文家坡煤礦巷道礦壓觀測(cè)及底臌機(jī)理分析

亢曉濤，陳 星，呂大釗

(1.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712046；2.陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500；3.陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)公司，陜西 長(zhǎng)武 713600)

0 引言

錨桿支護(hù)已經(jīng)成為我國(guó)巷道支護(hù)的主要支護(hù)形式[1]，解決了多數(shù)巷道支護(hù)問(wèn)題。但隨著當(dāng)前煤礦開(kāi)采深度的日益增加，在地應(yīng)力增大、地質(zhì)條件復(fù)雜化等因素影響下，很多煤礦巷道出現(xiàn)了不同程度的變形、底臌、開(kāi)裂、冒頂?shù)惹闆r[2]。深部圍巖在軟巖、高應(yīng)力的共同作用下的變形破壞機(jī)制較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)其問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究，劉泉聲[3-4]等對(duì)深部破碎軟弱圍巖支護(hù)機(jī)制進(jìn)行了分析，對(duì)原有的支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化；王衛(wèi)軍[5]等分析了高應(yīng)力軟巖巷道塑性區(qū)的形成和發(fā)展過(guò)程，指出控制塑性區(qū)惡性擴(kuò)展是保證巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵；孟波[6]等研究破裂圍巖錨固體以及錨桿的變形破壞特征；左建平[7]等研究發(fā)現(xiàn)開(kāi)槽卸壓后，應(yīng)力明顯向深部轉(zhuǎn)移，能較好維護(hù)軟巖巷道穩(wěn)定；吳建星、方樹(shù)林[8]等采用頂幫強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)和底板預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固注漿錨索支護(hù)技術(shù)后，有效地控制了圍巖變形量和巷道底臌。由于巖體工程的復(fù)雜性、多樣性，導(dǎo)致高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題仍然較為突出。文家坡煤礦巷道具有底臌變形量大、變形速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，出現(xiàn)多次拉底現(xiàn)象，給巷道的安全高效生產(chǎn)帶來(lái)巨大困擾。

1 工作面概況

文家坡煤礦4102工作面位于41盤(pán)區(qū)東側(cè)，為礦井第二個(gè)回采工作面，走向長(zhǎng)度2 650 m，傾向長(zhǎng)度240 m，煤層埋深為547～730 m。工作面煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度3.76～4.32 m，平均厚度3.93 m；傾角2°～6°，一般3°左右。工作面西邊為4103(準(zhǔn)備工作面)，東邊為4101(已回采結(jié)束)，北邊為紅巖河保護(hù)煤柱，南邊為41盤(pán)區(qū)開(kāi)拓大巷。

本次監(jiān)測(cè)地點(diǎn)為文家坡煤礦4102回風(fēng)順槽，巷道圍巖成分主要包括：石英、高嶺石及白云母。其中高嶺石親水性強(qiáng)，遇水膨脹，屬于粘土類(lèi)泥質(zhì)膨脹巖。巷道圍巖裂隙節(jié)理發(fā)育，淋水嚴(yán)重，水很容易進(jìn)入圍巖中，其中高嶺石遇水軟化、碎裂、崩解。4102工作面煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

4102工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 103 m，矩形斷面，掘進(jìn)尺寸為5 500 mm×3 850 mm，采用錨網(wǎng)索+鋼帶+菱形網(wǎng)支護(hù)形式。采用φ22 mm×2 800 mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，間排距700 mm×700 mm，預(yù)緊力矩不小于120 N·m，錨固力不小于100 kN；頂部錨桿與BHW-280-3.0-5.1型W鋼帶配合使用；錨索1×19芯結(jié)構(gòu)、采用φ21.6 mm×8 800 mm鋼鉸線，每排4根，間排距1 400 mm×1 400 mm，預(yù)緊力200 kN；頂部采用φ6 mm的Q235鋼筋焊制的金屬網(wǎng)護(hù)表；幫部采用菱形鋼絲網(wǎng)(12號(hào)鐵絲)護(hù)表；底板混凝土砂漿澆筑，厚度300 mm。支護(hù)斷面如圖1所示。

2 礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法

2.1 礦壓綜合監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

從表2看出，在4102回風(fēng)順槽中設(shè)置1個(gè)觀測(cè)站，觀測(cè)站內(nèi)布置有：1組巷道表面位移觀測(cè)點(diǎn)、1組錨桿、錨索受力觀測(cè)點(diǎn)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 4102回順支護(hù)斷面圖

序號(hào)觀測(cè)內(nèi)容觀測(cè)目的測(cè)試手段1巷道表面收斂監(jiān)測(cè)巷道圍巖淺部位移卷尺、測(cè)槍2錨桿受力監(jiān)測(cè)錨桿受力狀況液壓枕3錨索受力監(jiān)測(cè)錨索受力狀況液壓枕

2.2 礦壓綜合監(jiān)測(cè)方法

巷道表面位移：采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)，如圖2所示。施工步驟為：①在A、B、C、D等4處測(cè)點(diǎn)安設(shè)短錨桿，安裝方法同普通錨桿；②在A、B點(diǎn)固定專(zhuān)業(yè)測(cè)繩，C、D點(diǎn)固定專(zhuān)業(yè)鋼卷尺，測(cè)量OB、OA值；③在C、D點(diǎn)固定專(zhuān)業(yè)測(cè)繩，A、B點(diǎn)固定專(zhuān)業(yè)鋼卷尺，測(cè)量OD、OC值。測(cè)量數(shù)據(jù)的精度為0.1 mm。

圖2 表面位移測(cè)站布置示意圖

錨桿工作阻力觀測(cè)：采用MC-200型油壓式錨桿測(cè)力計(jì)，量程40 MPa，與巷道表面收斂測(cè)站布置在同一斷面，如圖3所示。錨桿測(cè)力計(jì)全斷面布置，錨桿測(cè)力計(jì)為7塊并進(jìn)行編號(hào)標(biāo)記，初始?jí)毫σ话悴坏玫陀? MPa。

圖3 錨桿受力測(cè)站布置示意圖

錨索工作阻力觀測(cè)：采用MC-200型油壓式錨索測(cè)力計(jì)，量程60 MPa，如圖4所示，錨索測(cè)力計(jì)全斷面布置，錨索測(cè)力計(jì)為3塊并進(jìn)行編號(hào)標(biāo)記，初始給定壓力不得低于24 MPa。

圖4 錨索受力測(cè)站布置示意圖

在測(cè)站布置完成后，工作面推進(jìn)至測(cè)站100 m范圍內(nèi)時(shí)，所有測(cè)站每星期觀測(cè)3次，隨著工作面不斷推進(jìn)直至儀器讀數(shù)開(kāi)始較明顯變化時(shí)，往后每天觀測(cè)1次。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 巷道表面位移

巷道表面位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，觀測(cè)到27 d，測(cè)站一處頂?shù)装遄畲罄鄯e移近量為248 mm，兩幫最大累積移近量為251 mm；觀測(cè)9 d之內(nèi)，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；頂?shù)装遄畲笠平俾蕿?9.6 mm/d，兩幫最大移近速率31 mm/d，均出現(xiàn)在測(cè)站布設(shè)后第27 d，后期圍巖移近速率較大。測(cè)站一處圍巖移近量整體不大，屬回采期間圍巖應(yīng)力重新分布、變形正常釋放過(guò)程。

3.2 錨桿索受力

錨桿測(cè)力計(jì)受力變化曲線如圖6所示。

從圖6可知，測(cè)站一錨桿受力最大達(dá)35 kN，最小的是5 kN；錨索受力最大達(dá)180 kN，最小為80 kN。距工作面170～100 m時(shí)，錨桿(索)受力比較穩(wěn)定，波動(dòng)不大，偶爾有波動(dòng)可能是周期來(lái)壓，屬于正常情況；距離工作面100～60 m時(shí)，錨桿(索)受力略有增加；距離工作面60～30 m時(shí)，屬超前應(yīng)力影響區(qū)，錨桿(索)受力大幅增加；距工作面30 m以?xún)?nèi)時(shí)，屬超前應(yīng)力劇烈影響區(qū)，錨桿(索)受力增加顯著。頂板錨桿受力較兩幫大，頂板錨桿最大受力為35 kN，兩幫錨桿最大受力為30 kN；測(cè)力計(jì)(液壓枕)安裝后前15 d變化不明顯，之后逐漸變化量變大。錨桿(索)受力整體不大，錨桿最大受力不到其桿體屈服載荷的42.3%，錨索最大受力僅為其拉斷載荷的29.5%，未達(dá)到最大受力載荷。

3.3 觀測(cè)結(jié)果分析

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，文家坡煤礦圍巖變形速度初期較慢，巷道開(kāi)挖后，初期變形速度在1～3 mm/d左右，半年以后，變形速度仍然保持在1～5 mm/d，并最終引起變形速度再次增加、巷道劇烈破壞和支護(hù)體失效。

變形量大，巷道掘進(jìn)后4～6個(gè)月巷道變形量就達(dá)到1 000～2 000 mm，巷道變形表現(xiàn)為四周來(lái)壓，底臌特別大，整體收斂變形的特點(diǎn)。巷道劇烈變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，從已經(jīng)施工的巷道維護(hù)狀況來(lái)看，雖然巷道已經(jīng)掘進(jìn)多年，但巷道并沒(méi)有穩(wěn)定，每隔3～5個(gè)月左右需要維修1次，4201工作面回風(fēng)巷道起底已達(dá)4次，但底臌控制效果仍然不明顯。

a-頂板變形量曲線圖;b-頂板變形速度曲線圖；c-兩幫變形量曲線圖；d-兩幫變形速度曲線圖圖5 測(cè)站巷道表面位移變化曲線

a-錨桿受力曲線圖；b-錨索曲線圖圖6 錨桿受力變化曲線

4 文家坡煤礦巷道底臌機(jī)理分析

巷道周邊圍巖處在復(fù)雜的環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)下，通常會(huì)伴隨流變和滲流的耦合作用。開(kāi)挖過(guò)程表現(xiàn)為加載、卸載和滲流的綜合作用，如此往復(fù)的作用，會(huì)引起開(kāi)挖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的巷道發(fā)生大規(guī)模變形與失穩(wěn)。

文家坡煤礦4102工作面巷道掘進(jìn)時(shí)并未出現(xiàn)較大變形，但是巷道由于掘進(jìn)后空置時(shí)間達(dá)一年以上，導(dǎo)致其在服務(wù)工作面時(shí)巷道表面收斂特別大，這就需要考慮本巷道的蠕變引起的問(wèn)題。圖7為蠕變時(shí)間階段劃分示意圖。

a-穩(wěn)定蠕變；b-不穩(wěn)定蠕變圖7 蠕變時(shí)間階段劃分

如圖7所示，文家坡煤礦4102工作面巷道在高地應(yīng)力、采掘擾動(dòng)、水等共同作用下無(wú)法實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，圍巖蠕變?yōu)椴环€(wěn)定蠕變，如圖7(b)所示，可分為瞬時(shí)變形階段、衰減蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段這4個(gè)階段，對(duì)巷道造成破壞的大多是圖7(b)中的CD階段，加速蠕變狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)文家坡4102工作面回風(fēng)巷礦壓、變形監(jiān)測(cè)，錨桿(索)受力整體不大，未達(dá)到最大受力載荷，巷道錨網(wǎng)索+鋼帶+菱形網(wǎng)的支護(hù)形式保證了頂板及兩幫圍巖穩(wěn)定，但以泥巖為主的巷道地板在高地應(yīng)力、采掘擾動(dòng)、水等共同作用下發(fā)生了不穩(wěn)定蠕變，是文家坡煤礦軟巖巷道底臌的主要原因。

(2)文家坡煤礦工作面巷道一次支護(hù)不能保證巷道圍巖穩(wěn)定，巷道反復(fù)維修、支護(hù)過(guò)程，加載、卸載和滲流的綜合作用加劇了巷道圍巖破壞，引起巷道發(fā)生大面積塑性變形與失穩(wěn)，最終導(dǎo)致陷入反復(fù)破壞—維修的惡性循環(huán)。

(3)針對(duì)文家坡煤礦高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)，必須把對(duì)底板的加固放在與頂、幫支護(hù)同等重要的地位，才能使整個(gè)巷道圍巖形成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，保證巷道穩(wěn)定。