協(xié)同控制支護(hù)下巷道圍巖穩(wěn)定性研究

摘要：為了解決21160運(yùn)輸巷煤幫應(yīng)力集中問題，分析了動靜載荷作用下煤幫受力特征，采用協(xié)同控制方案，反復(fù)致裂形成弱結(jié)構(gòu)體積區(qū)域釋放彈性能，深度梯次支護(hù)及錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)提高圍巖抵抗變形的能力，工程應(yīng)用結(jié)果顯示錨桿錨索受力及圍巖變形均在合理范圍，卸壓條件下維持了巷道的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力集中；動靜載荷；協(xié)同控制方案；圍巖變形采動應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力是造成煤巖巷道應(yīng)力集中的主要原因，彈性能的瞬間釋放最終造成圍巖失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重情況下?lián)p壞設(shè)備，甚至引起煤粉及瓦斯的爆炸，威脅工作人員的生命安全［1］。截至目前，沖擊地壓依舊是影響安全生產(chǎn)的重要因素之一。根據(jù)已有研究，當(dāng)沖擊地壓積聚能量大于105 J時(shí)，巷道圍巖失穩(wěn)破壞。目前主流錨桿錨索支護(hù)體系最多可抵抗104 J能量破壞，因此鉆孔卸壓、水力壓裂等方法成為治理沖擊地壓的主流方法［24］。然而，不合理的治理方案往往造成卸壓力度小、卸壓位置偏差，甚至造成巷道強(qiáng)度急劇下降，導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)失效一系列問題［58］。因此，有效釋放壓力、維護(hù)巷道穩(wěn)定成為治理的核心。本文探索了協(xié)同控制支護(hù)方案的可行性，取得了良好的應(yīng)用效果，維護(hù)了巷道的穩(wěn)定性。

1工程概況

礦井主采5#煤層，宏觀煤巖類型界限清晰，質(zhì)地較堅(jiān)硬，典型碎裂結(jié)構(gòu)煤，節(jié)理發(fā)育好。煤層平均厚度3.6 m，平均傾角3.5°。區(qū)域開采平面上，煤層厚度均勻，整體可采。開采煤層頂板（直接頂和老頂）為軟弱泥巖，底板（直接底）為矸石與炭質(zhì)泥巖互層，遇水易發(fā)生膨脹。

目前回采工作面21160，西側(cè)與采區(qū)皮帶巷、采區(qū)運(yùn)輸巷、采區(qū)回風(fēng)巷相鄰，東側(cè)與南側(cè)為采區(qū)邊界，北側(cè)為21150采空區(qū)。開采工作面直接頂和老頂厚度44.2 m，上覆細(xì)砂巖及礫巖厚度452.36 m，在地應(yīng)力及采動應(yīng)力疊合影響下，巷道局部應(yīng)力高度集中，煤體彈性能積聚釋放產(chǎn)生沖擊破壞。因此，本文以21160運(yùn)輸巷為研究對象，探討有效支護(hù)方案，旨在預(yù)防巷道沖擊地壓的發(fā)生。

2協(xié)同控制支護(hù)方案

2.1圍巖破壞機(jī)理

巷道掘進(jìn)以及開采過程中，擾動造成圍巖原巖應(yīng)力的改變。擾動影響下，巷道圍巖受力不均，進(jìn)而造成應(yīng)力分布的差異性，此部分應(yīng)力稱為動態(tài)載荷。動載影響因素眾多，不僅受開采工藝的影響，巖層斷裂以及斷層的存在同樣影響動載分布。21160運(yùn)輸巷無斷層存在，因此人為擾動是動載的主要來源。同時(shí)，在直井開采方式下，巷道埋深所處的上覆巖層重力造成靜態(tài)載荷，靜載主要受開采深度的影響，埋深越大，上覆巖層自重應(yīng)力越大，靜載值也越高。動載和靜載的綜合是巷道圍巖的受力值，當(dāng)載荷值大于支護(hù)強(qiáng)度，則巷道失穩(wěn)破壞。根據(jù)已有研究基礎(chǔ)，靜載值可預(yù)測，動載值無法有效預(yù)測，因此，動載是誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)、發(fā)生沖擊破壞的主因。

根據(jù)上覆巖層重力特征以及開采擾動下的超前支承壓力理論，動靜載應(yīng)力逐漸傳遞至巷道兩側(cè)煤幫處，且受力特征相似。在巷道開挖后，應(yīng)力釋放，支護(hù)作用下運(yùn)輸巷圍巖受力降低，造成了兩幫處于應(yīng)力高值區(qū)范圍的現(xiàn)象。理論上，煤幫提供的支撐力大于動靜載荷值時(shí)，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，煤幫兩側(cè)支護(hù)過程中積聚的彈性能如若不能有效釋放，將造成沖擊地壓的發(fā)生。因此，需要人為干預(yù)設(shè)置弱結(jié)構(gòu)，降低兩幫彈性能，轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中區(qū)域。

理論上，人工造縫可釋放彈性能，破壞巖體完整性。弱結(jié)構(gòu)面雖然造成了巖體抵抗變形的能力降低，但是在支護(hù)作用下，巖體抗壓強(qiáng)度重新增強(qiáng)，承載能力滿足生產(chǎn)需求即可。因此，在制造弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，需要確保巖體整體完整，人工裂縫適度擴(kuò)張，在加固支護(hù)作用下，彈性能釋放與塑性能累計(jì)達(dá)到平衡，圍巖整體趨于穩(wěn)定。

2.2支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于圍巖破壞機(jī)理，對21160運(yùn)輸巷進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)，支護(hù)斷面示意如圖1所示，不同于傳統(tǒng)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，運(yùn)輸巷支護(hù)實(shí)現(xiàn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與弱結(jié)構(gòu)釋放能量的協(xié)同控制，具體支護(hù)設(shè)計(jì)如下：

（1） 頂板采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，長錨索、短錨索、錨桿深度梯次支護(hù)，確保了堅(jiān)硬頂板和軟弱頂板的固層，減少離層現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)，增強(qiáng)了上覆巖層的整體強(qiáng)度。頂板長錨索直徑21.6 mm，長度8 200 mm，間距2 500 mm，排距1 600 mm；短錨索直徑21.6 mm，長度5 300 mm，間距1 500 mm，排距1 600 mm；錨桿直徑22 mm，長度2 400 mm，間距1 800 mm，排距800 mm。靠近巷道兩幫錨桿與頂板呈15°安設(shè)。

（2） 兩幫鋼管位置首先需要反復(fù)鉆孔施工，確保弱結(jié)構(gòu)體積區(qū)域的形成，隨后通過鋼管支撐護(hù)壁，確保弱結(jié)構(gòu)體積區(qū)域不坍塌閉合。幫部錨桿與頂板錨桿尺寸一樣，間距1 000 mm，排距1 600 mm，靠近巷道頂板和底板錨桿與巷道兩幫呈15°安設(shè)。兩幫錨索與頂板短錨索尺寸一樣，錨索的作用是有效串聯(lián)弱結(jié)構(gòu)體，確保垂直層理方向巖層一體化。

（3） 巷道采用左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，讓壓錨索，為了更有效發(fā)揮協(xié)同控制作用，采用液壓抬棚對頂?shù)装暹M(jìn)行有效支撐，防止底鼓現(xiàn)象發(fā)生改變巖層受力特征，影響應(yīng)力分布區(qū)域。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，液壓抬棚一般安裝在靠近支架的位置，且預(yù)應(yīng)力應(yīng)足夠大。

值得注意的是，弱結(jié)構(gòu)體積區(qū)域施工是反復(fù)致裂的結(jié)果，鉆孔深度需保證15～20 m，現(xiàn)場施工中應(yīng)該進(jìn)行實(shí)時(shí)鉆孔觀測，一般而言，反復(fù)致裂2～3次往往可達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

3應(yīng)用效果

根據(jù)協(xié)同控制支護(hù)方案施工，對巷道頂板及兩幫錨桿錨索進(jìn)行受力監(jiān)測，其中頂板錨索通過測力計(jì)監(jiān)測短錨索受力。統(tǒng)計(jì)30天內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制得到圖2所示的結(jié)果，從圖中可以看出，頂板錨索和錨桿應(yīng)力變化特征一致，監(jiān)測前5天迅速增加，5～30天趨于穩(wěn)定。頂板錨桿5天時(shí)應(yīng)力10.23 MPa，30天時(shí)應(yīng)力13.00 MPa；頂板錨索5天時(shí)應(yīng)力11.23 MPa，30天時(shí)應(yīng)力13.56 MPa。對于兩幫錨桿及錨索而言，整體變化趨勢一致，變化范圍小。兩幫錨桿最大應(yīng)力6.59 MPa，兩幫錨索最大應(yīng)力3.46 MPa。錨桿錨索受力整體在合理范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

采用十字布點(diǎn)法對巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，頂板下沉量在0～10天內(nèi)迅速增加，變形量增加53.23 mm，隨后變形量逐漸穩(wěn)定，最大變形量55.12 mm；兩幫位移量采用均值法處理數(shù)據(jù)繪制所得，同樣0～10天內(nèi)變形量逐漸增加，增幅38.26 mm，隨后趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在40.32 mm。

礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，圍巖變形以及錨桿錨索受力均在合理范圍內(nèi)，整體支護(hù)效果良好，明顯改善了圍巖變形特征，有效達(dá)到了卸壓目的，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4結(jié)論

通過研究協(xié)同控制支護(hù)方案下巷道圍巖穩(wěn)定性特征，得到以下主要結(jié)論：

（1） 動靜載荷作用下，巷道兩側(cè)煤幫應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，可人工造縫形成弱結(jié)構(gòu)體積區(qū)域，釋放彈性能，達(dá)到彈性能和塑性能的平衡狀態(tài)，使巷道處于穩(wěn)定。

（2） 采用協(xié)同控制支護(hù)方案，頂板長錨索、短錨索、錨桿深度梯次支護(hù)，兩幫反復(fù)致裂后錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，然后配備鋼管支撐護(hù)壁，同時(shí)，液壓抬棚可提供足夠支撐力。

（3） 工程應(yīng)用結(jié)果顯示，巷道頂板錨桿最大應(yīng)力13.00 MPa，頂板錨索最大應(yīng)力13.56 MPa，兩幫錨桿最大應(yīng)力6.59 MPa，兩幫錨索最大應(yīng)力3.46 MPa，均在合理范圍內(nèi)。圍巖變形得到有效控制，卸壓目的達(dá)成，巷道穩(wěn)定性強(qiáng)。

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