掘進巷道應(yīng)力區(qū)圍巖變形機理及控制技術(shù)

王海波

（晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦）

巷道掘進時破壞了巖體原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，使巖體應(yīng)力得到重新分配，巷道開挖后通過對圍巖施工支護體（錨桿、錨索、鋼帶等）進行維護，減少巖體應(yīng)力對圍巖破壞作用，保證巷道施工安全，但是掘進巷道布置在應(yīng)力區(qū)（如大斷層、陷落柱、采空區(qū)）附近時，受巷道圍巖特性、支護設(shè)計、支護強度等影響，造成巷道變形嚴重，主要表現(xiàn)在頂板下沉、破碎，煤壁片幫、移近量加大，底板鼓起幾方面，導(dǎo)致巷道成型率差，支護失效現(xiàn)象嚴重，采用傳統(tǒng)單一錨桿、錨索支護無法滿足生產(chǎn)需要，必須根據(jù)實際情況，分析圍巖變形機理，并采取合理有效的圍巖變形維護措施。本文以雁崖礦2305 巷為例，分析巷道過F7 斷層應(yīng)力區(qū)圍巖變形機理，并提出了圍巖變形綜合治理技術(shù)措施。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團雁崖煤業(yè)大同有限公司2305巷位于三盤區(qū)西翼，巷道東西走向布置，巷道南部為5305 巷，北部為實煤區(qū)，東部三盤區(qū)大巷，西部為井田邊界。

2305 巷設(shè)計長度為2 450 m，巷道斷面規(guī)格為5.0×3.5 m（寬×高），施工巷道掘進煤層為石炭系3#與5#合并煤層，其中3#煤層平均厚度為3.5 m，5#煤層平均厚度為11.7 m，3#與5#煤層間距為3.8 m，層間巖體主要為炭質(zhì)泥巖及泥巖與煤層混合巖層；2305 巷沿3#煤層頂?shù)装迤叫芯蜻M，采用綜合機械化掘進施工工藝，截至目前，巷道已掘進540 m。

2305 巷應(yīng)力區(qū)初步支護設(shè)計中頂板采用錨桿、錨索、W 型鋼帶進行聯(lián)合支護，頂板每排布置6 根長度為2.5 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距為0.9 m，排距為1.0 m，鋼帶與錨桿配套使用；頂板錨索采用φ17.8 mm×4.5 m 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置3根，間排距為2.0 m×3.0 m。巷幫采用單錨桿支護，錨桿長度為2.0 m，共計施工3排，間排距為1.0 m×1.0 m。

根據(jù)雁崖礦地測科提供掘進地質(zhì)資料顯示，2305 巷掘進至450 m 處位于巷道北側(cè)42 m 揭露一條F7 正斷層，斷層落差為17 m，傾角為52°，受構(gòu)造應(yīng)力、圍巖應(yīng)力等影響，巷道掘進至465 m 處時應(yīng)力區(qū)（450～520 m 段）巷道出現(xiàn)變形現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為頂板下沉、破碎，隨著巷道開拓延伸，當巷道掘進至470 m處時，應(yīng)力區(qū)巷道頂板下沉量達0.4 m，位于斷層側(cè)巷幫片幫深度達1.4 m，片幫長度為7.8 m，巷道成型率極差，而且局部頂板出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，原圍巖支護失效嚴重，無法起到預(yù)期支護效果。

2 2305巷圍巖變形原因分析

2.1 構(gòu)造應(yīng)力影響

巷道開挖前應(yīng)力區(qū)巖體主要受上覆巖層重力、原巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等作用，且處于相互平衡狀態(tài)，巷道掘進后打破了原有平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力區(qū)巷道圍巖受力不均現(xiàn)象，構(gòu)造應(yīng)力對巷幫產(chǎn)生拉伸破壞，對頂板產(chǎn)生剪切破壞，隨著巷道不斷開拓延伸，應(yīng)力破壞逐漸加大，主要表現(xiàn)形式：①頂板破碎且向頂板深處不斷延伸，造成頂板破碎松動圈范圍擴大，當應(yīng)力破壞達到極限時，頂板支護失效，出現(xiàn)頂板冒落現(xiàn)象；②在構(gòu)造應(yīng)力作用下，巷幫內(nèi)部巖體出現(xiàn)拉伸破壞作用，隨著作用力加大，巷幫內(nèi)部煤體穩(wěn)定性及抗拉強度降低，導(dǎo)致巷幫出現(xiàn)片幫，且移近量加大。

2.2 圍巖穩(wěn)定性差

（1）2305 巷沿3#煤層頂?shù)装迤叫芯蜻M，施工巷道頂板主要為泥巖、煤層為主的復(fù)合頂板，頂板巖體普氏系數(shù)f=2.7，單軸抗壓強度為27 MPa，巖體穩(wěn)定性差，頂板形成的承載梁承載能力低，在應(yīng)力作用下頂板易破碎，無法起到支撐作用。

（2）巷幫巖體主要為3#石炭系煤層，煤體內(nèi)含多層矸石，煤層膠結(jié)穩(wěn)定性差，煤體單軸抗壓強度不足11 MPa，巷幫煤柱支撐強度及抗拉強度低，對頂板垂直應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力無法起到預(yù)期支撐效果，在長期應(yīng)力集中作用下巷幫煤柱出現(xiàn)片幫等剝離破壞作用。

（3）2305 巷底板主要以炭質(zhì)泥巖為主，成層狀結(jié)構(gòu)，巖體巖石普氏系數(shù)f=3.5，抗壓強度低，在應(yīng)力區(qū)巷幫對底板產(chǎn)生的垂直剪應(yīng)力加大，底板軟巖對兩幫垂直應(yīng)力無法起到完全支撐作用，巷幫處底板下沉，巷道中部底板鼓起。

2.3 支護強度低、支護不合理

（1）由于2305 巷上覆巖層頂板主要為混合巖體，巖體穩(wěn)定性差，在應(yīng)力作用下頂板出現(xiàn)破碎狀態(tài)，在頂板往上0～3.5 m范圍內(nèi)形成破碎松動圈，而頂板錨桿長度為2.5 m，錨桿端位于破碎松動圈內(nèi)，錨固質(zhì)量差，出現(xiàn)錨桿支護失效現(xiàn)象，降低錨桿支護效果。

（2）頂板鋼帶長度為4.8 m，寬度為0.22 m，在應(yīng)力作用下鋼帶支護強度低，很容易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，同時鋼帶支護間距為1.0 m，支護相對密集，在應(yīng)力集中區(qū)相鄰2根鋼帶對破碎頂板很容易產(chǎn)生切頂破壞，進一步加大頂板破壞力度。

（3）頂板錨索長度為4.5 m，頂板錨固端位于5#煤層及3#與5#煤層之間混合巖層中，錨索錨固質(zhì)量相對較差，在應(yīng)力作用下混合巖層與5#煤層易出現(xiàn)離層現(xiàn)象，導(dǎo)致錨索錨固失效，起不到預(yù)期支護效果。

3 2305巷圍巖變形綜合治理措施

3.1 頂板下沉、破碎綜合治理措施

3.1.1 注漿支護

注漿支護主要通過對破碎巖體內(nèi)高壓注射化學(xué)黏結(jié)材料，黏結(jié)材料快速滲透到巖體裂隙內(nèi)，對破碎巖體進行黏結(jié)，控制圍巖裂隙發(fā)展以及圍巖“松動圈”范圍擴大，增加巖體抗壓強度及承載能力，從而得到提高破碎巖體穩(wěn)定性及膠結(jié)強度的目的。首先在工作面頂板破碎巖體施工注漿鉆孔，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔直徑為40 mm，每排布置4個鉆孔，鉆孔間距為1.0 m，鉆孔排距為3.0 m，孔與頂板仰角為45°，兩邊鉆孔與巷幫成60°夾角，如圖1 所示。鉆孔施工完后采用3ZBQ20/24 型煤礦用氣動注漿泵進行高壓注漿，注漿液采用催化劑與馬麗散配比為1∶1 混合液，注漿液壓為1.2 MPa，注漿期間發(fā)現(xiàn)破碎巖體或鄰孔有漿液滲出時立即停止注漿，并進行封孔處理。

3.1.2 縱向JW型錨索吊棚施工

（1）為了避免11#工字鋼對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用，增加支護體支護斷面，決定在破碎頂板施工縱向JW 型錨索吊棚代替原頂板單錨索支護；吊棚主要由一根長度為4.2 m、寬度為0.38 mJW 型頂梁及3 根長度為8.0 m、直徑為21.6 mm恒阻預(yù)應(yīng)力錨索等組成。

（2）在施工巷道應(yīng)力區(qū)頂板沿巷道走向方向依次施工3 個錨索鉆孔，鉆孔間距為1.8 m，鉆孔深度為8.0 m，孔徑為30 mm；鉆孔施工完后依次向鉆孔注入錨固劑及錨索，并采用手持式鉆機進行錨固，錨固力不得低于170 kN，錨索錨固后外露長度控制在0.15～0.25 m。

（3）錨索施工完后在其外露端吊掛JW 型頂梁，并采用鋼方墊、鎖具進行預(yù)緊，保證頂梁與頂板接觸嚴實，JW型錨索吊棚排距為2.0 m。

3.1.3 π型U29鋼棚安裝

（1）為了進一步提高頂板穩(wěn)定性，防止頂板下沉、冒落，在應(yīng)力區(qū)巷道內(nèi)架設(shè)π型U29鋼棚；鋼棚主要由一根長度為5.0 m 的π 頂梁、4 根長度為2.0 m 的U29型棚腿和2個底座組成。

（2）在巷道堅硬底板處安裝鋼棚底座，底座主要由一塊規(guī)格為0.3×0.3 m（長×寬）鋼板制成，鋼棚上焊制2個直徑為30 mm圓孔，采用2根長度為1.0 m地錨將其與底板進行固定。

（3）將棚腿與底座采用4根長度為150mm連接螺栓進行固定，棚腿與棚腿之間對插式連接，對插長度不得低于0.5 m，然后采用雙股卡纜進行固定預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200 N·m。

（4）兩幫棚腿固定后，將頂梁與棚腿采用卡纜進行固定，并調(diào)節(jié)鋼棚傾斜度，確保鋼棚與巷道垂直布置，垂直誤差不得超過3°。

（5）U29 鋼棚架設(shè)間距為1.0 m，待所有鋼棚架設(shè)完成后，在每一架鋼棚棚腿及頂梁施工一組固定錨桿，將其與巷幫進行固定，并在頂板不接頂處填塞水泥背板，確保鋼棚與頂板接觸嚴實。

3.2 巷幫破碎治理措施

3.2.1 超前管棚注漿支護

（1）超前管棚注漿支護原理：通過對巷道破碎圍巖施工超前管棚支護，并對管棚支護進行注漿，注漿液在高壓作用下滲透圍巖裂隙內(nèi)，對圍巖重組加固，同時對管棚支護體進行加長錨固，使管棚支護體與破碎圍巖膠結(jié)成整體，形成超前效應(yīng)梁支護結(jié)構(gòu)，從而降低集中應(yīng)力對圍巖超前破壞作用，控制巷道煤壁片幫現(xiàn)象。

（2）支護結(jié)構(gòu)及支護設(shè)備：采用長度為3.5 m，直徑為40 mm 的無縫鋼管，鋼管壁厚為5 mm，鋼管端頭為削尖狀，為了便于更好地插入鉆孔內(nèi)，鋼管端頭往里1.0 m 處在鋼管四周均勻布置3 排注漿射孔，每排布置6個射孔，孔徑為8mm，孔間距為0.3 m。

（3）支護工藝：2305巷掘進至470 m 處時，在位于斷層側(cè)巷幫施工一排超前支護鉆孔，鉆孔垂直工作面迎頭布置，鉆孔水平角為90°，允許偏差為3°，鉆孔深度為4.0 m，直徑為45 mm，鉆孔布置間距為0.6 m，每排布置5 個支護孔（1#～5#），其中上下2 個鉆孔（1#、5#鉆孔）與頂?shù)装彘g距為0.55 m，并以30°仰俯角布置，1#、3#、5#鉆孔為注漿孔，對注漿孔管棚支護體內(nèi)插入直徑為20 mm 注漿軟管，并在孔口處安裝止?jié){塞；將注漿軟管與3ZBQ20/24型煤礦用氣動注漿泵連接，進行注漿，注漿液同樣采用馬麗散與催化劑配比的無機化學(xué)注漿材料，注漿壓力為2.0 MPa。

3.2.2 桁架錨桿支護

（1）支護原理：傳統(tǒng)錨桿（索）支護時主要通過錨固劑將其固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，然后對桿體施加預(yù)應(yīng)力，通過托盤將不穩(wěn)定巖體進行加固；但是當圍巖內(nèi)存在剪切應(yīng)力時，應(yīng)力對錨桿（索）產(chǎn)生抵抗作用，導(dǎo)致錨桿（索）出現(xiàn)“疲勞”支護現(xiàn)象，很容易導(dǎo)致支護失效，降低支護效果；而桁架錨桿（索）支護時，在傳統(tǒng)錨桿（索）支護作用的前提下，支護體對巖體內(nèi)產(chǎn)生一個主動支護應(yīng)力，從而削弱圍巖內(nèi)剪應(yīng)力破壞作用。

（2）支護工藝：在2305 巷幫施工2 排桁架錨桿支護，第一排施工在距頂板1.0 m，第二排與第一排排距為1.5 m，布置間距為1.0 m，2排桁架錨桿支護成邁步式布置；每架桁架支護主要由2 根長度為2.5 m，直徑為22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、2 根長度為1.0 m圓鋼拉桿以及1根雙向張拉器組成；采用手持式鉆機在巷幫施工2 個錨桿支護孔，孔間距為1.8 m，鉆孔與巷幫夾角為75°且對稱布置；支護鉆孔施工完后，對鉆孔內(nèi)安裝2根錨桿并進行錨注，錨桿安裝后外露長度控制在10～30 mm，然后在2 根錨桿之間安裝桁架拉桿并采用張拉器進行預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200 N·m。

2305巷應(yīng)力區(qū)圍巖聯(lián)合支護見圖1。

4 應(yīng)用效果分析

截止2021年4月，2305巷已掘進至550 m 處且完全過F7 斷層影響區(qū)，通過對應(yīng)力區(qū)圍巖采取合理有效的支護技術(shù)后，有效控制了圍巖變形現(xiàn)象，取得了顯著應(yīng)用成效。

（1）巷道掘進后分別在450～465 m 段（未采取聯(lián)合支護措施）和490 m 處（已采取聯(lián)合支護措施）各安裝一臺YH-300 型數(shù)字顯示頂板離層儀，通過15 d 現(xiàn)場觀察，結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯?，未采取聯(lián)合支護時，在外界應(yīng)力作用下，應(yīng)力區(qū)頂板蠕動變形量大，在0～6 d頂板下沉量呈直線上升，6～11 d在原頂板支護作用下對頂板下沉現(xiàn)象起到控制作用，在11 d后頂板下沉量又成上升趨勢，主要由于在應(yīng)力作用下，頂板支護出現(xiàn)“支護疲勞”甚至破斷現(xiàn)象，支護質(zhì)量降低，頂板變形曲線呈階梯式。而頂板采取聯(lián)合支護技術(shù)后，在0～5 d 同樣頂板出現(xiàn)蠕動變形，頂板變形量呈上升趨勢，在5～10 d 頂板下沉量逐漸降低，在10 d 后頂板支護與變形圍巖起到有效的耦合支護作用，頂板下沉變形量趨于零，最終頂板下沉量控制在0.17 m以下。

（2）對2305 巷斷層側(cè)巷幫采取聯(lián)合支護技術(shù)后，巷道在后期應(yīng)力區(qū)掘進過程中片幫現(xiàn)象得到了明顯控制，通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，在460～530 m 段巷道最大一次性片幫長度為1.2 m，最大片幫深度為0.40 m，未出現(xiàn)因巷幫片幫導(dǎo)致巷道與頂板之間肩角煤柱垮落、頂板斷裂破碎現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

（1）對斷層區(qū)破碎圍巖采取注漿加固后，能夠?qū)崿F(xiàn)破碎煤巖體二次“重組”，提高了煤巖體膠結(jié)率，增加了煤巖體單軸抗壓強度，從而達到提高頂板韌性、強度以及抗載荷能力的目的。

（2）與傳統(tǒng)的工字鋼棚相比，JW 型錨索棚支護具有支護截面積大、支護強度高等優(yōu)點，解決了工字鋼棚變形、斷裂問題，避免了工字鋼棚在應(yīng)力區(qū)支護時出現(xiàn)切頂破壞現(xiàn)象。

（3）對巷道采取π 型鋼棚支護后，提高了頂板承載能力以及兩幫煤柱支撐強度，避免了頂板大應(yīng)力作用下應(yīng)力傳遞破壞作用而導(dǎo)致兩幫煤柱出現(xiàn)垮落、破碎、收斂等應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象。

（4）通過對巷幫煤柱施工桁架錨桿支護后，有效削弱了圍巖內(nèi)部應(yīng)力破壞作用，控制了巖體內(nèi)部“松動圈”范圍擴大，提高了幫部錨桿錨固效果，降低其失效率。