預留變形控制技術在深部巷道支護中的應用探究

元建兵

(山西陽城陽泰集團小西煤業(yè)有限公司， 山西 陽城 048100)

1 前言

隨著開采深度的不斷向深部延伸，深部巷道支護問題成為了制約深部煤炭資源開采的重要瓶頸性問題之一。從大量的深部巷道支護實踐來看，僅通過增強支護強度，提升支護密度并不能實現對深部巷道圍巖變形破壞的有效控制，本文以小西煤礦三階段膠帶下山為研究對象，分析了深部巷道開采中應采取的支護對策，提出了高強度讓壓錨索槽鋼梁+錨網噴支護方案，實現了巷道圍巖的有效控制。

2 工程概況

小西煤礦三階段膠帶下山位于軌道下山的南側，埋深為750～920m，其中頂板以砂質泥巖為主，底板為泥巖、粉砂巖為主，在膠帶下山開掘之后，出現了較大的變形，兩幫冒落、頂板下沉、底板鼓起，特別是巷道中下部出現嚴重鼓起，原支護中錨桿、錨索出現了“空腔”“大肚子”現象，均表明原支護方式已經失效，巷道變形破壞圖如圖1所示。

3 膠帶下山嚴重變形破壞的機理探究

通過現場勘查與理論研究，對導致膠帶下山出現大范圍嚴重變形破壞的機理進行了分析，主要是有以下幾個方面的原因。

圖1 膠帶下山巷道局部變形破壞圖

(1)支護設計不合理性。膠帶下山的埋深已經超過了790m，已經屬于深部開采范圍，而大量工程實踐表明，在深部開采過程中，傳統(tǒng)支護方式提供的支護阻力，對巷道圍巖出現的塑性區(qū)范圍、圍巖變形所起到的限制作用非常有限。也就是說，在深部高應力巷道中，圍巖存在“給定變形”“給定變形”不隨現有支護強度的增加而大幅度減少，且“給定變形”隨著開采深度的不斷增加而不斷增加。所以，針對膠帶下山所處的實際條件，在返修支護時，應給巷道圍巖的“給定變形”留有一定的空間。從膠帶下山原有支護結構來看，其過于強調“強力支護”，導致在巷道圍巖的高應力作用下，原有支護出現了徹底失效，這也是導致膠帶下山出現大范圍變形破壞的最為主要的原因[1-3]。

(2)地下水影響?，F場勘查得到底板有水體滲出，而底板圍巖中包含有蒙脫石等膨脹型巖體，隨著水體侵入時間的不斷延長，巷道底板巖體強度不斷降低，在高應力的作用下，底板向巷道空間擠出。

(3)水平應力較大。從現場地應力測定情況來看，水平主應力是其第一主應力，達到了30.26MPa，在較大的水平應力下，巷道兩幫向中間空間擠出，同時在兩幫向中間擠出的過程中，巷道底板也被進一步的擠壓，帶來更大范圍的底板變形破壞。

(4)抽采瓦斯與開采擾動影響。由于本礦井總體的瓦斯含量較高，在進行開采之前對瓦斯進行了抽放，同時周邊煤層開采的過程中，對膠帶下山巷道圍巖整體的穩(wěn)定性帶來了較大的影響。特別是隨著瓦斯的抽放，巷道圍巖中已經存在的裂隙會進一步發(fā)展，增加了巷道圍巖變形量，巷道圍巖松散程度加劇，具體情況如圖2所示。

圖2 周邊采動與瓦斯抽放對巷道圍巖應力狀態(tài)的影響

從圖2中可看出，隨著采動的影響與瓦斯抽放的影響，膠帶下山巷道圍巖的應力狀態(tài)相對于開采有了較大的變化，很多巖體已經由先前的三維應力狀態(tài)變?yōu)榱硕S應力狀態(tài)，巷道圍巖極限承載能力大幅度下降。

4 膠帶下山支護對策研究

4.1 支護機理分析

針對深部高應力軟巖巷道在變形過程中存在明顯的“給定變形”的情況，在進行膠帶下山巷道支護時，應當適應深部圍巖變形破壞特點，這就要求在進行膠帶下山返修時，設定的支護方案應當為巷道圍巖預留出一定變形的空間。同時，不能任由巷道圍巖無限制的變形破壞，這就要求設計的支護結構應當在適應巷道圍巖變形的過程中，能夠提供出巷道支護阻力[4-6]。

為達到上述控制效果，本次支護設計過程中，設計采用了高強度讓壓錨索槽鋼梁+錨網噴支護方式。其中，高強度讓壓錨索槽鋼梁是對傳統(tǒng)支護方式的優(yōu)化，高強度讓壓槽鋼梁如圖3所示。

圖3 高強度讓壓槽鋼梁

其中讓壓槽鋼梁主要作用是配合錨索進行支護，在錨索支護后，在高應力的作用下，巷道圍巖會進入變形階段，整個支護結構受力也在不斷的上升，錨索上承受的壓力也在不斷增加，隨著壓力不斷增加，錨索會擠壓活動板，活動板會向中間靠攏，進而壓縮彈簧，整個槽鋼會向中部移動，這就實現了對巷道圍巖“給定變形”的適應，同時也提供了較高的支護阻力，實現對巷道圍巖的變形的有效控制。隨著槽鋼不斷被壓縮，其提供的支護阻力將會更高，達到了高阻效果，形成了高強度讓壓錨索槽鋼梁支護系統(tǒng)。該種支護系統(tǒng)，不僅可克服傳統(tǒng)僅使用錨索支護情況下，錨索延展率較低存在的弊端，能夠有效將巷道深部穩(wěn)定圍巖的支護作用有效調動起來，且實現了與錨網噴支護方式的耦合，提升錨網噴支護的效果。

4.2 具體支護設計

錨桿支護參數：φ20mm×2 600mm，間排距左幫均為750mm，右?guī)蜑?60mm，錨固力80kN，預緊力為50kN。鋼筋網采用高強度鋼筋網，參數為100mm×100mm。噴漿混凝土強度為C20。高強度讓壓錨索槽鋼梁支護系統(tǒng)具體設計：兩端采用φ17.8mm×4 500mm錨索，中間采用φ17.8mm×6 500mm，錨索預緊力為70kN。支護設計如圖4所示。

圖4 支護設計圖

4.3 支護效果分析

采用十字布點法對返修后的膠帶下山進行了巷道表面位移觀測，得到兩幫收斂量、頂底板移近量變化曲線，變化曲線如圖5所示。

圖5 支護后巷道圍巖變形曲線圖

從圖5中可看出，在對膠帶下山重新支護后，巷道在80d達到了穩(wěn)定狀態(tài)，兩幫收斂量穩(wěn)定到240mm，頂底板移近量最大到180mm。巷道圍巖變形情況均滿足了巷道實際使用的要求，這表明設計采用的新支護方案，取得了較好的支護效果。

5 結論

從深部巷道圍巖穩(wěn)定控制實踐可知，應從充分調動圍巖自身承載能力的角度入手，確保支護體與圍巖形成一個整體性支護結構，做到“讓抗適度”，才能適應深部圍巖巷道支護的要求。