高明仕教授：特厚煤层巷道冲击破坏机理及全锚索支护技术| “冲击地压与岩石动力学”专题
创新点
（1）研究了特厚煤层巷道冲击破坏机理，揭示了顶煤破坏主控影响因素，巷道顶煤岩梁冲击破坏程度与围岩静载集中应力、冲击震源强度和岩梁长度成正比，与应力波传播距离、岩梁厚度及强度成反比。（2）研究了动载应力波传播过程，分析了巷道围岩振动及锚杆索轴力时程演化规律，冲击动载应力波传播过程分为应力起始振动期、应力波动期和应力调整期；应力起始振动期巷道围岩表面质点开始振动，锚杆索出现预卸压，应力波动期巷道围岩破坏加剧，锚杆索产生一定损伤，应力调整期巷道围岩趋向于稳定，锚杆索轴力也趋向于稳定值。（3）提出了全断面锚索梯次让压支护技术，巷道采用全锚索支护形成了浅表深锚高预应力层与深部梯次让压协同支护层，增强了巷道顶煤岩梁强度及厚度，降低了锚索冲击动载损伤值，提升了巷道围岩抗冲性能。作者：高明仕1, 2, 3 ，徐 东1, 2, 3, 4 ，王海川5 ，俞 鑫1, 2, 3 ，刘荣发1, 2, 3单位：1. 中国矿业大学 矿业工程学院;2. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室;3. 中国矿业大学 冲击岩爆巷道支护研究中心;4. 东京大学 地震研究所;5. 陕西彬长胡家河矿业有限公司近年来随着煤矿开采机械化和智能化发展，矿井产能日益增大，为满足高强度开采需求，协调采掘平衡作业，回采巷道普遍布置于煤层中，煤层巷道存在顶煤厚度大，围岩强度低，巷道变形破坏严重等特征，尤其是在深井特厚煤层中，回采巷道静载集中应力高，顶板破断动载扰动强，动静载叠加巷道围岩冲击破坏严重，严重影响矿井安全高效生产。统计表明矿井90%冲击地压事故发生在巷道中，其中发生在特厚煤层回采巷道中的冲击地压事故占比35%，因此深井特厚煤层巷道防冲治理迫在眉睫。特厚煤层巷道防冲主要是通过卸压与支护进行治理，即利用水力压裂、爆破和大直径钻孔卸压等措施在巷道围岩内部构建弱结构，转移巷道围岩高静载于围岩深部，采用高强吸能锚杆索以及防冲单元架等技术提高巷道围岩浅表支护区围岩强度与动载吸能能力，卸支耦合从而提高巷道围岩整体防冲性能。潘一山等建立了深部特厚煤巷复合致灾力学模型，分析了冲击发生主控影响因素；姜福兴等研究了高地应力特厚煤层蠕变冲击机理，确立了蠕变冲击评估公式；夏永学等分析了特厚煤层大巷复合构造区重复冲击致灾机制，采用超长孔水平分段压裂技术实现了巷道围岩防冲；吴拥政等建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型，分析了巷道“卸压–支护–防护”协同防冲原理；焦建康等提出了冲击地压巷道围岩“深部卸压–浅部强支–巷表防护”多层次控制技术；付玉凯等研发了高冲击韧性锚杆，分析了锚杆吸能减冲原理；马振乾采用吸能锚杆和提高锚索延伸量解决了厚层软弱顶板巷道控制难题；王洪涛等针对巷道顶煤松散破碎特征，建立了锚索悬吊支护顶煤曲线型破坏力学模型；王金华研究了全煤巷道锚杆锚索联合支护机理；王爱文等研发了内置六角管衬防冲锚杆索，分析了防冲锚杆索吸能原理；刘洪涛等构建了围岩–支护系统本构模型，采用顶板接长锚杆支护系统，解决了深部巷道围岩大变形问题。综上所述，巷道围岩采取卸支耦合措施可有效提高巷道防冲性能，锚杆索作为巷道支护主要技术手段，对于增强特厚煤层巷道围岩稳定性具有重要作用，然而目前对于特厚煤层巷道围岩冲击破坏机理以及冲击动载影响作用下的巷道围岩及支护体系动力响应特征还鲜有研究。因此笔者通过建立特厚煤层巷道顶煤岩梁力学模型，分析了特厚煤层巷道冲击破坏机理及主控影响因素，揭示了不同冲击动载强度作用下的巷道围岩及锚杆索动力时程演化规律，提出了特厚煤层巷道全断面锚索梯次让压支护技术，有效提升了巷道围岩抗冲性能，为类似巷道围岩抗冲支护设计提供了借鉴意义。针对特厚煤层巷道围岩冲击破坏严重等问题，基于弹性力学与冲击动力学，研究了特厚煤层巷道冲击破坏机理，揭示了顶煤破坏主控影响因素，分析了动载应力波传播过程及巷道围岩支护体系动力响应特征，确定了特厚煤层巷道围岩抗冲支护技术。
研究发现：巷道顶煤岩梁冲击破坏程度与围岩静载集中应力、冲击震源强度和岩梁长度成正比，与应力波传播距离、岩梁厚度及强度成反比；冲击动载应力波传播过程分为应力起始振动期、应力波动期和应力调整期；应力起始振动期巷道围岩表面质点开始振动，锚杆索出现预卸压，应力波动期巷道围岩破坏加剧，锚杆索产生一定损伤，应力调整期巷道围岩趋向于稳定，锚杆索轴力也趋向于稳定值；随着冲击动载强度增大，巷道围岩质点振动速度、位移增量和加速度呈指数关系增长；巷道围岩临界冲击能量为105 J，大于临界冲击能量，巷道围岩动力破坏加剧，锚杆索损伤增大；采用全锚索梯次让压支护技术，巷道可形成浅表深锚高预应力层与深部梯次让压协同支护层，增强巷道顶煤岩梁强度及厚度，降低锚索冲击动载损伤值，提升巷道围岩抗冲性能。工程应用表明，采用全锚索梯次让压支护技术，巷道围岩裂隙发育深度降低50.47%～55.42%，变形量降低52.89%～68.78%，锚杆索损伤降低，巷道围岩稳定性显著提升。
图 1 401106 工作面平面
图 2 401106 工作面钻孔综合柱状
图 3 巷道支护参数
图 4 巷道变形破坏特征
图 5 顶煤冲击破坏力学模型
图 6 数值模型
图 7 冲击动载应力波传播过程 (σd=60 MPa)
图 9 不同冲击强度巷道围岩位移时程分析曲线
图 10 不同冲击强度巷道围岩加速度时程分析曲线
图 11 不同冲击强度作用下锚杆索轴力时程曲线
图 12 不同冲击强度作用下锚杆索位移变化率时程曲线
图 13 全断面锚索梯次让压支护原理
图 14 让压锚索抗冲原理工作曲线
图 15 巷道全锚索抗冲支护参数
图 16 支护参数优化前后围岩内部裂隙发育特征
图 17 巷道围岩变形量
图 18 巷道锚杆索轴力变化量
高明仕，男，1970年2月生，甘肃靖远人，中国矿业大学矿业工程学院教授，冲击岩爆巷道支护研究中心主任，博士生导师，新疆大学“天山学者”特聘教授，中央（国家）机关第8批优秀援疆干部人才，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人，江苏省煤矿安全生产专家，第五届国家安全生产专家组成员，全国煤矿支护先进个人。研究成果获中国煤炭工业协会科技进步特等奖1项，省部级科技进步一等奖3项，三等奖3项。出版专著一部，发表学术论文100余篇，获国家发明专利8项，实用新型专利13项，国家软件著作权2项。
研究方向
巷道支护、冲击地压灾害防治
主要成果
致力于煤矿开采矿山压力及其控制方面的科研和教学工作，主持国家自然科学基金、教育部科学技术研究重点项目及永煤、西山、平顶山、淮南、淮北、义马、榆北、彬长、汇森煤业等企业委托课题60余项，多年来一直坚持深入矿井一线研究解决煤矿中的开采、支护及冲击地压技术难题，发明了煤矿地下岩体围岩强度原位快速测试方法，设计了巷道钻爆法爆破参数自动设计辅助系统，提出了深部巷道厚层泥岩顶板梯次支护、高应力大变形软岩巷道全断面O型控制、顶帮底主控裂隙联动控制等技术和原理，持续多年专注于冲击地压巷道支护及灾害防治研究，开展了系列工程试验，提出了煤矿冲击地压巷道支护的强弱强理论，建立了冲击矿震能级与巷道围岩支护强度之间的对应关系，提出了基于冲击危险性综合指数评判的冲击地压巷道支护P4设计新方法。
来源：
高明仕，徐东，王海川，等. 特厚煤层巷道冲击破坏机理及全锚索支护技术[J]. 煤炭学报，2023，48(5):1943−1956.
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