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深孔卸压爆破技术 改善煤巷支护的试验研究 周金城 【峰峰集团公司生产处】 摘 要 针对大采深高流变软岩巷道掘进难以支护的问题，应用深孔卸压爆破技术和深部围岩—浅部围岩—支架系统应力变形二次耦合支护技术，取得成功。对认识变形机理、完善围岩应力分析理论和指导生产实践具有一定的现实意义。 关键词 深孔卸压爆破 高流变软岩 支护 试验 近年来，随着开采深度的不断加大，采矿工程面临的地质条件越来越复杂。国内外学者针对采矿工程所涉及的领域进行了大量的研究，取得了一些可喜的成果,对指导生产实践发挥了重要作用。但是，由于煤矿岩层赋存千变万化，围岩条件差异很大，对于复杂应力结构高流变围岩的研究仍处于起步阶段。本次试验针对万年矿南翼采区复杂的应力条件和岩层结构，应用深孔卸压爆破技术改善大采深高流变煤巷支护效果，取得成功，对认识变形机理和指导生产实践具有一定现实意义。 1 问题提出 万年矿主要生产水平为二水平，埋深500m,很多巷道遭到了严重破坏，影响了生产的正常进行。从遭到破坏巷道情况看，锚喷支护巷道的破坏表现为顶帮开裂、喷层脱落、锚杆拉断、底臌和局部冒顶；架棚支护巷道的破坏表现为支架变形、折断、底臌和局部冒顶等。破坏后巷道不能满足运输、通风等生产需要和人员、设备的安全要求，对安全生产威胁很大，必须经常整修。为从根本上解决这一问题，由河北工程学院和峰峰集团公司合作，选择具有代表性的13278工作面运输机巷作为试验巷道，进行改善支护效果的研究。 2 试验巷道条件 万年矿位于峰峰煤田西北，矿井年生产能力为150万t。矿井采用斜井多水平联合布置的开拓方式和盘区前进、区内后退式开采。地层为单斜构造，断层密布，煤层倾角变化在4～55°之间，大部分为缓倾斜煤层。矿井含煤地层为石炭—二迭纪，可采煤层共6层，主采煤层为2#煤。 试验巷道为13278综采工作面下顺槽，为沿空掘巷。煤层厚度3.0～4.5m，平均厚度3.8m。煤层倾角7～15°。煤层内含夹矸两层，厚0.2m。煤层直接顶为黑灰色粉砂岩，厚3.0m，老顶为灰白色细砂岩，厚14m，伪顶为黑色炭质页岩，厚0.5m；直接底为深灰色粉砂岩，厚6.0m，老底为灰白色细砂岩，厚6.3m。 3 巷道破坏分析 掘进初期来压快，变形量大，巷道很快遭到破坏。变形一直在缓慢发展，直到巷道完全被破坏。 围岩具有软岩特性，变形呈现蠕变变形三阶段的规律，具有明显的时间效应。采取加大支护强度等手段，不能从根本上解决上述问题。 巷道遭到严重破坏，表明围岩不仅处于复杂应力之中，而且其变形具有明显的流变特性。大规模的变形及破坏说明围岩不仅岩块发生高流变变形，而且结构面也发生高流变变形。 因此要求支护应能控制这种复杂应力条件下的软岩高流变变形。　 4 模拟试验 复杂应力高流变软岩是一种特殊的地质结构，具有非均质、非连续、非线性及复杂的加载条件和边界条件。这使得其稳定性问题通常无法用解析法简单地求解，相比之下，数值法具有较广泛的适用性。它不仅能模仿岩体的复杂力学与结构特性，也可很方便地分析各种边值问题，并对工程进行预测预报。因此，我们选用三维有限差分软件—FLAC3D软件进行 计算分析。 4.1 三维有限差分软件——FLAC3D软件 FLAC3D软件用于土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。FLAC3D源于流体力学，模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合—离散法”，即使模拟系统是静态的，仍采用动态运动方程，这就使得FLAC3D模拟的物理失稳过程不存在数值上的障碍。FLAC3D采用“显示拉格朗日”算法和“混合—离散分区”技术，能非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，及时调整三维网格中的多面单元来拟合实际结构(实体)。 4.2 数值模拟模型建立 根据煤层厚度、巷道顶底板厚度、煤(岩)体成分和性质以及巷道周边地质情况，建立模拟现场数值模型。FLAC3D采用三维立体模型，计算模型垂直巷道走向长度为20m，垂直走向高度为25m，岩层倾角12°。模型材料特性见下表。模型条件是模型底部固定，两侧及上侧为受力边界，其值均为1.2MPa。模型侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，模型其余部分为自由面。在深孔爆破实施动力分析中爆破荷载的输入是沿着基角深孔爆破位置向四周方向，为减少边界对入射爆炸波的反射,指定模型四周为自由场边界。数值模拟过程分为：①自重应力场下的平衡；②分布开挖及基角深孔爆破对围岩的应力变形的影响；③首次U型钢支架支护的支护效果模拟。 FLAC3D模型材料和节理力学特性 弹性模量 (GPa) 泊松比 粘结强度 （MPa） 内摩擦 系数 容 重 (kN/m3) 抗拉强度 （MPa） 粉 砂 岩 0.13e04 0.12 0.07 1.06 22.4 1.5