動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究

王永強(qiáng)

(太原東山煤電集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究

王永強(qiáng)

(太原東山煤電集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013)

針對(duì)太原東山煤礦目前巷道圍巖控制存在的問(wèn)題，對(duì)動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)其軟巖及高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞的機(jī)理及巷道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了分析。提出了設(shè)置底角錨桿、幫部錨索以及施加高預(yù)緊力錨桿等巷道圍巖控制技術(shù)，并對(duì)幫部錨索控制進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)及分析。該圍巖控制技術(shù)避免了底鼓現(xiàn)象，控制了兩幫變形，提升了圍巖物理力學(xué)性能。

動(dòng)壓巷道；失穩(wěn)機(jī)理；圍巖控制；錨桿支護(hù)

煤炭是我國(guó)的主要能源，其生產(chǎn)的關(guān)鍵是運(yùn)用井工開(kāi)采形式對(duì)井下儲(chǔ)存的煤炭資源進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程需要掘進(jìn)諸多巷道。太原東山煤礦作為一座成熟礦井，隨著巷道布置的逐步增多，巷道圍巖出現(xiàn)變形的情況也隨之愈加劇烈[1，2]. 另外，還存在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)不合理及支護(hù)強(qiáng)度無(wú)法滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)要求等一系列問(wèn)題，這在很大程度上給礦井的安全、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)等造成了諸多困難[3]. 因此，本文對(duì)其動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理研究

在當(dāng)前工作面回采過(guò)程中，圍巖遭到采動(dòng)影響生成新的裂隙，圍巖強(qiáng)度及完整性急劇下降，導(dǎo)致采動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中向煤柱巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，引起深部圍巖的破壞。針對(duì)這一現(xiàn)象，并根據(jù)該礦地質(zhì)資料，對(duì)其失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析：

1) 動(dòng)壓巷道變形破壞形式。a) 兩幫變形破壞。其變形向巷道空間內(nèi)擠出，底部相對(duì)頂部有顯著的鼓出，展示出不對(duì)稱(chēng)變形情況。兩幫都具有相異水平的片幫：微弱情況致使側(cè)墻上發(fā)生貫通性縱向裂縫，嚴(yán)重情況致使鋼筋及錨掛網(wǎng)發(fā)生扭曲，使得圍巖被擠出外露。b) 底板變形破壞。其是應(yīng)力釋放的關(guān)鍵圍巖部分，變形量及速率相對(duì)來(lái)說(shuō)非常高，還會(huì)致使兩幫相對(duì)移近量及頂板下沉逐步擴(kuò)大[4]，在很大程度上使巷道維護(hù)難度增加。

2) 動(dòng)壓巷道變形破壞特征。a) 時(shí)間效應(yīng)。變形量大，支護(hù)強(qiáng)度無(wú)法滿足要求時(shí)，其塑性及破碎巖體碎脹變形量得到釋放，使巷道圍巖變形進(jìn)一步擴(kuò)大；速率大，受其采動(dòng)干擾使得回采期間初期變形量及速率相對(duì)來(lái)說(shuō)都非常大；時(shí)間長(zhǎng)，受采動(dòng)干擾巷道初始變形相對(duì)猛烈，隨著工作面的推進(jìn)逐步進(jìn)入緩慢變形區(qū)間[5]，然而因?yàn)橹ёo(hù)強(qiáng)度無(wú)法滿足要求，致使變形速率沒(méi)有顯著縮小，導(dǎo)致巷道一直變形至穩(wěn)定階段。b) 空間效應(yīng)。兩幫出現(xiàn)明顯變形破壞，底板也隨之發(fā)生猛烈變形破壞，若不制定相對(duì)有效的控制方案[6]，強(qiáng)烈底鼓同樣致使兩幫及頂板的變形破壞進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)研究

底板、煤柱幫及實(shí)體煤幫變形量隨巷道寬度及高度的變化規(guī)律分別見(jiàn)圖1，圖2，圖3.

圖1 底板變形曲線圖

圖2 煤柱幫變形曲線圖

圖3 實(shí)體煤幫變形曲線圖

根據(jù)圖1可知，巷道底鼓量依水平方向?qū)ΨQ(chēng)分布，底板中點(diǎn)獲得變形量最高值是558.5 mm，在離煤柱幫1～3.7 m，底鼓量都超過(guò)了480 mm. 根據(jù)圖2，圖3可知，煤柱幫及實(shí)體煤幫變形量依豎直方向都不是對(duì)稱(chēng)分布，兩幫逼近底板一邊相對(duì)于頂板鼓出更加顯著。煤柱幫及實(shí)體煤幫變形量最高值分別是224.9 mm及166.1 mm.

根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)控制方案如下：

1) 底角錨桿。

巷道底板滑移線場(chǎng)圖見(jiàn)圖4.

圖4 巷道底板滑移線場(chǎng)圖

根據(jù)圖4可知，三角塊體AOC及A′O′C′分別和x軸夾角是-α及α且垂直AC及A′C′方位整體移動(dòng)，扇形塊體ACD及A′C′D′分別繞點(diǎn)A及A′依切線方位運(yùn)動(dòng)。若在兩底角處依AC及A′C′方位設(shè)定底角錨桿，則其軸向方位垂直于扇形塊體的移動(dòng)方位，這樣能夠在很大程度上控制扇形塊體及三角性塊體的調(diào)動(dòng)，避免底鼓情況出現(xiàn)。

2) 幫部錨索。

煤的物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)來(lái)說(shuō)非常差，工作面回采歷程中受動(dòng)壓干擾致使巷道兩側(cè)煤體向巷道內(nèi)偏移，構(gòu)成相對(duì)很大區(qū)間的破碎區(qū)。另外，錨桿長(zhǎng)度有限，無(wú)法確保錨固在塑性區(qū)中構(gòu)成相對(duì)好的承載構(gòu)造，所以在兩側(cè)幫部位分別添置兩根錨索，使煤幫內(nèi)部構(gòu)成相互疊加的壓應(yīng)力區(qū)，提升了煤幫抵抗變形性能。

為了分析幫部錨索控制兩幫變形的成效，制定4種方案見(jiàn)表1.

表1 幫部錨索模擬比較方案表

運(yùn)用數(shù)值模擬方式，設(shè)定錨桿錨索參數(shù)，見(jiàn)表2.

表2 錨桿錨索參數(shù)表

4種方案下巷道圍巖表面位移分布狀況分別見(jiàn)圖5，表3.

圖5 巷道圍巖表面位移曲線圖

方案巷道圍巖變形量/mm頂板下沉量底鼓量煤柱幫變形量實(shí)體煤幫變形量1309.2782.1423.2342.72218.2672.2263.2182.33136.9564159.9104.24126.2532.114292.1

由表3及圖5可知，方案1、2，巷道圍巖變形量以很快的速度縮小，特別是兩幫變形量，煤柱幫及實(shí)體煤幫變形量縮小數(shù)值分別是69.59%及62.22%，而方案3、4，巷道圍巖變形相對(duì)來(lái)說(shuō)幾乎維持恒定，數(shù)值改變相對(duì)非常小，頂板下沉量、底鼓量、煤柱幫及實(shí)體煤幫變形量分別縮小了10.7 mm、31.9 mm、17.9 mm及12.1 mm.

綜上所述，幫部設(shè)置錨索后縮小了巷道圍巖變形，這也表明在幫部設(shè)置錨索不僅能夠有效地控制兩幫變形，而且能夠控制頂?shù)装遄冃?。設(shè)置幫錨索從2根至3根，巷道圍巖變形改變相對(duì)很小，兩根錨索也能夠達(dá)到相對(duì)理想的支護(hù)成效，因此擇取方案3.

3) 施加高預(yù)緊力錨桿。

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是錨桿預(yù)緊力，其是判別主動(dòng)及被動(dòng)支護(hù)的關(guān)鍵。高預(yù)緊力可以改變巷道圍巖的受力情況，經(jīng)過(guò)托盤(pán)鋼帶等組合結(jié)構(gòu)部件使圍巖兩向受壓變成三向，提升了巷道圍巖的穩(wěn)定性。另外，高預(yù)緊力錨桿能夠有效地提升圍巖強(qiáng)度、剛度及黏聚力，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)完整的承載結(jié)構(gòu)，控制圍巖出現(xiàn)變形。

3 結(jié) 論

對(duì)太原東山煤礦動(dòng)壓巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)：1) 設(shè)置底角錨桿，控制了巷道底板塊體的移動(dòng)，避免了底鼓現(xiàn)象。2) 設(shè)置幫部錨索，使得煤柱幫及實(shí)體煤幫變形量縮小數(shù)值分別是69.59%及62.22%，對(duì)控制巷道兩幫變形起到了顯著的成效。3) 提出施加高預(yù)緊力錨桿，有效地提升了圍巖物理力學(xué)性能。

[1] 郭相平.強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞機(jī)理及加固技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采,2016(6):57-60，64.

[2] 蘇亞峰.上行開(kāi)采采動(dòng)破裂圍巖巷道失穩(wěn)及安全控制技術(shù)研究[D].安徽理工大學(xué),2016.

[3] 劉 洋.麻家梁煤礦動(dòng)壓巷道變形失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2015.

[4] 張迎貴.深部松軟圍巖巷道變形機(jī)理及控制技術(shù)研究[D].安徽理工大學(xué),2014.

[5] 李 兵,張東峰.松軟煤層動(dòng)壓巷道圍巖控制機(jī)理研究及合理支護(hù)設(shè)計(jì)[J].煤炭工程,2013(9):41-43，46.

[6] 顧士亮.軟巖動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性原理及控制技術(shù)研究[J].能源技術(shù)與管理,2004(4):15-17，38.

ResearchonMechanismandControlTechnologyofSurroundingRockinDynamicPressureRoadway

WANGYongqiang

In view of the existing problems of the surrounding rock control in Dongshan coal mine, the instability mechanism of surrounding rock and control technology in dynamic pressure roadway are studied. The mechanism of roadway deformation and failure and the deformation rule of roadway surrounding rock are analyzed. The roadway surrounding rock control techniques are put forward, including setting anchors in floor, anchor in sides and applying high pre-tension anchor. The design and analysis of the anchor cable setting on sides are also carried out. The surrounding rock control technology prevents the heaving floor, the deformation of the two sides, and the physical and mechanical properties of the surrounding rock are enhanced.

Dynamic pressure roadway; Instability mechanism; Surrounding rock control; Bolt support

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0052-03

2017-06-09

王永強(qiáng)(1968—)，男，山西河曲人，1992年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦采、掘技術(shù)以及安全管理工作(E-mail)383943803@qq.com