孤島工作面巷道圍巖變形特征及修復(fù)加固技術(shù)研究

周 賢，馬 建，辛崇偉，邢恩睿，張立明

(1.陜西華彬煤業(yè)股份有限公司 下溝煤礦，陜西 郴州 713500；2.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250002；3.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083)

礦井因早期的條帶開采或是生產(chǎn)布局不合理而在井田內(nèi)形成孤島工作面，這類孤島工作面在構(gòu)造應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)影響、斷層破碎帶、不規(guī)則煤柱留設(shè)等因素影響下，工作面出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)域，巷道圍巖破碎程度高，造成支護(hù)失效、冒頂、劇烈底鼓、嚴(yán)重片幫等變形破壞現(xiàn)象，巷道維護(hù)成本高，且存在巨大的安全隱患，嚴(yán)重制約工作面的正常生產(chǎn)[1-4]。

針對(duì)厚煤層孤島工作面巷道圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們進(jìn)行了大量的探討和研究。柏建彪[5]等提出了厚煤層孤島綜放面巷道圍巖控制機(jī)理，采用錨桿注漿相結(jié)合的方式將巷道圍巖的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，使得巷道支護(hù)條件明顯改善。翟明華[6]通過(guò)建立下保護(hù)層中殘留孤島煤柱的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，應(yīng)用力學(xué)原理分析了殘留煤柱及被保護(hù)層煤體中的應(yīng)力狀態(tài)，得到煤柱誘發(fā)沖擊礦壓的機(jī)理，并指出保護(hù)層中殘留的孤島煤柱使上層煤中的應(yīng)力水平成倍增加，在大采深厚煤層條件下必然會(huì)發(fā)生沖擊破壞，并提出深孔爆破卸壓、大孔徑鉆孔卸壓是治理厚煤層孤島煤柱型沖擊礦壓的有效手段。秦忠誠(chéng)[7]以東灘煤礦厚煤層孤島工作面為研究對(duì)象，通過(guò)研究分析該礦厚煤層孤島工作面跨釆軟巖巷道實(shí)際情況，分析了厚煤層跨釆巷道穩(wěn)定性的影響因素和厚煤層跨采巷道支護(hù)基本原理，提出了巷道圍巖結(jié)構(gòu)理論和控制機(jī)理，針對(duì)厚煤層跨采巷道破壞變形狀況，實(shí)施了有效的支護(hù)措施。

以下溝煤礦ZF303工作面為研究對(duì)象，從增加圍巖承載能力的角度，綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬的方法研究高應(yīng)力下的巷道斷面支護(hù)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件提出了高應(yīng)力區(qū)巷道分區(qū)圍巖注漿加固技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)確定巷道修復(fù)加固方案的可行性。以期為厚煤層孤島工作面巷道圍巖注漿加固工程提供參考。

1 工程概況

下溝煤礦ZF303工作面為兩側(cè)采空的孤島工作面，北鄰ZF304工作面，南鄰ZF302工作面，相鄰工作面均已采空，成為一個(gè)孤島工作面，ZF303工作面布置如圖1所示。工作面主采4號(hào)煤層，煤層厚度11.5m，平均煤層傾角20°，屬于緩傾斜厚煤層，工作面頂板存在0.2m的砂質(zhì)泥巖，煤層底板為鋁土質(zhì)泥巖，平均厚度6.5m，煤層頂?shù)装鍘r層狀況如圖2所示。

圖1 ZF303工作面位置

圖2 工作面頂?shù)装鍘r性

ZF303工作面運(yùn)輸巷原支護(hù)采用“錨網(wǎng)索+鋼帶+單體支柱”作為支護(hù)方案，支護(hù)參數(shù)：左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿規(guī)格為?22mm×2400mm，間排距為1000mm×800mm。高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格為?22mm×7300mm，間排距為1000mm×2000mm。巷道圍巖受相鄰采空區(qū)以及本工作面超前采動(dòng)影響后，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道圍巖變形速度快、變形量大，底鼓嚴(yán)重，并伴有錨桿索支護(hù)失效，巷道經(jīng)多次翻修及采用常規(guī)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，變形破壞仍難以遏制，大變形區(qū)域巷道斷面難以滿足正常使用，巷道維護(hù)成本較高，且存在巨大的安全隱患，嚴(yán)重制約工作面的正常回采。

2 ZF303運(yùn)輸巷破壞特征分析

2.1 巷道頂板覆巖結(jié)構(gòu)特征與礦壓顯現(xiàn)

ZF303工作面為孤島工作面，工作面在回采過(guò)程中，后方采空區(qū)頂板垮落，與兩側(cè)采空區(qū)垮落頂板形成一個(gè)類似C型的覆巖空間結(jié)構(gòu)[8，9]，孤島工作面回采巷道前后應(yīng)力分布特征如圖3所示。隨著工作面回采上覆巖層C型空間結(jié)構(gòu)也在不斷向前移動(dòng)，后方采空區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。工作面頂板上覆不規(guī)則垮落帶巖層大部分呈懸空狀態(tài)，該部分頂板巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力傳遞到工作面前方煤體以及兩側(cè)煤柱內(nèi)，此時(shí)采空區(qū)處于應(yīng)力降低區(qū)，如圖3中C區(qū)域；隨工作面推進(jìn)距離加大，采空區(qū)破碎垮落帶不斷被壓實(shí)，上覆巖層自重應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移到采空區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致采空區(qū)后方垂直應(yīng)力逐漸增大，該部分區(qū)域內(nèi)壓力逐漸恢復(fù)到接近原巖應(yīng)力，工作面后方及兩巷頂板巖層在強(qiáng)采動(dòng)影響下發(fā)生大范圍破斷，兩巷及煤體支承壓力急劇增大，屬于應(yīng)力增高區(qū)，如圖3中B區(qū)域；兩巷外側(cè)靠近煤柱側(cè)采空區(qū)頂板在采動(dòng)影響下進(jìn)一步垮落破斷，充填采空區(qū)，在煤柱外側(cè)一定區(qū)域內(nèi)屬于應(yīng)力降低區(qū)，向采空區(qū)深部延伸，采空區(qū)應(yīng)力逐漸增大，直至達(dá)到上部巖體的自重應(yīng)力γH，并趨于穩(wěn)定。

A—原巖應(yīng)力區(qū)；B—應(yīng)力增高區(qū)；C—應(yīng)力降低區(qū)；D—應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)圖3 孤島工作面前后方應(yīng)力分布特征圖

2.2 巷道圍巖特性分析

ZF303運(yùn)輸巷在4號(hào)煤層中開掘，留設(shè)2m底煤，通過(guò)在巷道頂?shù)装邈@取巖芯，分析得到巷道頂?shù)装鍘r性主要以細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖和煤為主，巷道圍巖主要呈現(xiàn)以下特性。

1)4號(hào)煤層平均厚度11.50m，屬于特厚煤層，煤質(zhì)較硬，但與偽頂泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)性較差。

2)煤層偽頂為厚度0.2m的砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低且遇水膨脹，泥巖與煤層、直接頂之間膠結(jié)性較差，易形成較大離層，導(dǎo)致巷道頂板處于非穩(wěn)定狀態(tài)。

3)煤層底板為鋁土質(zhì)泥巖，平均厚度為6.5m，強(qiáng)度低且遇水膨脹；底板巖層與煤層之間滑面接觸，在高水平應(yīng)力作用下，易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，造成兩幫失穩(wěn)。

2.3 巷道圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律分析

針對(duì)下溝煤礦ZF303運(yùn)輸巷地質(zhì)特點(diǎn)，利用ZXZ20-Z型鉆孔窺視儀對(duì)巷道圍巖內(nèi)部破壞與變形情況進(jìn)行鉆孔探測(cè)分析[10-13]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研結(jié)果得知，ZF303工作面運(yùn)輸巷導(dǎo)線點(diǎn)900～1400m范圍內(nèi)頂板下沉類型不同，其中導(dǎo)線點(diǎn)900～1100m范圍內(nèi)，頂板整體完整，但是出現(xiàn)下沉現(xiàn)象；導(dǎo)線點(diǎn)1100～1400m范圍內(nèi)，頂板表面破碎，局部出現(xiàn)網(wǎng)兜?；谡{(diào)研結(jié)果，在導(dǎo)線點(diǎn)900～1100m和導(dǎo)線點(diǎn)1100～1400m兩范圍段巷道中心各選取1個(gè)斷面，每個(gè)斷面頂板布置3個(gè)窺視孔，每個(gè)孔深度9m，兩幫各布置1個(gè)窺視孔，窺視孔深度6m。斷面內(nèi)窺視孔布置如圖4所示。

圖4 斷面內(nèi)窺視孔布置示意圖(mm)

根據(jù)2個(gè)鉆孔的窺視結(jié)果得知，ZF303運(yùn)輸巷頂板較為完整區(qū)域及頂板表面較為破碎區(qū)域內(nèi)部裂隙、離層發(fā)育狀況不完全一致，且巷道圍巖破壞呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性。其中頂板較為完整區(qū)域裂隙發(fā)育區(qū)集中在5.6～6.0m范圍內(nèi)，離層集中6.0～6.7m巖層過(guò)渡位置；頂板表面破碎嚴(yán)重區(qū)域內(nèi)部破碎帶集中在0～1.6m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育區(qū)集中在1.6～2.4m范圍內(nèi)，離層集中在5.6～6.1m范圍，鉆孔內(nèi)部裂隙發(fā)育狀態(tài)如圖5、圖6所示。從分析結(jié)果中可以看出，離層發(fā)育位置主要在偽頂附近。

圖5 完整頂板鉆孔窺視結(jié)果

圖6 破碎頂板鉆孔窺視結(jié)果

2.4 巷道破壞主要影響因素

根據(jù)巷道圍巖特性分析、圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況，結(jié)合巷道現(xiàn)支護(hù)形式和施工管理等狀況，可以得出巷道嚴(yán)重變形破壞主要原因：

1)孤島工作面超前支承壓力大。孤島工作面在工作面回采過(guò)程中，后方采空區(qū)頂板垮落，與兩側(cè)采空區(qū)垮落頂板形成一個(gè)類似C形的覆巖空間結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)上覆巖層結(jié)構(gòu)的大面積周期性破斷是產(chǎn)生工作面兩巷采動(dòng)影響的主要?jiǎng)恿υ?，該?dòng)力源是造成巷道超前支承壓力增大引起強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因。

2)巷道圍巖整體性差。巷道頂?shù)装鍑鷰r多為軟巖，黏土礦物成分較高，遇水易膨脹，難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，為巷道變形提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3)上覆巖層壓力大。ZF303工作面為兩側(cè)采空的孤島工作面，運(yùn)輸巷埋深383～400m，運(yùn)輸巷上覆巖層壓力較大，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的載荷也大，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，承受不住其載荷時(shí)，巷道將發(fā)生變形破壞，甚至造成支護(hù)體的破壞。

4)支護(hù)方式與圍巖條件適應(yīng)性差。由于ZF303工作面運(yùn)輸巷布置在煤層中，巷道圍巖強(qiáng)度低易造成變形破壞。且巷道上部頂板存在較厚煤層，錨桿的錨固段處在松軟、破碎，裂隙發(fā)育圍巖中，錨固力降低，容易造成組合拱整體下移，使錨桿拉力難以發(fā)揮，甚至造成支護(hù)失效。錨索的支護(hù)密度有限。整體而言，支護(hù)方式與圍巖條件適應(yīng)性差，難以控制巷道的穩(wěn)定。

綜上，孤島工作面巷道圍巖強(qiáng)度低、松軟破碎以及受采動(dòng)影響是巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的內(nèi)因；而初始支護(hù)沒(méi)有有效控制巷道圍巖的破碎帶發(fā)育是巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的外因。

3 采動(dòng)影響下巷道圍巖控制

針對(duì)圍巖變形破壞嚴(yán)重問(wèn)題，提出采用“錨桿+錨索+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案控制采動(dòng)影響下厚煤層孤島工作面巷道圍巖變形，并利用FLAC3D模擬修復(fù)加固方案以及原支護(hù)方案條件下巷道圍巖應(yīng)力和位移分布情況，從而分析修復(fù)加固方案和原支護(hù)方案的支護(hù)效果，數(shù)值模型尺寸為80(長(zhǎng))×40(寬)×40(高)；模型共共有6個(gè)分組，模型從上往下共5個(gè)巖土層，分別是細(xì)砂巖，細(xì)粉砂巖，煤層，泥巖，細(xì)粉砂巖，固定模型頂部以外的邊界，固定巷道方向的所有平面，在模型中部開挖5.4m×3.1m的矩形隧道，綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，明確各因素對(duì)巷道安全性造成的影響程度，對(duì)模型施加應(yīng)力邊界和位移邊界，巷道地面標(biāo)高908～1025m，上邊界所加荷載為10MPa。模型內(nèi)部，豎直方向和水平方向按照重力梯度分別加上豎直應(yīng)力梯度和水平應(yīng)力梯度，重力加速度取9.81N/kg。數(shù)值模型如圖7所示，模擬方案見表1。

表1 巷道支護(hù)模擬方案

圖7 數(shù)值計(jì)算模型

1)巷道圍巖位移分布特征。分析不同支護(hù)方案下巷道圍巖位移分布(圖8)可知，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)條件下巷道區(qū)域位移量主要集中在頂板和兩幫，巷道兩幫和頂板存在大變形，巷道兩幫位移為2605mm，頂板位移為1350mm；相比無(wú)注漿支護(hù)，注漿聯(lián)合支護(hù)條件下，巷道兩幫和頂板變形量明顯縮小，巷道兩幫位移為1200mm，巷道頂板位移為67mm。

圖8 巷道圍巖位移分布

2)巷道圍巖應(yīng)力分布特征。如圖9可知，在巷道兩幫水平方向受到0.75MPa的壓應(yīng)力，在巷道兩幫位置較為集中，是導(dǎo)致巷道兩幫發(fā)生變形的因素之一。在巷道底部，受到2.5～3.0MPa大小的剪應(yīng)力，且主要靠近兩幫底側(cè)，是使巷道底鼓和兩幫底部發(fā)生位移變形的主要影響條件之一。如圖10可知，巷道兩幫受到1.2MPa的剪應(yīng)力，使巷道兩幫發(fā)生剪切破壞，發(fā)生變形。相比無(wú)注漿支護(hù)，注漿聯(lián)合支護(hù)條件下，巷道兩幫應(yīng)力受到壓應(yīng)力0.045MPa，同時(shí)將塑性區(qū)主要分布在兩幫，使得巷道底部受到的剪應(yīng)力明顯減小。

圖9 方案一巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

圖10 方案二巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

模擬結(jié)果表明，相比原支護(hù)方案，“錨桿+錨索+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案有效地控制了巷道圍巖變形破壞，注漿使破碎巖體形成整體，提高了巷道圍巖的承載能力，有效的控制巷道圍巖變形破壞。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

4.1 巷道修復(fù)加固方案

根據(jù)模擬結(jié)果，最終確定ZF303運(yùn)輸巷修復(fù)加固方案為“錨網(wǎng)索+鋼帶+金屬網(wǎng)+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，巷道頂板分為破碎區(qū)域和完整區(qū)域，故對(duì)厚煤層孤島工作面巷道頂板分區(qū)注漿加固。具體的巷道支護(hù)方案如圖11、12所示。

圖11 頂板表面完整區(qū)域聯(lián)合支護(hù)(mm)

圖12 頂板表面嚴(yán)重破碎區(qū)域聯(lián)合支護(hù)圖(mm)

注漿材料選用礦用頂板高強(qiáng)無(wú)機(jī)注漿材料[14-16]；注漿壓力確定為2MPa，針對(duì)不同的頂板狀況適當(dāng)減少或增加注漿壓力，頂板表面完整區(qū)域范圍內(nèi)，巷道頂煤完整性程度較高，煤體內(nèi)部不存在裂隙、離層發(fā)育，裂隙、離層發(fā)育區(qū)主要分布在巖體過(guò)渡位置，因此巖體過(guò)渡位置是需要重點(diǎn)注漿加固區(qū)域，注漿錨索、注漿錨桿也不需要特殊的封孔工藝；頂板表面破碎區(qū)域，巷道頂煤的完整性程度較差，頂板表面破碎處向內(nèi)延伸2.4m范圍內(nèi)存在裂隙發(fā)育區(qū)，存在漏漿的風(fēng)險(xiǎn)，因此注漿錨索、注漿錨桿要采用非常規(guī)封孔工藝。頂板表面破碎嚴(yán)重區(qū)域，為提高圍巖有效固結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)該適當(dāng)縮小注漿錨索、注漿錨桿間排距[17]。

4.2 巷道支護(hù)效果分析

1)圍巖變形監(jiān)測(cè)。通過(guò)在巷道修復(fù)加固段布置檢測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道修復(fù)25d內(nèi)巷道表面位移變化情況，并與未修復(fù)段巷道圍巖變形情況進(jìn)行對(duì)比，注漿加固段注漿前后的圍巖變形量如圖13所示。

圖13 注漿前后圍巖變形量曲線

相比未修復(fù)段，注漿后工作面從超前150m左右推進(jìn)至面前30m左右區(qū)域，頂板下沉量最大為81mm，底鼓變形量最大為450mm，幫部變形量最大達(dá)到1455mm，控頂效果較好。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，聯(lián)合支護(hù)體系改善了巷道圍巖結(jié)構(gòu)，基本控制了巷道圍巖的變形失穩(wěn)。

2)注漿效果監(jiān)測(cè)。ZF303運(yùn)輸巷進(jìn)行注漿加固之后，對(duì)注漿加固后的巷道圍巖內(nèi)部裂隙分布及圍巖整體性狀況進(jìn)行鉆孔窺視，探測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 注漿效果窺視

觀測(cè)結(jié)果表明：注漿后漿液大范圍擴(kuò)散，圍巖內(nèi)部淡黃色膠結(jié)漿液密度非常大，連續(xù)長(zhǎng)度大。由此可見，圍巖淺部破碎接近于散體，承載能力非常有限，若受到采動(dòng)影響對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的維護(hù)帶來(lái)巨大困難。注漿后漿液將松散破碎的巷道圍巖膠結(jié)成整體，提高了巷道圍巖的整體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)利用圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分；且與原巖形成一個(gè)整體，注漿加固起到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)圍巖組分分析、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視儀探測(cè)分析巷道圍巖變形主要影響因素；

2)針對(duì)孤島工作面巷道圍巖變形破壞特征，提出”錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案，并通過(guò)數(shù)值模擬確定巷道修復(fù)加固方案的可行性。

3)提出高應(yīng)力區(qū)巷道分區(qū)圍巖注漿加固技術(shù)，有效的保持巷道破碎圍巖穩(wěn)定，促使巷道形成全斷面整體控制，降低了巷道修復(fù)工程量。

4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，巷道注漿加固段頂板、底板和兩幫最大變形量明顯減少，巷道圍巖裂隙基本被漿液充填，巷道圍巖變形基本得到控制。