1 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
冲击地压有以下显现特点：1.突发性，冲击地压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，难于事先准确确定发生的时间、地点和强度；2.瞬时震动性，冲击地压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样剧烈震动，并伴有十分巨大的响声，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有地震感觉，但震动持续时间一般在几十秒之内，时间短暂；3.巨大的破坏性，发生冲击地压时，顶板有时候会产生突然明显下沉，但一般并不冒落。情况严重时底板突然开裂并鼓起，甚至接顶，大量煤块或者上百立方米的煤体通常会突然破裂并从煤壁抛出，堵塞巷道、破坏支架。
世界范围内，我国、南非、加拿大、美国、德国、波兰等多个国家和地区在煤矿开采中都出现了冲击地压现象，造成了巨大的财产损失和人员伤亡。我国自1933年在抚顺胜利煤矿首次发生冲击地压之后，随着开采范围的扩大和开采深度的增加，北京、北票、枣庄、抚顺、淮南、大同、南桐等矿区的许多矿井，都先后发生了冲击地压灾害。
此外，我国冲击地压除具有以上显现特征之外，还有以下特点：1.类型多种多样，灾害严重程度不同。我国冲击地压一般表现为煤层冲击，以破碎煤块从煤壁抛出最为常见，也有极个别情况为上百立方米的煤体整体滑移。顶板冲击和底板冲击现象在我国煤矿也有发生；2.发生条件极为复杂。我国煤矿发生冲击地压的典型条件为：初始深度 200-600m，煤的单向抗压强度 10-30 MPa（软岩到较软岩），顶板一般为厚10-40m 的坚硬砂岩，强度 100-600MPa。然而，具体分析起来，我国冲击地压发生条件却极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击现象，采深从200-800m，地质构造从极简单至极复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种方法都出现过冲击现象；3.发展趋势是矿井数量逐渐增多，灾害的危险程度日趋严重。
然而在我国能源结构中，煤炭仍占主要部分，比重约为 70%。因此，结合我国实际情况，研究冲击地压作用下巷道抗冲击支护技术具有十分重要的理论与实际意义。
1.2 冲击地压作用下的巷道破坏特征调查
在高地应力、地质构造、地下水、岩性和人为因素的作用下，深井巷道的破坏模式多以顶板下沉、底鼓、顶底板移近、上帮或下帮变形、两帮挤进（伴随顶底板移近）为主，但在冲击动压作用下，巷道变形破坏又具有有别于传统的破坏模式。冲击地压发生后煤岩变形破坏过程，一般持续时间仅为几秒到几十秒，现场调查同时表明，冲击地压发生后，工作面或巷道并不是在所有地方都发生破坏，往往破坏只局限于一定范围内。例如，在 1980 年 3 月 14 日，北京门头沟煤矿的九龙七槽-137 米采煤工作面发生了冲击地压，检测结果显示震级为二级。调查后发现，大概在工作面中部附近有一长 5 米，深 6 米的大孔洞，在这个大洞内的原煤体最终全部被抛出；在 1960年的6月21日，天池煤矿发生了冲击地压灾难，2吨多煤炭在采煤时突然冲出，并在煤层中形成了一个高2米，宽1米的椭圆形空腔；天生桥一级水电站某隧洞在一次大岩爆过后在隧洞拱顶部位也形成了一个宽5-7米，深约3-4 米的一个大岩爆槽。
我国三河尖矿区多次发生了典型的冲击地压事故。例如，1992年02月24日发生在7108工作面附近的冲击地压事故。冲击点位于7108工作面后方68m处的7110材料道中，破坏范围达70m，煤体达400m3。在7108面来压过程中，冲击地点位于多条巷道应力集中处，且处于不能回采的煤柱位置，在动应力叠加的作用下，发生了冲击地压，见图1-1。
1993 年 05 月 25 日，该矿区 7125 材料道再次发生冲击地压事故。在冲击地压发生区域（7125 材料道），巷道底鼓严重，使巷道明显变形。此次破坏范围达 80m，破坏最为严重区域距工作面只有 14m。见图 1-2。原因可能如下：①7123 面开采结束时间较短，其顶板仍处于活动过程中，特别是临近7123面的7125材料道正处于顶板活动影响范围之内；②7125面煤层及顶板坚硬且性脆，具有积蓄大量弹性能的能力；③冲击发生点正处于7125面前方支承压力显著影响范围之内，使得煤(岩)体的应力更加集中。在煤岩体的高度应力集中及 7123 面顶板活动的共同作用下发生了本次冲击地压。
2 地质力学模型试验
2.1 地质力学模型设计
2.1.1 试验假设与相似考虑
本次试验按一般的深部巷道围岩考虑。岩体按块状结构设计。侧压系数为 1/3。岩体参数见表 2-1。试验中不考虑地下水和温度的影响，也不考虑岩体自重，因为爆炸力和地应力比围岩自重力大得多。
根据以往经验，模拟围岩材料选择低标号水泥砂浆，其28天强度可以达到要求，其重量配比为水泥：砂：水=1:14:1.5。采用夯实法成型，模型体分10次夯筑完成，每次夯筑厚度为4cm。本次试验模拟块状岩体（模型体中块体尺寸为2cm左右）。支护结构材料根据经验用铝丝来代替。
2.1.2 模型尺寸设计
模型试验在华北水利水电大学“YDM-D型岩土工程结构模型试验系统”上进行，见图2-1。该装置的内部尺寸为：宽×高×厚=1.6m×1.6m×0.4m。直墙拱顶型深井巷道跨度取 30cm，墙高取 8cm，拱高 15cm，拱部弧半径为 15cm，见图 2-2。模拟洞室设计在装置正中间位置，见图2-3。
2.2 试验简介
（1）模型体制作
模型体制作主要包括每层料夯实、平整和小块体的制作，夯筑模型体时，在洞室周围（宽 0.8m，高 0.7m）范围内，进行划块，块大小为 2.0cm×2.0cm×4.0cm(长×宽×厚)左右，块的方向与水平方向呈 45 度角，以模拟洞室周围的块状岩体。在此范围之外，为减少工作量，不进行划块处理。见图2-12。
（2）模型体的养护
模型体制作完成后，在模型体上部加上2层四氟乙烯膜，再加上传力钢板，外部用钢梁固定。模型体制作完成后2d，把模型体由水平放置转化为竖直放置。模型体在2 层四氟乙烯膜、传力钢板和外部固定钢梁作用下，自然养护 28d 左右开始准备模型试验的超载工作。
（3）模型试验前的准备工作
模型试验开始之前，要完成一系列的准备工作：主要包括模型试验机检查和调试，测试元件连接和调试，爆炸荷载预试验，爆炸荷载触发及测试和测试设备静态测试与动态测试快速高效转换等。
模型试验机检查和调试主要包括：试验机气压及油压的检查，加载活塞完整性等。
测试元件的连接和调试主要包括：应变片、动静压力传感器、加速传感器和测试系统的正确连接，测试元件数据的漂移程度等。
爆炸荷载预试验主要进行导爆索的预爆炸试验，检查导爆索和控制系统的灵敏程度。
爆炸荷载触发测试主要检测导爆索爆炸后能否触发动应变采集仪，使得测试设备能够开始工作，采集爆炸后动应变、加速度等数据。
静态采集和动态采集快速高效转换测试主要是检查设备在静态测试状态与动态测试状态自由转化时，测量设备能否及时、正确工作。动态及静态测试转化主要通过改变插接口实现，同时观察测试仪器的测试状态就可查明设备是否正常工作。
3 短密锚杆支护下洞室的破坏特征 .......... 25
3.1 洞室宏观破坏特征 ................. 25
3.2 应力分析 .............. 27
3.3 应变分析 ............... 27
4 基于 Flac3D 的数值模拟研究 .............. 37
4.1 数值计算模型的建立 ................. 37
4.1.1 边界条件及本构方程的选择 ................... 37
5 结论与建议 ............ 51
5.1 结论 .............. 51
5.2 建议 ................ 51
4 基于 Flac3D 的数值模拟研究
4.1 数值计算模型的建立
4.1.1 边界条件及本构方程的选择
本次数值试验模拟动静荷载组合作用下的岩体-结构耦合效应，在不同荷载作用下采用不同的边界条件。当静载作用时，模型体四周边界为单向位移约束边界，相当于链杆约束，模拟平面应变下的受力状况；当动载作用时，模型体四周边界采用静态边界条件，这种边界可以在相应面上施加自由的阻尼器从而实现吸收入射波的目的，此时在静载时设置的静力边界条件将自动释放。
Flac3D 的计算原理是求解运动方程，在软件进行动力分析时，通过求解运动方程就可以得到合适的动力问题解答。对于本构方程的选择，主要是描述单元的应力-应变关系，如果是弹塑性的，则考虑的是单元的屈服准则、流动准则等。因此，在动力计算时，在设置合适的阻尼形式、阻尼参数和边界条件后，任意静力学本构方程都可以选取。考虑此次模型试验和实际工程需要，本次计算采用摩尔库伦弹塑性本构方程。
5 结论与建议
5.1 结论
1.地质力学模型试验结果表明：100mm 短密锚杆不能有效的防止冲击地压对洞室的破坏，冲击压力直接将爆心与拱腰处的岩体材料冲出。破碎岩体以碎屑状为主，只有少数几个较大块体；从埋设在洞室周围的应变片测试结果可知，在冲击压力作用下，洞室围岩内动应变场主要表现拉应变，距离爆心越近，则产生拉应变越大，此时距离爆心最近应变测点均出现受拉破坏；从设置在拱腰处的加速度传感器监测结果可知，在爆心附近洞壁主要表现为压的加速度，而在其它部位表现为拉的加速度，且压加速度值远大于拉的值。距离爆心越远，其加速度的峰值下降越剧烈；
2.不同锚杆长度计算结果表明：支护锚杆长度存在一个最为合理的长度 L。当实际支护长度小于L时，支护效果随长度增加而增强，当实际支护长度大于L时，支护效果随长度增加而减弱。此次研究条件下，最佳长度约为160mm，锚杆长度与拱顶洞径比为1.1，与直墙高度比为2.0；
3.不同锚杆间距计算结果表明：增密锚杆间距可以降低冲击灾害的程度，但不能完全防止冲击事故。所以在实际工程中，考虑工程造价等综合因素，锚杆间距也存在一个最为合理的间距D；
4.在加密锚杆的基础上，洞壁表面设置的吸能装置模拟结果表明：虽不能完全防止洞室破坏，但洞室破坏程度进一步降低，吸能装置有效地吸收了一部分能量，协助锚杆和围岩承担了部分冲击压力；
5.从各工况下锚杆的动态力学响应可知：爆心和拱腰连线处的几根锚杆首先受拉力作用，这几根锚杆的受力大小是洞室其它部分锚杆受力大小的近100倍，支护效果的好坏将直接取决于拱腰处的几根锚杆。
6.试验结果综合表明无论改变锚杆长度、间距，还是设置吸能装置均不能完全防止冲击事故，随着支护措施的增强，只能减小其破坏程度。即：仅仅通过锚杆支护提高围岩的抗拉能力是不行的，相应的刚性强度仍不能满足要求。
虽然单纯锚杆支护不能达到支护效果，但短密锚杆支护和无支护工况下的模型试验，提供了对冲击地压灾害更为明确的认识，为进一步研究支护方案提供了理论和试验依据。
参考文献（略）