高應(yīng)力條件下巷道支護存在的問題及優(yōu)化舉措分析

張艷軍

（太原市明仕達煤炭設(shè)計有限公司，山西 太原 030001）

引言

深部巷道支護問題是制約當前煤礦深部開采的重要瓶頸性問題，從當前巷道深部支護情況來看，整體的支護環(huán)境相對于先前更為復雜，特別是高應(yīng)力問題帶來的其他支護難題隨之增加。全面做好高應(yīng)力條件下巷道支護是當前很多煤礦面臨的重要課題。從具體支護實踐來看，在很多方面還需要優(yōu)化提升。因此，對高應(yīng)力條件下巷道支護存在的問題及優(yōu)化舉措進行分析有著較為重要的意義。

1 某煤礦運輸巷道概況

某煤礦運輸巷道埋深接近800 m，從地質(zhì)勘察情況來看，巷道直接頂、基本頂主要是泥巖，整體的強度相對較低，泥巖厚度也相對較大，容易出現(xiàn)破碎的問題。直接底為炭質(zhì)泥巖、煤矸交叉層，這類巖石在遇水的情況下，容易出現(xiàn)膨脹等問題。從現(xiàn)場勘察和理論分析來看，巷道整體受到上覆巖層中厚度相對較大的砂巖影響，其中也有斷層的影響，導致巷道中出現(xiàn)了采動應(yīng)力、地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力相互疊加的問題，出現(xiàn)了局部應(yīng)力高度集中的情況。巷道原支護設(shè)計如圖1所示。在巷道原支護施工之后，巷道整體出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞問題，嚴重影響到巷道使用，礦方對巷道出現(xiàn)的變形問題進行了返修，但是返修效果不佳，因此，需要對巷道支護情況進行分析，提出更加復合實際的返修支護方案。

圖1 巷道原支護設(shè)計示意圖（單位：mm）

2 高應(yīng)力條件下巷道支護存在的主要問題

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，特別是通過對返修后的巷道表面位移情況進行觀察可得到，巷道在支護后，整體的表面出現(xiàn)了較大的位移問題，導致巷道表現(xiàn)出突出的變形破壞，整個巷道斷面幾乎已經(jīng)全部閉合，導致整個生產(chǎn)工作不能有效進行[1-2]。通過現(xiàn)場勘察和理論分析，得到巷道變形的主要問題有如下幾個方面：

1）巷道整體的埋深較大。巷道埋深已經(jīng)接近800 m，上覆巖層帶來的垂直應(yīng)力較大，在大埋深的情況下，水平應(yīng)力已經(jīng)成為了主應(yīng)力，在這種超高地應(yīng)力下，傳統(tǒng)的巷道支護方案和模式在很多方面表現(xiàn)出較大的不足，特別是再加上采動應(yīng)力的影響，深部巷道圍巖整體表現(xiàn)出工程軟巖的特點，也就是巖體在淺部情況下，有著較高的強度，但是在深部高應(yīng)力作用下，巷道已經(jīng)表現(xiàn)出了軟巖的特點，對整個巷道支護帶來了突出的影響問題。選擇使用應(yīng)力解除法對巷道所處地段的應(yīng)力情況進行了分析，見表1。

表1 巷道地應(yīng)力測量數(shù)值

2）從巷道支護方式來看，仍舊沿用的是傳統(tǒng)的淺部巷道支護方式，對在高應(yīng)力條件下，巷道圍巖和巷道支護體之間的相互作用并沒有形成一個清楚認識，并沒有結(jié)合深部高應(yīng)力條件，提出針對性的巷道支護返修方案，導致巷道出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞問題。

3）巷道圍巖巖性整體較差。從現(xiàn)場勘察來看，巷道圍巖有較多的泥巖，同時，現(xiàn)場有明顯的淋水痕跡，這類巖石在使用的過程中，出現(xiàn)了較大的膨脹問題，導致巷道錨桿支護體在支護的過程中，不能提供出有效支護應(yīng)力，對整個巷道支護帶來了非常突出的負面影響。同時，從現(xiàn)場來看，錨桿在煤體中出現(xiàn)了較為明顯的錨固應(yīng)力不足的問題，根據(jù)現(xiàn)場拉拔實驗來看，整體的有效支護嚴重不足，對巷道支護產(chǎn)生非常突出的負面影響。

4）從現(xiàn)場支護來看，現(xiàn)場施工人員對錨桿、錨索并沒有施加充足的預緊力，兩者均出現(xiàn)相對偏低的問題，導致錨桿、錨索支護之后，對整個巷道圍巖并沒有形成主動控制的效果，特別是巷道表層圍巖并沒有受到三方應(yīng)力作用，處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，整體的承載極限相對較低。此外，從現(xiàn)場支護情況來看，錨桿與錨索支護過程中，支護構(gòu)件也出現(xiàn)了不匹配的問題。兩者均沒有安裝調(diào)心球墊，導致受力狀態(tài)整體較為惡化，現(xiàn)場出現(xiàn)了較多的錨桿、錨索支護體破斷被外拉的情況。同時，錨桿與錨索的托盤已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的翻轉(zhuǎn)或者變形的情況，這表明對錨桿和錨索施加的預緊力已經(jīng)出現(xiàn)了失效。

3 高應(yīng)力條件下巷道支護優(yōu)化措施

為了確保巷道正常使用，為巷道提供有效的支護方案非常重要，結(jié)合巷道出現(xiàn)的變形破壞問題，根據(jù)巷道所處地質(zhì)條件，提出了“高強讓壓錨桿”與“帶肋樹脂錨索”返修支護方案。支護所用錨桿、錨索具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 返修使用的錨桿、錨索具體結(jié)構(gòu)示意圖

選擇使用以上述支護構(gòu)件為主體的返修支護系統(tǒng)，可以提供更高的支護強度，特別是提供的“讓壓”性能效果相對先前更好，對于高地應(yīng)力巷道的情況更為適應(yīng)，因為在高地應(yīng)力情況下，巷道圍巖內(nèi)一般蘊含著較大的能量儲備，通過將高地應(yīng)力進行適當?shù)摹白寜骸?，可以引導圍巖在可控的范圍內(nèi)進行能量的釋放，降低高地應(yīng)力對巷道支護體帶來的破壞，在可控的范圍內(nèi)釋放一定的圍巖變形，降低整個支護系統(tǒng)的支護難度。圖3 是巷道返修支護示意圖。在本次返修的過程中，考慮到巷道圍巖整體較為松軟，出現(xiàn)了較為明顯的破碎問題，全面做好對巷道頂板和兩幫的支護非常關(guān)鍵。因此，在返修的過程中，選擇使用縱橫鋼筋梁和金屬網(wǎng)配合的方式，對巷道表面進行了全面護表措施。

圖3 巷道返修支護示意圖（單位：mm）

在巷道選擇使用上述返修支護措施之后，技術(shù)人員對巷道整體的變形情況進行了現(xiàn)場勘察分析，選擇使用“十字交叉法”對巷道表面位移情況進行了研究。在本次返修觀察的過程中，充分考慮到錨桿、錨索支護下，圍巖活動表現(xiàn)出較強隱蔽性的問題，本次為了掌握一個較為完整的情況，本次對巷道支護情況進行了全面綜合觀測，主要有錨桿拉拔力、錨固力、頂板離層、巷道表面位移等進行了全面觀測，主要目的是全面掌握本次返修的情況，為下一步做好巷道支護的返修和調(diào)整工作提供出更為科學完善的依據(jù)。

通過對錨桿、錨索受力情況進行分析可知，在原支護的情況下，頂板錨桿的軸向應(yīng)力在50～60 kN，巷道兩幫錨桿的軸向應(yīng)力在40～50 kN，錨索的軸向應(yīng)力在100～125 kN，但是在采取了全新的錨桿、錨索支護構(gòu)件之后，頂板錨桿的軸向應(yīng)力在80～90 kN，巷道兩幫錨桿的軸向應(yīng)力在75～90 kN，錨索的軸向應(yīng)力在120～140 kN。從這些數(shù)據(jù)可以看出，在對巷道選擇使用了全新的支護錨桿、錨索支護系統(tǒng)后，整體的錨桿、錨索受力的情況相對于先前有了較大的提升，整體處于較好的工作狀態(tài)，對于高應(yīng)力條件下巷道支護更為適應(yīng)。

通過對巷道表層位移情況進行全面觀測，得到了巷道位移情況圖，如下頁圖4 所示。

從圖4 可知，在選擇使用了全新的返修支護方案之后，巷道位移整體情況相對于原支護條件下出現(xiàn)明顯改觀，整體均得到了較為有效的控制，變形量對巷道正常使用并沒有產(chǎn)生較大的影響[3-4]。

圖4 返修后巷道表面位移曲線圖

4 結(jié)語

高應(yīng)力條件下巷道支護相對于傳統(tǒng)的巷道支護方式在很多方面表現(xiàn)出了較大的不同，不僅僅要增強巷道支護的強度和剛度，更需要將圍巖自身的支護強度充分調(diào)動出來，形成耦合支護效果。很多煤礦也開始注重提升支護的耦合性，但是從具體工程實踐來看，耦合支護深度還需要提升，在很多情況下，并沒有達到較好的耦合支護狀態(tài)。因此，煤礦還需要加大對高應(yīng)力條件下巷道支護的研究和問題，找準支護優(yōu)化的關(guān)鍵點和結(jié)合點，全面提升巷道支護的整體質(zhì)效。