單側(cè)受采動影響的軟巖巷道破壞規(guī)律及支護對策

王德發(fā)，楊永剛，郭 強

(1.內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001)

實踐證明，巷道開挖后無支護時，在一定狀態(tài)下是可以自穩(wěn)的[1-3]，但巷道受采動應(yīng)力影響后，打破了圍巖穩(wěn)定的應(yīng)力分布狀態(tài)，若圍巖松軟破碎，巷道變形更加難以控制。尤其受單側(cè)采動影響后，巷道兩幫應(yīng)力分布不均勻，頂板非對稱下沉，巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的非勻稱變形特征，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和維護。

針對動壓軟巖巷道支護，國內(nèi)外開展了大量研究，王其洲等研究了非均稱變形巷道圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)，提出了非均稱變形巷道高強度分區(qū)錨網(wǎng)索支護技術(shù)[4-5]；張向東等確定了復(fù)合型變形力學(xué)機制，提出采用錨網(wǎng)索帶注耦合支護方案[6]；朱術(shù)云等建立了煤層底板應(yīng)力模型，得到煤層底板應(yīng)力分布[7-8]；賈后省等采用巷道蝶形塑性區(qū)理論，揭示了采動巷道應(yīng)力場與冒頂?shù)膬?nèi)在聯(lián)系[9-10]；李家卓等研究了煤層群開采條件下的軌道巷多次擾動失穩(wěn)機理[11-12]；陳上元等針對非對稱大變形問題，提出了“錨網(wǎng)索噴+底角錨桿+全斷面注漿+反底拱”非對稱耦合控制對策[13]；李國盛等提出了“錨桿錨索+淺深注漿”巷道圍巖聯(lián)合強化支護技術(shù)[14-15]。對于大斷面動壓軟巖巷道，多采用拱形斷面，U型鋼支架或錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護方式[16-17]。

韓城象山南一石門巷道圍巖松軟破碎，采動影響后變形嚴(yán)重，每年需擴修2～3次，巷道擴修率達到90%以上，嚴(yán)重影響礦井運輸和安全生產(chǎn)，開展南一石門巷道加固技術(shù)研究對安全高效開采具有重要意義。本文以該石門單側(cè)受動壓影響軟巖巷道階段為研究對象，通過力學(xué)參數(shù)測定、XRD-衍射分析、數(shù)值計算和物理模擬，揭示單側(cè)受采動影響的軟巖巷道圍巖變形特征，提出合理的支護對策。

1 工程地質(zhì)概況

象山礦井3號和5-1號煤層厚度分別為1.6 m和2.55 m。南一軌道石門為穿層巷道，巖層傾角小于7°，蓋山厚度496.8～662.3 m。巷道圍巖主要為鋁土泥巖、7號煤和泥質(zhì)粉砂巖。巷道頂部20 m左右為3號煤層采空區(qū)，南部與21507工作面留有50 m煤柱，如圖1所示。3號煤層21306工作面停采線與南一石門巷道水平距離90 m，垂直距離33 m，5號煤層與南一石門巷道豎直距離為12 m。

圖1 南一石門與3號、5號煤層位置關(guān)系

南一石門巷道斷面為直墻拱形，掘進斷面寬度4 800 mm，高度3 100 mm(墻高1 200 mm，拱高1 900 mm)。南一石門口向西145～306 m范圍，采用29號U型鋼支護，排距800 mm。通過81 d實測，巷道頂?shù)滓平?00～1 000 mm，兩幫移近量1 500～2 200 mm，變形速度為3～4 mm/d。石門向西145～241 m段底鼓嚴(yán)重，支架梁腿搭接處折斷，頂梁被壓平，頂?shù)滓平?00～700 mm；向西241～306 m范圍，底鼓嚴(yán)重，支架頂梁變形，巷道單幫頂?shù)滓平窟_100～120 cm，出現(xiàn)顯著的非勻稱變形，如圖2所示。

圖2 南一石門巷道圍巖變形特征(mm)

2 巷道圍巖性質(zhì)測定

分別在南一石門向西80 m、100 m、180 m、220 m、260 m和300 m處取巖樣6組，對巖樣進行力學(xué)參數(shù)測定和XRD-衍射礦物成分分析，表1為實驗結(jié)果。XRD-衍射結(jié)果表明巷道圍巖蒙脫石含量2%～4%，高嶺石含量12%～29%，伊利石含量3%～4%。圍巖質(zhì)軟易碎，具有流變和膨脹等軟巖特性。

表1 巷道圍巖性質(zhì)測定結(jié)果

物理力學(xué)實測表明，巷道圍巖以泥巖為主，強度低，遇水軟化，軟化系數(shù)達0.37～0.66。泥巖飽和單軸抗壓強度為15.06～23.96 MPa，軟化系數(shù)為0.37～0.45；石英砂巖飽和單軸抗壓強度為64.16 MPa，軟化系數(shù)0.69；泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強度為10.91 MPa，軟化系數(shù)0.66。

根據(jù)圍巖性質(zhì)，須增加支護強度，控制巷道變形，同時噴漿封閉圍巖，防止圍巖吸水軟化和膨脹。

3 巷道圍巖變形破壞機理數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計算模型的建立

開挖巷道后，無支護時會出現(xiàn)兩種情況：①巷道圍巖變形到一定程度后即停止變形，并能長期穩(wěn)定；②巷道圍巖變形過程中伴隨著片幫和冒頂，當(dāng)垮落到一定程度時達到相對穩(wěn)定[1-3]。隨著工作面的不斷推進，打破了巷道原有的三向應(yīng)力平衡，工作面采動應(yīng)力與巷道圍巖應(yīng)力相互影響形成疊加應(yīng)力場。為了研究疊加應(yīng)力場在巷道不同服務(wù)階段的演化情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)場實際情況建立三維數(shù)值模型進行模擬計算。

根據(jù)象山礦南一石門軌道巷地質(zhì)條件和巷道與3號、5號煤層工作面的位置關(guān)系，建立了長×寬×高=400 m×200 m×180 m的三維數(shù)值模型。巷道斷面為半圓弧拱形，寬度4.8 m，墻高1.2 m，頂板弧高1.9 m。模型上部施加原巖應(yīng)力9.2 MPa，左右邊界x方向固定，前后邊界y方向固定，下邊界z方向固定。指定X坐標(biāo)軸正向為工作面推進方向，Y軸正向為巷道掘進方向，模型如圖3所示。

圖3 FLAC3D數(shù)值模型

3.2 巷道圍巖位移變化規(guī)律

工作面推進到距離石門90 m、70 m、50 m、30 m和10 m時，巷道頂板、兩幫和兩肩角處的位移如圖4所示。21306工作面開采結(jié)束后，巷道圍巖出現(xiàn)輕微非均稱變形，右?guī)臀灰普純蓭蛧鷰r表面相對位移量的60%.當(dāng)21507工作面距離巷道90 m時，巷道左幫向右傾斜，整體出現(xiàn)向右側(cè)傾倒趨勢。21507工作面距離巷道50 m之后，巷道左幫向右傾斜，右?guī)蛢?nèi)斂，幫腳處與底板相互擠壓，造成U型鋼底部壓彎，支護失效。巷道頂板與兩肩位移由淺部向深部不斷延伸，剛開始以徑向位移為主，之后切向位移逐漸增大，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)顯著非勻稱變形。

圖4 巷道圍巖位移矢量

圖5為巷道圍巖位移隨煤柱寬度變化規(guī)律。由圖5可知，隨著21507工作面距離石門間煤柱寬度的減小，圍巖逐漸出現(xiàn)顯著的非均稱變形收斂。巷道頂板位移量增加了82%，底鼓量增加21%，左幫位移量增加64%，右?guī)臀灰屏吭黾?0%，左肩位移量增加80%，右肩位移量增加77%.

圖5 巷道圍巖位移隨煤柱寬度變化規(guī)律

3.3 巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

隨著煤層開采，工作面前方超前支承壓力與巷道側(cè)方集中應(yīng)力疊加，形成不對稱應(yīng)力分布。如圖6所示，21306工作面超前支承壓力分布呈“蝶葉狀”，21507工作面開采后，兩個工作面超前支承壓力疊加，“蝶葉區(qū)”范圍增大，巷道兩幫圍巖應(yīng)力由20 MPa增加到25 MPa以上。當(dāng)21507工作面距離巷道50 m時，巷道左幫出現(xiàn)顯著集中應(yīng)力，峰值達到35～40 MPa，而右?guī)蛻?yīng)力集中范圍和峰值均小于左幫。其后，隨著工作面推進，巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律小幅度變化。

圖6 超前支承壓力變化云圖

21507工作面推進至距離巷道50 m時，巷道圍巖不同深度垂直應(yīng)力分布規(guī)律見圖7。左幫在距離巷道表面9 m處，垂直應(yīng)力峰值達到45 MPa；右?guī)驮谙嗤嚯x垂直應(yīng)力峰值達到30 MPa；巷道兩幫垂直應(yīng)力存在明顯非對稱分布規(guī)律，導(dǎo)致巷道圍巖呈現(xiàn)出顯著的非勻稱變形特征。

圖7 巷道圍巖不同深度應(yīng)力分布規(guī)律

3.4 巷道圍巖塑性區(qū)特征

如圖8所示，當(dāng)21507工作面與石門距離為50 m時，巷道左側(cè)幫部與頂板塑性區(qū)較大，右側(cè)幫腳不斷出現(xiàn)強烈剪脹變形且嚴(yán)重內(nèi)斂，造成巷道頂板整體向右側(cè)錯動，巷道變形主要以兩幫不對稱變形、頂板非勻稱下沉為主。

圖8 巷道圍巖塑性區(qū)分布

巷道開挖后，圍巖破壞區(qū)域分為底板集中破壞區(qū)、松動區(qū)和極限平衡區(qū)，3個區(qū)域如圖8所示。根據(jù)“極限自穩(wěn)平衡圈”理論[1-3]，對巷道圍巖塑性區(qū)進行分析，得出巷道頂板破壞深度3.1 m，左肩破壞深度3.3 m，右肩破壞深度3.0 m，左幫破壞深度2.2 m，右?guī)推茐纳疃?.0 m，兩幫腳破壞深度1.7 m，底板破壞深度1.25 m。據(jù)此提出南一石門巷道錨網(wǎng)索支護參數(shù)。

4 非對稱變形巷道圍巖支護方案

4.1 巷道U型鋼支護方式改進

鑒于巷道頂?shù)缀蛢蓭鸵平看?，底鼓?yán)重，巷道斷面應(yīng)當(dāng)預(yù)留一定的變形量。為此，設(shè)計巷道寬度由原4 800 mm提高到5 000 mm，適應(yīng)兩幫變形。巷道斷面選擇為直墻圓弧拱形，直墻高1 600 mm，頂拱高1 400 mm，提高頂板穩(wěn)定性并適應(yīng)頂板下沉變形。底板設(shè)600 mm反拱，提高巷道底板穩(wěn)定性，抑制底鼓，如圖9所示。

圖9 (36號U型鋼)支護斷面設(shè)計(mm)

對原有支U型鋼支護進行改進，逐架拆除原29號U型鋼，重新架設(shè)36號U型鋼，棚距600 mm，棚梁搭接450 mm，巷道全斷面噴漿，噴漿厚度1 000 mm。

4.2 巷道注漿+錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護

對巷道全斷面采用注漿+錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護。巷道支護流程：噴漿封閉—注漿—漿液凝固后擴修—錨網(wǎng)索支護—再次噴漿封閉—局部錨注補修。

1) 注漿支護工藝及參數(shù)。巷道多次復(fù)修后圍巖破碎更為嚴(yán)重，需首先噴漿封閉圍巖，然后對頂板與兩幫破碎區(qū)域注漿，注漿深度3 000 mm；漿液凝固后(約40 d)進行錨網(wǎng)支護，并噴漿封閉，噴層厚度50 mm；當(dāng)巷道使用一段時間后，圍巖產(chǎn)生開裂時，對開裂區(qū)域進行局部注漿錨桿補修，如圖10所示。

圖10 巷道圍巖注漿示意(mm)

2) 錨網(wǎng)索支護參數(shù)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定巷道圍巖的錨網(wǎng)索支護參數(shù)為：巷道頂板錨桿長度2 400 mm，間排距600 mm，兩幫錨桿長度2 400 mm，排距600 mm；頂板錨索長度6 000 mm，間距1 000 mm，排距1 200 mm，兩幫錨索長度4 000 mm，排距1 200 mm；底板注漿錨桿長度1 500 mm，間距800 mm，排距600 mm。錨桿預(yù)緊力不低于30 kN，錨索預(yù)緊力不低于80 kN。巷道全斷面采用金屬網(wǎng)噴漿封閉，采用8號鐵絲菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)目70 mm。

4.3 支護效果驗證

通過物理相似模擬實驗，對支護方案進行驗證(圖11)，采用上述支護方案，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。巷道兩幫塑性區(qū)深度減少85%以上，最大為0.8 m；頂板塑性區(qū)深度減少72%，最大為0.5 m；巷道周圍塑性區(qū)明顯減小，有效改善了頂板和兩幫非勻稱變形。

圖11 采動影響下的優(yōu)化方案支護效果

5 結(jié) 語

1) 南一石門巷道圍巖含有蒙脫石、高嶺石和伊利石，具有吸水軟化性和膨脹性。巷道圍巖以泥巖為主，強度低，遇水軟化，軟化系數(shù)達0.37～0.66。在巷道支護中，需噴漿封閉圍巖，防止圍巖遇水膨脹。

2) 受側(cè)方工作面超前支承壓力影響，巷道圍巖呈現(xiàn)顯著的非對稱變形。工作面推進距離巷道50 m內(nèi)，巷道圍巖位移量顯著增大，變形主要以兩幫不對稱位移和頂板非對稱下沉為主，臨近工作面?zhèn)葞蛻?yīng)力集中范圍和峰值均較大。

3) 根據(jù)巷道圍巖非均稱變形特征，對巷道圍巖進行注漿加固，提高圍巖的整體性和承載能力，合理的巷道斷面為直墻半圓拱帶底板反拱，確定了U型鋼-注漿-錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護方案。