徐佑林，劉德成，吳旭坤，曹佐勇，高永雄，張仁松，周 澤，周 波，許猛堂，張 輝

（1.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.安徽昊成礦業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，安徽 合肥 230000；4.貴州煤礦安全監(jiān)察局，貴州 貴陽 550004；5.貴州紫森源集團(tuán)投資有限公司，貴州 盤州 553503；6.貴州致遠(yuǎn)工程技術(shù)咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；7.貴州灣田煤業(yè)集團(tuán)有限公司 湘橋煤礦，貴州 盤州 553503）

0 引 言

隨著煤礦開采深度的增加，開采擾動(dòng)強(qiáng)度不斷增大，強(qiáng)動(dòng)壓作用下“三軟”煤層巷道支護(hù)更加困難［1］。 該類巷道圍巖軟弱破碎，一旦受到強(qiáng)動(dòng)壓影響，巷道圍巖變形更加強(qiáng)烈，易造成冒落失穩(wěn)、支架破壞等一系列事故，嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)［2-4］，眾多學(xué)者針對(duì)“三軟”煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)制及相應(yīng)控制措施進(jìn)行了研究，并取得了富有成效的成果。 在“三軟”煤層采動(dòng)應(yīng)力方面，夏洪春等［5］分析了“三軟”煤層超長工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及應(yīng)力分布特征，得到“三軟”煤層超長工作面的頂、底板控制技術(shù)。 李春杰等［6］研究了沿空留巷圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，得到了原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)及應(yīng)力降低區(qū)的準(zhǔn)確分布。 唐建新等［7］得到“三軟”煤層回采巷道圍巖破壞模式和支護(hù)失效機(jī)制，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖-支護(hù)承載結(jié)構(gòu)喪失承載力。 王琦等［8］以典型“三軟”煤層——龍口礦區(qū)梁家煤礦4606 工作面為工程背景，對(duì)4606 沿空巷道圍巖變形破壞機(jī)制進(jìn)行分析，提出了具有針對(duì)性的圍巖控制措施。 在“三軟”煤層巷道圍巖控制措施方面，康紅普等［9］針對(duì)強(qiáng)采動(dòng)影響下軟巖巷道圍巖大變形問題，分析高地應(yīng)力與超長工作面強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力疊加作用下巷道圍巖大變形機(jī)理，提出強(qiáng)采動(dòng)巷道支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制理念，有效控制了千米深井、軟巖、強(qiáng)采動(dòng)巷道大變形。 徐佑林等［10］分析了軟巖巷道圍巖的變形機(jī)理，提出再造承載拱的巷道支護(hù)體系，對(duì)強(qiáng)動(dòng)壓影響下的巷道圍巖控制取得較好效果。 孫利輝等［11］針對(duì)強(qiáng)動(dòng)壓影響下松軟煤層巷道巷幫變形破壞問題，分析巷幫變形破壞特征，研究其滑移變形機(jī)理，提出巷幫錨注加固技術(shù)，并在井下試驗(yàn)工程中取得較好的成效。

綜上所述，相關(guān)學(xué)者開展了眾多關(guān)于“三軟”煤層巷道圍巖控制技術(shù)的研究，然而隨著開采擾動(dòng)強(qiáng)度的增加，單一支護(hù)技術(shù)手段難以控制“三軟”煤層圍巖穩(wěn)定性。 鑒于此，筆者以典型“三軟”煤層礦井仲恒煤礦115-101 北翼回風(fēng)巷為工程背景，對(duì)“三軟”煤層回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理以及破壞特征進(jìn)行分析研究，提出“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖綜合控制理論，利用爆破卸壓使圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，改變圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，降低圍巖應(yīng)力集中程度，采用加固材料進(jìn)行封孔，提高加固段整體強(qiáng)度，保證強(qiáng)動(dòng)壓影響下巷道圍巖穩(wěn)定。

1 工程背景

仲恒煤礦115-101 回采工作面位于井田一采區(qū)，115-101 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長度540 m，該巷道東鄰13201 里運(yùn)輸巷，西鄰10801-1 工作面采空區(qū)，巷道埋深350 m。 115-101 工作面開采15-1 號(hào)煤層，煤層厚度2.0 m，煤層傾角33°，煤層頂?shù)装鍘r層以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，工作面煤巖柱狀如圖1 所示。

2 巷道圍巖變形破壞機(jī)理

2.1 巷道支護(hù)現(xiàn)狀及破壞原因分析

2.1.1 支護(hù)現(xiàn)狀

115-101 回風(fēng)巷為半圓拱斷面，巷道凈寬4 400 mm，高3 000 mm，凈斷面積10.7 m2，原支護(hù)形式為29U 型鋼半圓拱，棚距0.5 m，每架U 型鋼增加1 根單體液壓支柱增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。

據(jù)井下實(shí)際情況（圖2），巷道總體變形破壞較為嚴(yán)重，加強(qiáng)支護(hù)的單體支柱出現(xiàn)向煤層傾向方向偏斜，巷道底鼓量普遍在800～1 000 mm（圖3），巷道已滿足不了通風(fēng)、運(yùn)輸、行人需要。

圖1 115-101 北翼工作面煤巖柱狀Fig.1 Coal and rock column diagram of No.115-101 north wing working face

圖2 巷道變形Fig.2 Roadway deformation

2.1.2 巷道變形破壞原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和資料收集分析巷道變形破壞原因，主要有以下3 點(diǎn)。

1）巷道圍巖穩(wěn)定性差。 115-101 北翼回風(fēng)巷頂?shù)装鍘r性為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖，遇水易軟化，圍巖穩(wěn)定性極差，在掘進(jìn)時(shí)易發(fā)生頂板塌陷、底鼓、片幫等事故，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.30 ～0.45，屬于極軟煤層。 圍巖穩(wěn)定性差是巷道受到強(qiáng)動(dòng)壓后易變形破壞的主要因素。

圖3 115-101 北翼回風(fēng)巷變形示意Fig.3 Schematic of roadway deformation of No.115-101 north wing tail entry

2）構(gòu)造應(yīng)力影響。 仲恒煤礦位于盤關(guān)向斜西翼中段，屬紙廠井田南半部。 井田南翼煤層傾角為31°～33°，北翼煤層傾角為62°～65°。 空心包體應(yīng)變計(jì)在深入巷道底幫8.45 m 處測(cè)量的地應(yīng)力為30.8 MPa，故115-101 北翼回風(fēng)巷正處于由緩變陡的構(gòu)造應(yīng)力范圍內(nèi)。

3）巷道布置不合理，受采動(dòng)影響強(qiáng)烈（圖4）。由圖4 可知，115-101 北翼回風(fēng)巷上方45 ～48 m 有10801-1 工作面和13201 工作面。 強(qiáng)動(dòng)壓影響明顯是巷道圍巖變形破壞的關(guān)鍵因素，現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)可以聽到巖層斷裂聲，巷道支護(hù)困難。

圖4 巷道布置剖面Fig.4 Sectional view of roadway layout

2.2 115-101 回風(fēng)巷采動(dòng)應(yīng)力演化及圍巖變形分析

115-101 北翼回風(fēng)巷周圍工作面布置眾多，巷道受到多次采動(dòng)影響，采動(dòng)應(yīng)力的演化是該巷破壞的重要原因。 因此，分析115-101 回風(fēng)巷鄰近工作面開采對(duì)巷道圍巖變形的影響，得到巷道圍巖的變化特征，掌握采動(dòng)應(yīng)力的演化是對(duì)115-101 回風(fēng)巷進(jìn)行合理支護(hù)的必要條件。

根據(jù)115-101 回風(fēng)巷與鄰近工作面的相對(duì)位置關(guān)系，采用UDEC 數(shù)值軟件建立數(shù)值模型。 為分析115-101 回風(fēng)巷在工作面開采過程中的應(yīng)力變化狀況，在巷道圍巖的左右兩幫以及頂、底板各布置1 條測(cè)線，測(cè)線長10 m，測(cè)線上各分布10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5 所示。 數(shù)值分析巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2.1 采動(dòng)應(yīng)力演化分析

為分析工作面開采對(duì)115-101 回風(fēng)巷圍巖造成的影響，在115-101 回風(fēng)巷圍巖深2 m 處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄開采過程中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力變化如圖6 所示。

表1 巖（煤）物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock（coal） physical mechanics parameters

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力變化Fig.6 Variation of principal stress of each monitoring point

由圖6 可知，隨著工作面的不斷回采，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)均發(fā)生了變化，其中，10801-1 工作面位于115-101 回風(fēng)巷上方，其開采對(duì)巷道圍巖影響相對(duì)較小，而13201 工作面開采則直接影響了其底板以及巷道右?guī)偷牟蓜?dòng)應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致巷道底板和巷道右?guī)筒蓜?dòng)應(yīng)力急劇卸載，其中巷道底板采動(dòng)應(yīng)力變化趨勢(shì)最為明顯。 由此可見，10801-1 工作面與13201 工作面對(duì)115-101 回風(fēng)巷的影響程度并不一致，115-101 回風(fēng)巷圍巖主要受13201 工作面的影響，且以右?guī)团c底板受影響最為嚴(yán)重。

2.2.2 巷道圍巖破壞特征分析

巷道圍巖塑性區(qū)分布以及巷道圍巖最大主應(yīng)力分布特征如圖7、圖8 所示。

圖7 115-101 回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布狀況Fig.7 Distribution of plastic zone in surrounding rock of No.115-101 tail entry

圖8 115-101 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布情況Fig.8 Stress distribution in surrounding rock of No.115-101 tail entry

由圖7、圖8 可知，在工作面開采完成以后，115-101 回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)主要集中分布于巷道底腳，右?guī)蛶r塊發(fā)生了垮落，巷道的頂板以及左幫圍巖狀況較好。 由圖8 可知，巷道淺部圍巖在采動(dòng)應(yīng)力的作用以及巷道開挖的作用下發(fā)生了應(yīng)力卸載現(xiàn)象，說明淺部圍巖發(fā)生了破壞，而在距巷道壁5～6 m處，巷道應(yīng)力達(dá)到最大值，在距巷道壁6 m 以外圍巖應(yīng)力逐漸趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)。 說明115-101 回風(fēng)巷圍巖松動(dòng)圈范圍在圍巖0～5 m 處，采動(dòng)應(yīng)力集中在圍巖5～6 m 處。

綜上所述，115-101 回風(fēng)巷圍巖破壞以巷道的兩處底腳最為嚴(yán)重，且115-101 回風(fēng)巷圍巖的破壞范圍為距離巷道壁0～5 m，在5～6 m 處巷道圍巖承載性能較好，此處圍巖應(yīng)力達(dá)到峰值狀態(tài)。

3 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制原理及工程應(yīng)用

3.1 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制原理

目前，通過改變巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，使巷道周邊高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，從而保證巷道長期穩(wěn)定，采用的巷道卸壓方法主要有鉆孔卸壓［12-14］、爆破卸壓［15-17］、無煤柱開采及切縫等［18-20］。 基于此，筆者針對(duì)115-101 回風(fēng)巷現(xiàn)有支護(hù)形式已經(jīng)達(dá)不到有效支護(hù)的情況，根據(jù)上述破壞原理及應(yīng)力控制原理提出“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制理念，主要包括卸壓、應(yīng)力轉(zhuǎn)移和巷道圍巖加固3 個(gè)部分，其原理思想如圖9 所示。

圖9 “卸-轉(zhuǎn)-固”原理Fig.9 “Pressure relief-stress transfer-reinforce” principle diagram

爆破卸壓：通過在巷道幫腳應(yīng)力集中區(qū)施工卸壓孔進(jìn)行爆破，使深部圍巖內(nèi)積聚的彈性變形能以變形破裂的形式釋放，將原來的應(yīng)力集中區(qū)變?yōu)樾秹簠^(qū)。

應(yīng)力轉(zhuǎn)移（核心技術(shù)）：爆破后，圍巖應(yīng)力重新分布，重新形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，并使應(yīng)力集中的彈性區(qū)轉(zhuǎn)移到圍巖更深處，降低巷幫及底板淺部圍巖應(yīng)力集中；會(huì)在巷道周圍表層一定范圍內(nèi)形成低應(yīng)力卸壓圈，而在圍巖深部形成了應(yīng)力集中的自承載圈，集中應(yīng)力主要由該自承載圈的巖體承擔(dān)。 該自承載圈的巖體位于圍巖深部，基本處于三向應(yīng)力狀態(tài)，穩(wěn)定性得到很大提高。

加固（起關(guān)鍵控制作用）：爆破產(chǎn)生的爆轟壓力對(duì)松軟圍巖具有擠壓作用，將松散巖體壓緊，進(jìn)而對(duì)圍巖進(jìn)行加固（根據(jù)實(shí)際情況，巷道卸壓孔會(huì)同時(shí)安裝錨索，在爆破圍巖穩(wěn)定后安裝托盤，進(jìn)行張拉，施加高預(yù)緊力進(jìn)行加固）。

3.2 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)及工藝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)形式和變形破壞情況及巷道服務(wù)周期，結(jié)合煤巖特征和煤層頂?shù)装鍘r性，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，最終確定加固巷道淺部0 ～5 m 的圍巖，在巷道深5～6 m 處采用爆破方式形成卸壓區(qū)，具體施工工藝如下。

1）卸壓孔施工。 采用ZDY650 鉆機(jī)在巷道幫腳以傾角35°向下打?75 mm、深6 100 mm 的鉆孔，鉆孔間距1 500 mm。 鉆孔布置如圖10 所示。

圖10 鉆孔布置Fig.10 Drilling layout

2）爆破卸壓。 在卸壓孔深部封閉空間內(nèi)進(jìn)行爆破（圖11），卸壓孔用?32 mm×1 000 mm PVC 管裝三節(jié)?32 mm×300 mm 乳化炸藥實(shí)施爆破。

3）加固封孔段。 利用自制封孔設(shè)備將加固材料通過壓風(fēng)填入卸壓孔，加固材料為合成的混凝土，質(zhì)量比為水泥∶細(xì)沙∶水＝1 ∶2 ∶1，細(xì)沙粒徑小于5 mm，提高封孔加固段整體巖體強(qiáng)度。

4 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)應(yīng)用效果分析

4.1 巷道圍巖應(yīng)力變化分析

試驗(yàn)在原支護(hù)基礎(chǔ)上采用“卸-轉(zhuǎn)-固”技術(shù)方案，實(shí)施長度20 m，其余巷道段均采用原支護(hù)方案，在115-101 回風(fēng)巷措施實(shí)施段和未實(shí)施段分別布置1 個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站共計(jì)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)相距2 m（深度6、10、14、18 m），采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)巷道圍巖應(yīng)力變化情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖12 所示（由于現(xiàn)場(chǎng)煤層條件限制，鉆孔容易出現(xiàn)塌孔，實(shí)際安裝深度分別為5、6、9、9.5 m）。

圖11 鉆孔裝藥、加固結(jié)構(gòu)示意Fig.11 Schematic of drilling charge and reinforcement structure

圖12 鉆孔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Fig.12 Layout of borehole stress measurement points

通過現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，得到巷道圍巖應(yīng)力的變化曲線，圖13 中1、2、3 號(hào)為試驗(yàn)段巷道的圍巖應(yīng)力變化曲線，4、5、6 號(hào)為原支護(hù)段的圍巖應(yīng)力變化。

圖13 巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律Fig.13 Stress change laws of surrounding rock of roadway

由圖13 可知，試驗(yàn)段巷道1 號(hào)孔深度9 m，初始應(yīng)力4.08 MPa，在30 d 內(nèi)，圍巖應(yīng)力以0.24 MPa/d的速率增長，30 d 后，圍巖應(yīng)力穩(wěn)定在7.37 MPa，無明顯變化；2 號(hào)孔深度6 m，初始應(yīng)力3.15 MPa，在監(jiān)測(cè)期間54 d 內(nèi)，巷道圍巖應(yīng)力逐漸降低，在48 d 時(shí)降為0；3 號(hào)孔深度5 m，初始應(yīng)力4.06 MPa，巷道圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定，在48 d 時(shí)，圍巖應(yīng)力在5.43 MPa左右波動(dòng)。 由于未試驗(yàn)段巷道4 號(hào)孔的鉆孔應(yīng)力設(shè)備損壞，無數(shù)值不作考慮；5 號(hào)孔深度9 m，初始應(yīng)力4.12 MPa，巷道圍巖應(yīng)力以0.37 MPa/d 速率呈線性增大，在54 d 時(shí)已達(dá)到20.14 MPa；6 號(hào)孔深度9.5 m，初始應(yīng)力3.86 MPa，在0～40 d，巷道圍巖應(yīng)力急劇增大，速率達(dá)到0.748 MPa/d，監(jiān)測(cè)40 d 后，巷道圍巖應(yīng)力增加有所減緩，在54 d 時(shí)已達(dá)到30.46 MPa，由此可知，采用“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)，降低了巷道兩幫及底板淺部圍巖應(yīng)力集中程度，并將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，有效控制了巷道圍巖變形速度。

4.2 巷道圍巖變形規(guī)律分析

為了監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰频淖兓?，?15-101 北翼回風(fēng)巷設(shè)置2 個(gè)觀測(cè)站，1 號(hào)站（采用“卸-轉(zhuǎn)-固”技術(shù)）和2 號(hào)站（原支護(hù)），巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果如圖14 所示。

由圖14 可知，未試驗(yàn)段巷道圍巖變形量較大，在50 d 內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平?34 mm，兩幫最大移近量487 mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近量大于兩幫，0 ～30 d圍巖變形速率很大，頂?shù)装逡平俾蔬_(dá)到12.97 mm/d，兩幫移近速率最大達(dá)到12 mm/d，30 d 后巷道圍巖變形速率有所減緩，但巷道圍巖依舊沒有穩(wěn)定，變形仍有增大的趨勢(shì)。 試驗(yàn)段巷道圍巖初期變形較快，在30 d 后，巷道圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装遄畲笠平?05 mm，兩幫最大移近量195 mm，頂?shù)装逡平俾?.1 mm/d，兩幫移近速率為3.9 mm/d。

通過以上巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)情況可知，采用“卸-轉(zhuǎn)-固”和U 型鋼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)時(shí)，在30 d 內(nèi)，圍巖頂?shù)装逡平勘任丛囼?yàn)段巷道降低79.43%，兩幫移近量比未試驗(yàn)段巷道移近量降低54.17%。 說明在“卸-轉(zhuǎn)-固”技術(shù)下，巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖14 巷道圍巖變形規(guī)律Fig.14 Deformation law of surrounding rock of roadway

5 結(jié) 論

1）采用UDEC 數(shù)值軟件建立數(shù)值模型，分析了115-101 回風(fēng)巷受上部10801-1 和13201 工作面采動(dòng)影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，分析了巷道圍巖變形破壞原因，得到圍巖軟弱是巷道受到強(qiáng)動(dòng)壓后易變形破壞的主要因素，強(qiáng)動(dòng)壓影響是加劇圍巖變形破壞的關(guān)鍵因素。

2）根據(jù)115-101 回風(fēng)巷圍巖變形破壞特征，基于應(yīng)力控制原理提出了“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖綜合控制理念，通過對(duì)圍巖應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行爆破卸壓，將淺部圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部，降低底板及巷幫淺部應(yīng)力集中程度，通過爆破產(chǎn)生的爆轟壓力對(duì)淺部松散圍巖進(jìn)行擠壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的加固，提高圍巖整體強(qiáng)度并充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力抵抗圍巖變形。

3）通過井下試驗(yàn)效果對(duì)比分析可知，實(shí)施“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)后，巷道兩幫及底板淺部圍巖應(yīng)力集中程度有明顯降低，巷道頂?shù)装逡平俾式档土?9.43%，兩幫移近速率下降了54.17%，巷道圍巖變形得到了有效控制，表明“卸-轉(zhuǎn)-固”支護(hù)技術(shù)能有效控制強(qiáng)動(dòng)壓影響下“三軟”煤層巷道圍巖變形。