焦建康

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013;2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

0 引 言

沖擊地壓是威脅我國煤礦安全高效開采的主要礦井災(zāi)害之一[1]。統(tǒng)計表明，大部分沖擊地壓發(fā)生在回采巷道中。目前，沖擊地壓研究主要集中在發(fā)生機理、預(yù)測預(yù)警和解危措施等方面[2-5]。由于沖擊地壓發(fā)生機理復(fù)雜、影響因素多樣、發(fā)生地點不確定等，已有研究成果并不能完全避免沖擊地壓的發(fā)生。作為沖擊地壓的最后一道防線，預(yù)緊力錨桿支護系統(tǒng)與其作用范圍內(nèi)的圍巖共同形成的錨固承載結(jié)構(gòu)決定了巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。

在沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究方面，高名仕等[6]建立了巷道圍巖沖擊震源擾動型沖擊破壞的動力分析模型，推導(dǎo)了巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)在“靜載+動載”組合作用下動力破壞的應(yīng)力判據(jù)和能量準則；王正義等[7]將沖擊應(yīng)力波進行簡化，建立平面P波與圓形錨固巷道相互作用的簡化模型，研究了P波作用下錨固巷道圍巖與錨桿動態(tài)響應(yīng)規(guī)律；康紅普等[8]提出沖擊地壓巷道支護形式選擇原則，介紹了高沖擊韌性錨桿力學(xué)性能和支護參數(shù)設(shè)計方法；吳擁政等[9]通過現(xiàn)場測試，得到了沖擊地壓前后巷道錨固承載結(jié)構(gòu)和強度、錨固性能、錨桿桿體力學(xué)性能和錨固失效形式。上述研究多是分析載荷源為單一因素時對巷道錨固承載機構(gòu)穩(wěn)定性的影響。實際上，沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)的破壞與巷道圍巖所受動載荷和靜載荷特征、圍巖強度、錨桿支護參數(shù)等多種因素密切相關(guān)。因此，研究沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)對各因素的敏感性，找出控制巷道變形的內(nèi)在原因，對沖擊地壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制具有重要參考價值。

本文基于響應(yīng)面法試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析功能，采用有限差分軟件動力模塊定量化分析動載荷特征(震源強度、震源距離)、原巖應(yīng)力、圍巖強度及支護強度等單因素及因素交互作用對錨固承載結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，研究不同因素組合條件下錨固承載結(jié)構(gòu)破壞模式，以期為動載擾動下沖擊地壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供參考依據(jù)。

1 模擬方案設(shè)計

1.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)河南大有能源股份有限公司耿村煤礦13230工作面回采巷道斷面形狀和實際地質(zhì)條件進行建模，將地層簡化為水平地層。如圖1所示，模型為平面應(yīng)變模型，大小為長80 m×高80 m，巷道為直墻半圓拱形，直墻高1 m，半圓拱半徑為3.75 m。

圖1 數(shù)值模型

模型的靜力邊界條件為：四周水平位移約束，底部為固定邊界，上部為應(yīng)力邊界。動力邊界采用靜態(tài)邊界，力學(xué)阻尼為雷利阻尼。

計算模型采用摩爾-庫倫模型，經(jīng)實驗室測定和折算[10]，各煤(巖)層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 模擬方案設(shè)計

基于響應(yīng)面優(yōu)化數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert 8.0.7中的Box-Benhnken設(shè)計原理[11]，選取相應(yīng)的因素和水平。選取震源強度10，60，110 MPa，震源距離10，20，30 m，原巖應(yīng)力10，15，20 MPa(分別對應(yīng)埋深400，600，800 m)，圍巖強度20，40，60 MPa，支護強度0.1，0.3，0.5 MPa為自變量，錨固承載結(jié)構(gòu)變形量(錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖位移差)ΔU為響應(yīng)值。

動載荷采用界面震源，為便于分析，把動載應(yīng)力波簡化為正弦簡諧波中的一段，根據(jù)震源距離不同，施加在巷道正上方不同位置，震動頻率20 Hz，震動周期0.05 s，根據(jù)動載強度與質(zhì)點振速的線性關(guān)系σd=ρCv[12]，通過設(shè)置不同震源峰值速度vmax達到不同震源強度，不同強度頂板動載所取的參數(shù)和震源能量的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 頂板動載參數(shù)

通過改變巷道所在巖層的力學(xué)參數(shù)模擬不同圍巖強度，以煤體單軸抗壓強度20 MPa為基準，計算時，不同強度圍巖選取的力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 不同強度圍巖力學(xué)參數(shù)

支護強度Pi由錨桿和錨索的支護強度共同組成，可表示為

(1)

式中：dmg，dms分別為錨桿和錨索直徑，mm；σmg，σms分別為錨桿和錨索屈服強度；Da，Db分別為錨桿間距和排距，m；Da′，Db′分別為錨索間距和排距，m。

根據(jù)上述影響因素和水平，進行5因素3水平的響應(yīng)面法設(shè)計，共設(shè)計模擬方案46種。最終的試驗設(shè)計方案如表4所示。

表4 試驗設(shè)計方案

續(xù)表

2 模擬結(jié)果分析

2.1 回歸模型與方差分析

利用Design Expert分析功能，對表4的試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到5個因素與錨固承載結(jié)構(gòu)變形量ΔU之間的二次關(guān)聯(lián)模型,即

ΔU=69.19A-68.13B+63.69C-60.62D-91.25E-

20.25AB+23.50AC-5.00AD-5.50AE-

55.50BC+40.25BD+1.00BE+4.25CD-

23.00CE-27.00DE+43.94A2+43.35B2+

8.44C2+42.85D2+48.02E2+87.83,

(2)

式中：A為震源強度，MPa；B為震源距離，m；C為原巖應(yīng)力，MPa；D為支護強度，MPa；E為圍巖強度，MPa。

對表4的數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到各項的方差分析結(jié)果，如表5所示。

表5中，模型F=22.1，P<0.000 1，表明該二次模型具有極高顯著性與可靠性。R2=0.947 1,表明模型響應(yīng)值的變化94.71%來自所選因變量，預(yù)測值與實際值之間具有高度的相關(guān)性。失擬項P=0.08>0.05，不顯著，表明該模型失擬不顯著。上述分析表明了統(tǒng)計分析模型的準確性和可靠性。

表5 方差分析結(jié)果

P<0.001，表明模型項高度顯著，P<0.05表明模型項顯著。模型項中5個單因素的P值都小于0.000 1，說明各單因素對錨固承載結(jié)構(gòu)變形量都有高度顯著的影響。各交互項P值均小于0.05，表明因素交互作用對響應(yīng)值有顯著影響。對比各因素F值大小,可以得出，各因素對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量影響程度依次為圍巖強度>震源強度>震源距離>原巖應(yīng)力>支護強度。

2.2 單因素對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

為直觀分析單因素對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量ΔU的影響，以表4中各因素水平值為橫軸，各水平值對應(yīng)的響應(yīng)值即錨固承載結(jié)構(gòu)變形量ΔU為縱軸，擬合得到巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量隨單因素變化的曲線，如圖2所示。

圖2 單因素對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

2.2.1 震源強度對錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

圖2(a)中，隨著震源強度增加，巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量呈指數(shù)形式增加。根據(jù)動載傳播公式σd=σ0L-η[13]，可得礦震應(yīng)力波在錨固承載結(jié)構(gòu)上表面引起的動載擾動與震源強度σ0成正相關(guān)關(guān)系，即隨震源強度增加，作用在錨固承載結(jié)構(gòu)上的疊加應(yīng)力相應(yīng)增加，錨固承載結(jié)構(gòu)變形量也越來越大。

2.2.2 震源距離對錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

圖2(b)中，隨著震源距離增加，巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量呈負指數(shù)形式減少，即隨著震源距巷道距離增大，震源的沖擊效應(yīng)減弱。震源能量在巷道圍巖介質(zhì)中以冪指數(shù)關(guān)系σd=σ0L-η衰減，即震源初始震動比較劇烈，但短距離內(nèi)衰減較快，達到一定距離后衰減不再明顯，隨著震源距離增加，作用在錨固承載結(jié)構(gòu)的動載應(yīng)力越小，穩(wěn)定性越好。

2.2.3 原巖應(yīng)力對錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

圖2(c)中，隨著原巖應(yīng)力增加，巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量幾乎呈線性增加，原巖應(yīng)力20 MPa時對錨固承載結(jié)構(gòu)變形量影響最大。一方面，塑性區(qū)范圍隨著原巖應(yīng)力的增加而增大，圍巖自身承載能力減小，錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。另一方面，靜載荷是沖擊地壓巷道錨固圍巖破壞的主要力源條件之一。隨著原巖應(yīng)力增加，彈性能分布曲線由“寬而緩”變?yōu)椤罢浮?圖3)，即積聚在巷道圍巖中的能量峰值增高。當(dāng)集聚能量達到一定程度，一次小的動載荷作用就可能誘發(fā)巷道圍巖動力破壞。這也是隨埋深增加巷道圍巖沖擊破壞事故頻發(fā)的原因。

圖3 不同原巖應(yīng)力巷道圍巖彈性能變化曲線

2.2.4 支護強度對錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

圖2(d)中，隨著支護強度增加，巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量呈指數(shù)形式減少。根據(jù)理論分析，提高錨固系統(tǒng)支護強度可以提高錨固承載結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，針對沖擊地壓巷道破壞特點，錨桿支護可以施加較大的預(yù)緊力，改善圍巖應(yīng)力條件，提高圍巖整體性及承載能力。另外，錨桿系統(tǒng)的良好柔性，可以吸收一定震源釋放的能量，與其他支護配合，可以很好地適應(yīng)沖擊地壓巷道支護要求[14]。

2.2.5 圍巖強度對錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

圍巖強度是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的顯著因素，對錨固承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著決定性作用。一方面，作為承載主體，巷道圍巖體強度決定其與錨固系統(tǒng)形成的錨固承載結(jié)構(gòu)的強度；另一方面，圍巖強度及鉆孔黏結(jié)強度決定錨桿支護的錨固效果。當(dāng)圍巖強度較低(20 MPa)時，黏錨力較小，易在樹脂-鉆孔孔壁界面發(fā)生脫黏滑移，造成錨固力下降甚至錨固失效。

2.3 因素交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量 的影響

為研究因素交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，根據(jù)模擬回歸結(jié)果，建立因素間交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量影響的3D響應(yīng)面圖，如圖4～7所示。

2.3.1 震源強度與震源距離交互作用

圖4中，當(dāng)震源強度一定時，隨著震源距離增加，響應(yīng)面變化幅度減緩，表明震源距離越大，震源傳播到巷道錨固承載結(jié)構(gòu)的強度衰減得越多，震源擾動對巷道圍巖的影響程度越小。上述分析表明，即使大能量礦震，若距巷道距離足夠遠，對巷道圍巖穩(wěn)定性影響也有限。對于小能量礦震，若距巷道距離足夠近，也可能引起錨固圍巖破壞，誘發(fā)沖擊破壞。

圖4 震源強度與震源距離交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量的影響

因此，采用煤層爆破卸壓、大孔徑鉆孔卸壓、煤層高壓注水等卸壓技術(shù)，一方面可以將高應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，增加可能產(chǎn)生震源區(qū)域到巷道的距離。另一方面，卸壓形成的“弱結(jié)構(gòu)”使能量衰減系數(shù)η很大，可以在很大程度上吸收震源傳播的能量。作用在巷道支護體上的沖擊力被削弱，巷道圍巖穩(wěn)定性得以提高。

2.3.2 震源強度與原巖應(yīng)力交互作用

圖5中，隨著震源強度和原巖應(yīng)力增大，巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量大幅增加，動載荷作用引起高應(yīng)力與采動應(yīng)力疊加，易發(fā)生巷道圍巖大變形甚至沖擊性災(zāi)害事故。這也是動載荷作用誘發(fā)巷道破壞的力學(xué)機制。較高的原巖應(yīng)力環(huán)境中，較小的動載荷作用也可能引起較大的巷道變形破壞甚至動力破壞。當(dāng)震源強度較大時，即使原巖應(yīng)力較小也可能引起較大的巷道變形破壞甚至動力破壞。

圖5 震源強度與原巖應(yīng)力交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量的影響

針對不同載荷源引起的沖擊地壓，潘俊鋒等[15]提出“分源防治”的思路：對于集中靜載荷，采用卸壓技術(shù)將減少應(yīng)力集中程度，并將應(yīng)力集中區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移；對于采掘空間巖層活動帶來的強動載，采用頂板預(yù)裂，消減同一時間、同一區(qū)域的震源強度，減小沖擊發(fā)生的可能性。

2.3.3 震源強度與支護強度交互作用

圖6中，當(dāng)震源強度一定時，隨著支護強度的增加，響應(yīng)面變化幅度減緩，表明隨著支護強度的增加，震源擾動對巷道圍巖的影響程度減小，適合的支護強度可在一定程度上減少巷道圍巖變形。但對于震源強度較大(110 MPa)的擾動，即使很高的支護強度(0.5 MPa)，也可能帶來很大的巷道變形，甚至動力破壞。

圖6 震源強度與支護強度交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量的影響

2.3.4 震源強度與圍巖強度交互作用

圖7中，隨著圍巖強度降低，震源擾動對巷道圍巖錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響越來越明顯，提高圍巖強度可以有效降低頂板動載對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。沖擊地壓巷道圍巖承受高原巖應(yīng)力和頻繁動載的影響，造成圍巖性質(zhì)劣化，主要表現(xiàn)在圍巖力學(xué)參數(shù)降低，完整性變差，裂隙和節(jié)理增加。

圖7 震源強度與圍巖強度交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量的影響

現(xiàn)場觀測表明[16]，動載沖擊地壓回采巷道錨固范圍內(nèi)的圍巖強度普遍較低，動載擾動下極易破壞。

3 沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)破壞模式及控制技術(shù)

3.1 沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)破壞模式

錨固系統(tǒng)破壞失效類型包括錨桿(索)破斷、樹脂錨固劑被壓碎、錨桿(索)與錨固劑的交界面以及錨桿(索)與巖體的交界面脫黏滑移[17]。當(dāng)錨固承載結(jié)構(gòu)變形量ΔU大于錨桿自由段最大伸長量180 mm時，錨桿桿體破斷。樹脂錨固劑的破壞可由樹脂受力獲得，由于鉆孔壁的強度和剛度都比較低，與錨固劑相比黏聚力較小，因此錨固界面的失效一般是錨桿(索)與巖體的交界面脫黏滑移。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(圖8)，結(jié)合錨固圍巖沖擊破壞現(xiàn)場調(diào)研，可將沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)的破壞模式進行劃分。

由表5可知，圍巖強度、震源強度、震源距離都是影響錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。當(dāng)圍巖強度較高，震源強度較大或震源距離較小時，錨固承載結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。如當(dāng)圍巖強度為60 MPa時，模擬方案3，18，37錨固承載結(jié)構(gòu)變形量都小于180 mm，且錨固系統(tǒng)沒有發(fā)生錨桿(索)脫黏和破斷，錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定性錨固承載結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示。

由于沖擊地壓巷道動載作用過程一般都很短，且錨固系統(tǒng)不具有主動讓壓、抗沖擊性能[18-20]，震源強度較大或震源距離較小時，錨固承載結(jié)構(gòu)變形量ΔU極易大于錨桿(索)自由段最大伸長量，此時錨固段沒有發(fā)生脫黏滑移，表現(xiàn)為錨桿(索)斷裂破壞，屬于斷裂破壞型，如圖8(b)所示。

圖8 巷道錨固承載結(jié)構(gòu)破壞模式

沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)頻繁受拉伸、壓縮、剪切等復(fù)雜動應(yīng)力影響，加上爆破、注水、鉆孔造成的圍巖劣化[21]，可錨性較低，震源強度較大或震源距離較小時，瞬間剪應(yīng)力大于錨固界面的剪切強度，錨固段錨固劑脫黏滑移，失去對圍巖的控制作用，產(chǎn)生錨固脫黏破壞，如圖8(c)所示。

動載應(yīng)力波到達巷道錨固承載結(jié)構(gòu)表面時，由于煤(巖)體與空氣的波阻抗相差較大，使絕大部分應(yīng)力波在巷道表面發(fā)生反射形成反射拉伸應(yīng)力波。震動應(yīng)力波波頭與反射波波尾疊加，當(dāng)疊加的應(yīng)力波強度高于錨固承載結(jié)構(gòu)強度時，巷道錨固煤巖體就會被破壞，錨固系統(tǒng)失去錨固基礎(chǔ)，該類型的錨固承載結(jié)構(gòu)的破壞可稱為巖體主導(dǎo)破壞型，如圖8(d)所示。

由于錨桿長度有限，而沖擊地壓啟動的位置一般位于支承壓力中的應(yīng)力增高區(qū)，沖擊啟動后形成的強大沖擊應(yīng)力波造成極限平衡區(qū)的煤(巖)體急速擴容[22]。當(dāng)沖擊應(yīng)力波強度足夠大時，在短時間內(nèi)一次就可將錨固承載結(jié)構(gòu)大范圍摧毀，此時錨固巖體和錨桿失效互為誘因，稱為復(fù)合型破壞。

3.2 沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

通過上述對比分析，針對沖擊地壓巷道強支護的要求和錨固承載結(jié)構(gòu)破壞的模式，提出以下錨固技術(shù)措施。

(1)針對錨固脫黏引起的錨固承載結(jié)構(gòu)破壞，增加錨固界面的抗剪強度是提高錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要手段。可增加錨固長度，如采用加長或全長預(yù)緊力錨固，避免或減少錨固界面存在自由面，有效減緩動載擾動對錨固界面的損傷。

(2)針對錨桿(索)破斷帶來的錨固承載結(jié)構(gòu)破壞，錨桿(索)應(yīng)優(yōu)先選用高強度、高沖擊韌性、高延伸率的熱處理材質(zhì)桿體材料，此類錨桿峰值強度和位移大，破斷耗散能高，抗沖擊能力強。

(3)針對巖體主導(dǎo)型錨固承載結(jié)構(gòu)破壞，外錨內(nèi)注是有效的解決措施。對于強度較低的破碎圍巖體，在采用注漿加固的同時，及時支護，增加錨固長度，增大護表構(gòu)件面積和抗變形能力，提高支護系統(tǒng)強度和抗沖擊韌性。

(4)針對復(fù)合型錨桿承載結(jié)構(gòu)破壞，采用“深部卸壓-淺部強支-巷表防護”多層次控制技術(shù)，通過煤層爆破、大孔徑鉆孔、水力壓裂等技術(shù)降低深部巖層應(yīng)力集中程度，加強淺部圍巖支護，輔以U型鋼金屬支架和液壓抬棚加強巷表防護，減少錨固承載結(jié)構(gòu)的變形量，降低巷道圍巖沖擊破壞的可能性。

4 結(jié) 論

(1)基于響應(yīng)面法試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析功能，定量化研究了動載擾動下巷道錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)果表明，圍巖強度、震源距離、震源強度、原巖應(yīng)力、支護強度單因素及其交互作用對巷道錨固承載結(jié)構(gòu)變形量都有顯著影響，單因素影響程度依次為圍巖強度>震源強度>震源距離>原巖應(yīng)力>支護強度。

(2)因素交互作用對錨固承載結(jié)構(gòu)影響的3D響應(yīng)面分析結(jié)果顯示，增大震源傳播距離、增加動載衰減系數(shù)、提高支護強度、增加圍巖自承載能力、減小靜載應(yīng)力集中，可以有效降低沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)的變形量。

(3)根據(jù)不同因素組合作用下錨固承載機構(gòu)的破壞原因和破壞特征，沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)的破壞模式可分為4種，即錨桿斷裂型、錨固脫黏型、巖體主導(dǎo)型和復(fù)合型。

(4)針對沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)不同的破壞模式，提出了“高沖擊韌性錨桿全長預(yù)應(yīng)力支護”、“外錨內(nèi)注”和“深部卸壓-淺部強支-巷表防護”等控制技術(shù)。