孫紅俊

(山西汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè),山西 孝義 032300)

結合707工作面圍巖性質，分析了軟巖巷道常見變形主要包括錨網(wǎng)索支護參數(shù)不盡合理、煤層厚度變化大、錨桿預緊力不合理等原因。結合707回風巷變形分析可知，該巷道變形主要原因在于不規(guī)則工作面、臨近采空區(qū)等。

軟巖巷道；變形分析；破壞機理

1 工程概況

礦井主采侏羅紀1#煤層，該煤層埋藏深度為500 m～600 m，煤層厚度9.84 m～20.96 m。在1#煤層開采過程中出現(xiàn)過多次弱沖擊壓現(xiàn)象。1#煤層工作面回采巷道一般位于煤層頂板或底板附近。由于回采巷道所處煤層或巖層巖性較軟，容易受到原巖應力和采煤工作面超前支承壓力的影響而產(chǎn)生較大變形。以往，在工作面開采過程中，常采用多次返修的方式來維持巷道的正常使用。

目前，礦井正處在深部開采，在掘進過程中頻繁出現(xiàn)“煤炮”現(xiàn)象。中國礦業(yè)大學對該礦l#煤層的沖擊傾向性鑒定結果顯示，該煤礦屬于弱沖擊地壓型礦井。深部l#煤層開采區(qū)域還處在寶積山向斜構造的軸部附近，巷道受構造應力的影響比較明顯，主要表現(xiàn)在巷道早期變形較大、支護難度較高。根據(jù)對705工作面的巷道維護情況觀察發(fā)現(xiàn)，巷道變形比較嚴重，兩幫嚴重內移，頂板嚴重下沉，巷道有效斷面大幅度減小，已不能滿足正常的生產(chǎn)要求。

根據(jù)礦井《資源儲量核實報告》，F(xiàn)46斷層的隱伏露頭形跡呈緩波浪形，斷層面傾向SW，傾角70°～75°，該斷層為SW盤(上盤)上升、NE盤(下盤)下降的壓扭性逆斷層，落差東大西小。井田位于寶積山向斜的東北翼，為一簡單的單斜構造，地層走向N45°～50°W，傾向SW，傾角淺部較大為46°～50°，深部變小至10°～27°。地層傾角除沿傾向由陡變緩外，沿走向淺部產(chǎn)狀無大的變化，深部因受向斜和F46斷層的影響有一定的起伏。

707工作面位于井田邊界區(qū)域(見圖1)，北面(淺部)為正在開采的705工作面，南部(深部)為F46斷層，西部為未采708工作面，東部為寶積山斷層。707工作面煤層埋深600 m左右，煤層厚度為9.84 m～20.96 m。707工作面大致平行于深部F46斷層走向方向掘進，工作面成不規(guī)則的“刀把狀”，回風巷受斷層和向斜構造影響，其支護難度將比其他工作面大。

圖1 巷道平面圖

1#煤層干燥狀態(tài)下的抗壓強度Rb=27.45 MPa，飽和抗壓強度Rw=10.54 MPa，軟化系數(shù)μ=0.38，天然抗拉強度Rt=0.87 MPa。1#煤層普氏系數(shù)小于3，具有脆性，但韌性較差，難于弱化，易受沖擊而破碎。

根據(jù)勘探報告披露，1#煤層直接頂板為炭質泥巖、鋁質泥巖及泥巖，并含有大量的有機質，泥質巖層總厚度達35 m左右。同時，也含有較多的水平節(jié)理、層理以及滑面等結構面，具有滑感。干燥狀態(tài)下原巖單軸抗壓強度平均在40 MPa左右，但一旦浸水或長時間暴露在潮濕空氣中，巖層會迅速風化崩解成薄片狀，穩(wěn)定性極差。1#煤層底板中分布著細砂巖、粉砂巖等巖層，局部區(qū)域底板為炭質泥巖，其顯著影響著底板的穩(wěn)定性。

1#煤層屬于厚煤層，煤層偽頂為一層0.00 m～5.67 m厚的炭質泥巖或鋁質泥巖，比較松軟、易碎，隨著工作面的推進而隨采隨落，穩(wěn)固性差，極難管理。煤層直接頂板為灰—深灰—黑色的炭質泥巖，厚度4.13 m～5.04 m，致密，含炭量較高，遇水易膨脹，易垮落。老頂為石英細、中粒砂巖，平均厚度約20 m，堅硬，穩(wěn)固性好。隨著采煤工作面的推進，煤層上部的炭質泥巖和鋁質泥巖隨采隨落，而上覆泥巖比較厚，本質上都不屬于老頂?shù)姆懂?。但工作面周期來壓步距會縮短，動壓出現(xiàn)的次數(shù)會增加，從而影響巷道的穩(wěn)定。

煤層底板一般為灰白色、灰綠色細粒砂巖和粉砂巖，厚度較大，比較堅硬，穩(wěn)固性較好；局部區(qū)域煤層底板為炭質泥巖，遇水易膨脹．容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象。

2 巷道破壞特征及原因分析

2.1 巷道破壞形式及特征

巷道變形破壞程度與巷道圍巖特征、巷道位置及尺寸、采煤工作面停采線位置、相鄰工作面的開采情況、初期支護參數(shù)(錨桿及錨索支護參數(shù)和表面支護參數(shù))有著密切的關聯(lián)[1-2]?，F(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，目前，礦井其他類似巷道破壞形式主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1) 巷道圍巖表面破碎嚴重，凹凸不平，噴層開裂比較嚴重，并且逐漸向深部擴展；2) 巷道兩幫整體內移，寬度4.0 m的軌道巷，目前的寬度僅有2.5 m左右，巷道有效斷面大幅度減小；3) 巷道頂板錨桿拉斷較多，局部錨索破斷，巷道支護體受到的剪應力影響較大；4) 采用木托盤作為表面支護的區(qū)域，很多木托盤進入煤體內或被壓裂，喪失了表面支護作用。

2.2 巷道破壞原因分析

從以往采煤工作面回采巷道的破壞形式看，巷道本身所處的平面位置、斷層影響以及采動應力的作用對巷道的穩(wěn)定產(chǎn)生重要的影響。同時，巷道支護材料選擇、支護參數(shù)設計不合理，共同導致了巷道的變形破壞[3]。

1) 錨網(wǎng)索支護參數(shù)不盡合理

以往錨桿選擇Φ20 mm×2 400 mm Q335普強錨桿，錨索為Φ17.78 mm×6 000 mm普通鋼絞線錨索。對于應力狀態(tài)復雜且具有弱沖擊壓型的巷道支護時，錨桿和錨索受力增加，低強度錨桿很容易被拉斷。另外，由于低強度錨桿施工初期不能施加較高預緊力，后期巷道變形必然加大，可能導致錨索受力增加，且錨索的延伸率低，也可能造成錨索的破斷。

2) 煤層厚度變化較大

1#煤層厚度為9.84 m～20.96 m，且西厚東薄，起伏較大。由于煤巖體的力學性質相差很大，當煤厚出現(xiàn)較大起伏時，煤體內儲存的彈性能分布極不均衡，在受到采煤工作面超前支承壓力、側向支承壓力等的擾動時，煤巖分界面就極易失去平衡。相鄰工作面采用放頂煤開采產(chǎn)生的擾動源(側向支承壓力)，對巷道的穩(wěn)定性也產(chǎn)生一定的影響。

3) 受構造應力與工作面采動應力相互作用的影響

由于該礦深部區(qū)域處于寶積山向斜構造帶軸部附近，巷道長期處于構造應力的影響之中。同時，該煤層屬于弱沖擊壓型，圍巖內儲存的沖擊彈性能相對較大，伴隨著工作面開采產(chǎn)生的上覆巖層運動影響，相應區(qū)域的應力狀態(tài)產(chǎn)生了疊加，長時間處于高應力狀態(tài)下的圍巖極易發(fā)生疲勞破壞，導致巷道圍巖表面首先產(chǎn)生裂隙，且釋放部分能量而使表面產(chǎn)生松動破壞。在高應力的反復影響下，裂隙會逐漸向深部擴展，增大了巷道的破壞范圍。

4) 錨桿施加預緊力效果差

由于巷道大部分都處于煤層當中，巷道圍巖脆性較大，巷道在掘進過程中頻繁伴隨著“煤炮”聲，對巷道表面的完整性產(chǎn)生顯著影響。礦井原采用Q335普強螺紋鋼錨桿支護，盡管施工設計要求錨桿安裝扭矩為300 N·m，但采用人工手動方式很難達到要求，實際施加的預緊力較小。錨桿預緊力較小條件下，巷道圍巖極易產(chǎn)生離層，導致巖層破碎裂隙擴展而出現(xiàn)早期變形。當裂隙擴散范圍超出錨桿錨固范圍后，錨桿端部錨固作用就會失效，最終導致錨桿支護失效，并隨圍巖整體外移。

5) 錨桿支護系統(tǒng)配套設計不盡合理

與錨桿配套的托盤全部選用了木托盤，而木托盤屬于低位讓壓類托盤。由于煤層松軟，在構造應力與采動應力的綜合作用下，木托盤強度較低，極易產(chǎn)生破壞，喪失了表面支護的作用，導致錨桿外著力點喪失而失去支護作用。

6) 錨桿缺少讓壓耗能功能

由于該煤層屬于弱沖擊壓型，圍巖沖擊彈性能相對較大，圍巖應力較高，錨桿支護系統(tǒng)受力增加較快，在高應力作用下，無讓壓耗能功能的錨桿很容易達到屈服極限而被拉斷。

2.3 707工作面回風巷特征

通過對礦井地質資料和采掘工程平面圖的認真研究和分析，認為707工作面回風巷較其他工作面回采巷道更難支護，表現(xiàn)為如下特點[4]：

1) 該工作面埋藏深度較深，其開采深度達到600 m左右。根據(jù)侏羅紀煤層軟巖地質特征以及礦壓顯現(xiàn)情況分析，該工作面屬于深部開采。

2) 該工作面靠近F46斷層(此斷層為逆斷層)，產(chǎn)生的水平構造應力對巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響較大。

3) 該工作面在向斜構造由陡變緩段的最底部，處于與斷層形成的應力疊加區(qū)。

4) 該工作面呈“刀把狀”不規(guī)則形態(tài)，回采時容易造成應力集中現(xiàn)象。

5) 701、703、705工作面的采空區(qū)在707工作面回采時的“見方效應”更易造成顯著的礦壓顯現(xiàn)。

6) 煤層厚度較大且出現(xiàn)起伏，放頂煤開采過程中會產(chǎn)生較大的應力場，對巷道的穩(wěn)定性造成一定影響。另外，煤層厚度起伏較大時，煤體內儲存的彈性能分布不均衡，在受外界擾動條件下，煤巖接觸面極易失去平衡。

因此，707工作面回風巷的支護屬于“弱沖擊地壓條件下不穩(wěn)定煤層回采巷道軟巖支護類型”，該類巷道較一般的大變形軟巖巷道更加復雜，對支護系統(tǒng)的整體性要求更高。

3 巖巷道破壞機理分析

由于707工作面回風巷處于F46斷層附近，構造應力使該巷道圍巖整體性已遭到一定程度的破壞，巷道表面存在大量的層理裂隙，在自身重力及水平應力作用下產(chǎn)生松動壓力破壞，同時使圍巖彈性區(qū)向塑性區(qū)轉變，使巷道圍巖產(chǎn)生塑性變形破壞，而這種破壞形式就形成形變壓力破壞。

707工作面回風巷近似平行于斷層布置，同時還處在煤層當中，巷道在整個生產(chǎn)服務期間不僅受工作面采動的影響，而且受到逆斷層水平應力的影響，圍巖應力高度集中。707工作面回風巷還受其他工作面“見方效應”的影響，圍巖應力和構造應力極易在時間和空間上疊加，必然對707回風巷穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響。707回風巷在開挖后支護的初期，變形量較大，而且具有持續(xù)性。

依據(jù)最大水平應力理論，巷道的軸向與最大水平應力方向垂直時，巷道的頂?shù)装宸€(wěn)定性最差，巷道變形破壞最嚴重。

由于707工作面煤層厚度起伏較大，煤層和其他巖層力學性質相差很大，煤體內儲存的彈性能分布不均衡，所以，在受到內外因素影響時，煤巖分界面就極易失去平衡。同時，707工作面回風巷一側存在F46逆斷層，會形成水平應力附加場，并與圍巖應力相互疊加；當應力超過煤層的強度時，積聚在巷道周圍煤巖體中的能量會突然釋放出來。此時，巷道圍巖多余的能量則以聲響的形式從裂縫中釋放出來。因此，在回風巷掘進過程中會頻繁地聽到“煤炮”聲。

4 軟巖巷道支護方法

目前,國內主要采用錨網(wǎng)索支護以及注漿支護方法來維持軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定。錨網(wǎng)索支護系統(tǒng)從最初的普強螺紋鋼錨桿、錨索及其配套的木托盤,發(fā)展到如今的高強、高預緊力讓壓錨桿和大弧型鋼托盤，支護系統(tǒng)發(fā)生了質的變化。高強、高預緊力讓壓錨桿與巷道組成了強度較高的載體，較高的支護強度可以改善圍巖力學性質(黏聚力、內摩擦角等)，提高圍巖的殘余強度。因此，高強、高預緊力讓壓錨桿在軟巖巷道中起到很好的支護作用[5]。

注漿支護的注漿材料主要為水泥和化學漿，而這2種注漿材料對于構造軟巖巷道支護都存在一定的缺陷。由于水泥漿注漿料泌水率較大，注漿過程中的泌水會與軟巖巖層發(fā)生水化反應，進一步對軟巖產(chǎn)生侵蝕破壞，容易使完整軟巖產(chǎn)生膨脹、軟化，達不到最初設計支護的目的；對于化學漿，由于其成本較高，很難在回采巷道中大量使用。

綜合考慮707回風巷的特點和服務期，不考慮采用注漿加固法進行巷道加固。高強、高預緊力讓壓錨網(wǎng)索耦合支護系統(tǒng)采用一種具有吸能裝置的讓壓管，在圍巖集中應力較高的情況下，該裝置可以主動吸收一部分彈性變形能，減小圍巖應力對錨桿、錨索的剪切破壞。該裝置可以根據(jù)需要設計成多種形狀來滿足生產(chǎn)需要。參考707工作面回風巷的實際地質條件，擬選擇“高強、高預緊力讓壓錨網(wǎng)索耦合支護方法”對707工作面進行現(xiàn)場試驗。

5 結論

根據(jù)該礦以往工作面巷道支護中存在的問題，對影響巷道穩(wěn)定的因素進行綜合分析。同時，對軟巖巷道破壞機理及弱沖擊壓、構造應力對軟巖巷道的影響進行了分析，提出高強、高預緊力讓壓錨網(wǎng)索耦合支護方案。

高強、高預緊力讓壓錨網(wǎng)索耦合支護系統(tǒng)，不僅可以增加軟巖巷道頂板巖層之間的摩擦力，抑制各巖層之間的相對滑動，而且可以使軟巖頂板組合成一個強度相對較高的承載體，提高圍巖的自承能力。

對弱沖擊壓煤層采用高強、高預緊力讓壓錨網(wǎng)索耦合支護，系統(tǒng)中的讓壓管可以主動吸收一部分巷道圍巖的彈性變形能，減小集中應力對錨桿的作用。

[1] 王建宇,胡元芳,劉志強.高地應力軟弱圍巖隧道擠壓型變形和可讓性支護原理[J].現(xiàn)代隧道技術,2012(3):45-47.

[2] 田洪銘,陳衛(wèi)忠,譚賢君.高地應力軟巖隧道合理支護方案研究[J].巖石力學與工程學報,2011(11):1376-1382.

[3] 王中文,方建勤,夏才初.考慮圍巖蠕變特性的隧道二襯合理支護時機確定方法[J].巖石力學與工程學報,2010(1):54-58.

[4] 劉招偉,王明勝,方俊波.高地應力大變形隧道支護系統(tǒng)的試驗研究[J].土木工程學報,2010(5):682-686.

[5] 方新秋,何杰,何加省.深部高應力軟巖動壓巷道加固技術研究[J].巖土力學,2009(6):729-732.