深部高應力軟巖巷道支護措施研究

吳曉明

（陜煤集團銅川礦務局煤礦管理有限公司，陜西 銅川 727000）

引言

當前我國很多煤礦已經經歷了多年的開采，面臨著中后期開采階段，特別是很多煤礦已經進入到深部開采階段，礦井整體賦存條件較為復雜，巷道不僅受到較大的地應力作用，還受到較大的地質構造應力影響。很多在淺部巷道支護中取得較好支護效果的支護方案，在深部高應力條件下，表現(xiàn)出明顯的不適應性。因此，在現(xiàn)階段的巷道深部支護過程中，需要充分研究巷道所處位置的地應力環(huán)境，對巷道支護方案進行綜合分析研究，才能更好提升巷道支護效果[1]。

1 工程概況

冶坪煤礦設計生產能力280萬t/年，當前主要開采的是3號煤層，煤層平均厚度為3.8 m。由于該煤礦已經進入到開采后期，整體地質構造較為復雜，工作面最大埋深在750 m左右，屬于深部開采工作面，巷道設計斷面為矩形。從巷道所處地質條件來看，直接頂巖性為砂巖，基本頂是粉砂巖，直接底巖性是泥巖，基本底巖性是粉砂巖。從工作面開采情況來看，區(qū)域構造較為復雜，原支護設計為錨索網支護[2]。

從工作面開采情況來看，由于周邊有著較多的采空區(qū)，工作面巷道受到采空區(qū)側向支撐壓力的影響相對較大，特別是在鄰近工作面固定支撐壓力與地質構造的相互作用下，工作面巷道整體出現(xiàn)了較大的變形破壞。

2 巷道變形破壞特征及原因

從現(xiàn)場勘察情況來看，運輸巷道整體已經表現(xiàn)出較大的變形破壞。一方面，巷道頂板整體出現(xiàn)了較大面積的下沉，特別是其中還有著較多的褶皺變形問題，巷道底板也出現(xiàn)了明顯的鼓起，從現(xiàn)場勘察情況來看，最大變形量已經超過了750 mm，在巷道的底板上已經有了明顯的裂縫，同時，底板變形表現(xiàn)出明顯的不對稱性，距離工作面一側的底板整體變形相對較大。另一方面，巷道兩幫出現(xiàn)了明顯的收斂變形，距離采空區(qū)一側的幫部整體出現(xiàn)了明顯的變形，變形量相對于距離工作面一側的幫部要明顯大，整體的變形也表現(xiàn)出明顯的非對稱性[3]。

為了更好實現(xiàn)對巷道的返修支護，本次對巷道出現(xiàn)的變形原因進行了深入分析。從分析來看，首先是巷道所處位置地應力較大。從現(xiàn)場勘察來看，水平應力已經成為了主應力，測壓系統(tǒng)達到了1.3。雖然巷道圍巖整體強度較大，但是在如此高的應力作用下，巷道圍巖開始表現(xiàn)出明顯的軟巖特征，出現(xiàn)了蠕變的特點，這也是巷道雖然進行了多次返修，但是在較短的時間內，巷道又出現(xiàn)了較大變形破壞的主要原因之一。其次，工作面運輸巷道在先前的支護控制下，處于靜壓作用下，已經表現(xiàn)出明顯的礦壓顯現(xiàn)，在工作面推進的過程中，巷道不僅受到了較大的地應力，同時超前支撐壓力、煤柱支撐壓力等出現(xiàn)了明顯的疊加效果，帶來了更為明顯的礦壓顯現(xiàn)。此外，從運輸巷的受力情況來看，不僅有周邊采空區(qū)的側向支撐壓力，同時還有著斷層構造應力、采動超前支撐壓力等各種類型次生應力的疊加影響，導致整個巷道出現(xiàn)了明顯的兩幫內移、頂板大面積下沉、底板大面積隆起等問題，嚴重影響到巷道的正常使用。從這些巷道變形情況來看，表明巷道支護已經失效，原有支護方案明顯不能有效控制巷道的穩(wěn)定性，需采取針對性的返修支護方案，對巷道支護情況進行全面的優(yōu)化和提升。

3 巷道返修支護分析

在工作面推進的過程中，運輸巷道處于多次擾動后產生的次生高應力場中，從理論分析、現(xiàn)場勘察情況來看，屬于較為典型的復雜高應力巷道。在本次返修時，根據(jù)巷道所處的圍巖條件、應力環(huán)境，提出了非對稱性、高剛度、高強度的巷道返修支護方案。在該方案實施時，將該方位分析了工作面A、B兩種斷面相間布置的方式，兩種斷面之間排距設計為800 mm。返修支護如圖1所示。

圖1 巷道返修支護示意圖

斷面A支護參數(shù)為：在巷道的兩幫設計采用高強度錨桿支護，將支護長度從1.8 m，延長為2.4 m，具體參數(shù)為：Φ18 mm×2.4 m，同時，在錨桿支護端部使用了樹脂錨固劑，全面加上錨固的長度，間排距設計為850 mm。為了提升支護的整體性，選擇使用異形鋼帶將錨桿進行全面連接。在巷道的頂板設計采用錨索支護，直徑從17.8 mm增加為21.6 mm，長度從5.8 m延長為7 m，間排距設計為1000 mm，并選擇使用樹脂錨固劑，實現(xiàn)加長錨固的效果。為了更好提升錨索支護效果，本次返修時，選擇使用W型鋼帶實現(xiàn)對錨索的全面連接。從而在巷道的表明，形成一個支護范圍更大、強度更強、整體性更廣的支護“殼體”，不僅實現(xiàn)了對巷道表層的有效強化，同時，還實現(xiàn)了對深部巷道穩(wěn)定性圍巖作用的有效利用，更好保障了巷道支護效果。

斷面B支護參數(shù)為：考慮到與A斷面支護形成相互協(xié)調、適當讓壓、控制變形的支護效果。在B斷面支護時，對支護強度進行了一定的降低，確保巷道內高應力在保證支護效果的前提下，實現(xiàn)內部高應力的適當釋放，不僅降低了巷道支護的成本，同時也提升了巷道支護的安全性。具體支護情況為，在巷道頂板進行錨索支護，參數(shù)為Φ17.8 mm×4000 mm，間排距設計為1000 mm，同時選擇使用W型鋼帶，實現(xiàn)與A斷面相鄰錨索的有效連接。對于距離工作面相對較近的巷道幫部，本次設計采用錨索與錨桿聯(lián)合支護的方式進行強化支護，間距設計為850 mm。錨桿支護參數(shù)為Φ18 mm×2400 mm，錨索支護參數(shù)為：Φ17.8 mm×4000 mm。不論是錨桿還是錨索均選擇使用W鋼帶與A斷面的錨桿、錨索支護的全面連接。對于距離斷層相對較近的巷道幫部，設計采用錨桿支護，參數(shù)為：Φ18 mm×2400 mm。

4 巷道返修支護效果

為了對巷道采取非對稱性、高剛度、高強度的巷道返修支護方案后，巷道整體穩(wěn)定性效果控制情況進行全面分析，本次在返修后，設置了三組礦壓觀測站，對巷道整體的情況進行分析，其中，站1主要是對工作面回采過程中巷道圍巖變形量進行觀測，站2和站3對工作巷道掘進過程中巷道圍巖變形量進行觀測。因為工作面剛進入到正式回采階段，所以，這三個站點在測量過程中，整體受到了較大的采動影響，本次觀察得到的數(shù)值均是巷道掘進過程中巷道圍巖的變形量。觀測情況如圖2所示。

圖2 巷道返修支護后巷道表面位移變化圖

從圖2可知，巷道頂板和底板整體的變形量相對較大，同時在距離掘進頭大約80 m的位置整體變的穩(wěn)定。頂板和底板的最大變形量在110mm到120mm。巷道兩幫整體的變形量相對較小，在距離掘進頭70 m的位置，整體趨于穩(wěn)定，兩幫的最大收斂量在100 mm到110 mm。從測量情況來看，兩幫移近量主要聚焦在距離斷層較近的位置。從頂板和底板的相對移近量來看，主要是頂板的下沉量為主。這充分表明，在多種類型的疊加應力作用下，巷道圍巖整體變形表現(xiàn)出較為突出的非對稱變形特點。

從本次觀察情況來看，在返修之后，巷道整體的變形量出現(xiàn)了較為明顯的下降，下降的幅度超過了70%，其中頂板和底板的相對移近量從500 mm減少到120 mm左右。兩幫的相對移近量從800 mm下降到110 mm左右。從這些數(shù)據(jù)可看出，在選擇使用了全新的支護方案后，實現(xiàn)了對巷道圍巖整體變形量的有效控制。

5 結語

本次通過對煤礦工作面所處圍巖條件、應力環(huán)境進行分析，針對性提出了非對稱性、高剛度、高強度的巷道返修支護方案，有效控制了巷道大變形破壞。因此，煤礦需要充分認識到當前巷道支護環(huán)境出現(xiàn)的變化，全面綜合分析巷道所處的環(huán)境特點，采取針對性的優(yōu)化和提升措施，全面優(yōu)化巷道支護方案，更好保證巷道支護效果。