文家坡煤礦巷道礦壓觀測及底臌機理分析

亢曉濤，陳 星，呂大釗

(1.陜西彬長礦業(yè)集團有限公司，陜西 咸陽 712046；2.陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500；3.陜西彬長孟村礦業(yè)公司，陜西 長武 713600)

0 引言

錨桿支護已經(jīng)成為我國巷道支護的主要支護形式[1]，解決了多數(shù)巷道支護問題。但隨著當前煤礦開采深度的日益增加，在地應力增大、地質條件復雜化等因素影響下，很多煤礦巷道出現(xiàn)了不同程度的變形、底臌、開裂、冒頂?shù)惹闆r[2]。深部圍巖在軟巖、高應力的共同作用下的變形破壞機制較為復雜，國內外很多學者都對其問題開展了大量的研究，劉泉聲[3-4]等對深部破碎軟弱圍巖支護機制進行了分析，對原有的支護方案進行了優(yōu)化；王衛(wèi)軍[5]等分析了高應力軟巖巷道塑性區(qū)的形成和發(fā)展過程，指出控制塑性區(qū)惡性擴展是保證巷道圍巖穩(wěn)定的關鍵；孟波[6]等研究破裂圍巖錨固體以及錨桿的變形破壞特征；左建平[7]等研究發(fā)現(xiàn)開槽卸壓后，應力明顯向深部轉移，能較好維護軟巖巷道穩(wěn)定；吳建星、方樹林[8]等采用頂幫強力錨桿錨索支護和底板預應力全長錨固注漿錨索支護技術后，有效地控制了圍巖變形量和巷道底臌。由于巖體工程的復雜性、多樣性，導致高應力軟巖巷道支護問題仍然較為突出。文家坡煤礦巷道具有底臌變形量大、變形速度快、持續(xù)時間長等特點，出現(xiàn)多次拉底現(xiàn)象，給巷道的安全高效生產帶來巨大困擾。

1 工作面概況

文家坡煤礦4102工作面位于41盤區(qū)東側，為礦井第二個回采工作面，走向長度2 650 m，傾向長度240 m，煤層埋深為547～730 m。工作面煤層結構較簡單，厚度3.76～4.32 m，平均厚度3.93 m；傾角2°～6°，一般3°左右。工作面西邊為4103(準備工作面)，東邊為4101(已回采結束)，北邊為紅巖河保護煤柱，南邊為41盤區(qū)開拓大巷。

本次監(jiān)測地點為文家坡煤礦4102回風順槽，巷道圍巖成分主要包括：石英、高嶺石及白云母。其中高嶺石親水性強，遇水膨脹，屬于粘土類泥質膨脹巖。巷道圍巖裂隙節(jié)理發(fā)育，淋水嚴重，水很容易進入圍巖中，其中高嶺石遇水軟化、碎裂、崩解。4102工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

4102工作面回風順槽設計長度3 103 m，矩形斷面，掘進尺寸為5 500 mm×3 850 mm，采用錨網(wǎng)索+鋼帶+菱形網(wǎng)支護形式。采用φ22 mm×2 800 mm高強預應力錨桿，間排距700 mm×700 mm，預緊力矩不小于120 N·m，錨固力不小于100 kN；頂部錨桿與BHW-280-3.0-5.1型W鋼帶配合使用；錨索1×19芯結構、采用φ21.6 mm×8 800 mm鋼鉸線，每排4根，間排距1 400 mm×1 400 mm，預緊力200 kN；頂部采用φ6 mm的Q235鋼筋焊制的金屬網(wǎng)護表；幫部采用菱形鋼絲網(wǎng)(12號鐵絲)護表；底板混凝土砂漿澆筑，厚度300 mm。支護斷面如圖1所示。

2 礦壓監(jiān)測內容和方法

2.1 礦壓綜合監(jiān)測項目

從表2看出，在4102回風順槽中設置1個觀測站，觀測站內布置有：1組巷道表面位移觀測點、1組錨桿、錨索受力觀測點。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 4102回順支護斷面圖

序號觀測內容觀測目的測試手段1巷道表面收斂監(jiān)測巷道圍巖淺部位移卷尺、測槍2錨桿受力監(jiān)測錨桿受力狀況液壓枕3錨索受力監(jiān)測錨索受力狀況液壓枕

2.2 礦壓綜合監(jiān)測方法

巷道表面位移：采用十字布點法監(jiān)測，如圖2所示。施工步驟為：①在A、B、C、D等4處測點安設短錨桿，安裝方法同普通錨桿；②在A、B點固定專業(yè)測繩，C、D點固定專業(yè)鋼卷尺，測量OB、OA值；③在C、D點固定專業(yè)測繩，A、B點固定專業(yè)鋼卷尺，測量OD、OC值。測量數(shù)據(jù)的精度為0.1 mm。

圖2 表面位移測站布置示意圖

錨桿工作阻力觀測：采用MC-200型油壓式錨桿測力計，量程40 MPa，與巷道表面收斂測站布置在同一斷面，如圖3所示。錨桿測力計全斷面布置，錨桿測力計為7塊并進行編號標記，初始壓力一般不得低于5 MPa。

圖3 錨桿受力測站布置示意圖

錨索工作阻力觀測：采用MC-200型油壓式錨索測力計，量程60 MPa，如圖4所示，錨索測力計全斷面布置，錨索測力計為3塊并進行編號標記，初始給定壓力不得低于24 MPa。

圖4 錨索受力測站布置示意圖

在測站布置完成后，工作面推進至測站100 m范圍內時，所有測站每星期觀測3次，隨著工作面不斷推進直至儀器讀數(shù)開始較明顯變化時，往后每天觀測1次。

3 監(jiān)測結果及數(shù)據(jù)分析

3.1 巷道表面位移

巷道表面位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，觀測到27 d，測站一處頂?shù)装遄畲罄鄯e移近量為248 mm，兩幫最大累積移近量為251 mm；觀測9 d之內，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；頂?shù)装遄畲笠平俾蕿?9.6 mm/d，兩幫最大移近速率31 mm/d，均出現(xiàn)在測站布設后第27 d，后期圍巖移近速率較大。測站一處圍巖移近量整體不大，屬回采期間圍巖應力重新分布、變形正常釋放過程。

3.2 錨桿索受力

錨桿測力計受力變化曲線如圖6所示。

從圖6可知，測站一錨桿受力最大達35 kN，最小的是5 kN；錨索受力最大達180 kN，最小為80 kN。距工作面170～100 m時，錨桿(索)受力比較穩(wěn)定，波動不大，偶爾有波動可能是周期來壓，屬于正常情況；距離工作面100～60 m時，錨桿(索)受力略有增加；距離工作面60～30 m時，屬超前應力影響區(qū)，錨桿(索)受力大幅增加；距工作面30 m以內時，屬超前應力劇烈影響區(qū)，錨桿(索)受力增加顯著。頂板錨桿受力較兩幫大，頂板錨桿最大受力為35 kN，兩幫錨桿最大受力為30 kN；測力計(液壓枕)安裝后前15 d變化不明顯，之后逐漸變化量變大。錨桿(索)受力整體不大，錨桿最大受力不到其桿體屈服載荷的42.3%，錨索最大受力僅為其拉斷載荷的29.5%，未達到最大受力載荷。

3.3 觀測結果分析

由監(jiān)測結果可知，文家坡煤礦圍巖變形速度初期較慢，巷道開挖后，初期變形速度在1～3 mm/d左右，半年以后，變形速度仍然保持在1～5 mm/d，并最終引起變形速度再次增加、巷道劇烈破壞和支護體失效。

變形量大，巷道掘進后4～6個月巷道變形量就達到1 000～2 000 mm，巷道變形表現(xiàn)為四周來壓，底臌特別大，整體收斂變形的特點。巷道劇烈變形持續(xù)時間長，從已經(jīng)施工的巷道維護狀況來看，雖然巷道已經(jīng)掘進多年，但巷道并沒有穩(wěn)定，每隔3～5個月左右需要維修1次，4201工作面回風巷道起底已達4次，但底臌控制效果仍然不明顯。

a-頂板變形量曲線圖;b-頂板變形速度曲線圖；c-兩幫變形量曲線圖；d-兩幫變形速度曲線圖圖5 測站巷道表面位移變化曲線

a-錨桿受力曲線圖；b-錨索曲線圖圖6 錨桿受力變化曲線

4 文家坡煤礦巷道底臌機理分析

巷道周邊圍巖處在復雜的環(huán)境和應力狀態(tài)下，通常會伴隨流變和滲流的耦合作用。開挖過程表現(xiàn)為加載、卸載和滲流的綜合作用，如此往復的作用，會引起開挖時間過長的巷道發(fā)生大規(guī)模變形與失穩(wěn)。

文家坡煤礦4102工作面巷道掘進時并未出現(xiàn)較大變形，但是巷道由于掘進后空置時間達一年以上，導致其在服務工作面時巷道表面收斂特別大，這就需要考慮本巷道的蠕變引起的問題。圖7為蠕變時間階段劃分示意圖。

a-穩(wěn)定蠕變；b-不穩(wěn)定蠕變圖7 蠕變時間階段劃分

如圖7所示，文家坡煤礦4102工作面巷道在高地應力、采掘擾動、水等共同作用下無法實現(xiàn)自穩(wěn)，圍巖蠕變?yōu)椴环€(wěn)定蠕變，如圖7(b)所示，可分為瞬時變形階段、衰減蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段這4個階段，對巷道造成破壞的大多是圖7(b)中的CD階段，加速蠕變狀態(tài)。

5 結論

(1)通過文家坡4102工作面回風巷礦壓、變形監(jiān)測，錨桿(索)受力整體不大，未達到最大受力載荷，巷道錨網(wǎng)索+鋼帶+菱形網(wǎng)的支護形式保證了頂板及兩幫圍巖穩(wěn)定，但以泥巖為主的巷道地板在高地應力、采掘擾動、水等共同作用下發(fā)生了不穩(wěn)定蠕變，是文家坡煤礦軟巖巷道底臌的主要原因。

(2)文家坡煤礦工作面巷道一次支護不能保證巷道圍巖穩(wěn)定，巷道反復維修、支護過程，加載、卸載和滲流的綜合作用加劇了巷道圍巖破壞，引起巷道發(fā)生大面積塑性變形與失穩(wěn)，最終導致陷入反復破壞—維修的惡性循環(huán)。

(3)針對文家坡煤礦高應力軟巖巷道的支護，必須把對底板的加固放在與頂、幫支護同等重要的地位，才能使整個巷道圍巖形成一個整體承載結構，保證巷道穩(wěn)定。