上下采空區(qū)巷道圍巖力學特征及支護技術

方昌才

摘要：潘三礦西翼-810 m皮帶機大巷（西二～西三段）受上下采空區(qū)的影響，其所處的工程條件復雜，巷道支護困難。對此，建立理論模型，對巷道圍巖力學狀態(tài)進行分析，得出圍巖應力和損傷破裂半徑的表達式。分析了在上下采空區(qū)的影響下，巖體卸壓擾動和強度劣化對塑性損傷區(qū)及松動破裂區(qū)半徑的影響。提出了錨網(wǎng)+錨索桁架+噴漿+注漿錨索注漿的復合支護技術，為上下采空區(qū)影響下的巷道提供一些支護指導。

關鍵詞：巷道圍巖；損傷破裂；支護方案

中圖分類號：TD322文獻標志碼：A[WT] 文章編號：1672-1098（2014）02-0049-06隨著煤炭資源的開采強度不斷加大，煤礦巷道工程量也隨之增加，而其處的工程地質條件也變得更加復雜。由于巷道頂板上覆或底板下伏煤層的開采，出現(xiàn)的采空區(qū)將影響巷道圍巖變形破壞的發(fā)展[1-4]，圍巖的受力特征也與不受采空區(qū)影響的巷道圍巖有所差異。潘三礦西翼-810 m皮帶機大巷（西二～西三段），由于原生巖體受到上覆1482（3）工作面和下伏14102（1）工作面的多次采動影響，表現(xiàn)出圍巖完整性差和圍巖應力多次調整等特點，支護難度大。上下采空區(qū)影響下的巷道，如果支護方法不當，將嚴重影響礦井的正常生產(chǎn)運輸，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了隱患。因此，有必要對其進行研究。

1工程背景

潘三礦西翼-810 m皮帶機大巷與上覆和下伏工作面的相對位置關系如圖1所示。-810 m皮帶機大巷受上下煤層多次采動影響，其圍巖完整性差且圍巖應力多次調整。雖然13煤層和11-2煤層之間的巖體其巖塊本身強度較高，但是經(jīng)過多次采動以后，圍巖節(jié)理裂隙更加發(fā)育、圍巖破碎，在高應力作用下，產(chǎn)生較大的圍巖松動圈，巷道難以支護。另外，受上下工作面多次采動影響，巷道開挖體附近的原巖應力并不是最初狀態(tài)下的原巖應力，而是受到上下工作面開采影響后的重新分布后的圍巖應力。因此，該大巷處于圍巖力學性能發(fā)生劣化和原巖應力受開采擾動影響的狀態(tài)。

2 理論分析

2.1巷道的力學模型

建立力學模型（見圖2），對受上下采空區(qū)影響的巷道進行圍巖力學理論分析，假設巷道圍巖為均質各向同性介質。所受原巖應力為p0，是受上下采空區(qū)影響后作用在巷道開挖體附近的圍巖的遠場應力；巷道半徑為R0，巷道開挖后，在圍巖壓力作用下，圍巖發(fā)生損傷破裂，產(chǎn)生的塑性損傷區(qū)半徑為Rd，松動破裂區(qū)半徑為Rb。

2.2 巖石本構模型的選取

潘三礦西翼-810 m皮帶機大巷砂質泥巖的單軸壓縮應力-應變曲線（見圖3）可分為三個階段：OO段為巖石初始裂隙壓密階段或初始損傷階段；OA段為近線性的彈性變形階段；AB段為峰值應力后的劣化損傷階段，巖石承載力隨著變形的增大而迅速下降，但并不降到零，說明破裂的圍巖仍然具有一定的承載能力。

實測單軸壓縮應力-應變曲線巖石在外力作用下，由于內部缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展而發(fā)生不可逆的材料力學性能的劣化損傷，當這種損傷累積到一定程度時，巖石產(chǎn)生宏觀裂紋而發(fā)生破壞。如果忽略OO段的初始裂隙壓密階段，則砂質泥巖的實測應力-應變曲線可用Bui彈塑性損傷本構模型進行描述，在單軸壓縮情況下，Bui損傷本構模型應力-應變曲線簡化為雙線性模型（見圖4）。

2.3基本方程

當巷道圍巖應力超出圍巖的極限強度后， 圍巖出現(xiàn)損傷， 內部裂隙不斷產(chǎn)生和發(fā)展， 使得圍巖的有效承載面積減小， 損傷導致圍巖出現(xiàn)不可逆的承載能力下降， 根據(jù)損傷力學應變等效性假說[7]，因此，對于塑性損傷區(qū)的圍巖，所受到的應力應該是有效應力，）3） 松動破裂區(qū)分析。當巷道圍巖損傷發(fā)展到一定程度時，出現(xiàn)松動破裂，此時的圍巖其強度處于殘余值，對應巖石單軸應力-應變曲線的殘余強度狀態(tài)。采用峰值強度與殘余強度之間的關系表示圍巖的損傷變量。定義松動破裂區(qū)圍巖的損傷變量為DB

2.5 塑性損傷區(qū)松動破裂區(qū)范圍確定

通過巷道圍巖塑性損傷范圍和松動破裂范圍來分析巷道圍巖穩(wěn)定性，是將巷道開挖后圍巖應力作用在圍巖上產(chǎn)生的后果，作為單一的綜合指標進行判定。這個綜合指標包含有原巖應力、圍巖性質等影響，綜合了多種因素。用塑性損傷范圍和松動破裂范圍，作為判定工程圍巖的指標是較為理想的選擇。為此，通過前述理論分析所得的結果來建立塑性損傷區(qū)和松動破裂區(qū)半徑的表達式。在巷道圍巖松動破裂區(qū)內，認為圍巖損傷程度相同，均為

巷道圍巖損傷破裂分析根據(jù)巖石力學測試結果可知，

4 巷道支護方案設計根據(jù)潘三礦西翼-810 m皮帶機大巷的觀測分析，變形破壞較小段區(qū)域符合圍巖中等穩(wěn)定區(qū)域，掘進階段礦壓顯現(xiàn)不太強烈、底鼓不太明顯的區(qū)段，設計的永久支護采用錨網(wǎng)+錨索桁架+噴漿+注漿錨索注漿復合支護，其工序為：① 金屬網(wǎng)+錨桿+噴砼； ② 錨索-注漿錨索桁架+復噴漿； ③ 滯后注漿。

4.1 金屬網(wǎng)+錨桿+噴砼施工時，緊跟迎頭。支護參數(shù)如圖7所示，錨桿間排距700 mm×700 mm，錨桿規(guī)格型號為M24-Φ22/2500 mm，材質為左旋無縱筋螺紋鋼式樹脂錨桿金屬桿體，錨桿采用200 mm×200 mm新型大托盤，每根頂錨桿采用2卷Z2355型樹脂藥卷加長錨固（幫錨桿采用2卷Z2850型樹脂藥卷）；鋼筋網(wǎng)為Φ6-800 mm×2200 mm，網(wǎng)孔為100 mm×100 mm，網(wǎng)間搭茬100 mm，并間隔200 mm用16#鐵絲雙股進行連接。水泥為P.S 32.5級水泥，黃砂粒徑為大于0.35 mm中粗砂，石子粒徑為5～15 mm，漿料配比按試驗室的配比單，采用潮式拌料，料配比為水泥∶黃砂∶石子∶速凝劑=1∶2∶2∶0.04，水灰比為0.55∶1，初噴砼厚50 mm，噴射砼強度為C20。

4.2 錨索-注漿錨索桁架+復噴漿滯后迎頭40 m左右在耙矸機后進行架設錨索-注漿錨索桁架（見圖8），7路錨索，錨索間排距1400 mm×1400 mm，錨索采用3 200 mmΩ梁+300 mmU29鋼壓平片作為托盤，Ω梁沿走向布置，每根長3 200 mm。普通錨索和注漿錨索交叉布置。普通錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×7300 mm，每根錨索使用3節(jié)Z2355樹脂藥卷錨固，錨索破斷載荷≮240-260 kN，預緊力120 kN（37.5 MPa），外露長度250～350 mm。注漿錨索采用Φ22 mm×6300 mm錨索，每根錨索使用3節(jié)Z2355樹脂藥卷錨固，錨索孔采用Φ28 mm或者Φ30 mm鉆頭，每孔采用3節(jié)Z2355型中速樹脂藥卷加長錨固，要求張拉至100 kN，且各個錨索的預緊力應基本保持均勻一致，實現(xiàn)同步承載。注漿錨索長度可按式

4.3 滯后注漿

可滯后迎頭70～100 m一次注漿，集中對一定范圍的注漿錨索一次完成錨注，可通過試注逐步提高注漿終了壓力，在2.0～3 MPa的基礎上先加大到5.0 MPa，試注3～5根錨索，如無異常，則進一步提高至注漿7.0 MPa，再試注3～5根錨索，如無異常出現(xiàn)，則以后注漿終了壓力均按7.0 MPa執(zhí)行。設備、管路條件允許時，可進一步提高到8.0 MPa。

5結語

在受上下采空區(qū)影響的巖體中開掘巷道，其受力特點復雜，且由于上覆和下伏煤層先前的開采影響，巷道頂?shù)装鍘r層裂隙發(fā)育，即使巖塊強度較高，但由于煤層開采的影響，巷道圍巖體也表現(xiàn)出軟弱破碎的特點，使得巷道在常規(guī)支護手段下不能很好地滿足安全使用的要求。本文通過理論分析了潘三礦西翼-810 m皮帶機大巷（西二～西三段）圍巖應力和塑性損傷及松動破裂范圍的特點。提出了錨網(wǎng)+錨索桁架+噴漿+注漿錨索注漿的復合支護技術，以期為潘三礦西翼-810m皮帶機大巷（西二～西三段）提供一些支護指導。

參考文獻：

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）