煤礦井下巷道圍巖變形原因分析及控制方案研究

白香杰

（山西焦煤汾西礦業金辛達煤業， 山西 臨汾 041000）

井下巷道圍巖在巷道掘進過程中的穩定性直接決定了井下巷道掘進效率和安全性，隨著煤礦綜采作業深度的不斷加大，大深度巷道掘進作業過程中所面臨的礦壓波動和應力集中問題突出，特別是在圍巖強度低、破碎明顯的區域，圍巖變形嚴重，給井下綜采作業安全帶來了嚴重的隱患。

提高井下圍巖穩定性的關鍵措施是能夠對圍巖變形的原因進行深入分析并針對性的制定支護方案，本文以井下典型地質條件為例，巷道斷面為直墻半圓拱，巷道的寬度為4 600 mm，直墻的高度為1 800 mm，井下巷道斷面的截面積為16.6 m2，巷道的平均埋深為1 128.7 m，煤層平均厚度為7.9 m，煤層的平均傾斜角為7.1°，采用了條帶狀綜放開采方案。在巷道掘進時出現了圍巖收斂變形快的問題，巷道兩幫的最大位移量達到了50 mm/d，巷道掘進后約100 d，圍巖呈現出了明顯的破壞，兩幫的最大移近量達到了1 447 mm，巷道頂板和底板的最大變形量達到了1 189 mm，而且底鼓突出，巖影響了井下綜采作業的進行。

為了提升井下巷道圍巖的穩定性，提高井下綜采作業效率和經濟性，本文在對巷道圍巖變形原因進行分析的基礎上，提出了一種新的高預應力高強錨桿支護+關鍵部位強力支護+全斷面協同支護的方案，根據在井下的實際應用表明，新的支護方案能夠將巷道兩幫變形量降低76.9%，將巷道頂底板變形量降低75.1%，對提升井下巷道穩定性和安全性具有十分重要的意義。

1 圍巖變形機理及控制對策

通過對井下地質狀況的勘探，導致深井高應力軟圍巖破壞的原因主要是復雜的變形力機制引起的，第一種是由于高地應力導致的變形，其變形的機制是應力擴容型（IIABCD）。第二種是油液圍巖軟弱、強度低導致的，其變形機制為結構變形（IIIBC）。第三者是大斷面效應引起的，其變形機制為結構變形（IIIE），在三種變形機制的作用下，導致了深井高應力軟圍巖在工作過程中發生負復合型變形。井下圍巖復合變形機制如圖1 所示[1]。

圖1 井下圍巖復合變形機制示意圖

為了提高井下巷道圍巖的穩定性，對不同變形機制下的圍巖控制方案進行分析，由于應力擴容型變形主要是由于圍巖構造應力、重力及工程偏應力共同作用下導致的，因此可以通過應用高預應力高強度錨桿支護的方式來抵抗其在應力變化作用下的變形[2]。由于圍巖軟弱、強度低導致的結構變形型是圍巖軟弱夾層和層理走向共同作用下導致的，因此可以通過對軟弱圍巖、特殊層理位置進行強力支護，提高圍巖穩定性。由于大斷面效應導致的圍巖結構變形型，則可以通過采用全斷面協同支護的方案進行控制。通過不同區域進行針對性控制的方案，能夠有效提升井下巷道圍巖的穩定性。

2 高預應力高強度錨桿支護

高預應力高強度錨桿支護時，主要是向錨桿施加一個強大的預緊力，沿著錨桿的軸向方向對圍巖施加一個壓力，對作用區域的圍巖形成一個橫向擠壓應力[3]，在三向應力的作用下使巷道圍巖的整體力學性能得到改善，新的井下高預應力高強度錨桿支護結構如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，在支護時的錨桿均選擇了高強度錨桿，錨桿固定時的預緊力不低于400 N·m，采用加長樹脂錨固方式。錨桿托盤主要采用了規格為100 mm×100 mm×12 mm 的圓形托盤，并配備了高強度螺母、調心球墊等。錨索選擇了1×19 股的鋼絞線錨索，按每組6 根的方式進行布置，錨索之間的排距設置為1 600 mm。錨索布置時第一批從巷道拱頂中線處施工，然后依次向兩側分別偏移1 600 mm，再設置2 組。

圖2 高預應力高強度錨桿支護結構示意圖

3 關鍵部位強力支護

井下巷道支護時的關鍵部位是指在巷道圍巖應力和綜采擾動情況下最先發生變形或者破壞的區域，因此通過對巷道圍巖變形趨勢的分析，其關鍵部位主要是在巷道拱腳和圍巖兩幫位置[4]，因此針對不同的位置進行了不同的強力支護。

巷道拱腳強力支護。巷道在掘進過程中頂部的應力會通過巷道拱腳向著兩幫圍巖的深處轉移，從而導致在巷道拱腳處產生應力集中。因此通過對不同方案的分析，最終確定在巷道拱腳位置增加支護錨桿的長度，同時增加錨桿設置時的預緊扭矩，使其不低于450 N·m，然后再配上W 型強力鋼帶，對支護構件的表面進行強化處理，提高拱腳的控制范圍。

巷道兩幫補強。由于煤礦井下巷道煤層的強度不足，因此在開挖后，巷道兩幫在開挖應力的作用下會發生剪切變形和應力破壞，無法有效抵抗應力變形的影響。因此可以采用降低錨桿之間的排距，在巷道兩幫的支護中增加W 型強力鋼帶，設置錨索時需要采用大長度錨索，錨索需要設置設置到井下深部的穩定煤體內，從而提供更大的支護力。

通過對巷道拱腳強力支護和巷道兩幫的補強支護，能夠控制巷道兩幫的離層、滑移等，降低兩幫松動破碎范圍，有效控制巷道兩幫的變形量。

4 全斷面協同支護

井下巷道的全斷面協同支護主要是解決由于全斷面效應引起的巷道結構變形，全斷面效應下巷道區域內會產生大量的隨機節理[5]，由于不同節理的特性，導致區域內的圍巖的破碎度大，單純的依靠錨桿支護難以達到有效確保可靠性的目的，因此需要通過注漿加固的方式，對隨機節理狀態進行改善。

在井下巷道底板處采用了中空注漿錨桿錨注加固的方案[6]，所使用的錨桿為長度為2.5 m 的加長型錨桿，每組2 根，共設置3 排，錨桿之間的距離為1.4 m×1.6 m，為了擴大錨注的固定范圍，將錨桿向外側偏斜約20°，為了滿足井下快速凝固和錨注強度的需求，所使用的注漿料采用了無機礦粉雙液注漿料，水灰質量比為1∶3，注漿壓力設置為2.5 MPa。

5 應用效果分析

為了對新的控制方案的實際效果進行驗證，在井下設置了多個觀測站，對巷道施工期間的圍巖變形情況進行檢查，結果如圖3 所示。隨著巷道掘進的進行，巷道兩幫及頂底板的移近速率逐漸降低，當在第24 d天時基本趨于穩定，說明在巷道掘進后的第24 d，巷道的圍巖變形達到穩定狀態。根據監測結果，采用新的支護方案后，巷道兩幫的最大變形量由最初的1 447 mm降低到目前的334 mm，變形量降低了76.9%，巷道頂底板的變形量由最初的1 189 mm 降低到了目前的297 mm，變形量降低了75.1%，極大的提升了井下巷道圍巖的穩定性。

圖3 巷道圍巖變形監測示意圖

6 結論

為了解決大深度巷道掘進作業過程中所面臨的礦壓波動和應力集中問題突出，在對井下巷道圍巖變形機理進行分析的基礎上提出了一種新的巷道圍巖變形控制方案，通過綜合應用高預應力高強錨桿支護+關鍵部位強力支護+全斷面協同支護，提高了巷道圍巖在施工過程中的穩定性，根據實際應用表明：

1）高地應力導致的變形、由于圍巖軟弱、強度低導致結構變形、大斷面效應引起結構變形的綜合作用下導致了深井高應力軟圍巖在工作過程中發生負復合型變形。

2）高預應力高強錨桿支護+ 關鍵部位強力支護+全斷面協同支護的方案能夠有效解決多種因素作用下的巷道圍巖變形問題。

3）新的巷道圍巖控制方案，能夠將巷道兩幫變形量降低76.9%，將巷道頂底板變形量降低75.1%，對提升井下巷道穩定性和安全性具有十分重要的意義。