30100運輸順槽變形破壞機理及圍巖控制探析

劉 浩

(山西晉煤集團金明礦業有限責任公司，山西 晉城 048006)

1 工程概況

晉煤集團金明礦業公司30100運輸順槽用于3#煤層30100工作面運輸、進風及行人。30100工作面布置于集中輔運大巷南側，巷道埋深在750 m～762 m，巷道沿頂板掘進。3#煤層位于山西組中下部，穩定可采,煤層平均厚度4.85 m(最大5.8 m、最小3.9 m),煤層平均傾角4°(最大8°、最小0°)；黑色，似金屬光澤，以半亮型煤為主，少量為光亮型煤和半暗型煤，普氏硬度1～2。煤層頂板：砂質泥巖、細砂巖、粉砂巖，易脫落離層。煤層底板：粉砂巖、泥巖。原順槽設計為楔形斷面，沿頂板留底煤掘進。

巷道采用錨網噴支護，原錨桿支護各項參數,如表1所示。在原支護條件下，運輸順槽出現了較為嚴重的變形破壞，給順槽正常使用帶來了較大的威脅。

表1 巷道原錨桿支護參數

2 30100運輸順槽變形破壞特征

首先，頂板圍巖出現了較為明顯的變形破壞。從現場勘查情況來看，頂板下沉量非常大，可達到500 mm～1 150 mm，且出現了較大離層，錨固范圍內巖體和錨固區之外的巖體出現了較為明顯的滑動、離層問題，在巷道掘進時，巷道頂板變形較大，出現較大面積的冒漏問題。變形情況如第137頁圖1a)所示。

其次，巷道兩幫收斂明顯。從現場勘查情況來看，幫部煤巖體出現了明顯擴容，“破網”“網兜”情況較多，幫部突出量可達到500 mm～900 mm，特別是在壓力較大的區域，潰幫、片幫的情況非常嚴重。如第137頁圖1b)所示。在巷道的兩底角、兩頂角位置出現的破壞明顯，形成了較多的“倒梯形”“V形”。同時，在現場勘查中發現，很多錨桿整體移出，這表明，錨桿已經破斷，支護效果下降明顯。

第三，巷道底鼓量大。從現場勘查情況來看，底鼓量占到頂底板移近量的2/3，如第137頁圖1c)所示。在底鼓量較為嚴重的位置，底板上鋪設的混凝土出現開裂，支柱、膠帶等出現嚴重傾斜，導致巷道完全失去功能。

3 頂板巖性探測和兩幫松動圈測試

為更為深入的掌握30100運輸順槽變形破壞的原因，選擇使用頂板巖性探測和兩幫松動圈測試的方式，對順槽出現的變形情況進行探測。

1) 頂板巖性探測。在頂板位置設計多個鉆孔采用鉆孔探測記錄儀對順槽頂板進行巖性探測，得到不同深度下鉆孔窺探結果，如第137頁圖2所示。通過圖2可知，在小于0.8 m的范圍內，順槽頂板巖層有著明顯的裂隙發育，圍巖整體的破碎較為嚴重。在0.8 m～6.3 m和6.5 m～9.5 m的范圍內，順槽頂板節理裂隙相對偏少，圍巖完整性也相對較好。

圖1 30100運輸順槽圍巖變形破壞圖

圖2 不同深度鉆孔窺探圖

2) 選擇使用BA-2型圍巖松動圈測試儀對順槽兩幫開展了松動圈測試，分2組，每組4個，在巷道兩幫中間偏上與偏下位置，各對稱布置2個測點，每個斷面4個測點，共設置8個測點，探測深度設計為5 m，圖3為位測點布置示意圖，表2為松動圈探測結果。

圖3 測點布置示意圖

根據表2可知，巷道兩幫范圍內形成較大的松動圈，特別是與距離掘進頭50 m相比，距離100 m的位置，松動圈的范圍更大，這表明巷道圍巖長時間處于流變狀態，同時，順槽兩幫上部出現的松動圈的范圍超過了下部松動圈的范圍。

表2 30100運輸順槽松動圈范圍探測結果 單位：m

4 30100運輸順槽變形破壞機理

1) 圍巖節理裂隙發育明顯，整體承載能力偏低。順槽所處位置煤層煤質相對偏軟，在頂板巖層中有著較多的節理裂隙，承載性能較差。在順槽開外之后，集中壓力影響明顯，導致裂隙進一步延展，圍巖強度下降更為明顯，巷道圍巖變形增加。

2) 地質構造影響明顯。由于受到局部地質構造影響，巷道兩幫與頂板剪應力作用明顯，導致巖體內本已經節理裂隙較多，在外部地質構造作用下，巖體裂隙進一步擴張，順槽在支護時，也存在支護不及時的問題，頂板圍巖出現局部冒落，形成了較多的“網兜”，頂板平整性較差。

3) 水理作用明顯。因為受到開采擾動影響，淺部裂隙逐步向深部圍巖擴展，上部含水層被導通，導致兩幫上部與頂板出現了局部淋水問題，圍巖承載能力弱化明顯，圍巖變形進一步擴大。

4) 巷道圍巖和支護體之間不耦合問題突出。在原有支護設計下，圍巖表層出現了較大的移近量，原有的錨網噴支護結構與圍巖強度嚴重不耦合，整體支護強度偏低，巷道圍巖出現的過量變形不能得到錨網噴支護體的有效控制，導致圍巖進入到進一步損傷的狀態，參與強度下降明顯。

5 30100運輸順槽返修支護設計

充分考慮30100運輸順槽出現的支護控制困難、圍巖變形量較大等問題，根據松動圈測試與巖性探測的結果，堅持深部巷道支護“適度讓壓”與“強化支護”相結合的耦合支護理念，本次返修支護設計采用了“錨桿+錨索+鋼筋網+W鋼帶+槽鋼”復合支護方案[4]。

首先，錨桿支護可將淺部圍巖承載能力較好提升，錨索支護不僅可有效提升圍巖承載能力，同時也能夠調動深部穩定圍巖對淺部圍巖的限制作用，實現支護體和圍巖之間的強度耦合。

根據巖性測試結果，頂板完整性相對較好的巖層已經超過了6 m，因此，為了將深部穩定圍巖的支護作用較好發揮出來，本次設計錨索長度為7.5 m。同時，根據兩幫圍巖松動圈的測試，局部松動圈的范圍達到了2.7 m，平均超過了2.3 m，原有支護選擇的錨桿長度為2.2 m，因此，為了更好將錨桿的錨固性能發揮出來，本次返修設計采用2.4 m的錨桿，同時，增加錨桿的支護密度，間排距為800 mm×800 mm。為了增強錨桿、錨索的延伸率，在錨桿、錨索支護過程中，選擇使用了讓壓環，錨索托盤設計采用了木托盤。

其次，對頂板與兩幫的錨桿均選擇使用W鋼帶，并對頂板的錨索選擇使用槽鋼進行連接，在巷道頂板與兩幫形成組合梁整體結構，降低錨索、錨桿出現破斷的概率，形成圍巖和支護體之間的剛度耦合。

第三，端部托盤。在錨索托盤內部使用木托盤的基礎上，外部增加鐵托盤，形成復合托盤結構，預留出一定的柔性變形空間，對于圍巖變形能較好吸收，防止圍巖表面應力集中而給整個巷道壁帶來破壞。

第四，網片結構。原支護條件下頂板、兩幫出現了較多“網兜”的情況，分析原因為原支護條件下網片剛度相對較低。因此，將原支護中使用的棱形鐵絲網優化為高強度鋼筋網，增強網片結構和錨桿、錨索之間的組合能力，更好提升支護剛度。返修支護示意圖，如圖4所示。

圖4 巷道返修支護示意圖

6 巷道返修支護情況

30100運輸順槽在返修完成后，選擇使用“十字交叉法”對順槽變形情況進行了監測，得到巷道位移曲線，如圖5所示。從圖5可知，巷道圍巖整體穩定性得到較好控制，圍巖變形量相對于返修之前下降明顯，達到了巷道返修支護要求。

圖5 巷道返修位移曲線

7 結語

1) 深部巷道在“三高一擾動”的影響下，表現出相對于淺部巷道不同的力學響應機制，在深部巷道支護過程中，需充分結合深部巷道所處地質條件，對支護設計方案進行優化。

2) 從本次深部巷道變形破壞返修情況來看，通過選擇使用“錨桿+錨索+鋼筋網+W鋼帶+槽鋼”返修支護方案，實現了支護體與支護圍巖的剛度耦合、強度耦合，在深部巷道支護中，應當注重支護體與圍巖之間的剛度與強度耦合，更好提升支護效果。