傾斜煤巖層條件回采巷道支護(hù)控制技術(shù)

賈毅超，劉 萍,2，韓 森,2，吳少康，羅 暢，陳 鎮(zhèn)，劉曉峰

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025；3.冀中能源邯礦集團(tuán)礦山管理分公司 新星煤業(yè)，河北 邯鄲 056000)

回采巷道圍巖的穩(wěn)定性是工作面安全生產(chǎn)的前提，其受采動作用、賦存環(huán)境、煤巖體傾角、支護(hù)方式等因素的影響，但支護(hù)方式是可調(diào)控的關(guān)鍵因素。近年來，諸多學(xué)者對采動作用下軟巖巷道的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了一系列的成果，康紅普[1-2]等系統(tǒng)地總結(jié)了巷道圍巖變形相關(guān)的破壞特征與破壞機(jī)制、圍巖地質(zhì)力學(xué)特性及其圍巖控制理論及技術(shù)，并論述了其控制方法與原理；陳建強(qiáng)[3]、高林[4]、董永占[5]、張艷麗[6]等通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)回采巷道受傾角影響，出現(xiàn)非對稱變形的現(xiàn)象，通過數(shù)值模擬、理論分析對巷道非對稱變形機(jī)理進(jìn)行研究，提出“主動支護(hù)、關(guān)鍵部位加強(qiáng)控制”的支護(hù)原則；徐佑林[7-8]等針對某礦重復(fù)采動下造成巷道變形嚴(yán)重的問題，基于承載拱控制理論，提出“卸- 轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)，在工程應(yīng)用中取得良好的支護(hù)效果。此外，其他學(xué)者也對工作面回采巷道圍巖破壞特征、破壞機(jī)理、支護(hù)優(yōu)化等做了一系列的研究與現(xiàn)場應(yīng)用[9-19]。

由于貴州礦區(qū)地質(zhì)條件較為特殊，開采巷道多數(shù)處于軟巖層位，易受采動、傾角等因素影響，造成圍巖破碎，巷道變形較大，支護(hù)效果較差，巷道呈大面積、非對稱變形。筆者以貴州桐梓某礦20701運(yùn)輸巷為工程背景，通過現(xiàn)場實測、室內(nèi)試驗，對巷道變形機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合壓力承載拱理論，對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出“錨桿/索+注漿+鋼筋網(wǎng)+U型鋼”的聯(lián)合支護(hù)方案，將該支護(hù)結(jié)構(gòu)視為一種雙殼承載拱結(jié)構(gòu)，結(jié)合數(shù)值模擬、理論分析對優(yōu)化方案的支護(hù)效果進(jìn)行分析，最終用于工程實踐，研究結(jié)果可為類似地質(zhì)條件的礦井提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

貴州某礦20701工作面運(yùn)輸巷埋深200 m，巷道圍巖為粉砂巖、煤，當(dāng)前準(zhǔn)備開采7號煤層，平均厚度為1.9 m，屬穩(wěn)定可采煤層，煤層平均傾角為30°。在開采初期，受承壓水、裂隙水的影響，巷道變形劇烈。巷道層位示意如圖1所示。

圖1 20701回采巷道層位示意 Fig.1 20701 horizontal map of mining roadway

1.2 原支護(hù)方案

20701工作面運(yùn)輸巷斷面呈直墻半圓拱形，其巷道凈寬為5.0 m，兩幫直墻高0.6 m，頂部拱高2.5 m，屬半煤巖巷。采用“錨桿/索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，選取φ10 mm焊接規(guī)格為4 900 mm×1 100 mm的鋼筋網(wǎng)；采用規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm的左旋全螺紋鋼等強(qiáng)度預(yù)拉力錨桿，間排距為900 mm× 900 mm；選用規(guī)格為φ22 mm×6 000 mm的錨索，間排距為1 600 mm×1 800 mm；沿巷道全斷面噴射100 mm厚的水泥砂漿封閉圍巖，支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 原支護(hù)方案 Fig.2 Original support scheme

1.3 圍巖礦物成分與力學(xué)性質(zhì)測試

將現(xiàn)場取回的巖芯樣本進(jìn)行加工，分別制成粉末樣品與標(biāo)準(zhǔn)試件，采用X射線衍射儀對圍巖成分進(jìn)行分析，巖石礦物成分與含量見表1。采用液壓式萬能材料試驗機(jī)對巷道圍巖進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗，試驗對干試件與飽和試件單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定，測試結(jié)果見表2。

表1 巖石礦物成分與含量 Table 1 Composition and content of rocks and minerals

表2 圍巖力學(xué)性質(zhì)測試 Table 2 Test of mechanical properties of surrounding rock

由表1可知，圍巖成分中黏土礦物含量居多，黏土礦物中親水性最強(qiáng)的蒙脫石含量占47%，易吸水膨脹、變形，對圍巖產(chǎn)生膨脹壓力，同時多數(shù)圍巖遇水軟化，加劇圍巖松散破碎。

由表2可知，圍巖試件加工為泥質(zhì)粉砂巖、煤與粉砂巖互層、煤等3類，如圖3所示。

圖3 圍巖試件示意 Fig.3 Schematic diagram of surrounding rock specimens

經(jīng)單軸抗壓試驗發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)粉砂巖試件承載能力最強(qiáng)，煤與粉砂巖互層試件與全煤試件的承載能力均小于泥質(zhì)粉砂巖試件，且兩者的承載能力相當(dāng)，軟化后二者承載能力均相對較弱，說明層狀結(jié)構(gòu)對試件承載能力有所影響。飽和水處理后，3類試件的承載能力急劇下降，軟化系數(shù)為0.19～0.28，總體較小，說明圍巖對水較為敏感。因此，巷道在開挖過程中，應(yīng)及時噴漿封閉圍巖，防止地下水、工程用水等滲透圍巖，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低。

2 巷道變形特征及原因分析

2.1 巷道變形情況

通過對井下現(xiàn)場調(diào)查，20701工作面在開采初期，巷道中部區(qū)域局部滲水，斷面已產(chǎn)生劇烈變形，常出現(xiàn)頂板下沉、兩幫收縮、底臌、錨網(wǎng)及錨桿等結(jié)構(gòu)原件失效等，說明原有支護(hù)方式效果欠佳，噴漿效果較差，伴隨著圍巖中含有較多的黏土礦物，遇水產(chǎn)生較大的膨脹壓力，導(dǎo)致圍巖松散破碎，進(jìn)一步破壞支護(hù)與圍巖間的相互作用，支護(hù)效果差。井下實拍如圖4所示。

圖4 井下實拍 Fig.4 Downhole real picture

2.2 巷道圍巖變形實測

基于現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)巷道中部區(qū)域變形較大，距開切眼約250 m。為進(jìn)一步確定巷道斷面變形特征及支護(hù)效果，采用測桿和標(biāo)槍對圍巖收斂進(jìn)行監(jiān)測，選取中部區(qū)域的4個斷面測點，各測點的兩幫收斂變形與時間關(guān)系如圖5所示。將變形量最大的測點斷面作為特征斷面，采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面檢測儀對巷道變形較大區(qū)域的斷面變形進(jìn)行監(jiān)測。

圖5 兩幫收斂量與時間變化曲線 Fig.5 Convergence of two sides and time curves

由圖5可知，受開挖擾動影響，初期圍巖變形速率較快，變形速率最高為8～18 mm/d，隨后支護(hù)起到效果，圍巖變形速率有所減弱，但圍巖變形未呈現(xiàn)穩(wěn)定收斂趨勢，中部巷道變形嚴(yán)重，其中測點2和3處變形最嚴(yán)重，在施工階段測點或許遭到破壞，因此監(jiān)測被迫終止。監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用“錨桿/索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)無法有效控制巷道變形，未能形成良好的圍巖封閉結(jié)構(gòu)。

通過采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面檢測儀對巷道變形較大區(qū)域的斷面變形進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)斷面呈非對稱變形，其巷道斷面右半部分整體變形較大，經(jīng)檢測儀自帶分析軟件量化，左幫位移242 mm，左肩位移280 mm，右?guī)臀灰?34 mm，右肩位移390 mm，頂板位移372 mm，底板位移340 mm，斷面平均收縮率約為42.07%。研究區(qū)與特征斷面示意如圖6所示。

圖6 研究區(qū)與特征斷面示意 Fig.6 Schematic diagram of study area and characteristic section

布置窺視觀察點以進(jìn)一步了解圍巖內(nèi)部破碎情況，為支護(hù)優(yōu)化提供理論支撐。測試孔2和7靠近煤巖結(jié)構(gòu)面區(qū)域，窺視鉆孔布置及內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果如圖7所示。通過鉆孔窺視可知，圍巖內(nèi)部裂隙延伸到一定距離后，呈現(xiàn)較小的縱向裂隙與環(huán)形裂隙，超出部分的巖石完整性較好，未產(chǎn)生裂隙，測試 孔1～7內(nèi)部圍巖裂隙發(fā)育最大長度分別為4.22，5.33，4.08，4.01，4.33，3.01，4.16 m，7個測試孔的裂隙發(fā)育長度超過錨桿長度(2 200 mm)，且部分裂隙發(fā)育長度接近錨索長度(4 900 mm)，說明錨桿、索布置不合理，應(yīng)調(diào)整錨桿、索的數(shù)量、間排距和型號等參數(shù)。從巷道內(nèi)部圍巖的破碎情況來看：右肩、底板左側(cè)區(qū)域內(nèi)部圍巖破碎程度較高，結(jié)合室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)巷道煤與粉砂巖互層區(qū)域易受層狀結(jié)構(gòu)的影響，即傾角、煤巖體結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)構(gòu)造的影響，該區(qū)域為巷道支護(hù)關(guān)鍵區(qū)域。

圖7 鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視 Fig.7 Peep view of borehole internal structure

2.3 巷道圍巖變形原因分析

依據(jù)室內(nèi)試驗、現(xiàn)場調(diào)查和理論分析，得出圍巖變形的主要原因為

(1) 地下水對圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響。經(jīng)室內(nèi)試驗，圍巖礦物組分中含大量黏土礦物，易吸水產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使得圍巖更易松散破碎。圍巖吸水軟化后進(jìn)一步降低了其承載能力?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)混凝土層遭到破壞，巷道表面及圍巖內(nèi)部滲水，迫使圍巖軟化、膨脹，使得圍巖的力學(xué)性質(zhì)急劇下降[20-21]。

(2) 支護(hù)方式不佳。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查與實測發(fā)現(xiàn)，巷道從開挖初期進(jìn)行監(jiān)測，兩幫收斂位移并未呈穩(wěn)定收斂趨勢，變形量逐步增加，初期變形速率最高達(dá)18 mm/d。巷道出現(xiàn)底臌、頂板下沉等現(xiàn)象，且多處錨桿/索結(jié)構(gòu)單元失效，局部區(qū)域出現(xiàn)滲水情況，導(dǎo)致圍巖-支護(hù)的相互作用效果較差，進(jìn)一步增大了圍巖的變形。

(3) 傾角、煤巖體結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)構(gòu)造的影響。經(jīng)室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，煤與粉砂巖互層試件的承載能力小于全泥質(zhì)粉砂巖試件，與全煤試件的承載能力相當(dāng)。結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果分析，靠近煤與粉砂巖互層區(qū)域的內(nèi)部圍巖破碎程度較高，同時受結(jié)構(gòu)面區(qū)域小節(jié)理的影響，也是造成工作面非對稱變形的主要原因之一[22]。

3 優(yōu)化方案設(shè)計及數(shù)值模擬

3.1 優(yōu)化方案設(shè)計

針對20701運(yùn)輸巷道斷面變形與圍巖內(nèi)部破碎情況，提出“錨桿/索+注漿+鋼筋網(wǎng)+U型鋼”聯(lián)合支護(hù)方案，即預(yù)注漿加固+初次錨網(wǎng)加固+二次錨(索)注加固+U型鋼支架+噴漿封閉圍巖，優(yōu)化支護(hù)方案如圖8所示。

圖8 優(yōu)化支護(hù)方案 Fig.8 Optimized support scheme

選取φ10 mm焊接規(guī)格為 4 900 mm×1 100 mm的鋼筋網(wǎng)；采用φ22 mm×2 400 mm的左旋全螺紋鋼等強(qiáng)度預(yù)拉力錨桿，間排距為800 mm×800 mm；采用φ22 mm×6 000 mm的高強(qiáng)注漿錨索，間排距為 1 200 mm×1 400 mm；錨桿/索結(jié)構(gòu)單元固定采用K2350樹脂藥卷；沿巷道全斷面噴射200 mm厚的水泥砂漿，搭配29號U型鋼支架，封閉圍巖；除對高強(qiáng)注漿錨索注漿外，對巷道兩幫、底板進(jìn)行注漿，注漿材料選用硫鋁酸鹽水泥，水灰比為1.25∶1至0.8∶1，注漿壓力不小于3.0 MPa。

優(yōu)化方案考慮地下水的影響，預(yù)先進(jìn)行注漿，改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)，加厚混凝土墻厚度，防止圍巖被軟化。考慮地質(zhì)構(gòu)造的影響，預(yù)先注漿改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)，以降低結(jié)構(gòu)面的影響，巷道關(guān)鍵區(qū)域合理增設(shè)錨桿/索，將煤層錨固在粉砂巖層中，進(jìn)一步改善圍巖的承載能力。在此基礎(chǔ)上，加入U型鋼支架，對支護(hù)對稱設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，各種支護(hù)優(yōu)勢協(xié)同互補(bǔ)，組成一種雙層承載拱結(jié)構(gòu)[23-25]，如圖9所示。

圖9 雙層承載拱結(jié)構(gòu)示意 Fig.9 Schematic diagram of double-layer bearing arch structure

(1) 增加注漿環(huán)節(jié)，按實際情況設(shè)計注漿孔的間排距，注漿對圍巖裂隙及煤、巖體中軟弱面進(jìn)行填充，降低水與巷道圍巖的接觸面積，防止膨脹變形與結(jié)構(gòu)變形，改善破碎圍巖的完整性，進(jìn)而改變其力學(xué)特性，黏聚力與內(nèi)摩擦角得到提高。

(2) 調(diào)整錨桿/索的間排距，搭配加粗后的鋼筋網(wǎng)，組成高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)/索結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)及時主動支護(hù)圍巖，保持圍巖的完整性，降低應(yīng)力梯度和集中系數(shù)，防止破碎圍巖及軟弱夾層裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，有利于形成壓力拱承載結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步控制巷道出現(xiàn)非對稱變形。

(3) U型鋼支架采用可伸縮性支架，彌補(bǔ)了錨桿/索剛性不足的缺點，同時錨網(wǎng)/索結(jié)構(gòu)降低了圍巖對U型鋼支架的擠壓作用，U型鋼支架與錨網(wǎng)/索結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)互補(bǔ)，加強(qiáng)了承載拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(4) 加厚的混凝土噴層能更好地封閉巷道表面，防止其風(fēng)化、軟化，充分承載拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢保持了巷道的長期穩(wěn)定。

3.2 數(shù)值模擬效果分析

3.2.1 數(shù)值模擬模型的建立

通過FLAC3D對20701工作面運(yùn)輸巷支護(hù)方案進(jìn)行模擬對比，模型規(guī)格為50 m×30 m×75 m，如圖10所示。頂部施加5 MPa的局部應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取1.25，為消除邊界對巷道的影響，巷道左、右兩側(cè)寬度均為巷道半徑的10倍。煤巖層力學(xué)參數(shù)見表3。

圖10 模擬模型示意 Fig.10 Schematic diagram of simulation model

表3 煤巖層力學(xué)參數(shù) Table 3 Mechanical parameters of coal and rock strata

3.2.2 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬位移對比云圖如圖11所示。

由圖11可知，優(yōu)化支護(hù)前、后，運(yùn)輸巷斷面呈非對稱變形，主要位于頂、底板與右肩部分，與現(xiàn)場情況相符。優(yōu)化支護(hù)后，巷道變形得到明顯改善，頂、底板最大位移量由289 mm降低至59 mm，頂、底板最大移近量由369 mm降至67 mm；左、右兩幫最大位移量由318 mm降低至52 mm，左、右兩幫的最大移近量由387 mm降至68 mm；最大主應(yīng)力由10 MPa提升至17 MPa。注漿提高了破碎圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，提 高了圍巖的黏聚力，搭配合理間排距的錨桿/索結(jié)構(gòu)，使得圍巖-支護(hù)協(xié)同作用充分發(fā)揮，改善了20701運(yùn)輸巷大面積、非對稱變形。

圖11 數(shù)值模擬云圖 Fig.11 Numerical simulation cloud map

4 工程實踐

現(xiàn)場采用“錨桿/索+注漿+鋼筋網(wǎng)+U型鋼”聯(lián)合支護(hù)方式，為了解優(yōu)化支護(hù)后巷道的變形情況，驗證優(yōu)化支護(hù)方案對巷道控制的效果，利用YJDM3.6礦用激光巷道斷面檢測儀對中部分析區(qū)測點(原測點2和3)斷面兩幫及頂、底板的變形情況進(jìn)行為期60 d的再次監(jiān)測，并對中部斷面監(jiān)測情況進(jìn)行分析。巷道斷面位移及位移速率曲線如圖12所示。

由圖12可知，20701運(yùn)輸巷采用優(yōu)化支護(hù)方案后，初期的巷道頂、底板及兩幫變形速率普遍較快，待35～45 d后巷道斷面各點位移趨于穩(wěn)定，此后變 形速率不斷降低，等于0或接近0。測點2和3的頂、底板的平均移近量為141 mm，左、右兩幫的平均移近量為116 mm，測點2和3的頂、底板及兩幫在變形期間最大移近速度分別為6.2，3.6 mm/d和7.0，4.8 mm/d。巷道斷面變形監(jiān)測情況如圖13所示。

圖12 巷道斷面位移及位移速率變化曲線 Fig.12 Deformation and deformation rate curves of roadway section

由圖13可知，優(yōu)化支護(hù)后，巷道斷面變形較小，且未出現(xiàn)非對稱的大面積變形，30 d時斷面平均收縮率為9.23%，60 d時斷面平均收縮率僅為11.49%，之后斷面收縮率幾乎未發(fā)生改變。巷道斷面平均收縮率較原支護(hù)而言，降低了30.58%。監(jiān)測結(jié)果表明：采用“錨桿/索+注漿+網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù)方案后，能較好地將巷道變形控制在合理的范圍內(nèi)，且未影響工作面的正常生產(chǎn)。

圖13 巷道斷面監(jiān)測對比 Fig.13 Comparison diagram of detection of roadway section

5 結(jié) 論

(1) 20701工作面運(yùn)輸巷的原支護(hù)方式不合理，圍巖表面及內(nèi)部滲水，使內(nèi)部圍巖膨脹、軟化，且局部區(qū)域存在軟弱結(jié)構(gòu)面，進(jìn)一步破壞了圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元失效，造成巷道斷面呈大面積、非對稱變形。

(2) 根據(jù)原支護(hù)條件下運(yùn)輸巷斷面變形特征及其原因，提出“錨桿/索+注漿+鋼筋網(wǎng)+U型鋼”聯(lián)合支護(hù)方案。通過數(shù)值模擬驗證了優(yōu)化后支護(hù)方案的可行性，其極大地降低了巷道圍巖的變形量，頂、底板最大位移量降低了230 mm，左、右兩幫最大位移量降低了266 mm；通過注漿改善了破碎圍巖的力學(xué)條件，聯(lián)合錨網(wǎng)索、U型鋼等組成雙殼承載拱結(jié)構(gòu)，控制了巷道斷面的非對稱變形。

(3) 工程實踐表明，采用優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道斷面各點的位移量、收斂率大幅降低，頂、底板平均移近量為141 mm，左、右兩幫平均移近量為116 mm，巷道斷面平均收縮率由42.07%降至11.49%，降低了30.58%，使得巷道變形控制在合理的范圍內(nèi)，優(yōu)化效果顯著。