山西某礦深部軟巖巷道變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)研究

車明軒，程衛(wèi)衛(wèi)

（山西襄垣七一善福煤業(yè)有限公司 山西長治046200）

0 引言

長期大規(guī)模高強(qiáng)度的煤炭開采導(dǎo)致淺部煤炭資源日益減少，煤炭開采不斷向深部發(fā)展[1]。深部巷道由于埋深大、高地應(yīng)力、地質(zhì)條件復(fù)雜（軟巖、過斷層等）以及受采動(dòng)影響等因素，深部巷道極易發(fā)生大變形，導(dǎo)致巷道多次維護(hù)，甚至造成冒頂、片幫等事故，嚴(yán)重威脅著深部礦井的安全生產(chǎn)。深部礦井回采巷道圍巖控制業(yè)已成為制約我國深部礦井安全高效生產(chǎn)的重要難題，許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究[2-4]。劉杰等分析了陽城煤礦深部軟巖大巷的變形破壞機(jī)理，為巷道圍巖控制提供了理論指導(dǎo)[5]。李凱亭基于數(shù)值模擬研究和深部巷道支護(hù)特點(diǎn)，提出“二次錨網(wǎng)索注支護(hù)”的方案有效控制了經(jīng)坊煤礦運(yùn)輸大巷的大變形問題[6]?；谏鲜鲅芯?，本文以山西某礦5203膠帶順槽為研究對象，通過對巷道圍巖變形破壞機(jī)理的分析，提出加強(qiáng)支護(hù)方案，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。

1 工程概況

山西某礦目前主采5#煤，煤層厚度為2.06 m～4.46 m，平均厚度3.26 m；煤層傾角為1°～5°，平均傾角3°。5203綜采工作面位于5#煤二采區(qū)，5203工作面南為5201工作面采空區(qū)（2020年11月回采結(jié)束），北為實(shí)體煤區(qū)，東為區(qū)段大巷，西為采區(qū)邊界，工作面布置情況見圖1。5203膠帶順槽位于-550 m水平，地下標(biāo)高約-540 m，地面標(biāo)高為30 m，埋深約為570 m，屬于深埋巷道。5203膠帶順槽為矩形斷面，尺寸為5.5 m×3.5 m（寬×高），巷道設(shè)計(jì)長度為1 524 m，跟5#煤層頂板掘進(jìn)。5203綜采工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

圖1 5203綜采工作面布置示意圖

表1 5203綜采工作面頂?shù)装迩闆r

2 巷道變形破壞機(jī)理分析

2.1 巖性及埋深的影響

5203膠帶順槽埋深約為570 m，屬于深埋巷道，較大的埋深導(dǎo)致巷道所受上覆巖層重力、側(cè)應(yīng)力和地應(yīng)力等都較大，使得巷道更易發(fā)生較大變形而失穩(wěn)破壞。因此，埋深較大是深埋軟巖巷道較易發(fā)生變形破壞的基本影響因素[4]。此外，巷道頂板有一層厚度為0～2.4 m的泥巖偽頂，抗壓強(qiáng)度為18.06 MPa，強(qiáng)度較低且軟弱易碎，極不穩(wěn)定。巷道直接頂（中細(xì)粒砂巖）和直接底（砂質(zhì)泥巖）的單軸抗壓強(qiáng)度分別為30.52 MPa和29.21 MPa相對也較小，具有軟巖特征。由于軟巖易發(fā)生變形破壞且具有蠕變特性，大大增加了巷道破壞的危險(xiǎn)程度[2,3]。

2.2 圍巖裂隙發(fā)育情況

5203膠帶順槽先后橫穿F12、F14和F20等落差在2 m～4 m的斷層，斷層附近巷道圍巖裂隙發(fā)育、破碎程度較高，此外在斷層高應(yīng)力作用下，斷層影響范圍內(nèi)巷道水平變形量較大。5203膠帶順槽頂板、底板和兩幫圍巖鉆孔窺視結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在巷道頂板深度4 m處分布有明顯的裂縫及裂隙帶，在巷道頂板深度8 m處分布有破碎帶。此外，在探測鉆孔施工過程中，鉆頭推進(jìn)較易，且局部位置時(shí)出現(xiàn)軟弱泥巖堵孔現(xiàn)象。

圖2 巷道頂板不同深度巖層裂隙發(fā)育情況

2.3 采動(dòng)影響及原支護(hù)情況

5201工作面回采結(jié)束6個(gè)月后進(jìn)行5203膠帶順槽掘進(jìn)施工，采空區(qū)頂板5203膠帶順槽與5201工作面采空區(qū)間留設(shè)10 m寬的間隔煤柱，在5201工作面回采和5203膠帶順槽掘進(jìn)雙重?cái)_動(dòng)下，巷道圍巖裂隙進(jìn)一步發(fā)育，破碎程度進(jìn)一步增大。

5203膠帶順槽原支護(hù)方案沿用了5201工作面回采巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)，即采用錨網(wǎng)支護(hù)，具體見圖3。由于5203膠帶順槽相較于5201工作面回采巷道地質(zhì)條件更為復(fù)雜，導(dǎo)致采用該支護(hù)方案時(shí)巷道局部范圍出現(xiàn)冒頂顯現(xiàn)，最大冒頂高度達(dá)到500 mm左右，且網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯?，F(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)表明，在原支護(hù)條件下，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?25 mm，兩幫最大移近量為362 mm。此外，受5201工作面采動(dòng)影響，巷道右?guī)停褐鶐停┪灰屏棵黠@大于左幫，巷道變形存在非對稱性變形特征。

圖3 巷道原支護(hù)斷面圖

3 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合5203膠帶順槽所處條件和巷道變形破壞的原因分析，提出了“錨網(wǎng)索噴+煤柱幫表面噴漿”的聯(lián)合支護(hù)方案，即在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，優(yōu)化錨桿參數(shù)選擇，針對性增大錨桿長度，頂錨桿選用φ22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿選用φ20 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼錨桿，且錨固深度由原來不小于1 000 mm增大至不小于1 200 mm，以加強(qiáng)巷道淺部圍巖支護(hù)強(qiáng)度。頂板補(bǔ)打“槽鋼梁”進(jìn)行深部加強(qiáng)支護(hù)，錨索采用φ21.6×6 000 mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，“二0二”布置，間排距2 000×2 000 mm，配合使用16#槽鋼，長度2 400 mm，孔間距2 000 mm，與兩根錨索組合成槽鋼梁。此外，對巷道煤柱幫噴射厚度為100 mm的混凝土噴層。巷道優(yōu)化支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖

4 巷道表面變形觀測及分析

為了驗(yàn)證所提“錨網(wǎng)索噴+煤柱幫表面噴漿”的聯(lián)合優(yōu)化支護(hù)方案對巷道圍巖變形的控制效果，在5203膠帶順槽內(nèi)布置2個(gè)測站（1#測站和2#測站，測站間距為50 m），采用“十字布點(diǎn)法”對巷道表面位移情況進(jìn)行觀測和記錄。巷道表面位移情況見圖5所示。

圖5 不同測站巷道表面位移情況

由圖5可知，1#測站和2#測站所監(jiān)測到的巷道表面位移變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出先快速增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在距迎頭50 m范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤焖僭龃?；而在距迎頭50 m～100 m范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平吭鲩L速率逐漸變小，最終趨于穩(wěn)定。在距迎頭100 m范圍內(nèi)，巷道兩幫最大移近量和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為126.2 mm和45.5 mm。由此可見，采用“錨網(wǎng)索噴+煤柱幫表面噴漿”的聯(lián)合支護(hù)方案后，5203膠帶順槽圍巖變形得以有效控制。

5 結(jié)語

基于5203膠帶順槽實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，對深部軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析。在原支護(hù)方案基礎(chǔ)上，提出“錨網(wǎng)索噴+煤柱幫表面噴漿”的聯(lián)合優(yōu)化支護(hù)方案?，F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，采用聯(lián)合優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e126.2 mm和45.5 mm，巷道圍巖變形控制效果顯著。