秦宇鵬

（山煤集團霍爾辛赫煤業(yè)， 山西 長治 046000）

引言

隨著煤礦井下綜采作業(yè)深度的不斷增加，井下巷道開挖后在綜采擾動和礦壓波動下巷道圍巖變形量大、穩(wěn)定性差，傳統(tǒng)的淺層支護方案存在著支護效率低、支護強度不足的缺陷，給煤礦井下綜采作業(yè)安全和效率造成了極大的影響。通過對巷道圍巖破壞原因進行分析，發(fā)現(xiàn)深井處的圍巖結構破壞通常是巖層層間的滑移破壞導致的，因此提出采用高預應力錨索和高強度錨桿[1]相結合的控制方案。

1 巷道圍巖變形機理分析

對巷道圍巖變形機理進行研究，確定井下巷道不穩(wěn)定的主要因素，是進行支護結構優(yōu)化的前提，通過以煤礦井下巷道圍巖變形區(qū)域?qū)嶋H的地質(zhì)勘探，得出導致綜采作業(yè)過程中圍巖變形的原因主要包括以下幾個方面：

1.1 圍巖應力遭到破壞

巷道在開挖過程中會破壞巖層內(nèi)原有的應力平衡狀態(tài)，使巷道四周的巖層產(chǎn)生非均勻?qū)ΨQ的應力分布，增強了四周巖層內(nèi)的剪切滑移力[2]，在綜采作業(yè)過程中的擾動和礦壓波動影響下，使頂板處的巖層受力分離，進而導致了圍巖結構的破壞和變形，其結構破壞原理如圖1-1 所示。

1.2 巷道圍巖失穩(wěn)

井下巷道頂板處的巖層結構強度差、多數(shù)處于裂隙發(fā)育地帶，在外界不穩(wěn)定性因素影響下會迅速的產(chǎn)生破壞，進而導致了巷道圍巖的失穩(wěn)，其結構破壞原理如圖1-2 所示。

1.3 支護強度不足

傳統(tǒng)淺層支護方案在支護過程中僅在支護區(qū)域鋪設一層混凝土結構，并且不會設置錨固措施，在綜采作業(yè)過程中一旦該區(qū)域出現(xiàn)滲水將導致該區(qū)域內(nèi)巖層的吸水膨脹，使混凝土層開裂，在應力擠壓作用下導致底板出現(xiàn)起拱變形，產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象，其結構破壞原理如圖1-3 所示。

1.4 支護結構不合理

巷道圍巖支護的目的在于保持圍巖地殘余強度，提高在各種擾動作用下的穩(wěn)定性，但采用錨桿固定式，由固持作用單一，無法對圍巖產(chǎn)生足夠的支護阻力，因此極易導致圍巖出現(xiàn)變形，發(fā)生錨桿斷裂、圍巖垮落的事故，其結構破壞原理如圖1-4 所示。

2 巷道圍巖支護方案優(yōu)化

圖1 不同情況下的巷道圍巖破壞機理示意圖

根據(jù)巷道圍巖的破壞機理分析，針對性地提出了井下巷道支護優(yōu)化方案，即采用了高預應力錨索和高強度錨桿相結合的控制方案，在井下巷道圍巖變形大的地方通過架設U 型架和控制底鼓的方案進行補強支護，同時在全斷面處采用了注漿加強支護[3]方案，有效提升了井下巷道圍巖的整體結構強度和在礦壓波動下的穩(wěn)定性，具體來說包括以下幾個方面：

1）非對稱支護。根據(jù)井下圍巖的非對稱剪切變形結構，針對性的采取非對稱的加強支護結構，在易變形的地方架設U 型架，有效提高圍巖的抗變形能力。

2）高預應力錨索和高強度錨桿聯(lián)合控制。通過增加預固定應力值，提高支護時的初撐力和增阻速度，迅速的將巷道周圍不穩(wěn)定圍巖穩(wěn)固為一個剛柔結合的一體化結構，同時通過高強度的預應力錨索，將松動的巖塊錨固到深處穩(wěn)定的巖層內(nèi)，提升抗擾動能力。

3）控制底鼓。由于巷道底板的底鼓現(xiàn)象多是由于圍巖變形而產(chǎn)生的擠壓流動型底鼓，因此在新的支護結構中采用了幫角錨桿進行加強，利用支護結構底板處的圍巖塑性滑移線，實現(xiàn)對擠壓力的分流，進而控制巷道底板的變形。

4）全斷面注漿加強。為了解決巷道圍巖在不穩(wěn)定狀態(tài)下的碎裂現(xiàn)象，采用了在巖層破碎處進行注漿加強的方案，使破碎區(qū)域的圍巖形成一個穩(wěn)固的連續(xù)體，同時流動的漿液順著支護孔流入到錨桿支護系統(tǒng)內(nèi)，形成了大深度錨索穩(wěn)定支護，增強了和深處穩(wěn)定巖層的拉力，提升了整體的支護穩(wěn)定性。

優(yōu)化后的井下巷道支護結構如圖2 所示，在支護時，錨桿選用直徑為20 mm，長度為2 400 mm 的右旋螺紋鋼錨桿，設置時錨桿的間距為700 mm×700 mm，錨索選用直徑為21.6 mm，長度為8 000 mm的鋼絞線，設置間距為1 500 mm，U 型鋼支護的過程中可采用可收縮型拱形支架[4]，分四節(jié)串聯(lián)起來，在搭接處的長度設置為500 mm，搭接段的預緊力不小于 400 N·m。

采用優(yōu)化支護結構后對巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，結果如圖3 所示。由實際監(jiān)測結果可知，優(yōu)化后在60 d 內(nèi)，頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量均不斷增加，超過60 d 后均逐漸趨于穩(wěn)定，最大的頂板下沉量約為143 mm，比優(yōu)化前降低了67%，底鼓量最大為79 mm，比優(yōu)化前降低了74.6%，兩幫的移近量約為38 mm，比優(yōu)化前降低了89.6%，由此可知，新的巷道支護結構能夠顯著提升井下巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。

圖2 優(yōu)化后的巷道支護結構示意圖（單位：mm）

圖3 優(yōu)化后的巷道變形量示意圖

3 結論

1）圍巖應力破壞，井下圍巖地質(zhì)條件差、強度不足，支護強度不足，支護結構不合理是導致巷道圍巖在綜采作業(yè)過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的最大因素。

2）優(yōu)化后頂板的下沉量約為143 mm，比優(yōu)化前降低了67%，底鼓量最大為79 mm，比優(yōu)化前降低了74.6%，兩幫的移近量約為38 mm，比優(yōu)化前降低了89.6%，由此可知，新的巷道支護結構能夠顯著提升井下巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。