大采高小煤柱回采巷道圍巖控制機(jī)理研究

摘 要：目前，雖然對(duì)大采高小煤柱回采巷道圍巖的穩(wěn)定及控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但不同礦井的工程地質(zhì)條件相差甚大，一些研究結(jié)論并不是適合所有礦井。本文通過理論分析大采高小煤柱回采巷道的圍巖破壞機(jī)理和錨桿支護(hù)理論，研究了錨桿支護(hù)與巷道圍巖的相互作用關(guān)系，得出巷道圍巖控制機(jī)理和保持巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：大采高；回采巷道；圍巖控制

1 圍巖破壞機(jī)理

目前，在大采高小煤柱回采巷道圍巖變形破壞特征方面主要有以下四個(gè)方面的研究結(jié)論：

①小煤柱回采巷道要經(jīng)受上下區(qū)段多次工作面采動(dòng)的影響，因此回采巷道的圍巖變形量將會(huì)比較大，并且同回采巷道的頂?shù)装逡平肯啾?，回采巷道的兩幫移近量要大得多?/p>

②小煤柱回采巷道在靠近采空區(qū)一側(cè)巷幫的變形量在回采巷道掘進(jìn)期間要大于回采巷道在實(shí)體煤一側(cè)的變形量；而在本區(qū)段回采工作面的推進(jìn)過程中的規(guī)律同回采巷道掘進(jìn)期間這一規(guī)律恰好相反；

③因小煤柱回采巷道要經(jīng)受多次工作面采動(dòng)的影響，小煤柱回采巷道的礦壓將會(huì)呈現(xiàn)出周期性變化的特點(diǎn)；

④小煤柱回采巷道因受多次工作面采動(dòng)的影響將會(huì)變得十分松散破碎，導(dǎo)致巷道圍巖的受力狀況十分復(fù)雜并出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻的情況，進(jìn)而造成巷道圍巖承載能力比較差并且巷道維護(hù)十分困難[1]。

2 錨桿支護(hù)機(jī)理

錨桿支護(hù)將錨桿桿體與一定范圍內(nèi)的巷道圍巖錨固在一起形成承載能力更強(qiáng)的錨固體。目前，有以下五種比較成熟的錨桿支護(hù)理論[2]：

2.1 懸吊理論

巷道圍巖應(yīng)力在巷道開掘后重新分布，一些強(qiáng)度較低的直接頂巖層將會(huì)隨之發(fā)生松動(dòng)和下沉，或者自身裂隙比較發(fā)育的巖層將會(huì)在巷道開挖失去支承后成為危險(xiǎn)塊體。將錨桿在直接頂與老頂發(fā)生離層之前通過錨固力錨入頂板鉆孔中，具有抗拉和抗剪特性的錨桿桿體將錨固范圍內(nèi)的不穩(wěn)定巖層或危險(xiǎn)巖體懸吊于其上方的穩(wěn)定巖體中，起到一定的懸吊作用，從而達(dá)到維持巷道圍巖穩(wěn)定性的目的。

圖1 錨桿懸吊作用示意圖

2.2 組合梁理論

如果巷道上方強(qiáng)度較低的松軟直接頂巖層厚度較大時(shí)，錨桿支護(hù)將不能通過錨桿端頭的錨固作用直接將不穩(wěn)定巖層或危險(xiǎn)巖體懸吊于其上方的穩(wěn)定巖體中，此時(shí)錨桿對(duì)巷道頂板的控制作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

2.2.1 錨桿通過其端頭和托盤施加擠壓力于不穩(wěn)定巖層上，達(dá)到增大錨桿支護(hù)范圍內(nèi)巷道上覆巖層間的摩擦系數(shù)，阻止直接頂不穩(wěn)定巖層之間發(fā)生離層。

2.2.2 錨桿通過其桿體比較強(qiáng)的抗剪能力將錨桿之前支護(hù)范圍內(nèi)不穩(wěn)定巖層疊加梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殄^桿支護(hù)與其支護(hù)范圍內(nèi)的不穩(wěn)定巖層共同形成錨固體組合梁結(jié)構(gòu)，這個(gè)錨固體組合梁結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的抗彎能力，大幅減少頂板的變形下沉。

圖2 錨桿組合梁結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 壓縮拱理論

以具有一定預(yù)緊力的錨入拱形巷道的錨桿為中心將會(huì)形成一個(gè)錐形錨固帶，這些錐形錨固帶相互疊加形成壓縮拱結(jié)構(gòu)。壓縮拱結(jié)構(gòu)不但能夠承載自身的載荷，而且還可以承載其上穩(wěn)定巖層傳遞的大載荷。

圖3 組合拱理論示意圖

2.4 最大水平應(yīng)力理論

在水平方向應(yīng)力大于垂直方向應(yīng)力的情況下，圍巖穩(wěn)定性將主要由最大水平應(yīng)力決定；在其他地質(zhì)條件和開采條件相同的情況下，巷道圍巖的穩(wěn)定性將會(huì)隨著最大水平應(yīng)力方向和巷道軸向角度的不同有所不同。巷道圍巖受最大水平應(yīng)力重用非常容易發(fā)生剪切變形破壞，錨桿支護(hù)通過其軸向作用力和抗剪特性不僅可以有效地阻止巷道圍巖發(fā)生早期變形，而且還能夠有效地阻止巖層間之間發(fā)生滑動(dòng)。

2.5 圍巖松動(dòng)圈理論

2.5.1 松動(dòng)圈支護(hù)機(jī)理

巷道在開掘后重新分布的圍巖應(yīng)力超過其承載極限時(shí)將會(huì)發(fā)生變形破壞，巖體中發(fā)生變形破壞的各個(gè)區(qū)域彼此相連形成圍巖松動(dòng)圈。該支護(hù)理論適用于巷道圍巖中不但存在松動(dòng)圈，而且還要求頂板巖層垮落過程產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其自身的彈性變形。

2.5.2 松動(dòng)圈分類方法

松動(dòng)圈分類的主要判斷指標(biāo)是松動(dòng)圈的厚度，根據(jù)松動(dòng)圈厚度的不同，可以將巷道圍巖的松動(dòng)圈分為三類：當(dāng)松動(dòng)圈厚度小于400mm時(shí)，定義為小松動(dòng)圈；當(dāng)松動(dòng)圈厚度為400～1500mm時(shí)，定義為中等松動(dòng)圈；當(dāng)松動(dòng)圈厚度大于1500mm時(shí)，定義為大松動(dòng)圈[3]。

2.5.3 松動(dòng)圈支護(hù)方法

巷道圍巖大松動(dòng)圈的范圍比較大，需要通過錨桿軸向擠壓作用將松動(dòng)圈松散圍巖的疊加梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殄^桿支護(hù)與其支護(hù)范圍內(nèi)的松動(dòng)圈松散圍巖共同形成錨固體組合梁結(jié)構(gòu)，達(dá)到防治巷道圍巖發(fā)生大變形的目的。

3 圍巖控制機(jī)理

在大采高小煤柱的條件下，其回采巷道由于同采空區(qū)之間的距離比較近而極其容易受到采空區(qū)的影響，因此將會(huì)具有圍巖應(yīng)力分布不均勻、應(yīng)力集中系數(shù)比較大，并且在外界環(huán)境的影響下容易出現(xiàn)圍巖動(dòng)態(tài)平衡結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，此外巷道的礦壓顯現(xiàn)程度在回采工作面采動(dòng)的影響下將會(huì)變得十分劇烈、頂?shù)装寮皟蓭鸵平勘容^大并且兩幫的變形也不均勻等一系列特征。

3.1 大采高小煤柱回采巷道圍巖控制機(jī)理

3.1.1 高強(qiáng)度錨桿支護(hù)理論與整體錨固理論

錨桿支護(hù)可以通過其自身的錨固作用與其錨固范圍內(nèi)的巖體共同形成一個(gè)具有整體承載結(jié)構(gòu)的錨固體，這種支護(hù)方式能夠極大地改善巷道圍巖的受力狀況，并且能夠提高錨桿錨固范圍內(nèi)巖體的峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度以及殘余強(qiáng)度，從而達(dá)到控制巷道圍巖變形，限制巷道圍巖破碎區(qū)與塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)展的目的。

3.1.2 回采巷道圍巖控制的關(guān)鍵

根據(jù)巷道圍巖的外部力學(xué)條件，由于上區(qū)段回采工作面開采高度比較大，而采空區(qū)的冒落矸石很難將其填滿，所以基本頂巖層將向采空區(qū)一側(cè)發(fā)生彎曲下沉，由此將會(huì)有側(cè)向支承壓力產(chǎn)生并且該側(cè)向支承壓力還會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移向煤壁深部，這一現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致煤體邊緣發(fā)生松動(dòng)變形，煤體的強(qiáng)度及其自身的承載能力將會(huì)進(jìn)一步降低。而由于受本區(qū)段回采工作面采動(dòng)影響，直接頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉作用將會(huì)影響到位于直接頂上方關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性，將會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻、應(yīng)力集中系數(shù)比較大，并且巷道的直接頂將會(huì)受到其上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的附加水平應(yīng)力的影響而一同發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，回轉(zhuǎn)下沉的支點(diǎn)為實(shí)體煤幫，這一作用擴(kuò)大了圍巖的破碎范圍并且使得圍巖的承載能力得到了進(jìn)一步的降低。所以，通過保持小煤柱的穩(wěn)定性能夠使得巷道圍巖中的應(yīng)力分布保持均勻狀態(tài)并且使得巷道圍巖變形得到減小，從而達(dá)到保持回采巷道圍巖的穩(wěn)定性的目的。由此可以得出，回采巷道圍巖控制的關(guān)鍵是保持小煤柱的穩(wěn)定性。

3.1.3 高強(qiáng)度錨桿讓壓支護(hù)控制巷道圍巖變形

為了使得巷道圍巖變形所產(chǎn)生的能量得到釋放讓壓，要求所采用的支護(hù)不但要具有比較高的支護(hù)強(qiáng)度而且還需要適應(yīng)比較大的圍巖變形。高強(qiáng)度錨桿不但具有比較大的延伸率，而且能夠適應(yīng)比較大的圍巖變形，因此可以采用高強(qiáng)度錨桿讓壓支護(hù)控制巷道圍巖變形。

3.1.4 高預(yù)緊力錨桿支護(hù)提高巷道圍巖穩(wěn)定性

高預(yù)緊力錨桿支護(hù)可以使巷道圍巖處于受壓狀態(tài)，并且能夠使得錨桿錨固范圍內(nèi)的巷道圍巖最大限度地保持其完整性，能夠防止巷道圍巖發(fā)生進(jìn)一步的變形和破壞，并且能夠控制其破碎區(qū)和塑性區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，從而能夠達(dá)到提高巷道圍巖穩(wěn)定性的目的。

3.1.5 采用小孔徑錨索加固巷道深部圍巖

小孔徑高預(yù)緊力錨索對(duì)大采高小煤柱巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)可以防止其頂板巖層發(fā)生冒落，使得錨固體、直接頂以及基本頂三者之間能夠協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

3.1.6 增強(qiáng)巷道圍巖的護(hù)表能力，保證淺部巷道圍巖的完整性

在工作面回采過程中將會(huì)產(chǎn)生比較高的超前支承應(yīng)力，因此巷道淺部圍巖將會(huì)變得十分松散破碎，從而導(dǎo)致錨桿支護(hù)系統(tǒng)失效。采用錨桿托盤、鋼筋梯梁、鋼帶、金屬網(wǎng)等技術(shù)措施可以使錨桿的預(yù)緊力和錨固力得到很好的均勻的擴(kuò)散，能夠有效地阻止巷道淺部的圍巖發(fā)生變形與垮落。

3.1.7 通過注漿加固煤柱提高煤柱的承載能力

采用注漿加固可以充填和固結(jié)媒體中原有的或者經(jīng)過變形破壞作用產(chǎn)生的弱面，從而能夠極大地提高松散破碎煤巖體的強(qiáng)度，保證小煤柱的整體穩(wěn)定性，增加小煤柱的側(cè)向約束力。

3.2 大采高小煤柱回采巷道支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

大采高小煤柱回采巷道的圍巖強(qiáng)度比較低，礦壓顯現(xiàn)程度十分劇烈，因此，必須選擇合理的支護(hù)方式才可以有效地控制回采巷道圍巖的變形破壞，進(jìn)而能夠保持巷道圍巖處于穩(wěn)定的狀態(tài)。大采高小煤柱回采巷道支護(hù)成功的關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.2.1 選擇合理的支護(hù)方式

選擇合理的支護(hù)方式，使支護(hù)體與其支護(hù)范圍內(nèi)的巷道圍巖共同形成整體的承載結(jié)構(gòu)，該承載結(jié)構(gòu)能夠有效地提高巷道圍巖的整體強(qiáng)度，保證巷道圍巖處于穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使得回采巷道能夠滿足工作面安全生產(chǎn)的要求。

3.2.2 控制巷道兩幫圍巖變形

煤體在巷道經(jīng)過開挖之后將會(huì)從三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成兩向應(yīng)力狀態(tài)，巷道兩幫的媒體在煤體內(nèi)能量釋放的過程中將會(huì)變得松散破碎，并且兩幫煤體由于受碎脹力的影響將會(huì)發(fā)生一定程度的變形，通過錨桿支護(hù)可以將其控制在合理的范圍之內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張華，劉建，李鵬，等.深部巖巷穩(wěn)定性控制方法及實(shí)例研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008（02）：3913-3918.

[2]張斌川，盧輝，劉路，等.深井高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2014（06）：116-119.

[3]靖洪文，付國彬，郭志宏.深井巷道圍巖松動(dòng)圈影響因素實(shí)測分析及控制技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999（01）：70-74.

作者簡介：

曹學(xué)軍（1975.11-），男，工程碩士礦業(yè)工程專業(yè)，現(xiàn)于大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司忻州窯礦從事煤炭生產(chǎn)管理工作。