＊武海濤

（山西潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 046100）

在煤礦的生產(chǎn)過(guò)程中，采區(qū)準(zhǔn)備大巷的穩(wěn)定對(duì)煤礦安全有著至關(guān)重要的作用，由于大巷的支護(hù)方式不夠合理或者受到采動(dòng)影響，所導(dǎo)致的冒頂或大巷周?chē)鷰r體失穩(wěn)等事故時(shí)有發(fā)生[1]，例如：受相鄰工作面和本工作面強(qiáng)烈采動(dòng)影響留用巷道會(huì)呈現(xiàn)出圍巖應(yīng)力集中、變形加大的特點(diǎn)，巷道支護(hù)較為困難。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究，康紅普[2]針對(duì)留巷圍巖變形與破壞，提出在留巷內(nèi)采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)、全錨索支護(hù)的支護(hù)方案；何滿(mǎn)潮[3]提出對(duì)軟巖巷道支護(hù)采用錨索關(guān)鍵部位二次耦合支護(hù)技術(shù)；本文以余吾煤業(yè)為工程背景，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了受采動(dòng)影響采區(qū)準(zhǔn)備巷道圍巖破壞特征及控制技術(shù)，可為潞安礦區(qū)類(lèi)似條件巷道支護(hù)提供參考。

1.工程概況

余吾煤業(yè)公司礦井主采煤層3#煤，地質(zhì)儲(chǔ)量12.99億噸，可采儲(chǔ)量6.58億噸，煤層厚度為5.00～7.25m，平均厚度5.99m。其中北翼采區(qū)布置5條準(zhǔn)備巷道，主要為進(jìn)風(fēng)大巷、1#回風(fēng)大巷、2#回風(fēng)大巷、輔運(yùn)大巷、膠帶大巷，如圖1所示。隨著采區(qū)進(jìn)入開(kāi)采后期，受到工作面開(kāi)采擾動(dòng)的影響，5條大巷變形破壞嚴(yán)重，尤其回風(fēng)大巷頂?shù)装逡平看?、兩幫縮進(jìn)極為劇烈，巷道斷面縮小，如圖2所示，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。

圖1 北翼采區(qū)準(zhǔn)備巷道位置示意圖

圖2 準(zhǔn)備巷道變形情況（回風(fēng)大巷）

對(duì)膠帶大巷頂板巖層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視實(shí)測(cè)后，如圖3所示，窺視結(jié)果表明大巷周?chē)簬r體的穩(wěn)定性相對(duì)較差，而且由于5條準(zhǔn)備大巷均布置在煤層中，受放頂煤工作面開(kāi)采擾動(dòng)影響較大；在初期變形和破壞之后，采用“挑頂”的處理方法擴(kuò)充斷面，進(jìn)一步破壞了頂板中煤層和巖層的穩(wěn)定性，且“挑頂”后，巷道變成“瘦高型”的矩形斷面，造成兩幫鉛直應(yīng)力的峰值進(jìn)一步外移，兩幫塑性區(qū)的分布進(jìn)一步加大，最終導(dǎo)致巷道變形和破壞進(jìn)一步加劇。

圖3 準(zhǔn)備巷道頂板鉆孔窺視圖（膠帶大巷）

2.數(shù)值模擬分析

(1)模型的建立及初始平衡

為了研究工作面開(kāi)采對(duì)巷道周邊采動(dòng)應(yīng)力分布及巷道支護(hù)的影響，采用FLAC3D構(gòu)建多條準(zhǔn)備巷道數(shù)值模型，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中將3#煤層設(shè)定為水平煤層，模型基本框架如圖4所示。在該模型中，開(kāi)拓大巷長(zhǎng)×寬×高=5m×5m×4m，大巷之間留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度為100m。

圖4 FLAC3D數(shù)值模型基本框架

本模型中采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，模型頂部施加一鉛直向下大小為10MPa的壓應(yīng)力，模擬上覆巖層的壓應(yīng)力，余吾煤業(yè)目前采用錨桿支護(hù)和錨索支護(hù)對(duì)巷道周?chē)鷰r體進(jìn)行加固，因此，在FLAC3D模擬計(jì)算中采用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿和錨索并對(duì)巷道進(jìn)行加固。

(2)采動(dòng)影響下巷道周邊應(yīng)力分布規(guī)律

工作面開(kāi)采后，提取采場(chǎng)內(nèi)鉛直位移分布，如圖5所示。可以看出，工作面上方的頂板均已垮落，垮落高度約為6.3m，基本等于煤層的厚度。對(duì)5條開(kāi)拓大巷周?chē)簩又械你U直應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示，可以看出各巷道間的煤柱中都存在應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。這是由于準(zhǔn)備巷道煤柱作為保證巷道穩(wěn)定的重要屏障，服務(wù)時(shí)間一般較長(zhǎng)且煤柱寬度較大，煤柱集中了很大的支承壓力，由于受工作面動(dòng)壓的影響，煤柱內(nèi)的彈性核處于高度受壓狀態(tài)，又由于煤柱鉛直應(yīng)力傳遞具有擴(kuò)散和衰減作用，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力從彈性核向兩側(cè)逐漸衰減，因此各巷道間的煤柱中鉛直應(yīng)力存在升高區(qū)和降低區(qū)。在開(kāi)拓大巷周?chē)褐校U直應(yīng)力的峰值約為17.7MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.61，開(kāi)拓大巷周?chē)褐兴苄詤^(qū)的分布范圍及破壞深度基本相同。

圖5 工作面回采后鉛直位移分布

圖6 巷道周?chē)簬r鉛直應(yīng)力分布曲線

(3)原支護(hù)方案加固效果模擬分析

對(duì)工作面進(jìn)行開(kāi)采，待模型計(jì)算穩(wěn)定之后，提取采場(chǎng)內(nèi)的塑性區(qū)分布情況，如圖7所示。將該圖與巷道沒(méi)有任何支護(hù)方式時(shí)作對(duì)比，可以看出塑性區(qū)的體積并未明顯減小，說(shuō)明采用錨桿支護(hù)或者錨索支護(hù)這種圍巖加固方式，并不能很好地改善余吾煤業(yè)采區(qū)開(kāi)拓巷道周?chē)鷰r體的穩(wěn)定性。因此，提出注漿改性、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)和切縫卸壓三項(xiàng)加固措施。

圖7 原支護(hù)方案塑性區(qū)分布

3.采動(dòng)影響下準(zhǔn)備巷道圍巖加固措施

(1)注漿改性措施

注漿改性，即煤巖體性質(zhì)強(qiáng)化改造?；谠诒緟^(qū)域鉆孔窺視的結(jié)果，可以推斷看出巷道周?chē)簬r體較為破碎，尤其是巷道周?chē)?.5m的范圍內(nèi)，巖體內(nèi)環(huán)向裂隙較為發(fā)育，煤巖體的穩(wěn)定性相對(duì)較差，這也導(dǎo)致巷道在放頂煤工作面回采擾動(dòng)的作用下，變形破壞較為嚴(yán)重，且部分區(qū)域支護(hù)失效，原支護(hù)錨索存在崩斷情況。為了保證開(kāi)拓大巷能夠正常安全地使用，首先從圍巖自身性質(zhì)的角度進(jìn)行考慮[5]，即嘗試采用注漿的方式提高圍巖自身的穩(wěn)定性。對(duì)于破碎頂板巖層和煤層控制,注漿加固是一種有效的途徑。本次注漿采用高阻燃煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料，最大抗壓強(qiáng)度≥40MPa，最大粘結(jié)強(qiáng)度≥3.0MPa。在大巷的頂板中同樣布置注漿鉆孔，其間排距為1.5m×2m。每一排布置3個(gè)注漿鉆孔，中間的注漿鉆孔布置在頂板的正中間，左右兩側(cè)1.5m位置處各布置一個(gè)注漿鉆孔，兩側(cè)鉆孔距離左右兩幫的距離均為1m。注漿鉆孔的排距為2m。在大巷左右兩幫中，設(shè)置鉆孔的間排距為1.5m×2m，同時(shí)設(shè)置左右兩幫中各布置兩排鉆孔。巷道兩幫鉆孔的布置方式，如圖8所示。

圖8 巷道側(cè)幫上鉆孔的布置方式（側(cè)視圖）

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，采用隔排注漿的方式，按照設(shè)計(jì)排距先隔排注漿，待施工完100m的封閉區(qū)域后，再對(duì)隔過(guò)的設(shè)計(jì)鉆孔位置進(jìn)行打眼注漿，確保注漿質(zhì)量符合要求。

(2)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施

由于本區(qū)域內(nèi)的準(zhǔn)備巷道成巷年限已在8-10年以上，部分支護(hù)已存在一定程度的失效，因此對(duì)巷道圍巖進(jìn)行補(bǔ)充加固，頂板錨索采用材料為Φ22mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度8.3m，使用3支K2350低粘度快速樹(shù)脂錨固藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度為2.7m。錨索托盤(pán)采用300mm×300mm×16mm的高強(qiáng)度蝶形托盤(pán)，配套高強(qiáng)度可調(diào)心球墊、鎖具錨索間距1.66m，排距0.9m。錨索預(yù)緊力為250kN，初次漲拉實(shí)現(xiàn)超漲拉，漲拉至300kN；錨固力要求達(dá)到600kN。幫錨索采用材料為Φ22mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6.3m，使用2支Z2350低粘度中速樹(shù)脂錨固藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度為1.8m。錨索配件與頂錨索一致，沿巷道前進(jìn)方向按3-3-3布置，錨索間距0.8m，排距0.9m。錨索預(yù)緊力為250kN，初次漲拉實(shí)現(xiàn)超漲拉，漲拉至300kN；錨固力要求達(dá)到400kN，支護(hù)參數(shù)，如圖9所示。

圖9 頂板支護(hù)方案設(shè)計(jì)（俯視圖）

(3)切縫卸壓措施

對(duì)于高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)巷道，卸壓法是控制巷道圍巖變形的另一條有效途徑。在巷道圍巖內(nèi)進(jìn)行切縫、爆破，在被保護(hù)巷道周?chē)蛐秹合?，可將高?yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，使圍巖淺部處于應(yīng)力降低區(qū)。結(jié)合地質(zhì)條件和工作面回采情況，對(duì)北翼2#貫至7#貫共1400m底鼓和收斂嚴(yán)重的范圍施工了350m底板卸壓槽和4604個(gè)巷幫卸壓孔，卸壓孔參數(shù)為：孔徑120mm，孔深18m，傾角0°，垂直于巷幫打設(shè)；卸壓槽參數(shù)為：底板掏槽長(zhǎng)5m，寬0.5m，深0.6m?，F(xiàn)場(chǎng)施工，如圖10、圖11所示。

圖10 巷幫卸壓孔

圖11 底板卸壓槽

(4)加固效果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

經(jīng)過(guò)以上施工方案治理后，在變形最嚴(yán)重的北翼膠帶大巷1300～1500m段，選取2個(gè)表面位移觀測(cè)站的兩幫移進(jìn)量和頂?shù)装逡平繖z測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖12所示。根據(jù)圖12可以看出，經(jīng)過(guò)注漿改性，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，切縫卸壓三項(xiàng)措施后，北翼膠帶大巷1360m、1450m處巷道圍巖兩幫移進(jìn)量和頂?shù)装逡平恐饾u減小，施工完2個(gè)月后基本穩(wěn)定無(wú)變化，達(dá)到了巷道圍巖控制的目的。

此外，加固后準(zhǔn)備巷道周邊圍巖中應(yīng)力集中現(xiàn)象大大緩解。未采取加固措施之前，巷道兩側(cè)的工作面采空區(qū)回采支架回撤半年內(nèi)一般會(huì)達(dá)到應(yīng)力峰值區(qū)，局部變形嚴(yán)重，錨索崩斷情況偶有發(fā)生，施工半年后，伴隨著本文所采取的卸壓措施和部分工作面采用末采階段的水力切頂，工作面回采造成的巷道應(yīng)力集中逐漸得到釋放，但還受自然條件下原巖應(yīng)力的影響，在支護(hù)較弱的地方也會(huì)發(fā)生緩慢變形，需加強(qiáng)支護(hù)。試驗(yàn)巷道的礦壓觀測(cè)結(jié)果（圖12）也表明，巷道頂板下沉和兩幫移近量大大減小，巷道逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力表現(xiàn)形式傾向于表面應(yīng)力釋放，頂板離層儀未觀測(cè)到大的離層，支護(hù)效果良好。

圖12 北翼膠帶大巷1360m和1450m處表面位移測(cè)站圍巖變化圖

4.結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)余吾煤業(yè)五條準(zhǔn)備大巷受工作面開(kāi)采擾動(dòng)影響的數(shù)值模擬，分別對(duì)五條準(zhǔn)備大巷的鉛直位移，鉛直應(yīng)力，塑性區(qū)進(jìn)行模擬分析，得出采用錨桿支護(hù)或者錨索支護(hù)這種圍巖加固方式，并不能很好地改善余吾煤業(yè)北翼采區(qū)開(kāi)拓巷道周?chē)鷰r體的穩(wěn)定性。

（2）在巷道周?chē)簬r體性質(zhì)強(qiáng)化改造方面，采用注漿的方式增強(qiáng)巷道周?chē)鷰r體的力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)在巷道兩幫及頂板中布置鉆孔，注入高阻燃煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料，以封閉煤巖體內(nèi)的節(jié)理和裂隙，顯著增強(qiáng)了煤巖體的穩(wěn)定性并提高其自承能力。對(duì)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)重新進(jìn)行了優(yōu)化，增強(qiáng)對(duì)圍巖的加固作用，此外，施工卸壓孔與卸壓槽的方法有效降低了圍巖淺部的應(yīng)力集中，對(duì)圍巖控制有顯著效果。

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)準(zhǔn)備大巷采取的注漿改性、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、切縫卸壓三項(xiàng)措施，有效控制了余吾煤業(yè)北翼采區(qū)準(zhǔn)備大巷的變形，對(duì)困擾礦井的巷道變形反復(fù)維修，影響巷道正常使用等問(wèn)題提出了解決方案，效果顯著。