深部。由于锚固围岩的损伤破坏，大部分锚杆、锚索轴力突降，轴力损失率随着震源距离的增大呈乘幂关系衰减，随预紧力的增大呈减小趋势。在爆破动载作用下，监测区域巷道围岩未发生冲击破坏，巷道位移和锚杆（索）受力均在允许范围内。

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