鎮(zhèn)城底礦軟巖巷道圍巖損傷破壞機理及控制技術研究

閆明明

（西山煤電鎮(zhèn)城底礦綜采安裝機電隊， 山西 古交 030203）

煤炭作為我國的主要基礎能源，在我國能源消費結構中占主要地位[1]。根據有關部門統(tǒng)計結果顯示，截止2020年，煤炭在我國能源消費結構中約占50%，在全世界的煤炭消耗量中約占2/3[2]。為保證在我國國民經濟高速發(fā)展現狀，煤炭需求量呈幾何倍數增長，井工開采作為我國主要的煤炭產出來源，其安全、穩(wěn)定、高效生產是實現我國國民經濟高速發(fā)展的重要保證。

巷道作為井工煤炭開采構筑的必要通道，其穩(wěn)定性對于煤炭安全生產及礦工生命安全至關重要。對于我國一些礦區(qū)來說，松軟的覆巖或底板特性使巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在應力作用下出現大變形、圍巖結構破碎等現象，大大縮短巷道服務期限，不利于煤炭長期穩(wěn)定生產。此外在工作面回采期間，軟巖巷道由于其圍巖強度低、膠結程度差及孔隙率大等特性，在強烈回采擾動影響下圍巖常常出現大面積破壞，支護材料折斷失效。不僅極大地增加了巷道維修成本，而且嚴重制約了煤礦的安全高效穩(wěn)定生產[3，4]。

針對上述問題，本文以鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽為研究背景，通過建立巷道圍巖損傷力學模型，分析軟巖巷道圍巖損傷過程，并結合鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽地質工況，建立軟巖巷道計算模型，分析軟巖巷道圍巖變形規(guī)律。在此基礎上，提出軟巖巷道圍巖控制機理及技術，并在鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽進行工業(yè)性試驗。本文研究成果可以有效指導現場施工，在一定程度上解決了軟巖巷道圍巖控制難題，為類似地質條件下的礦井安全生產提供借鑒。

1 工程概況

鎮(zhèn)城底礦隸屬于山西焦煤集團，位于山西省古交市西北處，井田占地面積約23.8 km2，西北走向6.6 km，南北平均寬度約3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設計生產能力為190萬t，地質構造復雜。28620工作面水平標高-580 m，位于位于礦井二盤區(qū)，西北側接正在回采的28610工作面。位于石巖系太原組的8號煤層為28620工作面主采煤層，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度約為4.5 m；直接頂為L1泥灰?guī)r，平均厚度約為2.32 m；直接底為粉砂質泥巖，平均厚度約為0.97 m，工作面煤層頂底板巖性如圖1所示。

28620工作面在回采期間，順槽圍巖變形嚴重，頂板出現劇烈下沉現象，兩幫向巷道空間內擠壓變形嚴重，錨桿（索）出現大面積拉伸、剪切破斷，巷道變形程度已影響到工作面正?；夭勺鳂I(yè)。

圖1 28620工作面煤層頂底板巖性柱狀圖

2 軟巖巷道圍巖損傷破壞機理

2.1 巷道圍巖損傷力學模型建立

為方便研究，建立圓形斷面巷道進行損傷力學分析，如圖2所示。其中r0表示巷道半徑，r1表示巷道開挖后圍巖損傷半徑，r2表示巷道圍巖最大（完全）損傷半徑，σ0表示巷道受到的原巖應力（此處設置為均勻等壓應力）。

圖2 巷道圍巖損傷力學模型建立

根據建立的巷道圍巖損傷力學模型受力情況及邊界條件，此模型可看做是典型的軸對稱平面應變問題，故而，根據巷道圍巖應力值可將圍巖演化分為三個狀態(tài)：

1）當 σ0＜σcr1時，巷道圍巖未破壞處于彈性變形階段。

2）當 σcr1＜σ0＜σcr2時，巷道圍巖遭到破壞進入塑性損傷區(qū)階段。

3）σ0＞σcr2時，巷道圍巖破壞加劇進入塑性最大（完全）損傷區(qū)階段。

上文中，σcr1表示巷道圍巖初步遭到破壞時的臨界地應力；σcr2表示巷道圍巖破壞加劇進入完全損傷階段的臨界地應力。但是此模型中圍巖假設為連續(xù)、均質的彈塑性材料，未考慮巷道支護時給予的支護阻力，故而需對該模型進一步修正。

2.2 圍巖損傷應力分析

在節(jié)2.1建立的巷道圍巖損傷力學模型基礎上增加支護阻力，推導出巷道圍巖塑性區(qū)完全損傷范圍公式[5]（1）。依據鎮(zhèn)城底礦28620工作面工況進行相關參數設定。

圖3 支護阻力與塑性損傷區(qū)半徑的關系曲線

如圖3所示，隨著支護阻力的增大，巷道圍巖塑性區(qū)演化半徑逐漸減小呈現負相關關系，由此可以說明在保證巷道圍巖穩(wěn)定的前期下，通過增大巷道圍巖塑性區(qū)的演化半徑來降低支護阻力，但對于軟巖巷道來說，控制塑性區(qū)的演化半徑是實現圍巖穩(wěn)定控制的主要途徑，故而，該方式不可??；當塑性區(qū)的演化半徑一定時，支護阻力與λ/E（λ為降模量；E為彈性模量）的比值呈現負相關關系，這是由于巷道圍巖的彈性模量增大，圍巖強度隨之增大，承載能力進而增強，維護巷道穩(wěn)定所需的支護阻力隨之降低。故，針對軟巖巷道來說，在支護初期通過采用注漿加固的方式，改善圍巖力學性質，實現圍巖穩(wěn)定控制。

2.3 數值模型建立

結合鎮(zhèn)城底礦工程概況建立軟巖巷道數值計算模型，模型長設置50 m，寬設置30 m，高設置50 m，巷道寬×高=4.8 m×4 m。模型上邊界為應力邊界，下邊界和左右邊界為位移約束邊界，如圖4所示。模型覆巖參數設置如下頁表1所示。巖體的內摩擦角；λ為降模量；E為彈性模量；σ0為巷道圍巖體的單軸抗壓強度。

圖4 數值計算模型

根據式（1）得到支護阻力Pi、巷道半徑r0與塑性損傷區(qū)演化范圍的關系曲線如圖3所示。

表1 煤巖體力學參數

2.4 軟巖巷道圍巖演化特征分析

圖5 軟巖巷道圍巖演化特征

如圖5所示，巷道兩幫位移量均在60 cm左右，頂板最大下沉量達到44.1 cm，底板底鼓最大達到73.2 cm，巷道底鼓量比兩幫位移量和頂板下沉量多13.2 cm和29.1 cm，巷道底鼓現象劇烈；此外從巷道圍巖剪切應力云圖可以明顯看出，巷道肩角和底角位置為應力集中區(qū)，主要受剪切應力，其破壞形式以剪切破壞為主，巷道兩幫和頂底板以拉伸破壞為主；從塑性區(qū)演化云圖可以明顯看到，巷道頂板圍巖破壞范圍約為3.0 m，兩幫和底板圍巖破壞范圍約為4.0 m。

3 軟巖巷道圍巖控制技術

3.1 圍巖控制途徑及措施

1）高強讓壓錨索。結合軟巖巷道圍巖變形特征，采用具有高強度、高延展性的錨索，在保證巷道圍巖穩(wěn)定的基礎上，給予巷道圍巖適度地的卸壓范圍，實現巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

2）巷道圍巖注漿。由于軟巖巷道圍巖的固有特性，導致圍巖強度較低，圍巖的承載強度較低，采用注漿加固方式，不僅可以利用漿液充填圍裂隙，漿液固結使巷道圍巖形成具有一定承載能力的“殼”，改變圍巖力學參數，而且通過錨桿使巷道表面圍巖與深部圍巖緊緊擠壓在一起，促使表面圍巖與原巖形成統(tǒng)一整體，進一步提高圍巖強度。

3）加固巷幫、肩角等關鍵部位。巷道兩幫和肩角部位圍巖破碎較為嚴重，通過對兩幫及肩角部位進行加強支護，可以有效抑制塑性區(qū)的演化，提高圍巖殘余強度。

3.2 圍巖控制技術

通過上述分析，最終確定28620工作面順槽采用“錨網索+噴漿+注漿”支護方式，一共進行2次噴漿，第一次在錨桿（索）施加預緊力后進行，噴漿厚度30～50 m，第二次在滯后巷道50～100 m進行，噴漿厚度50～70 mm，其余支護材料如下所示。

1）錨桿。選擇Φ22 mm×2400 mm高強樹脂錨桿，間排距700 mm×700 mm，托盤尺寸：200 mm×200 mm×10 mm，MSK2335和MSZ2335藥卷各1支。

2）錨索。選擇Φ18.9 mm×7300 mm鋼絞線（頂），Φ18.9 mm×5300 mm鋼絞線（幫），間排距1700mm×1400 mm（頂），1300 mm×1400 mm（幫），托盤尺寸：250 mm×250 mm×20 mm，3卷 MSK2335和 2卷MSZ2335藥卷。

3）鋼筋網和鋼帶。選擇Φ6.5 mm鋼筋，網格70 mm×70 mm，網片尺寸1000 mm×2000 mm。3.5 m長M5鋼帶。

巷道斷面支護如圖6所示，注漿支護如圖7所示。

圖6 巷道支護斷面示意圖（mm）

圖7 注漿支護斷面示意圖（mm）

4 工業(yè)性試驗

采用節(jié)3.2圍巖控制方案對鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽試驗段200 m進行支護，對巷道頂底板及兩幫移近量進行數據監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖8所示。

圖8 巷道表面圍巖位移監(jiān)測數據

從圖8可以看出，采用“錨網索+噴漿+注漿”支護方式后，在前20 d內圍巖變形較大，此期間內，頂板最大下沉速率為3.3 mm/d，底鼓最大速率為5.8 mm/d，兩幫最大變形速率為3.4 mm/d，20 d之后圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖最終變形量為：兩幫移近量＞底鼓量＞頂板下沉量，數值分別為56.1 mm、48.2 mm、40.2 mm。

5 結語

本文以鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽為研究背景，通過理論計算和數值模擬方法分析了軟巖巷道圍巖損傷過程和圍巖變形規(guī)律?；诖?，提出軟巖巷道圍巖控制技術，并進行了工業(yè)性試驗，試驗結果表明：采用“錨網索+噴漿+注漿”支護方式后，軟巖巷道圍巖得到有效控制，試驗巷道頂板、底板和兩幫最大變形量分別為56.1 mm、48.2 mm、40.2 mm。