煤礦復雜條件巷道圍巖松動圈支護原理與技術

靖洪文　孟　波（1.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州221116；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221116）

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煤礦復雜條件巷道圍巖松動圈支護原理與技術

靖洪文[1，2]孟波[1，2]
（1.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州221116；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221116）

摘要煤礦復雜條件巷道開挖后圍巖松動圈的產生不可避免。通過對大同礦區(qū)典型巷道松動圈發(fā)育規(guī)律現(xiàn)場實測及數值模擬研究，發(fā)現(xiàn)：復雜條件巷道圍巖大松動圈普遍存在，且具有多階段、不對稱非均勻發(fā)育特征，據此提出了大松動圈巷道二次穩(wěn)定支護原理與“三錨”支護技術，對破裂圍巖施加高預緊力及高阻耦合讓壓特性錨桿是控制復雜應力條件巷道穩(wěn)定性的有效手段。

關鍵詞復雜條件；松動圈；二次穩(wěn)定；三錨支護

1　引言

巷道開挖后，圍巖由三向應力狀態(tài)轉變成為兩向應力狀態(tài)，并在壓力差作用下發(fā)生破壞卸荷，產生一定范圍的破裂區(qū)，這個破裂區(qū)被稱之為松動圈［1］。松動圈的形成過程是圍巖在重分布集中應力作用下結構及強度逐漸劣化的過程，同時也是最大主應力逐步向圍巖深部遷移并穩(wěn)定的過程，穩(wěn)定后的松動圈厚度綜合反映了圍巖應力、圍巖強度等因素共同作用的結果［2］。

研究表明［3］，松動圈內部圍巖破裂程度隨著圍巖深度的增加而減小，強度階段逐漸由殘余強度階段過渡為峰后軟化段、塑性段，最終為未受擾動的彈性段（圖1）。四個階段中圍巖峰后軟化段和殘余強度段的變形量對煤礦大松動圈巷道圍巖收斂變形貢獻最大，占75%～95%［4］，這部分變形產生的碎脹力是支護結構承受的主要壓力。因此，松動圈越大，破裂圍巖在后續(xù)壓力作用下的碎脹變形量就越大，支護難度就越高，反之支護難度越小，甚至不用支護［5～6］。

松動圈內部圍巖雖然處于破裂狀態(tài)，但破裂塊體的強度沒有太大損失，它們之間相互擠壓、交錯、摩擦、嵌固，形成了一定的整體結構強度，使得實際工程現(xiàn)場巷道圍巖雖然普遍發(fā)育松動圈，但仍然能夠保持穩(wěn)定，不會立即發(fā)生失穩(wěn)［7］。而如果圍巖在后續(xù)壓力作用下沒有得到有效的支護，那么松動圈將會持續(xù)發(fā)展，并最終導致巷道失穩(wěn)。

圖1巷道圍巖四區(qū)與巖石全應力應變曲線的對應關系

大同礦區(qū)侏羅系煤層經歷了長期開采后，開采條件日益復雜，空間上采面布置引起的邊角煤、極近距離煤層、過煤柱以及生產接替產生的采掘交鋒等復雜條件巷道增多，進入石炭系地層后，巷道埋深增加，火成巖侵入巨厚煤層大斷面巷道支護導致坍塌冒頂問題也時常發(fā)生，巷道松動圈的發(fā)育規(guī)模、形態(tài)及演化規(guī)律相對于傳統(tǒng)認識出現(xiàn)了新的特點。

2　復雜條件下巷道松動圈發(fā)育規(guī)律

2.1大松動圈普遍存在

復雜條件巷道是指面臨火成巖侵入、地質構造、薄地層分層、低強度巖層等地質條件問題以及過煤柱、極近距離、采掘交鋒、孤島工作面等應力環(huán)境問題的巷道。地質條件復雜巷道圍巖強度低、結構性差，在圍巖應力不大的情況下即可產生大松動圈，如受火成巖侵入影響，石炭系煤層酥松多孔，加之受到構造的影響，在巷道掘進過程中即產生大松動圈，并誘發(fā)冒頂事故。應力環(huán)境復雜巷道圍巖在高集中應力條件下易發(fā)生變形破裂，且對工作面回采、老頂破斷等應力擾動極為敏感，容易產生大松動圈。如極近距離煤層巷道圍巖在上覆煤層采空區(qū)煤柱的影響下，應力集中系數可達到5以上，工作面回采擾動疊加后，巷道極易失穩(wěn)。

采用地質雷達、超聲波測試及鉆孔攝像綜合測試手段，對大同礦區(qū)典型復雜條件巷道松動圈進行了現(xiàn)場實測，部分測試結果見表1。結果表明，復雜條件巷道松動圈厚度大多數均超過1.5 m，局部可達3 m以上。這說明雖然大同礦區(qū)煤層巷道整體埋深不大，但復雜條件巷道中大松動圈普遍存在，這類巷道支護已經進入大松動圈工程的范疇。

表1大同礦區(qū)復雜條件巷道松動圈部分測試結果

另外，對復雜條件巷道而言，即使是在同一條巷道，由于位置不同，松動圈發(fā)育范圍也會不同。如白洞礦5107巷為過煤柱巷道，進煤柱前10 m范圍內圍巖變形破裂嚴重，松動圈最大厚度為2.4 m，其他普通位置松動圈厚度僅為0.8～1.6 m。

2.2松動圈多階段發(fā)育

以往研究表明［1］，條件簡單巷道松動圈形成時間一般為3～7天，大松動圈形成時間為1～3個月。應力環(huán)境復雜巷道圍巖普遍處于高應力水平，應力調整周期較長，形成穩(wěn)定松動圈的時間較長。根據現(xiàn)場觀測，應力環(huán)境復雜巷道開挖后形成穩(wěn)定松動圈的時間一般為5～18天，

巷道圍巖松動圈形成并穩(wěn)定后，破裂區(qū)外部主承載區(qū)圍巖承擔峰值應力，而由于受到工作面回采、老頂破斷、爆破［8］等因素的影響，主承載區(qū)圍巖不可避免的要承受應力擾動。現(xiàn)場觀測表明，高應力條件下圍巖承受擾動載荷后其內部松動圈迅速擴大。大同礦區(qū)忻州窯礦5937巷為典型的堅硬頂板巷道，老頂周期來壓劇烈，對5937巷開挖至8937工作面回采全過程進行了松動圈觀測，截取并組合巷道開挖、工作面回采以及老頂來壓三個階段松動圈發(fā)生變化時期內的觀測曲線形成（圖2）。由圖可知，在工作面回采逐漸逼近觀測斷面過程中，松動圈厚度逐漸增加并趨于穩(wěn)定，直至老頂來壓，松動圈厚度出現(xiàn)突變，一次增加了0.8 m。

圖2忻州窯5937巷松動圈觀測曲線

2.3不對稱非均勻發(fā)育

如前所述，松動圈大小是進行巷道支護設計的基礎參數，而由于受到地應力場、圍巖巖性組成等因素的影響，即使是在巷道同一斷面，不同位置松動圈的范圍也往往是不同的。通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，松動圈形態(tài)受巷道斷面形狀的影響明顯。分別建立圓形、直墻拱形，梯形和矩形四種斷面形式巷道計算模型，考察巷道斷面對松動圈大小及形態(tài)的影響。圓形、直墻拱形、梯形和矩形巷道的松動圈大小及分布范圍如下圖所示。

圖3不同斷面形狀的巷道圍巖松動圈分布特征

從圖3可以看出，松動圈存在圓形、蝶形和菱形等形式。圓形巷道圍巖松動圈分布形式與巷道斷面形狀相同，厚度約為1.8 m。直墻拱形斷面具有圓形部分使得其幫部和頂板松動圈呈現(xiàn)近似圓形分布，厚度分別為1.8 m和2.1 m，底板松動圈范圍大于頂板和兩幫，厚度為3 m，松動圈整體仍呈“圓形”分布。矩形斷面巷道松動圈總體上呈現(xiàn)菱形分布，即頂底板以及兩幫中心位置松動圈厚度較大，厚度均超過了3 m，拐角位置松動圈厚度較小。

3　復雜條件巷道松動圈穩(wěn)定控制

3.1大松動圈巷道二次穩(wěn)定支護原理

按照巷道穩(wěn)定性的常規(guī)定義，當巷道開挖后圍巖內一點的應力小于相應圍巖的強度時，該處圍巖沒有破壞，認為巷道是穩(wěn)定的，稱之為穩(wěn)定。當巷道圍巖應力達到了圍巖強度，圍巖發(fā)生了破壞，稱之為失穩(wěn)。然而，如果以這樣的穩(wěn)定性條件衡量煤礦大量的巷道，可以發(fā)現(xiàn)，它們均處于失穩(wěn)狀態(tài)！但是經常的情況是圍巖破壞了，巷道仍然處于正常使用狀態(tài)。可見上述穩(wěn)定概念不能反映巷道工程穩(wěn)定的全部問題，這種傳統(tǒng)意義的穩(wěn)定性問題，我們稱之為一次穩(wěn)定問題。這種巷道圍巖應力達到了圍巖強度失穩(wěn)現(xiàn)象，稱之為一次失穩(wěn)。它主要取決于原巖應力狀態(tài)與巖體強度的相對比值。

事實上，盡管巷道已經發(fā)生了一次失穩(wěn)，但是在人工支護條件下，隨時間推移，大部分巷道趨于穩(wěn)定，也有部分巷道可能再次失穩(wěn)。顯然，再次穩(wěn)定或者失穩(wěn)均是破裂巖體與支護相互作用結果，這就是二次穩(wěn)定性問題的力學本質，我們稱該穩(wěn)定性問題為高應力巷道圍巖的二次穩(wěn)定。二次穩(wěn)定問題是針對圍巖在一次失穩(wěn)后的再次變形與破壞，在此過程中，破裂巖體自身是不能維持穩(wěn)定的，如果沒有合理人工支護結構和強度，它將很快再次失穩(wěn)。

由前文可知，復雜條件下巷道松動圈發(fā)育具有多階段性和持續(xù)性，這就要求錨桿與松動圈內破裂圍巖形成的加固圈不僅僅要為內部關鍵承載巖體提供支護阻力，更重要的是要提供持續(xù)的高支護阻力。解決這個問題目前有兩種途徑，第一是多次支護，即巷道初次支護完成后，待松動圈再次擴大穩(wěn)定后實施二次支護。第二種途徑是開發(fā)高阻（恒阻）、具有讓壓和抗大變形功能的支護新材料，如高阻耦合讓壓錨桿和恒阻大變形錨桿［9］，通過這些新材料既可以適應松動圈的碎脹變形，又可以持續(xù)高效的抵抗碎脹力。

3.2大松動圈巷道圍巖“三錨支護”技術

復雜條件巷道松動圈發(fā)育范圍大，支護難度大，一般單一支護難以奏效。常規(guī)錨網支護可以增強破裂圍巖整體強度，通過施加高預緊力，在一定間排距條件下能夠形成組合拱（梁）承載結構［10］，但如果錨桿強度低、預緊力小，這種結構的可靠性將大打折扣［11～12］，對于復雜條件巷道大松動圈，存在冒頂的風險。同樣的，錨注支護雖然通過注漿提高了破裂圍巖強度，改善了圍巖受力狀態(tài)，但由于其加固范圍有限，仍然存在不足。相對于前兩者，錨索控制范圍較大，但施工密度無法滿足破裂圍巖穩(wěn)定性要求。因此，單一支護手段無法滿足復雜條件下大松動圈巷道圍巖穩(wěn)定控制的要求。

“三錨支護”指的是將錨桿支護、錨索支護以及錨注支護聯(lián)合使用，取長補短，實現(xiàn)三者之間有機的耦合。通過錨注技術改善破裂圍巖物理力學參數，恢復三向受力狀態(tài)，使離散的破裂圍巖恢復成為整體結構，高強度、高預緊力錨桿支護將淺部圍巖組合成為拱（梁）結構，而后施加大直徑高強錨索支護將拱（梁）結構懸吊至穩(wěn)定圍巖位置，減小了淺部圍巖錨桿錨固拱（梁）結構的跨度，形成了更大范圍的拱（梁）結構，有效增加了復雜條件大松動圈巷道的穩(wěn)定性。

3.3關鍵部位強化支護技術

由松動圈觀測結果可知，復雜條件巷道松動圈發(fā)育具有不對稱和非均勻特征。若使用相同的支護參數，則有可能出現(xiàn)巷道局部某個或某幾個位置破壞，進而誘發(fā)支護結構整體失穩(wěn)的情況，這些首先發(fā)生變形破壞的部位稱之為巷道穩(wěn)定控制的關鍵部位。因此，對于復雜條件巷道要進行動態(tài)、關鍵部位強化支護，而非設計單一的支護參數，這樣不僅可以提高巷道穩(wěn)定安全系數，同時也可避免不必要的材料浪費，降低支護成本。

4　結論

松動圈理論自上世紀八十年代提出以來，廣泛應用于煤礦巷道支護領域。本文對大同礦區(qū)應力及地質復雜條件巷道進行松動圈發(fā)育規(guī)律現(xiàn)場實測及數值模擬，研究發(fā)現(xiàn)：大同礦區(qū)復雜條件巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍普遍超過1.5 m，處于大松動圈工程范疇。巷道圍巖在高應力下受老頂破斷、爆破等采動影響導致松動圈發(fā)育具有多階段性特征，并非靜態(tài)固定值。巷道斷面的影響使松動圈發(fā)育具備了不對稱非均勻發(fā)育特征，圍巖破壞往往始于局部，在得不到有效控制的情況下最終失穩(wěn)。針對復雜條件下巷道松動圈出現(xiàn)的新特點，提出了大松動圈巷道二次穩(wěn)定支護原理與“三錨支護”技術，對破裂圍巖施加高預緊力及高阻耦合讓壓特性錨桿是控制復雜應力條件巷道穩(wěn)定性的有效手段。

參考文獻

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靖洪文，男，1963年生，山東冠縣人。博士后，教授，博士生導師。主要從事巖石（體）力學與工程，巷道圍巖控制理論與錨固技術領域的科學研究工作。

Surrounding Rock Fracture Zone Supporting Principle and Technology of Roadway under Complex Conditions in Coal Mine

Jing Hongwen1，2Meng Bo1，2
（1.Institute of Mechanics and Architecture Engineering，China University of Mining and Technology；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，Xuzhou，Jiangsu 221116）

Abstract：The appearance of surrounding rock fracture zone is inevitable after mining roadways with complex condi?tions. By the field tests and numerical simulation for the fracture zone development rules of the typical roadways in Da?tong mine area，the result shows that roadways with complex conditions always have big size of fracture zone which has the characteristics of multi-stage and asymmetry. Secondary stability supporting principle and tri-anchorage supporting technology for roadway with big size of fracture zone are proposed accordingly，controlling roadway stability with complex stress conditions can be efficiently improved by increasing preload and using high impedance coupling pressure charac?teristics of bolt for broken surrounding rock.

Keywords：complex condition；fracture zone；secondary stability；tri-anchorage supporting

收稿日期：2016-03-20

作者簡介

基金項目：國家自然科學基金（51374198、51504237）

中圖分類號TD353+.6

文獻標識碼A

文章編號1000-4866（2016）02-0001-04