松軟煤層高幫巷道巷幫控制技術(shù)

崔千里，范軍平,付書(shū)俊

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

松軟煤層高幫巷道的圍巖控制，一直以來(lái)都是巷道支護(hù)研究的重點(diǎn)。隨著開(kāi)采深度和廣度的增加，松軟煤層高幫巷道出現(xiàn)圍巖松軟破碎、變形劇烈等問(wèn)題，巷道施工和支護(hù)十分困難,尤其當(dāng)巷道受到臨近工作面或采空區(qū)動(dòng)壓影響時(shí)，圍巖控制將變得更加困難，會(huì)出現(xiàn)頂?shù)滓平?、兩幫收縮，甚至巷幫整體位移現(xiàn)象，誘發(fā)失穩(wěn)垮落事故[1-2]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，并取得許多成果。何滿潮等[3-4]指出巷道所有力會(huì)從一類平衡態(tài)轉(zhuǎn)化為另一類平衡態(tài)，并提出了最佳支護(hù)時(shí)段概念；王家臣等[5]通過(guò)分析極軟煤壁片幫與防治機(jī)理，提出緩解煤壁壓力和提高煤體抗剪強(qiáng)度的支護(hù)方法；單仁亮等[6-7]提出了煤巷強(qiáng)幫強(qiáng)角理論，進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用；孫立輝等[8]提出增加巷幫支護(hù)阻力和提高煤幫強(qiáng)度的巷幫加固方法；徐玉勝等[9]采用耦合讓壓支護(hù)技術(shù)確定了長(zhǎng)平礦大斷面沿空留巷支護(hù)方案。本文在分析松軟高幫巷道剪切變形、破壞的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的煤幫控制技術(shù)，并進(jìn)行井下試驗(yàn)，取得了顯著效果。

1 地質(zhì)條件

陽(yáng)泉上社煤礦15502進(jìn)風(fēng)巷，位于15#煤層，沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)斷面尺寸5.2 m×4.5 m，臨近15501回風(fēng)巷和15501回采面，煤柱凈尺寸12 m；巷道采用雙巷掘進(jìn)，后期受到15501工作面和本工作面的兩次采動(dòng)影響，為典型動(dòng)壓巷道，開(kāi)拓布置平面如圖1所示。巷道埋深約400 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試得知，最大水平地應(yīng)力14.9 MPa，最小水平主應(yīng)力8.9 MPa，垂直主應(yīng)力9.6 MPa，最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹EE。

15#煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層強(qiáng)度指數(shù)f為0.5～1.5，較為松軟破碎，完整性差；煤層厚度4.2～6.7 m，平均5.4 m。煤層偽頂為黑色砂質(zhì)頁(yè)巖，直接頂為砂巖，夾有灰?guī)r層，厚度約12.3 m；底板為黑色粉砂質(zhì)泥巖，夾有細(xì)砂巖薄層，平均厚度2.3 m，巖層情況見(jiàn)表1。

圖1 巷道布置平面圖

Fig.1 Floor plane of roadway layout

表1 15#煤頂?shù)装鍘r性

2 松軟高幫變形破壞機(jī)理

根據(jù)實(shí)地觀測(cè)，松軟煤層高幫巷道的主要變形特征是兩幫發(fā)生鼓包或片幫變形，甚至整個(gè)錨桿長(zhǎng)度范圍的整體位移，以及巷幫上部?jī)?nèi)錯(cuò)剪切、下部鼓起等，并向巷幫深部發(fā)展誘發(fā)巷道失穩(wěn)垮落。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，分析巷道煤幫產(chǎn)生破壞的可能影響因素包括巷幫高度(斷面尺寸)、煤體強(qiáng)度(圍巖性質(zhì))、應(yīng)力水平、應(yīng)力場(chǎng)類型、動(dòng)壓影響、瓦斯抽放、支護(hù)質(zhì)量等。

上社煤礦松軟煤層高幫巷道變形破壞的可能原因有三個(gè)。①巷道高度較大，達(dá)4.5 m之多；15#煤層松軟破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤層強(qiáng)度低，完整性較差，在受到動(dòng)壓影響時(shí)，巷幫鼓包和片幫變形明顯；加之原有支護(hù)較弱，支護(hù)剛度和強(qiáng)度都較低，護(hù)表面積及擴(kuò)散效果較差。②應(yīng)力場(chǎng)為σH>σV>σh型應(yīng)力場(chǎng)，以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的差值5.3 MPa，偏應(yīng)力明顯。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤幫的剪切破壞大大降低了兩幫煤體的承載能力，加之支護(hù)較弱從而降低其對(duì)頂?shù)装宓闹巫饔茫豁敯迨Х€(wěn)進(jìn)一步加劇了煤幫的的應(yīng)力負(fù)載，造成松軟高幫進(jìn)一步破壞，形成惡性循環(huán)。③15#煤層瓦斯含量高，數(shù)量眾多的抽放孔對(duì)巷幫圍巖完整性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，進(jìn)一步加劇巷幫煤體破碎。因此，巷幫有效支護(hù)是松軟煤層高幫巷道圍巖控制的關(guān)鍵。

3 松軟煤層高幫巷道巷幫控制技術(shù)

3.1 巷幫破壞與支護(hù)數(shù)值模擬

采用三維有限差分程序FLAC3D模擬分析巷幫破壞特征和不同支護(hù)方式的支護(hù)效果，不同支護(hù)方式主要包括巷幫錨桿支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)和全錨索支護(hù)。模擬中煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2；不同支護(hù)方式的模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2和圖3。

表2 煤巖體力學(xué)參數(shù)

模擬中頂幫錨桿參數(shù)，直徑20 mm，鋼號(hào)500#，長(zhǎng)度2.4 m，錨固長(zhǎng)度1.0 m，預(yù)緊力50 kN；錨索參數(shù)，直徑21.8 mm/17.8 mm，長(zhǎng)度6.2 m/4.2 m，錨固長(zhǎng)度1.8 m，預(yù)緊力250 kN/180 kN；錨桿錨索的托板采用剛性連接代替，錨固段黏結(jié)參數(shù)設(shè)為極大值。

巷道開(kāi)掘后，在原巖應(yīng)力和支護(hù)應(yīng)力共同作用下，松軟高幫主要是剪切破壞，并且在巷道四角處產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，如圖2所示。同時(shí)，不同支護(hù)方式剪應(yīng)力集中程度不同，松軟高幫采用錨桿支護(hù)，剪應(yīng)力集程度最高，全高錨索支護(hù)剪應(yīng)力集中程度最低，錨桿錨索組合支護(hù)介于中間。

相較于巷幫錨桿支護(hù)或錨桿錨索支護(hù)，采用全高錨索支護(hù)后，巷幫圍巖塑性區(qū)破壞范圍有所減小(約9%)，如圖3所示。

圖2 巷道圍巖剪應(yīng)力分布

Fig.2 Shear stress distribution of roadway surrounding rock

圖3 不同支護(hù)方式巷幫塑性區(qū)破壞范圍

Fig.3 Plastic failure area of different support pattern

3.2 全高注漿錨索支護(hù)

高瓦斯松軟煤層，節(jié)理、裂隙發(fā)育，孔隙眾多；加之受到瓦斯抽放影響，巷幫煤體完整性和強(qiáng)度均大大降低，單純采用錨桿錨索支護(hù)，效果不甚理想，甚至出現(xiàn)錨固力低下，錨桿錨索支護(hù)無(wú)法使用的情況。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)多采用注漿加固的方法解決，一方面，可以提高錨桿錨索錨固力；另一方面，可以提高煤巖體的完整性和承載能力。

本文根據(jù)上述模擬結(jié)論，結(jié)合錨索支護(hù)和注漿加固的作用特點(diǎn)，提出松軟高幫的全高注漿錨索支護(hù)，即采用高預(yù)應(yīng)力注漿錨索進(jìn)行巷幫全高支護(hù)。

松軟煤層高幫巷道巷幫全高注漿錨索支護(hù)，通過(guò)提高預(yù)緊力，降低頂幫不均衡影響，將構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的消極影響變?yōu)榉e極作用，提高圍巖穩(wěn)定性；通過(guò)發(fā)揮錨索預(yù)緊力高、擴(kuò)散效果好、護(hù)表面積大的優(yōu)勢(shì)，減小圍巖塑性破壞范圍和剪應(yīng)力集中程度，提高圍巖抗變形能力；采用全長(zhǎng)錨固注漿錨索，可對(duì)松軟巷幫淺部進(jìn)行注漿加固，提高錨索錨固力，增強(qiáng)巷幫煤體完整性和穩(wěn)定性，更好發(fā)揮高應(yīng)力錨索的支護(hù)作用。松軟高幫的穩(wěn)定，會(huì)將水平構(gòu)造應(yīng)力向頂?shù)装迳钐庌D(zhuǎn)移，有效降低頂板下沉、底板底鼓。在進(jìn)行巷幫全錨索支護(hù)時(shí)，須注意護(hù)表構(gòu)件的匹配和預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散，防止松軟煤體從托板四周鼓出卸掉錨索支護(hù)力。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述研究成果，確定如下支護(hù)方式：15502進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)寬5.2 m，一次掘進(jìn)高3.5 m，二次掘進(jìn)后斷面高4.5 m。

1) 頂板采用錨桿錨索組合支護(hù)，錨桿為20#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4 m，屈服強(qiáng)度500 MPa；預(yù)緊扭矩不低于400 N·m，間排距0.9 m×1.0 m，配套使用高強(qiáng)度拱形托板和W鋼帶；頂錨索為Ф21.8 mm、1×19結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，長(zhǎng)度6.2 m，間排距1.8 m×1.0 m，配套使用高強(qiáng)度拱形托板，預(yù)緊力不低于250 kN。

2) 巷幫采用全高注漿錨索支護(hù)，錨索為Ф17.8 mm、1×7結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，長(zhǎng)度4.2 m，間排距為0.9 m×1.0 m，配套使用高強(qiáng)度拱形托板、止?jié){塞，預(yù)緊力不低于180 kN；化學(xué)材料注漿，注漿終止壓力2～4 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

3) 使用經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)表，搭接長(zhǎng)度100 mm，雙邊孔孔相連。

4) 一次掘進(jìn)巷道斷面5.2 m×3.5 m，綜掘機(jī)割煤；二次掘進(jìn)，綜掘機(jī)掃底，皮帶機(jī)出煤運(yùn)輸，并進(jìn)行煤幫最下排注漿錨索支護(hù)施工，錨索距底板500 mm。巷道支護(hù)布置如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

Fig.4 Roadway support section

對(duì)巷道進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5和6。掘進(jìn)初期，巷道變形較小，后期受到臨近工作面采動(dòng)影響，頂幫顯著變形，頂板最大下沉量約130 mm，兩幫最大移近量約225 mm，總變形量在允許范圍內(nèi)。此外，頂錨桿很快達(dá)到穩(wěn)定值，當(dāng)受到相鄰工作面回采動(dòng)壓時(shí)，錨桿受力稍有變化，但變化不大；頂幫錨索在掘進(jìn)后很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定受力維持分別在200 kN、150 kN左右；隨后當(dāng)受到相鄰工作面動(dòng)壓影響時(shí)，頂幫錨索受力均顯著增加，頂錨索最大受力近320 kN，幫錨索最大受力約180 kN；最后維持在穩(wěn)定狀態(tài)。綜合礦壓監(jiān)測(cè)，巷道掘進(jìn)初期，巷道變形較小，錨桿錨索受力穩(wěn)定；當(dāng)受到相鄰工作面采動(dòng)影響后，圍巖變形和錨索受力均急速顯著增大，然后保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 表面位移

Fig.5 Surface displacement

圖6 錨桿錨索受力

Fig.6 Force of bolt and cable

5 結(jié) 論

1) 松軟煤層高幫巷道，煤幫主要是剪切破壞，且在巷道四角處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中。

2) 松軟煤層高幫巷道巷幫全錨索支護(hù)，可有效減小圍巖塑性區(qū)破壞范圍，降低圍巖剪應(yīng)力集中程度，改善圍巖受力狀態(tài)和支護(hù)效果。

3) 提出松軟高幫的全高注漿錨索支護(hù)，即高預(yù)應(yīng)力注漿錨索的巷幫全高支護(hù)，并進(jìn)行井下應(yīng)用試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)表明高預(yù)應(yīng)力注漿錨索能有效控制松軟高幫的大變形，保證巷道安全，試驗(yàn)效果良好。