復(fù)雜應(yīng)力條件下采區(qū)變電所圍巖控制技術(shù)研究

喬海軍 王兵兵

（山西煤炭運(yùn)銷公司四通煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

在復(fù)雜應(yīng)力影響下，巷道或硐室圍巖產(chǎn)生變形，當(dāng)巷道或硐室圍巖變形量較大時(shí)巷道斷面不能滿足通風(fēng)、運(yùn)輸和行人的需要，嚴(yán)重影響巷道或硐室的正常使用。礦井永久硐室內(nèi)存放大量的機(jī)器和設(shè)備，較大的變形導(dǎo)致硐室內(nèi)設(shè)備之間安全間隙不能滿足要求，甚至造成設(shè)施無(wú)法正常運(yùn)行，需通過擴(kuò)幫、起底和挑頂?shù)却胧┻M(jìn)行維護(hù)，增加硐室巷道的維護(hù)成本。

1 工程概況

四通礦主采二號(hào)煤，二號(hào)煤層共發(fā)育三層，分別為2上、2中、2下。其中，2上煤層平均厚度0.84m，偽頂為深灰色泥巖，厚度約0.1～0.3m，隨采隨冒；直接頂為深灰色砂質(zhì)泥巖夾灰色細(xì)砂巖，厚度1～2.5m；老頂為K8砂巖，厚度2～8m，淺灰色中細(xì)粒砂巖。2上與2中煤層中間夾層為泥質(zhì)頁(yè)巖，厚度1.14m，層狀發(fā)育，極易風(fēng)化，粘土礦物含量較多，遇水易碎解膨脹。2中煤層平均厚度1.19m。2中與2下煤層中間夾層為泥巖，平均厚度為1.8m，強(qiáng)度較低；2下煤層平均厚1.42m，底板為泥巖。

四通礦五采區(qū)變電所位于五采區(qū)輔助運(yùn)輸上山和回風(fēng)上山之間的聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，硐室沿2中煤層頂板布置，硐室距離地面750m。

采區(qū)變電所為整個(gè)五采區(qū)服務(wù)，服務(wù)年限較長(zhǎng)，變電所左側(cè)距離30m為皮帶運(yùn)輸上山，在皮帶運(yùn)輸上山左側(cè)是停采的回采工作面。變電所平面位置如圖1所示。

變電所初期設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈寬4.0m，凈高3.0m，使用錨桿索聯(lián)合支護(hù),后期在相鄰的52下01工作面采動(dòng)影響以及五采區(qū)輔助運(yùn)輸上山擴(kuò)面翻修的影響下變電所發(fā)生持續(xù)變形，經(jīng)過多次返修，巷道變形依然難以控制。變電所底鼓量在500mm左右，兩幫回縮平均100～200mm，變電所巷道頂板破碎，下沉量超過1m，渣包現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了變電所的正常使用，需要進(jìn)行翻修和加固。

圖1 采區(qū)變電所平面位置圖（mm）

2 變電所圍巖應(yīng)力與變形數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)四通礦五采區(qū)變電所圍巖地質(zhì)條件和巷道與相鄰巷道及工作面的平面位置關(guān)系，建立三維數(shù)值模擬模型，如圖2所示，X方向1500m，Y方向50m，Z方向60m，模型X方向左右邊界固定約束，Y方向前后邊界固定約束，Z方向x、y、z均固定，模型頂面施加1.875MPa載荷模擬上覆巖層自重，側(cè)壓系數(shù)取1.2，煤巖體采用庫(kù)倫-摩爾模型計(jì)算。模型中巷道按實(shí)際尺寸和支護(hù)方式模擬，回采工作面停采線距離巷道30m，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 變電所圍巖應(yīng)力演化特征

在采區(qū)皮帶上山、輔助運(yùn)輸上山、回風(fēng)上山和采區(qū)變電所已經(jīng)掘進(jìn)完成并進(jìn)行了相應(yīng)支護(hù)的條件下，模擬原巖應(yīng)力、上山巷道和采區(qū)變電所掘進(jìn)、回采工作的開采、采區(qū)輔助運(yùn)輸上山重新刷擴(kuò)引起的縱向應(yīng)力重新分布，在變電所延長(zhǎng)方向每2m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，模擬結(jié)果如圖3所示，橫軸為采區(qū)變電所距離左側(cè)輔助運(yùn)輸上山的距離。

由圖可知：（1）巷道開掘前，垂直應(yīng)力保持原巖應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力為19.75MPa，上山巷道和采區(qū)變電所掘進(jìn)后，變電所上覆巖層垂直應(yīng)力普遍高于原巖應(yīng)力，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為37.10MPa，發(fā)生在距離輔助運(yùn)輸上山13m位置，最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.88；（2）工作面開采結(jié)束后，變電所上覆圍巖垂直應(yīng)力稍有增加，產(chǎn)生了應(yīng)力的二次集中，最大應(yīng)力為42.5MPa，發(fā)生在距離輔助運(yùn)輸上山20m位置，向采區(qū)變電所內(nèi)部移動(dòng)，應(yīng)力集中系數(shù)為2.15；（3）臨近采區(qū)變電所的采區(qū)輔助運(yùn)輸上山重新刷擴(kuò)，再一次引起應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為48.36MPa，發(fā)生在距離輔助運(yùn)輸上山8m位置，應(yīng)力集中系數(shù)為2.45，近采空區(qū)一側(cè)巷道刷擴(kuò)和工作面開采產(chǎn)生了應(yīng)力疊加效應(yīng)，影響范圍為18m左右，之后的應(yīng)力與刷擴(kuò)前基本相等；（4）臨近采區(qū)輔助運(yùn)輸上山一側(cè)的垂直應(yīng)力明顯大于回風(fēng)上山一側(cè)，說明工作面的回采和輔助運(yùn)輸上山的刷擴(kuò)對(duì)采區(qū)變電所臨近采空區(qū)一側(cè)影響較大。

圖3 工作面開采和巷道刷擴(kuò)前后圍巖應(yīng)力分布

2.3 變電所圍巖變形演化特征

圖4為工作面開采和巷道刷擴(kuò)前后變電所頂板圍巖最大變形量對(duì)比，從圖中可以看出：（1）工作面開采前，沿變電所長(zhǎng)度方向變電所頂板位移基本穩(wěn)定，最大位移為50mm左右；（2）回采工作面回采產(chǎn)生的采動(dòng)壓力對(duì)巷道變形量影響較大，最大值發(fā)生在距離輔助運(yùn)輸上山16m處，最大變形量增加到240.34mm，平均200mm，是開采影響前的4倍；（3）采區(qū)輔助運(yùn)輸上山刷擴(kuò)后，變電所頂板變形量繼續(xù)增大，最大值發(fā)生在距離輔助運(yùn)輸上山10m處，最大變形量增加到458.45mm，平均407mm。

圖4 工作面開采和巷道刷擴(kuò)前后圍巖變形量對(duì)比

3 變電所變形機(jī)理分析

巷道或峒室圍巖的性質(zhì)、埋藏深度、采動(dòng)影響程度等都是影響巷道或峒室圍巖穩(wěn)定性的主要因素，根據(jù)五采區(qū)變電所數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)巷道變形機(jī)理分析如下：

（1）圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)變電所圍巖收縮變形起著決定性作用，五采區(qū)變電所頂板上方1.14m處為1.19m的2上煤層，原設(shè)計(jì)變電所支護(hù)采用長(zhǎng)度2.0m的錨桿，錨桿頂端位于煤層內(nèi)，嚴(yán)重影響錨桿的支護(hù)效果，刷擴(kuò)過程中發(fā)現(xiàn)錨桿幾乎全部失去了支護(hù)功能也說明了這一點(diǎn)。

（2）從圖4可以看出，工作面開采結(jié)束后形成的殘余支撐壓力對(duì)變電所圍巖變形影響較大，靠近采空區(qū)一側(cè)影響更為明顯。臨近變電所的采區(qū)輔助運(yùn)輸上山的二次刷擴(kuò)造成了二次采動(dòng)影響，使得變電所圍巖變形量繼續(xù)增大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察可以看出，變電所頂板在2上煤層位置產(chǎn)生了離層現(xiàn)象，致使頂板下沉1m以上。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 支護(hù)機(jī)理

（1）增加變電所上覆圍巖的穩(wěn)定性。注漿加固措施可以增加圍巖連續(xù)性和穩(wěn)定性，提高圍巖的內(nèi)粘聚力和內(nèi)摩擦角，改變圍巖力學(xué)參數(shù)，提高圍巖強(qiáng)度，加固頂板。

（2）優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。錨桿長(zhǎng)度由2.0m增加到2.5m，可以使錨桿端部穿過2上煤層，錨固到較穩(wěn)定的巖層中，加強(qiáng)錨桿支護(hù)的效果。

（3）增加底板錨索。底板錨索是解決巷道或峒室底鼓的主要技術(shù)措施，采用注漿錨索進(jìn)行底板錨固的同時(shí)，底板帶壓注漿與頂板和兩幫的錨桿注漿形成完整的注漿加固圈，使變電所圍巖形成封閉的承載結(jié)構(gòu)。

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

五采區(qū)變電所支護(hù)方案如圖5所示：沿巷道周邊全斷面共布置12根錨桿，其中6根型號(hào)為ZJS25Ф25×2500mm自進(jìn)式注漿錨桿，錨固后注漿，加固圍巖。其余為Ф22х2500mm左旋高強(qiáng)度錨桿，兩種錨桿間隔布置，錨桿間排距為800×800mm。頂板自進(jìn)式錨桿間排距為1600×1600mm，即每隔一排普通錨桿，設(shè)置一排自進(jìn)式錨桿。頂板布置3條錨索，間排距為1200×1600mm，錨桿錨索和注漿支護(hù)結(jié)束后，及時(shí)噴射厚度為100mm混凝土，封閉巷道圍巖,最后復(fù)噴50mm厚混凝土，加固圍巖。底板選用Ф20×7300mm的中空注漿錨索，間排距為2200×1600mm。

圖5 變電所支護(hù)方案

4.3 支護(hù)效果

采用上述圍巖控制技術(shù)，五采區(qū)變電所翻修14d后，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，頂板最大變形量98mm，兩幫沒有變形，最大底鼓量15mm，滿足變電所設(shè)備布置要求，變電所圍巖控制效果明顯。

5 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬分析，變電所上覆巖層中的2上煤層改變了頂板巖層的連續(xù)性，破壞了穩(wěn)定性，同時(shí)變電所埋藏較深，原巖應(yīng)力較大，巷道頂板離層?；夭晒ぷ髅娴牟蓜?dòng)影響和臨近的輔助運(yùn)輸上山的二次刷擴(kuò)產(chǎn)生的集中應(yīng)力加劇了圍巖變形的發(fā)展。

（2）通過圍巖注漿提高圍巖的自承載能力，通過加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度改善錨桿支護(hù)效果，輔以噴射混凝土封閉巷道等支護(hù)手段，設(shè)計(jì)了巷道支護(hù)方案。工程試驗(yàn)結(jié)果表明，巷道圍巖穩(wěn)定性加強(qiáng)，圍巖控制效果良好。