鄒正盛，李慶波，高衛(wèi)亮，李利峰

（1.河南理工大學(xué)深部礦井建設(shè)開放實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.畢節(jié)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

深部巷道在“三高一擾動”下呈現(xiàn)嚴(yán)重變形破壞、難支護(hù)的特征，引起了眾多研究者的關(guān)注。雖然它們均表現(xiàn)為變形量大、變形快、變形非對稱，尤其底鼓嚴(yán)重，但基本上是圍巖特征、地質(zhì)環(huán)境、支護(hù)等因素相互作用的反映。如棋盤井1101膠運(yùn)順槽大變形主要是頂板大厚度泥巖吸水膨脹和大地應(yīng)力作用的結(jié)果［1］；薛湖煤礦西翼軌道大巷嚴(yán)重變形主要是圍巖軟弱、埋深大(地應(yīng)力大)和支護(hù)與圍巖不耦合造成的［2］；淮南朱集礦軌道巷的破壞則主要是埋深大、斷面大、處于硐室群中所致［3］；清水煤礦回采巷道失穩(wěn)則與巨厚大地壓軟圍巖塑性流變、支護(hù)與圍巖大變形不協(xié)調(diào)等密切相關(guān)［4］；超千米深的濟(jì)寧2#煤礦回采巷道變形破壞主要是底板巖石吸水強(qiáng)膨脹和支護(hù)不耦合造成的［5］。夾河礦某復(fù)合頂板巷道的變形破壞主要系巷道地質(zhì)力學(xué)環(huán)境(埋深大、構(gòu)造壓力大等)和巷道圍巖自身的特性(松散、破碎、膨脹性較強(qiáng)、強(qiáng)度較低等)，以及支護(hù)不當(dāng)造成的［6］；古漢山礦11采區(qū)煤層巷道的持續(xù)大變形則是由于軟底、軟煤、軟頂構(gòu)成的圍巖在強(qiáng)大的水平構(gòu)造應(yīng)力下作用的反映［7］。

與前人研究不同的是，本文擬研究的梁北煤礦－550m水平11采區(qū)煤層巷道具有煤層特軟和難抽放的高瓦斯環(huán)境特征，因掘進(jìn)期間瓦斯防突而在巷壁周圍打成鉆孔近100個，造成巷道變形大、支護(hù)困難。目前這方面詳細(xì)研究的成果少見。本文擬在該煤巷工程地質(zhì)條件調(diào)研的基礎(chǔ)上，對煤巷變形破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)，對巷道持續(xù)大變形的原因進(jìn)行分析，進(jìn)而提出相應(yīng)的防治對策。

1 工程地質(zhì)條件

據(jù)地質(zhì)勘查報告［8］，梁北礦主采的二1煤層為典型“三軟”煤層。該礦－550m水平11采區(qū)巷道即布置其中，埋深610～750m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和室內(nèi)試驗(yàn)分析，該煤層巷道的工程地質(zhì)特征分述如下。

1.1 地層巖性

巷道圍巖由二1煤及其頂?shù)装鍢?gòu)成，巷道圍巖柱狀如圖1所示。其中，二1煤厚一般為3～6m，平均4.18m。煤層傾角約為12°。煤質(zhì)松軟，硬度系數(shù)f=0.15～0.25，平均0.18。底板為泥巖或夾砂質(zhì)條帶，頂板為砂質(zhì)泥巖和大占砂巖段。

1.2 工程地質(zhì)巖組

巷道圍巖可分成底板泥巖組、直接頂泥巖組、老頂砂巖組和煤巖組4個工程地質(zhì)巖組。底板巖組穩(wěn)定性差，受地下水長期浸透易發(fā)生膨脹，巖塊抗壓強(qiáng)度為32.8MPa；直接頂巖組夾有大量的泥質(zhì)薄層和泥質(zhì)條帶，水平層理發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，易風(fēng)化碎裂，發(fā)育有滑面或裂隙，巖體穩(wěn)定性差，巖塊抗壓強(qiáng)度為26.3MPa，軟化系數(shù)0.24。老頂巖組具緩波狀層理，分布較穩(wěn)定，巖塊單軸抗壓強(qiáng)度為20.1～81MPa，軟化系數(shù)0.75。煤巖組硬度系數(shù)f=0.15～0.25。

圖1 11采區(qū)巷道巖層柱狀圖Fig.1 Rock seam column at the 11 mining area

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

梁北礦位于景家洼向斜北東翼，整體為地層傾向195°、傾角5°～18°的單斜構(gòu)造形態(tài)，區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，落差大于30m的斷層有21條，主要沿115°～295°向和60°～240°向展布。但11采區(qū)斷層不太發(fā)育，掘進(jìn)過程中偶見落差小于10m的斷層。

1.4 地應(yīng)力環(huán)境

據(jù)地質(zhì)構(gòu)造形跡、鄰礦地應(yīng)力測試資料等綜合判定，梁北礦主壓力方向近似為E—W向和NWW向。11采區(qū)的巷道走向約為295°，與大主應(yīng)力作用方向呈小角度相交。參照附近煤礦實(shí)測資料［9～10］，從安全性角度出發(fā)，巷道環(huán)境應(yīng)力可按垂直∶水平為1∶1.2考慮。

1.5 地下水

對開采有影響的主要為二1煤層頂板砂巖裂隙含水層、太原組巖溶裂隙含水層、寒武系巖溶裂隙含水層。它們均為承壓水，其中寒武系巖溶水的水壓高，2003年以來該礦多次發(fā)生采區(qū)底板突水，均為寒武系巖溶水害，其誘因?yàn)閷?dǎo)水?dāng)鄬?。研究區(qū)寒武系含水層頂板距煤巷底板約70m，又無導(dǎo)水?dāng)鄬?，因此其對煤巷掘進(jìn)影響不大。太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙不太發(fā)育，除斷層影響帶外，對煤巷掘進(jìn)影響也不大。二l煤層頂板砂巖含水層為裂隙承壓水，裂隙較發(fā)育，但因補(bǔ)給來源不足，富水程度弱，對掘進(jìn)不產(chǎn)生大的影響。由于研究區(qū)無大斷層，所以地下水總體上對巷道掘進(jìn)影響小，主要以局部淋水形式出現(xiàn)。

1.6 瓦斯

梁北礦煤層原始瓦斯壓力0.60～3.65MPa，瓦斯含量為8～13m3/t，透氣性系數(shù)為0.0011～0.0454 m2/(MPa·d)，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0313～0.2588d－1，瓦斯放散初速度為12～26mL/s，具有較強(qiáng)的突出危險性。由于該煤層屬低強(qiáng)度低滲透性瓦斯儲層，抽放十分困難。11采區(qū)位于井田內(nèi)高瓦斯區(qū)，瓦斯絕對涌出量21.20m3/min，相對涌出量12.4m3/t。

2 煤巷變形破壞特征

研究區(qū)的11141風(fēng)巷，埋深約720m，巷道斷面為梯形(圖2)，采用全斷面沿煤層頂板掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)、一次成巷的施工工藝。為了巷道瓦斯防突，在巷道兩側(cè)各布設(shè)了6個瓦斯抽放長鉆孔，又在掌子面布設(shè)79個向前方、左右和下方煤體輻射的鉆孔，波及到的煤體寬度達(dá)36m。由于要求瓦斯鉆孔在巷道縱向上有重疊，因此部分巷道斷面上的煤體中有182個鉆孔穿過。巷道采用12#工字鋼對棚加錨索聯(lián)合支護(hù)，錨索為Ф17.8mm低松馳鋼絞線錨索，長10m，三排五花布置，間排距1.4m；工字鋼棚距700mm，頂梁與圍巖間用木楔背緊；幫部填塞荊芭。

圖2 巷道斷面及支護(hù)簡圖(長度單位:mm)Fig.2 The section and support of the coal roadway

曾在該巷道布置3個收斂變形測站，測站間距為50m。以兩幫中點(diǎn)連線的變化作為巷幫收斂量，而以頂?shù)装逯悬c(diǎn)連線的變化作為巷道頂?shù)资諗苛俊Ｃ總€測站均在巷道掘開后第10天布設(shè)。監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。由該圖和現(xiàn)場調(diào)查可得巷道變形特征如下:

(1)巷道變形快、變形量大，變形持續(xù)時間長。這從圖3可看出:第1測站76天頂?shù)资諗苛考s為640mm，兩幫約為120mm；第2測站58天頂?shù)资諗考s為630mm，兩幫約為175 mm；第3測站32天頂?shù)资諗考s為350mm，因一幫松散煤體內(nèi)鼓支架深陷，造成兩幫圍巖收斂217mm，支架收斂123mm。而且，這三個測站的巷道頂?shù)资諗烤鶡o穩(wěn)定期限。

(2)巷道四周收斂，收斂變形的方向性明顯。從圖3可看出，頂?shù)椎氖諗苛窟h(yuǎn)大于兩幫的收斂量?，F(xiàn)場調(diào)研表明，頂?shù)椎氖諗苛看笾饕怯捎诘坠乃?。在礦壓監(jiān)測期間，該巷道已清底兩次。后來為了維持巷道的穩(wěn)定，在巷道中央部位加設(shè)粗圓木柱支撐，但很快木撐不同程度陷入底板，劈裂縫明顯可見。

圖3 11141煤巷收斂變形曲線Fig.3 Convergence deformation of No.11141 coal roadway

(3)圍巖和支架存在差異性變形。從圖3可看出，支架和圍巖雖總體上表現(xiàn)為同步收斂，但仍存在較小的差異變形?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，頂板支架受力不均衡，因背板存在而表現(xiàn)為點(diǎn)接觸荷載；幫部情況相對好一些。但是，頂幫鋼支架仍存在不同程度的撓曲。

(4)局部圍巖破碎嚴(yán)重。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，直接頂巖體有不同程度的破壞，局部破碎較嚴(yán)重；煤幫荊芭內(nèi)凸鼓包。

3 煤巷大變形原因分析

3.1 地質(zhì)因素

圍巖工程地質(zhì)條件的特殊性是巷道持續(xù)大變形的根本原因。二1煤層屬典型的“三軟”煤層(軟煤、軟頂、軟底)，尤其煤層屬特軟煤層，從掘進(jìn)掌子面看，煤體粉碎，強(qiáng)度特別低。

按何滿潮教授的臨界深度理論，該煤巷支護(hù)難度系數(shù)為1.5～2.0，屬于目前支護(hù)難度大的煤巷。

3.2 工程因素

3.2.1 底板煤體強(qiáng)度弱化

11采區(qū)煤巷設(shè)計(jì)為沿頂煤巷，底部有一定厚度的軟煤層，瓦斯防突鉆孔延伸其中，同時施工用水和人為擾動，均會使底板煤體強(qiáng)度弱化。為了研究這一弱化效應(yīng)，采用FLAC數(shù)值試驗(yàn)。圍巖計(jì)算參數(shù)依據(jù)工程地質(zhì)巖組的巖體結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)力學(xué)指標(biāo)、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則等綜合確定，見表1。表2為煤體強(qiáng)度弱化后的計(jì)算參數(shù)，其中方案0代表底板煤體強(qiáng)度未弱化情形，從方案1至方案3，強(qiáng)度弱化逐漸加重。方案3的參數(shù)主要依據(jù)現(xiàn)場煤體擾動狀況及臥底時所見煤體情況通過類比確定，方案1～2的參數(shù)則是通過內(nèi)插并依經(jīng)驗(yàn)給出。應(yīng)力環(huán)境按垂直主應(yīng)力∶水平主應(yīng)力為1∶1.2考慮。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)Table 1 Model parameters for the surrounding rock

表2 底板煤體強(qiáng)度弱化模型參數(shù)Table 2 Model parameters for weaken bottom coal

由圖4可看出，底板煤體強(qiáng)度弱化，底鼓量增大，弱化越厲害，底鼓越嚴(yán)重。底鼓量隨底板煤體弱化程度的加強(qiáng)呈非線性增長。

3.2.2 巷幫強(qiáng)度弱化

為了控制巷道的瓦斯量，在一個掘進(jìn)循環(huán)里往兩幫煤體中輻射狀鉆打近百個瓦斯抽放孔。這事實(shí)上已造成了幫部煤體強(qiáng)度的弱化。為了研究幫部煤體強(qiáng)度鉆孔弱化對巷道變形的影響，將巷幫煤體以降低強(qiáng)度來代替鉆孔對其強(qiáng)度的影響，仍采用FLAC進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，模型輸入?yún)?shù)見表1和表3。表3中方案0代表幫部煤體強(qiáng)度未弱化情形，從方案1至方案3，幫煤強(qiáng)度弱化逐漸加重。幫煤強(qiáng)度弱化后的力學(xué)參數(shù)選取原則同前。每種方案又按1m、2m、3m的煤幫強(qiáng)度弱化寬度考慮。應(yīng)力環(huán)境按垂直主應(yīng)力∶水平應(yīng)力為1∶1.2考慮。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 底板煤體強(qiáng)度弱化效應(yīng)Fig.4 Effect of weaken bottom coal on deformation of the coal roadway

表3 幫部煤體強(qiáng)度弱化模型參數(shù)Table 3 Model parameters for weaken roadside coal

圖5 幫部煤體強(qiáng)度弱化效應(yīng)Fig.5 Effect of weaken roadside coal on deformation of the coal roadway

由圖5可看出，煤幫強(qiáng)度弱化，巷道四周位移量也都不同程度增長，但最明顯的是兩幫。然而，11采區(qū)煤巷兩幫強(qiáng)度弱化是由于瓦斯防突的鉆孔引起的。由于煤特軟，大量的超前鉆孔在成巷之時就將圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)往深處，同時大量鉆孔的坍塌吸收煤幫的變形能，進(jìn)一步化解了煤幫大量的內(nèi)凸變形。這便是該煤巷兩幫實(shí)際收斂變形并不如計(jì)算那樣明顯的主要原因。

圖5還表明，煤幫強(qiáng)度弱化，底板內(nèi)凸十分明顯，頂板下沉不明顯。主要原因是煤體強(qiáng)度弱化，幫煤對頂?shù)装宓闹巫饔脺p弱，頂?shù)装鍝锨鷷龃?。因?yàn)槔享敽袂規(guī)r體質(zhì)量好，遠(yuǎn)優(yōu)于底板巖層，所以底臌增大明顯，而頂板下沉變化較小。

由上可知，巷幫瓦斯抽放鉆孔是加重巷道變形的一個重要的工程因素。

3.2.3 巷道支護(hù)

11采區(qū)煤巷采用頂錨索加梯形工字鋼對棚支護(hù)。巷底無支護(hù)，顯著的底鼓會加重巷道頂幫的變形，給幫頂支護(hù)帶來困難。錨索間距大又未能聯(lián)結(jié)成錨索群，對直接頂起不到明顯的有效加固?，F(xiàn)場觀察到的頂板破碎與此有密切的關(guān)系。

工字鋼對棚支護(hù)是一種被動支護(hù)，沒有很好發(fā)揮圍巖的支撐能力。工字鋼對棚又多表現(xiàn)為點(diǎn)接觸或局部非均勻接觸，其受力可用圖6表示。這種情形屬于材料力學(xué)中的縱橫彎曲問題。很顯然，以集中力形式作用于鋼棚上時，鋼棚撓度和彎矩均大于均布力形式的作用；鋼棚一旦發(fā)生彎曲，將會在其軸向力作用下加速彎曲并使其承載能力喪失。

圖6 支架受力情況Fig.6 Forces acted on the steel support

因此，煤巷的支護(hù)存在缺陷，這也是煤巷大變形的一個重要因素。

從上面的分析可知，煤巷的持續(xù)大變形特征主要是因煤層軟弱、底板煤擾動、瓦斯防突鉆孔效應(yīng)和支護(hù)缺陷等引起的。

4 特軟煤層巷道穩(wěn)定性控制對策

為了安全，高瓦斯巷道掘進(jìn)時必須進(jìn)行瓦斯防突。因此，梁北礦11采區(qū)煤巷的支護(hù)必須與瓦斯防突工作結(jié)合起來。從瓦斯防突工作效果和巷幫收斂小推斷，瓦斯抽放孔塌陷嚴(yán)重，瓦斯排放效率會降低。另一方面，在這種高應(yīng)力狀態(tài)下的特軟煤層中打孔，長孔的成孔效率低。第三，煤幫的過分破壞會增加巷道穩(wěn)定性控制難度。因此，巷道瓦斯防突應(yīng)兼顧巷道的支護(hù)。宜適當(dāng)縮短卸壓長孔，調(diào)整鉆孔方向以保留一定寬度的巷壁煤柱的完整性，加固該煤柱以降低抽放孔區(qū)壓力，提高鉆孔穩(wěn)定性或完整性，提高瓦斯排放效率。

在支護(hù)方面，宜采用鋼帶與錨桿將軟薄直接頂與其上的大占砂巖錨固起來，再通過鋼帶與錨索調(diào)動深部圍巖的承載能力，控制頂板的變形；采用錨桿加固煤幫，底腳注漿錨桿則用于抑制巷道底鼓。由于頂板和兩幫的有效支護(hù)，將有助于巷道底鼓控制。

按照上述思想對11采區(qū)原有掘進(jìn)、支護(hù)、瓦斯防突工序、方法或參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，工程實(shí)踐取得了初步的成效。由此得出，高瓦斯煤巷支護(hù)的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧瓦斯治理與巷道支護(hù)兩方面，宜把它們當(dāng)成一個系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同分析。

5 結(jié)論

(1)梁北礦11采區(qū)煤巷呈現(xiàn)快速、持續(xù)的大變形，以底鼓強(qiáng)烈、幫部收斂相對小為顯著特征。

(2)煤巷的這種變形特征主要是因煤層軟弱、底板煤體擾動、瓦斯防突鉆孔效應(yīng)、支護(hù)缺陷等引起的。

(3)高瓦斯特軟煤層巷道的支護(hù)應(yīng)兼顧瓦斯治理與巷道支護(hù)兩方面，宜把它們當(dāng)成一個系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同分析，這是有效解決這類巷道穩(wěn)定性控制難題的一種有效途徑。

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