蔡迎超

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電集團(tuán)有限公司呂梁山公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033199）

0 引言

由于煤炭在我國(guó)有著悠久的開采歷史，賦存條件和地質(zhì)狀況較好的煤炭資源已近消耗殆盡，并且國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)能源需求急劇增加，導(dǎo)致開采深度越來越大。隨著埋深的增加，巷道的掘進(jìn)和支護(hù)將面臨越來越嚴(yán)峻的問題，埋深大的巖石更為軟弱破碎，導(dǎo)致巷道圍巖難以自穩(wěn)，支護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)更大的壓力，巷道具有更大的形變，支護(hù)難度增加。目前，深部巷道占我國(guó)巷道綜掘進(jìn)量的29%左右，這類巷道的返修率高達(dá)70%[1]，給煤礦采掘造成大量的人力、物力消耗，是目前迫切需要解決的問題。

1 深部巷道礦壓顯現(xiàn)特征及圍巖變形破壞分析

與淺部巷道相比，深部巷道的礦壓顯現(xiàn)特征表現(xiàn)為：①深井巷道變形量一般都能達(dá)到甚至超過500mm，巷道圍巖破裂區(qū)也比較大，通常為4m以上，塑性區(qū)的寬度有時(shí)候能達(dá)到10m以上；②在深部由于巷道圍巖變形周期更長(zhǎng)，導(dǎo)致巷道支護(hù)與維護(hù)時(shí)間更長(zhǎng)；③深部巷道的各向異性、構(gòu)造的復(fù)雜性以及應(yīng)力的不均勻分布，使巷道的變形呈現(xiàn)更大的不確定性和不規(guī)則；④巷道支護(hù)通常只是對(duì)頂板和兩幫的支護(hù)，而底板處于未支護(hù)狀態(tài)，不利于承壓拱的形成，也不利于提高圍巖的自承能力，深部巷道常出現(xiàn)底鼓形式的變形，底鼓在頂?shù)装逡七M(jìn)量中占三分子二以上。

開挖導(dǎo)致巷道周圍巖石內(nèi)的應(yīng)力在淺部不均勻分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)[2]。若集中區(qū)的應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度，則巷道圍巖就會(huì)破碎，形成通常所說的塑性區(qū)松動(dòng)圈，如圖1所示。

切向應(yīng)力是在巷道斷面較大時(shí)影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素，以往經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)巷道圍巖所受應(yīng)力大于其單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，就很可能會(huì)發(fā)生破斷失穩(wěn)。切向應(yīng)力由原始應(yīng)力轉(zhuǎn)化得來，成正相關(guān)，而原始應(yīng)力又與埋深有著密切的聯(lián)系。

圖1 巷道周邊巖體內(nèi)的應(yīng)力分布情況

隨著巷道掘出時(shí)間的增加，塑形區(qū)逐漸向周圍巖體內(nèi)部擴(kuò)展，圍巖的位移變形也在進(jìn)一步增加。當(dāng)巷道圍巖變形過大時(shí)就會(huì)威脅到巖體原本的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，使周圍巖體作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的擠壓力增加，在支護(hù)體的作用下圍巖又重新趨于穩(wěn)定。但是當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用的周期及其變形不相適應(yīng)時(shí)，圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大導(dǎo)致支護(hù)體遭到破壞，巷道發(fā)生冒頂、片幫等事故。

圖2 巷道圍巖穩(wěn)定性隨時(shí)間變化的關(guān)系

2 深部錨桿支護(hù)巷道破壞形式及錨桿失效原因分析

2.1 深部錨桿支護(hù)巷道破壞形式

實(shí)踐工程中，深部錨桿支護(hù)巷道的破壞形式常表現(xiàn)為：

1）在巷道頂板巖石比較破碎的情況下，錨桿不能有效的加固巷道頂板淺部的破碎圍巖，錨桿端部附近的巖石發(fā)生小范圍冒落，從而形成小的冒落拱，如圖3（a）、3（b）所示。

2）對(duì)于頂板巖層離層嚴(yán)重，錨固體形成復(fù)合形式或鑲嵌型結(jié)構(gòu)的離層性巷道頂板，錨桿的失效會(huì)使頂板大范圍整體性垮落，如圖3（d）所示。

3）當(dāng)巷道兩幫煤巖體的力學(xué)性質(zhì)比較低，整體性不強(qiáng)時(shí)，巷道發(fā)生破壞如圖 3（c）、3（e）、3（f）所示。

圖3 深部錨桿支護(hù)巷道常見破壞形式

2.2 錨桿支護(hù)失效原因分析

根據(jù)上述常見的深部錨桿支護(hù)巷道的破壞形式，總結(jié)錨桿支護(hù)失效的原因包括：

1）錨桿各種參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)不符合實(shí)際。當(dāng)錨桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足時(shí)，就不能使巷道圍巖及支護(hù)系統(tǒng)形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，巷道的變形得不到有效控制，就會(huì)影響煤礦的正常生產(chǎn)。但是過于要求錨桿的安全性能，也會(huì)使支護(hù)成本大大增加。

2）錨固失效。當(dāng)上覆巖層中發(fā)育有較多的結(jié)構(gòu)弱面時(shí)，巷道頂板上部圍巖將發(fā)生錯(cuò)動(dòng)等局部破壞，導(dǎo)致錨固巖層中錨桿的錨固力急劇減小，引起錨固失效，最終可能導(dǎo)致巷道大范圍冒頂。

3）粘結(jié)失效。錨桿通過錨固劑與圍巖聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，如果粘結(jié)材料與錨桿桿體之間發(fā)生了相對(duì)滑移錯(cuò)動(dòng)，錨桿就會(huì)喪失加固圍巖的作用，即發(fā)生粘結(jié)破壞。錨桿錨固力的大小由粘結(jié)材料與錨桿間的粘錨力決定，試驗(yàn)得出不同材質(zhì)錨桿與常見煤層伴生巖體的錨固力見表1。

表1 不同材質(zhì)錨桿與常見煤層伴生巖體的錨固力

由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，不同形式的錨桿與不同圍巖之間錨固力的大小不盡相同，因此當(dāng)進(jìn)行巷道支護(hù)的錨桿、錨索錨固段長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮圍巖的力學(xué)性質(zhì)，選擇合理的錨桿材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)足夠的錨固力，通過控制錨固力的大小來提高錨桿的支護(hù)性能[3]。

4）托盤失效。錨桿安裝時(shí)通過托盤施加一定的預(yù)應(yīng)力，改變巖體的受力狀態(tài)，將圍巖更好的聯(lián)結(jié)為一個(gè)承載體，充分發(fā)揮錨桿的作用，如果托盤安裝不合理，會(huì)嚴(yán)重影響錨桿的支護(hù)效果[4]。有無托盤對(duì)應(yīng)錨桿的軸力與剪力如圖4所示。

圖4 有無托盤對(duì)應(yīng)錨桿的軸力與剪力圖

3 深部巷道錨桿支護(hù)原則及對(duì)策

為了有效控制深部巷道圍巖的變形與破壞，在進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)及施工過程應(yīng)遵循以下原則：①及時(shí)支護(hù)原則，即巷道支護(hù)要緊跟掘進(jìn)作業(yè)，及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)，使圍巖充分發(fā)揮其自承載作用；②主動(dòng)支護(hù)原則，即對(duì)深部巷道支護(hù)主要采用高強(qiáng)度錨桿（索），利用錨桿（索）的主動(dòng)支護(hù)作用將圍巖固化為一個(gè)整體，從而提高圍巖的自承載能力；③有效支護(hù)原則，即嚴(yán)格保證巷道支護(hù)工程質(zhì)量，確保錨桿（索）支護(hù)后能達(dá)到設(shè)計(jì)的錨固力與預(yù)緊力，對(duì)于失效的錨桿（索）要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)打，確保整個(gè)支護(hù)體系始終處于良好狀態(tài)；④動(dòng)態(tài)支護(hù)原則，即根據(jù)巷道工程地質(zhì)條件合理進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，并不是一次完成，因此需加強(qiáng)巷道圍巖變形等礦壓觀測(cè)，及時(shí)收集礦壓數(shù)據(jù)，并對(duì)所提出的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖有效控制；⑤可靠支護(hù)原則，即錨桿（索）等支護(hù)材料選擇合理，錨桿（索）長(zhǎng)度、直徑、間排距等支護(hù)參數(shù)可靠，一次成巷支護(hù)質(zhì)量高，降低巷道返修率。

在遵循上述原則的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)深部巷道圍巖安全穩(wěn)定的支護(hù)對(duì)策是[5]：

1）首先利用高強(qiáng)度錨桿（索）+金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行及時(shí)主動(dòng)支護(hù)，將巷道表面圍巖固化，從而促進(jìn)巷道圍巖充分發(fā)揮其自承載作用。大量成功的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論研究表明，隨著巷道轉(zhuǎn)向深部，對(duì)支護(hù)體系的要求越高，提高錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度勢(shì)在必行。

2）深部巷道支護(hù)采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）+金屬網(wǎng)進(jìn)行，尤其提高巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度，防止頂板離層及垮落現(xiàn)象的發(fā)生。

3）同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)巷道兩幫的支護(hù)強(qiáng)度，同樣采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）進(jìn)行支護(hù)，以減小巷道兩幫的位移量。

4）通過在巷道幫角處增加底角錨桿（索）以減小巷道底鼓變形。

5）增強(qiáng)錨桿（索）的錨固力、預(yù)緊力，使巷道支護(hù)體系的強(qiáng)度得到提高，對(duì)應(yīng)圍巖自承結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性更好。

6）對(duì)巷道進(jìn)行動(dòng)態(tài)礦壓觀測(cè)，當(dāng)巷道圍巖所處地質(zhì)條件發(fā)生變化、掘進(jìn)施工工藝發(fā)生改變及圍巖出現(xiàn)大的變形時(shí)，需及時(shí)對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。尤其在地質(zhì)構(gòu)造帶、圍巖變形破碎嚴(yán)重區(qū)域，需要改變支護(hù)參數(shù)并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以保證巷道掘進(jìn)施工的安全進(jìn)行。

4 結(jié)語

淺部巷道的支護(hù)大多以圍巖松動(dòng)圈為基礎(chǔ)，用錨桿、錨索等常規(guī)支護(hù)手段增加松動(dòng)圈的穩(wěn)定性。而深部圍巖由于地應(yīng)力大大高于淺部巷道，巖體表現(xiàn)出很大的流變性，圍巖可能出現(xiàn)多種變形破壞方式，使得巷道支護(hù)面臨著更加艱巨的挑戰(zhàn)。因此，在選擇巷道支護(hù)形式以及確定各個(gè)支護(hù)參數(shù)時(shí)，就應(yīng)更加小心謹(jǐn)慎，選擇合理的支護(hù)形式，達(dá)到深部惡劣圍巖條件下巷道變形控制的要求。