采動(dòng)影響下軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

高振博

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采條件的日益復(fù)雜，軟巖巷道是經(jīng)常遇到的一種圍巖形式，因?yàn)檐泿r巷道本身的巖性較差，在采動(dòng)影響下圍巖的破壞變形更加嚴(yán)重，因此急需采取有效控制措施提高軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于軟巖巷道失穩(wěn)機(jī)理及其支護(hù)技術(shù)已經(jīng)展開(kāi)了相關(guān)研究：朱效嘉[1]認(rèn)為軟巖巷道卸壓到一定程度，就要采用高強(qiáng)度混凝土墻來(lái)控制巷道變形，僅僅依靠卸壓措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；何滿朝[2]認(rèn)為通過(guò)支護(hù)手段可以有效提高圍巖穩(wěn)定性，改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)；侯朝炯[3]等認(rèn)為錨桿支護(hù)可以使圍巖變形范圍減小，提高圍巖承載能力。本文主要針對(duì)新元礦3107工作面回風(fēng)巷實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)軟巖巷道變形規(guī)律及失穩(wěn)特征的分析，提出了采動(dòng)影響下軟巖巷道圍巖支護(hù)方案。

1 工程概況

新元煤礦3107工作面主采3#煤層，位于二疊系下統(tǒng)山西組中部。埋深419.2～477.7 m，煤層平均厚度為2.82 m，傾角為2°～6°，可采儲(chǔ)量為143.3萬(wàn)t. 工作面回風(fēng)巷斷面形狀為矩形，凈寬為4.8 m，凈高3.0 m，巷道長(zhǎng)度約為1 591 m. 3#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚5.66 m；基本頂為中粒粉砂巖，均厚2.5 m；直接底為2.98 m的砂質(zhì)泥巖；基本底為灰色中粒細(xì)砂巖，均厚3.94 m. 具體煤層頂?shù)装鍘r層情況見(jiàn)表1. 3107工作面共布置了3條回采巷道，分別為3107進(jìn)風(fēng)巷，3107輔助進(jìn)風(fēng)巷與3107回風(fēng)巷。其中，3107回風(fēng)巷受3107工作面回采時(shí)上覆巖層移動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)壓影響，且3107回風(fēng)巷通過(guò)3107輔助回風(fēng)巷沿空留巷技術(shù)，要做為3108工作面進(jìn)風(fēng)巷，因此受到本工作面和下工作面回采動(dòng)壓影響，需要對(duì)3107回風(fēng)巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，改變支護(hù)參數(shù)。同時(shí)，3107工作面圍巖巖性較差，具有明顯的軟巖特性，在采動(dòng)影響下巷道變形量大，巷道在原錨網(wǎng)梁的支護(hù)方式下，圍巖變形得不到有效控制，且底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，需采取有效措施提高圍巖穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)安全。其工作面采掘工程平面圖見(jiàn)圖1.

2 軟巖巷道變形規(guī)律及失穩(wěn)特征

2.1 軟巖巷道變形規(guī)律

由表1可知，3107工作面回風(fēng)巷直接頂和直接底都是砂質(zhì)泥巖，抗擾動(dòng)能力差，具有明顯的軟巖特性[4-5]. 由地質(zhì)資料可知，該巷道底板斜交裂隙發(fā)育，在采動(dòng)影響下裂隙不斷擴(kuò)展、延伸，引起深部圍巖的破壞。

1) 幫變形破壞形式。兩幫向巷道內(nèi)部擠壓，變形量較大，初期的兩幫移進(jìn)速率約為20 m/d，兩幫相對(duì)移近量達(dá)到500 mm以上，實(shí)體幫的變形程度小于煤柱幫的變形程度，片幫情況較輕微的區(qū)域只能觀察到局部連通的裂隙，片幫情況嚴(yán)重的區(qū)域可以看到錨掛網(wǎng)被拉斷或扭曲、鋼筋網(wǎng)強(qiáng)烈變形，兩幫巖體變形破壞嚴(yán)重。

圖1 3107工作面采掘工程平面圖

表1 頂?shù)装鍘r層性質(zhì)表

2) 底板變形破壞形式。巷道兩幫底部較頂部有明顯的變形，底鼓嚴(yán)重，底板變形量達(dá)到800 mm以上。由于頂板的應(yīng)力首先傳遞到兩幫，再經(jīng)過(guò)兩幫傳遞到底板上，原巷道采取錨網(wǎng)梁的支護(hù)方式，未對(duì)軟巖巷道底板采取控制措施，因此集聚的應(yīng)力在底板上釋放，底板變形量大、變形速率高，進(jìn)一步加劇了頂板的下沉、兩幫的破壞，巷道變形嚴(yán)重，維護(hù)困難。

2.2 軟巖巷道變形失穩(wěn)特征

1) 變形量大。3107工作面回風(fēng)巷直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為中粒粉砂巖，圍巖巖性較差，具有明顯的軟巖特性。軟巖巷道具有圍巖強(qiáng)度低、圍巖應(yīng)力較高、圍巖完整性差、泥化易風(fēng)化、抵抗變形能力差等特征。軟巖巷道圍巖的變形，主要發(fā)生在巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，圍巖集聚的巖體膨脹變形量和塑性變形能就會(huì)釋放，引起圍巖的變性破壞，影響范圍較大。

2) 變形速率大。3107工作面回風(fēng)巷圍巖變形對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)非常敏感，受到本工作面和下工作面回采動(dòng)壓影響，巷道圍巖強(qiáng)度和完整性急劇下降，兩幫發(fā)生顯著變形和破壞，回采期間回風(fēng)巷的初期變形速率達(dá)到每天10 mm/d以上。此外，應(yīng)力環(huán)境、圍巖強(qiáng)度、支護(hù)方式等因素也會(huì)影響圍巖變形速率。

3) 變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。受采動(dòng)干擾的回風(fēng)巷圍巖初期變形速率很大，由于圍巖支護(hù)強(qiáng)度不足，圍巖持續(xù)變形，速率并沒(méi)有明顯降低，圍巖變形得不到有效控制，且底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重。在采動(dòng)影響趨于穩(wěn)定后，巷道圍巖進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，圍巖近似以流變的形式變形，具有明顯的時(shí)效性。

3 圍巖控制效果分析

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)3107工作面軟巖巷道變形規(guī)律及失穩(wěn)特征的分析可知，由于3107工作面回風(fēng)巷圍巖整體巖性較差，軟巖巷道在支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)圍巖變形量較大，回采期間回風(fēng)巷的初期變形速率達(dá)到10 mm/d以上，且變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重。為防止回采期間巷道圍巖失穩(wěn)，提出了針對(duì)3107工作面軟巖巷道采用“高預(yù)緊力錨桿+幫部錨索+底角錨桿”的圍巖支護(hù)方案，具體支護(hù)設(shè)計(jì)如下：

1) 巷道頂板錨桿規(guī)格為d20 mm×L2 400 mm，排間距為800 mm×800 mm，每排6根，采用HRB335左旋螺紋鋼錨桿，并鋪設(shè)8#菱形的金屬網(wǎng)，材料選用50 mm×50 mm的鐵絲加工而成。

2) 巷道頂板單體錨索采用d21.6 mm×L8 300 mm的高預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)緊力為30 kN，錨索排間距為1 600 mm×1 600 mm，每排3根，錨索托盤(pán)采用300 mm×300 mm×16 mm的碟形托盤(pán)，并配套讓壓管、鎖具、調(diào)心球墊等。

3) 巷道兩幫錨桿規(guī)格為d20 mm×L2 400 mm，預(yù)緊力30 kN，排間距為800 mm×800 mm，采用HRB335左旋螺紋鋼錨桿，最下端一排錨桿俯角為35°.

4) 巷道幫部單體錨索采用d21.6 mm×L4 200 mm的高預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)緊力30 kN，錨索排間距為800 mm×800 mm，每隔兩排錨桿打一排錨索，第一根距底板800 mm，與水平方向平行，第二根距底板2 200 mm，與水平方向夾角10°. 錨索托盤(pán)采用300 mm×300 mm×16 mm的碟形托盤(pán)，并配套讓壓管、鎖具、調(diào)心球墊等。巷道支護(hù)斷面圖見(jiàn)圖2.

圖2 3107工作面回風(fēng)巷支護(hù)斷面圖

3.2 圍巖控制效果分析

為了檢驗(yàn)采動(dòng)影響下軟巖巷道圍巖支護(hù)效果，優(yōu)化錨桿設(shè)計(jì)方案，在工作面回采時(shí)開(kāi)始設(shè)置測(cè)站，第一個(gè)測(cè)站設(shè)在工作面前方5 m，之后每隔5 m布置一個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)站，對(duì)3107工作面采動(dòng)期間圍巖變形量和圍巖變形速率持續(xù)監(jiān)測(cè)直至數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。由于距開(kāi)切眼205 m位置處觀測(cè)效果較好，所以選取該測(cè)點(diǎn)處礦壓檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)位于工作面前方時(shí)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3，4，測(cè)點(diǎn)位于工作面后方時(shí)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5，6.

圖3 工作面前方巷道圍巖變形曲線圖

圖4 工作面前方巷道圍巖變形速度曲線圖

由圖3，4可以看出，在采動(dòng)期間內(nèi)，巷道圍巖變形量在0 m處(即工作面)最大，其中頂板下沉量約為32.6 mm，底鼓量約為200 mm，實(shí)體煤幫變形量約為43.2 mm，煤柱幫變形量約為56.5 mm，在工作面前方90 m以外的區(qū)域，巷道的變形量基本不再增加。圍巖變形速率在0 m處(即工作面)最大，隨著距離工作面距離的增大，變形速率逐漸變小，且在90 m處趨于0.

圖5 工作面后方巷道圍巖變形曲線圖

圖6 工作面后方巷道圍巖變形速度曲線圖

由圖5，6可知，工作面后方30 m以內(nèi)圍巖變形速率較小；由于回采過(guò)程中工作面后方30～75 m上覆巖層發(fā)生破斷，導(dǎo)致圍巖變形速率有所上升；工作面后方75～100 m，圍巖變形速率逐漸穩(wěn)定。

在觀測(cè)期間內(nèi)，采動(dòng)后最終巷道頂板下沉量100.5 mm，底鼓量328.7 mm，實(shí)體煤幫變形量98.4 mm，煤柱幫變形量134.2 mm，圍巖變形在生產(chǎn)要求允許范圍之內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形情況得到了有效地控制。

4 結(jié) 論

針對(duì)新元礦3107工作面采動(dòng)影響下軟巖巷道的情況，通過(guò)對(duì)軟巖巷道變形規(guī)律及失穩(wěn)特征進(jìn)行分析，提出了“高預(yù)緊力錨桿+幫部錨索+底角錨桿”的支護(hù)方案，并結(jié)合工作面實(shí)際情況對(duì)圍巖控制措施進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，支護(hù)方案實(shí)施后，采動(dòng)后最終巷道頂板下沉量100.5 mm，底鼓量328.7 mm，實(shí)體煤幫變形量98.4 mm，煤柱幫變形量134.2 mm，可知該支護(hù)方式有效控制了圍巖變形，提高了圍巖穩(wěn)定性。