深部煤幫巷道變形機理及返修控制技術分析

李一鳴

（河南能源焦煤集團趙固一礦，河南 輝縣 453600）

引言

從煤礦巷道支護情況來看，巷道兩幫相對于頂板、底板圍巖不僅強度相對較低，同時，其往往存在較多的原生節(jié)理裂隙，影響到巷道兩幫承載能力，特別是在采動影響下，煤幫出現(xiàn)較大變形破壞的問題更多。因此，選擇具體工程案例，對深部煤幫巷道變形機理及返修控制技術進行分析有著較為重要的意義。

1 工程概況

趙固一礦3213 巷道設計為矩形，沿著煤層頂板布置，長度為1 980 m，與旁邊巷道之間設計有厚度為35 m 的煤柱，巷道所處地段的煤層柱狀圖見圖1。從巷道原支護來看，選擇使用錨網(wǎng)索支護，見圖2。因為礦井整體瓦斯含量偏高，服務的工作面是兩個相鄰面，在上區(qū)段需要承擔瓦斯抽采任務，在下區(qū)段需要承擔運輸任務。但是從實際使用情況來看，由于受到周邊工作面開采擾動的影響，3213 巷道出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞問題，巷道斷面整體收斂嚴重，圍巖出現(xiàn)了較大的松動破壞圈，給巷道支護帶來了較大的難度，已經(jīng)不能滿足正常使用要求，特別是煤幫出現(xiàn)了明顯變形破壞，錨桿支護失去效果，巷道斷面整體減少，對煤礦巷道通風、運輸?shù)日Ｗ饔玫陌l(fā)揮帶來嚴重影響，巷道整體亟需進行返修[1]。巷道現(xiàn)場變形破壞圖見圖3。

圖1 煤層柱狀圖

圖2 巷道原支護設計圖

圖3 巷道變形破壞圖

2 采動影響煤幫變形機理

2.1 覆巖結構特征分析

在完成了3213 巷道周邊工作面開采之后，現(xiàn)場出現(xiàn)了直接頂垮落的問題。從頂板斷裂看，主要分為四個方面，見圖4，其中圖4（a）是基本頂在周圍工作面采空區(qū)邊緣的位置出現(xiàn)了斷裂，這種情況下，基本頂B 出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)和下沉的問題，對3213 巷道帶來的影響較小，因為基本定整體處于煤柱上方，隨著巖層的不斷破斷，圍巖中的應力集中問題將逐步得到有效釋放，巷道整體的穩(wěn)定性也相對較好[2]。在出現(xiàn)了斷裂的位置，煤柱受到的載荷主要是基本頂出現(xiàn)破斷，產(chǎn)生的重力載荷，在高應力的影響下，煤幫容易出現(xiàn)變形破壞問題，技術人員需制定針對性舉措，全面增強支護強度，對巷道圍巖出現(xiàn)的變形情況進行全面控制。出現(xiàn)斷裂的位置在巷道內(nèi)側煤體上方，整體的載荷由多方共同承擔，圍巖穩(wěn)定性相對較好，容易進行控制。對于斷裂位置在3213 巷道頂板上方，見圖4（d），這種情況下，煤層上方的頂板出現(xiàn)了非常嚴重的破壞，巖塊B 將出現(xiàn)明顯的回轉(zhuǎn)，巷道圍巖整體的破碎程度相對較大，對巷道支護提出了較高的要求，巷道整體維護難度相對較大[3-4]。

圖4 3213 巷道上覆巖層結構示意圖

2.2 煤柱變形破壞分析

為了對煤柱出現(xiàn)的破壞情況進行全面的分析，重點研究了在巷道服務的過程中，煤柱應力環(huán)境出現(xiàn)的演化情況，由于受到周圍工作面開采擾動帶來的影響，導致在煤柱側向基本頂出現(xiàn)了集中載荷，在高應力的影響下，煤柱整體表現(xiàn)出分層破裂的情況，直到在上方形成較為穩(wěn)定的結構。

3 采動影響煤幫變形破壞控制技術要點

3.1 煤幫變形控制分析

從煤柱產(chǎn)生破壞的機理來看，為了最大限度的控制，由于開采擾動導致的煤幫變形破壞問題，需要對巷道圍巖承載能力、力學性能等進行最大限度的改善。一方面要施加較高預緊力。通過采取提升支護構件剛度、預緊力的方式，能夠有效增強圍巖整體的殘余承載能力，對錨固巖體力學性能進行有效改善，從而實現(xiàn)對圍巖變形的有效控制。通過施加高預應力的方式，能夠有效改善煤柱承受的應力狀態(tài)，推動從雙向應力狀態(tài)，升級為三向應力狀態(tài)，有效提升支護結構穩(wěn)定性。另一方面，通過注漿實現(xiàn)改性。由于3213 巷道受到周圍開采工作面的影響，煤巖體出現(xiàn)了較為明顯的破壞失穩(wěn)問題，圍巖整體變形顯著。因為巷道直接頂、煤幫整體的結構較為松軟，錨桿等支護構件不能有效發(fā)揮錨固效果，通過注漿加固的方式，可以實現(xiàn)對煤巖體結構力學性能、完整性的有效改善，提升巷道煤巖體自身承載能力。對出現(xiàn)破壞的煤巖體采取加固措施，有效提升預緊效果，煤巖體水平應力也會明顯提升。同時，通過施加注漿的方式，煤巖體單軸抗壓強度也會明顯提升，煤巖體抗壓強度得到了有效改善。對于產(chǎn)生破碎的圍巖，通過注漿加固的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)圍巖內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力的有效改善，煤巖體可以從極限平衡狀態(tài)升級為彈性安全狀態(tài)[5]。

3.2 返修控制參數(shù)設計

分析了3213 巷道所處的實際地質(zhì)條件，通過采取注漿錨索+注漿管的方式，對巷道圍巖進行整體的加固，見圖5。

圖5 3213 巷道圍巖加固示意圖

對于頂板采取加強支護的方式。具體支護參數(shù)為：設置兩個深度為3 m 的注漿孔，對巷道圍巖進行淺層注漿，間距設計為1.5 m，排距設計為1 m。在垂直的方向上，本次設計了三根注漿錨索，參數(shù)為φ22 mm×6 m，間排距設計為1.5 m×2 m，通過對深部圍巖體進行注漿，提升深部圍巖的穩(wěn)定性。對于巷道兩幫采取加強支護措施。具體支護參數(shù)為：在距離巷道兩幫和底板0.85m的位置，設置三個深度為3 m 的注漿孔，間距設計為0.9 m，排距設計為1 m。同時，在與巷道兩幫垂直的方向，設置2 根長度為6 m，直徑為22 mm 的注漿錨索，間距設計為0.9 m，排距設計為1 m[6-7]。

4 巷道煤幫變形控制效果

為了對破碎煤幫穩(wěn)定性返修控制技術效果進行分析，根據(jù)3213 巷道布置情況，結合地質(zhì)條件、鉆孔數(shù)據(jù)，通過借助FLAC3D 模擬軟件，對巷道圍巖整體的情況進行了分析，見圖6。本次模擬選擇使用庫倫摩爾模型，通過數(shù)值模型，對巷道在加強支護下，回采過程中巷道圍巖變形破壞、應力分布情況進行分析，數(shù)值模擬結果見圖7。從圖7 可看出，在對巷道加強支護后，工作面距離巷道之間的距離在不斷的減小，巷道整體的變相量不斷提升，兩幫收斂量達到了124 mm，頂?shù)装宓囊平拷咏?70 mm，從模擬情況來看，巷道圍巖變形量與先前對比明顯降低。從兩幫塑性區(qū)發(fā)育情況來看，發(fā)育深度最大為3.2 m。巷道頂版塑性區(qū)發(fā)育最大深度為2.3 m，從塑性區(qū)的發(fā)育情況來看，均在錨索錨固的范圍內(nèi)。隨著工作面的不斷開采，3213 巷道圍巖支撐壓力數(shù)值在不斷提升，煤柱可以承受的集中應力也在持續(xù)提升，這些數(shù)據(jù)表明，本次通過采取注漿的方式，實現(xiàn)了對煤幫承載能力的有效改善和提升，返修支護方案較為科學合理。通過采取數(shù)值模擬的方式，表明采取的返修支護方案對控制巷道穩(wěn)定性較為有效。所以，選擇使用現(xiàn)場工業(yè)性試驗的方式，對工程情況進行進一步的驗證。本次重點對煤幫變形控制情況進行了分析，對注漿段巷道整體的變形情況，技術人員進行了針對性監(jiān)測，并對比分析了未注漿的巷道變形情況，見圖8。

圖6 FLAC3D 數(shù)值模擬模型

圖7 數(shù)值模擬巷道圍巖變形情況

通過圖8 可看出，在對巷道采取加固措施后，巷道圍巖變形量與先前相比明顯下降，對于沒有注漿的巷道，巷道頂板和底板的相對移近量超過了600 mm，而對比注漿段可知，頂板和底板的相對移近量為110 mm，下降幅度超過了80%。對于沒有注漿的巷道，巷道兩幫相對移近量超過900 mm，而對比注漿段可知，巷道兩幫的相對移近量為180 mm，下降幅度接近80%。這表明，采取上述返修支護方案后，巷道圍巖整體得到了較為有效的控制，特別是在重復擾動情況下，巷道圍巖的穩(wěn)定性實現(xiàn)了有效控制[8]。圖9 為巷道返修后，注漿段的現(xiàn)場支護效果圖。

圖8 返修后巷道圍巖變形量對比圖

圖9 返修后巷道支護效果圖

5 結論

綜上所述，煤礦在深部開采的過程中，在高應力的作用下，煤柱容易出現(xiàn)變形破壞的問題，需要針對性的采取加強支護的方式，實現(xiàn)對巷道圍巖變形的有效控制。同時，從煤柱出現(xiàn)的變形破壞來看，通過采取對破碎煤幫施加穩(wěn)定性控制技術的方式，提升預緊壓縮效果，改善煤幫整體的受力狀態(tài)，通過采取注漿加固，改善和提升煤巖體整體的承載能力，從而對巷道圍巖變形情況進行有效控制。