沉積變異區(qū)巷道變形特征及厚層錨注控制技術(shù)研究

姚 剛，任學(xué)存，張長運，張瑞凱，姚樹陽，王 朋

(1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 菏澤 274700；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

隨著開采深度加深、開采強(qiáng)度加大、煤礦巷道圍巖所處應(yīng)力狀態(tài)逐漸惡化[1-3]，同時煤系巖層沉積不穩(wěn)定，煤礦巷道沉積變異區(qū)礦壓顯現(xiàn)劇烈，變形嚴(yán)重，對礦井安全高效生產(chǎn)造成極大影響，甚至引發(fā)礦壓災(zāi)害增多、增強(qiáng)[4-5]。沉積變異主要指巖層形成過程中在多重因素影響下產(chǎn)生的不規(guī)則沉積，煤系巖層中較為常見的沉積變異有煤層異常變薄、巖層分岔、斷層等[6-9]。許多學(xué)者針對煤層異常變薄及分岔產(chǎn)生原因開展了相關(guān)研究，認(rèn)為煤體自燃發(fā)火引起的上覆巖層塌落后壓實再生膠結(jié)、河流沖蝕等是造成沉積變異的主要原因，并進(jìn)一步利用地震波CT技術(shù)圈定沉積變異范圍[10-12]。當(dāng)前針對煤層沉積變異控制技術(shù)的研究主要從構(gòu)造角度出發(fā)，以層狀巖體采動巷道支護(hù)方式進(jìn)行控制，康紅普等[13]針對復(fù)雜困難巷道的特征，提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，其核心是強(qiáng)調(diào)錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對支護(hù)效果的決定性作用；何滿潮等[14]研發(fā)了負(fù)泊松比錨桿索，現(xiàn)場實踐驗證其可對巖體大變形與沖擊地壓等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效控制，同時可對巖體工程災(zāi)害進(jìn)行一定的預(yù)測；張農(nóng)等[15]認(rèn)為煤巷圍巖的破壞過程是逐步擴(kuò)大的，在煤巖體破碎狀態(tài)下應(yīng)進(jìn)行注漿加固，設(shè)計出一種中空注漿錨索結(jié)構(gòu)，有效提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨固強(qiáng)度，改善了破碎圍巖的整體性，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的穩(wěn)定性。綜上所述，前人對煤巷沉積變異成因及相應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，但在支護(hù)方式上仍然采用傳統(tǒng)的短錨桿+長錨索聯(lián)合支護(hù)，基礎(chǔ)錨固厚度不足，注漿方法為注漿管或中空注漿錨索，但存在工序繁瑣及對錨索鋼絞線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成一定損傷的問題，支護(hù)強(qiáng)度不足。

因此，本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬以及工程試驗相結(jié)合的研究方法，總結(jié)了沉積變異區(qū)巷道變形破壞模式，分析了不同沉積狀態(tài)下巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況，結(jié)合柔性注漿錨桿實現(xiàn)了錨固注漿一體化，設(shè)計了沉積變異區(qū)煤巷厚層錨注修復(fù)加固控制技術(shù)方案，最終應(yīng)用于工程現(xiàn)場，圍巖控制效果良好，研究成果可為類似條件巷道圍巖控制提供一定借鑒。

1 工程概況

趙樓煤礦位于山東省菏澤市鄆城縣內(nèi)，生產(chǎn)能力330萬t/a，低瓦斯礦井，7303工作面運輸順槽埋深1 000 m左右，工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.1 m3/min，具有煤塵爆炸危險性，爆炸指數(shù)37.88%，掘進(jìn)期間正常涌水量5～15 m3/h，最大涌水量25 m3/h。

7303工作面東臨一采區(qū)與七采區(qū)邊界，距一采區(qū)1304工作面120 m左右，南距設(shè)計的7305工作面140～145 m，西距七采區(qū)回風(fēng)巷距離220 m，距二集輔助巷下段174.8 m，北鄰7301工作面，沿空煤柱4.5 m。主采3#煤層，煤厚平均7.1 m，煤層傾角平均3.2°，煤層普式系數(shù)平均1.6，巷道直接頂為泥巖，老頂為細(xì)砂巖，部分地段存在偽頂，掘進(jìn)期間巷道出現(xiàn)沉積變異，主要表現(xiàn)為煤層變薄、分岔以及兩幫巖性不一，變薄區(qū)內(nèi)3上煤層厚度0～2 m，平均0.8 m，3下煤層厚度1.4～3.9 m，平均3.2 m；分岔區(qū)內(nèi)3上煤層厚度2～3.5 m，平均2.7 m，3下煤層厚度2.6～4.5 m，平均3.6 m。掘進(jìn)期間沉積變異區(qū)域巷道頂板下沉劇烈，頂板離層儀普遍超限，錨桿索破斷現(xiàn)象時有發(fā)生，底鼓量最大可達(dá)1.3 m，巷道空間相對位置如圖1所示。

2 巷道變形破壞特征

2.1 巷道變形模式

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，7303工作面運輸順槽為梯形斷面，上寬4.8 m，下寬5.2 m，高4.0 m，支護(hù)方案采用傳統(tǒng)短錨桿+長錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿長度2.4 m，間排距850 mm×800 mm，頂板錨索長6.2 m，間排距2 000 mm×1 600 mm，幫部錨桿長2.5 m，間排距850 mm×800 mm，現(xiàn)有支護(hù)下沉積變異區(qū)巷道變形嚴(yán)重，難以維控巷道圍巖穩(wěn)定，總結(jié)歸納沉積變異區(qū)巷道變形破壞主要表現(xiàn)為三類模式。

1) 頂板整體結(jié)構(gòu)性下沉破壞。由于巷道上方煤層沉積變異，頂板3～4 m范圍內(nèi)巖層賦存不穩(wěn)定，泥巖煤體砂巖互層，整體呈現(xiàn)復(fù)合頂板狀態(tài)，頂板大范圍整體下沉。

2) 長時蠕變破壞。在高地應(yīng)力、沉積變異構(gòu)造應(yīng)力以及自身掘進(jìn)應(yīng)力多重影響下，巷道表現(xiàn)出明顯的長時蠕變特征，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，臥底之后一段時間內(nèi)又重新鼓起。

3) 非對稱破壞。沉積變異導(dǎo)致的兩幫巖性不一致，承載性能差異明顯，部分地段出現(xiàn)左側(cè)幫部穩(wěn)定但底鼓嚴(yán)重，右側(cè)幫部鼓出但底板穩(wěn)定的特征，巷道變形實況如圖2所示。

圖1 7303工作面運輸順槽沉積變異區(qū)巷道相對位置Fig.1 Relative position of roadway in sedimentary variation area along the transport channel of 7303 working face

圖2 沉積變異區(qū)巷道圍巖變形Fig.2 Deformation of roadway surrounding rock in sedimentary variation area

2.2 巷道礦壓顯現(xiàn)特征

2.2.1 模型建立

基于7303工作面運輸順槽實際地質(zhì)條件，本次模擬共建立兩類模型，分別為完整煤層模型和沉積變異模型，對比分析兩種沉積條件下巷道掘進(jìn)過程中礦壓顯現(xiàn)特征，巷道均沿煤層底板掘進(jìn)，完整煤層模型3#煤層厚7.1 m，沉積變異模型3上煤層厚2.7 m，3下煤層厚3.6～4.0 m，夾矸0.4～0.8 m，左幫夾矸厚度0.8 m，右?guī)蛫A矸厚度0.4 m，以此模擬煤層變薄及分岔的沉積變異地質(zhì)條件，本構(gòu)模型選用摩爾庫倫模型，模型設(shè)置為80.0 m×40.0 m×57.2 m，模型下方邊界及左右邊界采用位移邊界，位移設(shè)置為0，上邊界為應(yīng)力邊界，施加垂直應(yīng)力23.5 MPa，模型如圖3所示，各巖層參數(shù)見表1。

2.2.2 數(shù)值計算結(jié)果

模型建立完成應(yīng)力平衡后，進(jìn)行巷道開挖，兩類模型巷道開挖完成后巷道圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力以及塑性區(qū)分布如圖4所示。由圖4可知，巷道開挖之后原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖表面變形釋放應(yīng)力，應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移并形成應(yīng)力集中，最終達(dá)到新的平衡。當(dāng)煤巖層完整時，巷道周圍垂直應(yīng)力分布較為對稱，圍巖整體均勻受載，能夠較好地抵抗應(yīng)力擾動平衡，但出現(xiàn)煤層變薄或分岔等沉積變異后，由于巖層性質(zhì)相差較大，相互間黏結(jié)力較弱，應(yīng)力在傳遞及再平衡的過程中出現(xiàn)分布不均勻狀態(tài)，沉積變異區(qū)巷道頂板卸壓區(qū)明顯增大，左右兩幫應(yīng)力集中位置及范圍明顯不同，高強(qiáng)度集中應(yīng)力作用下巷道圍巖分岔面或軟弱夾層極易出現(xiàn)大變形，甚至冒落鼓出；從水平應(yīng)力及塑性區(qū)來看，沉積變異區(qū)巷道頂板由于為軟弱夾層，巷道開挖后頂板變形量較大，應(yīng)力釋放明顯，應(yīng)力集中向圍巖深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)或者說松動圈相較于完整煤巖體來說顯著增加，且在左幫分岔巖層處產(chǎn)生較大范圍剪切破壞。

圖3 數(shù)值模擬模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of numerical simulation model

表1 主要巖層力學(xué)參數(shù) Table 1 Main rock mechanics parameters

模擬得到掘進(jìn)期間巷道圍巖變形量如圖5所示。由圖5可知，完整巖層巷道頂板最大變形量65.3 mm，沉積變異巷道頂板最大變形量74.5 mm，與完整巖層巷道相比明顯增加；沉積變異巷道左幫最大變形量39.6 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟?9.0 mm，發(fā)生明顯的非對稱變形，且?guī)筒可戏杰浫鯅A層處變形量明顯大于下部完整煤體。

2.3 討論

趙樓煤礦煤層埋藏深，礦井地應(yīng)力大。在工作面回采過程中，上覆巖層的垮落造成工作面圍巖應(yīng)力調(diào)整，沉積變異區(qū)巷道圍巖積聚了大量的應(yīng)變能，產(chǎn)生應(yīng)力集中，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。沉積變異區(qū)巷道巖層賦存不穩(wěn)定，頂板完整性差，巖層交界面多，而巖層交界面黏結(jié)力弱，多為結(jié)構(gòu)弱面，與穩(wěn)定巖層相比，在多重應(yīng)力擾動下，沉積變異區(qū)巷道更容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，由表及里地漸進(jìn)破壞過程中破裂化遇到巖層界面受阻，巖層間弱面在集中應(yīng)力作用下產(chǎn)生不連續(xù)變形與滑移錯動，裂隙的持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致離層形成分區(qū)破壞，造成圍巖大面積破碎，同時在擾動過后應(yīng)力恢復(fù)過程中離層會進(jìn)一步阻隔應(yīng)力傳遞，使頂板出現(xiàn)斷續(xù)，變形與應(yīng)力傳遞的雙向不連續(xù)加劇了巷道圍巖的變形破壞程度，巷道圍巖塑性圈增大，破壞范圍增大。而趙樓煤礦7303工作面沉積變異區(qū)巷道原有支護(hù)仍為常規(guī)的短錨桿+長錨索，但短錨桿通常用于控制淺部圍巖，基礎(chǔ)錨固厚度小，在沉積變異區(qū)巷道中，巷道破碎范圍與松動圈明顯增大，薄錨固層無法有效抑制裂隙的發(fā)育和巖體的碎脹擴(kuò)容，導(dǎo)致裂隙與離層的發(fā)育非常容易突破錨固層厚度，造成淺部錨固區(qū)的結(jié)構(gòu)性整體變形下沉或鼓出，這與現(xiàn)場調(diào)研情況相符。除此之外，由于錨桿、錨索在延展性及控制范圍等方面的差異，看似協(xié)調(diào)承載實則單打獨斗，錨桿索支護(hù)相互之間耦合較差，控制效果不佳，難以滿足沉積變異區(qū)巷道安全控制要求。沉積變異帶來的巖體破碎，圍巖裂隙快速發(fā)育并擴(kuò)展，巖體可錨性降低，對錨固結(jié)構(gòu)承載性能造成較大影響，陷入圍巖破碎→錨固性能降低→圍巖更破碎的惡性循環(huán)。

圖6為不同錨桿長度下巷道變形量對比。由圖6可知，當(dāng)采用2.4 m短錨桿支護(hù)時，頂板變形與前文不加支護(hù)相比有所降低，但錨固結(jié)構(gòu)整體仍處在變形量較大范圍內(nèi)，錨固區(qū)處有明顯變形；當(dāng)采用4.0 m長錨桿時，頂板最大變形量為51.8 mm，下降明顯，且錨固結(jié)構(gòu)穿過了變形量較大范圍，極大降低了高應(yīng)力作用下錨固結(jié)構(gòu)隨圍巖被整體擠出的風(fēng)險。因此，在沉積變異區(qū)巷道支護(hù)控制中，基礎(chǔ)支護(hù)體長度應(yīng)穿透巷道圍巖橫向裂隙區(qū)后，錨固于深部圍巖體低損傷小變形區(qū)，使錨桿支護(hù)尾端作用于巷道周邊巖體零位移點，超過臨界錨固深度后實現(xiàn)厚層錨固，有效調(diào)動更大范圍巖體構(gòu)建承載結(jié)構(gòu)，發(fā)揮以內(nèi)部相對小位移約束巷道表面大變形的功能，提高應(yīng)力均化程度，同時輔助以圍巖注漿改性，改善圍巖破碎狀態(tài)，提高巷道圍巖自身承載能力。因此，在厚層錨注支護(hù)下，可以約束圍巖內(nèi)部損傷破壞的發(fā)展，消除巷道圍巖非連續(xù)變形，實現(xiàn)巷道圍巖的長時穩(wěn)定，提高沉積變異區(qū)巷道抗動載擾動能力，控制原理如圖7所示。

圖5 掘進(jìn)期間巷道變形量Fig.5 Roadway deformation during excavation

圖6 不同錨桿長度下巷道頂板下沉Fig.6 Roof subsidence of roadway under different bolt lengths

圖7 沉積變異區(qū)巷道控制原理Fig.7 Control principle of roadway in sedimentary variation area

3 工業(yè)性試驗

3.1 厚層錨注支護(hù)方案設(shè)計

結(jié)合7303工作面的實際工程條件，沉積變異區(qū)巷道圍巖變形嚴(yán)重并處于長期流變狀態(tài)，因此本文主要針對現(xiàn)有沉積變異區(qū)巷道的修復(fù)加固，沉積變異區(qū)巷道修復(fù)加固在充分卸壓的基礎(chǔ)上，使用合理長度的柔性錨桿重新構(gòu)建穩(wěn)定的錨固巖梁，通過雙重注漿提高破碎圍巖的完整性和承載能力，從而實現(xiàn)巷道服務(wù)周期內(nèi)的變形控制及安全使用。厚層錨注一體化控制技術(shù)由柔性注漿錨桿實現(xiàn)，主要由兩部分組成，分別為柔性錨桿和錨注一體化注漿裝置，柔性錨桿由鋼絞線、螺紋、螺母組成，可不受巷道高度顯著完成安裝，錨注一體化裝置由注漿彎管，注漿套管以及止?jié){塞組成，可在不損傷鋼絞線自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時完成巷道圍巖注漿改性，實現(xiàn)了厚-層錨固與注漿改性的有機(jī)結(jié)合，柔性注漿錨桿結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

圖8 柔性注漿錨桿Fig.8 Flexible grouting anchor

具體的厚層錨注加固支護(hù)參數(shù)如下所述。①頂板支護(hù)。采用Ф21.82×4 000 mm的柔性注漿錨桿、300 mm×300 mm×10 mm拱形鋼托盤，由于需要安裝錨注一體化裝置，托盤孔徑擴(kuò)大至42 mm，柔性錨桿每排四根，間排距為1 200 mm×1 600 mm，預(yù)緊力矩不小于300 N·m。②幫部支護(hù)。兩幫選擇差異化支護(hù)，采煤側(cè)幫部在距頂板700 mm位置施工一根柔性錨桿，非采煤側(cè)幫部布置2根柔性錨桿，且非采煤側(cè)幫部柔性錨桿為非均勻交叉布置，配備2 m-T型鋼帶，與原有支護(hù)鋼梁形成十字交叉起到強(qiáng)護(hù)表效果，排距1 600 mm。錨桿托盤必須緊貼鋼帶，使鋼帶壓緊網(wǎng)緊貼煤巖面，具體布置示意如圖9所示。柔性注漿錨桿安裝完畢后，打開注漿彎管封口，注入漿液，注漿壓力達(dá)到2 MPa時停止注漿。

3.2 沉積變異區(qū)巷道修復(fù)加固支護(hù)效果

3.2.1 錨桿支護(hù)阻力觀測

7303工作面運輸順槽沉積變異區(qū)巷道修復(fù)加固區(qū)域采用山東誠德電子科技有限公司生產(chǎn)的GPY750-M錨桿索測力計及其配套的手持采集儀對柔性錨桿工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。

測力計CL1安裝在試驗段里程30 m處，安裝完成后測力計讀數(shù)從60 kN以較快的速度增長；在34 h后，測力計讀數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為103.9 kN；測力計CL2安裝在試驗段里程60 m處，安裝完成后測力計讀數(shù)從40 kN以較快速度增長，在30 h后基本穩(wěn)定，但后續(xù)仍以較小幅度增長，穩(wěn)定值為63.4 kN；測力計CL3安裝在試驗段里程90 m處，安裝完成后測力計讀數(shù)從50.5 kN以較快的速度增長；在40 h后，測力計讀數(shù)小幅波動后以相對較慢速度增長并逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為125.5 kN。根據(jù)測力計數(shù)據(jù)表明，在修復(fù)加固支護(hù)完成40 h內(nèi)，柔性錨桿支護(hù)阻力增加較快，40 h后，柔性錨桿支護(hù)阻力增長速度降低并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 支護(hù)方案示意圖Fig.9 Schematic diagram of support scheme

圖10 測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.10 Dynamometer monitoring data

3.2.2 巷道表面位移觀測

巷道圍巖表面位移量監(jiān)測采用十字布點法，試驗段100 m，每20 m布置一個測站，此處選擇首尾兩個測站進(jìn)行分析，測站1位于試驗段里程20 m處，測站2位于試驗段里程80 m處。巷道圍巖變形量如圖11所示。由圖11可知，在修復(fù)加固初期，巷道圍巖在高應(yīng)力作用下仍然處于持續(xù)變形狀態(tài)，但隨著時間推移，巷道變形速度降低，修復(fù)加固3 d后，巷道圍巖變形基本穩(wěn)定，且頂板下沉量及兩幫移進(jìn)量均控制在100 mm以內(nèi)。

圖11 巷道圍巖變形量Fig.11 Roadway surrounding rock deformation

由圖12可知，在采動應(yīng)力影響下，巷道圍巖裂隙擴(kuò)展至巷道頂板上方3.14 m處，此時原有短錨桿支護(hù)已無法控制該區(qū)域，但仍在厚層錨固修復(fù)加固范圍內(nèi)，有效地抑制了頂板裂隙進(jìn)一步向深部擴(kuò)展，避免巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)整體性下沉移動，結(jié)合錨桿測力計與巷道圍巖變形數(shù)據(jù)可以得出，厚層錨注加固支護(hù)對沉積變異區(qū)巷道圍巖控制效果良好。

圖12 巷道圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育Fig.12 Internal cracks of the surrounding rock of the roadway are developed

4 結(jié) 論

1) 得出了沉積變異區(qū)巷道圍巖三類典型變形破壞模式：頂板整體結(jié)構(gòu)性下沉破壞、長時蠕變破壞、非對稱破壞。

2) 闡明了沉積變異對巷道圍巖變形的影響機(jī)制及厚層錨固控制原理。沉積變異區(qū)域巷道圍巖完整性差，巖層交界面多，多重應(yīng)力擾動下易造成局部變形嚴(yán)重及整體分區(qū)破壞，松動圈范圍大大增加。因此基礎(chǔ)錨固層厚度應(yīng)穿過圍巖橫向裂隙區(qū)，及時形成穩(wěn)定的厚層強(qiáng)化錨固巖梁，注漿改性提高巖體自身承載能力，消除分區(qū)間離層，實現(xiàn)應(yīng)力均化形成應(yīng)力連續(xù)傳遞。

3) 提出了沉積變異區(qū)巷道厚層錨注控制技術(shù)及完成工業(yè)性試驗。利用柔性注漿錨桿實現(xiàn)厚層錨注一體化支護(hù)，通過對錨桿支護(hù)阻力、巷道表面位移觀測以及鉆孔窺視表明，錨桿索支護(hù)阻力穩(wěn)定，巷道圍巖變形速度減慢，變形量控制在100 mm以內(nèi)，裂隙發(fā)育在厚層基礎(chǔ)錨固層內(nèi)，控制效果良好。