高恒阻大變形錨索防沖力學特性研究

影響地壓是礦山壓力的一種特殊表現(xiàn)。這是礦渣開采過程中周圍巖石的痙攣，當上升到煤層巖石的限制時，由于變形，它積累了，并迅速破壞。這是礦山的主要災(zāi)害之一1.3。我國是世界上除德國和波蘭以外煤礦沖擊地壓危害最嚴重的國家之一［4－5］,最早記錄的沖擊地壓案例是發(fā)生在1933年的撫順勝利煤礦沖擊地壓。據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù),建國以來我國共發(fā)生4000多次沖擊地壓事故,造成重大損失。隨著煤礦開采深度的不斷增加,特別是我國東部煤炭主采區(qū),開采深度超過1000m的礦井個數(shù)急劇增加,井下巷道在承受高地應(yīng)力的同時,又要經(jīng)受由于回采引起的強烈支承壓力作用,使受采動影響的巷道圍巖壓力數(shù)倍、甚至近十倍于原巖應(yīng)力,煤巖體積聚了大量的固體能量,在深部地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及工程擾動的作用下［6－7］,使得積聚的能量大于礦體失穩(wěn)和破壞所需要的能量,造成整個煤巖系統(tǒng)失去結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,發(fā)生沖擊地壓［8－11］,從而使得淺部開采時的非沖擊礦井,進入深部后轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊地壓頻發(fā)的沖擊礦井［12－13］,同時沖擊地壓發(fā)生強度、危害程度及頻次呈急劇增加的趨勢(圖1),沖擊礦井數(shù)量呈明顯上升趨勢(圖2)［14－15］。國內(nèi)外學者對沖擊地壓發(fā)生的機理、預(yù)測預(yù)報和防護技術(shù)做了大量的研究,20世紀60年代,我國開始研究沖擊地壓問題,并作為國家“六五”、“七五”科技攻關(guān)項目進行了有針對性的重點研究,取得了一定的成果［16－19］,特別對采場的防沖措施進行了系統(tǒng)研究,主要包括區(qū)域性防御措施和局部解危措施,其中區(qū)域性防御措施主要包括開采解放層、采用合理的開拓布置和開采方式、煤體注水卸壓、開展沖擊地壓預(yù)測預(yù)報、提高采煤工作面裝備水平等方法;局部解危措施主要有鉆孔卸壓、卸壓爆破、深孔爆破、水力致裂、強制放頂?shù)却胧?。以上措施基本能夠達到緩解或者抑制回采工作面沖擊地壓的發(fā)生。開拓巷道及采準巷道掘進和服務(wù)期間的防沖支護措施主要有U型鋼可縮支護、高強錨網(wǎng)索支護、錨網(wǎng)索+金屬支架聯(lián)合支護、錨網(wǎng)索+讓壓管支護、圓型支架及垛式支架等方式。上述措施部分緩解了沖擊地壓的發(fā)生強度,但沒有根本解決井下巷道的防沖問題,特別是目前占巷道支護絕大部分形式的錨網(wǎng)索支護對沖擊地壓幾乎無防護作用,且隱蔽致災(zāi)性大,不可靠。上述防沖支護形式不能滿足沖擊地壓防治的根本原因是支護材料本身不能適應(yīng)沖擊力作用下圍巖的瞬間大變形,包括傳統(tǒng)錨桿、錨索、U型鋼可縮支架等主要支護材料,均屬于傳統(tǒng)泊松比材料,即為塑性硬化材料,在受到?jīng)_擊荷載作用下瞬間達到其屈服強度而失去承載防護能力,造成沖擊地壓事故的發(fā)生,如圖3所示。因此,尋求安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的支護新材料具有重大的意義。傳統(tǒng)泊松材料在拉伸時產(chǎn)生橫向收縮,而負泊松比效應(yīng)材料在受到拉伸時,垂直于拉應(yīng)力方向會發(fā)生膨脹,而不是發(fā)生通常的收縮;在受到壓縮時,材料在垂直于應(yīng)力方向發(fā)生收縮,而不是通常的膨脹;在受到彎曲時,負泊松比材料由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)為球形腔,在張力的作用下,球型腔大多為等規(guī)圓筒狀結(jié)構(gòu),使應(yīng)力集中效應(yīng)大為減弱。負泊松比材料同時顯示出更強的力學與物理特性,這也就意味著其可以被同時定義為結(jié)構(gòu)材料和功能材料［20－22］?；谪摬此杀炔牧系奶厥饬W特性,結(jié)合井下巷道沖擊大變形控制的需求,受“以柔克剛,剛?cè)嵯酀钡恼軐W思想的啟迪,筆者于2007年研發(fā)了具有負泊松比效應(yīng)的恒阻力為130kN的恒阻大變形錨索支護新材料,2011年又成功研制出第2代具有負泊松比效應(yīng)的恒阻值為350kN的新型高恒阻大變形錨索。該新型恒阻大變形錨索具有最大超過1000mm的拉伸滑移變形能力來適應(yīng)圍巖的沖擊大變形,在控制沖擊能量安全釋放的同時能夠保持恒定的支護阻力,達到抑制沖擊地壓發(fā)生或?qū)_擊地壓發(fā)生全過程做到安全可控的目的。為了研究該新型高恒阻大變形錨索的防沖力學特性,本文以沈陽紅陽三礦為地質(zhì)背景,提出在井下廢棄巷道利用現(xiàn)場爆破模擬沖擊的防沖對比試驗,找出其防沖機理及現(xiàn)場防沖效果,為深部開采條件下巷道防沖支護提供新技術(shù)。1負泊松比效果的錨索的力學特性1.1第二,恒阻值具有負泊松比效應(yīng)的新型恒阻大變形錨索,其主要有恒阻體、鋼絞線、托盤和螺母組成,其中鋼絞線為普通泊松比材料,恒阻體為負泊松效應(yīng)材料,具體如圖4所示。該錨索恒阻器采用負泊松比材料,其恒阻值設(shè)計為泊松比材料鋼絞線屈服強度的95%,當錨索受力小于恒阻值時,鋼絞線處于彈性工作狀態(tài);當受力超過恒阻值時,恒阻器產(chǎn)生塑性滑移拉伸變形直到圍巖再次穩(wěn)定,鋼絞線受力達到屈服強度的95%,仍然處于彈性工作狀態(tài)。本次現(xiàn)場防沖試驗采用恒阻值為350kN,最大拉伸滑移變形量為350mm的高恒阻大變形錨索(圖5),為了研究其防沖力學性能,利用室內(nèi)實驗對其靜力拉伸及動力沖擊性能進行了研究。1.2靜力拉伸實驗采用深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室(北京)自主研發(fā)的HWL-2000恒阻大變形錨索拉力實驗系統(tǒng)(圖6),對應(yīng)用于試驗現(xiàn)場的4根錨索進行了靜力拉伸實驗研究。采用位移控制的方法,對4組高恒阻大變形錨索進行靜力拉伸實驗,測試其最大靜力拉伸長度及恒阻力保持情況。通過試驗得到其最大拉伸滑移變形量在386.38~405.38mm之間,滿足設(shè)計值350mm;恒阻力平均值在350kN左右,表明其恒定阻力性能良好。實驗材料參數(shù)見表1,實驗結(jié)果如圖7所示。1.3動力沖擊實驗研究采用深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室(北京)自主研發(fā)的LEW-20WJ型恒阻大變形錨索落錘沖擊實驗系統(tǒng)(圖8),對應(yīng)用于試驗現(xiàn)場的4根錨索進行了動力沖擊實驗研究。利用上述系統(tǒng),對2組新型錨索(表2)進行了動力沖擊實驗,結(jié)果顯示受沖擊過程中錨索受力均在350kN附近,近似恒定,表現(xiàn)出較好的恒阻性能;單次沖擊時錨索滑移變形量均在50mm左右,表明在受到?jīng)_擊時錨索近似均勻吸收沖擊能量,防沖擊性能良好,具體如圖9,10所示。2現(xiàn)場抗沖試驗設(shè)計2.1巷道圍巖構(gòu)造背景紅陽三礦為沈陽焦煤股份有限公司的主力礦山,開采深度已超過1000m,多次出現(xiàn)非線性動力學現(xiàn)象。北二采區(qū)707工作面為孤島工作面,回采末期接近終采線時,外圍回采輔助巷道發(fā)生了動壓影響下的沖擊地壓;西二1204工作面運輸巷,埋深超1000m,掘進至1185m處的火成巖墻時,發(fā)生應(yīng)變巖爆,掘進工作面巖塊最遠被拋出27m。隨著開采深度的增加,特別是由于深部復雜的地質(zhì)構(gòu)造而產(chǎn)生的高的構(gòu)造應(yīng)力,使得深部巷道掘進及回采期間發(fā)生沖擊動力學現(xiàn)象發(fā)生的頻次在不斷增大,給支護與開采帶來了很大的難度,嚴重影響了安全生產(chǎn)。因此,現(xiàn)場防沖試驗選擇在該礦-850水平廢棄巷道中進行,在驗證其現(xiàn)場防沖性能的同時給紅陽三礦井下巷道沖擊地壓防治提供科學依據(jù)。2.2錨網(wǎng)索支護巷道試驗段選擇在-850水平1213回風聯(lián)絡(luò)巷進行(圖11),埋深793~817m,傾角平均為6°,巷道總長度為303m,沿7號煤掘進。7煤為復合煤層,由7-1煤、7-2煤和7-3煤組成,中間有兩層泥巖夾矸,總厚度為2.75m。巷道布置為矩形斷面,寬高為4200mm×2500mm,原支護采用錨網(wǎng)索支護。錨桿選用φue78820mm×2200mm的等強錨桿,間排距700mm×800mm,錨索采用ue788φ21.7mm×6500mm的鋼絞線,具體布置如圖12所示。2.3對原支護的防沖效果分析試驗段總共40m,平均分為I,II,III和IV段,每段10m,具體布置如圖13所示。本次試驗是研究相同地質(zhì)條件下,相同支護強度,普通錨索與恒阻錨索支護防沖效果對比,故分別對各試驗段在原支護不變的情況下對左幫進行加強支護,頂板和右?guī)椭ёo不變,其中試驗段Ⅰ和Ⅳ采用普通φue78821.7mm×6500mm的鋼絞線錨索加固,試驗段Ⅱ和Ⅲ采用恒阻值350kN、長度6500mm的高恒阻大變形錨索加固,加強支護斷面如圖14所示。兩種錨索錨均采用端頭錨固,預(yù)緊力達到300kN以上。2.4爆炸試驗過程的設(shè)計2.4.1爆破長出設(shè)計本次試驗采用爆破形式模擬沖擊地壓的破壞作用,為模擬沖擊地壓發(fā)生時沖擊波對巷道支護體系的作用,采用沿巷道走向布置爆破源的方式,即裝藥炮孔要平行于巷道走向,為了炮孔的施工,在試驗段I和II之間、III和IV之間分別設(shè)置1個爆破硐室。據(jù)統(tǒng)計沖擊地壓對巷道表面的破壞深度80%處在2.0~2.5m范圍內(nèi),故炮孔設(shè)計在距巷道左幫2.5m豎向斷面上,距頂板1.0m和1.7m平面上。據(jù)此,爆破硐室設(shè)計為斷面為3000mm×2500mm,深度4500mm,布置位置及支護斷面如圖15所示,炮孔布置斷面如圖16所示。2.4.2爆破試驗?zāi)M目前發(fā)生在煤礦井下沖擊地壓的礦震震級大部分處在2~3級,對應(yīng)釋放的能量為106.45~107.8J［23］,本次試驗?zāi)M2.8級礦震對巷道沖擊破壞作用,對應(yīng)釋放的能量為107.4J,需采用爆炸能量為2.95×106J/kg的礦用3號乳化炸藥約8.5kg,考慮炸藥能量耗散,單次采用10kg炸藥進行爆破試驗。2.4.3爆破試驗的順序按照設(shè)計要求對試驗段分別進行加強支護,然后施工爆破硐室,按照試驗設(shè)計布置炮孔。整體按照試驗I,II,III,Ⅳ的順序依次進行爆破試驗,首先進行試驗段Ⅰ的試驗,采用10kg炸藥一次爆破,然后進行試驗段Ⅱ的試驗,采用10kg炸藥一次爆破的形式與試驗段I作對比試驗;根據(jù)試驗段I和II對比試驗結(jié)果,進行試驗段Ⅲ和Ⅳ的爆破試驗,裝藥量根據(jù)前期破壞情況進行調(diào)整。3現(xiàn)場抗沖試驗的結(jié)果3.1前巷道支護情況試驗段Ⅰ合計裝藥量10.4kg,一次爆破。試驗前巷道支護良好,整體穩(wěn)定,試驗后巷道整體崩塌,左幫整體被沖出,爆坑深度最大處達到1.8m,部分中間排錨索、錨桿被沖斷、拉出失效,如圖17所示。3.2巷道拉伸變形試驗段II合計裝藥量10kg,一次爆破。由圖18可知,爆破試驗前后巷幫基本無變化,巷道整體仍然穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)潰幫、片幫現(xiàn)象,只是在距底板1.2m段幫部出現(xiàn)網(wǎng)兜,高恒阻大變形錨索受力產(chǎn)生了滑移拉伸變形,最大拉伸變形量達到57mm,拉伸滑移變形量如圖19所示。3.3巷道圍巖變形情況根據(jù)現(xiàn)場前兩個試驗段沖擊對比試驗結(jié)果,試驗段III進行了兩次沖擊爆破試驗,累計裝藥量30.4kg,其中第1次爆破裝藥11.4kg,第2次爆破裝藥19kg。第1次爆破試驗前巷道支護良好,爆破后巷道表面基本沒有大的變化,整體穩(wěn)定,只是在單根恒阻錨索周圍出現(xiàn)較小網(wǎng)兜變形現(xiàn)象,如圖20所示。恒阻器均產(chǎn)生了滑移拉伸變形,拉伸量大部分處在25~30mm,最大變形量達到38mm,如圖21所示。為了進一步研究新型錨索支護體系抵抗多次爆破沖擊的性能,進行第2次爆破試驗,試驗后巷道整體穩(wěn)定,只是在第1次爆破基礎(chǔ)之上網(wǎng)兜現(xiàn)象進一步加大,局部鐵絲網(wǎng)出現(xiàn)破損。恒阻器均產(chǎn)生了滑移拉伸變形,最大變形量達到52mm,如圖22所示。3.4錨索支護爆破試驗由于試驗段I普通錨索試驗段爆破試驗后,巷道出現(xiàn)整體崩塌破壞,為了研究普通錨索支護能夠抵抗沖擊荷載的強度,試驗段IV采用減小爆破能量的辦法進行爆破試驗,合計裝藥量5kg,一次爆破。試驗后巷道出現(xiàn)局部破壞,網(wǎng)兜變形嚴重,部分鐵絲網(wǎng)破斷,顯示出接近臨界破壞的特點,如圖23所示。3.5高恒阻大變形錨索的抗沖擊能力通過對比試驗可知,在相同爆破沖擊能量作用下,普通錨索段巷道整體出現(xiàn)垮塌,而高恒阻大變形錨索試驗段巷道只是產(chǎn)生了有限、可控的變形,巷道整體穩(wěn)定,表明高恒阻大變形錨索比普通錨索具有很好的抗沖擊性能。通過試驗段II和III每次沖擊試驗后的恒阻器伸長量的監(jiān)測可知,絕大部分錨索在沖擊力作用下都產(chǎn)生了滑移變形,均勻受力,同時保持了恒定的工作阻力;相同的爆破能量作用下,由于普通錨索受力不均,被各個擊破,產(chǎn)生了崩斷或拉出的現(xiàn)象。4現(xiàn)場模擬沖擊地壓的防沖方案(1)利用自主研發(fā)的兩套實驗系統(tǒng)對新型高恒阻大變形錨索防沖力學特性進行了實