沿空留巷水壓致裂和注漿錨索聯(lián)合作用特征分析

賀相乾，楊舜超

（1.山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 呂梁 030500；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；3.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055）

0 引言

深部沿空留巷過程中圍巖變形破壞嚴(yán)重是生產(chǎn)現(xiàn)場需要研究的問題之一，國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞沿空留巷技術(shù)開展了相關(guān)研究，并取得了積極的控制效果[1-2]。孫廣建等[3]結(jié)合留巷圍巖非均勻受力、支護(hù)體作用、大松動(dòng)圈塑性圍巖特征，提出采用恒阻大變形錨索+切頂卸壓+36U 形鋼棚聯(lián)合控制技術(shù)，取得了較好的效果；呂維赟等[4]分析了切頂卸壓高度對巷道圍巖變形的作用特征，得出切頂較未切頂有明顯效果，且合適的切頂高度留巷圍巖變形控制效果顯著；王平等[5]結(jié)合矸石充填采空區(qū)減小覆巖破壞特征，提出了錨桿和W 鋼帶超前支護(hù)以及長錨索和注漿錨索永久支護(hù)技術(shù)方法，保障了深井矸石充填沿空留巷穩(wěn)定；高建勇等[6]模擬分析了水力致裂對沿空留巷頂板的作用效果，得出水力致裂可有效減小留巷頂板變形量；然而，隨著埋深的增加，沿空留巷控制難度不斷增大，本文以某礦典型沿空留巷為研究對象，分析了留巷圍巖變形特征，提出采用水壓致裂和注漿錨索聯(lián)合控制技術(shù)，分析了聯(lián)合作用原理，并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用。

1 巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件和變形特征

某礦3201 工作面一切眼傾斜長度160 m，可采長度129 m；一切眼與二切眼對接后傾斜長度190 m，可采長度1 466 m。3203 工作面主采2#煤層，2#煤為二疊系下統(tǒng)山西組煤層，煤層厚度1.6～2.3 m，平均厚度2.1 m，在3201 工作面回采過程中留巷不同區(qū)域均呈現(xiàn)全斷面變形，變形后巷道最小高度僅為0.9 m，如圖1 所示，較初始巷道高度變形量達(dá)2.1 m，頂板最大下沉量達(dá)1.2 m，且底臌嚴(yán)重；頂板錨桿（索）多處出現(xiàn)拉斷或松動(dòng)現(xiàn)象，部分鋼帶撕裂，說明3201 工作面回采過程中巷道承受較高的采動(dòng)應(yīng)力。

圖1 典型留巷圍巖變形特征

2 沿空留巷水壓致裂和注漿錨索聯(lián)合作用特征

2.1 聯(lián)合作用技術(shù)

針對深井沿空留巷大變形特征，將水力致裂和注漿錨索聯(lián)合作用，水力致裂切頂優(yōu)化開采覆巖大結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形成的應(yīng)力環(huán)境，注漿錨索支護(hù)強(qiáng)化小結(jié)構(gòu)加固層，通過優(yōu)化頂板應(yīng)力和控制小結(jié)構(gòu)頂板離層，實(shí)現(xiàn)沿空留巷圍巖的穩(wěn)定。

2.2 聯(lián)合作用特征

采用水力致裂切頂完成后，在切頂巖層的回轉(zhuǎn)載荷下，直接頂產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變形，導(dǎo)致其載荷增加、變形加劇、裂縫再次發(fā)育，分析增加的注漿錨索作用特征，簡化結(jié)構(gòu)為懸臂梁狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 直接頂受力簡圖

錨索支護(hù)后，直接頂與其上方的中砂巖錨固在一起，可認(rèn)為是一層頂板，隨著工作面推進(jìn)，直接頂首先垮落，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，其上方巖層對懸臂梁施加載荷。

2.2.1 錨索支護(hù)強(qiáng)度

支護(hù)密度p 為式（1）：

式中：c 為錨索排距；a 為巷道寬度；n 為每排錨索數(shù)量。

支護(hù)強(qiáng)度P 為式（2）：

式中：F 為錨索拉斷載荷。

根據(jù)彎曲梁理論，梁內(nèi)應(yīng)力分量為式（3）：

式中：h 為頂板厚度；q、M 均為梁內(nèi)載荷。

直接頂上、下表面水平應(yīng)力為式（4）：

在走向方向上有水平應(yīng)力σz=kγH，其中k 為側(cè)壓系數(shù)。

根據(jù)材料力學(xué)強(qiáng)度理論，可以采用第二強(qiáng)度理論校核，見式（5）。

由于直接頂上表面剪應(yīng)力為0，則σ1=σx，σ2=0，σ3=σz。

直接頂下表面豎直方向上應(yīng)力為支護(hù)強(qiáng)度，與彎曲應(yīng)力相比，視為高階小量，此處不計(jì)，取σ1=0，σ2=0x，σ3=σz，豎直方向上為第一主應(yīng)力，也是最大拉應(yīng)變的方向，其中σs為巖石的抗拉強(qiáng)度，代入強(qiáng)度條件，直接頂上、下表面拉應(yīng)變?yōu)槭剑?）：

可得，直接頂上表面的最大拉應(yīng)變在水平方向上；下表面的最大拉應(yīng)變在水平方向上。

其中彎矩M=∑Fixi，為梁模型中所有載荷的合彎矩，由以上分析可知，采動(dòng)后M 增加，其中起主要因素的是上覆巖層的壓力。

上方巖層壓力Fq為式（7）：

彎矩M 為式（8）：

式中：L 為巷道中心到頂板采空區(qū)端的長度。

以典型留巷為例，L=4.6 m；F=380 kN，代入式（8）和（4）中，可得：M=567.8 MN·m，μkγH=3 MPa，直接頂上表面σx=16 MPa，下表面σx=-16 MPa，其中，直接頂上表面為中砂巖，抗拉強(qiáng)度為σs=10 MPa，下表面為煤層，抗拉強(qiáng)度為0.29 MPa，代入式（6）中，可得直接頂上表面，見式（9）：

直接頂下表面見式（10）：

可以得出上下表面巖層均發(fā)生了破壞。由巖石力學(xué)理論可知，巖石破碎后會(huì)發(fā)生擴(kuò)容，巖層破碎后的厚度hp為式（11）：

式中：k0為擴(kuò)容系數(shù)。

頂板厚度擴(kuò)容，導(dǎo)致頂板錨索拉力增加，易導(dǎo)致錨索的拉斷失效。

2.2.2 頂板切斷機(jī)理

頂板作為懸臂梁，除了承擔(dān)正應(yīng)力外，還有剪應(yīng)力τxy見式（12）：

最大剪應(yīng)力τmax為式（13）：

式中：A 為頂板橫截面積，F(xiàn)s為截面內(nèi)剪力，由上覆載荷確定。

在煤幫處建立坐標(biāo)系，此處x=0，上覆載荷為上部巖層施加的壓力，取q，為分析方便可視為均布載荷，見式（14）：

則剪應(yīng)力τmax為式（15）：

由式（15）可得，懸臂梁截面距離煤幫越遠(yuǎn)剪應(yīng)力越小，同時(shí)，與上覆載荷q、梁的長度L 成正相關(guān)。對于整個(gè)梁，最大剪應(yīng)力截面處在梁的固支端處，也是巷道上方附近。當(dāng)工作面推進(jìn)后，受到采動(dòng)的影響，上載荷q 升高，頂板內(nèi)的剪應(yīng)力也會(huì)提高。

梁的破斷有拉破斷和剪斷兩種形式，隨著剪應(yīng)力的升高，若剪應(yīng)力首先達(dá)到巖層的剪切強(qiáng)度，則易在煤幫及巷道內(nèi)剪斷，此時(shí)煤幫側(cè)難以為上覆關(guān)鍵塊提供支撐力，只能由充填墻提供，進(jìn)而在巷道內(nèi)形成臺(tái)階下沉，對充填墻及巷道造成較大破壞。

由式（7）和（8）可得，彎曲變形作用下頂板易破壞，形成松散結(jié)構(gòu)，主要依靠錨桿索的支護(hù)作用保持其穩(wěn)定，但錨桿索的抗剪強(qiáng)度已大幅度下降，易出現(xiàn)剪斷失效進(jìn)而影響頂板穩(wěn)定性。在水力致裂的基礎(chǔ)上，增設(shè)注漿錨索后，巷道范圍內(nèi)頂板剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剛度值增強(qiáng)，使其遠(yuǎn)高于充填墻采空區(qū)側(cè)，有利于頂板沿充填墻外側(cè)切斷，有效避免臺(tái)階下沉發(fā)生。

3 結(jié)語

分析得出典型深井沿空留巷變形特征主要表現(xiàn)為全斷面收斂，頂板錨桿（索）拉斷或松動(dòng)，鋼帶撕裂；分析得出水力致裂和注漿錨索聯(lián)合作用時(shí)，水力致裂切頂優(yōu)化開采覆巖大結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形成的應(yīng)力環(huán)境，注漿錨索支護(hù)強(qiáng)化小結(jié)構(gòu)加固層；從錨索支護(hù)強(qiáng)度和頂板切頂機(jī)理兩個(gè)方面分析了水力致裂和注漿錨索聯(lián)合作用，得出在水力致裂的基礎(chǔ)上，增設(shè)注漿錨索后，巷道范圍內(nèi)頂板剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剛度值均增強(qiáng)，使其遠(yuǎn)高于充填墻采空區(qū)側(cè)，有利于頂板沿充填墻外側(cè)切斷，保障留巷圍巖的穩(wěn)定。