強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力巷道圍巖控制技術(shù)

趙 飛

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 二礦，山西 陽(yáng)泉 045008）

近年來(lái)，礦井開采強(qiáng)度不斷增大，越來(lái)越多的回采巷道要經(jīng)受鄰近工作面采動(dòng)壓力、工作面超前支承壓力、構(gòu)造應(yīng)力復(fù)合影響，冒頂片幫事故屢見不鮮，圍巖控制難度極大且屢壞屢修，造成巷道維護(hù)成本極高，但仍不能有效地控制巷道變形破壞。袁越等[1]研究了動(dòng)壓回采巷道圍巖大變形破壞機(jī)理，認(rèn)為隨著動(dòng)壓影響的增強(qiáng)，巷道頂?shù)?、兩幫的塑性破壞進(jìn)一步向深部擴(kuò)展，變形加劇，致使塑性區(qū)惡性擴(kuò)展，最終造成圍巖大變形破壞；何富連等[2]研究了高水平應(yīng)力巷道失穩(wěn)機(jī)制，并提出“高強(qiáng)度預(yù)緊力長(zhǎng)錨桿＋大直徑高強(qiáng)錨索＋U型鋼可縮性支架＋壁后注漿”的綜合控制方案；勾攀峰等[3-4]認(rèn)為隨著側(cè)壓系數(shù)的增加,巷道圍巖的深部位移增加，巷道兩幫的破壞程度小于頂、底板的破壞程度。高水平應(yīng)力作用巷道圍巖控制的重點(diǎn)在于控制巷道頂、底板；文獻(xiàn)[5-8]分析了動(dòng)壓巷道圍巖變形的原因，建立了強(qiáng)化弱幫、建立強(qiáng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)體和提高整體支護(hù)剛度3方面設(shè)計(jì)控制體系，提出高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿/索支護(hù)技術(shù)控制方案，對(duì)強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖變形控制效果顯著；汪良海等[9]針對(duì)動(dòng)壓巷道特點(diǎn)，提出了棚索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)；佐江宏[10]針對(duì)高應(yīng)力強(qiáng)動(dòng)壓煤巷提出了“卸壓-耦合”支護(hù)技術(shù)；王子越等[11]證明高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿索聯(lián)合支護(hù)方案有效解決高水平構(gòu)造應(yīng)力影響軟巖巷道支護(hù)難題；李學(xué)華等[12]認(rèn)為提高弱結(jié)構(gòu)部位的強(qiáng)度，從而使支護(hù)與圍巖共同作用形成有效承載結(jié)構(gòu)，是治理高水平應(yīng)力跨采巷道的主要技術(shù)途徑；魏世義等[13]研究了巷道在不同水平載荷下的變形破壞特征，并證明錨網(wǎng)索噴+注漿支護(hù)能有效控制圍巖變形；李振順等[14]采用“三錨”和U型鋼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)解決高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題；靳俊恒等[15]驗(yàn)證了錨注加固能夠有效控制圍巖變形，是解決高應(yīng)力破碎軟巖支護(hù)問題的有效途徑。但是強(qiáng)動(dòng)壓、高水平應(yīng)力復(fù)合作用下巷道的破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)研究較少，陽(yáng)煤二礦81007工作面回風(fēng)巷是典型的強(qiáng)動(dòng)壓、高水平應(yīng)力復(fù)合作用巷道，研究該類巷道破壞機(jī)理，掌握強(qiáng)動(dòng)壓、高水平應(yīng)力復(fù)合作用巷道變形破壞規(guī)律，提出針對(duì)性的巷道圍巖支護(hù)方案，對(duì)保證采掘工作面安全生產(chǎn)具有重要意義，也為今后進(jìn)行同類巷道支護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

81007工作面北為81006工作面采空區(qū)，東為80702、80704工作面采空區(qū)，南為未回采的81008工作面，81006工作面采空區(qū)與81007回風(fēng)巷相鄰，護(hù)巷煤柱20 m，最大埋深433 m，81007回風(fēng)巷受81006采空區(qū)動(dòng)壓和81007工作面回采動(dòng)壓作用而產(chǎn)生劇烈變形破壞。煤層平均厚度6.8 m，平均傾角為4°，頂板由泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖組成，偽頂主要為泥巖，底板由泥巖和細(xì)粒砂巖組成，81007回風(fēng)巷沿15#煤底板掘進(jìn)。采掘工程平面圖如圖1。

圖1 采掘工程平面圖

1.2 原巷道支護(hù)及變形情況

81007回風(fēng)巷原支護(hù)方案如下。

1）頂板。采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨索規(guī)格為φ21.6 mm×8 300 mm，間排距 1 025 mm×800 mm，每排 5根，垂直頂板布置。每根錨索使用1支K23120型樹脂藥卷，預(yù)緊力不小于250 kN。每排錨索配合4 400 mm×280 mm×4 mm的波紋鋼帶。

2）兩幫。采用2根短錨索加1根錨桿支護(hù)。錨桿規(guī)格：φ20 mm×2 400 mm，錨索規(guī)格為：φ21.6 mm×4 500 mm。上部錨索距頂板900 mm，錨索間距1 100 mm，排距800 mm，底角布置1根幫錨桿與錨索間距800 mm，排距800 mm，垂直煤幫布置。幫部錨桿錨索托盤采用長(zhǎng)800 mm的14#槽鋼制作，墊片規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm。錨桿配套1支K2360型樹脂藥卷，預(yù)緊扭矩不小于100 N·m。錨索使用1支K2360型樹脂錨藥卷，預(yù)緊力不小于120 kN。

81007回風(fēng)巷變形情況：在巷道掘進(jìn)期間，受81006工作面采空區(qū)動(dòng)壓作用，圍巖破壞嚴(yán)重，在81007工作面回采期間，超前支承應(yīng)力加劇巷道變形破壞，嚴(yán)重影響巷道正常服務(wù)，從而使工作面不能有序生產(chǎn)，因此，研究強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力巷道的圍巖控制方案勢(shì)在必行。

2 強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力巷道破壞機(jī)理

2.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試

2.1.1 地應(yīng)力實(shí)測(cè)

81007回風(fēng)巷地應(yīng)力測(cè)試表明，最大、最小水平主應(yīng)力 σH和 σh為 15.80、8.20 MPa，垂直應(yīng)力 σV為10.6 MPa，即 σH＞σV＞σh，側(cè)壓系數(shù) λ=1.5，該地區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，對(duì)巷道應(yīng)力和變形有很大影響。

2.1.2 圍巖結(jié)構(gòu)窺視

81007回風(fēng)巷頂板圍巖結(jié)構(gòu)為：頂板0～4.2 m為煤體，呈深黑色，裂隙、節(jié)理發(fā)育，煤體0～1.2 m范圍比較破碎，1.3～4.2 m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)比較完整，煤體上部主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖。

2.1.3 圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試

81007回風(fēng)巷煤巖體強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖2，81007回風(fēng)巷頂板4.2～5.6 m是泥巖，巖層呈深黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，巖層的平均強(qiáng)度為32.21 MPa。5.6～12.2 m是泥質(zhì)砂巖，呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，其中6.5 m有明顯的橫向裂隙，8.4 m處裂隙比較發(fā)育，8.4～12.2 m巖層相對(duì)完整，巖層平均強(qiáng)度為42.90 MPa。12.2～14.2 m為細(xì)砂巖，巖層呈深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖層平均強(qiáng)度為60.46 MPa。煤體淺部松散破碎，深部較為完整，煤體強(qiáng)度平均值為14.39 MPa。

2.2 巷道破壞機(jī)理數(shù)值分析

2.2.1 數(shù)值計(jì)算模型

運(yùn)用FLAC3D模擬81007回風(fēng)巷在強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力下巷道應(yīng)力分布與變形情況，模型尺寸為124.7 m×60 m×28.6 m，巷道尺寸 4.7 m×3.2 m。從左往右依次為81006工作面、20 m煤柱、81007工作面回風(fēng)巷、81007工作面。模型承受10.6 MPa的垂直應(yīng)力。巖體力學(xué)參數(shù)見表1，數(shù)值計(jì)算模型如圖3。

圖2 煤巖強(qiáng)度測(cè)試曲線

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值計(jì)算示意圖

2.2.2 掘進(jìn)和回采過(guò)程塑性區(qū)分布

模擬側(cè)壓系數(shù)λ在1.0、1.5、2.0條件下，巷道在掘進(jìn)、回采期間塑性區(qū)分布，掌握強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力巷道圍巖破壞規(guī)律。模擬步驟：①首先開挖81006工作面，模型穩(wěn)定后，進(jìn)行巷道開挖模擬；②回采81007工作面，81007工作面推進(jìn)一半（開挖y=30～60 m范圍），統(tǒng)一監(jiān)測(cè)超前工作面5 m（y=25 m）處巷道圍巖塑性區(qū)分布。

開挖回風(fēng)巷期間圍巖塑性區(qū)如圖4，由圖4可知：①圍巖塑性區(qū)面積S與λ成正比；②當(dāng)λ=1.0時(shí)，Slb＞Sdb，當(dāng) λ=1.5 時(shí)，Sdb明顯增大，在 λ=2.0 時(shí)，Sdb＞Slb，因此高水平應(yīng)力是導(dǎo)致頂板剪切離層重要因素（Slb為兩幫塑性區(qū)面積；Sdb為頂?shù)装逅苄詤^(qū)面積；λ為側(cè)壓系數(shù)）。

圖4 巷道掘進(jìn)期間塑性區(qū)分布

回采期間圍巖塑性區(qū)如圖5，由圖5可知：①巷道幫、頂圍巖塑性區(qū)S與λ成正比；②與掘進(jìn)時(shí)相比，Slb變化不大。

圖5 回采期間圍巖塑性區(qū)分布

綜上分析，強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力巷道受強(qiáng)烈的動(dòng)壓和大的剪切應(yīng)力作用，導(dǎo)致巷幫劇烈剪切變形，兩幫承載能力減弱導(dǎo)致頂板失穩(wěn)。同時(shí)高水平應(yīng)力加劇頂板剪切錯(cuò)動(dòng)，造成頂板錨固結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力是頂板離層、煤壁片幫、底鼓的根本原因。

3 圍巖控制對(duì)策

針對(duì)強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力巷道頂板離層、煤壁片幫和底鼓等突出問題，提出“固幫控頂”的圍巖控制對(duì)策，“固幫”即加強(qiáng)兩幫的支護(hù)，兩幫對(duì)巷道頂板起支撐作用，兩幫整體穩(wěn)固才能減少頂板在掘、采期間下沉量，保證頂板巖層穩(wěn)定；“控頂”即加強(qiáng)頂板支護(hù)，采用強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)，控制強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力對(duì)頂板剪切破壞，保證頂板錨固區(qū)域頂板完整。

3.1 頂板

1）錨桿形式和規(guī)格：采用φ22 mm×2 400 mm的Q335左旋錨桿，采用1支MSK2380樹脂藥卷。托板尺寸150 mm×150 mm×10 mm。W鋼護(hù)板：寬280 mm，長(zhǎng)460 mm，厚度不低于4 mm，肋高不低于25 mm。鋼筋托梁：采用φ14 mm鋼筋兩端頭雙筋焊接，長(zhǎng)4 400 mm，寬210 mm。錨桿布置：垂直頂板布置，錨桿間排距850 mm×900 mm，每排布置6根錨桿，錨桿預(yù)緊扭矩≥400 N·m，禁止超過(guò)550 N·m。

2）錨索形式和規(guī)格：錨索采用1×7股鋼絞線，φ21.6 mm×6 200 mm，1支MSK23120樹脂藥卷。錨索托板：采用300 mm×300 mm×16 mm托板。錨索布置：垂直頂板布置2根，間排距2 000 mm×900 mm。

3.2 巷幫

1）錨桿形式和規(guī)格：錨桿支護(hù)材料同頂板支護(hù)。錨桿布置：垂直兩幫布置4根錨桿，間排距8 00 mm×900 mm。

2）錨索：錨索形式和規(guī)格：錨索材料為φ21.6 mm×4 500 mm，鉆孔直徑 30 mm。采用 1支MSK23120樹脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度1 400 mm。錨索托板：采用300 mm×300 mm×16 mm托板。

3）煤柱幫錨索布置：每2排錨桿布置3根錨索，下部錨索距離底板垂直距離600 mm，錨索間距1 400 mm，上部錨索距離頂板為1 200 mm，排距900 mm。

4）實(shí)體煤側(cè)幫錨索布置：每排錨桿打設(shè)1根錨索，下部錨桿距離底板垂直距離600 mm，錨索排距為900 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

81007回風(fēng)巷原支護(hù)方案試驗(yàn)地段為巷道前200 m，新支護(hù)方案試驗(yàn)地段為200 m之后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃吻闆r。不同支護(hù)方案下巷道表面位移如圖6。

圖6 巷道變形量

原方案在0~30 d，巷道變形量增加，頂?shù)装遄畲笠平繛?90 mm，兩幫最大移近量為519 mm。采用新支護(hù)方案后，巷道表面位移在0~23 d，巷道變形量增加，頂?shù)装遄畲笠平繛?98 mm，兩幫最大移近量為254 mm。與原方案比較，頂?shù)装逡平繙p少42.3%，兩幫移近量減少51%。由此可見，高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力“錨+梁+網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)充分提高了巷道圍巖的承載能力，錨護(hù)體系對(duì)巷道的支護(hù)作用得到充分發(fā)揮，明顯縮短了巷道穩(wěn)定時(shí)間，降低了巷道變形速度，減小了巷道變形量。

5 結(jié)論

1）強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力巷道受強(qiáng)烈的采動(dòng)和較大的剪切應(yīng)力復(fù)合作用，造成巷道兩幫劇烈剪切破壞，兩幫承載能力減弱導(dǎo)致頂板失穩(wěn)，同時(shí)高水平應(yīng)力加劇頂板剪切錯(cuò)動(dòng)，造成頂板錨固結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，強(qiáng)動(dòng)壓高水平應(yīng)力是頂板離層、煤壁片幫和底鼓的根本原因。

2）提出“固幫控頂”的圍巖控制思路，采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力“錨+梁+網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方案對(duì)煤幫邊角和頂板進(jìn)行加固，提高圍巖承載能力，增強(qiáng)錨固體系的抗剪切能力。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力“錨+梁+網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方案顯著降低巷道變形量，縮短了巷道穩(wěn)定時(shí)間，有力地證明了巷道支護(hù)參數(shù)的可行性。