＊高 杰

（西山煤電安全監(jiān)管五人小組管理局 山西 030053）

引言

隨著淺部煤炭的開(kāi)采殆盡，很多煤礦已經(jīng)逐漸朝深部轉(zhuǎn)移，在深部開(kāi)采環(huán)境下，巷道圍巖自身性質(zhì)與應(yīng)力環(huán)境相對(duì)于淺部圍巖有著較大差別。在深部巷道支護(hù)的過(guò)程中，仍舊選擇使用淺部巷道支護(hù)方式，在很多方面已經(jīng)表現(xiàn)出較大的局限性，需充分結(jié)合深部巷道地質(zhì)條件，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行綜合研判，更好提升支護(hù)實(shí)效。因此，對(duì)煤礦巷道變形破壞原因及穩(wěn)定性支護(hù)研究進(jìn)行分析有著較為重要的意義。

1.工程概況

某煤礦運(yùn)輸大巷埋深在605m-615m之間，巷道周邊存在較多開(kāi)采工作面，巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)采用的是全錨桿支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：φ20mm×2m，間排距設(shè)計(jì)均為800mm。在巷道開(kāi)挖之后，整體出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形問(wèn)題。之后為了保證巷道穩(wěn)定性，采取打設(shè)錨索的方式對(duì)巷道進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，錨索支護(hù)參數(shù)為φ16mm×3.5m，兩幫設(shè)置2根，頂板對(duì)稱布置6根。但是在錨索打設(shè)之后，巷道仍舊出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形，嚴(yán)重制約到巷道功能的發(fā)揮，圖1為巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)圖。在巷道施工的過(guò)程中，為了更好地提升防沖效果，在巷道幫部施工了大孔徑的泄壓控，間距設(shè)計(jì)為2m。在卸壓空施工后，巷道表面出現(xiàn)了較大的位移，很多地段甚至出現(xiàn)了巷道斷面整體嚴(yán)重收斂的問(wèn)題，這表明，通過(guò)施加防沖鉆孔，對(duì)整個(gè)巷道完整性帶來(lái)了較大的破壞，已經(jīng)嚴(yán)重影響到巷道的正常使用。

圖1 巷道原支護(hù)示意圖

2.巷道變形破壞特征分析

對(duì)巷道出現(xiàn)的變形破壞問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，得到巷道變形破壞原因有：該巷道距離多個(gè)開(kāi)采工作面距離較近，受到采動(dòng)影響較為明顯，圍巖整體處于相對(duì)較高的應(yīng)力狀態(tài)，容易出現(xiàn)較大的變形破壞。從現(xiàn)場(chǎng)的觀察來(lái)看，巷道在很多地段出現(xiàn)了明顯的片幫問(wèn)題，頂板也出現(xiàn)了不同程度的下沉，形成的“網(wǎng)兜”也相對(duì)較多，部分位置巷道頂板出現(xiàn)面積較大的剝落問(wèn)題，鋼筋網(wǎng)也出現(xiàn)了破斷的情況，給煤礦井下運(yùn)輸帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。本次選擇使用鉆孔窺探儀對(duì)巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行了深入的分析，得到了圍巖內(nèi)部的破壞情況，見(jiàn)圖2。

圖2 圍巖鉆孔窺探結(jié)果

從圖2可看出，巷道圍巖塑性區(qū)的范圍非常大，已經(jīng)超過(guò)了4m，巷道圍巖整體的破壞深度也相對(duì)較深，這表明在巷道圍巖的深部已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形破壞問(wèn)題，原支護(hù)條件下，錨桿、錨索支護(hù)均全部處于塑性區(qū)范圍內(nèi)，支護(hù)效果已經(jīng)喪失。同時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)勘察情況來(lái)看，圍巖出現(xiàn)了明顯劣化，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，巷道在開(kāi)挖之后，導(dǎo)致圍巖濕度、溫度等出現(xiàn)了較大的變化，在地下水、風(fēng)等因素的影響下，巷道圍巖物理性質(zhì)出現(xiàn)了明顯的弱化。另一方面，在開(kāi)挖之后，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)了變化，圍巖承擔(dān)的集中應(yīng)力朝深部移動(dòng)，在應(yīng)力內(nèi)移的過(guò)程中，巷道圍巖出現(xiàn)了塑形變形、裂紋、擴(kuò)容及最終的破壞，導(dǎo)致巷道圍巖整體的強(qiáng)度不斷下降，圍巖出現(xiàn)了明顯的劣化問(wèn)題。這兩個(gè)過(guò)程是相伴相生的過(guò)程，對(duì)圍巖劣化帶來(lái)的影響明顯。此外，在偏應(yīng)力作用下出現(xiàn)的巷道圍巖擴(kuò)容變形，在開(kāi)挖巷道后，圍巖在不同的方向出現(xiàn)了不同的卸荷，導(dǎo)致圍巖偏應(yīng)力增加，同時(shí)應(yīng)力梯度出現(xiàn)了增加。隨著偏應(yīng)力的不斷提升，圍巖體積逐漸提升，尤其是達(dá)到了峰值強(qiáng)度之后，圍巖擴(kuò)容的問(wèn)題明顯，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)碎漲破壞，在破裂面出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、離層及滑移等變形破壞。

此外，從原支護(hù)來(lái)看，對(duì)巷道圍巖和各個(gè)支護(hù)體之間相互作用的機(jī)理并沒(méi)有一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)。對(duì)較強(qiáng)采動(dòng)影響下、高應(yīng)力條件下的巷道圍巖控制并沒(méi)有一個(gè)較為有效地支護(hù)方案，仍舊采用傳統(tǒng)的方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)了支護(hù)問(wèn)題。同時(shí)，巷道支護(hù)整體的錨固力相對(duì)偏低。雖然采用了注漿補(bǔ)強(qiáng)加固的方式，但是從加固的情況來(lái)看，效果較為有限。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)采取拉拔試驗(yàn)得到，錨桿的錨固力為85kN，在另一側(cè)錨固力僅僅為20kN，這表明錨桿整體的支護(hù)效果相對(duì)設(shè)計(jì)有著較大的差距。尤其是運(yùn)輸巷在采動(dòng)影響下，整體出現(xiàn)了較多的裂隙問(wèn)題，降低了錨索、錨桿整體錨固力。雖然技術(shù)人員進(jìn)行了針對(duì)性的注漿，但是從現(xiàn)場(chǎng)的情況來(lái)看，錨桿與錨索并沒(méi)有取得較好的“生根”效果，對(duì)巷道整體的支護(hù)效果較差。

3.巷道返修支護(hù)數(shù)值模擬分析

根據(jù)巷道所處地質(zhì)條件，選擇使用Phase軟件對(duì)巷道返修支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析，建立了30m×25m的二維數(shù)值模型，按照庫(kù)倫摩爾準(zhǔn)則，設(shè)置的模型邊界條件為：底板設(shè)計(jì)為固支、四周設(shè)計(jì)為鉸支，上部設(shè)置為自由邊界。巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)參數(shù)如表1所示。對(duì)在不同支護(hù)條件下，巷道塑性區(qū)分布情況、巷道位移情況等進(jìn)行了模擬，得到了巷道支護(hù)方案。根據(jù)本次鉆孔窺探結(jié)果，本次設(shè)計(jì)了四種模擬方案。見(jiàn)表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 巷道返修支護(hù)方案設(shè)計(jì)

(1)不同支護(hù)方案下巷道塑性區(qū)范圍

在不同的巷道支護(hù)方案下，模擬到了巷道不同的塑性區(qū)破壞范圍，見(jiàn)圖3。從圖3可看出，在對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化之后，巷道塑性區(qū)的范圍相對(duì)于先前明顯的下降，其中，方案四支護(hù)條件下，巷道塑性區(qū)的分布范圍最小。

圖3 不同支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)

(2)不同支護(hù)條件下巷道圍巖位移曲線圖

在不同的支護(hù)方案下，巷道圍巖位移分布情況見(jiàn)圖4。對(duì)比可得到，在對(duì)巷道圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化之后，巷道圍巖位移量相對(duì)于先前有了明顯的下降，特別是方案四，巷道位移量得到了有效的控制。

圖4 不同支護(hù)條件下巷道圍巖位移圖

通過(guò)數(shù)值模擬的方式，得到了在不同的支護(hù)方案下，巷道塑性區(qū)、位移量的分布情況圖，得到了方案四相對(duì)于其他三個(gè)方案整體的巷道穩(wěn)定性可得到較好的控制。因此，本次在進(jìn)行返修時(shí)，可選擇使用方案四對(duì)巷道進(jìn)行返修。

4.巷道返修支護(hù)

根據(jù)巷道所處地段的實(shí)際情況，對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行整體的返修，巷道返修支護(hù)示意圖如圖5所示。

圖5 巷道返修支護(hù)示意圖

本次設(shè)計(jì)在每個(gè)循環(huán)中設(shè)置2個(gè)注漿孔。本次鉆孔φ42mm，注漿孔1與底板之間的距離為1.5m，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為11m。注漿孔2與底板的距離為2m，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為9.4m。本次注漿設(shè)計(jì)采用的微納米無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合改性材料。水灰比設(shè)計(jì)為0.9。在進(jìn)行注漿時(shí)，壓力控制在9MPa。注漿設(shè)計(jì)采用從下到上的順序進(jìn)行間隔注漿，有效提升注漿的滲透效果。

5.圍巖支護(hù)效果

在工作面巷道采用了上述支護(hù)方案之后，在上述支護(hù)方案100m范圍內(nèi)設(shè)置了2個(gè)監(jiān)測(cè)站，對(duì)整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程中巷道整體的變形情況進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道掘進(jìn)期間表面位移變化情況

圖7 頂板離層儀觀測(cè)數(shù)據(jù)

從本次返修情況來(lái)看，在巷道開(kāi)挖之后，巷道的頂板、底板及兩幫均出現(xiàn)了變形，整體變形持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在距離迎頭65m的位置整體表現(xiàn)穩(wěn)定，最終得到兩幫的相對(duì)移近量在25mm，頂板與底板的相對(duì)移近量在17mm。從這些數(shù)據(jù)可以看出，巷道整體的表面位移相對(duì)較小，這表明本次采取的返修支護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖變形的有效控制，較好地保證了巷道整體的穩(wěn)定性，取得了較好的支護(hù)效果。

通過(guò)對(duì)返修巷道頂板出現(xiàn)的離層情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在巷道開(kāi)挖之后，在巷道的頂板不論是淺部（2.4m的位置）還是深部（9m的位置）均出現(xiàn)了離層的問(wèn)題，在開(kāi)挖了30m左右之后，離層整體穩(wěn)定，從離層數(shù)據(jù)可看出，巷道整體的離層量非常小，表明巷道頂板出現(xiàn)的離層數(shù)值均在安全的范圍內(nèi)。這表明，在返修過(guò)程中，選擇使用的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿等形成的復(fù)合支護(hù)的方式，對(duì)巷道整個(gè)頂板的離層形成了有效的約束效果。

6.結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，在進(jìn)行回采巷道支護(hù)的過(guò)程中，特別是厚煤層巷道支護(hù)中，整體的支護(hù)形勢(shì)與任務(wù)相對(duì)于傳統(tǒng)的巷道支護(hù)有著較大的不同，若仍舊采取傳統(tǒng)的支護(hù)理念與方案，必然導(dǎo)致巷道支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)各種類(lèi)型的問(wèn)題。因此，在進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合巷道所處地段的實(shí)際情況，一切從實(shí)際出發(fā)，在保證巷道正常使用的前提下，還需綜合考慮巷道支護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道支護(hù)效果的全面提升，才能更好保證巷道支護(hù)的整體實(shí)效。