軟碎回采巷道圍巖承載體系及控制技術(shù)探討

馮 寧

（長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

隨著我國煤炭資源淺層儲量日益減少，煤礦開采逐漸向深部延伸，巷道圍巖所受應(yīng)力也隨之增大。受深層高地應(yīng)力作用影響，軟弱破碎性圍巖巷道因圍巖自身強(qiáng)度低、膠結(jié)性差，在巷道開挖后，近斷面淺處圍巖率先出現(xiàn)變形破碎區(qū)，并向圍巖深處擴(kuò)展；若支護(hù)方式選擇不合理，容易造成巷道斷面控制困難。研究結(jié)果表明［1-2］，作為關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)的巷道圍巖承擔(dān)著來自深部巖體的絕大部分應(yīng)力，作為次級承載結(jié)構(gòu)的巷道內(nèi)支護(hù)系統(tǒng)僅控制淺部圍巖變形，但適應(yīng)性支護(hù)方式可有效保證圍巖穩(wěn)定。因此，分析軟碎性巷道圍巖變形特征及圍巖內(nèi)外支撐體系耦合方式，對于采用合理支護(hù)方式控制圍巖變形破壞十分重要。

1 工作面基本特征

受近SE-NW走向F7-17斷層影響，經(jīng)坊礦七采區(qū)采面規(guī)劃布置時(shí)，在3-701與3-702工作面之間預(yù)留近230 m保護(hù)煤柱。在3-701與3-702工作面回采完畢后，該處形成孤島煤柱工作面。為充分回收井田內(nèi)煤炭資源儲量，根據(jù)七采區(qū)地質(zhì)特征，在該煤柱區(qū)劃分出3-邊角06和3-邊角07兩個(gè)邊角工作面。其中，3-邊角07工作面位于北側(cè)鄰近3-邊角06工作面，南鄰近 3-701工作面，西北側(cè)至工作面保安煤柱線，東南側(cè)與七采區(qū)軌道、回風(fēng)巷相連通。工作面主采3#煤層，其頂?shù)装鍘r性特征見表1。工作面內(nèi)煤層賦存狀況穩(wěn)定，未見大型斷層與陷落柱等情況，水文地質(zhì)條件相對簡單。工作面位置見圖1。

從表1可知，3#煤層直接頂為9.8 m厚軟弱泥巖。3-邊角071順槽斷面5.2 m×3.1 m，沿煤層頂板掘進(jìn)。掘進(jìn)過程中，巷道斷面變形較大，尤其是局部區(qū)段受F7-17斷層構(gòu)造應(yīng)力影響，表現(xiàn)出巷道兩幫煤層松軟破碎，頂板產(chǎn)生較大變形，出現(xiàn)離層并形成較大網(wǎng)兜，嚴(yán)重影響巷道施工安全及工程進(jìn)度。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性特征

圖1 3-邊角701工作面位置

2 軟碎圍巖變形破壞特征

軟碎性巖體通常具有抗壓強(qiáng)度低、孔隙率大、膠結(jié)程度差、易受構(gòu)造切割及風(fēng)化剝蝕，且常含有大量黏土類礦質(zhì)。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會提供的以單軸抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)的量化定義，軟碎性巖體單軸抗壓強(qiáng)度通常在0.5～25 MPa，其工程力學(xué)特性主要由構(gòu)成巖體的礦物組成成分及結(jié)構(gòu)面性質(zhì)決定［3-4］。

巷道的開挖擾動過程本質(zhì)是圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)的“破立”過程，具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是原巖應(yīng)力受工程擾動影響，發(fā)生應(yīng)力二次重分布，巷道斷面處部分圍巖因結(jié)構(gòu)不均勻出現(xiàn)應(yīng)力集中，而深部圍巖應(yīng)力不斷調(diào)整，并最終建立符合當(dāng)前擾動特征的應(yīng)力平衡狀態(tài)；二是局部原巖應(yīng)力受開挖影響，以能量態(tài)方式作用圍巖，使圍巖因應(yīng)力卸載發(fā)生瞬時(shí)回彈變形。從另一角度而言，巷道開挖實(shí)際是圍巖壓力由高圍壓轉(zhuǎn)化為低圍壓的過程。巖石通常表現(xiàn)為不同受力狀態(tài)下具有彈性、塑性和流變變形的特征，在三維高圍壓狀態(tài)下，通常表現(xiàn)為彈性狀態(tài)；而在二維卸荷條件下，則可能表現(xiàn)為塑性或假塑性特征。因此，軟碎性圍巖的變形特征主要由以下五種變形組合形成［3-4］：

（1）彈性變形。受巷道開挖擾動影響，淺部圍巖地應(yīng)力以能量態(tài)方式快速釋放，使圍巖受卸載作用出現(xiàn)瞬時(shí)回彈變形，包括瞬時(shí)彈性恢復(fù)和粘彈塑性恢復(fù)。

（2）偏差應(yīng)力作用下的損傷擴(kuò)容。巖石擴(kuò)容是指巖石破壞峰值前微裂隙產(chǎn)生、發(fā)展所產(chǎn)生的微裂隙體積膨脹。

（3）碎脹變形。碎脹變形是圍巖在經(jīng)歷屈服破壞后巖體沿結(jié)構(gòu)面或破裂區(qū)發(fā)生的錯(cuò)位變形或滑移變形。受巷道開挖影響，由于局部應(yīng)力集中造成巷道斷面周圍形成一個(gè)松散破碎區(qū)，即松動圈。處于松動圈內(nèi)的圍巖由于應(yīng)力集中超過其屈服極限，巖石完整性遭到破壞，巖體在應(yīng)力變化過程中，會產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面或破裂面的錯(cuò)動或滑移，從而造成巖石的碎脹擴(kuò)容變形。

（4）塑性區(qū)的塑性變形和流變變形。除前述彈性變形及瞬時(shí)擴(kuò)容外，巷道圍巖變形往往不是瞬時(shí)發(fā)生的，通常表現(xiàn)出明顯的時(shí)間效應(yīng)。

（5）吸脹變形。巷道開挖造成圍巖環(huán)境發(fā)生變化，使暴露在空氣和水中的圍巖，在吸收水分后，發(fā)生吸脹變形。這種變形的膨脹程度主要取決于巖石的理化性質(zhì)。

3 巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)分析

圖2中，巷道開挖后，原巖應(yīng)力受擾動影響，其平衡狀態(tài)被破壞，圍巖應(yīng)力重新分布并逐漸建立適應(yīng)工程特征的新應(yīng)力平衡狀態(tài)。通常，因二次重分布應(yīng)力的分布特征，自巷道開挖范圍外逐漸形成松散破碎區(qū)、塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。當(dāng)巷道未進(jìn)行及時(shí)支護(hù)時(shí)，由于松散破碎區(qū)圍巖仍有一定的殘余強(qiáng)度，可以短時(shí)內(nèi)抵抗淺層碎脹變形，維持一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但由于這種抗變形破壞能力很弱，所以圍巖最終會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。當(dāng)對巷道采取合理支護(hù)方式時(shí)，由于外部支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載和約束作用，提高了破碎區(qū)圍巖強(qiáng)度，改善了淺層圍巖應(yīng)力狀況，從而為深部圍巖的穩(wěn)定提供條件。巷道內(nèi)支護(hù)、淺層圍巖及深部圍巖耦合作用，構(gòu)成了圍巖的自承體系［5-6］。

圖2 巷道圍巖自承體系［7］

圖3 巷道力學(xué)模型［7］

根據(jù)圖3中的巷道力學(xué)模型，當(dāng)巷道淺層圍巖殘余強(qiáng)度越大，圍巖自承體系中深支撐區(qū)和淺支撐區(qū)的范圍也越大，對應(yīng)圍巖抵抗變形的能力也就越強(qiáng)。而圍巖殘余強(qiáng)度越低，其抗變形能力越弱，圍巖變形破壞區(qū)域越大，則需要更強(qiáng)的承載體系維持巷道圍巖穩(wěn)定。由于巷道內(nèi)支護(hù)體系對淺層圍巖的約束控制作用，可以改善圍巖弱面的力學(xué)性能，提高圍巖殘余強(qiáng)度，從而使巷道圍巖整體強(qiáng)度得到提升。當(dāng)巷道采用的支護(hù)強(qiáng)度較大時(shí)，外承載體系支護(hù)阻力越大，內(nèi)承載體系范圍越小，能夠更利于控制巷道圍巖變形。因此，控制巷道圍巖變形最終歸結(jié)于支護(hù)方式及支護(hù)強(qiáng)度的選擇。

4 圍巖控制技術(shù)及變形觀測分析

4.1 3-邊角071順槽支護(hù)方式

3-邊角071順槽掘進(jìn)期間，根據(jù)類比法，巷道頂板采用錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)（即錨桿、經(jīng)緯金屬網(wǎng)、鋼梁、錨索），兩幫使用錨網(wǎng)梁支護(hù)形式。錨索為規(guī)格Φ22 mm×9000 mm的19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排2根，間排距為2400 mm×1600 mm。頂、幫錨桿均采用Φ22 mm×2400 mm左旋螺紋鋼錨桿，頂板錨桿間排距為800 mm×800 mm，兩幫錨桿間排距850 mm×800 mm。規(guī)定頂錨桿錨固力不小于150 kN，幫錨桿不小于100 kN；頂錨桿螺母扭力矩不低于320 N·m，幫錨桿不低于320 N·m，其具體支護(hù)方式見圖4。

圖4 3-邊角071順槽支護(hù)方式

4.2 斷層影響地段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

由于3-邊角071順槽在掘進(jìn)至950 m地段后開始受F7-17斷層影響變形嚴(yán)重，部分頂板形成網(wǎng)兜。為保證該段巷道使用安全，對此段巷道離層部分進(jìn)行放頂，放掉頂部碎煤后重新進(jìn)行錨桿+錨索+鋼筋梁+金屬網(wǎng)支護(hù)。重新支護(hù)完畢后進(jìn)行架設(shè)π型梁配合單體柱進(jìn)行加固，并采取補(bǔ)打點(diǎn)柱方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。π形梁配合單體柱支護(hù)方式見圖5。頂部π型梁長度為4800 mm，配合3根單體柱。加強(qiáng)支護(hù)采用補(bǔ)打點(diǎn)柱的形式，點(diǎn)柱采用直徑不小于160 mm的圓木，頂部墊300 mm×500 mm×100 mm的木質(zhì)墊板一塊。如遇底板破碎，必須“穿鞋”，柱鞋規(guī)格為300 mm×300 mm×100 mm。

圖5 π形梁配合單體柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

4.3 圍巖變形觀測

采用“十”字交叉法對巷道表面位移進(jìn)行觀測。3-邊角071順槽前期受施工擾動影響巷道位移較大，設(shè)置為每天觀測一次，后期巷道逐漸穩(wěn)定，改為每旬觀測一次，觀測結(jié)果記錄成表，圍巖變形量見圖6。

圖6 巷道圍巖變形觀測結(jié)果

從圖6可以看出，巷道圍巖經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，斷面收斂變形表現(xiàn)出前快后緩的趨勢，頂?shù)装宄跗谝平俣燃s為15 mm/d，兩幫移近速度約為12.4 mm/d，隨著巷道動載擾動逐漸遠(yuǎn)離，巷道變形速度變小，最終趨于0。巷道觀測后期，斷面基本穩(wěn)定，兩幫移近量約為155 mm，頂?shù)滓平考s為201 mm。巷道整體觀感明顯提升。

5 結(jié)語

本文以經(jīng)坊礦3-邊角071順槽掘進(jìn)為工程背景，針對巷道頂板為較厚軟碎性泥巖，且施工受F7-17斷層影響，成巷后圍巖變形較大現(xiàn)象，通過對軟碎圍巖變形特征和巷道圍巖承載體系構(gòu)建進(jìn)行分析研究，得出軟碎性圍巖的變形特征主要由彈性變形、損傷擴(kuò)容變形、碎脹變形、塑性區(qū)的塑性變形和流變變形及吸脹變形等五種變形組合形成；圍巖的自承體系由巷道內(nèi)支護(hù)、淺層圍巖及深部圍巖耦合形成。同時(shí)提出在原支護(hù)方式的基礎(chǔ)上，采用π形梁配合單體柱加固，并補(bǔ)打點(diǎn)柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)來保證巷道斷面的穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場觀測得出巷道圍巖位移量的變形趨勢為前期變形快，后期逐漸趨于平緩，最終圍巖變形量滿足巷道斷面的實(shí)際要求，從而為軟碎巷道施工提供參考依據(jù)。