深部煤矿中，受采矿诱导应力作用下的锚固砂岩顶板失稳机制及其协同控制方法

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Impact failure mechanism of anchored sandstone roof under mining-induced stress and cooperative control method in deep coal mines

锚固砂岩顶板在动态应力下的破坏机制及协同控制方法研究，通过真三轴冲击试验分析不同动态应力幅值和支护材料数量对锚固砂岩破坏特性的影响，提出卸压与吸能支撑协同控制策略，现场应用验证该策略可降低最大支护应力20.66%，减少微震总能量41.16%，提升吸能锚索支撑力50.62%。

　　

郝杰学|王琪|张冲|杨宇|张建涛|何满超

山东大学土木工程学院，济南，250061，中国

摘要

在深煤矿中，带有煤柱的巷道侧经常发生动态灾害。目前，关于锚固砂岩顶板在采矿诱导应力下的冲击破坏机制及其有效控制方法缺乏系统研究。因此，通过进行真三轴冲击试验，本文分析了不同动态应力幅值和支护材料数量下锚固砂岩的冲击破坏机制。实验结果表明，动态应力幅值越大，峰值强度越低，冲击破坏时间越早。同时，支护材料数量可以增加锚固岩体的峰值强度，并大大降低冲击破坏的风险。本文提出了一种释放顶板应力与吸收能量支护相结合的控制方法，并在典型深煤矿中验证了该方法的有效性。与传统方法相比，使用这种新型控制方法后，最大支护应力降低了20.66%，微震事件的总能量减少了41.16%，吸能锚索的最大支护力增加了50.62%。这种控制方法对深煤矿的安全开采具有指导意义。

引言

随着开采深度的增加，在复杂的地质条件和高采矿诱导应力下，深煤矿中频繁发生岩爆[[1], [2], [3]]。岩爆是指在工作面采煤时，周围岩体中的弹性变形能量瞬间释放所引起的动态现象，通常伴随着煤和岩体的喷射[[4], [5], [6]]。

岩爆的发生机制包括强度理论、刚度理论、能量理论、变形失稳理论、“三要素”理论、“三因素”理论、扰动失稳理论、动静态复合载荷诱导冲击理论、煤爆启动理论等[[7], [8], [9], [10]]。岩爆的控制方法包括区域开采布局方法、局部减压措施和能量吸收支护技术。在开采布局方面，主要包括保护层开采[11]、错层开采[12]和小煤柱[13]。在局部减压措施方面，主要包括硬顶板预裂爆破[14]、大直径孔[15]、定向水力压裂[16]、非对称减压技术[17]、人工释放顶板[18]和预制裂隙岩体[19,20]。在支护技术方面，主要包括高强度锚杆技术[21,22]、吸能锚索和锚杆[[23], [24], [25]]以及抗冲击和吸能水力支护[26]。

目前，区域开采布局方法是消除岩爆灾害风险的关键。然而，保护层开采和错层开采的布局需要设计合理的减压空间结构，这较为复杂且仍需挖掘巷道。保留的煤柱在高应力条件下存在安全问题，同时也会造成煤柱资源的浪费。因此，探索一种既能降低岩爆灾害风险又能回收煤柱资源并减少巷道挖掘的方法非常重要[27]。

实际上，通过顶板切割自动形成巷道的方法可以取消保留的煤柱，减少巷道挖掘和应力集中[28,29]。该方法已在不同地质条件下得到应用，包括裂隙和硬顶板[30,31]、薄煤层和厚煤层[32]、极近距离层位[33]、大倾角矿井[34]等。然而，目前关于顶板切割自动形成巷道的研究在深煤矿中尚未进行系统研究。

因此，通过进行真三轴冲击试验，本文分析了采矿诱导应力下锚固砂岩顶板的冲击破坏机制，并提出了相应的控制策略。提出了释放顶板应力与吸收能量支护相结合的控制方法及其设计流程，并在深煤矿中验证了该方法的有效性。

节选内容

动态应力下锚固砂岩的冲击试验

冲击试验系统能够模拟不同应力状态下的加载过程。在保持一定静态应力水平并施加冲击扰动的情况下，诱发工程现象——冲击破坏。通过比较不同的动态应力幅值和支护材料数量，本文揭示了采矿诱导应力下锚固砂岩顶板的冲击破坏机制。

深煤矿中锚固砂岩顶板的控制策略

深煤矿中锚固砂岩顶板的控制策略应从两个方面入手：降低动态应力和提高能量吸收支护的能力。具体步骤如图10所示：

(1)

掘进卸载效应。当巷道未进行掘进时，围岩应力曲线位于莫尔-库仑曲线范围内，巷道处于稳定状态。由于掘进作用，径向应力σ₃突然卸载至0，

关键技术

释放顶板应力与吸收能量支护相结合的控制方法包括三项关键技术：定向顶板切割、能量吸收支护和矸石阻隔支护，如图11所示。首先，使用能量吸收支护技术防止定向预裂爆破振动和顶板矸石垮落对顶板的影响；随后采用定向顶板切割技术生成定向裂隙。

工程应用

为了验证这种控制方法的效果，本文分析了不同采矿条件下巷道的推进支护压力、微震频率与能量、锚索支护力及巷道变形情况。

结论

本文系统研究了不同动态应力幅值和支护材料数量下锚固砂岩的冲击破坏机制，提出了深煤矿中释放顶板应力与吸收能量支护相结合的控制方法，并在典型深煤矿中验证了该方法的有效性。研究结论如下：

(1)

通过进行真三轴冲击试验，分析了锚固砂岩的冲击破坏机制

作者贡献声明

郝杰学：概念构思、资金获取、方法论设计、项目统筹、初稿撰写、审稿与编辑。王琪：数据整理、数据分析、研究调查。张冲：方法论设计、监督指导、审稿与编辑。杨宇：方法论设计、初稿撰写。张建涛：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑。何满超：数据分析、方法论研究。

资助

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFC2909500）和中国博士后科学基金（项目编号：2023M742073）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。