鎮(zhèn)城底礦軟巖巷道圍巖損傷破壞機理及控制技術(shù)研究

閆明明

（西山煤電鎮(zhèn)城底礦綜采安裝機電隊， 山西 古交 030203）

煤炭作為我國的主要基礎(chǔ)能源，在我國能源消費結(jié)構(gòu)中占主要地位[1]。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計結(jié)果顯示，截止2020年，煤炭在我國能源消費結(jié)構(gòu)中約占50%，在全世界的煤炭消耗量中約占2/3[2]。為保證在我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展現(xiàn)狀，煤炭需求量呈幾何倍數(shù)增長，井工開采作為我國主要的煤炭產(chǎn)出來源，其安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)是實現(xiàn)我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展的重要保證。

巷道作為井工煤炭開采構(gòu)筑的必要通道，其穩(wěn)定性對于煤炭安全生產(chǎn)及礦工生命安全至關(guān)重要。對于我國一些礦區(qū)來說，松軟的覆巖或底板特性使巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在應(yīng)力作用下出現(xiàn)大變形、圍巖結(jié)構(gòu)破碎等現(xiàn)象，大大縮短巷道服務(wù)期限，不利于煤炭長期穩(wěn)定生產(chǎn)。此外在工作面回采期間，軟巖巷道由于其圍巖強度低、膠結(jié)程度差及孔隙率大等特性，在強烈回采擾動影響下圍巖常常出現(xiàn)大面積破壞，支護材料折斷失效。不僅極大地增加了巷道維修成本，而且嚴(yán)重制約了煤礦的安全高效穩(wěn)定生產(chǎn)[3，4]。

針對上述問題，本文以鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽為研究背景，通過建立巷道圍巖損傷力學(xué)模型，分析軟巖巷道圍巖損傷過程，并結(jié)合鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽地質(zhì)工況，建立軟巖巷道計算模型，分析軟巖巷道圍巖變形規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出軟巖巷道圍巖控制機理及技術(shù)，并在鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽進行工業(yè)性試驗。本文研究成果可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工，在一定程度上解決了軟巖巷道圍巖控制難題，為類似地質(zhì)條件下的礦井安全生產(chǎn)提供借鑒。

1 工程概況

鎮(zhèn)城底礦隸屬于山西焦煤集團，位于山西省古交市西北處，井田占地面積約23.8 km2，西北走向6.6 km，南北平均寬度約3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設(shè)計生產(chǎn)能力為190萬t，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。28620工作面水平標(biāo)高-580 m，位于位于礦井二盤區(qū)，西北側(cè)接正在回采的28610工作面。位于石巖系太原組的8號煤層為28620工作面主采煤層，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度約為4.5 m；直接頂為L1泥灰?guī)r，平均厚度約為2.32 m；直接底為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度約為0.97 m，工作面煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

28620工作面在回采期間，順槽圍巖變形嚴(yán)重，頂板出現(xiàn)劇烈下沉現(xiàn)象，兩幫向巷道空間內(nèi)擠壓變形嚴(yán)重，錨桿（索）出現(xiàn)大面積拉伸、剪切破斷，巷道變形程度已影響到工作面正常回采作業(yè)。

圖1 28620工作面煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖

2 軟巖巷道圍巖損傷破壞機理

2.1 巷道圍巖損傷力學(xué)模型建立

為方便研究，建立圓形斷面巷道進行損傷力學(xué)分析，如圖2所示。其中r0表示巷道半徑，r1表示巷道開挖后圍巖損傷半徑，r2表示巷道圍巖最大（完全）損傷半徑，σ0表示巷道受到的原巖應(yīng)力（此處設(shè)置為均勻等壓應(yīng)力）。

圖2 巷道圍巖損傷力學(xué)模型建立

根據(jù)建立的巷道圍巖損傷力學(xué)模型受力情況及邊界條件，此模型可看做是典型的軸對稱平面應(yīng)變問題，故而，根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力值可將圍巖演化分為三個狀態(tài)：

1）當(dāng) σ0＜σcr1時，巷道圍巖未破壞處于彈性變形階段。

2）當(dāng) σcr1＜σ0＜σcr2時，巷道圍巖遭到破壞進入塑性損傷區(qū)階段。

3）σ0＞σcr2時，巷道圍巖破壞加劇進入塑性最大（完全）損傷區(qū)階段。

上文中，σcr1表示巷道圍巖初步遭到破壞時的臨界地應(yīng)力；σcr2表示巷道圍巖破壞加劇進入完全損傷階段的臨界地應(yīng)力。但是此模型中圍巖假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)的彈塑性材料，未考慮巷道支護時給予的支護阻力，故而需對該模型進一步修正。

2.2 圍巖損傷應(yīng)力分析

在節(jié)2.1建立的巷道圍巖損傷力學(xué)模型基礎(chǔ)上增加支護阻力，推導(dǎo)出巷道圍巖塑性區(qū)完全損傷范圍公式[5]（1）。依據(jù)鎮(zhèn)城底礦28620工作面工況進行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。

圖3 支護阻力與塑性損傷區(qū)半徑的關(guān)系曲線

如圖3所示，隨著支護阻力的增大，巷道圍巖塑性區(qū)演化半徑逐漸減小呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，由此可以說明在保證巷道圍巖穩(wěn)定的前期下，通過增大巷道圍巖塑性區(qū)的演化半徑來降低支護阻力，但對于軟巖巷道來說，控制塑性區(qū)的演化半徑是實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定控制的主要途徑，故而，該方式不可取；當(dāng)塑性區(qū)的演化半徑一定時，支護阻力與λ/E（λ為降模量；E為彈性模量）的比值呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，這是由于巷道圍巖的彈性模量增大，圍巖強度隨之增大，承載能力進而增強，維護巷道穩(wěn)定所需的支護阻力隨之降低。故，針對軟巖巷道來說，在支護初期通過采用注漿加固的方式，改善圍巖力學(xué)性質(zhì)，實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定控制。

2.3 數(shù)值模型建立

結(jié)合鎮(zhèn)城底礦工程概況建立軟巖巷道數(shù)值計算模型，模型長設(shè)置50 m，寬設(shè)置30 m，高設(shè)置50 m，巷道寬×高=4.8 m×4 m。模型上邊界為應(yīng)力邊界，下邊界和左右邊界為位移約束邊界，如圖4所示。模型覆巖參數(shù)設(shè)置如下頁表1所示。巖體的內(nèi)摩擦角；λ為降模量；E為彈性模量；σ0為巷道圍巖體的單軸抗壓強度。

圖4 數(shù)值計算模型

根據(jù)式（1）得到支護阻力Pi、巷道半徑r0與塑性損傷區(qū)演化范圍的關(guān)系曲線如圖3所示。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

2.4 軟巖巷道圍巖演化特征分析

圖5 軟巖巷道圍巖演化特征

如圖5所示，巷道兩幫位移量均在60 cm左右，頂板最大下沉量達到44.1 cm，底板底鼓最大達到73.2 cm，巷道底鼓量比兩幫位移量和頂板下沉量多13.2 cm和29.1 cm，巷道底鼓現(xiàn)象劇烈；此外從巷道圍巖剪切應(yīng)力云圖可以明顯看出，巷道肩角和底角位置為應(yīng)力集中區(qū)，主要受剪切應(yīng)力，其破壞形式以剪切破壞為主，巷道兩幫和頂?shù)装逡岳炱茐臑橹鳎粡乃苄詤^(qū)演化云圖可以明顯看到，巷道頂板圍巖破壞范圍約為3.0 m，兩幫和底板圍巖破壞范圍約為4.0 m。

3 軟巖巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖控制途徑及措施

1）高強讓壓錨索。結(jié)合軟巖巷道圍巖變形特征，采用具有高強度、高延展性的錨索，在保證巷道圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，給予巷道圍巖適度地的卸壓范圍，實現(xiàn)巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

2）巷道圍巖注漿。由于軟巖巷道圍巖的固有特性，導(dǎo)致圍巖強度較低，圍巖的承載強度較低，采用注漿加固方式，不僅可以利用漿液充填圍裂隙，漿液固結(jié)使巷道圍巖形成具有一定承載能力的“殼”，改變圍巖力學(xué)參數(shù)，而且通過錨桿使巷道表面圍巖與深部圍巖緊緊擠壓在一起，促使表面圍巖與原巖形成統(tǒng)一整體，進一步提高圍巖強度。

3）加固巷幫、肩角等關(guān)鍵部位。巷道兩幫和肩角部位圍巖破碎較為嚴(yán)重，通過對兩幫及肩角部位進行加強支護，可以有效抑制塑性區(qū)的演化，提高圍巖殘余強度。

3.2 圍巖控制技術(shù)

通過上述分析，最終確定28620工作面順槽采用“錨網(wǎng)索+噴漿+注漿”支護方式，一共進行2次噴漿，第一次在錨桿（索）施加預(yù)緊力后進行，噴漿厚度30～50 m，第二次在滯后巷道50～100 m進行，噴漿厚度50～70 mm，其余支護材料如下所示。

1）錨桿。選擇Φ22 mm×2400 mm高強樹脂錨桿，間排距700 mm×700 mm，托盤尺寸：200 mm×200 mm×10 mm，MSK2335和MSZ2335藥卷各1支。

2）錨索。選擇Φ18.9 mm×7300 mm鋼絞線（頂），Φ18.9 mm×5300 mm鋼絞線（幫），間排距1700mm×1400 mm（頂），1300 mm×1400 mm（幫），托盤尺寸：250 mm×250 mm×20 mm，3卷 MSK2335和 2卷MSZ2335藥卷。

3）鋼筋網(wǎng)和鋼帶。選擇Φ6.5 mm鋼筋，網(wǎng)格70 mm×70 mm，網(wǎng)片尺寸1000 mm×2000 mm。3.5 m長M5鋼帶。

巷道斷面支護如圖6所示，注漿支護如圖7所示。

圖6 巷道支護斷面示意圖（mm）

圖7 注漿支護斷面示意圖（mm）

4 工業(yè)性試驗

采用節(jié)3.2圍巖控制方案對鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽試驗段200 m進行支護，對巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M行數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 巷道表面圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖8可以看出，采用“錨網(wǎng)索+噴漿+注漿”支護方式后，在前20 d內(nèi)圍巖變形較大，此期間內(nèi)，頂板最大下沉速率為3.3 mm/d，底鼓最大速率為5.8 mm/d，兩幫最大變形速率為3.4 mm/d，20 d之后圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖最終變形量為：兩幫移近量＞底鼓量＞頂板下沉量，數(shù)值分別為56.1 mm、48.2 mm、40.2 mm。

5 結(jié)語

本文以鎮(zhèn)城底礦28620工作面順槽為研究背景，通過理論計算和數(shù)值模擬方法分析了軟巖巷道圍巖損傷過程和圍巖變形規(guī)律。基于此，提出軟巖巷道圍巖控制技術(shù)，并進行了工業(yè)性試驗，試驗結(jié)果表明：采用“錨網(wǎng)索+噴漿+注漿”支護方式后，軟巖巷道圍巖得到有效控制，試驗巷道頂板、底板和兩幫最大變形量分別為56.1 mm、48.2 mm、40.2 mm。