趙長(zhǎng)紅，呂兆海，張藝耘，岳曉軍，胥海東

(1.寧夏煤炭基本建設(shè)有限公司，寧夏 銀川 750004；2.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011)

我國(guó)煤礦回采巷道受復(fù)雜圍巖應(yīng)力影響，巷道整體呈現(xiàn)出非對(duì)稱變形破壞特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)雜圍巖應(yīng)力條件下回采巷道的變形失穩(wěn)及控制進(jìn)行了大量研究，孫志勇等[1]認(rèn)為頂板支護(hù)不及時(shí)，支護(hù)剛度和強(qiáng)度不足，導(dǎo)致淺部圍巖進(jìn)一步發(fā)生離層和裂隙擴(kuò)展等有害擴(kuò)容變形，錨索錨固區(qū)域過小，未穿過軟弱層理面，整體范圍內(nèi)未形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致發(fā)生冒頂事故的根本原因；周志利等[2]提出巷道寬度對(duì)頂板的變形和破壞影響較顯著，巷道寬度越大，巷道變形破壞越嚴(yán)重，而且巷道寬度存在臨界值；趙洪亮等[3]提出大斷面巷道采用普通錨桿(索)支護(hù)，錨固力得不到保證，錨桿(索)不能很好地阻擋錨固區(qū)內(nèi)破碎煤層巖體的切向滑移，且錨固巖梁承受的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力基本不會(huì)降低，錨固區(qū)內(nèi)煤層巖體難以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，錨固煤層巖體容易發(fā)生整體垮落而發(fā)生頂板冒頂事故；杜華溢等[4]指出非均勻應(yīng)力打破了巷道頂板的均勻破壞，使失穩(wěn)冒落的時(shí)間提前，冒頂?shù)姆秶鷶U(kuò)大，變形破壞的持續(xù)時(shí)間增加，采用深-淺耦合錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，形成深淺錨注互為支撐的承載體，從源頭上控制頂板的變形破壞；王衛(wèi)軍等[5]指出特軟巖層常規(guī)支護(hù)方式下圍巖強(qiáng)烈變形的根本原因是支護(hù)不能阻止圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)的快速發(fā)展，在巷道周圍形成大范圍的破碎區(qū)；趙科等[6]對(duì)于厚頂煤層大斷面巷道，通過采取高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)方式并適當(dāng)提高頂板支護(hù)密度，可以對(duì)淺部圍巖施加更大壓應(yīng)力，更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，控制頂板沉降，保持錨固區(qū)圍巖穩(wěn)定性。上述研究主要針對(duì)支護(hù)體本身的特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)支護(hù)體與圍巖的協(xié)調(diào)耦合性及頂板裂隙水對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的影響研究較少。本文根據(jù)麥垛山煤礦巷道變形的實(shí)際情況，結(jié)合工作面圍巖特性、巷道頂板含水層影響下弱膠結(jié)圍巖變形失穩(wěn)的演化特征，提出了復(fù)雜圍巖災(zāi)變條件下巷道維修控制技術(shù)。

1 工程概況

麥垛山煤礦110207工作面運(yùn)輸巷為直墻半圓拱斷面，巷道沿2#煤層掘進(jìn)，巷道布置見圖1。 煤層厚度2.88 m，掘進(jìn)寬度5 200 mm、凈寬5 000 mm，掘進(jìn)高度3 800 mm、凈高3 500 mm，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用Φ20 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，鋼筋網(wǎng)采用Φ6.5 mm圓鋼焊接，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm；錨索采用Φ21.8 mm×8 300 mm鋼絞線，間排距2 400 mm×2 000 mm，噴射C25混凝土，厚度100 mm，巷道最大埋深442 m，2#煤層直接頂板為泥巖，煤巖層裂隙發(fā)育，2#煤層老頂為細(xì)-粗砂巖，2#煤層頂板為砂巖裂隙孔隙承壓含水層，含水層巖性由灰、灰白、深灰色不同粒級(jí)的砂巖組成，泥巖和煤層呈互層狀?yuàn)A于含水層之間，含水層平均厚度為19.44 m，該區(qū)域地應(yīng)力約為5 MPa。工作面預(yù)計(jì)正常涌水量為50～200 m3/h，最大涌水量達(dá)280 m3/h，圍巖賦存情況見圖2。

2 圍巖災(zāi)變情況

110207工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)至J12測(cè)點(diǎn)向前213 m時(shí)，揭露一條落差為2 m的正斷層，破碎帶寬度0.8 m，揭露斷層后短時(shí)間內(nèi)頂板泥巖受含水層涌水影響軟化， 頂板出現(xiàn)掉渣、離層等現(xiàn)象， 隨著涌水時(shí)間的持續(xù)及涌水量的增加，在斷層附近出現(xiàn)局部冒頂，伴隨水量的增大冒落范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，涌水量最大達(dá)到30 m3/h。具體變化情況如下所述。

圖1 巷道布置平面圖

圖2 綜合柱狀圖

圖3 巷道圍巖災(zāi)變破壞圖

1) 在斷層破碎帶影響范圍內(nèi)，頂板出現(xiàn)大面積下沉，局部發(fā)生冒落，范圍長(zhǎng)5 m，寬3.5 m，高2.5 m，冒落區(qū)以外錨桿托盤從頂板崩落。

2) 受斷層及頂板含水層的影響，弱膠結(jié)圍巖在裂隙水的作用下泥化、弱化，頂板圍巖受拉應(yīng)力的影響破碎嚴(yán)重，表層金屬網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重變形，形成明顯網(wǎng)兜，噴漿層脫落，巷道頂板沿中軸線彎曲下沉，靠近斷層側(cè)頂板下沉量達(dá)1 100 mm，另一側(cè)約500 mm。

3) 變形范圍廣、來壓面積大，巷道災(zāi)變范圍達(dá)30 m，全斷面范圍內(nèi)頂板整體下沉。

4) 巷道圍巖收斂變形速度快，在掘進(jìn)后1個(gè)月時(shí)間內(nèi)巷道頂板下沉量達(dá)1 100 mm。

5) 圍巖破壞影響范圍大，頂板1.5 m范圍內(nèi)圍巖整體松動(dòng)，呈現(xiàn)塑性變形破壞，巷道圍巖災(zāi)變破壞特征見圖3，巷道圍巖松動(dòng)圈分布特征見圖4。

圖4 巷道圍巖松動(dòng)圈分布特征圖

3 災(zāi)變?cè)蚍治?/h2>

1) 巷道圍巖承載力低。巷道沿煤層掘進(jìn)，直接頂為高1.54 m的泥巖，易風(fēng)化脫落、吸水易膨脹、泥化，承載能力較低，直接底為厚1.65 m的泥巖，巷道圍巖承載能力弱，圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)

2) 弱膠結(jié)巖層受含水層的影響。富水弱膠結(jié)巖層巷道掘進(jìn)易發(fā)生大跨度變形和失穩(wěn)破壞[7]。由于2#煤層頂板由泥巖、粉砂巖和粗砂巖等泥化弱膠結(jié)巖石組成，巖石強(qiáng)度不高、脆性明顯，在外力作用下易碎裂，同時(shí)其隔水性能差，巖石遇水后明顯軟化甚至泥化。粗砂巖的透水性和裂隙導(dǎo)水性好，在巷道掘進(jìn)時(shí)，1#煤層與2#煤層之間延安組地下水通過局部發(fā)育的裂隙及鉆孔滲入巷道圍巖及巷道底板，弱膠結(jié)圍巖吸水膨脹軟化、泥化，降低了巷道圍巖的承載能力，在復(fù)雜應(yīng)力的作用下，軟弱泥巖水平方向受力出現(xiàn)較大差異，出現(xiàn)頂板擠壓破碎、不均勻下沉破壞。

3) 埋深大、地應(yīng)力高。巷道出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的極限臨界深度，計(jì)算公式見式(1)[8-9]。

(1)

式中：Hc為臨界深度，m；η為長(zhǎng)時(shí)載荷影響系數(shù)，取0.8；K為裂隙影響系數(shù)，取0.9；σ為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3。

通過對(duì)開采水平地層巖性的綜合分析和對(duì)巷道圍巖水平變形破壞現(xiàn)象的調(diào)查分析，結(jié)合臨界深度的理論和計(jì)算，確定該工程巖體的臨界深度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 圍巖臨界深度計(jì)算參數(shù)表

式(1)表明，臨界深度與巖體抗壓強(qiáng)度成正比，與巖體容重成反比。經(jīng)計(jì)算，巷道最大埋深已基本達(dá)到工程巖體的平均臨界埋深條件，在此條件下圍巖將出現(xiàn)明顯的塑性變形、圍巖壓力增大、支護(hù)困難的現(xiàn)象。

4) 構(gòu)造應(yīng)力的影響。巷道圍巖在構(gòu)造應(yīng)力的影響下，圍巖力學(xué)性質(zhì)劣化，在拉應(yīng)力的作用下，斷層影響范圍內(nèi)圍巖松散、破碎并形成導(dǎo)水通道。巷道在掘進(jìn)過程中造成圍巖應(yīng)力的重新分布，并在局部尖角區(qū)域與原構(gòu)造應(yīng)力相互疊加形成集中應(yīng)力，加劇了巷道圍巖的變形破壞。

5) 支護(hù)體之間不協(xié)調(diào)。支護(hù)體系與圍巖不耦合，巷道頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜和局部錨桿失效，說明支護(hù)體之間沒有協(xié)調(diào)發(fā)揮作用且支護(hù)體系和圍巖剛度不耦合，支護(hù)體不能有效適應(yīng)、控制巷道圍巖過度變形。巷道受構(gòu)造應(yīng)力的影響，在斷層附近圍巖更為破碎，巷道變形量更大，說明支護(hù)體和圍巖結(jié)構(gòu)不耦合，支護(hù)體不能有效限制圍巖發(fā)生大變形破壞，同時(shí)底板處于開放無支護(hù)狀態(tài)，在多次應(yīng)力擾動(dòng)及底板泥巖吸水弱化的狀態(tài)下，開放式的支護(hù)導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)特別是回采期間底鼓變形更為嚴(yán)重。

4 災(zāi)變控制對(duì)策

基于巷道變形破壞特征，根據(jù)地層條件、圍巖受力特性和塑性區(qū)破壞范圍，確定巷道支護(hù)重點(diǎn)在于控制巷道頂板變形，強(qiáng)化巷道幫部支護(hù)。在支護(hù)過程中強(qiáng)調(diào)支護(hù)體之間的協(xié)調(diào)作用、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的耦合作用，降低圍巖在復(fù)雜應(yīng)力條件下由于支護(hù)結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)而引發(fā)巷道整體失穩(wěn)垮落的風(fēng)險(xiǎn)[10-12]。巷道兩幫除設(shè)置錨桿和鋼帶支護(hù)外，應(yīng)施工錨索進(jìn)一步控制幫部收斂變形，提高幫部圍巖抵抗剪切破壞的能力。為此，提出一次支護(hù)采用“錨網(wǎng)索柔性耦合讓壓聯(lián)合支護(hù)”方案，以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索梁進(jìn)行耦合強(qiáng)化支護(hù)，形成以高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)為基本支護(hù)體系，錨索為骨架的網(wǎng)狀支護(hù)單元，在其有效長(zhǎng)度范圍內(nèi)形成加固壓縮區(qū)，使錨固體內(nèi)巖土體的內(nèi)聚力及圍壓得到提高從而使其橫向抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度以及沿弱面的抗剪強(qiáng)度等得到一定程度的提高，改變圍巖受力狀態(tài)，提高承載能力[13-18]。另外，在幫部增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索加固區(qū)，特殊地段采用29#U型可縮鋼支架進(jìn)行柔性耦合讓壓支護(hù)，支護(hù)前期在圍巖壓力的作用下，可縮性鋼支架通過壓縮進(jìn)行壓力釋放，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體與巷道圍巖之間的耦合，后期阻力逐步增大進(jìn)而限制圍巖變形，最后施工C25混凝土地坪，形成全封閉的支護(hù)體系；按照“預(yù)防為主、綜合治理”的原則，提出“集中疏水泄壓+注漿控制裂隙+噴漿封閉”的綜合防治水措施，消除頂板裂隙水的影響。

4.1 柔性耦合讓壓聯(lián)合支護(hù)

1) 錨桿與錨索耦合支護(hù)。 錨桿采用Φ20 mm×2 500 mm高強(qiáng)錨桿，配合使用280 mm×450 mm×5 mm W鋼護(hù)板，全斷面鋪設(shè)Φ6.5 mm圓鋼加工、網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)。 每根錨桿使用2節(jié)Z2370型樹脂藥卷錨固，間排距800 mm×800 mm，矩形布置，預(yù)緊力矩不低于200 N·m，預(yù)緊力不低于35 kN，錨索采用Φ21.98 mm×8 300 mm鋼絞線，間排距2 400 mm×1 600 mm，預(yù)緊力不低于160 kN，保證錨桿與錨索在強(qiáng)度上相互耦合[19]。

2) 幫部錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。幫部采用Φ18 mm×2 000 mm的端頭錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距800 mm×800 mm，每根錨桿使用2節(jié)Z2335型樹脂藥卷錨固；在幫部增加護(hù)幫錨索梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，其中下幫增加一排錨索梁，打設(shè)在巷幫中部，上幫打設(shè)2排錨索梁，錨索采用Φ21.98 mm×4 300 mm鋼絞線，錨索間排距2 000 mm×1 200 mm，錨索梁采用長(zhǎng)度2 400 mm的14#槽鋼。通過強(qiáng)化幫部支護(hù)強(qiáng)度，提高幫部圍巖抵抗剪切破壞的能力，從而使巷道圍巖與支護(hù)體在強(qiáng)度上相互耦合。

3) 注漿錨索強(qiáng)化支護(hù)。 中空注漿錨索按照長(zhǎng)-短間隔的方式布置，短錨索規(guī)格Φ21.8 mm×4 300 mm；長(zhǎng)錨索規(guī)格Φ21.8 mm×7 300 mm，錨索與錨桿隔排布置，間排距1 600 mm×1 600 mm，每根錨索使用1節(jié)Z2370型樹脂藥卷錨固。采用P.042.5R硅酸鹽水泥對(duì)不同層位的圍巖裂隙進(jìn)行注漿封堵，強(qiáng)化圍巖整體強(qiáng)度，使圍巖與支護(hù)體強(qiáng)度相互耦合。

4) 噴漿封閉。注漿錨索施工完畢后噴射厚度100 mm，強(qiáng)度C20的混凝土封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化，并有效封堵圍巖表面裂隙，降低裂隙水對(duì)圍巖泥化、弱化的影響，強(qiáng)化圍巖整體強(qiáng)度并有效防止注漿過程中漏漿，保證支護(hù)體與圍巖形成有機(jī)整體，從而提高圍巖與支護(hù)體整體抗變形能力，巷道支護(hù)見圖5。

圖5 巷道支護(hù)圖

4.2 特殊地段二次加強(qiáng)支護(hù)

在斷層破碎區(qū)域15 m范圍內(nèi)，巷道采用錨網(wǎng)索噴一次支護(hù)后，采用架設(shè)29#U型可縮性鋼支架進(jìn)行二次加強(qiáng)支護(hù)，鋼支架間距800 mm，支架之間采用連接桿進(jìn)行連接。 鋼支架柱腳墊板采用12 mm鋼板制作，規(guī)格為240 mm×230 mm×12 mm；卡纜采用12 mm鋼板制作，采用M22型高強(qiáng)螺栓緊固，滑動(dòng)阻力不小于230 kN；幫頂均采用1 200 mm×200 mm×30 mm木板背實(shí)，通過可縮性鋼支架的有限收縮讓壓與巷道圍巖進(jìn)行耦合，進(jìn)而控制巷道圍巖的變形。

4.3 集中疏水泄壓

為有效緩解頂板含水層對(duì)巷道圍巖的影響，在110207工作面運(yùn)輸巷共布置10個(gè)鉆場(chǎng)，11個(gè)鉆孔，鉆孔單孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度267～501 m，設(shè)計(jì)鉆孔工程總量4 935 m。其中，F(xiàn)Y5-1#孔實(shí)際深度387 m，最大出

表3 定向鉆孔工程量表

水量120 m3/h，水壓0.5 MPa；FY5-2#孔實(shí)際深度39 m，最大出水量為50 m3/h，水壓0.48 MPa；FY5-3#孔實(shí)際深度29.5 m，最大出水量為4 m3/h，水壓0.45 MPa，具體鉆孔工程量見表3。

4.4 全斷面封閉抗壓

巷道在支護(hù)過程中通過錨索、錨索梁、高強(qiáng)錨桿等對(duì)巷道頂板、幫部圍巖進(jìn)行了有效支護(hù)，但對(duì)底板不進(jìn)行封閉處理，開放式的支護(hù)導(dǎo)致巷道底鼓變形，并逐步誘發(fā)幫部、頂部變形失穩(wěn)。因此采用厚度200 mm的C25混凝土對(duì)巷道底板進(jìn)行封閉，最終形成全封閉的可靠支護(hù)體系。

4.5 應(yīng)用效果分析

針對(duì)麥垛山煤礦井下巷道的變形情況，采用上述支護(hù)方案對(duì)110207工作面運(yùn)輸巷圍巖變形進(jìn)行控制，通過對(duì)支護(hù)錨索受力及巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，錨索受力緩慢增加，在永久支護(hù)25 d后受力趨于穩(wěn)定，頂板、幫部錨索最大受力分別達(dá)到200 kN、170 kN，說明錨索支護(hù)在穩(wěn)定前與巷道圍巖之間進(jìn)行相互耦合，29#U型可縮性鋼支架在圍巖壓力調(diào)整耦合的過程中通過搭接長(zhǎng)度的變形讓壓并逐步穩(wěn)定；巷道表面位移與錨索的受力周期也基本吻合，22 d后圍巖變形基本穩(wěn)定，變形速率降為0，頂板下沉量為25 mm時(shí)趨于穩(wěn)定，兩幫最大位移量為40 mm，底板局部出現(xiàn)裂縫，加固技術(shù)及支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足巷道圍巖變形壓力，圍巖位移變化見圖6。

圖6 圍巖位移變化圖

5 結(jié) 論

1) 在復(fù)雜圍巖災(zāi)變條件下，巷道支護(hù)既要保證支護(hù)體之間相互協(xié)調(diào)也要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間相互耦合，從而使巷道圍巖與支護(hù)體系達(dá)到最佳組合，降低因局部支護(hù)體的破壞而引發(fā)巷道整體失穩(wěn)垮落的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 巷道整體采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索梁進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，形成以錨索為骨架的網(wǎng)狀支護(hù)單元，以高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)為基本支護(hù)體系，通過在圍巖裂隙內(nèi)注漿改變圍巖結(jié)構(gòu)特性和受力狀態(tài)并提高承載能力，在幫部施工錨索梁提高幫部圍巖抵抗剪切破壞的能力；特殊地段采用可縮性鋼支架進(jìn)行二次支護(hù)，通過可縮性鋼支架的有限讓壓與巷道圍巖相互耦合，進(jìn)而控制巷道圍巖變形，最后施工厚度200 mm、強(qiáng)度C25的混凝土地坪，形成全封閉可靠支護(hù)體系。