急傾斜煤層跨采巷道預應(yīng)力全錨支護研究與應(yīng)用

王云河，江 海，李建建，趙志剛

（1.川煤集團華榮能源公司代池壩煤礦，四川 廣元628208；2.山東安科礦山支護技術(shù)有限公司，山東 濟南250033）

0 引言

礦井運輸、通風、行人等永久性大巷，由于服務(wù)年限長，對巷道穩(wěn)定性要求高，故往往布置于巖性較好的巖層中，通過高強錨網(wǎng)索支護或配合鋼棚支護便可以有效控制巷道圍巖變形，保持巷道長期穩(wěn)定。但在采動應(yīng)力影響下，超前支承壓力的轉(zhuǎn)移和集中會對巷道應(yīng)力場和位移場造成強烈地擾動[1]，導致巷道圍巖變形破碎，影響礦井安全高效生產(chǎn)。

當工作面回采跨采永久性巷道時，由于其礦壓顯現(xiàn)特殊性，跨采巷道支護技術(shù)探索實踐一直是前沿課題。李廷春等[2]通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬計算分析了應(yīng)力變化對巷道變形破壞規(guī)律，說明了應(yīng)力對巷道變形的力學原因；宋康磊等[3]通過地質(zhì)雷達和激光掃描研究了跨采巷道圍巖結(jié)構(gòu)建議采用U型鋼可伸縮支架從排距1 m減小為0.8 m支護；郭靖等[4]應(yīng)用彈塑性理論和數(shù)值模擬分析了跨采底板大巷應(yīng)力分布特征和變形規(guī)律，針對性地提出了“局部注漿+高強錨桿索”聯(lián)合支護技術(shù)；盧鑫等[5]對底板破壞最大深度及影響范圍進行了力學計算,提出了錨索桁架+木垛聯(lián)合支護方式，使巷道在跨采期間受動壓影響時的穩(wěn)定性大大提高。

但針對近距離急傾斜煤層跨采巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)研究較少，本文以代池壩煤礦＋320東大巷受上覆31345工作面回采動壓影響為背景，開展原巖應(yīng)力測量和圍巖力學參數(shù)測試工作，并根據(jù)原巖應(yīng)力場理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，采用全錨支護技術(shù)補強加固跨采巷道，取得了較好的控制效果，滿足跨采巷道穩(wěn)定性控制要求。

1 工程概況

代池壩煤礦＋320m東大巷為直墻半圓拱斷面，巷道凈寬4 m，凈高3 m，布置于31345工作面底板粉砂巖中，與31345運輸巷法向距離7～10 m。巷道位置關(guān)系見圖1。

圖1 ＋320m東大巷與31345工作面位置關(guān)系圖

31345工作面所采13煤性脆，內(nèi)生裂隙發(fā)育，平均傾角47°，平均厚度1.63 m，夾數(shù)層夾矸。＋320 m東大巷圍巖為厚層狀細粒長石石英砂巖，以石英為主，長石次之，緩波狀層理發(fā)育，明顯接觸，夾粉砂條帶，巖石強度較高，但圍巖裂隙、節(jié)理發(fā)育程度較高，導致局部淺部圍巖張裂破碎脫落，巷道成型效果差，見圖2，其錨桿支護設(shè)計方案較為簡單，采用Φ20 mm×2 200 mm的高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行支護，間排距為800 mm×800 mm，巷道正頂布置1根，兩側(cè)對稱布置2根，每排布置5根。

圖2 ＋320m東大巷破壞現(xiàn)狀

2 巷道應(yīng)力環(huán)境與圍巖力學條件

根據(jù)工作面及＋320東大巷區(qū)域地質(zhì)與采掘狀況，采用鉆孔應(yīng)力解除法測量該區(qū)域原巖應(yīng)力場，地應(yīng)力測點位置見圖1。地應(yīng)力測量中實施應(yīng)力解除位置均距離巷道10 m以上，傾角15°左右，以保證所測結(jié)果不受巷道開挖的干擾影響。在地應(yīng)力測量鉆孔施工的同時進行巖石取樣工作，保證應(yīng)力解除巖性與巖石力學測試巖性一致，便于開展應(yīng)力場與圍巖力學特征相關(guān)性研究和解釋工作[6]。地應(yīng)力測量結(jié)果見表1，巖石力學參數(shù)測試結(jié)果見表2。

表1 ＋320東大巷區(qū)域原巖應(yīng)力測量結(jié)果

表2 13煤頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)

從地應(yīng)力和巖石力學測試結(jié)果可以看出。

1）最大主應(yīng)力б1方位為南偏西向，傾角較大，超過45°，且與煤層傾向、傾角大體一致，與最小主應(yīng)力方位上呈正交關(guān)系，說明應(yīng)力場狀態(tài)與巖層構(gòu)造方向密切相關(guān)，受到急傾斜巖層影響。

2）垂直應(yīng)力бV量值與按上覆巖層容重和埋深計算的垂直應(yīng)力基本相符，且最為接近最大主應(yīng)力б1，說明應(yīng)力場中垂直應(yīng)力占優(yōu)勢地位，是影響巷道穩(wěn)定性的主要因素。

3）最大主應(yīng)力方位上與＋320東大巷軸向呈65°夾角，接近垂直方向，對巷道穩(wěn)定性影響較高。

4）應(yīng)力場分布特征與巖石強度密切相關(guān)，主要體現(xiàn)在應(yīng)力大小與巖石強度呈正相關(guān)關(guān)系，即巖石抗壓強度、彈性模量的增大，其承載的應(yīng)力水平越高，而應(yīng)力方向與之相關(guān)性不大，表現(xiàn)出一致性[7]。

應(yīng)力是引起礦井巷道圍巖變形和破壞的根本作用力，巷道掘進和工作面回采均可對巷道應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生重要影響，其施工擾動過程也是圍巖結(jié)構(gòu)變形破壞形成的過程，由于巷道圍巖的變形和應(yīng)力重新分布，使得巷道圍巖處于低圍壓應(yīng)力和較高的應(yīng)力差狀態(tài)。進而在采空區(qū)與巷道區(qū)域形成相互鉸接的受力單元和一系列具有一定規(guī)律分布的裂隙帶，見圖3。

圖3 工作面回采后＋320東大巷圍巖結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布模型

上部31345工作面回采產(chǎn)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和集中現(xiàn)象，使得下部巖層及＋320東大巷應(yīng)力進入失衡狀態(tài)，引起＋320東大巷圍巖承載性能降低，破碎擴容形成較大收斂位移，包括冒頂、底鼓、片幫，尤以頂板和底角位置破壞最為嚴重，圍巖位移的不斷加大最終導致巷道失穩(wěn)。

從垂直應(yīng)力變化理論趨勢分析，31345工作面回采后，在運輸巷回采側(cè)形成采空區(qū)，頂板冒落并逐步壓實，應(yīng)力釋放并趨于穩(wěn)定，為垂直應(yīng)力降低區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，在運輸巷非回采側(cè)，在實體煤中出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移集中，為垂直應(yīng)力增高區(qū)和正常應(yīng)力區(qū)。

從水平應(yīng)力變化理論趨勢分析，由于工作面為急傾斜煤層面，回采后，頂板水平應(yīng)力得以釋放，主要向底板轉(zhuǎn)移和集中，運輸巷頂板主要為應(yīng)力降低區(qū)，運輸巷底板為垂直應(yīng)力增高區(qū)和正常應(yīng)力區(qū)。

由力學模型分析可見，回采過程中采空區(qū)邊緣會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，底板跨采巷道處于垂直應(yīng)力降低和水平應(yīng)力增高的非等壓受力狀態(tài)。

3 巷道支護優(yōu)化方案

3.1 巷道支護優(yōu)化思路

巷道支護的目的就是如何有效控制巷道的結(jié)構(gòu)變形和松散變形，只有通過足夠的初始預緊力和合理的支護范圍，從一開始就對圍巖進行強有力的約束作用，消除圍巖的初期松動變形，調(diào)動圍巖整體承載能力才是保證巷道圍巖穩(wěn)定性控制的有效途徑，而不是等待圍巖產(chǎn)生松動變形后再去懸吊松垮的圍巖[8]。

針對＋320東大巷在上部31345工作面回采動壓影響下錨桿支護強度和范圍弊端，應(yīng)用預應(yīng)力全錨支護技術(shù)補強加固，即首先對錨桿/錨索端錨后采用大預緊力提高圍巖護表強度，減小淺部圍巖松動破碎，再采用高強錨固材料全長錨固強化錨桿/錨索與圍巖力學聯(lián)系，抑制圍巖剪切變形和離層破壞，改善圍巖-支護系統(tǒng)剛度和承載性能[9]。

3.2 預應(yīng)力全錨支護優(yōu)化方案

根據(jù)＋320東大巷現(xiàn)場斷面條件，預應(yīng)力全錨支護采用中空注漿礦用錨索和中空注漿錨桿全斷面支護模式，見圖4，具體支護技術(shù)參數(shù)和要求如下。

圖4 應(yīng)力全錨支護方案圖

1）中空注漿錨桿型號為MZG K200-32/27-2 500 mm，間排距1 600 mm×3 200 mm，每排5根，采用2支K2335樹脂錨固劑端錨，蝶形鋼托盤規(guī)格為120 mm×120 mm×8 mm，預緊力100 k N。

2）中空注漿錨索型號為SK Z22-1/1860（C）-6 300 mm，間排距1 600 mm×3 200 mm，每排4根，采用3支K2335樹脂錨固劑端錨，蝶形鋼托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，，預緊力200 k N。

3）采用Φ6 mm鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)護表。

4）注漿參數(shù)：采用MZM-70型高強無機注漿錨固料，水灰比為1∶3.5，注漿壓力不低于7 MPa。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

采用F LAC數(shù)值模擬分析＋320東大巷受31345工作面回采條件影響下應(yīng)力環(huán)境和圍巖變形破壞特征。本構(gòu)模型區(qū)域為＋320東大巷巷道中心線兩側(cè)各15 m，頂板以上20 m，底板10 m。邊界條件為：以均布載荷的方式施加于模型上邊界，模型左邊界和右邊界限制水平位移；模型下邊界限制水平位移和垂直位移，使得整個模型的左下角和右下角節(jié)點不會產(chǎn)生位移，保證了整個模型在計算過程中不會產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，見圖5。

圖5 數(shù)值模型模型與巖性柱狀圖

4.1 巷道彈塑性區(qū)分布范圍和結(jié)果

根據(jù)＋320東大巷在31345工作面回采后圍巖彈塑性變形破壞范圍和程度分布，見圖6。原支護狀態(tài)下，＋320東大巷圍巖淺部以屈服后的彈性恢復狀態(tài)為主，在左幫和底板右底角處局部圍巖受動壓影響出現(xiàn)超過巖體單軸抗張力的拉力屈服破壞現(xiàn)象，但范圍較小。＋320東大巷圍巖深部巖體大部分處于彈性變形階段，頂板在采空區(qū)下部出現(xiàn)局部拉力屈服破壞現(xiàn)象，左幫圍巖彈性變形區(qū)域和完整性均超過右?guī)蛧鷰r。

圖6 圍巖彈塑性區(qū)分布范圍

全錨支護后，＋320東大巷圍巖以彈性變形和屈服后的彈性恢復狀態(tài)為主，特別是彈性變形狀態(tài)出現(xiàn)大面積增加，單軸抗張力的拉力屈服破壞現(xiàn)象主要出現(xiàn)在底板和右?guī)蜕喜烤植繀^(qū)域，其彈塑性變形破壞程度較原支護狀態(tài)有較大改善。

4.2 巷道水平應(yīng)力分布范圍和結(jié)果

根據(jù)＋320東大巷圍巖水平應(yīng)力場分布范圍和特征數(shù)值模擬結(jié)果（見圖7），＋320東大巷在上覆31345工作面回采后，水平應(yīng)力方向沿巖層傾角分布，主要在31345運輸巷頂板及右?guī)蛥^(qū)域集中，整體處于應(yīng)力釋放區(qū)，應(yīng)力水平低于3 MPa，只有在巷道左幫底角區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力水平超過6 MPa。

圖7 巷道水平應(yīng)力及速度場分布圖

全錨支護后，在31345工作面回采后，＋320東大巷水平應(yīng)力基本處于釋放區(qū)，應(yīng)力水平不高于2 MPa，只有在巷道左幫底角區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力水平超過6 MPa，分布范圍和應(yīng)力集中程度較原支護狀態(tài)明顯縮小。

4.3 巷道垂直應(yīng)力分布范圍和結(jié)果

根據(jù)＋320東大巷圍巖垂直應(yīng)力場分布范圍和特征數(shù)值模擬結(jié)果（見圖8），＋320東大巷與31345運輸巷的法向距離為7 m時，＋320東大巷在上覆31345工作面回采后，垂直應(yīng)力方向沿巖層傾角分布，巷道頂?shù)装鍏^(qū)域處于應(yīng)力釋放區(qū)，應(yīng)力水平低于3 MPa；兩幫區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)，左幫出現(xiàn)應(yīng)力集中范圍和程度均高于右?guī)?，?yīng)力水平峰值超過24MPa。

圖8 巷道垂直應(yīng)力及速度場分布圖

全錨支護后，＋320東大巷在上覆31345工作面回采后，垂直應(yīng)力方向沿巖層傾角分布，巷道頂?shù)装鍏^(qū)域大范圍處于應(yīng)力釋放區(qū)，應(yīng)力水平低于6 MPa；兩幫區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)，左幫出現(xiàn)應(yīng)力集中范圍和程度均高于右?guī)停瑧?yīng)力水平峰值超過18 MPa，其應(yīng)力集中程度和范圍較原支護狀態(tài)明顯縮小。

5 預應(yīng)力全錨支護效果

預應(yīng)力全錨支護后巷道沒有出現(xiàn)明顯變形、噴漿層脫落現(xiàn)象，底板鼓起破壞不明顯，滿足了正常生產(chǎn)服務(wù)要求。通過多點位移計對巷道頂板和兩幫的變形監(jiān)測結(jié)果看，見圖9，在工作面回采動壓影響期間，＋320東大巷圍巖變形破壞主要出現(xiàn)以下特征：

1）工作面回采期間跨采巷道變形破壞程度低，各監(jiān)測部位圍巖變形量在120 mm范圍內(nèi)，變形量呈現(xiàn)左幫＞頂板＞右?guī)偷奶卣?，滿足巷道穩(wěn)定性控制要求。

2）31345工作面回采初期，跨采巷道圍巖變形速度較低，超前應(yīng)力破壞影響從距離開采巷道10 m開始，至-30 m時破壞強度達到峰值，隨后跨采巷道變形破壞強度逐步降低。

3）跨采巷道頂板變形以淺部圍巖碎脹變形為主，變形量為90 mm，影響范圍在2.1 m范圍內(nèi)，主要破壞范圍在0.9 m范圍，0.6 m和0.9 m處存在明顯裂隙離層區(qū)段。

4）巷道幫部圍巖呈現(xiàn)前期變形發(fā)展較快，后期逐步趨于穩(wěn)定的特征，巷道3 m以上圍巖變形較小，3 m以下圍巖區(qū)域呈現(xiàn)階段性碎脹變形，在1.2 m和0.6 m位置處存在明顯離層裂隙發(fā)育區(qū)，左右?guī)驼w變形量分別為118 mm和80 mm。

6 總結(jié)

1）地應(yīng)力和巖石力學測試結(jié)果表明，＋320東大巷圍巖強度較高，但處于應(yīng)力場較不利狀態(tài)，在31345工作面回采期間，受巖層急傾斜影響，其次生應(yīng)力變化較為復雜，巷道穩(wěn)定性控制難度較大。

2）受急傾斜煤層賦存特點的影響，煤層及頂?shù)装鍘r層附近應(yīng)力場呈非均勻分布，工作面回采過程中采空區(qū)邊緣產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，跨采巷道處于垂直應(yīng)力降低和水平應(yīng)力增高的非等壓受力狀態(tài)，巷道應(yīng)力集中主要位于左幫底角處和右?guī)蜕喜繀^(qū)域，塑性破壞區(qū)主要分布于左幫上部和右?guī)拖虏俊?/p>

3）預應(yīng)力全錨支護采用高預緊力、高壓注漿和及時注漿全錨的技術(shù)手段，實現(xiàn)了注漿錨桿/索全錨作用，配合護表材料的約束作用將淺部破碎圍巖與深部穩(wěn)定巖層形成整體，抑制圍巖進一步變形發(fā)展。

4）現(xiàn)場應(yīng)用和驗證了采用高強支護材料和注漿材料，可以明顯強化圍巖與支護體力學聯(lián)系，提升錨桿/索主動支護能力，提高圍巖抗拉拔和抗剪切變形的能力。達到了全錨支護預期的技術(shù)目標，取得了良好的支護效果，為急傾斜煤層跨采巷道補強加固提供借鑒意義。