復雜巖巷高預應力支護技術(shù)的應用研究

郭 君

（汾西礦業(yè)集團基本建設管理部， 山西 介休 032000）

引言

當前隨著我國煤礦開采行業(yè)的不斷向前發(fā)展，煤礦開采深度也在不斷加大，在煤礦井下掘進工作過程中經(jīng)常會受到一些復雜地質(zhì)條件因素的影響，造成煤礦井下掘進工作面開采工作困難，同時對工作人員的人身安全造成威脅。對此，在一些復雜的巖巷掘進工作過程中，需要對巷道支護技術(shù)進行合理應用，要有效做好地質(zhì)力學參數(shù)測試以及巷道破壞理論分析，結(jié)合實際工作條件對支護工作方法進行合理選擇與使用。現(xiàn)階段，在我國各大煤礦巷道掘進施工當中，高預應力支護施工技術(shù)在其中應用非常普遍，可以有效解決復雜地形條件下，煤礦巷道掘進工作中存在的各種安全隱患問題，保證整個巖石巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高煤礦開采工作效率，實現(xiàn)煤礦開采工作單位的良好經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程概況

某煤礦開采工作面巷道地面標高范圍在1156～1436 m 之間，煤礦井下標高范圍在668～750 m 之間，平均埋深為500 m，巷道總設計長度1780 m，預計服務年限為2 年。本次巷道坡度最小為2°，最大為11°，平均大小為6°。隨后掘進工作過程中回風巷道會對試驗巷道產(chǎn)生動壓干擾，并且南部位置的開采工作面已經(jīng)回采結(jié)束，對該位置的創(chuàng)造也會產(chǎn)生一定的壓力。對此，為了有效解決復雜巖巷存在的壓力影響和不穩(wěn)定性問題，項目工程單位通過采取高預應力支護技術(shù)有效保證巖層結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

2 地質(zhì)力學參數(shù)測試分析

通過前期的地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)煤礦巷道的頂板位于0～0.7 m 的厚度位置，主要是以泥質(zhì)砂巖材料為主，材料的整體呈灰色狀，并且整個巖層結(jié)構(gòu)的整體性較強。在巖層結(jié)構(gòu)0.7～4.5 m 的厚度范圍內(nèi)分布有大量的石灰?guī)r材料，材料主要是以灰白色狀為主，密實程度較高，同時材料比較堅硬，在煤礦巷道1～1.3 m厚度范圍內(nèi)存在大面積的縱向裂縫情況。1.9～2.6 m之間裂隙發(fā)育程度相對較高，3.5～4.5 m 之間賦存多條方解石巖脈。4.9～10 m 范圍主要是以泥質(zhì)砂巖為主巖層結(jié)構(gòu)，整體呈灰色狀泥質(zhì)鉸接程度較高，同時在4.5～6.5 m 之間巖層結(jié)構(gòu)構(gòu)成比較完整，6.5 m 位置存在比較明顯的橫向裂縫。10～15 m 之間主要是以細砂巖為主巖層結(jié)構(gòu)，整體呈灰色狀質(zhì)地比較堅硬[1]。

3 巖層巷道破壞機理

3.1 頂板變形破壞特征分析

煤礦巷道的頂部位置分布著大量質(zhì)地比較堅硬的巖石條件，同時煤礦巷道兩邊受到的橫向壓力作用較大，巷道基礎結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較嚴重的變形情況。與此同時，頂板區(qū)域的分層位置存在比較嚴重的結(jié)構(gòu)彎曲以及基礎下沉問題，巷道上部結(jié)構(gòu)位于頂板位置的空間出現(xiàn)明顯的變形狀態(tài)，主要是因為結(jié)構(gòu)在受到周圍擠壓應力的作用下產(chǎn)生變形。通過對一個或者多個頂板分層結(jié)構(gòu)進行受力條件分析，裂隙程度越高則所形成的變形量也就越大，造成基礎巖體結(jié)構(gòu)下部平衡性不足，存在一定的不穩(wěn)定性問題，下部鉸接巖塊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對較高，在水平方向上的受力程度相對較大。其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與水平方向上的受力，以及頂板位置的厚度跨比有著直接的關聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的裂隙穩(wěn)定性相對較高，并且具有一定的承受能力，在煤礦開采工作過程中，內(nèi)部的應力受力狀態(tài)會進一步加大，同時頂板位置會出現(xiàn)基礎下沉，形成上部裂隙彎曲結(jié)構(gòu)，以頂板位置的受力條件為基礎，主要承載整個巖巷的豎直方向平衡受力[2]。煤礦巷道定邊變形如下頁圖1 所示。

圖1 煤礦巷道定邊變形

3.2 兩幫和底板位置結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性分析

試驗巷道是以基石巷道結(jié)構(gòu)為主，兩幫為泥巖層，相比于煤幫而言，巖巷的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)成比較穩(wěn)定，巷道支護工作更加簡單，但是如果巷道位于相鄰的巷道掘進方向，或者是回采工作面的平面方向，在回采過程中經(jīng)常會對周圍的巖體結(jié)構(gòu)形成一定的擾動和影響。當形成高應力受力區(qū)域時，加上巖體結(jié)構(gòu)外表面容易受到風化作用而產(chǎn)生破裂，此時煤礦巷道容易產(chǎn)生整體性破碎問題，進而會造成頂板出現(xiàn)變形以及整個煤礦巷道產(chǎn)生嚴重的破壞。相反，當巷道位于相鄰區(qū)域的掘進工作面，或者是回采工作面條件下，經(jīng)常會受到應力擾動而產(chǎn)生不穩(wěn)定性情況，在后續(xù)對煤礦巷道外表面進行噴漿處理過程中，會造成煤礦巷道兩幫的碎片出現(xiàn)變形，巷道整體穩(wěn)定性有所下降[3]。

3.3 煤柱尺寸對于巷道穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響

寬度較窄的煤柱直接沿著空掘巷道方向上延伸，影響空掘巷道穩(wěn)定性的影響因素，主要體現(xiàn)在開采場的數(shù)值和橫向方向上的支撐壓力分布情況，受到相鄰回風巷道掘進受力所產(chǎn)生的干擾，相鄰工作面的巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會受到一定的擾動，動壓表現(xiàn)比較明顯，煤柱尺寸的留設工作過程中，需要盡可能避開一些頂板的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，或者是應力集中區(qū)域需要有效滿足低位瓦斯的抽采工作要求和標準。

4 設計工作方案和技術(shù)參數(shù)分析

4.1 原支護結(jié)構(gòu)方案評價和分析

本次巷道結(jié)構(gòu)主要是以延時巷道為主，周圍會受到回風巷道掘進施工所產(chǎn)生的影響，開采工作面的采空區(qū)域穩(wěn)定性有所不足，同時圍巖結(jié)構(gòu)的受力條件比較復雜，巷道后續(xù)的變形量相對較大。通過井下調(diào)研工作可以看出，在掘進工作過程中煤礦巷道的頂板位置穩(wěn)定性較高，同時基礎下沉量較小，但是構(gòu)造段的頂板破碎問題比較明顯，整體呈現(xiàn)出凹凸不平狀態(tài)，局部位置產(chǎn)生破碎和冒落，部分巷道出現(xiàn)偏旁和破碎問題，進而兜網(wǎng)和錨桿出現(xiàn)后部空洞情況，隨著該開采工作面回風巷道掘進工作的推進，在煤礦礦道掘進工作過程中，必須要對巷道周圍的應力處理條件情況進行分析和監(jiān)測，同時可以在煤礦礦道的兩側(cè)位置使用單體錨桿進行加固處理，有效保證基礎面支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果支護完成之后，航道兩側(cè)區(qū)域的應力擴散效果達不到標準要求，受力條件相對較差則會造成巷道的支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，嚴重的情況下甚至會產(chǎn)生更加嚴重的巖體破碎和巷道坍塌等事故[4-5]。

4.2 支護工作方法

在煤礦巷道的頂板位置設置出一定數(shù)量的支護錨索，并且需要對錨索的間距大小進行有效控制，本次巷道支護錨索的間距大小設定為1000 mm，剩余部分的支護參數(shù)需要進行更精確的計算。通過對煤礦巷道表面位移監(jiān)測量信息進行分析，其中頂板位置的最大下沉量約為22 mm，兩側(cè)位置的基礎下沉量最大達到14 mm。相比于整個煤礦巷道的尺寸所形成的變形量相對較低，可以保證在標準的控制工作范圍之內(nèi)。從巷道的巖體結(jié)構(gòu)變形時間上進行分析，巷道的整體變形量大小主要是在開采工作過程中，進入到工作區(qū)域超過深度范圍的巷道變形，對于超過深度范圍的巷道變形量會逐漸趨于穩(wěn)定，則說明本次煤礦放到在支護工作效果上達到了預期的要求。通過對支護錨桿的受力條件情況以及受力變化分析，可以得出錨桿在最初的受力大小方面，受力區(qū)間在38～56 kN，與錨桿最初所施加的300 N·m 設置參數(shù)基本保持相同，其中存在個別錨桿受力相對較小，主要和煤礦巷道的巖體構(gòu)成條件，以及表面的破碎程度之間有著直接的關聯(lián)。整體而言，由于錨桿的受力條件相對比較穩(wěn)定，同時在極限工作狀態(tài)下，錨桿的受力穩(wěn)定性相對較強，則說明錨桿的支護設計比較合理，可以充分發(fā)揮出錨桿的支護作用和效果。通過對錨桿錨索受力條件進行監(jiān)測和分析，可以有效了解巷道不同位置的變形情況，有效獲取錨桿的受力條件變化參數(shù)。

5 結(jié)語

錨桿錨索施加高預緊力智護工的方法，可以有效保證整個煤礦巷道的支護工作效果，與項目工程施工進度之間有效配合，充分提高煤礦開采工作效率和安全性，為推動我國煤礦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展打下良好的基礎。