多次采動影響下高應(yīng)力煤巷圍巖控制技術(shù)

齊紅霞，許志軍，楊舜超，葉 蘭

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116； 3.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029)

近年來隨著我國煤礦開采范圍和強度的不斷增大，復(fù)雜困難煤巷數(shù)量也相應(yīng)不斷增多，包括多次采動[1，2]、軟弱頂板[3，4]、特大斷面等[5]類型，直接影響礦井的采掘銜接和安全生產(chǎn)等，成為現(xiàn)場亟需解決的問題之一，本文主要針對多次采動應(yīng)力影響下煤巷圍巖穩(wěn)定性控制開展研究。圍繞采動煤巷圍巖控制方面，喬元棟等[6]針對小紀汗煤礦11215 回風巷在二次采動影響下全斷面劇烈收斂問題，提出差異化巷道圍巖支護技術(shù)，采用“長錨索、高預(yù)應(yīng)力錨索+鋼帶”聯(lián)合差異化控制；何滿潮等[7]提出采用恒阻大變形錨桿控制技術(shù)；Wang等[8]、劉國磊等[9]針對深部高應(yīng)力動壓巷道，提出采用方鋼(鋼管)混凝土支架進行支護；余偉健等[10]提出預(yù)應(yīng)力錨索、錨噴網(wǎng)和注漿綜合控制技術(shù)；何宗禮[11]等提出采用預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護技術(shù)；袁超[12]提出采用以可接長錨桿、剛性長螺紋鋼錨桿、錨網(wǎng)、W 鋼帶、噴射混凝土為主體，可接長錨桿強化頂板的綜合控制技術(shù)；于洋等[13]在巷道圍巖鉆孔卸壓的基礎(chǔ)上，提出圍巖分區(qū)支護；龍景奎[14]針對深部高應(yīng)力軟巖巷道高圍壓、大變形和難控制問題，提出協(xié)同錨護支護體系。上述研究學者針對高應(yīng)力或采動巷道變形特征提出了不同的控制技術(shù)，但對于多次采動應(yīng)力影響區(qū)域條件下掘進巷道圍巖的穩(wěn)定性控制研究較少。

中興煤礦1209材料巷掘進前所在區(qū)域先后經(jīng)歷上覆10209工作面回采影響，鄰側(cè)1411工作面回采影響，屬于典型的多次采動應(yīng)力影響區(qū)域煤巷，調(diào)研發(fā)現(xiàn)在該巷道掘進過程中圍巖呈現(xiàn)全斷面變形現(xiàn)象，支護系統(tǒng)受到較嚴重破壞。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

中興煤礦1209工作面位于一采區(qū)北翼，走向長1252m，傾向長1段163m、2段151m，北面為安則村保安煤柱線，南面為一采回風巷、一采東軌道大巷、東運輸巷，東面為1207工作面，西面為1411采空區(qū)。1411采空區(qū)正上方為1211采空區(qū)，1209工作面布置如圖1所示。

圖1 1209工作面布置

1209綜采工作面布置在4#煤層，4#煤位于山西組下部，平均煤厚2.35m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含夾矸1～2層，直接頂為頁巖、砂質(zhì)頁巖互層，直接底為0.5m炭質(zhì)泥巖，基本底為淺灰色細粒砂巖，厚度為1～3.5m；煤質(zhì)屬中灰、低中硫的瘦煤、焦煤，煤層平均傾角7°。

1209材料巷原支護參數(shù)如下：頂錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格?22mm×2400mm，每孔使用樹脂錨固劑K2335和Z2360各一根，間排距975mm×1000mm，每排5根錨桿；頂板錨索采用?21.6mm×7300mm鋼絞線，間排距2000mm×1600mm。巷幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格?20mm×2200mm，錨桿布置3根/排，間排距900mm×800mm，每孔使用1根Z2335樹脂錨固劑。

1.2 巷道異常礦壓顯現(xiàn)特征

1209材料巷掘進過程中巷道圍巖和支護結(jié)構(gòu)變形破壞嚴重，出現(xiàn)“前掘后修”的被動局面，在1209工作面回采前累計返修達4～5次。選擇在1209材料巷距巷道開口275m處巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，如圖2所示，由圖2可得：巷道在掘進過程中圍巖呈全斷面變形，頂?shù)装逡平砍^1.8m，兩幫回縮量達1.1m；采取增加錨索數(shù)量、安裝工字鋼、挖底等返修措施，控制效果均不明顯；巷道在前6個月時間內(nèi)經(jīng)歷多次挖底，其中單次挖底最大深度為300mm，但巷道仍變形劇烈，在返修后一段時間巷道再次出現(xiàn)整體變形。另外，巷道圍巖階段性變形特征明顯，頂?shù)装咫S時間呈不穩(wěn)定變化狀態(tài)。

圖2 1209材料巷典型測點圍巖變形量

2 多次采動下煤巷圍巖應(yīng)力變化特征

中興煤礦煤巷圍巖強度較低，尤其在受多次采動的影響下，圍巖變形量和破壞范圍更大。巷道開挖前，巖體受到三向壓應(yīng)力處于受力平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。巷道開挖后，應(yīng)力重新分布，利用FLAC3D軟件模擬分析1209材料巷在1211、1411和10209工作面開采后的垂直應(yīng)力變化特征。

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

結(jié)合工作面現(xiàn)場鉆孔資料和多次采動的背景條件，建立三維數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=500m×400m×290m，模型主要由位移邊界和應(yīng)力邊界組成，兩邊固定水平位移，底邊固定垂直位移，模型頂部施加等效于上覆巖層自重的均布載荷7.82MPa；模型的尺寸和邊界條件設(shè)置如圖3所示。該模型選取摩爾庫倫模型，數(shù)值模擬的巖層參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值模型尺寸及邊界設(shè)置

表1 計算模型中煤巖層力學參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

模型先進行1211工作面的開挖，開挖后進行計算至平衡；再對10209和1411工作面開采，開采高度分別為2#和4#煤層的高度為1.3m和2.4m，設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測線，提取其應(yīng)力值進行分析。

模擬計算得到1211、1411、10209工作面回采后垂直應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。由圖4(a)可得1211工作面開采后在工作面兩側(cè)形成應(yīng)力增高區(qū)，但對1209材料巷圍巖應(yīng)力影響相對較??；由圖4(b)得出1411工作面和10209工作面開采后，在兩個工作面煤柱側(cè)應(yīng)力急劇增高形成應(yīng)力增高區(qū)。

圖4 不同工作面開采后垂直應(yīng)力分布

煤柱內(nèi)不同水平距離時垂直應(yīng)力變化特征如圖5所示，由圖5可得，1211、 1411和10209工作面開采后，隨著1209材料巷煤柱側(cè)煤幫中點與1411采空區(qū)距離增加，垂直應(yīng)力呈先增高后降低變化過程，垂直應(yīng)力峰值達29.9MPa，距1411采空區(qū)煤柱側(cè)18m；1209材料巷所處區(qū)域距1411采空區(qū)煤柱側(cè)27m，垂直應(yīng)力達到23.6MPa。

圖5 煤柱內(nèi)不同水平距離時垂直應(yīng)力變化特征

3 多次采動影響煤巷控制技術(shù)

針對多次采動下應(yīng)力疊加致1209材料巷圍巖處于高應(yīng)力區(qū)域的復(fù)雜條件，提出以頂幫雙強力錨索桁架系統(tǒng)為核心的控制方案。該方案采用頂幫雙強力錨索桁架系統(tǒng)-單體錨桿(索)-頂板(幫)鋼帶-槽鋼-金屬網(wǎng)支護系統(tǒng)維護巷道，形成整體支護結(jié)構(gòu)。其中，頂幫雙強力錨索桁架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體包括三種小結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)I：由直徑為21.6mm的大直徑長錨索和特制聯(lián)接器構(gòu)成；結(jié)構(gòu)Ⅱ：主要由直徑為21.6mm的大直徑短錨索、槽鋼和錨索鎖具構(gòu)成；結(jié)構(gòu)Ⅲ：主要由頂板大直徑長錨索和巷道兩幫上部大直徑短錨索構(gòu)成；結(jié)構(gòu)Ⅳ：主要由巷道兩幫下部大直徑短錨索構(gòu)成。

圖6 頂幫雙強力錨索桁架支護結(jié)構(gòu)

頂幫雙強力錨索桁架系統(tǒng)控制巷道機理可簡要概括為“雙向施力、長軟抗剪、線型承載、錨固點穩(wěn)、變形閉鎖”五條準則[15，16]。頂板強力錨索桁架支護系統(tǒng)是將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和承載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，采用高預(yù)拉力對拉并鎖緊兩根大直徑鋼絞線，直接作用于頂板淺部的圍巖，提供水平預(yù)應(yīng)力改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，強化低位巖體的力學性能和提高其抗變形性能，控制層狀頂板的不協(xié)調(diào)變形；幫強力錨索桁架系統(tǒng)控制作用類似，通過頂幫雙錨索桁架系統(tǒng)的協(xié)同作用，有效控制高應(yīng)力巷道圍巖的整體變形。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

4.1 支護方案和參數(shù)

1209材料巷斷面為矩形布置，巷道斷面寬×高=4.2m×2.8m，綜合理論分析、數(shù)值模擬、工程類比及現(xiàn)場觀測等方法，確定了頂幫雙強力錨索桁架系統(tǒng)-單體錨桿(索)-頂板(幫)鋼帶-槽鋼-金屬網(wǎng)支護于一體的組合支護方案具體參數(shù)，如圖7所示。

圖7 1209材料巷頂幫雙強力錨索桁架支護布置(mm)

1)頂板支護。頂板的錨索支護為強力錨索桁架和單體強力錨索聯(lián)合支護，強力錨索桁架結(jié)構(gòu)中錨索的排距為1.6m，在每兩排強力錨索桁架結(jié)構(gòu)之間打一排單體錨索，單體錨索排距為1.6m。單體錨索采用?21.6mm的1×7絲高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索眼深8m，錨索長度8.3m，鉆孔直徑28mm，樹脂加長錨固，錨固藥卷采用四支?23mm×550mm的中速樹脂藥卷，錨固長度為2250mm，錨索的預(yù)緊力不得低于200kN。錨索排距為800mm，每排布置2根錨索，間距為800mm。強力錨索桁架采用?21.6mm的1×7絲高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長度為9.4m，錨索眼深8m，鉆孔直徑28mm，采用四支?23mm×550mm的中速樹脂藥卷，錨固長度為2250mm。強力錨索桁架系統(tǒng)的底部跨度為2.1m，錨索孔口距煤幫1050mm，錨索鉆孔與鉛垂線的夾角為20°，預(yù)緊力不得低于200kN。

2)巷幫支護。巷道兩幫采用錨桿(索)、金屬網(wǎng)、鋼帶(槽鋼)組合支護。采用?21.6mm的1×19絲高強度高延伸率預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長度為5.3m，錨索眼深5.0m，鉆孔直徑28mm，錨固長度為2250mm。幫錨索排距為1600mm，每排兩根單體錨索用槽鋼連接。兩根幫錨索孔口距離為1.2m，上位錨索孔口距頂板1.0m。

4.2 支護效果監(jiān)測

為了分析1209材料巷掘進過程礦壓顯現(xiàn)以及檢驗頂幫雙強力錨索桁架系統(tǒng)的控制效果，需要對試驗段巷道圍巖開展礦壓觀測。

1)巷道圍巖表面位移曲線如圖8所示，由圖8可以得出，在觀測的兩個月中，1209材料巷試驗區(qū)域斷面收斂率很小，頂板下沉量小于79mm，兩幫移近量小于191mm，對多次采動影響下巷道的變形控制起到了顯著成效。

2)從現(xiàn)場支護效果來看，觀測的兩個月中巷道支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，現(xiàn)場未挖底，未增加錨索等加強支護以及其他類似返修加強支護工作，大幅節(jié)約了返修成本，減小了工人勞動強度，有效保障了1209綜采工作面安全高效開采。

圖8 巷道圍巖表面位移曲線

5 結(jié) 論

1)多次采動條件下高應(yīng)力煤巷變形特征表現(xiàn)為：呈全斷面變形、階段性變形特征顯著、傳統(tǒng)挖底擴幫加固后巷道穩(wěn)定時間相對較短，仍呈現(xiàn)大變形過程。

2)數(shù)值模擬分析得出多次采動后1209材料巷位置為高應(yīng)力區(qū)域，垂直應(yīng)力達23.6MPa。

3)提出多次采動條件下掘進煤巷1209材料巷的控制方案，即：頂幫雙強力錨索桁架系統(tǒng)-單體錨桿(索)-頂板(幫)鋼帶-槽鋼-金屬網(wǎng)組合支護系統(tǒng)。

4)現(xiàn)場試驗得出巷道典型監(jiān)測點頂板和兩幫最大變形量分別為79mm和191mm，巷道變形量較小，有效保障了多次采動條件下高應(yīng)力煤巷圍巖的穩(wěn)定。