大雁公司第三煤礦巷道變形破壞特征及防治技術研究

李奎松

（國家能源集團內蒙古大雁礦業集團有限責任公司第三煤礦，內蒙古 呼倫貝爾 021122）

學者和現場技術人員對巷道的變形和破壞機理進行了大量研究[3-5]，提出和構建了巷道不同的支護方法和技術，通過現場調查、實驗室分析、理論推導和工程應用，系統地研究了深埋巖石的穩定性，提出深埋地下工程中出現的核心科學問題是在“三高”條件下遇到的“三高一擾”條件，即原位應力高、溫度高、滲流壓力高、開采擾動大，形成了深部工程復雜的地質力學環境；進行了大規模的地質力學模型試驗，探討了深部巷道的圍巖變形和破壞機理[6-7]。淺層巖石具有顯著的規模的拉伸破壞，造成巷道周圍的膨脹和斷裂。由于主要支護薄弱，當沒有支護時，就會出現嚴重的底板起伏、側縮和頂板下沉。支護薄弱和底板無支護時，會出現嚴重的底板起伏、側縮和頂板下沉。為了支護通風巷道，建議采用新型的“螺栓-電纜-網格-噴射混凝土+外殼”組合支護。巷道變形范圍大，破壞范圍廣，錨桿經常出現在嚴重斷裂的圍巖中，支護潛力未得到利用，拱的支護強度不足，后承載力低，導致巷道承載力失效。因此，提出了“高強度、整體性、減壓”的概念，利用數字鉆孔遙視儀和三維激光掃描設備分析路面破壞特征以及周圍巖石的微觀斷裂特性，系統地研究了深部巖石或煤巖組合機構在不同條件下的宏觀/微觀動力行為。煤巖組合機構在各種荷載條件下的宏觀/微觀動態行為，開發了一種圍巖的耦合注漿控制技術、深部巷道的標準強度幫和相應的上覆地層速度矢量運動模型。

大雁公司第三煤礦由于地應力、地質構造等多種因素影響，導致圍巖破碎疏松，煤巖體損傷范圍較大，節理開裂。巷道開挖過程中，應力環境復雜且分布不對稱，地應力明顯增大，圍巖強度減弱，出現二次應力集中現象。隨著煤炭資源集約化程度的逐步提高，淺層煤炭資源越來越稀少。為了提高煤炭工業的可持續性，礦井大多在深部開采。深部巷道存在不對稱高地應力、巖性多樣等多種問題，難以確定結構失穩的來源并采取有效的控制技術。巷道支護過程中，錨桿支護強度與支護結構不匹配，造成巷道變形嚴重，對圍巖破壞特征、圍巖松動區范圍和煤巖裂隙分布特征研究不合理，工作面運輸巷在整個服役時期嚴重變形，經過多次修復，控制效果不明顯。

1 地質情況

大雁公司第三煤礦主要開采煤層為33#煤層和34#煤層，煤層間距為20 m。33#煤層為厚煤層，平均厚度為6.61 m，掘進區域東部較西部略厚，煤層結構較簡單，含1～2 層夾矸，夾矸最厚0.56 m 左右。34#煤層平均厚度約為3.0 m，已采空，工作面間留有15 m 煤柱。目前主要開采煤層為33#煤層，傾角3°～5°，平均厚度6.6 m，采用放頂煤開采，機采高度3.5 m，放頂煤高度3 m。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2 頂板破壞位置確定

煤層上部開采后，頂板的應力重新分布后使巷道頂板承受更大的荷載，在巷道底部形成了一定范圍的應力抬升區，工作面的不同位置將使巷道處于不同的應力環境中。由于缺乏巖體的原始環境和結構特征，在實驗室測量的煤巖樣品的力學參數反映工程現場的實際物理力學特性。通過大量巖石力學試驗和巖體現場試驗，經過不斷修正和完善，用來模擬煤巖力學參數。根據巷道圍巖地質條件和支護結構形式，利用已建立的模型，建立FLAC3D數值模型。水平地應力設為20.0 MPa，豎向地應力設為14.6 MPa。模型初始應力計算完成后，開始巷道開挖模擬。在開挖過程中，采用索單元模擬錨桿、錨索。

33#煤層掘進過程中，大部分區域出現了幫部移近、頂板下沉、底鼓嚴重現象，并伴有部分區域錨桿和錨索斷裂、托盤彎曲等支護結構破壞。煤層開采后，頂板巖層應力重新分布，導致頂板承載載荷增大，從而形成大范圍應力提升區，掘進位置不同使頂板應力處于不同受力環境中。基于數值模擬，應力相對距離的演化規律如圖1 所示。

圖1 應力相對距離的演化規律

如圖1 所示，以中心線為基點，當掘進工作面邊緣距工作面中心距離為-37.5 m 和-17.5 m 時，側向應力峰值分別為23.2 MPa 和25.5 MPa。工作面側向應力峰值呈“m 型”分布，峰值應力先增大后減小。隨著掘進工作面的推進，頂板穩定性控制著煤層上部薄弱巖層的移動。頂板破碎后裂隙形態、鉸鏈狀態以及關鍵塊體的穩定性對圍巖應力分布影響較大，底板應力擾動將不可避免地影響煤層頂板的荷載分布規律。根據數值模擬得到的工作面側向應力分布規律，應力曲線顯示了頂板側向斷裂前的應力值。地應力大，分布不均勻，巷道圍巖強度較低，初始支護結構在圍巖條件下不理想。由于圍巖破碎，錨桿與圍巖難以形成穩定的支護結構。現場觀測表明，部分錨桿與圍巖粘結不良，錨固效果較弱，不同層間容易發生滑動，圍巖變形與不平衡應力不成比例，造成了頂板位置的破壞。

3 圍巖破壞與裂縫探測

為了更可靠地了解巷道深部圍巖的變形破碎情況，在頂板和幫部上進行了鉆孔窺視現場試驗，主要用于探測圍巖巖性和裂隙發育情況及松動圈范圍大小。鉆孔窺視儀包括主裝置、探頭、測深滑輪等主要部件。測深滑輪用于記錄探頭在鉆孔中的深度，探針有一個內置的LED 白光發光二極管（具有亮度調節電路）和一個攝像機來捕捉整面墻的圖像，視頻信號、控制探頭中的信號、數字羅盤信號通過電纜傳輸到主機。主機接收探測信號，并接收測深滑輪的深度脈沖信號，計算探頭的深度位置，進行圖像記錄和匹配視頻信號的拼接。視頻和圖像的匹配和拼接可以同時進行。隨著探頭繼續向孔內移動，整個孔壁為自動匹配和拼接成一個完整的平面展開的圖片。

為了更可靠地了解巷道深部圍巖變形破碎情況，利用鉆孔窺視儀對巷道頂板和幫部進行圍巖破壞與裂縫探測試驗，探測圍巖巖性與裂縫發育特征。鉆孔窺視可以準確地顯示上覆巖層的巖性、厚度、分層和裂縫。寬度大于5 mm、長度大于10 mm 為明顯裂縫，寬度大于10 mm、長度大于100 mm 為顯著裂縫。

不同位置的鉆孔窺視結果如圖2 所示。巷道開挖變形穩定區裂隙主要分布在巷道淺層區域，在0～2 m 范圍內存在裂縫，2～4 m 范圍內存在多條獨立水平和縱向裂縫。頂板窺視結果表明，頂板裂縫在0～2 m 深度相互貫通，2～5 m 深度范圍存在少量橫向裂縫和小裂縫。幫部淺層0～2 m 處出現裂縫和斷裂，2～4 m 范圍內出現交叉裂縫，裂縫擴展程度包括水平裂縫和垂直裂縫。裂隙的存在給巷道支護帶來了嚴重影響，使巷道支護效果減弱。巷道變形量大，一般巷道變形速度和變形值較大，開挖后，壓力迅速釋放。巷道變形具有時間依賴性，修復后，巷道只能保持2 個月左右的穩定。變形量增大，在某些情況下，變形速度隨著時間的推移而加快。鉆孔窺視結果為巷道支護方式及錨桿索支護材料的選擇提供了參考和依據。

某些指標具有不同的量綱，為了方便對不同單位的指標進行加總，以及縱向比較各年度水平，在對原始指標合成之前，需要進行無量綱化處理。本文采用盧洪友等人的方法，用極差處理法進行無量綱化，方法如下：

圖2 鉆孔窺視結果（m）

4 巷道支護方式

根據圍巖裂縫分布情況，錨桿應力區應覆蓋裂隙區，錨索長度應大于塑性區深度，對改善圍巖受力情況起到有效作用。根據地質條件和鉆孔窺視結果，結合巷道原支護，提出了一種錨索、錨桿綜合支護分步聯合控制方法。1）錨桿淺部承載區。2.4 m 圍巖淺層采用預應力錨桿，輔以高強托盤和W型鋼帶提供聯合支護，防止破碎區圍巖破裂導致支護構件破壞。2）錨索深部承載區。頂板采用8.3 m高預應力錨索埋入穩定巖層，兩幫均采用4.3 m 高預應力錨索穿過裂隙帶，錨固在相對完整煤體。高預應力錨索增加煤體抗剪能力，使巷道圍巖在一定程度上恢復三維應力狀態，發揮巷道深部圍巖承載能力。

具體支護方式： 頂板使用錨桿為Φ22 mm×2400 mm，錨桿間、排距為800 mm×800 mm，菱形布置，使用方托盤，長× 寬× 厚=150 mm×150 mm×8 mm；巷道頂板使用Φ21.8 mm×8300 mm 錨索進行支護，使用方托盤，長×寬×厚=200 mm×200 mm×12 mm，錨索布置在錨桿排間，錨索間、排距為1500 mm×1600 mm；鋼筋網規格為：Φ6 mm×1200 mm×900 mm，網孔為100 mm×100 mm。如圖3 所示。

圖3 巷道支護措施（mm）

圍巖巷道注漿加固主要作用于構造裂隙面，通過注漿改善結構面摩擦力，使結構面相互粘結。注漿過程中注漿壓力防止軟弱結構面剪切破壞，改善圍巖物理力學參數。采用錨桿支護，加強巷道圍巖控制，注漿后巷道圍巖形成承載結構，改善錨桿受力環境，增強錨桿錨固能力，使錨桿錨固和注漿加固發揮更大承載力。

在巷道頂板和兩幫施工注漿錨桿，錨桿規格為Φ25 mm×2400 mm，間距為1000 mm，注漿壓力為2.3～3.4 MPa。保護好錨桿注漿口，防止堵塞。注漿材料選用PO42.5 鋁硅酸鹽水泥單體漿體，水灰比為1:2.5。根據巷道實際掘進情況，在巷道工作面后50～70 m 處進行巷道兩幫注漿加固，改進兩幫巖性可有效緩解底板應力效應。對裂隙巖體進行注漿膠結，可提高巷道的整體承載力。

5 巷道控制效果

巷道表面相應的現場測量可以有效、全面地反映支護系統的工作狀態，驗證巷道支護方案的效果，有助于巷道支護的穩定性。為了研究聯合支護技術對巷道圍巖變形控制效果的影響，巷道掘進段設置監測站，對巷道圍巖變形進行觀測，巷道變形量如圖4 所示。

圖4 巷道變形量

采用綜合分步聯合支護技術對巷道進行優化，通過一次性支護，及時恢復了圍巖應力狀態，實現巷道穩定和施工安全控制。對破壞區域進行噴漿加固支護，對圍巖進一步加固。錨索支護擴大承載圈，進一步改善和恢復圍巖應力狀況，實現巷道穩定控制。支護完成后巷道變形量如圖4 所示。由于開挖擾動的影響以及其儲存變形能量釋放，地表巖體變形急劇增加。開挖30 d 后，地表位移和變形速率開始減小，50～60 d 后，變形速率趨于穩定，在0.1～0.3 mm/d 以下，整體變形較小。現場監測結果表明，優化后的巷道設計方案合理，巷道頂板和幫部圍巖變形得到明顯控制。

隨著監測時間增加，頂板錨索應力逐漸增大，頂板錨索應力逐漸穩定在120 kN。頂板錨桿應力初始觀測值為35 kN，錨桿受力逐漸增大，頂板錨桿應力逐漸穩定在70 kN。隨著監測時間的增加，幫部錨索應力初值為65 kN，幫部錨索應力逐漸增大，穩定在100 kN。錨桿和錨索在巷道頂板和幫部應力趨于穩定。

深部巷道容易面臨各種挑戰，不對稱的高地應力使結構失穩的原因很難判斷，不能采取有效的措施。根據深部高應力巷道受采動擾動的不同時期，詳細地對比深埋高應力巷道的變形失穩特征，進而反演巷道失穩機理和控制技術，為深埋高應力巷道的控制提供方法和途徑。現場實施具有可操作性和重復性，便于現場應用和推廣。

6 結論

1）巷道開挖變形穩定區裂隙主要分布在巷道淺層區域，在0～2 m 范圍內存在裂縫，2～4 m 范圍內存在多條獨立水平和縱向裂縫。

2）根據地質條件和鉆孔窺視結果，結合巷道原支護，提出了一種錨索、錨桿綜合支護分步聯合控制技術，巷道頂板和幫部圍巖變形得到明顯控制。

3）采用綜合支護分步聯合控制技術，地表位移和變形速率開始減小，變形速率趨于穩定，巷道變形較小，優化后支護方案有效提高巷道穩定性。開挖30 d 后，地表位移和變形速率開始減小，50～60 d 后，變形速率趨于穩定，在0.1～0.3 mm/d 以下，整體變形較小。