多次動(dòng)壓影響煤巷圍巖變形規(guī)律及支護(hù)技術(shù)

趙國(guó)旺

(銅川礦務(wù)局有限公司冶坪分公司， 陜西 銅川市 727102)

0 引言

受采動(dòng)影響的回采巷道，在開挖的過程中，周邊應(yīng)力場(chǎng)已經(jīng)存在擾動(dòng)，加上工作面回采過程中的支承壓力，會(huì)導(dǎo)致巷道產(chǎn)生較大變形。基于地質(zhì)以及開采條件的差異，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)壓巷道出現(xiàn)較大的變形，但是由于工作面回采期間產(chǎn)生的超前支承壓力和側(cè)向支承壓力，以及采空區(qū)上覆巖層斷裂垮落等動(dòng)壓影響，巷道圍巖條件、應(yīng)力狀態(tài)變得越加復(fù)雜，從而導(dǎo)致巷道底鼓等圍巖大變形現(xiàn)象[1-5]。隨著開采深度的不斷增加，煤層所處的賦存環(huán)境也越加復(fù)雜。深部和淺部在賦存環(huán)境上的差別是所謂的“三高”即高地應(yīng)力、高地溫和高孔隙水壓[6-8]。深部巷道常常出現(xiàn)地應(yīng)力、靜水壓力和涌水量增大的現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道圍巖力學(xué)環(huán)境日趨復(fù)雜[9-10]，特別是受到采空區(qū)上覆巖層回轉(zhuǎn)斷裂產(chǎn)生的強(qiáng)應(yīng)力擾動(dòng)，動(dòng)壓巷道底鼓問題特別嚴(yán)重，我國(guó)動(dòng)壓巷道普遍存在嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量達(dá)到300～1200 mm。深部高應(yīng)力動(dòng)壓巷道呈現(xiàn)出嚴(yán)重底鼓等圍巖大變形現(xiàn)象，不僅影響運(yùn)輸，還導(dǎo)致巷道維護(hù)困難，返修率高，維護(hù)與返修費(fèi)用成倍增加，現(xiàn)已嚴(yán)重影響到礦井的正常安全生產(chǎn)。

1 多次動(dòng)壓下巷道圍巖應(yīng)力及變形演化規(guī)律研究

冶坪煤礦一采區(qū)地質(zhì)說(shuō)明書及煤層揭露情況確定1308工作面走向長(zhǎng)度，1308工作面回風(fēng)順槽長(zhǎng)度為3327 m（含1307回風(fēng)順槽一段1055 m），運(yùn)輸順槽長(zhǎng)度為 3347 m（含 1307運(yùn)輸順槽一段1075 m），平均可采走向長(zhǎng)度2106 m，傾斜長(zhǎng)180 m。

利用FLAC3D數(shù)值軟件，分析1308回風(fēng)巷在整個(gè)使用期間，受到自身巷道掘進(jìn)、相鄰 1308工作面回采和 8101工作面回采多種采動(dòng)的影響，導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力變化特征，從而為將來(lái)巷道的掘進(jìn)提供合理的支護(hù)形式與設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.1 1308回風(fēng)巷掘進(jìn)期間巷道圍巖受力變形特征

如圖1所示，通過測(cè)點(diǎn)鉆孔觀測(cè)結(jié)果分析可以得到，頂板以上0～3.4 m為砂質(zhì)泥巖，巖層呈灰黑色，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中0.5 m處有兩條明顯的橫向裂隙，0.5～3.4 m巖層較為完整。3.4～4.5 m為煤層，黑色，半暗半亮型煤，中間4.1 m處為泥巖夾矸，該段煤層中有少量裂隙。4.5～11.8 m為細(xì)砂巖，巖層呈深灰色、灰白色，堅(jiān)硬致密，細(xì)砂粒狀結(jié)構(gòu)，其中4.8 m處有明顯的橫向裂隙，4.9～7.9 m巖層比較完整，8.0 m處為煤線，9.5 m處有微裂隙，9.7～11.8 m巖層完整，11.6 m為夾層。11.8～13.5 m為中粒砂巖，呈灰白色，該段巖層較為完整。13.5～16.8 m為砂質(zhì)泥巖，巖層呈灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，該段巖層比較完整，其中14.0～15.2 m為復(fù)合性巖層。16.8～19.2 m為細(xì)砂巖，巖層呈深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，該段巖層比較完整。

圖1 測(cè)點(diǎn)頂板巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果

如圖2所示，煤柱上的垂直應(yīng)力分布類似雙峰分布特征，整體來(lái)看垂直應(yīng)力變化較小，說(shuō)明1308回風(fēng)巷在巷道掘進(jìn)期間由于掘進(jìn)期間巷道擾動(dòng)較小，巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化影響較小。

圖2 1308回風(fēng)巷掘進(jìn)期間煤柱垂直應(yīng)力分布狀態(tài)

1.2 臨近1308工作面回采階段巷道圍巖受力變形特征

圖3為臨近1308工作面回采之后，1308回風(fēng)巷周邊巷道圍巖及煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布情況。從圖3可以看出，當(dāng)工作面回采后，煤柱內(nèi)部、巷道圍巖及工作面附近煤巖體應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)均發(fā)生很大的變化。當(dāng)煤柱尺寸為25 m時(shí)，當(dāng)工作面回采之后，煤柱上形成較大的垂直應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng) 1308回風(fēng)巷側(cè)垂直應(yīng)力峰值達(dá)到21.33 MPa，說(shuō)明由于此時(shí)煤柱尺寸較小，導(dǎo)致工作面回采后側(cè)向支撐壓力集中程度有所變化，不利于巷道后期穩(wěn)定和維護(hù)。

圖3 工作面回采期間煤柱垂直應(yīng)力分布狀態(tài)

如圖3所示，垂直應(yīng)力的雙峰分布狀態(tài)發(fā)生改變，此時(shí)煤柱應(yīng)力的峰值為43.9 MPa，而1308回風(fēng)巷垂直應(yīng)力的峰值為 23 MPa，相比，說(shuō)明此時(shí)1308工作面回采對(duì)1308回風(fēng)巷造成的動(dòng)壓影響十分明顯。

圖4為在1308工作面回采后，1308回風(fēng)巷受1308工作面回采動(dòng)壓影響后巷道垂直方向巷道變形分布情況。當(dāng)臨近的 1308工作面回采后，1308回風(fēng)巷在工作面回采動(dòng)壓影響下，巷道頂板相對(duì)比較掘進(jìn)階段產(chǎn)生較大的變形，此時(shí)巷道頂板最大變形量從掘進(jìn)期間的59.6 mm增大至166.9 mm，變形量較回采之前增大了約2.8倍。

圖4 1308回風(fēng)巷巷道變形分布情況

將以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，形成不同開采條件下 1308回風(fēng)巷圍巖垂直應(yīng)力和頂板下沉量對(duì)比示意圖，如圖5和圖6所示。

圖5 不同開采階段1308回風(fēng)巷圍巖峰值垂直應(yīng)力對(duì)比

圖6 不同開采階段1308回風(fēng)巷頂板下沉量對(duì)比

通過圖5和圖6可以看出，1308回風(fēng)巷在臨近工作面回采之后巷道周邊垂直應(yīng)力相比較掘進(jìn)期間增加170.1%，此時(shí)巷道頂板最大下沉量大幅度增加，在原有掘進(jìn)期間約增加194.5%，說(shuō)明此時(shí)臨近的 1308工作面回采造成動(dòng)壓影響十分明顯，造成1308回風(fēng)巷巷道嚴(yán)重變形。

對(duì)比之下 1308回風(fēng)巷掘進(jìn)之后巷道周邊垂直應(yīng)力相比較掘進(jìn)期間增加5.6%，此時(shí)巷道頂板最大下沉量略有增加，在原有掘進(jìn)期間增加約5.3%，說(shuō)明此時(shí)臨近的1308工作面回采造成影響較小，1308回風(fēng)巷巷道變形不大。因此巷道支護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮上述不同的巷道應(yīng)力環(huán)境，需要針對(duì) 1308回風(fēng)巷位于1308工作面回采的動(dòng)壓影響地段（0～1900 m）范圍內(nèi)，以及1308回風(fēng)巷不受1308工作面回采影響（1900～2500 m）范圍內(nèi)兩種情況進(jìn)行差異化的支護(hù)設(shè)計(jì)，滿足巷道支護(hù)需要。

2 優(yōu)化支護(hù)

2.1 支護(hù)方式

本章在對(duì)冶坪礦巷道地質(zhì)力學(xué)特性、巷道在服務(wù)期間全過程的變形破壞規(guī)律、不同支護(hù)強(qiáng)度巷道變形規(guī)律等研究基礎(chǔ)上，采用短錨桿和長(zhǎng)錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)對(duì) 1308回風(fēng)巷道 0～1900 m 動(dòng)壓段和1900～2500 m非動(dòng)壓段進(jìn)行分段支護(hù)，包括支護(hù)原則、依據(jù)、材料、機(jī)具等。

2.2 不同錨索長(zhǎng)度支護(hù)效果對(duì)比

圖7是錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN下，不同錨索長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布情況。從圖7可看出：

圖7 相同預(yù)應(yīng)力條件下不同錨索長(zhǎng)度的應(yīng)力分布

（1）隨著錨索長(zhǎng)度增加，預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的高度逐漸增加；

（2）隨著錨索長(zhǎng)度增加，錨索長(zhǎng)度中部及以上部分的壓應(yīng)力逐步減小；

（3）隨著錨索長(zhǎng)度增加，兩錨索之間中部圍巖的壓應(yīng)力逐步減小。

因此，可得出以下結(jié)論：當(dāng)預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，短錨索的主動(dòng)支護(hù)作用優(yōu)于長(zhǎng)錨索；通過提高錨索的預(yù)應(yīng)力，可適當(dāng)縮短錨索長(zhǎng)度。針對(duì)冶坪礦 1308回風(fēng)巷地質(zhì)生產(chǎn)條件，基于高預(yù)應(yīng)力一次支護(hù)理論，采用高預(yù)應(yīng)力錨桿與短錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)對(duì)1308回風(fēng)巷道0～1900 m動(dòng)壓段和1900～2500 m非動(dòng)壓段進(jìn)行分段支護(hù)，對(duì)于特殊地質(zhì)構(gòu)造段、富水段巷道應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

2.3 切頂卸壓技術(shù)原理與應(yīng)用結(jié)果

聚能爆破切頂卸壓技術(shù)是解決傳統(tǒng)沿空掘巷開采方式引起的圍巖大變形問題的重要手段之一[11]，該技術(shù)原理是沿巷道走向?qū)嵤┏肮ぷ髅娴念A(yù)裂爆破，爆破后各炮孔之間形成一條連續(xù)的結(jié)構(gòu)面切斷了巷道頂板與采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞路徑，減少了相鄰工作面回采過程中上覆巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力的擾動(dòng)，從而減少巷道圍巖變形。工作面回采后采空區(qū)頂板在上覆巖層重力和礦山壓力作用下發(fā)生垮落，減小了懸臂梁的長(zhǎng)度，使得頂板作用在煤壁上的壓力減少，緩解了煤柱的應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)了卸壓效果并減少了煤爆現(xiàn)象?？迓浜蟮乃槊涰肥瘜?duì)頂板起到很好的支撐作用，減少了基本頂對(duì)巷道頂板的壓力，避免了巷道頂板隨基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形而發(fā)生明顯變形位移，同時(shí)減少了從巷道頂板傳遞到底板的壓力。

通過十字布點(diǎn)方法監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形數(shù)據(jù)，對(duì)比分析未實(shí)施聚能爆破切頂卸壓技術(shù)和實(shí)施切頂卸壓技術(shù)后對(duì)巷道圍巖變形控制效果。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括頂板下沉量、底鼓量和兩幫移進(jìn)量。未切頂時(shí)的圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。從圖中可知巷道圍巖在超前工作面100 m處開始產(chǎn)生變形，在滯后工作面0～200 m范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生劇烈變形，滯后工作面200 m后變形趨于緩和，最終在滯后工作面450 m處不再發(fā)生明顯變化，圍巖最終保持穩(wěn)定。通過圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知巷道兩幫最大位移量為 630 mm，底鼓量為415 mm，頂板下沉量為247 mm。

圖8 未切頂巷道圍巖變形情況

實(shí)施聚能爆破后的巷道圍巖變形情況如圖9所示。從圖9可知，巷道圍巖在超前工作面50 m處開始產(chǎn)生變形，在滯后工作面0～100 m范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生劇烈變形，滯后工作面100 m后巷道圍巖變形趨于緩和。其中巷道兩幫最大位移量為435 mm，最大底鼓量為268 mm，頂板最大下沉量為175 mm。通過對(duì)比未切頂時(shí)的圍巖變形量可知切頂之后巷道圍巖變形得到了有效控制，其中兩幫最大移進(jìn)量減小了195 mm，最大底鼓量減小了147 mm，頂板下沉量減小了72 mm。

圖9 爆破切頂段圍巖變形情況

3 結(jié)論

高預(yù)應(yīng)力錨桿與短錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)能顯著控制巷道淺部圍巖早期的、結(jié)構(gòu)面滑移和離層等變形，與強(qiáng)力的短錨索深部支護(hù)協(xié)同作用，強(qiáng)化淺部圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成高強(qiáng)深淺圍巖承載體。

（1）當(dāng)臨近的1308工作面回采后，1308回風(fēng)巷在工作面的回采動(dòng)壓影響作用下，煤柱應(yīng)力的峰值為43.9 MPa，而1308回風(fēng)巷垂直應(yīng)力的峰值為23 MPa，巷道頂板最大變形量從掘進(jìn)期間的 59.6 mm增大至166.9 mm，變形量較回采之前增大了約2.8倍，在此條件下巷道受工作面回采的動(dòng)壓影響較明顯，不利于巷道后期穩(wěn)定和維護(hù)。

（2）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮上述不同的巷道應(yīng)力環(huán)境，針對(duì) 1308回風(fēng)巷位于1308工作面回采的動(dòng)壓影響地段（0～1900 m）范圍內(nèi)，以及1308回風(fēng)巷不受1308工作面回采影響（1900～2500 m）范圍內(nèi)兩種情況進(jìn)行差異化的支護(hù)設(shè)計(jì)，滿足巷道支護(hù)需要。

（3）分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果證明，對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂后，工作面周期來(lái)壓趨于平穩(wěn)，來(lái)壓值減小，來(lái)壓步距增大將近一倍；巷道底鼓等圍巖變形得到有效控制，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。