30100運輸順槽變形破壞機理及圍巖控制探析

劉 浩

(山西晉煤集團金明礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

1 工程概況

晉煤集團金明礦業(yè)公司30100運輸順槽用于3#煤層30100工作面運輸、進風(fēng)及行人。30100工作面布置于集中輔運大巷南側(cè)，巷道埋深在750 m～762 m，巷道沿頂板掘進。3#煤層位于山西組中下部，穩(wěn)定可采,煤層平均厚度4.85 m(最大5.8 m、最小3.9 m),煤層平均傾角4°(最大8°、最小0°)；黑色，似金屬光澤，以半亮型煤為主，少量為光亮型煤和半暗型煤，普氏硬度1～2。煤層頂板：砂質(zhì)泥巖、細砂巖、粉砂巖，易脫落離層。煤層底板：粉砂巖、泥巖。原順槽設(shè)計為楔形斷面，沿頂板留底煤掘進。

巷道采用錨網(wǎng)噴支護，原錨桿支護各項參數(shù),如表1所示。在原支護條件下，運輸順槽出現(xiàn)了較為嚴重的變形破壞，給順槽正常使用帶來了較大的威脅。

表1 巷道原錨桿支護參數(shù)

2 30100運輸順槽變形破壞特征

首先，頂板圍巖出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞。從現(xiàn)場勘查情況來看，頂板下沉量非常大，可達到500 mm～1 150 mm，且出現(xiàn)了較大離層，錨固范圍內(nèi)巖體和錨固區(qū)之外的巖體出現(xiàn)了較為明顯的滑動、離層問題，在巷道掘進時，巷道頂板變形較大，出現(xiàn)較大面積的冒漏問題。變形情況如第137頁圖1a)所示。

其次，巷道兩幫收斂明顯。從現(xiàn)場勘查情況來看，幫部煤巖體出現(xiàn)了明顯擴容，“破網(wǎng)”“網(wǎng)兜”情況較多，幫部突出量可達到500 mm～900 mm，特別是在壓力較大的區(qū)域，潰幫、片幫的情況非常嚴重。如第137頁圖1b)所示。在巷道的兩底角、兩頂角位置出現(xiàn)的破壞明顯，形成了較多的“倒梯形”“V形”。同時，在現(xiàn)場勘查中發(fā)現(xiàn)，很多錨桿整體移出，這表明，錨桿已經(jīng)破斷，支護效果下降明顯。

第三，巷道底鼓量大。從現(xiàn)場勘查情況來看，底鼓量占到頂?shù)装逡平康?/3，如第137頁圖1c)所示。在底鼓量較為嚴重的位置，底板上鋪設(shè)的混凝土出現(xiàn)開裂，支柱、膠帶等出現(xiàn)嚴重傾斜，導(dǎo)致巷道完全失去功能。

3 頂板巖性探測和兩幫松動圈測試

為更為深入的掌握30100運輸順槽變形破壞的原因，選擇使用頂板巖性探測和兩幫松動圈測試的方式，對順槽出現(xiàn)的變形情況進行探測。

1) 頂板巖性探測。在頂板位置設(shè)計多個鉆孔采用鉆孔探測記錄儀對順槽頂板進行巖性探測，得到不同深度下鉆孔窺探結(jié)果，如第137頁圖2所示。通過圖2可知，在小于0.8 m的范圍內(nèi)，順槽頂板巖層有著明顯的裂隙發(fā)育，圍巖整體的破碎較為嚴重。在0.8 m～6.3 m和6.5 m～9.5 m的范圍內(nèi)，順槽頂板節(jié)理裂隙相對偏少，圍巖完整性也相對較好。

圖1 30100運輸順槽圍巖變形破壞圖

圖2 不同深度鉆孔窺探圖

2) 選擇使用BA-2型圍巖松動圈測試儀對順槽兩幫開展了松動圈測試，分2組，每組4個，在巷道兩幫中間偏上與偏下位置，各對稱布置2個測點，每個斷面4個測點，共設(shè)置8個測點，探測深度設(shè)計為5 m，圖3為位測點布置示意圖，表2為松動圈探測結(jié)果。

圖3 測點布置示意圖

根據(jù)表2可知，巷道兩幫范圍內(nèi)形成較大的松動圈，特別是與距離掘進頭50 m相比，距離100 m的位置，松動圈的范圍更大，這表明巷道圍巖長時間處于流變狀態(tài)，同時，順槽兩幫上部出現(xiàn)的松動圈的范圍超過了下部松動圈的范圍。

表2 30100運輸順槽松動圈范圍探測結(jié)果 單位：m

4 30100運輸順槽變形破壞機理

1) 圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，整體承載能力偏低。順槽所處位置煤層煤質(zhì)相對偏軟，在頂板巖層中有著較多的節(jié)理裂隙，承載性能較差。在順槽開外之后，集中壓力影響明顯，導(dǎo)致裂隙進一步延展，圍巖強度下降更為明顯，巷道圍巖變形增加。

2) 地質(zhì)構(gòu)造影響明顯。由于受到局部地質(zhì)構(gòu)造影響，巷道兩幫與頂板剪應(yīng)力作用明顯，導(dǎo)致巖體內(nèi)本已經(jīng)節(jié)理裂隙較多，在外部地質(zhì)構(gòu)造作用下，巖體裂隙進一步擴張，順槽在支護時，也存在支護不及時的問題，頂板圍巖出現(xiàn)局部冒落，形成了較多的“網(wǎng)兜”，頂板平整性較差。

3) 水理作用明顯。因為受到開采擾動影響，淺部裂隙逐步向深部圍巖擴展，上部含水層被導(dǎo)通，導(dǎo)致兩幫上部與頂板出現(xiàn)了局部淋水問題，圍巖承載能力弱化明顯，圍巖變形進一步擴大。

4) 巷道圍巖和支護體之間不耦合問題突出。在原有支護設(shè)計下，圍巖表層出現(xiàn)了較大的移近量，原有的錨網(wǎng)噴支護結(jié)構(gòu)與圍巖強度嚴重不耦合，整體支護強度偏低，巷道圍巖出現(xiàn)的過量變形不能得到錨網(wǎng)噴支護體的有效控制，導(dǎo)致圍巖進入到進一步損傷的狀態(tài)，參與強度下降明顯。

5 30100運輸順槽返修支護設(shè)計

充分考慮30100運輸順槽出現(xiàn)的支護控制困難、圍巖變形量較大等問題，根據(jù)松動圈測試與巖性探測的結(jié)果，堅持深部巷道支護“適度讓壓”與“強化支護”相結(jié)合的耦合支護理念，本次返修支護設(shè)計采用了“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+W鋼帶+槽鋼”復(fù)合支護方案[4]。

首先，錨桿支護可將淺部圍巖承載能力較好提升，錨索支護不僅可有效提升圍巖承載能力，同時也能夠調(diào)動深部穩(wěn)定圍巖對淺部圍巖的限制作用，實現(xiàn)支護體和圍巖之間的強度耦合。

根據(jù)巖性測試結(jié)果，頂板完整性相對較好的巖層已經(jīng)超過了6 m，因此，為了將深部穩(wěn)定圍巖的支護作用較好發(fā)揮出來，本次設(shè)計錨索長度為7.5 m。同時，根據(jù)兩幫圍巖松動圈的測試，局部松動圈的范圍達到了2.7 m，平均超過了2.3 m，原有支護選擇的錨桿長度為2.2 m，因此，為了更好將錨桿的錨固性能發(fā)揮出來，本次返修設(shè)計采用2.4 m的錨桿，同時，增加錨桿的支護密度，間排距為800 mm×800 mm。為了增強錨桿、錨索的延伸率，在錨桿、錨索支護過程中，選擇使用了讓壓環(huán)，錨索托盤設(shè)計采用了木托盤。

其次，對頂板與兩幫的錨桿均選擇使用W鋼帶，并對頂板的錨索選擇使用槽鋼進行連接，在巷道頂板與兩幫形成組合梁整體結(jié)構(gòu)，降低錨索、錨桿出現(xiàn)破斷的概率，形成圍巖和支護體之間的剛度耦合。

第三，端部托盤。在錨索托盤內(nèi)部使用木托盤的基礎(chǔ)上，外部增加鐵托盤，形成復(fù)合托盤結(jié)構(gòu)，預(yù)留出一定的柔性變形空間，對于圍巖變形能較好吸收，防止圍巖表面應(yīng)力集中而給整個巷道壁帶來破壞。

第四，網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。原支護條件下頂板、兩幫出現(xiàn)了較多“網(wǎng)兜”的情況，分析原因為原支護條件下網(wǎng)片剛度相對較低。因此，將原支護中使用的棱形鐵絲網(wǎng)優(yōu)化為高強度鋼筋網(wǎng)，增強網(wǎng)片結(jié)構(gòu)和錨桿、錨索之間的組合能力，更好提升支護剛度。返修支護示意圖，如圖4所示。

圖4 巷道返修支護示意圖

6 巷道返修支護情況

30100運輸順槽在返修完成后，選擇使用“十字交叉法”對順槽變形情況進行了監(jiān)測，得到巷道位移曲線，如圖5所示。從圖5可知，巷道圍巖整體穩(wěn)定性得到較好控制，圍巖變形量相對于返修之前下降明顯，達到了巷道返修支護要求。

圖5 巷道返修位移曲線

7 結(jié)語

1) 深部巷道在“三高一擾動”的影響下，表現(xiàn)出相對于淺部巷道不同的力學(xué)響應(yīng)機制，在深部巷道支護過程中，需充分結(jié)合深部巷道所處地質(zhì)條件，對支護設(shè)計方案進行優(yōu)化。

2) 從本次深部巷道變形破壞返修情況來看，通過選擇使用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+W鋼帶+槽鋼”返修支護方案，實現(xiàn)了支護體與支護圍巖的剛度耦合、強度耦合，在深部巷道支護中，應(yīng)當(dāng)注重支護體與圍巖之間的剛度與強度耦合，更好提升支護效果。