王九紅 祖賀軍 高 蕾 夏 興

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東省濟(jì)寧市，273500； 2. 兗州煤業(yè)股份有限公司南屯煤礦，山東省濟(jì)寧市，273500； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083)

1 引言

深部巖體往往賦存于復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境，加之受到采掘活動(dòng)的影響，使得工程巖體的穩(wěn)定性難于控制，特別是沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性控制，一直以來(lái)是采礦工程中的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于沿空巷道圍巖需承受多次采動(dòng)應(yīng)力及應(yīng)力疊加的影響，巷道圍巖常呈現(xiàn)出大變形、難支護(hù)的特征，多次返修后仍然無(wú)法保證穩(wěn)定性。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此做了大量研究，取得了重要研究成果，提出了錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)、注漿加固及U型棚支護(hù)等支護(hù)技術(shù)及相應(yīng)的控制對(duì)策，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。但由于深部工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和支護(hù)材料的局限性，巷道圍巖穩(wěn)定性控制難題一直存在。為此，何滿潮院士及其研究團(tuán)隊(duì)為解決圍巖大變形控制的難題，研制出一種具有高預(yù)應(yīng)力、高恒阻、大變形的NPR錨桿/索，實(shí)現(xiàn)了圍巖在高預(yù)應(yīng)力加固圍巖的狀態(tài)下，通過(guò)圍巖自身和材料的大變形恒阻釋能，進(jìn)而保證巷道的穩(wěn)定性。

本文以南屯煤礦93下06工作面沿空巷道為工程背景，巷道圍巖掘進(jìn)期間已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的幫縮、頂沉及底鼓，多次返修后效果不佳。針對(duì)這一問(wèn)題，本文在對(duì)圍巖變形破壞產(chǎn)生原因及變形機(jī)理的深入研究基礎(chǔ)上，提出了以NPR錨桿/索為核心的恒阻大變形耦合控制技術(shù)，對(duì)保障巷道圍巖穩(wěn)定和礦井安全生產(chǎn)具重要意義，對(duì)于類(lèi)似條件下沿空巷道圍巖的控制具一定參考價(jià)值。

2 工程地質(zhì)條件分析

2.1 采掘布置

南屯煤礦位于山東省濟(jì)寧市，核定生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a，南屯井田位于兗州煤田向斜南翼，總體呈單斜構(gòu)造，井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬于中等類(lèi)型。隨著淺部資源不斷的減少，南屯煤礦已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采階段。93下06工作面位于九采一分區(qū)北部，上方為93上08及93上06工作面采空區(qū)，南東側(cè)為93下04工作面采空區(qū)，工作面埋深約750 m，所采煤層為3下煤，3上煤已回采結(jié)束，3下煤與3上煤夾矸厚度為2～6 m，屬于近距離煤層；93下06軌道平巷與93下04采空區(qū)之間留設(shè)4 m煤柱，采掘布置剖面如圖1所示。

2.2 頂?shù)装鍘r性

93下06軌道平巷頂板為兩層煤之間的夾矸，厚度約為2～6 m，巖性主要為粉砂巖，底板以中粒砂巖、細(xì)粒砂巖或二者互層為主，厚度約10 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位取樣及室內(nèi)圍巖力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 93下06工作面煤柱及采空區(qū)位置示意圖

層位巖石名稱彈性模量/GPa泊松比單向抗壓強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)頂板粉砂巖81.10.1581.121.1底板中粒砂巖44.80.1844.819.3

2.3 原支護(hù)設(shè)計(jì)及存在問(wèn)題

93下06工作面沿空平巷采用錨網(wǎng)+錨桿鋼筋梯+錨索的支護(hù)形式，其中，頂部錨桿采用?22 mm×2200 mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距780 mm×900 mm，幫部采用?20 mm×2500 mm等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿，間排距900 mm×900 mm；頂部選用?22 mm×5500 mm錨索，間排距1700 mm×1800 mm，每排布置兩根錨索，平行布置，沿空幫部采用?22 mm×4000 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力錨索，間排距1700 mm×1800 mm“三花”布置，巷道支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 沿空巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)斷面示意圖

巷道原支護(hù)下圍巖變形破壞情況如圖3所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果可知，圍巖變形破壞突出變現(xiàn)為大變形的特征，其中頂?shù)装逡平孔畲鬄?23 mm，兩幫收縮量最大為783 mm，且頂板網(wǎng)兜現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重，兩幫變形量大，常出現(xiàn)錨桿拉破壞的現(xiàn)象。圍巖變形破壞集中在巷道圍巖的肩窩和底角處，尤其是沿空幫部的肩窩和底角。

圖3 原支護(hù)圍巖變形破壞情況

3 沿空巷道圍巖變形破壞機(jī)制

3.1 圍巖變形破壞數(shù)值分析

根據(jù)南屯煤礦93下06軌道平巷現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際地質(zhì)條件，建立巷道工程地質(zhì)力學(xué)模型如圖4所示。建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算范圍為150 m×210 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高)。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部固定，模型上表面為應(yīng)力邊界，施加的荷載為18.75 MPa，模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，模擬中采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

采用cable單元模擬錨桿和錨索。錨桿(索)按原始支護(hù)設(shè)計(jì)方案布置，錨桿(索)分五段，第一段模擬托盤(pán)，第二段、第三段為自由段，第四段、第五段模擬錨固段。

圖4 工程地質(zhì)模型

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.1.1 掘進(jìn)前應(yīng)力分布狀態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采掘布置，首先開(kāi)挖3上煤層，待模型運(yùn)行至平衡后，進(jìn)行93下04工作面的開(kāi)挖，采用分段開(kāi)挖的模式，每次開(kāi)挖10 m并運(yùn)行至平衡，模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在相繼開(kāi)挖完3上煤層和93下04工作面后，沿空平巷圍巖頂?shù)装逭幱趪鷰r應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)為2，且圍巖剪切應(yīng)力集中去預(yù)留煤柱外側(cè)與頂?shù)装鍔A角處。由此可知，受多次采動(dòng)影響的沿空平巷在開(kāi)掘前，圍巖已經(jīng)遭受破壞，圍巖產(chǎn)生塑性變形，這使得巷道將在塑性區(qū)內(nèi)掘巷，支護(hù)難度進(jìn)一步加大。

3.1.2 回采期間圍巖應(yīng)力分布

采用上述模型模擬開(kāi)采方案，在停采線處設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面圍巖應(yīng)力分布情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，工作面回采期間，水平應(yīng)力在底板與肩窩、底角處集中，從而造成了能量的大量積累，得不到有效的釋放，使得巷道穩(wěn)定性受到威脅；同時(shí)回采引起的側(cè)向應(yīng)力與掘進(jìn)時(shí)的側(cè)向應(yīng)力疊加，使得巷道兩幫圍巖中的垂直應(yīng)力逐漸加大，頂?shù)装逯械膲簯?yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，且逐漸加大，使得巷道頂?shù)装灏l(fā)生明顯的變形，且在兩幫圍巖中垂直應(yīng)力急劇，兩幫變形劇烈；巷道實(shí)體煤側(cè)肩窩和沿空側(cè)底角處圍巖中產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力集中，而實(shí)體煤側(cè)底角和沿空側(cè)肩窩處圍巖中剪應(yīng)力較小。

3.2 深部采空區(qū)下沿空巷道破壞機(jī)制分析

通過(guò)上述對(duì)深部采空區(qū)下沿空巷道破壞特征和圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，南屯煤礦93下06工作面軌道平巷圍巖變形破壞機(jī)制如下：

(1)巷道埋深大(最深可達(dá)750 m)，自重應(yīng)力水平達(dá)到18.75 MPa，使圍巖長(zhǎng)期處于高地應(yīng)力環(huán)境中。該區(qū)整體為南高北低的單斜構(gòu)造，斷層較發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力較大。同時(shí)巷道為近距離煤層下組煤的沿空巷道，經(jīng)受上覆93上06工作面、側(cè)向93下04工作面和巷道掘進(jìn)及本工作面回采的多次強(qiáng)烈采動(dòng)壓力及其應(yīng)力疊加，使得巷道圍巖中應(yīng)力不斷積聚，導(dǎo)致巷道產(chǎn)生了大變形，特別是沿空幫部的頂?shù)捉羌绺C處圍巖變形嚴(yán)重。

圖6 回采期間巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)

(2)傳統(tǒng)支護(hù)材料為小變形材料，無(wú)法實(shí)現(xiàn)支護(hù)材料間、支護(hù)材料與圍巖間的耦合作用，且現(xiàn)有支護(hù)體系僅僅是簡(jiǎn)單、被動(dòng)的累加，支護(hù)強(qiáng)度雖然高，但是由于支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部及與圍巖變形不協(xié)調(diào)，無(wú)法協(xié)同作用，這就造成支護(hù)系統(tǒng)的局部過(guò)載、大變形，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)個(gè)別位置被破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失效。

綜上所述，針對(duì)南屯煤礦93下06工作面軌道平巷的復(fù)雜變形機(jī)制，需采用具有大變形力學(xué)特性的支護(hù)材料及支護(hù)系統(tǒng)即恒阻大變形錨桿(索)耦合支護(hù)控制對(duì)策。首先通過(guò)恒阻大變形錨桿支護(hù)，通過(guò)施加高預(yù)應(yīng)力保證圍巖整體性，同時(shí)當(dāng)圍巖收到應(yīng)力場(chǎng)影響時(shí)，恒阻大變形錨桿可在保持恒定阻力的同時(shí)釋放部分變形能，又可限制圍巖中有害裂隙的發(fā)展；然后通過(guò)恒阻大變形錨桿/索的三維優(yōu)化技術(shù)轉(zhuǎn)化構(gòu)造應(yīng)力和斷層的影響，并利用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)使圍巖達(dá)到變形和應(yīng)力均勻化。

4 巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策

4.1 NPR錨桿/索控制機(jī)理

由上述分析可知，南屯煤礦采空區(qū)下沿空平巷在未開(kāi)掘前就已經(jīng)處于應(yīng)力集中區(qū)，并在此區(qū)域內(nèi)集聚大量的能量。隨著巷道斷面的打開(kāi)，圍巖中集聚的能量將向臨空面釋放，此時(shí)，巷道圍巖會(huì)產(chǎn)生大變形甚至破壞。采用NPR錨桿/索支護(hù)該類(lèi)型巷道時(shí)，首先通過(guò)高預(yù)應(yīng)力對(duì)已經(jīng)處于塑性的圍巖

進(jìn)行加固，進(jìn)而限制圍巖的有害變形，但隨著圍巖中集聚的能量不斷釋放，當(dāng)作用于巷道圍巖的應(yīng)力值達(dá)到NPR錨桿/索的工作阻力時(shí)，此時(shí)錨桿索將通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的變形來(lái)吸收圍巖中未釋放的能量，同時(shí)由于NPR錨桿索的高恒阻力，保證了圍巖在釋放能量的同時(shí)，始終處于一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，待能量釋放至臨界值，巷道圍巖將處于一種相對(duì)平衡狀態(tài)，圍巖的變形將會(huì)被限制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了圍巖的穩(wěn)定性控制，消除了冒頂、塌方等安全隱患。NPR錨桿/索支護(hù)原理如圖7所示。

圖7 NPR錨桿/索支護(hù)機(jī)理

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

以上述分析為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，對(duì)南屯煤礦深部93下06工作面沿空平巷采用NPR錨桿/索耦合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式，如圖8所示。

圖8 恒阻大變形支護(hù)設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)頂板支護(hù)：采用HMG-300-2.2型NPR錨桿，恒阻值18 t，直徑22 mm，錨桿長(zhǎng)度2200 mm，間排距780 mm×900 mm，在靠近巷道沿空側(cè)每排3根傳統(tǒng)錨桿之間布置2根NPR錨桿，每根NPR錨桿布置于兩根傳統(tǒng)錨桿中間，平行布置；采用HMS35-300-5.0型NPR錨索，恒阻值35 t，直徑22 mm，錨索長(zhǎng)度5000 mm，每排布置1根NPR錨索，垂直頂板布置于兩排4根傳統(tǒng)錨索中間，排距1800 mm。NPR錨索預(yù)緊力要求不小于25 t。

(2)幫部支護(hù)：沿空幫部采用HMG-300-2.5型NPR錨桿，恒阻值18 t，直徑22 mm，錨桿長(zhǎng)度2500 mm，排距900 mm，每排布置1根NPR錨桿，布置于中部?jī)膳?根傳統(tǒng)錨桿中間，平行布置；實(shí)體煤幫支護(hù)采用HMG-300-2.5型NPR錨桿，恒阻值18 t，直徑20 mm，錨桿長(zhǎng)度2500 mm，布置于巷道上部相鄰兩排6根傳統(tǒng)錨桿中間，排距為900 mm，呈“五花”型布置于實(shí)體煤幫。

5 工程應(yīng)用

5.1 監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)深部采空區(qū)下沿空工作面實(shí)際工況，選擇軌道平巷受工作面聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)域及普通錨網(wǎng)索支護(hù)向架棚支護(hù)過(guò)渡區(qū)域作為試驗(yàn)段，試驗(yàn)段施工長(zhǎng)度90 m，在普通錨網(wǎng)索支護(hù)段布置2個(gè)測(cè)站(1#和5#)，恒阻大變形支護(hù)段布置3個(gè)測(cè)站(2#、3#和4#)，具體測(cè)站布置如圖9所示。

圖9 測(cè)站布置

5.2 應(yīng)用效果分析

5.2.1 圍巖變形量分析

由于巷道已經(jīng)開(kāi)掘成型，故主要對(duì)工作面回采期間圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中普通錨網(wǎng)索支護(hù)段1#和NPR支護(hù)段4#測(cè)站的變形曲線如圖10所示。由圖10可知，隨著工作面的不斷回采，圍巖變形將經(jīng)歷3個(gè)階段，即緩慢變形階段、顯著變形階段和變形穩(wěn)定階段；圍巖變形主要集中在幫部，其中沿空幫部變形量最大；與普通支護(hù)相比，采用NPR支護(hù)的圍巖變形得到了有效控制，沿空幫部變形量平均減少50.6%，頂板下沉量平均減少46.8%，實(shí)體煤幫變形量平均減少43.1%，底板變形量平均減少約41.3%。

圖10 巷道表面位移變化曲線

5.2.2 錨桿/索受力分析

對(duì)錨桿索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其變化曲線如圖11所示。由圖11可知，錨桿/索受力的變化將經(jīng)歷3個(gè)階段，且與圍巖變形的3個(gè)階段基本一致；靠近采空區(qū)側(cè)錨桿/索受力明顯大于實(shí)體煤幫錨桿/索；NPR錨桿/索均達(dá)到設(shè)計(jì)恒阻，受力趨于穩(wěn)定，但普通錨桿索受力增加趨勢(shì)變緩，但是仍在增加。

5.2.3 NPR錨桿/索內(nèi)縮量監(jiān)測(cè)分析

采用游標(biāo)卡尺對(duì)4#測(cè)站的NPR錨桿/索的內(nèi)縮量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，測(cè)站距工作面距離大于100 m時(shí)，錨桿(索)伸縮量變化不明顯，處于緩變形階段，待工作面推進(jìn)至距測(cè)站100～40 m時(shí)，錨桿(索)伸縮量變化速度加快，待推進(jìn)至距測(cè)站20 m左右時(shí)基本可達(dá)最大值；NPR錨桿索的最大內(nèi)縮量分別為37.4 mm和72.5 mm，且出現(xiàn)在巷道沿空側(cè)頂板和沿空幫；同一斷面內(nèi)，巷道頂板和沿空幫肩窩處恒阻錨桿伸縮量較大；NPR錨桿/索的內(nèi)縮保證了圍巖中能量的控制性釋放，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制。

圖11 錨桿/索受力變化曲線

圖12 NPR錨桿內(nèi)縮量變化曲線

5.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

將NPR耦合支護(hù)控制應(yīng)用于該巷道后，圍巖變形量大幅度減小，支護(hù)系統(tǒng)充分發(fā)揮了恒阻支護(hù)的效果，且支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)錨桿/索斷裂現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性控制效果突出，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

6 結(jié)論

(1)總結(jié)了深部采空區(qū)下沿空巷道圍巖變形破壞特征，即巷道圍巖變形量大，巷道兩肩窩和兩底角處亦破壞，沿空側(cè)巷道頂板和幫部變形嚴(yán)重，且在該部位亦出現(xiàn)錨桿、索斷裂的現(xiàn)象。

(2)采用數(shù)值模擬方法再現(xiàn)了圍巖變形破壞過(guò)程，揭示了圍巖變形破壞機(jī)理，即受多次采動(dòng)影響下，預(yù)掘巷道圍巖處于采動(dòng)應(yīng)力集中及集中應(yīng)力疊加區(qū)域，使得巷道圍巖中能量不斷積聚，進(jìn)而導(dǎo)致巷道產(chǎn)生了劇烈變形。

(3)提出了以NPR錨桿/索為核心的恒阻大變形耦合控制技術(shù)，形成圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)策，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果顯示，NPR支護(hù)下圍巖變形量得到有效控制，穩(wěn)定性顯著提高。