深部回采巷道穩(wěn)定性分析與控制研究

霍棟浩

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

1 概況

皇聯(lián)煤礦主采5#煤層，埋深在720m左右，煤層厚度在3.15～4.6m之間，傾角在4°～11°。15141工作面回采巷道留有一定厚度的頂煤，頂煤上部為泥巖與砂質(zhì)泥巖，頂板巖層總體變化較大，具較強的不穩(wěn)定性。15141工作面采用“三巷布置”方式，具體為：瓦斯抽放巷（回風(fēng)巷）、主運巷、回風(fēng)巷，如圖1所示。其中一號煤柱的寬度為12m，二號煤柱的寬度為25m，這兩條回風(fēng)巷在實際使用的過程中均處于采動影響之下。現(xiàn)場工程實踐表明，在一次采動之后，兩條回風(fēng)巷總體變形較小，處于總體可控的范圍內(nèi)，但在二次采動期間，整體表現(xiàn)出強烈的變形，特別是巷道底鼓量較大，頂板下沉嚴重，出現(xiàn)了大面積的冒頂問題。在區(qū)段巷道的西側(cè)有一個與回風(fēng)巷道近似平行的F601正斷層，落差6～8m，傾角55°～75°。針對這種情況下，主要通過增強支護強度的方式來控制。在兩條巷道中進行了3～4次的錨索支護補強，但是從控制效果來看，未實現(xiàn)較好控制，給煤礦安全高效生產(chǎn)帶來了較大的威脅。

圖1 工作面巷道布置示意圖

2 巷道變形破壞特征

原巷道設(shè)計采用U29型鋼棚對稱布置方式，間距為700mm。為掌握巷道出現(xiàn)變形破壞的原因，對巷道變形情況進行了現(xiàn)場勘查。

2.1 巷道總體收斂較快

巷道在掘進期間就出現(xiàn)了明顯的收縮，且整體的時間較短。根據(jù)現(xiàn)場觀測，在巷道掘進的40d內(nèi)，頂板和底板相對移近量在550～630mm之間，移動速度平均達到了15.2mm/d；巷道兩幫移近量在560～810mm之間，移動速度平均達到了17.1mm/d。在本工作面采動過程中，由于采動影響較為明顯，巷道出現(xiàn)了較大的變形破壞，進行了多次的刷幫、臥底、挑頂。

2.2 巷道頂板出現(xiàn)了明顯不對稱變形

在巷道掘進的40d內(nèi)，巷道頂板下沉量較大，平均達到330mm，下沉速度平均達到了6.9mm/d。其中與斷層距離相對較近的頂板肩角，最大下沉量超過了400mm，下沉速度平均達到了7.9mm/d，且頂板下沉表現(xiàn)出明顯的非對稱性，在距離斷層側(cè)的巷道頂板下沉量明顯較大，下沉速度也相對較快。

2.3 巷道兩幫出現(xiàn)了明顯不對稱變形

在同一水平的巷道兩幫出現(xiàn)了較為明顯的不對稱變形。在掘進的40d內(nèi)，距離斷層較近的巷道煤幫最大的移近量接近570mm，移近的速度超過了14mm/d，在實體煤幫層的最大移近量接近260mm，平均移近速度為5.2mm/d。

3 巷道變形破壞機理分析

為了掌握巷道變形破壞出現(xiàn)的具體原因，選擇使用FLAC3D對其進行了數(shù)值模擬，根據(jù)巷道所處位置構(gòu)建了對應(yīng)的數(shù)值計算模型。具體模擬過程為：首先對鄰近的工作面進行分步開采，在模擬開采計算的過程中，對目標巷道進行開挖。

3.1 非對稱采動應(yīng)力影響

在臨近的工作面開采之后，在采動應(yīng)力和斷層擾動的影響下，在目標巷道的掘進位置形成了兩個明顯的采動應(yīng)力集中區(qū)，主要集中在巷道的幫部和肩角，圖2所示。從圖2可知，采動應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力最大數(shù)值已經(jīng)超過35MPa，同時，目標巷道位于采動應(yīng)力梯度變化非常劇烈的區(qū)域，目標巷道兩側(cè)的壓力差值接近6MPa。復(fù)雜應(yīng)力作用及巷道兩側(cè)受力的不均勻性，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)了明顯的大變形，也容易導(dǎo)致原支護U29型鋼出現(xiàn)偏載受壓的情況，導(dǎo)致目標巷道局部出現(xiàn)了過早的失穩(wěn)和破壞。

3.2 斷層周邊剪切滑移破壞因素

目標巷道在開挖之后，在集中應(yīng)力的影響下，斷層側(cè)的巷道肩角的位置首先出現(xiàn)拉剪復(fù)合破壞，導(dǎo)致形成撓曲離層變形。因為這個位置和斷層的實際距離相近，斷層滑移面?zhèn)认蚣s束作用降低明顯，在一定程度上加劇了斷層附近剪切滑移破壞的嚴重性，圖3所示。斷層側(cè)肩位置煤體的總體承載能力下降明顯，穩(wěn)定性也自然減少，塑性破壞區(qū)域向底角位置、斷層側(cè)幫部位置出現(xiàn)了明顯的擴展，這也是導(dǎo)致斷層側(cè)出現(xiàn)破壞明顯超過實體煤側(cè)的主要原因之一，導(dǎo)致目標巷道在掘進期間出現(xiàn)了明顯的非對稱變形情況。隨著巷道斷層側(cè)變形失穩(wěn)情況的不斷加劇，巷道整體的支護體也必然出現(xiàn)整體支護失效。

圖2 目標巷道附近采動應(yīng)力場

圖3 目標巷道周邊位移場

3.3 軟弱煤巖體膨脹變形因素

從目標巷道圍巖組成情況來看，除了頂煤之外，在巷道的頂板和底板均有明顯的泥巖成分，同時，煤巖體內(nèi)巷道節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，總體的自我穩(wěn)定能力較差，再加上目標巷道整體處于非對稱的高應(yīng)力場中，巷道內(nèi)部裂隙擴展明顯，容易形成非連續(xù)碎脹大變形。

4 巷道圍巖穩(wěn)定性控制分析

4.1 巷道圍巖非對稱變形穩(wěn)定性控制對策

根據(jù)現(xiàn)場勘查及模擬研究，導(dǎo)致目標巷道出現(xiàn)非對稱變形的主要原因是在斷層側(cè)肩角部位由于受斷層以及集中應(yīng)力影響，圍巖變形與巷道支護體之間出現(xiàn)了明顯的不協(xié)調(diào)，即形成了關(guān)鍵位置首先破壞，隨著破壞范圍的不斷擴大，整個支護系統(tǒng)逐漸整體失穩(wěn)。因此，在返修方案中需以錨桿支護為根本，使用錨索支護進行強化，特別是對關(guān)鍵位置進行注漿加固，從而形成圍巖和支護體之間的協(xié)調(diào)變形，推動形成圍巖和支護體一體化支護，確保目標巷道載荷的均勻性。

4.2 高阻讓壓支護對策

考慮目標巷道總體埋深及所處地質(zhì)環(huán)境，僅從高強度支護的角度進行返修，與深部巷道支護理念不相符，容易在巷道圍巖內(nèi)形成超高能量積聚，不利于巷道穩(wěn)定。本次返修選擇使用高阻讓壓錨桿配合錨桿+錨索+注漿進行返修，形成復(fù)合支護結(jié)構(gòu)。

5 巷道返修方案

（1）頂板支護。選擇讓壓錨桿5根對稱布置，參數(shù)為Φ20mm×2400mm，間排距均為800mm。為了提高靠近斷層側(cè)的支護效果，斷層側(cè)的讓壓錨桿設(shè)計采用雙讓壓管，其余均采用單讓壓管。頂板錨索設(shè)計采用Φ18.9mm×7300mm，間排距為1600mm×2100mm，為了提高靠近斷層側(cè)的支護效果，斷層側(cè)補打1根錨索。

（2）兩幫支護。在巷道實體煤幫側(cè)采用讓壓錨桿，數(shù)量為4根，參數(shù)為Φ20mm×2400mm，間排距均為800mm，均為單讓壓管。在斷層側(cè)的錨桿使用讓壓錨桿，數(shù)量為5根，參數(shù)為Φ20mm×2400mm，間排距均為800mm，均為雙讓壓管。

圖4 讓壓錨桿與錨索支護示意圖

（3）注漿加固支護。為了提升巷道斷層側(cè)肩部總體支護強度，本設(shè)計對肩部進行注漿加固，采用深孔注漿，間排距設(shè)計為1600mm×1000mm，每排布置注漿孔的數(shù)量為2個，與水平方向的夾角分布為15°、30°，注漿孔Φ42mm，水灰比為1.5:1，壓力控制在1.5～3MPa。

6 效果

為了掌握返修支護方案效果，采用十字交叉法對巷道變形情況進行了觀測。變形情況見圖5所示。

圖5 返修后巷道圍巖變形曲線

從圖5可知，在返修之后，巷道圍巖整體變形量相對于返修之前出現(xiàn)了明顯的下降，均處于有效可控的范圍內(nèi)，且兩側(cè)的變形呈現(xiàn)出均勻化，巷道出現(xiàn)的非對稱變形問題得到了較好的控制，較好滿足了巷道安全生產(chǎn)的需要。