大采高小煤柱回采巷道圍巖破壞特點及控制技術

張佳悅

(西山煤電集團有限公司 西銘礦，山西 太原 030053)

對于厚煤層開采工藝，我國目前采用的方法有分層、放頂煤和大采高綜采。與分層或放頂煤方法相比較，大采高綜采的優(yōu)勢有生產(chǎn)能力比較大、回采巷道布置比較簡單、煤炭回采率比較高以及經(jīng)濟技術效益比較突出等。因此，該采煤法已經(jīng)成為當前國內(nèi)外厚煤層開采的首選。

目前，雖然對大采高小煤柱回采巷道圍巖的穩(wěn)定及控制技術進行了大量研究，但不同礦井的工程地質(zhì)條件相差甚大，一些研究結(jié)論并不適合所有礦井。因此，本文對大采高小煤柱回采巷道的圍巖破壞特點及其控制技術進行了分析。

1 大采高小煤柱回采巷道圍巖破壞特點

由于與一般條件回采巷道有著很大的區(qū)別，大采高小煤柱回采巷道圍巖的塑性區(qū)、破碎區(qū)都比較大，受采動影響時這兩個范圍將更大?？傮w來說，大采高小煤柱回采巷道的圍巖比較松散破碎[1]，已有研究表明，此類巷道圍巖的破壞特點體現(xiàn)在以下幾方面[2]：

1) 由于經(jīng)歷相鄰區(qū)段及本工作面回采等多次擾動，巷道圍巖的變形量較大，其中頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量相比，后者顯著大于前者，所以僅采用一般U型鋼、工字鋼等剛性支護措施難以控制圍巖的變形與破壞。

2) 小煤柱回采巷道掘進前，臨近工作面已回采結(jié)束，受上方巖層垮落影響，采空區(qū)側(cè)的巷幫變形量大于實體煤側(cè)；而在本工作面回采過程中，實體煤側(cè)的巷幫變形量大于采空區(qū)側(cè)。

3) 小煤柱回采巷道掘出后，其圍巖穩(wěn)定性主要受臨近及本工作面采動影響，因此圍巖的變形與破壞呈現(xiàn)周期性變化。

4) 受臨近及本工作面采動影響，礦壓顯現(xiàn)程度大而使得圍巖變得十分松散破碎，造成圍巖受力狀況復雜且不均勻，局部應力集中程度較大，最終表現(xiàn)為圍巖承載能力差、維護困難等。

2 大采高小煤柱回采巷道錨桿支護機理分析

錨桿支護技術能夠?qū)⒕哂锌估涂辜籼匦缘臈U體和被支護圍巖錨固成一個整體承載結(jié)構(gòu)，在煤礦巷道支護等地下開挖工程中得到了廣泛應用。目前，比較成熟的錨桿支護理論有懸吊、組合梁、壓縮拱、最大水平應力及松動圈支護等[3].

2.1 懸吊理論

煤礦巷道等地下工程硐室的開挖過程會使得圍巖的應力狀態(tài)發(fā)生改變，巷道頂板淺部圍巖受開挖擾動影響最大，會因為失去支撐作用而向下變形運動，直至自然垮落。如果在巷道頂板淺部圍巖與深部巖層發(fā)生脫離前施加錨桿支護，錨桿桿體因具有抗拉和抗剪作用而將支護范圍內(nèi)的危險塊體懸吊在穩(wěn)定的深部巖層，保持巷道頂板淺部巖層的穩(wěn)定。

懸吊理論雖然可以解釋錨桿支護對淺部巖層的懸吊作用，然而將巷道頂板的穩(wěn)定和不穩(wěn)定巖層都假設為孤立層狀結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)場實踐中穩(wěn)定和不穩(wěn)定巖層之間還存在一定的相互作用力并不吻合。除此之外，懸吊理論的適用前提條件為巷道頂板上覆巖層中必須存在強度比較大的穩(wěn)定巖層，并且被支護淺部不穩(wěn)定巖層的厚度不得大于錨桿的桿體長度。不同頂板巖性對應錨桿需懸吊范圍圖見圖1.

圖1 不同頂板巖性對應錨桿需懸吊范圍圖

2.2 組合梁理論

巷道開掘以后，如果頂板淺部需要支護的低強度巖層較厚，懸吊理論將不適用。此類條件下，錨桿對頂板淺部巖層的支護作用主要表為：1) 針對淺部不穩(wěn)定巖層容易松動垮落的情況，錨桿通過其端頭和托盤施加的預緊力增大了支護范圍內(nèi)巖層間的摩擦系數(shù)，減弱頂板不穩(wěn)定巖層間的離層現(xiàn)象。2) 針對淺部不穩(wěn)定巖層容易滑移的情況，錨桿通過其桿體的抗剪切性能使支護范圍內(nèi)的巖層形成圖2b)所示的組合梁結(jié)構(gòu)。與未支護前圖2a)所示的頂板巖層疊合梁結(jié)構(gòu)相比，在承受相同載荷情況下，組合梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力更強，可以大幅度減弱變形下沉量。

圖2 未支護疊合梁與錨桿支護組合梁對比圖

頂板上方各不穩(wěn)定巖層之間的作用力在沒有運用錨桿支護變形下沉的過程中比較小，頂板整體下沉量大致等于各個不穩(wěn)定巖層變形下沉量之和，作用于頂板疊合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應力為：

(1)

頂板上方巖層在運用錨桿支護發(fā)生變形下沉時，因為受到錨桿比較強的抗剪能力作用而形成組合梁結(jié)構(gòu)，作用于頂板組合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應力可以用式(2)、(3)表示：

(2)

(3)

式中：

(σmax)疊—頂板不穩(wěn)定巖層在無錨桿支護條件下的最大拉應力,kN；

(σmax)組—頂板不穩(wěn)定巖層受錨桿支護形成組合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應力,kN；

Mmax—頂板所承載的最大彎矩,kN·m；

h—頂板各個巖層的厚度,m；

n—頂板巖層數(shù)目。

根據(jù)上述分析可以得出，頂板不穩(wěn)定巖層與錨桿共同形成組合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應力只有在無錨桿支護條件下最大拉應力的1/n，因此頂板采用錨桿支護所形成組合梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力比無支護時有了大幅度的提高。

2.3 壓縮拱理論

與上述兩種支護理論的應用范圍相比，壓縮拱可以適用于各種圍巖條件。以錨桿為中心在被支護圍巖內(nèi)會形成一個形狀類似錐形的錨固帶，錐形錨固帶在間排距參數(shù)布置合理的情況下相互之間能夠疊加并形成壓縮拱結(jié)構(gòu)，見圖3.

圖3 拱形巷道頂板壓縮拱結(jié)構(gòu)示意圖

壓縮拱理論主要適用于拱形斷面巷道，運用于矩形斷面巷道時就等同于組合梁理論。頂板采用錨桿支護時所形成壓縮拱結(jié)構(gòu)的擠壓特性比無支護時有大幅度的提高，這個壓縮拱結(jié)構(gòu)不但能夠承受荷載作用，還能更加有效地阻止深部圍巖的變形破壞。

2.4 最大水平應力理論

當巷道圍巖所受的水平應力大于垂直應力時，決定其是否保持穩(wěn)定的關鍵因素是最大水平應力。研究表明，巷道軸向與最大水平應力方向的關系對圍巖穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為[4]：1) 巷道圍巖的變形破壞程度在巷道軸向和最大水平主應力方向相同時最小。2) 圍巖在巷道軸向和最大水平主應力相交成0°～90°的情況下容易破壞，并且變形破壞程度隨著該夾角的增大而呈現(xiàn)出愈加嚴重的趨勢，當夾角為90°時變形破壞最為嚴重。

理論研究及實踐觀測均表明巷道圍巖受最大水平應力作用時容易發(fā)生剪切變形與破壞，錨桿支護通過軸向壓縮作用和切向抗剪作用在有效阻止圍巖早期變形的同時，還能有效阻止巖層間的滑動。巷道軸向與最大水平主應力方向?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響程度見圖4.

圖4 圍巖穩(wěn)定性的受影響程度圖

2.5 圍巖松動圈理論

圍巖受巷道開挖擾動作用發(fā)生一定范圍的破壞而形成松動圈，根據(jù)實測松動圈厚度的大小可分為小松動圈(<400 mm)、中松動圈(400～1 500 mm)和大松動圈(>1 500 mm). 在頂板巖層垮落過程中支護體主要承受的載荷為已垮落巖層的碎脹力，頂板巖層垮落過程產(chǎn)生的碎脹力以及支護體承受的載荷都隨著松動圈厚度的增大而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

不同松動圈對應3個層次的支護方式：1) 小松動圈。由于巷道圍巖小松動圈變形破壞以彈塑性形變?yōu)橹鳎藭r巷道圍巖具有比較強的承載能力，因此通過噴射混凝土對巷道圍巖外側(cè)進行封閉即可達到防止表面圍巖垮落的目的。2) 中松動圈。由于巷道圍巖中松動圈的范圍不是特別大，因此可以根據(jù)懸吊理論將松散圍巖通過錨桿懸吊到其上方穩(wěn)定巖層之中，然后結(jié)合噴射混凝土以防止巷道表面圍巖垮落。3) 大松動圈。錨桿支護使頂板不穩(wěn)定巖層形成抗彎及承載能力更強的組合梁結(jié)構(gòu)。

在25 ℃環(huán)境下進行充電實驗,由 SOC=0%時開始充電。將監(jiān)測所得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到模糊控制器 1,經(jīng)一系列處理后,當析氣電壓值小于端電壓時,立即停止充電,在靜置一會后,算出極化電壓值。

3 回采巷道錨桿對圍巖作用力的分析

3.1 錨桿軸向作用力分析

沿桿體長度方向，錨桿對支護范圍內(nèi)的煤巖體施加軸向作用力，主要表現(xiàn)為抗拉作用。受錨桿軸向作用力影響，圍巖內(nèi)的正應力計算公式為：

Δσ=F/a·b

(4)

式中：

F—錨桿軸向作用力， N；

a、b—錨桿的間距、排距，m.

對式(4)進行分析可以得出，增大圍巖所受正應力的途徑包括增大錨桿軸向作用力和加密錨桿數(shù)量。雖然增加錨固數(shù)量會使圍巖所受的正應力顯著增大，但不可避免地會使錨桿消耗量增加，導致支護成本增加和減慢巷道掘進及支護速度。因此，在大采高小煤柱回采巷道支護設計時，選擇高強度材質(zhì)錨桿并施加較高的安裝預緊扭矩不僅技術上可行，而且支護成本低、施工速度快。

3.2 錨桿橫向作用力分析

錨桿的橫向作用力是指沿其橫截面方向?qū)鷰r施加的剪切作用和通過錨固劑對黏結(jié)面上圍巖施加的法作用。

綜上所述，隨著錨桿軸向應力和剪切應力的增大，錨固范圍內(nèi)裂隙等弱面的抗剪強度隨之增大。

4 大采高小煤柱回采巷道圍巖控制機理分析

由于大采高小煤柱回采巷道與鄰近采空區(qū)的水平距離較小，受鄰近采空區(qū)上覆巖層垮落影響，表現(xiàn)為圍巖內(nèi)部應力集中系數(shù)大且分布不均、動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的力學現(xiàn)象。針對大采高小煤柱回采巷道受本工作面采動影響礦壓顯現(xiàn)程度劇烈、圍巖變形量大且不均勻[6]的支護難題，提出的圍巖控制機理如下：

1) 高強度錨桿支護與整體錨固。錨桿及其支護構(gòu)件通過錨固作用使被支護煤巖體形成具有一定承載結(jié)構(gòu)的錨固體，錨桿及煤巖體共同作用構(gòu)成的錨固系統(tǒng)可以改善大采高小煤柱回采巷道圍巖的受力狀況，提高錨固圍巖的力學性能及承載強度。

2) 回采巷道圍巖控制的關鍵。大采高工藝的回采高度較大，上覆巖層斷裂垮落并不能將鄰近工作面的采空區(qū)完全充填，因此基本頂巖層彎曲下沉產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力使小煤柱邊緣松動變形，煤柱強度及承載能力降低。因此，大采高小煤柱回采巷道圍巖控制的關鍵是保持小煤柱自身的穩(wěn)定性。只有小煤柱保持穩(wěn)定才能使受本工作面回采影響時圍巖應力分布均勻、變形量小，滿足通風、運輸、行人等安全要求。

3) 采用高強度錨桿讓壓支護措施。采用高強度錨桿能夠增強大采高小煤柱回采巷道的圍巖強度，降低圍巖變形量。圍巖變形過程是能量釋放的宏觀表現(xiàn)，為了釋放變形能量，支護結(jié)構(gòu)在滿足強度要求的同時，還應適應較大的變形。高強度錨桿材質(zhì)的延伸率較大，不僅能施加較大的支護強度，還能適應一定的圍巖變形，因此可采用高強度錨桿讓壓支護措施控制大采高小煤柱回采巷道圍巖變形。

4) 采用高預緊力錨桿支護提高圍巖的穩(wěn)定性。安裝錨桿時，通過施加高預緊力使被支護煤巖體處于受壓狀態(tài)而盡可能維持其完整性，減弱變形破壞導致的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。

5) 采用小孔徑錨索加固深部圍巖。對于大采高小煤柱回采巷道，還可以通過采用小孔徑預應力錨索使錨桿支護形成的錨固體與深部穩(wěn)定巖層協(xié)調(diào)運動實現(xiàn)加強支護，防止頂板淺部的松軟巖層冒落。安裝錨索時應保證錨索具有較大的預緊力，以保證錨桿支護形成的淺部應力場與錨索加強支護形成的深部應力場相互疊加，并形成一個統(tǒng)一的預緊力承載結(jié)構(gòu)，防止錨固范圍內(nèi)巖層發(fā)生離層、變形。

6) 采用鋼帶、金屬網(wǎng)等增強巷道圍巖的護表能力。本工作面回采向前推進時，巷道淺部圍巖在超前支承應力作用下進一步變形破碎，局部圍巖松散而使周圍的錨桿失效。因此，可采取在大采高小煤柱回采巷道表面鋪設金屬網(wǎng)、錨桿托盤下安裝鋼筋梯梁或鋼帶使錨桿預緊力擴散到更大的范圍、圍巖均勻受力，從而增加阻止巷道淺部圍巖變形的能力。

7) 向煤柱內(nèi)部注漿，提高其承載能力。大量現(xiàn)場工程實踐得出，采取向煤柱內(nèi)注漿的措施可以充填、固結(jié)其內(nèi)部的裂隙等弱面結(jié)構(gòu)，進而提高煤柱的強度和穩(wěn)定性，有利于巷道圍巖控制。

5 結(jié) 語

由于大采高小煤柱回采巷道的圍巖強度低且受礦壓影響劇烈，因此應選擇科學有效的支護方式和支護參數(shù)來控制圍巖的變形與破壞，使巷道圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài)以滿足回采要求。大采高小煤柱回采巷道保持圍巖安全穩(wěn)定的關鍵是通過錨桿支護及采取相應的技術措施提高幫部煤巖體的承載能力，形成穩(wěn)定的支撐點承受上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉過程中施加的載荷。