巷道過采空區支護技術研究

周 波，許猛堂，尹 磊，李 鑫，張 旺

（1.貴州灣田煤業集團有限公司 湘橋煤礦，貴州 盤州 553503；2.貴州理工學院 礦業工程學院，貴州 貴陽 550007；3.盤州市能源局，貴州 盤州 553503）

破碎圍巖巷道支護問題一直是礦山工程中的難題之一，巷道受破碎圍巖影響整體穩定性差，巷道支護困難、變形量大以及返修率明顯增高，傳統的錨桿、錨索支護已難以發揮整體支護作用[1-2]。僅從加強巷道支護措施方面已難以遏制巷道圍巖的繼續變形，改善巷道圍巖結構及其力學性能是巷道圍巖變形控制的根本途徑，通過注漿提高巷道圍巖承載能力能夠有效控制破碎圍巖巷道變形[3-5]。

國內眾多學者對破碎圍巖巷道的支護問題做了大量的理論和實踐研究，取得了較為豐碩的研究成果。徐佑林[6-7]針對動壓影響下巷道大變形、強破壞的技術難題，提出再造承載拱的巷道支護技術；王宏偉[8-9]通過理論分析，構建了非靜水壓力下巷道圍巖破碎區應力分布的力學模型，并提出軟弱破碎圍巖高強高預緊力支護技術；李樹剛[10]通過數值模擬分析，揭示破碎圍巖動壓巷道的變形破壞機制，并提出了錨索與注漿聯合支護加固方案；張傳恕[11]對大斷面松軟破碎圍巖巷道穩定性進行了分析，并使用高強讓壓錨桿、提高錨桿長度和預緊力等措施，有效控制了破碎圍巖巷道變形；單仁亮[12]分析了松軟破碎圍巖煤巷的破壞機理，并提出強幫強角支護控制技術；潘銳[13]對破碎圍巖錨注加固承載特性進行了研究，對巖體粒徑、巖性、錨桿數量等影響因素進行了對比分析；王茂盛[14]提出1種新型無機注漿材料加固破碎圍巖技術，并實驗分析了水灰比對圍巖變形量及圍巖破碎的影響；王猛[15]總結了動壓作用破碎圍巖巷道大變形的主要影響因素，并提出了該類巷道分區域差異性修復技術；陳曉祥[16]對斷層破碎帶中巷道圍巖大變形機理進行了研究，并提出了“超前預注漿+錨網索”聯合支護方式；袁超[17]巷道圍巖塑性區分布形態，提出“錨網噴+全斷面中空注漿錨索”的軟弱破碎巷道圍巖控制技術；王琦[18]針對于深部開采巷道圍巖松散破碎現象逐漸增加的現象，提出巷道圍巖錨注擴散加固技術；丁自偉[19]針對于破碎圍巖巷道錨固效果差的特點，提出分層次的注漿工藝對破碎圍巖進行加固，并進行了實驗研究；趙光明[20]對構建了軟弱破碎巷道圍巖深淺承載結構力學模型，得出了圍巖殘余強度和支護作用對圍巖變形的影響；王平[21]研究軟弱再生頂板圍巖失穩機理，構建了再生頂板“拋物線－半雙曲線”擴展力學模型。

上述研究成果主要集中于動壓巷道、軟巖巷道以及深部巷道的圍巖控制，但采空區圍巖主要為覆巖垮落帶破碎巖體，其破碎程度和破碎范圍急劇增加，關于此類巷道的支護技術研究鮮有報道。基于上述研究成果，構建巷道過采空區圍巖控制總體思路，建立了注漿條件下破碎圍巖巷道半圓拱承載力學模型，分析了半圓拱強度對圍巖破壞的影響，得到了承載拱破壞的極限厚度，研究成果應用于湘橋煤礦過采空區破碎圍巖巷道，為該類巷道圍巖控制提供了科學依據。

1 研究背景

湘橋煤礦11702回風巷長度360 m，沿17#煤層頂板掘進。17#煤層厚度2.8～10 m，平均厚度為6.4 m，直接頂為粉砂質泥巖，厚度在2～3 m范圍內，基本頂厚度為6 m左右。由于歷史原因，11702工作面部分煤炭資源已被小煤窯開采破壞，欲回采11702工作面則其回風巷必須經過小煤窯采空區，小煤窯采空區圍巖完整性差、破壞深度大，破壞程度高，頂板覆巖破壞深度已經達到21.2 m，鉆頂板覆巖破壞深度示意如圖1。過采空區的巷道支護問題已成為11702回風巷圍巖控制的重點和難點，僅從加強巷道支護措施方面已難以遏制巷道圍巖變形，需要從改善巷道圍巖結構及其力學性能方面著手進行。

圖1 頂板覆巖破壞深度示意Fig.1 Schematic diagram of the failure depth of the roof overlying rock

2 巷道過采空區圍巖控制總體思路

目前提出的煤礦巷道圍巖控制技術主要有以下5類[1]：巷道圍巖表面支護技術、巷道圍巖錨固技術、巷道圍巖改性技術、巷道圍巖卸壓技術以及巷道圍巖聯合控制技術。

采空區破碎巖體本身圍巖整體抗變形能力差，巖石破碎造成穩定性差，針對此種條件，采用單一圍巖控制技術已難以遏制巷道圍巖變形，必須采取巷道圍巖聯合控制技術。首先考慮提高巷道圍巖的整體性能，注漿的目的是充填圍巖裂隙，使破碎圍巖形成完整巖體結構，提高圍巖的整體力學性能，使巷道圍巖形成有承載能力的半圓拱體；其次通過U型棚支護進一步提高圍巖的整體抗變形能力，輔之以金屬網加固破碎巖體，使巷道上覆圍巖整體形成“半圓供體-上覆破碎巖體-上覆完整巖體”的“強-弱-強”結構，從而達到巷道過采空區圍巖控制的目的，最終形成“U型棚+注漿”支護技術。因此，此支護技術中注漿形成的圍巖半圓拱體的力學性能及拱體厚度是圍巖控制的關鍵，提高半圓拱體的力學性能與拱體厚度能夠有效抑制巷道變形，但不能無限制注漿，不僅造成材料浪費，同時也增加了巷道支護成本。

3 半圓拱體承載能力分析

3.1 力學模型構建

注漿形成的半圓拱體上覆巖層為破碎巖體，這種散體條件下拱體所受圍巖壓力符合普氏理論的基本假設[22]。根據半圓拱體與上覆巖層的作用關系，建立的受力模型如圖2，令上覆巖層作用于半圓拱體的載荷為均布載荷q，拱厚為H，巷道高度為h，拱體兩端受簡支梁約束，作用點位于兩端拱底的中間位置A、B 2點。

圖2 半圓筒受力模型Fig.2 Semi-cylinder force model

圖2力學模型為對稱模型，可得拱底兩端約束的垂直支撐力FA、FB為：

沿半圓拱體左端與水平方向呈θ角將拱體截開分析拱體各截面所受彎矩Mθ和剪力Fθ的變化情況，半圓拱體彎矩和剪力分析如圖3。

圖3 半圓拱體彎矩和剪力分析Fig.3 Analysis of bending moment and shear force of semicircular arch

由于受力模型為對稱模型，則θ角在（0，π/2）和（π/2，π）范圍內彎矩、剪力也對稱，則只需要計算（0，π/2）即可，經計算可得彎矩Mθ和剪力Fθ的表達式為：

式中：R為半圓拱半徑。

以θ角為變量對彎矩Mθ進行求導可得：

當θ角在（0，π/2）范圍內，Mθ′為正數，則彎矩Mθ在（0，π/2）范圍內遞增，在θ=π/2時取得最大值，彎矩最大值Mθmax為：

由式（4）可知半圓拱所受的最大彎矩隨著上覆巖層載荷q和半圓拱半徑的R的增加而增加。

可計算出半圓拱梁所受的最大拉應力σmax為:

由此可知，半圓拱梁所受的最大拉應力和上覆巖層載荷、拱的厚度及半圓拱的半徑有關，最大拉應力隨著上覆巖層載荷的增加而增加，并且呈線性關系，隨著拱的厚度的增加而急劇減小，呈非線性關系。由此可見，要保證半圓拱梁不發生拉破斷，須增加半圓拱的厚度。

3.2 半圓拱體抗壓強度和抗拉強度

半圓拱體為高水注漿材料與破碎圍巖的膠結體，為了計算半圓拱體不發生拉破斷，須獲得半圓拱膠結體的抗壓、抗拉強度，半圓拱體為高水注漿材料與破碎圍巖的膠結體，在高水材料凝固過程中加入圍巖矸石，矸石取自11702工作面現場矸石。通過試驗獲取高水材料膠結體實際抗壓強度、抗拉強度分別為12.6、1.46 MPa，半圓拱體力學性能實驗如圖4。

圖4 半圓拱體力學性能實驗Fig.4 Mechanical performance experiment of semicircular arch

3.3 半圓拱體圍巖應力的確定

巷道位置處于11702工作面采空區內，采用普式理論計算半圓拱體所受壓力，半圓拱體圍巖壓力計算模型如圖5。

圖5 半圓拱體圍巖壓力計算模型Fig.5 Calculation model of surrounding rock pressure of semi-circular arch

可得自然平衡拱的最大跨度a為：

上覆自然平衡拱高度隨著半圓拱體半徑的增加而增加，自然平衡拱內最大圍巖壓應力值qmax為：

式中：ρ為巖體的平均密度；f為巖體堅固系數。

令自然平衡拱內最大圍巖壓應力為半圓拱體所受圍巖壓力。

3.4 半圓拱體厚度的確定

湘橋煤礦11702工作面過采空區實際注漿半圓拱厚度為10 m，巷道寬度為4.2 m，可得半徑R=12.1 m，高水材料膠結體穩定抗拉強度為1.46 MPa。ρ=2.2 t/m3，f=1.26，內摩擦角φ取45°，代入式（7），可得上覆巖層載荷最大值為0.3 MPa。

根據式（5）可得半圓拱厚度必須滿足h≥9.5 m。

式中：σt為半圓拱體的抗拉強度。

湘橋煤礦11702工作面過采空區巷道實際半圓拱的拱厚為10 m，滿足抗拉強度要求。

4 工程實踐

湘橋煤礦11702工作面過采空區巷道再造半圓拱實際厚度為10 m，經過現場注漿工業性試驗表明高水材料與巷道圍巖膠結體實際抗壓、抗拉強度通過計算可以滿足工程需要。過采空區半圓拱體巷道變形情況如圖6。

圖6 過采空區半圓拱體巷道變形情況Fig.11 Deformation of roadway after grouting

截止2021年4月，11702回風巷頂板下沉量最大值為335 mm，底鼓量最大值為146 mm，兩幫移近量最大值為301 mm，半圓拱體能夠有效控制圍巖變形。11702工作面過采空區巷道鉆孔窺視10 m處圍巖情況如圖6（a），支護效果如圖6（b）。

5 結語

1）針對采空區巷道圍巖破碎程度高的支護難題，提出“U型棚+注漿”支護技術，使巷道上覆圍巖整體形成“半圓供體-上覆破碎巖體-上覆完整巖體”的“強-弱-強”結構。

2）構建了半圓拱巷道承載能力力學模型，推導了半圓拱最小拱厚表達式，并應用普式理論獲得了拱體的圍巖壓力，對半圓拱體進行了強度校核。

3）半圓拱體的承載性能與上覆巖層載荷、拱體的厚度密切相關，與上覆巖層載荷、拱體抗拉強度呈線性關系，與拱體的厚度呈非線性關系，隨著拱的厚度的增加而半圓拱體的承載能力也急劇增加。

4）研究成果應用于湘橋煤礦11702工作面過采空區巷道，有效地控制了巷道圍巖變形。