動壓高幫回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究

申斌學(xué)， 袁超峰， 古文哲， 劉治成， 宋天奇， 潘浩

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

回采巷道作為地下煤炭資源開采和運(yùn)輸?shù)难屎硗ǖ溃鋰鷰r穩(wěn)定性控制對保證工作面安全高效開采具有重要意義[1]。隨著對不同地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖變形破壞機(jī)理和穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究和探索，煤礦巷道支護(hù)技術(shù)和理論也日趨成熟和完善，提出了錨桿支護(hù)、錨桿+錨索支護(hù)和錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)等支護(hù)方法，形成了用于指導(dǎo)巷道支護(hù)的懸吊理論、組合梁理論和最大水平應(yīng)力理論等[2]。研究人員采用不同的支護(hù)方法與支護(hù)理論的組合指導(dǎo)現(xiàn)場巷道圍巖的穩(wěn)定性控制，效果良好。動壓高幫回采巷道作為一種特殊的巷道，不僅在掘進(jìn)期間要經(jīng)歷掘進(jìn)過程的擾動，而且在后期使用過程中先后要經(jīng)歷相鄰工作面和本工作面的回采擾動，使得此類巷道的圍巖變形破壞過程異于常規(guī)的回采巷道，且高幫圍巖的穩(wěn)定性相對較弱，導(dǎo)致此類型巷道的圍巖穩(wěn)定性控制異常困難。

針對動壓巷道圍巖變形破壞特征和穩(wěn)定性控制，學(xué)者們從不同角度提出了各種圍巖控制方法，如高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)[1]、全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)[3]、“非均勻”錨注加固技術(shù)[4]、基于“卸壓與整體支護(hù)”思路的支護(hù)技術(shù)[5]、高阻讓壓支護(hù)技術(shù)[6]、錨桿與注漿相結(jié)合的加固方法[7]、U型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)方法[8-9]、錨網(wǎng)索+錨注聯(lián)合支護(hù)方式[10]等。在高幫巷道的圍巖穩(wěn)定性研究方面，有學(xué)者研究了巷道斷面寬高比對圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律[11]:寬高比越小，幫部圍巖變形量越大，應(yīng)力集中程度越明顯，且高度越大，幫部圍巖穩(wěn)定性越低。

上述研究成果極大豐富了高幫類巷道或受動壓影響巷道的圍巖變形特征和穩(wěn)定性控制技術(shù)，但大多是基于單一影響因素的穩(wěn)定性研究，很少涉及巷道在高幫和動壓兩方面綜合作用下的圍巖變形規(guī)律和穩(wěn)定性控制，即動壓高幫類巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究。動壓高幫類巷道是指服務(wù)期限內(nèi)受動壓影響嚴(yán)重、巷幫高度較大的巷道，其圍巖變形特征是斷面尺寸和動載影響下耦合作用的結(jié)果。不同地質(zhì)條件下的圍巖變形規(guī)律和破壞特征又顯現(xiàn)出不同。基于此，本文以某礦15312工作面高幫進(jìn)風(fēng)平巷為研究對象，探討該平巷在動壓影響下的破壞機(jī)理，通過優(yōu)化原有的支護(hù)參數(shù)，保證該動壓高幫回采巷道的穩(wěn)定性，為類似條件下的動壓高幫回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供借鑒和參考。

1 工程概況

15312工作面開采煤層厚度為4.4～6.8 m，平均5.7 m，局部含1～2層夾矸；煤層傾角為4～11°，平均6°。煤層偽頂為平均厚度為0.1 m的砂質(zhì)頁巖，直接頂為平均厚度為12.3 m的石灰?guī)r和泥巖組成的互層，基本頂為平均厚度為10.8 m的細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。煤層直接底為平均厚度為5.4 m的粉砂質(zhì)泥巖，夾有細(xì)砂巖薄層，基本底為平均厚度為4.8 m的細(xì)粒石英砂巖。

15312工作面東側(cè)為相鄰的15310工作面，北側(cè)為采空區(qū)，南側(cè)為采區(qū)回風(fēng)巷，西側(cè)為15312工作面實體煤。15312工作面進(jìn)風(fēng)巷用于進(jìn)風(fēng)、行人和運(yùn)輸，巷道埋深為240～300 m，設(shè)計斷面為矩形，沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道凈寬度為5.0 m，凈高度為4.4 m，屬于高幫巷道。進(jìn)風(fēng)平巷在服務(wù)期間不僅會受到掘進(jìn)擾動的影響，也會受到相鄰工作面(15310工作面)和本工作面回采動壓的影響，即15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷屬于動壓高幫回采巷道。15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷與15310工作面回風(fēng)平巷間的煤柱寬度為12 m，工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置

2 動壓高幫回采巷道變形破壞機(jī)理

2.1 動壓高幫回采巷道破壞特征

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷屬于動壓高幫回采巷道，其在使用過程中的破壞特征主要表現(xiàn)在幫部圍巖變形量較大，尤其是靠近頂板位置的幫部圍巖，部分區(qū)域出現(xiàn)大面積片幫和冒落，使得此區(qū)域的頂板跨度變大，頂板下沉量增大，且伴隨著錨桿破斷、托盤失效及金屬網(wǎng)撕毀嚴(yán)重等現(xiàn)象，幫部圍巖的整體性降低，巷道斷面收縮嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道在服務(wù)期間存在較大的安全隱患，無法正常使用。

2.2 圍巖破壞機(jī)理

由15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷具體條件和巷道破壞特征可知，影響進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性的因素主要包括圍巖自身強(qiáng)度、巷道斷面尺寸、圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境和圍巖支護(hù)強(qiáng)度。

2.2.1 圍巖自身強(qiáng)度

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷屬于煤巷，煤層為松軟破碎煤層，煤體孔隙裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低。巷道幫部圍巖作為薄弱環(huán)節(jié)，易在開采擾動和自身載荷的綜合作用下首先發(fā)生較大變形，進(jìn)而導(dǎo)致巷道整體變形量較大，出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2.2 巷道斷面尺寸

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷斷面尺寸為5.0 m(寬)×4.5 m(高)，巷道寬度和高度較大，尤其是高度達(dá)到4.5 m，使得巷道圍巖變形較大，自穩(wěn)能力較差。此外，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，巖層分界面相當(dāng)于結(jié)構(gòu)弱面，導(dǎo)致巷道的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

2.2.3 巷道所處應(yīng)力環(huán)境

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷先后受到掘進(jìn)擾動的影響、相鄰工作面開采擾動的影響和本工作面開采擾動的影響。

對于進(jìn)風(fēng)平巷掘進(jìn)擾動，巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，幫部圍巖由淺部到深部垂直應(yīng)力先增大后減小，之后逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，此時工作面?zhèn)鹊膸筒繃鷰r應(yīng)力集中系數(shù)為K0，煤柱位置的應(yīng)力集中系數(shù)為K1和K2，K1>K0。單一巷道掘進(jìn)后的幫部圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2(a)所示，相鄰巷道掘進(jìn)后的幫部圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2(b)所示。其中，γ為覆巖密度，H為埋深，l為巷道寬度，h為巷道高度，σz為垂直應(yīng)力，x為距巷道表面的距離，l0為煤柱寬度。

(a)單一巷道圍巖應(yīng)力

相鄰工作面開采對進(jìn)風(fēng)平巷的影響如圖3所示。15310工作面開采過程中，工作面?zhèn)认蛑螇毫?5312工作面進(jìn)風(fēng)平巷周邊的支撐壓力相互疊加，導(dǎo)致煤柱上的應(yīng)力集中程度增大，此時煤柱上的應(yīng)力集中系數(shù)為K3，K3遠(yuǎn)大于K2，且煤柱上的垂直應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近15312進(jìn)風(fēng)平巷側(cè)，煤柱穩(wěn)定性逐漸降低，巷道幫部圍巖變形量逐漸變大。

圖3 相鄰工作面開采圍巖應(yīng)力分布

本工作面開采對進(jìn)風(fēng)平巷的影響如圖4所示。15312工作面開采過程中，工作面?zhèn)认蛑螇毫εc煤柱原有的載荷相互疊加，導(dǎo)致煤柱上的應(yīng)力集中程度愈加明顯或煤柱快速發(fā)生失穩(wěn)，此時煤柱上的應(yīng)力集中系數(shù)為K4。根據(jù)現(xiàn)場實際觀測，本工作面開采過后煤柱沒有立即發(fā)生失穩(wěn)，即本工作面開采過程中，煤柱上的應(yīng)力集中程度變大，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)平巷煤柱側(cè)的塑性區(qū)增大，此時幫部圍巖在頂?shù)装鍞D壓作用下向本工作面方向運(yùn)移，幫部圍巖變形量增大，圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

圖4 本工作面開采圍巖應(yīng)力分布

2.2.4 圍巖支護(hù)強(qiáng)度

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷原采用錨桿+錨索+鋼帶+菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的方式，如圖5所示。頂板錨桿采用20號螺紋鋼，長度為2 400 mm，間排距為1 500 mm×800 mm，配套托盤尺寸為300 mm×160 mm×10 mm。頂板錨索采用1×7股結(jié)構(gòu)鋼絞線，直徑為17.8 mm，長度為7 200 mm，配套專用的錨索鎖具，間排距為1 500 mm×800 mm，且頂板錨索間隔布置在M型鋼帶上。進(jìn)風(fēng)平巷幫部圍巖兩側(cè)采用不同的支護(hù)參數(shù)，其中煤柱側(cè)的錨桿為20號螺紋鋼，長度為2 000 mm，間排距為800 mm×800 mm；工作面?zhèn)鹊腻^桿為玻璃鋼錨桿，長度為2 400 mm，間排距與煤柱側(cè)間排距相同。進(jìn)風(fēng)平巷原支護(hù)配套網(wǎng)片規(guī)格為5 000 mm×1 200 mm的菱形網(wǎng)，錨桿預(yù)緊力為120 kN，錨索預(yù)緊力為170 kN。

圖5 原始支護(hù)斷面

分析15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷原始支護(hù)參數(shù)可看出，進(jìn)風(fēng)平巷頂板和幫部圍巖支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍差異較大。頂板采用錨桿+錨索的支護(hù)方式，支護(hù)范圍達(dá)到頂板上方7.2 m；而幫部圍巖僅采用錨桿支護(hù)，最大支護(hù)范圍為幫部圍巖以內(nèi)2.4 m，且巷道左右兩側(cè)采用不同的支護(hù)材料和支護(hù)長度，使得進(jìn)風(fēng)平巷整體支護(hù)強(qiáng)度和范圍不協(xié)調(diào)，而進(jìn)風(fēng)平巷在服務(wù)期限內(nèi)，進(jìn)風(fēng)平巷煤柱側(cè)承受的載荷和擾動遠(yuǎn)大于工作面?zhèn)龋丛贾ёo(hù)參數(shù)未充分考慮巷道實際的承載特征；同時錨桿和錨索的預(yù)緊力降低，最大僅為170 kN，難以提供較強(qiáng)的支護(hù)應(yīng)力場。

綜上所述，巷道圍巖自身強(qiáng)度較低、斷面尺寸較大、圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境較復(fù)雜及圍巖支護(hù)強(qiáng)度不合理是導(dǎo)致15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷變形嚴(yán)重的主要原因。結(jié)合15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷實際條件，從圍巖自身強(qiáng)度低、巷道斷面尺寸大和圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜的角度控制巷道穩(wěn)定性較為困難，且現(xiàn)場觀測到巷道變形量雖然較大，但間隔煤柱未發(fā)生失穩(wěn)破壞，即間隔煤柱的寬度能夠滿足進(jìn)風(fēng)平巷的需求，故采取優(yōu)化巷道原有支護(hù)參數(shù)的措施，通過提高巷道整體的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍，降低進(jìn)風(fēng)平巷的變形量，實現(xiàn)15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性控制。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性控制

3.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷服務(wù)期間的圍巖受力特征，結(jié)合巷道變形的實際情況，增大巷道兩幫支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍，以提高巷道圍巖的整體支護(hù)強(qiáng)度。優(yōu)化后的具體支護(hù)參數(shù)如下。

頂板錨桿采用鋼號為500的左旋無縱筋螺紋鋼，直徑為20 mm，長度為2 400 mm；采用加長樹脂錨固劑(MSCK2380)，配套150 mm×150 mm×10 mm的拱形托板和4 800 mm×280 mm×4 mm的W鋼帶；錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，預(yù)緊力不小于120 kN。

頂板錨索采用1×19股鋼絞線，直徑為21.8 mm，長度為6 200 mm；采用加長樹脂錨固劑(MSCK23120)，配套高強(qiáng)度托盤；頂板每排布置2根錨索，間排距為1 800 mm×1 000 mm，預(yù)緊力為250 kN。

幫部采用全錨索支護(hù)，錨索材料為1×7股鋼絞線，直徑為17.8 mm，長度為4 200 mm；采用加長樹脂錨固劑(MSCK23120)，間排距為900 mm×1 000 mm，預(yù)緊力為150 kN；全斷面配套使用尺寸為4 100 mm×1 100 mm的經(jīng)緯網(wǎng),網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。

優(yōu)化后的支護(hù)斷面如圖6所示。

圖6 參數(shù)優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面

3.2 參數(shù)優(yōu)化效果

為驗證支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的動壓高幫回采巷道圍巖控制效果，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的支護(hù)應(yīng)力場分布特征?？紤]到錨桿和錨索提供的預(yù)緊力數(shù)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地應(yīng)力的數(shù)量級，故模型中不考慮地應(yīng)力作用，只涉及錨桿和錨索提供的應(yīng)力場。建立尺寸為50 m(長)×50 m(寬)×45 m(高)的模型，模型底部垂直和水平方向固定，四周水平方向固定。圍巖物理力學(xué)參數(shù)取煤體的參數(shù)，體積模量為2.9 GPa，剪切模量為2.4 GPa，黏聚力為2.5 MPa，內(nèi)摩擦角為25°，抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后，錨桿和錨索產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場分布如圖7所示。

由圖7可知，在原始支護(hù)參數(shù)作用下，錨桿和錨索產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力近似呈橢圓狀，在同等支護(hù)應(yīng)力下，頂板支護(hù)應(yīng)力的范圍遠(yuǎn)大于幫部圍巖支護(hù)應(yīng)力的范圍。以支護(hù)應(yīng)力0.020 MPa為例，頂板圍巖中支護(hù)應(yīng)力達(dá)到0.020 MPa的范圍為6.7 m，而幫部僅為2.3 m。在優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)作用下，巷道圍巖支護(hù)應(yīng)力場近似呈圓形，頂板圍巖中支護(hù)應(yīng)力達(dá)到0.020 MPa的范圍為5.5～6.0 m，幫部為3.7 m，且支護(hù)應(yīng)力最大值接近0.334 MPa，超過原支護(hù)應(yīng)力場最大應(yīng)力的26.7%。同時，相同支護(hù)應(yīng)力條件下，優(yōu)化后的支護(hù)應(yīng)力范圍遠(yuǎn)大于原支護(hù)應(yīng)力的范圍。對比支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的支護(hù)應(yīng)力場可以看出，優(yōu)化后的幫部圍巖支護(hù)應(yīng)力場范圍增大，而頂板支護(hù)應(yīng)力場范圍減小?？紤]到15312工作面進(jìn)風(fēng)巷變形主要集中在幫部，且?guī)筒繉嶓w煤的強(qiáng)度比頂板的砂巖和泥巖小，故優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)更適用于動壓高幫回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制。

(a)原始支護(hù)應(yīng)力場

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

對15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷進(jìn)行礦壓監(jiān)測，通過監(jiān)測錨桿和錨索受力情況，分析支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的動壓高幫回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果。2019-10-01—2020-04-17錨桿和錨索受力情況如圖8所示。

圖8 錨桿和錨索受力情況

由圖8可知：支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷錨桿錨索的受力整體較小，頂錨桿的受力基本保持不變，維持在110 kN左右；頂錨索、左錨索和右錨索受力在工作面接近測點位置時增大，但頂錨索和右錨索增大幅度較小，而左錨索受力快速增大，接近300 kN，三者后期均趨于穩(wěn)定。

分析監(jiān)測結(jié)果可知，由于左錨索布置在進(jìn)風(fēng)平巷煤柱側(cè)，右錨桿布置在進(jìn)風(fēng)平巷工作面?zhèn)?，而煤柱?cè)受到相鄰工作面和本工作面開采的擾動影響較大，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中較為明顯，且巷道頂板的穩(wěn)定性比幫部煤體高，故在本工作面逐漸接近測點時，左錨索受力增大幅度遠(yuǎn)大于頂錨索和右錨索受力增大幅度，但錨索最終的受力未超過其強(qiáng)度極限，即支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，能實現(xiàn)動壓高幫回采巷道的圍巖穩(wěn)定性控制，現(xiàn)場也觀測到圍巖變形量較小，圍巖控制效果較好。

4 結(jié)論

(1)揭示了15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性低的主要原因為圍巖自身強(qiáng)度低、巷道斷面尺寸大、圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜和圍巖支護(hù)強(qiáng)度低，確定了從優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)的角度提高巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，并對相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)采用數(shù)值計算方法分析支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的支護(hù)應(yīng)力場分布特征，確定了優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)圍巖支護(hù)應(yīng)力場近似呈圓形，且其幫部圍巖支護(hù)應(yīng)力場范圍較大，更適合15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性控制。

(3)現(xiàn)場監(jiān)測錨桿和錨索受力結(jié)果顯示，在優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)支護(hù)作用下，錨桿和錨索受力均未超過其強(qiáng)度極限，且圍巖變形量較小，圍巖控制效果較好。