巷道圍巖“卸壓—支護”控制技術(shù)在巷道二次支護中的探索

楊 衛(wèi)

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

在綜采工作面開采過程中，煤層巷道的頂?shù)装鍘r性較差，圍巖強度較低，導致工作面的頂?shù)装寰鶗霈F(xiàn)較大形變，甚至使得巷道無法發(fā)揮其本身作用。為了使巷道能夠滿足礦井生產(chǎn)要求，必須對巷道進行二次加固[1-6]，使巷道恢復設計狀態(tài)。

1 概況

馬蘭礦南五皮帶下山沿8 號煤層底板進行掘進，矩形巷道高度為3.2 m，寬度為4.8 m，在掘進過程中采用錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護，并在錨噴前進行加固處理。但是，由于受到工作面的采動影響，巷道出現(xiàn)較大變形，巷道頂?shù)装寮皟蓭推茐膰乐亍５V方對巷道進行了很多次的巷修，產(chǎn)生了巨大的維修費用，安全受到威脅。

2 巷道二次支護必要性分析與支護時機分析

（1）必要性

對于深部巷道，一次支護一般很難控制圍巖大變形。卸壓鉆孔增加了圍巖結(jié)構(gòu)破壞程度，巷道后期流變變形大于普通巷道。

（2）二次支護時機確定

通過研究，巷道在支護完成之后，會有大幅度的變形變化，當支護一段時間后，會逐漸趨于平緩。如圖1（a）所示，巷道的兩幫、頂?shù)装宓氖諗克俾试谥ёo40 d 后會出現(xiàn)一個波谷，達到最低值，但是此后又會出現(xiàn)大范圍變形。此時需要進行巷道的二次支護，以此保證巷道的完整性。從圖1（b）看出，二次支護后，巷道變形逐漸趨于穩(wěn)定，巷道不會出現(xiàn)大范圍的變形垮塌。因此，二次支護時機為巷道初次支護40 d 左右，當出現(xiàn)大范圍巷道變形后，即可進行巷道的二次支護，使得圍巖應力調(diào)整基本趨于穩(wěn)定。

圖1 巷道二次支護變形收斂圖

3 巷道二次支護技術(shù)現(xiàn)場試驗

3.1 二次支護試驗方案

本次試驗巷道選在南五皮帶下山，試驗巷道長度約30 m，施工在巷道頂板，排距1 m，觀測頂?shù)装逡平?、兩幫移近量、錨索受力大小及頂板狀況。錨索受力大小用礦用壓力表測量，以便掌握錨索承載及變形性能，優(yōu)化錨索支護參數(shù)，錨索間距為900 mm，最大承載能力約200 t。在每個錨索安裝一個壓力表，觀測頂?shù)装逡平俊蓭鸵平?、錨索受力及變形。

3.2 觀測方法

在巷道壓力變化不是很明顯時，可以7 d 觀測一次，若巷道壓力較大，且變化頻率較快，必須每天對巷道變形進行觀測。

3.3 觀測結(jié)果分析

通過兩個月的實際觀測，總結(jié)出以下幾個圍巖變形的特征和巷道支護技術(shù)特點：錨索受力普遍不均勻；錨索變形微弱（根據(jù)錨索力學性質(zhì)試驗曲線計算，錨索受力200 t 時變形量約為19 mm）；錨索支護條件下底鼓現(xiàn)象不明顯。

通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的總結(jié)與分析，結(jié)合巷道圍巖裂隙演化規(guī)律，對巷道支護的相關(guān)參數(shù)的總結(jié)，得出以下四個結(jié)論：

（1）受兩側(cè)工作面的采動影響，巷道圍巖的變形破壞呈現(xiàn)出一種較為復雜而又多變的規(guī)律和過程；

（2）巷道發(fā)生底鼓，主要是由于工作面在開采過程中產(chǎn)生的水平應力與留設煤柱產(chǎn)生的支撐壓力兩者共同作用的結(jié)果，特別是在巷道交叉口區(qū)域；

（3）巷道支護形式所產(chǎn)生的支護效果好壞取決于對巷道圍巖的控制作用；

（4）目前南五下山皮帶巷所用的“錨網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護方式對大部分巷道是有用的，也是可行的，但是對于一些特殊區(qū)域應該對巷道支護的參數(shù)進行優(yōu)化。

4 巷道圍巖“卸壓—支護”控制技術(shù)

4.1 圍巖巷道一次讓壓支護技術(shù)

（1）卸壓鉆孔對一次支護結(jié)構(gòu)受力的作用

錨桿（索）普遍處于張拉狀態(tài)，卸壓鉆孔的開挖導致肩角錨桿（索）受力顯著增加，卸壓部位錨桿（索）受力有所減小，如圖2。

圖2 卸壓鉆孔對一次支護結(jié)構(gòu)受力的作用

（2）高強讓壓錨桿（索）作用機制

高強讓壓錨桿（索）使支護結(jié)構(gòu)在恒定高阻下變形，釋放部分變形能，減小卸壓鉆孔產(chǎn)生的附加力，從而有效減少錨桿（索）桿體破斷率，保持支護結(jié)構(gòu)的完整性。

（3）讓壓距離模擬

為了驗證高強讓壓錨桿（索）對巷道圍巖具有有效控制作用，采用FLAC 模擬軟件對其進行了數(shù)值模擬，采取的模擬方案為巷道圍巖的變形量（讓壓距離）從0 mm 模擬至100 mm，間隔10 mm。首先對巷道表面施加1 MPa 反力，假設在讓壓有效距離內(nèi)支護阻力不衰減，超過讓壓距離后逐漸衰減至0.5 MPa。觀測巷道圍巖的頂板、底板以及兩幫中隨著讓壓距離的增加，巷道圍巖的變形量的變化情況，得出如圖3 所示的結(jié)果。

通過數(shù)值模擬，從圖3 可以明顯看出，高阻讓壓距離與巷道圍巖的變形量呈現(xiàn)反比例關(guān)系。巷道變形隨讓壓距離增加呈線性關(guān)系衰減，說明了長期保持支護阻力對巷道維護非常有利。

圖3 巷道圍巖變形量與高阻讓壓距離之間的關(guān)系

4.2 深部鉆孔卸壓巷道二次錨注支護技術(shù)

注漿加固機理：提高裂隙圍巖力學參數(shù)，增大破碎巖塊相對位移阻力；膠結(jié)形成整體結(jié)構(gòu)，為二次錨桿支護創(chuàng)造有利條件；封閉裂隙，減少水氣侵蝕。張農(nóng)等研究了高水材料固結(jié)體力學性能，得出固結(jié)效果影響因素：巖性＞水灰比＞注漿壓力。

如圖4 所示，錨固深度應≥3.5 m，巷幫短錨索加固技術(shù)增加了錨固深度，緩解了卸壓部位錨桿受力，使錨桿受力趨于均勻。錨桿預應力一般取桿體屈服載荷的30%～50%，錨索預應力取拉斷載荷的40%～70%。

圖4 有、無巷幫錨索支護時巷道圍巖的變形圖

4.3 確定圍巖“卸壓—支護”控制原則

根據(jù)以上分析，結(jié)合礦井現(xiàn)場實踐，得出了以下三個圍巖“卸壓-支護”控制的基本原則。

（1）原則1—深部巷道一次讓壓支護原則

釋放變形破壞能，減小錨桿（索）破斷率，保持支護結(jié)構(gòu)完整性。

（2）原則2—深部巷道鉆孔卸壓控制原則

轉(zhuǎn)移高應力，改善圍巖應力環(huán)境，為圍巖膨脹變形提供補償空間，減小巷道表面位移。

（3）原則3—深部鉆孔卸壓巷道二次錨注支護原則將圍巖流變速率控制在一定范圍內(nèi)，阻止其向加速流變發(fā)展，保持巷道長期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)巷道圍巖的變形特征，針對巷道二次變形，提出了相應的支護技術(shù)，并進行了現(xiàn)場試驗，得出了巷道圍巖結(jié)構(gòu)在兩側(cè)工作面采動影響下呈現(xiàn)出復雜的變化過程，并確定了最終的巷道支護技術(shù)—巷道圍巖“卸壓—支護”控制技術(shù)。該技術(shù)有效控制了巷道頂?shù)装?、兩幫的圍巖變形，使得巷道圍巖保持完整而不會變形影響礦井的安全生產(chǎn)。

（2）通過分析確定了巷道圍巖“卸壓—支護”控制技術(shù)的三原則：深部巷道一次讓壓支護原則、深部巷道鉆孔卸壓控制原則和深部鉆孔卸壓巷道二次錨注支護原則，為控制巷道圍巖的變形指明了具體方向。