深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道支護技術(shù)研究

楊 靜

（國家能源集團神東開拓準備中心，陜西 神木 719315）

處于深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)的回采巷道，巖體自重應(yīng)力大，巖體內(nèi)部的彈性能量也較大，巷道開挖引起彈性能量釋放，會使巷道發(fā)生變形甚至破壞，圍巖的一些性能也會受到影響，比如巖體的連續(xù)性和完整性發(fā)生破壞等，同時還會影響圍巖的承載能力，在大結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下造成巷道變形破壞。深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道還受很多因素的影響，比如水文條件、頂板圍巖性質(zhì)、周圍采空區(qū)影響等，這些都會使巷道處于支護失效的狀態(tài)，此時礦山壓力顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)巷道兩側(cè)嚴重變形以及頂板破碎等重大問題[1-5]。

回采巷道的穩(wěn)定是保證礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，深入系統(tǒng)地研究本礦井構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道的破壞機理和支護方案，提出最優(yōu)的支護設(shè)計，是亟待解決的一大問題[6-7]。此問題的解決意義重大，不僅能實現(xiàn)礦山的高效生產(chǎn)，而且能極大地提高經(jīng)濟效益，同時對國內(nèi)外相似條件下的回采巷道支護研究也能起到一定的借鑒作用。本論文選擇某礦0251工作面為工程背景，重點研究深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道圍巖變形特征并提出優(yōu)化支護設(shè)計方案。

1 工程概況

某礦0251工作面標高為-770～-860 m，地表高程為8.3 m，東部無開挖工程，西部無開挖工程，南部為0251的F7斷層，北部無采掘工程。0251工作面長度為146 m，平均斜長419 m，工業(yè)儲量245 919 t，可采儲量233 624 t，工作面回采率為95%。0251工作面為南五區(qū)5號煤層的首采工作面，工作面內(nèi)存有傾角較大的傾斜煤層，在采掘過程中，總共暴露出8個斷層，包括6個正斷層和2條逆斷層，落差為0.4～4.8 m。其中在0251-F2、0251-F3、0251-F4、0251-F5、0251-F7掘進期間，造成了巷道少量煤層頂板破碎；0251-F1、0251-F6造成巷道少量煤層底板破碎。0251-F1、0251-F6、0251-F8落差大于1.0 m且小于1.6 m，回采期間會造成回采面一定煤層頂板破碎；0251-F3、0251-F7落差分別為1.4 m、1.2 m，回采期間會造成少量底板破碎；0251-F7正斷層落差為4.8 m，在斷層的影響下，工作面提前開切眼，但對回采沒有影響。

該礦首采工作面位于該礦井的-720 m水平，因為12號煤層埋深較淺，而原巖應(yīng)力場相對較小，實際的巷道支護方案選取較好，所以支護效果較好，能夠滿足實際礦上的生產(chǎn)需求。但是，隨著煤炭逐步向深部開采，巷道的地質(zhì)構(gòu)造越來越復(fù)雜，巷道圍巖的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力也在不斷增加，從而使巷道支護情況更加困難，出現(xiàn)巷道圍巖松軟破碎（見下頁圖1）、支護材料成本加大、底鼓嚴重、頂板破碎垮落、支護困難甚至冒頂?shù)惹闆r，所采用的加固支護等耗費時間及工作量的措施，對礦山的正常生產(chǎn)和人員安全產(chǎn)生重大影響。針對這種深部條件下巷道出現(xiàn)的巷道圍巖破壞嚴重、支護成本提高、支護密度加大等嚴重的現(xiàn)場問題，采用合理的加強頂板等巷道等支護方式及支護密度時，在一定程度上可以有效地維護巷道的穩(wěn)定性，尤其是在巷道周圍的巖體構(gòu)造簡單，地質(zhì)條件良好穩(wěn)定的條件下。但是當巷道處于深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)時，某些地區(qū)出現(xiàn)了巷道維護跟不上故障速度的情況。

圖1 幫部圍巖變形情況

2 深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)巷道圍巖塑性破壞特征

距0252工作面超前1 m、5 m、15 m、35 m、55 m、70 m的巷道圍巖應(yīng)力分布如下頁圖2所示。距工作面超前15 m、35 m、70 m的巷道塑性區(qū)分析如下頁圖3所示。從圖2可知，在距工作面1 m處，巷道左側(cè)圍巖的最大應(yīng)力值為20 MPa，右側(cè)圍巖的最大應(yīng)力值為90 MPa，巷道左側(cè)煤柱的最大應(yīng)力值為96.8 MPa；在距工作面5 m處，巷道左側(cè)圍巖的最大應(yīng)力值為17.5 MPa，巷道右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為85 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為95.9 MPa；在距工作面15 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為15 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為80 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為93.4 MPa；在距工作面35 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為12.5 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為75 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為90.7 MPa；在距工作面55 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為12.5 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為70 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為90.8 MPa；在距工作面70 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為12.5 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為65MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為91.3 MPa。

圖2 0252工作面超前巷道應(yīng)力（Pa）云圖分析

結(jié)合圖3中巷道圍巖塑性區(qū)可以得出：由于巷道受采動、0252工作面二次開采的影響，巷道圍巖塑性面積大，施工前方斷面圍巖破壞較大。隨著與工作面距離的增加，巷道的塑性區(qū)逐漸減小。巷道兩側(cè)圍巖是煤，圍巖破壞主要集中在巷道幫部，圍巖塑性區(qū)較初次采動影響顯著擴展，圍巖應(yīng)力值增大。通過數(shù)值模擬分析，巷道幫部破壞嚴重，巷道之間保護煤柱破壞嚴重。

圖3 0252工作面超前巷道塑性區(qū)分析

3 深部回采巷道圍巖控制思路與方法

3.1 控制思路

開采面可以形成具有原始巖石應(yīng)力3倍的峰值應(yīng)力的開采疊加應(yīng)力場，巷道圍巖在分布不均的應(yīng)力場中，形成不規(guī)則塑性區(qū)，不規(guī)則塑性區(qū)將造成圍巖不均勻的變形。對圍巖不均勻破壞和塑性區(qū)形態(tài)進行研究，可以使巷道圍巖得到控制。在巷道圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)后，彈性區(qū)的圍巖變形會由于巖石破壞而受到限制，使彈塑性界面處的最大主應(yīng)力減小，最小主應(yīng)力變大，從而控制巷道圍巖變形，減小巷道破壞。塑性區(qū)的形成和巷道圍巖狀態(tài)有關(guān)，因為工程上支撐體給予的支撐阻力對塑性區(qū)的減小很有限，所以巷道圍巖控制的關(guān)鍵在于抑制塑性區(qū)的惡化及應(yīng)力改變。采場應(yīng)力場會影響塑性區(qū)的形成和發(fā)展，有效控制塑性區(qū)最好的辦法就是維護破碎巖石的穩(wěn)定性，因此，通過改善應(yīng)力場、維護碎石穩(wěn)定來維護巷道穩(wěn)定性。為阻止塑性區(qū)的惡化，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，主要采用以下兩種方法來控制。

3.1.1 改變圍巖應(yīng)力場

掘進時產(chǎn)生的應(yīng)力場會對初始應(yīng)力場造成影響，隨著巷道圍巖壓力和掘進時間的增加，塑性區(qū)范圍和表位移也有所增大。巷道圍巖應(yīng)力分布不均勻，垂直方向的應(yīng)力與水平方向的應(yīng)力之比可達3～5倍。由于應(yīng)力場是均勻的，巷道不規(guī)則塑性區(qū)的發(fā)展將不利于巷道圍巖的控制。綜上所述，地下開采活動使得巷道圍巖應(yīng)力再分布，不均勻的應(yīng)力引起巷道圍巖塑性區(qū)的形狀變化，巷道圍巖應(yīng)力可以有效地減少周圍巖石應(yīng)力的不均勻分布。改變應(yīng)力狀態(tài)主要通過改變周圍應(yīng)力來實現(xiàn)，通過一些方法可以改善壓力對圍巖的影響，如將采礦的位移巷道合理排列在優(yōu)化處理層，合理選擇支柱尺寸等，同時使用多種巷道施工方法，以減少巷道周圍的應(yīng)力降低區(qū)。

3.1.2 增大破碎巖石強度

目前，增大破碎巖石強度主要有2種方法。一種是對裂隙巖體進行填充，使碎石形成一體，這樣可加大圍巖的強度，阻止塑性區(qū)擴大；另一種方法是采用合理的支護技術(shù)，防止圍巖惡性失穩(wěn)。通過改變應(yīng)力狀態(tài)以及在巷道內(nèi)實施注漿改進，可以確保圍巖穩(wěn)定。但是，此方法造價高、建設(shè)周期長、工作量大，且工作面超前、廢棄工作對施工人員的生命安全存在一定的威脅，所以這種類型的巷道維護方式不予以采用。因此，對于唐山市礦山巷道，采取錨桿錨索聯(lián)合支護和注漿加固支護的方法。通過對巷道塑性區(qū)分布進行分析，找到了支護錨桿和錨索的合理方法，以防止巷道圍巖的惡性膨脹和塑性區(qū)的非穩(wěn)態(tài)過渡。

3.2 優(yōu)化支護應(yīng)用

0251運輸順槽圍巖塑性區(qū)分布展現(xiàn)了在受采動影響下，巷道圍巖破壞主要發(fā)生在頂板上部、側(cè)部。應(yīng)力集中系數(shù)的變化使巷道塑性區(qū)有了較大的改善。塑性區(qū)的分布規(guī)律和最大破壞深度因主應(yīng)力方向與垂直方向的夾角不同而出現(xiàn)在不同的位置?？紤]到巖石應(yīng)力分布，在進行梯形巷道設(shè)計時，使用Φ22 mm×8 300 mm的19股鋼絞線錨索，配合長3.6 m的14號槽鋼、150 mm×150 mm×10 mm的鋼托盤等進行加強支護，間排距為1400mm×1600mm。

在左幫距頂板0.8 m和2 m處分別打設(shè)兩排Φ22mm×8300mm的19股鋼絞線錨索，配合150mm×150 mm×10 mm鋼托盤和Φ14 mm的鋼筋梁進行支護，間距為1 600 mm；在右?guī)途囗敯?.5 m、2 m和3.5 m處分別打設(shè)三排Φ22 mm×8 300 mm的19股鋼絞線錨索。巷道支護設(shè)計參數(shù)如下圖4所示。

圖4 巷道設(shè)計支護參數(shù)示意圖

將上述梯形巷道支護參數(shù)應(yīng)用于相鄰的0251工作面與0252工作面回風(fēng)200～300 m之間，通過現(xiàn)場錨力試驗和巷道圍巖試驗，驗證了選定巷道支護參數(shù)的合理性。從圖5中可以看出，巷道頂部和底板的最大變形為55 mm，兩個支座的最大變形為49 mm。從開始到第12天，巷道變形速度增大，底板變形量為41 mm，兩幫變形量達35 mm。通過監(jiān)測，巷道變形小，巷道內(nèi)的錨桿沒有斷裂。結(jié)果表明，巷道斷面的選擇合理，支護參數(shù)可行，所設(shè)計和支護方案能很好地阻止巷道圍巖的變形。

圖5 巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）回采壽命短、短期快速報廢的巷道，主要采用錨桿（索）、錨網(wǎng)進行支護為主，以注漿支護和支架支護為輔的綜合支護方案。通過塑性區(qū)的分布制定有效的支護方案，從而控制巷道圍巖的惡性膨脹，保證巷道的穩(wěn)定性。

2）支護方案的制定以及支護參數(shù)的選取需要根據(jù)塑性區(qū)分布來判定，從而可避開破碎巖石突然失去穩(wěn)定性所造成的應(yīng)力改變，降低巷道發(fā)生冒頂?shù)娘L(fēng)險。通過去現(xiàn)場觀測巷道的破壞情況，對巷道的再次支護方案進行研究，得到了良好的效果。