于貴龍

河北冀中能源冀中股份段王煤業(yè)公司 山西晉中 045400

某礦采區(qū)先期采用條帶式開采，主要開拓和準備巷道布置在主采煤層的頂板巖層中。軌道巷在掘進過程中及煤開采前，巷道支護狀況較好[1]。煤回采后，軌道巷受煤多個工作面的采動影響，巷道變形嚴重，因巷道布置和煤柱留設(shè)等因素，某軌道巷仍將長期承受護巷煤柱引起的支撐壓力影響，巷道變形會持續(xù)擴大[2]。因此，有必要分析軌道巷變形破壞機理，針對性開展應(yīng)力巷道圍巖控制的試驗研究，以改善巷道的維護狀況，減少巷道失修率，為礦井的安全高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 相關(guān)概述

1.1 礦巖工程地質(zhì)特征

構(gòu)成礦體的直接頂板、底板為凝灰質(zhì)角礫巖、含礫凝灰質(zhì)細粒砂巖、凝灰質(zhì)中粗粒砂巖。其中凝灰質(zhì)角礫巖，飽和狀態(tài)下的抗壓強度值為22.0-32.6MPa，平均值28.1MPa，軟化系數(shù)為0.57，低于0.75，此類巖石屬半堅硬－軟弱巖類，易軟化的類型；含礫凝灰質(zhì)細粒砂巖、凝灰質(zhì)中粗粒砂巖和凝灰質(zhì)砂巖，飽和狀態(tài)下的抗壓強度值為14.0-39.0MPa，平均值29.8MPa，軟化系數(shù)為0.64，低于0.75，此類巖石屬半堅硬－軟弱巖類，易軟化的類型，穩(wěn)定性較差。構(gòu)成礦體的直接頂板或間接頂板的灰?guī)r，風(fēng)干狀態(tài)下的抗剪強度，內(nèi)摩擦角為41°38′，凝聚力系數(shù)為3.76MPa。巖石呈碎屑和大小不等、形態(tài)不同的巖塊，此類巖石屬軟弱的巖類，易軟化的類型，穩(wěn)定性差。綜上所述，礦區(qū)礦體頂、底板工程地質(zhì)勘探類型屬層狀巖類，復(fù)雜程度為中等型[3]。

1.2 測量方法

首先，兩個水井在回采巷道屋頂和側(cè)壁Φ95mm直徑和長度：10.0m，3.0m（圖1中1和2項）的透度計測試。根據(jù)試驗結(jié)果確定了所研究的回采巷道周圍巖石的強度。在穿透儀測試完成后，將鉆孔攝像機插入鉆孔中，以評估回采巷道s周圍巖體的裂縫[4]。第一次測量在長壁工作面前方約180m處進行，隨后的測量在工作面接近時進行。在井下試驗中，在采場頂板內(nèi)的測點上使用了兩個長度為2.4m、直徑為22mm的儀器化鋼錨桿（圖1中第3項）。儀表式錨桿是一種用于測量錨桿中由于巖體位移而產(chǎn)生的軸向力的裝置。這種類型的錨桿是建立在一個標準鋼錨桿的基礎(chǔ)上，其承載能力為180kN，應(yīng)變片張力傳感器已經(jīng)嵌入。為了擴大與頂板巖層質(zhì)量評價相關(guān)的地下測量，安裝了三層高度指示器（圖1中第4項）。穩(wěn)定測量串的錨建在頂板巖石的三個高度上：2.0m、5.0m和10.0m。接下來測試的參數(shù)是SPN支撐載荷的測量。為此，四個液壓測功的測量范圍從0到600kN被用于測試和安裝兩個相鄰的拱門下SPN集（圖1中第5項）的支持。因此，它是可能的測量產(chǎn)生的反應(yīng)部隊巖體荷載作用于支持，長壁側(cè)壁和對邊。另外，特殊類型的測力計與長筋柔性螺栓一起安裝在側(cè)壁上（圖1中項目6和7）。測力計應(yīng)該指示水平作用的力。

圖1 回采巷道371222測量站

圖1所示中，回采巷道371222測量站方案：10.0m長鉆孔，用于測透儀和內(nèi)窺鏡照相機；測透儀和內(nèi)窺鏡照相機鉆孔長3.0m；2.4m儀表錨桿；三位置手動—讀數(shù)指示器（10.0m、5.0m、2.5m）；液壓測力計—地板；液壓測功器—側(cè)壁；長筋柔性螺栓；水平和垂直收斂測量點；安裝應(yīng)力測量探頭的鉆孔。在巷道中也測量了巷道的高度和寬度（收斂）的變化（圖1中項目8）。這些測試的目的是確定接近的長壁工作面對巷道變形大小的影響。

2 巖體應(yīng)力條件對煤礦回采巷道支護變形和荷載的影響分析

2.1 巷道變形破壞原因分析

根據(jù)某采區(qū)實際地質(zhì)采礦條件、巷道圍巖變形破壞特征及現(xiàn)有開拓巷道錨網(wǎng)支護失效形式，結(jié)合理論分析結(jié)果可知，高應(yīng)力軟巖巷道圍巖強烈變形的主要原因有以下幾個方面：①巷道圍巖體強度較低。某軌道大巷布置在煤頂板巖層中，巷道所處巖性大多以泥巖或巖漿巖為主，由于圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)較差，且?guī)r體中節(jié)理裂隙較為發(fā)育，圍巖強度不足以支撐較強的應(yīng)力變化。②工作面回采造成應(yīng)力集中。軌道大巷經(jīng)受兩次動壓影響，圍巖應(yīng)力增幅較大，且長期承受護巷煤柱引起的支撐壓力影響，圍巖發(fā)生應(yīng)變軟化，相應(yīng)的圍巖松動圈范圍較大，極易失穩(wěn)破壞。③支護措施不合理。某軌道巷為直墻半圓拱形巷道，巷道設(shè)計凈斷面尺寸為4.0m×3.6m，巷道采用錨網(wǎng)索支護，局部破碎區(qū)域采用注漿加固。在松軟破碎圍巖中，圍巖本身的可錨性差，高強樹脂錨桿的錨固性能難以發(fā)揮，特別是在圍巖松動范圍大、頂板圍巖松散破碎的情況下，圍巖本身的自穩(wěn)能力較差，允許空頂時間較短，完全使用錨桿支護的效果并不好。④底板無控底措施。作為一個支護承載體，由于巷道未采取控底措施，高應(yīng)力作用下底板先成為巷道變形、破壞的突破口，進一步加劇巷道頂板和兩幫的變形[5]。因此，有必要針對某軌道大巷的支護工藝開展系統(tǒng)研究。根據(jù)巷道形態(tài)，針對性制定聯(lián)合支護設(shè)計，從根本上改變巷道支護狀況，改善圍巖應(yīng)力環(huán)境，保障軌道大巷的圍巖穩(wěn)定性，為巷道的長期使用營造良好條件[6]。

2.2 回采巷道布置區(qū)域應(yīng)力改變率分布

對于近距離煤層群開采，在上部煤層煤與下部煤層開采后，煤層的垂直應(yīng)力，在中部煤層不同部位存在應(yīng)力增高區(qū)與應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力峰值可達到30MPa。以下部煤層工作面兩側(cè)煤壁為邊界，錯距在-5m～5m（采空區(qū)外側(cè)為負，內(nèi)側(cè)為正）為應(yīng)力增高區(qū)，若不考慮應(yīng)力變化率的影響，回采巷道只需布置在采空區(qū)內(nèi)側(cè)或采空區(qū)外側(cè)煤壁5m處即可。由應(yīng)力變化率公式處理測線應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，工作面兩側(cè)煤壁界限，黑色虛線為垂直應(yīng)力改變率拐點，在煤壁邊界兩側(cè)的黑色虛線之間垂直應(yīng)力不均衡程度較大，不適合布置回采巷道。采空區(qū)內(nèi)側(cè)30m及煤壁側(cè)5m外垂直應(yīng)力變化率較低且在一定區(qū)域內(nèi)趨于穩(wěn)定，在上部煤殘留煤柱。煤壁影響的區(qū)域垂直應(yīng)力變化率又變得很大且不穩(wěn)定。所以，根據(jù)垂直應(yīng)力變化率分布的情況，中部煤層煤回采巷道的布置應(yīng)該內(nèi)錯30m或者外錯10m。結(jié)合對垂直應(yīng)力分布及垂直應(yīng)力變化率的分析，以下部煤層工作面兩側(cè)煤壁為界限，上部煤層煤與下部煤開采后，沉降位移不會對回采巷道布置產(chǎn)生較大影響，以工作面兩側(cè)煤壁為界限，煤壁側(cè)0～25m和采空區(qū)10～20m范圍內(nèi)是裂隙富集區(qū)域，所以結(jié)合裂隙、應(yīng)力的綜合考慮，中部煤層回采巷道應(yīng)該外錯25m或者內(nèi)錯30m布置。

3 回采巷道頂板變形控制

3.1 高預(yù)緊力、高強度支護原則

由于工作面回采巷道處于高應(yīng)力區(qū)、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且圍巖強度低、破壞嚴重，采用高預(yù)緊力支護不僅能夠減小巷道的早期變形，防止松散破碎圈的進一步增大，而且能夠及時、主動地為巷道頂板的初期變形提供圍壓，從而有效控制頂板離層，消除頂板拉應(yīng)力區(qū)，增強其巷道圍巖承載能力，顯著提高含軟弱夾層頂板錨固體的強度，有效控制巷道頂板的變形失穩(wěn)。同時，在地質(zhì)條件復(fù)雜、高圍巖應(yīng)力的條件下，高支護強度能夠為圍巖提供高圍壓約束，抑制含有軟弱夾層巷道頂板的過度變形、破壞，使其與煤層賦存的高應(yīng)力環(huán)境相適應(yīng)。

3.2 整體差別支護

煤層回采巷道頂板、煤幫、底板支護均是支護系統(tǒng)不可或缺的組成部分，三者任何一方面均不可忽略。但與巷幫和底板相比，其頂板常含有軟弱夾層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖變形嚴重，塑性破壞范圍大，支護過程中應(yīng)注意頂板加強支護，促使頂板圍巖及錨固體形成整體協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)[7]。

3.3 優(yōu)化支護方案

錨索是由鋼鉸線組成的柔性支護材料，錨索與錨桿相比，可以發(fā)生一定程度的彎曲且長度不會受到所處空間的制約。由于錨索自身具有較強承受載荷的能力，在礦井支護中一般都會將錨桿與錨索配套使用。但是錨索的使用受到價格的制約，錨索位置的選擇尤其重要，錨索布置位置合理可以對頂板和底板控制起到關(guān)鍵作用。具體優(yōu)化支護方案為：錨桿預(yù)緊力55kN，錨桿錨固劑選擇的是樹脂藥卷，采用鐵質(zhì)托盤與木質(zhì)托盤組合的方式與錨桿配套使用，木質(zhì)托盤長150mm、寬150mm、厚30mm，鐵質(zhì)托盤長120mm、寬120mm、厚10mm。底角傾斜錨桿選擇的是直徑34mm、長度2000mm的無縫鋼管，排距為800mm，水平夾為15°，配套使用金屬網(wǎng)。

3.4 回采進路破碎圍巖支護方案

礦山回采進路圍巖為半堅硬－軟弱巖體，局部位置圍巖較破碎或極破碎，使生產(chǎn)過程中回采進路冒頂、片幫事故時有發(fā)生；且回采進路圍巖受采動爆破影響明顯，后排中深孔易受采動影響而出現(xiàn)塌孔、堵塞，進而影響到后排中深孔爆破效果[8]。所以，在受采動爆破影響嚴重、圍巖破碎的回采進路，宜采用摩擦型錨桿或可縮性鋼架等支護形式。而可縮性鋼架支護作業(yè)時間長、成本高、勞動強度大，故優(yōu)先選用管縫錨桿。考慮到進路圍巖裂隙水發(fā)育，為防止管縫錨桿過早發(fā)生銹蝕造成其支護效果降低，可對管縫錨桿桿內(nèi)加注水泥砂漿，水泥砂漿強度等級為M20。

3.5 監(jiān)測設(shè)備布置

為獲得完整的數(shù)據(jù)，測站監(jiān)測內(nèi)容包括：①頂板巖層位移監(jiān)測；②巷道圍巖表面位移監(jiān)測；③巷道區(qū)段煤柱側(cè)煤體垂直應(yīng)力監(jiān)測，①頂板煤巖體深部位移監(jiān)測。在巷道頂板圍巖內(nèi)部布置鉆孔，鉆孔內(nèi)安設(shè)有5個錨固點的多點位移計，錨固點的深度分別為1m、2m、4m、7m及10m，以此方法記錄巷道頂深部巖層位移數(shù)據(jù)。②巷道幫部煤體應(yīng)力監(jiān)測。在巷道區(qū)段煤柱幫部煤體內(nèi)部布置鉆孔，鉆孔內(nèi)安設(shè)液壓枕，記錄幫部煤體的垂直應(yīng)力變化情況。在每組測站位置，9個鉆孔應(yīng)力計打設(shè)到區(qū)段煤柱的煤體內(nèi)，相鄰應(yīng)力計間距為0.8m。

4 結(jié)語

總而言之，在煤巷支護中，由于支護形式、支護參數(shù)不合理，不能有效控制圍巖松動圈的范圍，導(dǎo)致圍巖整體性差、圍巖不穩(wěn)定、變形較大，造成圍巖支護失效的問題。運用數(shù)值模擬、理論分析、工程類比等方法，科學(xué)合理地優(yōu)化支護參數(shù)，充分發(fā)揮支護的主動性，充分調(diào)動圍巖本身承載能力，盡可能擴大錨索和錨桿控制松動圈的范圍，從而更加科學(xué)、合理地解決巷道變形嚴重甚至失穩(wěn)問題。