煤礦巷道變形破壞原因及穩(wěn)定性支護研究

＊高 杰

（西山煤電安全監(jiān)管五人小組管理局 山西 030053）

引言

隨著淺部煤炭的開采殆盡，很多煤礦已經(jīng)逐漸朝深部轉(zhuǎn)移，在深部開采環(huán)境下，巷道圍巖自身性質(zhì)與應(yīng)力環(huán)境相對于淺部圍巖有著較大差別。在深部巷道支護的過程中，仍舊選擇使用淺部巷道支護方式，在很多方面已經(jīng)表現(xiàn)出較大的局限性，需充分結(jié)合深部巷道地質(zhì)條件，對巷道支護方案進行綜合研判，更好提升支護實效。因此，對煤礦巷道變形破壞原因及穩(wěn)定性支護研究進行分析有著較為重要的意義。

1.工程概況

某煤礦運輸大巷埋深在605m-615m之間，巷道周邊存在較多開采工作面，巷道原支護設(shè)計采用的是全錨桿支護，支護參數(shù)為：φ20mm×2m，間排距設(shè)計均為800mm。在巷道開挖之后，整體出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形問題。之后為了保證巷道穩(wěn)定性，采取打設(shè)錨索的方式對巷道進行強化支護，錨索支護參數(shù)為φ16mm×3.5m，兩幫設(shè)置2根，頂板對稱布置6根。但是在錨索打設(shè)之后，巷道仍舊出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形，嚴(yán)重制約到巷道功能的發(fā)揮，圖1為巷道原支護設(shè)計圖。在巷道施工的過程中，為了更好地提升防沖效果，在巷道幫部施工了大孔徑的泄壓控，間距設(shè)計為2m。在卸壓空施工后，巷道表面出現(xiàn)了較大的位移，很多地段甚至出現(xiàn)了巷道斷面整體嚴(yán)重收斂的問題，這表明，通過施加防沖鉆孔，對整個巷道完整性帶來了較大的破壞，已經(jīng)嚴(yán)重影響到巷道的正常使用。

圖1 巷道原支護示意圖

2.巷道變形破壞特征分析

對巷道出現(xiàn)的變形破壞問題進行了深入分析，得到巷道變形破壞原因有：該巷道距離多個開采工作面距離較近，受到采動影響較為明顯，圍巖整體處于相對較高的應(yīng)力狀態(tài)，容易出現(xiàn)較大的變形破壞。從現(xiàn)場的觀察來看，巷道在很多地段出現(xiàn)了明顯的片幫問題，頂板也出現(xiàn)了不同程度的下沉，形成的“網(wǎng)兜”也相對較多，部分位置巷道頂板出現(xiàn)面積較大的剝落問題，鋼筋網(wǎng)也出現(xiàn)了破斷的情況，給煤礦井下運輸帶來了嚴(yán)重的影響。本次選擇使用鉆孔窺探儀對巷道圍巖變形破壞情況進行了深入的分析，得到了圍巖內(nèi)部的破壞情況，見圖2。

圖2 圍巖鉆孔窺探結(jié)果

從圖2可看出，巷道圍巖塑性區(qū)的范圍非常大，已經(jīng)超過了4m，巷道圍巖整體的破壞深度也相對較深，這表明在巷道圍巖的深部已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形破壞問題，原支護條件下，錨桿、錨索支護均全部處于塑性區(qū)范圍內(nèi)，支護效果已經(jīng)喪失。同時，從現(xiàn)場勘察情況來看，圍巖出現(xiàn)了明顯劣化，主要表現(xiàn)在兩個方面。一方面，巷道在開挖之后，導(dǎo)致圍巖濕度、溫度等出現(xiàn)了較大的變化，在地下水、風(fēng)等因素的影響下，巷道圍巖物理性質(zhì)出現(xiàn)了明顯的弱化。另一方面，在開挖之后，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)了變化，圍巖承擔(dān)的集中應(yīng)力朝深部移動，在應(yīng)力內(nèi)移的過程中，巷道圍巖出現(xiàn)了塑形變形、裂紋、擴容及最終的破壞，導(dǎo)致巷道圍巖整體的強度不斷下降，圍巖出現(xiàn)了明顯的劣化問題。這兩個過程是相伴相生的過程，對圍巖劣化帶來的影響明顯。此外，在偏應(yīng)力作用下出現(xiàn)的巷道圍巖擴容變形，在開挖巷道后，圍巖在不同的方向出現(xiàn)了不同的卸荷，導(dǎo)致圍巖偏應(yīng)力增加，同時應(yīng)力梯度出現(xiàn)了增加。隨著偏應(yīng)力的不斷提升，圍巖體積逐漸提升，尤其是達(dá)到了峰值強度之后，圍巖擴容的問題明顯，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)碎漲破壞，在破裂面出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、離層及滑移等變形破壞。

此外，從原支護來看，對巷道圍巖和各個支護體之間相互作用的機理并沒有一個較為清晰的認(rèn)識。對較強采動影響下、高應(yīng)力條件下的巷道圍巖控制并沒有一個較為有效地支護方案，仍舊采用傳統(tǒng)的方式對巷道進行支護，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)了支護問題。同時，巷道支護整體的錨固力相對偏低。雖然采用了注漿補強加固的方式，但是從加固的情況來看，效果較為有限。通過在現(xiàn)場采取拉拔試驗得到，錨桿的錨固力為85kN，在另一側(cè)錨固力僅僅為20kN，這表明錨桿整體的支護效果相對設(shè)計有著較大的差距。尤其是運輸巷在采動影響下，整體出現(xiàn)了較多的裂隙問題，降低了錨索、錨桿整體錨固力。雖然技術(shù)人員進行了針對性的注漿，但是從現(xiàn)場的情況來看，錨桿與錨索并沒有取得較好的“生根”效果，對巷道整體的支護效果較差。

3.巷道返修支護數(shù)值模擬分析

根據(jù)巷道所處地質(zhì)條件，選擇使用Phase軟件對巷道返修支護方案進行模擬分析，建立了30m×25m的二維數(shù)值模型，按照庫倫摩爾準(zhǔn)則，設(shè)置的模型邊界條件為：底板設(shè)計為固支、四周設(shè)計為鉸支，上部設(shè)置為自由邊界。巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)參數(shù)如表1所示。對在不同支護條件下，巷道塑性區(qū)分布情況、巷道位移情況等進行了模擬，得到了巷道支護方案。根據(jù)本次鉆孔窺探結(jié)果，本次設(shè)計了四種模擬方案。見表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 巷道返修支護方案設(shè)計

(1)不同支護方案下巷道塑性區(qū)范圍

在不同的巷道支護方案下，模擬到了巷道不同的塑性區(qū)破壞范圍，見圖3。從圖3可看出，在對巷道支護參數(shù)進行針對性的優(yōu)化之后，巷道塑性區(qū)的范圍相對于先前明顯的下降，其中，方案四支護條件下，巷道塑性區(qū)的分布范圍最小。

圖3 不同支護條件下巷道圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)

(2)不同支護條件下巷道圍巖位移曲線圖

在不同的支護方案下，巷道圍巖位移分布情況見圖4。對比可得到，在對巷道圍巖支護參數(shù)進行優(yōu)化之后，巷道圍巖位移量相對于先前有了明顯的下降，特別是方案四，巷道位移量得到了有效的控制。

圖4 不同支護條件下巷道圍巖位移圖

通過數(shù)值模擬的方式，得到了在不同的支護方案下，巷道塑性區(qū)、位移量的分布情況圖，得到了方案四相對于其他三個方案整體的巷道穩(wěn)定性可得到較好的控制。因此，本次在進行返修時，可選擇使用方案四對巷道進行返修。

4.巷道返修支護

根據(jù)巷道所處地段的實際情況，對巷道支護進行整體的返修，巷道返修支護示意圖如圖5所示。

圖5 巷道返修支護示意圖

本次設(shè)計在每個循環(huán)中設(shè)置2個注漿孔。本次鉆孔φ42mm，注漿孔1與底板之間的距離為1.5m，長度設(shè)計為11m。注漿孔2與底板的距離為2m，長度設(shè)計為9.4m。本次注漿設(shè)計采用的微納米無機有機復(fù)合改性材料。水灰比設(shè)計為0.9。在進行注漿時，壓力控制在9MPa。注漿設(shè)計采用從下到上的順序進行間隔注漿，有效提升注漿的滲透效果。

5.圍巖支護效果

在工作面巷道采用了上述支護方案之后，在上述支護方案100m范圍內(nèi)設(shè)置了2個監(jiān)測站，對整個掘進過程中巷道整體的變形情況進行了全面的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道掘進期間表面位移變化情況

圖7 頂板離層儀觀測數(shù)據(jù)

從本次返修情況來看，在巷道開挖之后，巷道的頂板、底板及兩幫均出現(xiàn)了變形，整體變形持續(xù)時間相對較長，在距離迎頭65m的位置整體表現(xiàn)穩(wěn)定，最終得到兩幫的相對移近量在25mm，頂板與底板的相對移近量在17mm。從這些數(shù)據(jù)可以看出，巷道整體的表面位移相對較小，這表明本次采取的返修支護措施，實現(xiàn)了對巷道圍巖變形的有效控制，較好地保證了巷道整體的穩(wěn)定性，取得了較好的支護效果。

通過對返修巷道頂板出現(xiàn)的離層情況進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在巷道開挖之后，在巷道的頂板不論是淺部（2.4m的位置）還是深部（9m的位置）均出現(xiàn)了離層的問題，在開挖了30m左右之后，離層整體穩(wěn)定，從離層數(shù)據(jù)可看出，巷道整體的離層量非常小，表明巷道頂板出現(xiàn)的離層數(shù)值均在安全的范圍內(nèi)。這表明，在返修過程中，選擇使用的高強度預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿等形成的復(fù)合支護的方式，對巷道整個頂板的離層形成了有效的約束效果。

6.結(jié)束語

綜上分析，在進行回采巷道支護的過程中，特別是厚煤層巷道支護中，整體的支護形勢與任務(wù)相對于傳統(tǒng)的巷道支護有著較大的不同，若仍舊采取傳統(tǒng)的支護理念與方案，必然導(dǎo)致巷道支護過程中出現(xiàn)各種類型的問題。因此，在進行巷道支護時，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合巷道所處地段的實際情況，一切從實際出發(fā)，在保證巷道正常使用的前提下，還需綜合考慮巷道支護成本，實現(xiàn)對巷道支護效果的全面提升，才能更好保證巷道支護的整體實效。