煤礦井下巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

柴 皓

（長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心， 山西 長治 046000）

引言

隨著煤礦井下綜采作業(yè)深度的不斷增加，井下巷道開挖后在綜采擾動(dòng)和礦壓波動(dòng)下巷道圍巖變形量大、穩(wěn)定性差，傳統(tǒng)的淺層支護(hù)方案存在著支護(hù)效率低、支護(hù)強(qiáng)度不足的缺陷，給煤礦井下綜采作業(yè)安全和效率造成了極大的影響。許多科技工作者針對(duì)性地開展了大量的應(yīng)用研究項(xiàng)目，用于提升煤礦井下巷道圍巖支護(hù)穩(wěn)定性，提出了巷道圍巖產(chǎn)生不穩(wěn)定變化的主要原因在于巖層在擾動(dòng)作用下產(chǎn)生了非對(duì)稱的變形破壞。本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)巷道圍巖破壞原因進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，發(fā)現(xiàn)深井處的圍巖結(jié)構(gòu)破壞通常是巖層層間的滑移破壞導(dǎo)致的，因此提出采用高預(yù)應(yīng)力錨索和高強(qiáng)度錨桿[1]相結(jié)合的控制方案，在井下巷道圍巖變形大的地方通過架設(shè)“U”型架和控制底鼓的方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)在全斷面處采用了注漿加強(qiáng)支護(hù)方案，有效提升了井下巷道圍巖的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和在礦壓波動(dòng)下的穩(wěn)定性。

1 巷道圍巖變形機(jī)理分析

對(duì)巷道圍巖變形機(jī)理進(jìn)行研究，確定井下巷道不穩(wěn)定的主要因素，是進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提，通過對(duì)煤礦井下巷道圍巖變形區(qū)域?qū)嶋H的地質(zhì)勘探，得出導(dǎo)致綜采作業(yè)過程中圍巖變形的原因主要包括以下幾個(gè)方面：

1）圍巖應(yīng)力破壞。巷道在開挖過程中會(huì)破壞巖層內(nèi)原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使巷道四周的巖層產(chǎn)生非均勻?qū)ΨQ的應(yīng)力分布，增強(qiáng)了四周巖層內(nèi)的剪切滑移力[2]，在受到綜采作業(yè)過程中擾動(dòng)和礦壓波動(dòng)的影響下，使頂板處巖層受力分離，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)的破壞和變形，其結(jié)構(gòu)破壞原理如下頁圖1-1 所示。

2）井下圍巖地質(zhì)因素。井下巷道頂板處的巖層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，多數(shù)處于裂隙發(fā)育地帶，在外界不穩(wěn)定性因素影響下會(huì)迅速產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致了巷道圍巖的失穩(wěn)，其結(jié)構(gòu)破壞原理如下頁圖1-2 所示。

3）支護(hù)強(qiáng)度不足。傳統(tǒng)淺層支護(hù)方案在支護(hù)過程中僅在支護(hù)區(qū)域鋪設(shè)一層混凝土結(jié)構(gòu)，并且不會(huì)設(shè)置錨固措施，在綜采作業(yè)過程中一旦該區(qū)域出現(xiàn)滲水將導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)巖層的吸水膨脹，使混凝土層開裂，在應(yīng)力擠壓作用下導(dǎo)致底板出現(xiàn)起拱變形，產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)破壞原理如下頁圖1-3 所示。

4）支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理。巷道圍巖支護(hù)的目的在于保持圍巖的殘余強(qiáng)度，提高在各種擾動(dòng)作用下的穩(wěn)定性，但采用錨桿固定式，支護(hù)作用單一，無法對(duì)圍巖產(chǎn)生足夠的支護(hù)阻力，因此極易導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)變形，發(fā)生錨桿斷裂、圍巖垮落的事故，其結(jié)構(gòu)破壞原理如下頁圖1-4 所示。

2 巷道圍巖支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)巷道圍巖的破壞機(jī)理分析，針對(duì)性地提出了井下巷道支護(hù)優(yōu)化方案，采用了高預(yù)應(yīng)力錨索和高強(qiáng)度錨桿相結(jié)合的控制方案，在井下巷道圍巖變形大的地方通過架設(shè)“U”形架和控制底鼓的方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)在全斷面處采用了注漿加強(qiáng)支護(hù)[3]方案，有效提升了井下巷道圍巖的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和在礦壓波動(dòng)下的穩(wěn)定性，具體來說包括以下幾個(gè)方面：

1）非對(duì)稱支護(hù)。根據(jù)井下圍巖的非對(duì)稱剪切變形結(jié)構(gòu)，針對(duì)性地采取非對(duì)稱的加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，在易變形的地方架設(shè)“U”形架，有效提高圍巖的抗變形能力。

2）高預(yù)應(yīng)力錨索和高強(qiáng)度錨桿聯(lián)合控制。通過增加預(yù)固定應(yīng)力值，提高支護(hù)時(shí)的初撐力和增阻速度，迅速地將巷道周圍的不穩(wěn)定圍巖穩(wěn)固為一個(gè)剛?cè)峤Y(jié)合的一體化結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力錨索，將松動(dòng)的巖塊錨固到深處穩(wěn)定的巖層內(nèi)，提升抗擾動(dòng)能力。

圖1 不同情況下的巷道圍巖破壞機(jī)理示意圖

3）控制底鼓。由于巷道底板的底鼓現(xiàn)象多是由于圍巖變形而產(chǎn)生的擠壓流動(dòng)型底鼓，因此在新的支護(hù)結(jié)構(gòu)中采用了幫角錨桿進(jìn)行加強(qiáng)，利用支護(hù)結(jié)構(gòu)底板處的圍巖塑性滑移線，實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓力的分流，進(jìn)而控制巷道底板的變形。

4）全斷面注漿加強(qiáng)。為了解決巷道圍巖在不穩(wěn)定狀態(tài)下的碎裂現(xiàn)象，采用了在巖層破碎處進(jìn)行注漿加強(qiáng)的方案，使破碎區(qū)域的圍巖形成一個(gè)穩(wěn)固的連續(xù)體，同時(shí)流動(dòng)的漿液順著支護(hù)孔流入到錨桿支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，形成了大深度錨索穩(wěn)定支護(hù)，增強(qiáng)了深處穩(wěn)定巖層的拉力，提升了整體的支護(hù)穩(wěn)定性。

優(yōu)化后的井下巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在支護(hù)時(shí)，錨桿選用直徑為20 mm、長度為2 400 mm 的右旋螺紋鋼錨桿，設(shè)置時(shí)錨桿的間距為700 mm×700 mm，錨索選用直徑為21.6 mm，長度為8 000 mm的鋼絞線，設(shè)置間距為1 500 mm，U 型鋼支護(hù)的過程中可采用可收縮型拱形支架[4]，分四節(jié)串聯(lián)起來，在搭接處的長度設(shè)置為500 mm，搭接段的預(yù)緊力不小于 400 N·m。

采用優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)后對(duì)巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖3 所示。由實(shí)際監(jiān)測結(jié)果可知，優(yōu)化后在60 d 內(nèi)，頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量均不斷增加，超過60 d 后均逐漸趨于穩(wěn)定，最大的頂板下沉量約為143 mm，比優(yōu)化前降低了67%，底鼓量最大為79 mm，比優(yōu)化前降低了74.6%，兩幫的移近量約為38 mm，比優(yōu)化前降低了89.6%，由此可知，新的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠顯著提升井下巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。

圖2 優(yōu)化后的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圖3 優(yōu)化后的巷道變形量示意圖

3 結(jié)論

針對(duì)煤礦井下巷道圍巖變形大、穩(wěn)定性差，給井下綜采作業(yè)安全造成嚴(yán)重影響的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，其采用了高預(yù)應(yīng)力錨索和高強(qiáng)度錨桿相結(jié)合的控制方案，在井下巷道圍巖變形大的地方通過架設(shè)“U”型架和控制底鼓的方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)在全斷面處采用了注漿加強(qiáng)支護(hù)方案，根據(jù)應(yīng)用結(jié)果表明：

1）圍巖應(yīng)力破壞，井下圍巖地質(zhì)條件差、強(qiáng)度不足，支護(hù)強(qiáng)度不足，支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理是導(dǎo)致巷道圍巖在綜采作業(yè)過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的最大因素。

2）優(yōu)化后頂板的下沉量約為143 mm，比優(yōu)化前降低了67%，底鼓量最大為79 mm，比優(yōu)化前降低了74.6%，兩幫的移近量約為38 mm，比優(yōu)化前降低了89.6%。由此可知，新的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠顯著提升井下巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。